LOPPURAPORTTI S13-12 PROSESSIAUTOMAATION TEHTÄVIÄ LUKIOLAISILLE 3OP

Transkriptio

1 AS Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt Aloituspvm: Lopetuspvm: LOPPURAPORTTI S13-12 PROSESSIAUTOMAATION TEHTÄVIÄ LUKIOLAISILLE 3OP Tekijät: Janne Korhonen Janne Pirttimäki Teppo Uimonen Mikko Hallikainen Ohjaaja: Kai Zenger

2 JOHDANTO Projektityön tavoitteena oli luoda kaksi automaatioon liittyvää laboratoriotöitä lukiolaisille. Työt liittyvät LUMA-projektiin, jossa on tarkoituksena tutustuttaa lukiolaisia korkeakouluopiskeluun erilaisten harjoitustöiden avulla. Ensimmäisenä harjoitustyönä oli PLC:llä ohjattava pneumaattinen laitteisto. Työtä varten oli hankittuna Isvetin Autobygg-sarja, jossa oli valmiina Mitsubishin PLC ja erilaisia paineilmalla toimivia laitteita ja työkaluja. Tehtävänä oli selvittää, millaisia laitteita sarjaan kuului ja miten ne toimivat. Tämän jälkeen tuli keksiä, millainen harjoitus niiden avulla lukiolaisille voitaisiin muodostaa ja lopulta toteuttaa tämä harjoitustyö. Dokumentaatiota tämän Autobygg-sarjan sisällöstä oli aluksi vähän, joten alun suuri haaste oli saada se selville. Toisena työnä oli Feston vesiprosessi, jossa vesitankin pinnankorkeutta säädettiin PID-säätimellä. Tässä työssä laitteisto oli valmiiksi kasattu, joten projektityöryhmän tehtäväksi jäi suunnitella lukiolaisille sopivat tehtävät käyttäen valmista vesiprosessilaitteistoa. Haasteena tässä työssä oli se, että työn laitteisto ei sopinut juuri muuhun kuin pinnankorkeuden säätöön, josta oli hankala keksiä lukiolaisille sopivia tehtäviä, jotka olisivat sekä mielenkiintoisia että tarpeeksi helppoja. Tärkeä osuus molempia harjoitustöitä oli tehdä töistä sellaisia, että lukiolaiset innostuisivat niistä ja sen kautta kiinnostuisivat automaatiosta. Töihin tuli myös kirjoittaa tarpeeksi kattavat ja selkeät ohjeet, jotta lukiolaisryhmät osaavat myöhemmin suorittaa nämä harjoitustyöt. AUTOBYGG-TYÖN KUVAUS JÄRJESTELMÄN YLEISKUVAUS Harjoituksessa käytettävän järjestelmän yleiskuvaus näkyy kuvassa 1. Järjestelmä ohjelmoidaan PC:llä olevalla ohjelmointisovelluksella. Järjestelmän ohjaus toimii siten, että PC:llä ohjelmoitu logiikka ladataan ohjelmointikaapelin avulla USB/COM-portin yli PLC-laitteeseen. PLC on kiinnitetty alustaan (kuva 1), jonka kautta PLC:hen saadaan virtaa verkkovirrasta. Toimiakseen PLC tarvitsee järjestelmästä mittauksia ja logiikkaohjelman mukaan PLC lähettää ohjaussignaaleja. PLC:n ohjaussignaalit kulkevat alustan kautta kytkentärimaan, josta signaalit johdetaan kytkentäjohtimilla paineenjakoyksikköön. Paineenjakoyksikössä on venttiilit eri toimilaitteille ja PLC:n ohjaussignaalit sulkevat tai avaavat näitä venttiilejä. Esimerkiksi jos logiikkaohjelmassa halutaan liikuttaa hissiä, ohjaussignaali kulkee paineenjakoyksikön venttiiliin, johon hissi on kytketty paineletkuilla. Ohjaussignaali avaa kyseisen

3 venttiilin ja paineilma pääsee kulkemaan paineletkuja pitkin hissille, jolloin hissi liikkuu. Toisaalta anturien antama tieto esimerkiksi hissin asennosta kulkee kytkentäjohtimia pitkin kytkentärimaan, josta signaalit ohjataan jälleen alustan kautta PLC:hen PLC käyttää näitä tietoja logiikassaan. KUVA JÄRJESTELMÄN RAKENNE LAITTEISTO Autobygg-laitteiston on valmistanut suomalainen IS-VET. Yritys on erikoistunut luonnontieteellisten aineiden opetusvälineiden rakentamiseen: Pakettiin kuuluvat järjestelmän fyysisesti toteuttavat osat, eli rakennusosia sekä pneumaattisia ja sähköisiä komponentteja. Työssä käytetään painetta ja paikkaa mittaavia antureita.

