Vedlegg 2 Spesifikasjoner for prosessen
Instrumentering Eksternt på ovnsrigg Temperaturfølere Temperaturområdet ligger mellom + 20 C og + 1100 C Går for å ta i bruk termoelement av typen K og/eller N Tabell 1 Oversikt over termoelementene Type Type ledere Anbefalt område Kontinuerlig C Kort tid C K Nikkel Krom Nikkel 0 til +1100-180 til +1350 N Nikkel Krom Silisium Nikkel Silisium Magnesium 0 til +1100-270 til +1300 Fordelen med termoelementtype N i forhold til K er levetiden ved høyere temperaturer. I og med at ovnen over lengre tid vil ligge i det øverste temperatursjiktet er det naturlig å gå for type N. Det skal legges til rette for flere målepunkter på ovnen, men det legges opp til å benytte seg av ett minimum av målinger under kjøring. Hovedsaklig for å gjøre beregningene i LabVIEW lettere. Ved å legge til rette for flere målepunkter gjøres det mulig å se på eventuelle temperaturforskjeller i ovnen. Plasseringen av elementene vil være: Ett like ved heating elementene. Ett nærmere prøven inne i ovnen. Og ett eller flere andre steder på ovnen (nipplene vil bli plugget igjen om ikke i bruk for å forhindre ytre påvirkninger). Det vil benyttes manteltermometer som er mulig å bøye, slik at de kan legges på en slik måte i ovnen at de gir best mulig måling. Ett av elementene (nære heating element) vil kobles opp mot temperaturcontrolleren, mens den/de andre legges til FieldPoint (The National Instruments cfp-tc-120 som er en 8-kanals input modul for direkte målinger av temperatur fra standar termoelement som J, K, T, N, R, S, E, og B). Signalene fra controlleren går via serial RS232 kabel og rett inn i PC. Hva må tas hensyn til: Lengden på termokablene (tap). Støyproblematikk (skjerming av termoparene/kablene). Tverrsnittet på termokablene må bestemmes ut ifra avstand. Da det muligens vil være snakk om litt avstand (3-5 m) må det legges opp til å gå for litt større tverrsnitt? En kabel av mindre tversnitt har mindre responstid, så dette er noe som må veies opp imot hverandre. Det er ventet at strømforsyningen på 27 kva vil generere en del støy, det er derfor naturlig å ta visse forholdsregler i henhold til det. Skjerming etc... Da se på skjerming av kabelen fra forsyninga ut til ovnen, og/eller skjerming av termoparene.
Vannkjøling Ovnen bruker vann som kjølemedium. Vannet ligger mellom ytter- og innerveggen av ovnen. For å kjøle ned ovnen er det ønskelig å ha kontroll med vannmengden inn og ut. Mengden vann reguleres ved hjelp av en magnetventil (Av/På regulering). I tillegg også innhente informasjon om temperaturen på vannet som går ut. Om vannet ut overstiger en kritisk temperatur vil oppvarmingen av ovnen slutte. For å sikre oss oversikt over kjølemediet (inn = ut) monteres trykk - transmittere inn og ut av ovnen (da disse er billigere kontra flow transmittere, og vil i vårt tilfelle gi oss tilstrekkelig info om massebalansen). Temperaturen på kjølevannet ut av ovnen vil holdes under oppsikt ved hjelp av termoelement type K. Det er naturlig å ta i bruk termoelement på bakgrunn av valget av FieldPoint modul cfp-tc-120. Purging En effektiv metode for å hindre at avgasser og støv fra prøvene i ovnene legger seg på inspeksjonsglassene og inne i ovnen generellt, er å spyle utstyret med tørr, inert nitrogen. Ved å benytte en reguleringsventil med regulator i serie med en magnetventil (Av/På) inn i ovnen, og en pinch ventil ut av ovnen oppnår vi å kvitte oss med avgassene fra prøven i tillegg til å spyle inspeksjonsglassene fri for støv. Pinch ventilen av typen N/C (Normally Closed) vil aktiveres samtidig som selve purgingen. Eventuellt med en liten tidsforsinkelse for å skape overtrykk i ovnen. Lettere å kvitte seg med alt støvet da? Dette er bare en idè som må sees nærmere på. Ikke avklart løsningen for purgingen helt enda,
Spesifikasjoner for styreskap Figur 1: Styrerigg Styreskapet skal ha: Display for temp.regulator Bryter manuell/auto Signallamper Nødstoppbryter Dokumentasjon
- Display for temp.regulator: Her vil man kunne se temperatur i ovnen og hva referanse temperatur er. Man vil ikke ha mulige til å regulerer temp på display for prosessen er slått over i manuell. - Bryter manuell/auto for å bestemme om temperaturen skal styres automatisk fra PC eller manuelt fra display. - Signallamper for prosess stopp og prosess kjører for å indikere hvilken tilstand prosessen er i. - Nødstoppbryter for å kunne foreta sikker utkobling av prosessen ved eventuelle feil. - For å få god oversikt over koblinger og instrumentering i styreskapet skal det lages god dokumentasjon av alt innhold på styreskapsriggen. Dette skal finnes lett tilgjengelig i egen hylle på riggen.
Spesifikasjon for styring av stepmotor: Til å drive akslingen med anoden rundt har det blitt kjøpt inn en step motor av typen Sonceboz 8660-20 Low Noise. Motoren krever en spenningsforsyning på 24VDC 2A og har en oppløsning på enten 1600 eller 51200 pulser per omdreining. Den har en maks pulsfrekvens på 200kHz som gir en makshastighet på 7500 eller 23rpm. Ett step regnes som en positiv flanke på en inngangspuls mellom 4 og 7,5V. Den har et startmoment på ca 1Nm og ekstra boost som kan brukes i korte perioder for å starte eller bremse rotasjonen. Rotasjonen skal styres fra brukergrensesnittet som vil bli utviklet i LabVIEW. LabVIEW brukes videre til å styre Fieldpointmodulene, og det er herfra motoren vil få sitt styresignal. Det er blitt kjøpt inn en strømforsyning på 24VDC 7,5A som skal forsyne blant annet motoren med strøm. Spenningspulsene som skal styre motoren kommer fra Fieldpoint Digital Input modulen. Siden anoden skal rotere relativt sakte vil det være gunstig med en høy oppløsning på motoren (51200 pulser/omdreining). I tillegg er det en utveksling på 10:1 fra motoren til akslingen som betyr at 1 puls til motoren gir 1/512000 omdreining som tilsvarer π/256000 radianer. Ved en rotasjonshastighet (på anoden) på 1rpm og en oppløsning på 51200 pulser per omdreining tilsvarer dette en pulsfrekvens på (512000/60) = (8533,333) = (8500 + 100/3) Hz. Posisjonen til akslingen/anoden i forhold til startvinkelen vil til enhver tid være gitt av antall pulser som er levert av Fieldpointmodulene. Den eksakte posisjonen til aksen (i radianer) er gitt ved: x 2π rad = 512000 der x er antall avgitte pulser. Ved behov kan en fysisk posisjonsgiver monteres på akslingen, for eksempel ved at man får inn et signal ved et fast punkt for hver omdreining. På denne måten kan man sammenligne den antatte posisjonen med den faktiske posisjonen en gang for hver omdreining og bruke dette til å kalibrere/finstille den reelle oppløsningen på rotasjonen. Dette kan være svært nyttig fordi det kan være små unøyaktigheter både i motoren, pulssignalet, og utvekslingen som kan kompenseres for med denne metoden. Dessuten, og kanskje viktigst av alt vil man kunne nullstille telleren for hver omdreining slik at eventuelle unøyaktigheter ikke bygger seg opp og blir utslagsgivende posisjonsfeil i løpet av den lange perioden prosessen vil foregå. Dersom det er ønskelig er det fullt mulig å bruke stepmotoren til å flytte anoden til en ønsket vinkel til enhver tid. Med andre ord trenger den ikke å rotere konstant gjennom hele oppvarmingen, men kan stå stille i de periodene man ikke er interessert i å fotografere fra andre vinkler. Dersom man for eksempel ønsker å ta ett bilde i minuttet fra 12 forskjellige vinkler programmerer man inn følgende: t=klokke; %mens prosessen går teller en klokke i sekunder antall=12; %antall bilder/vinkler settes lik 12 periode=60; %perioden mellom fotosekvensene settes til 60s x=10; %venteperioden mellom stepene settes til 10 while prosess=true{ if t/periode=heltall { %denne løkken går så lenge prosessen er i gang %for hvert hele minutt starter fotosekvensen