4 KUVA : JÄRJESTELMÄN TOIMILAITTEET Kuvassa 2 nähdään järjestelmän toimilaitteita, ja samalla siitä ilmenee järjestelmän toiminta. Sukkulasylinterillä ohjataan tartuntaimukuppia ja kaksitoimista sylinteriä pystysuunnassa. Kaksitoimisella sylinterillä liikutetaan imukuppia vaakatasossa. Näillä sylintereillä imukuppi voidaan ohjata alas, jolloin oikeanpuolimmaisessa asennossa se ulottuu oikealla näkyvän letkun punaiseen alaosaan. Letkun punaisessa osassa on odottamassa pallo, johon imukupilla voidaan tarttua muodostamalla tähän tyhjö ohjaamalla sinne alipainetta. Seuraavaksi kaksitoiminen sylinteri vedetään sisään, minkä jälkeen sukkulasylinterillä liikutetaan se ja imukuppi palloineen ylös. Pallo viedään letkun yläosaan kuljettamalla se kaksitoimisella sylinterillä oikealle ja pysäyttämällä alipaineen ohjaus imukuppiin. Seuraavaksi siirrytään taas alas hakemaan seuraavaa palloa.

5 KUVA : SUKKULASYLINTERIN PAIKKA-ANTURIT A1 JA A2 näkyvät paikka-anturit ilmoittavat, milloin sukkula on ylä- ja ala-asennoissa. Anturien tiedot välitetään PLC:lle, jossa niitä käytetään järjestelmän ohjaukseen. Koska sukkulan paikkaa havainnoidaan vain ääriasennoissa, siitä ei tiedetä tarkkaa sijaintia silloin, kun se liikkuu ääripäiden välillä. Kuva

6 KUVA : KAKSITOIMISEEN SYLINTERIIN (T1) LIITETYILLÄ ANTUREILLA A3 JA A4 HAVAINNOIDAAN, MILLOIN SYLINTERI ON ÄÄRIASENNOISSAAN ULKONA TAI SISÄLLÄ. KUVA : EJEKTORI JA PAINEANTURI Imukuppi tarvitsee tyhjön voidakseen tarttua palloon. Tätä varten sinne ohjataan alipainetta. Kuvassa Kuva näkyvä ejektori muuttaa paineen alipaineeksi, joka viedään edelleen imukuppiin.

7 Paineanturi A5 on liitetty ejektorin ja imukupin välille, ja sille asetetaan kokeellisesti tietty paineraja. Kun pallo on kiinni imukupissa, paineanturin punainen LED-valo palaa. Paineen muuttuessa painerajan toiselle puolelle paineanturin valo sammuu, ja järjestelmän ohjauksessa tiedetään, että pallo ei enää ole kiinni imukupissa. Tarvittaessa anturin herkkyyttä voidaan säätää oranssilla säätöruuvilla, joka näkyy kuvan Kuva oikealla puolella. Jos pallo on kiinni eikä anturissa A5 pala valo, tulee ruuvia säätää kunnes valo syttyy. Toisaalta pallon ollessa irti imukupista, valo ei saa olla päällä. Tällöin anturia on säädettävä päinvastaiseen suuntaan. VESIPROSESSITYÖN KUVAUS JÄRJESTELMÄN YLEISKUVAUS Tässä harjoituksessa tutustutaan yksinkertaiseen säätöongelmaan ja konfiguroidaan käytettävä säädin siten, että järjestelmä toimii halutulla tavalla. Hyvän ja huonon säätimen tunnistaminen on tärkeä taito työelämässä automatisoidun järjestelmän käyttöiän ja tuotantotehon maksimoimiseksi. Järjestelmänä on Festo-nimisen yhtiön toimittama laitteisto, jossa ajetaan veden pumppaukseen perustuvaa prosessia. Lisäksi pyritään selvittämään, miten järjestelmän tilaa voidaan kuvailla laskentaa tekevällä tietokoneella ja millaiset komponentit voivat tehdä säätötoimenpiteitä järjestelmään. Vesiprosessin tarkoituksena on asettaa säiliössä olevan veden pinnankorkeus haluttuun asetusarvoon ja saada se pysymään siinä. Tätä varten veden tulonopeutta säädellään ohjaamalla vesipumpun moottoria PID-säätimellä, jonka parametrejä voidaan asettaa laitteistolle valmistetulla ohjelmalla. Lisäksi järjestelmässä säädettäviä suureita ovat paine ja veden virtausnopeus. Säiliössä on manuaalisesti avattava venttiili, jonka avulla voidaan säädellä veden poistumista säiliöstä. Veden poistumista on säädeltävä esimerkiksi tilanteessa, jossa pinnankorkeutta halutaan laskea. Kuvassa 1 nähdään vesiprosessi ja siihen kuuluvat oheislaitteet sekä tietokone, johon on asennettu ohjelmisto prosessin säätöä varten.