} } i=0; %steptelleren settes til null TA BILDE; %kameraet tar et bilde k=1; %antall bilder settes til 1 while i<512000{ %kontrollerer at man har kommet rundt if i*2π/k*512000=2π/antall{ %sjekker posisjonen mot de 12 vinklene TA BILDE; %i så fall tar kameraet et bilde k++; %antall bilder inkrementeres } sleep(x); %venter litt for å holde frekvensen under 200kHz FLYTT 1 STEP; %sender et stepsignal til motoren i++; %inkrementerer steptelleren } Utdyping: -t=klokke Variabelen t settes til å telle sekunder fra prosessen starter. Denne kan om ønskelig nullstilles for hver gang man går inn i fotosekvensen. -t/60=heltall For hvert hele minutt vil t/60 bli et heltall og vi går da inn i if-setningen. -TA BILDE Denne kommandoen innebærer alt som skal skje i forbindelse med at man tar et bilde. Klaffen åpnes, lyset må være på, kameraet trigges, bildet grabbes og prosesseres, lagres eller kastes avhengig av hva man ønsker. -FLYTT 1 STEP Det nødvendige pulssignalet sendes fra Fieldpoint Digital Output modulen til stepmotoren som beveger seg ett step fremover. Logikken ovenfor vil automatisk sørge for den nødvendige sammenhengen mellom rotasjonen og fotograferingen. Rotasjonsfarten, perioden mellom fotosekvensene og vinkelen mellom bildene kan enkelt varieres, og dermed er det ingenting som hindrer full oversikt over hva som skjer med anoden. Ved hjelp av små tillegg til logikken kan dessuten disse faktorene varieres automatisk etter hvor i prosessen man befinner seg (tid, temperatur etc). Eksempelkoden sier derimot ingenting om kommunikasjonen med klokke, kamera, temperaturmåler eller motor. Dette er grensesnitt som lettest lar seg løse via labview og Fieldpointmodulene.
Spesifikasjoner for programmering i LabVIEW Programmeringsdelen i prosjektet har av praktiske grunner blitt delt i to deler. En del befatter seg utelukkende om bildebehandling, den andre delen befatter seg med styring av ovnen, Utstyr: Hardware Firewirekamera, med opptikk (Pixelink 6.6 mp) Firewirekort til pc (NI PCI-8252) cfp (Kompakt Fieldpoint) Bronkhorst ventil med regulator (F-201C) Pinchventil (Utlufting fra ovn) Software LabView 7.1 Vision Assistant 7.1 Ovnstyring Mål: Ovnen skal kunne kontrollert varme opp prøven til 1000 C Det skal kunne tas bilder av prøven til lagring og behandling i LabVIEW Temperaturer, tilstander og tidspunkt skal kunne logges og presenteres på en hensiktsmessig form Vannkjøling av ovn skal kunne overvåkes og styres av operatør Alarmer og forrigling skal implementeres Temperaturstyring: Operatøren skal kunne programmere forløpet for oppvarmingen av prøven på forhånd. Under kjøring skal det være mulig å endre forløpsprogrammet, og kjøre prosessen i manuell. Påvirkning av temperaturforstyrrelser under kjøring av prosessen (varmelekkasje, purging) skal minimeres ved hjelp av PID-regulering Alarm ved for stort settpunktsavvik og for høy temperatur. Utstyr: Eurotherm 2416 controller Kommunikasjon: Med prosessen 4-20 ma strømsignal til strømforsyning, modell IPM 18 Med LabVIEW RS-232 seriell kabel til PC
Temperaturmåling i ovn Temperaturen skal måles ved to forskjellige punkter i ovnen: Ved varmeelementene nært innerveggen av ovnen, og ved prøven nært midten av ovnen. Målingene skal logges av programmet ved tidsintervaller spesifisert av operatøren, og deretter presenteres på forskjellige vis i LabVIEW og Excel. Det skal være mulighet for å føre inn nye målepunkter som kan registrere temperatur på forskjellige posisjoner i ovnen, disse målingene skal også kunne logges og presenteres. Grensesnittet skal inneholde et felt som gjør det mulig for operatøren å å skrive inn en kommentar med tidsstempel i temperaturloggen. Vannkjøling av ovn Operatøren skal kunne skru av og på vannkjøling på ovnen. Temperatur på utgående vann og masseflyt skal være tigjengelig. Ved temperatur over berøringssikkert nivå aktiveres en alarm, og ovnstemperaturen senkes. Bildebehandling Mål for bildebehandling Hovedmålet er å måle termisk utvidelse på en prøve, ved hjelp av et digitalkamera. Det skal benyttes et firewirekamera for å ta bildene. Det skal også brukes en lyskilde for å fremheve konturene av prøven. Hvor ofte og hvilke kriterier som skal til for å ta bilde av prøven, skal til en viss grad bestemmes av brukeren. Data fra prosessen og bilder skal lagres for senere bruk. En viktig del av programmeringen i denne forbindelse blir å synkronisere hendelsesforløpet i forbindelse med bildetagning. Det skal brukes gass for å holde vinduene i ovnen rene, samt metallplater. Lys må være klart før bildet tas. Alt dette må flettes inn i en sekvens bestående av fire serier, da det skal tas fire bilder per måling. Hendelsessekvens Hardware - Starte/stoppe purging. Gassflowen blir regulert ved hjelp av en Bronkhorst F-201C, og en av/på ventil. Reguleringsventilen kan styres analogt (4-20 ma, 0-10V),eller digital (RS-232). Av/på ventilen styres ved hjelp av et digital (24V) signal fra cfp. - Utlufting av ovnen skjer ved hjelp av en av/på ventil av typen pinchventil. Dette er en ventil som åpnes/lukkes ved hjelp av trykkluft. Det vil her være bruk for en 3/2-ventil for å tilføre/slippe ut luft. Denne ventilen styres ved hjelp av et digitalt (24V) signal fra cfp.
- Åpne beskyttelsesdeksel. Det skal brukes beskyttelsesdeksel foran vinduene i ovnen, av samme grunn som det brukes purging. Disse skal åpnes/lukkes ved hjelp av en liten servomotor. Denne styres ved hjelp av et analogt signal (0-10V) fra cfp. - Trigge lys og kamera. For å få et godt bilde av prøven skal det brukes motlys, som vil gi en god kontur av prøven. Lyset skal lages av ca 25 LED lysdioder som monteres på et kretskort. Disse vil bli tilført spenning fra en digital utgang (24V, 2A) på cfp. - Rotasjon av prøven for å oppnå en 3D måling. Ved hjelp av rotasjon og en mattematisk tilnærming bør det være mulig å lage en god tilnærming av volumet til prøven. Software 1. Ta opp en sekvens av bilder (fire vinkler?). 2. Bestemme volum på prøve ut fra bildene tatt fra forskjellige vinkler 3. Sammenligne målinger med tidligere resultater 4. Forkaste/lagre målinger 5. Lagre bilder 6. Logge data i både tabell form og graf
Programmering i LabView I forbindelse med bildebehandling har LabView et eget verktøy som heter Vision Assistant 7.1 (VA). Dette verktøyet lar brukeren åpne en bildefil, for så å legge på blokker for å endre parametere på bildet, og ta ut informasjon. Det fine med dette verktøyet er at det er mulig å se hva som skjer med bildet i real time. Ved hjelp av et tastetrykk genererer VA et LabView VI som utfører de funksjonene som ble definert i VA. Dette gjør det veldig enkelt å lage kode for noen deler av bildebehandlingen. Resten må gjøres på vanlig måte. Kamera og PCI IEEE 1394 kort Bildene som tas hentes inn på pc`en ved hjelp av et IEEE 1394/Firewirekort. Det ble valg å gå for det billigste av denne typen kort, produsert av NI. Den største forskjellen på de dyre og billige kortene er antall firewireinnganger. Det er bare brukt for en inngang av denne typen