8 KUVA : PROSESSIN MITTAUS- JA OHJAUSSIGNAALIT

9 LAITTEISTO PUMPPU näkyy työssä käytettävä vesipumppu. Pumpun kierrosnopeutta voidaan ohjata jännitesignaalilla, joka saadaan PID-säätimen laskemasta ohjauksesta. Pumpulla pumpataan vettä alemmasta säiliöstä ylempään säiliöön. Kuva KUVA : VESIPUMPPU ANTURIT Vesiprosessin ylemmän säiliön pinnankorkeutta mittaa ultraäänianturi, joka antaa jatkuvasti tarkkaa tietoa vedenpinnan sijainnista. Anturin avulla lähetetään lähes reaaliaikaista mittaussignaalia takaisin PC:hen, jossa PID-säädin laskee sen avulla pumpun ohjaussignaalin. KUVA : PINNANKORKEUTTA MITTAAVA ULTRAÄÄNIANTURI

10 VENTTIILIT Vesiprosessiin on liitetty kaksi venttiiliä, joiden avulla vettä saadaan valutettua ylemmästä tankista alempaan. Valkoinen kierrettävä käsiventtiili toimii manuaalisesti, ja mustaa magneettiventtiiliä voidaan ohjata suoraan FluidLab-ohjelmiston kautta. Magneettiventtiilille annettava jännitesignaali joko sulkee tai avaa venttiilin. KUVA : KÄSI- JA MAGNEETTIVENTTIILI OHJELMISTO Harjoituksessa käytetään Feston tekemää FluidLab-ohjelmaa. Ohjelma on asennettu työn yhteydessä olevalle PC:lle. Ohjelmalla voidaan suorittaa erilaisia vesisäiliön säätöön liittyviä tehtäviä. Tässä työssä käytetään vain tehtävää 1.3.

11 PROJEKTIN VAIHEET Projekti alkoi Luma-luokassa molempiin harjoitustyölaitteistoihin tutustumisella. Ensimmäiset työkerrat kuluivatkin erilaisten paineilmalaitteiden tutkimisella ja tiedon hankkimisella. Pneumaattiset laitteet eivät olleet kovin tuttuja yhdellekään ryhmäläiselle, joten alussa aikaa tutkimiseen kului jonkin verran. Laitteistojen tultua tutuksi huomattiin, että Autobygg-sarjasta puuttui tärkeä PLC:n ohjelmointikaapeli. Lähdimme heti selvittelemään puuttuvaa kaapelia Isvetin kautta, ja saimme vastaukseksi, että kaapeli pitää tilata Saksasta, joten sen saapumisaikaa ei tiedetty. Emme siis päässeet tutustumaan PLC:n ohjelmointiin tässä vaiheessa, joten siirryimme vesiprosessityön pariin. Vesiprosessilaitteisto oli valmiiksi kasattu, joten aloitimme tutustumalla laitteistoon. Tähän saimme apua Feston miehiltä, jotka olivat laitteen kasanneet. Kun laitteisto oli tullut tutuksi, aloimme suunnitella, millaisia tehtäviä sillä voisi lukiolaisille muodostaa. Kyseessä oleva laitteisto ei ollut kovin monipuolinen, joten ei jäänyt kovin montaa vaihtoehtoa, millaisia töitä sillä voisi lukiolaisille tehdä. Päädyimme lopulta siihen, että yritämme työn avulla selventää lukiolaisille yleistä asiaa prosessin säädöstä ja siitä, mikä on säädin ja miten se toimii. Kun tehtävä oli suunniteltu, ryhdyimme kirjoittamaan työohjetta. Kun vesiprosessi alkoi olla lähes valmis, siirryimme jatkamaan Autobygg-sarjan rakentelua. PLC:n ohjelmointikaapeli ei ollut saapunut vieläkään, joten yritimme saada sitä muuta kautta. Saimmekin jonkinlaisia kaapeleita, mutta ne eivät osoittautuneet yhteensopivaksi laitteistomme kanssa. Tässä vaiheessa ei jäänyt muuta vaihtoehtoa kuin suunnitella, millaisen laitteiston haluaisimme Autobygg-sarjalla rakentaa lukiolaisille. Teimmekin tässä vaiheessa tarvittavat kaapeloinnit ja pneumaattisten laitteiden ja anturien asennukset, jotta ne olisivat valmiina kun ohjelmointikaapeli saapuu. Tutustuimme myös GX Developer ohjelmistoon, jolla PLC oli tarkoitus ohjelmoida. Ohjelmointikaapeli saapui lopulta vain muutama viikko ennen loppudemoa, joten harjoituksen toteuttamiselle tuli hyvin kiire. Saimme kuitenkin hyvän harjoituksen aikaiseksi, mutta itse harjoituksen ja ohjeiden testaamisen ehdimme suorittaa vasta viimeisinä päivinä ennen loppudemoa. Emme myöskään ehtineet saada lukiolaisryhmää testaamaan harjoitustöitä, vaan testiryhmänä toimi kaksi puunjalostustekniikan opiskelijaa. Heillä ei kuitenkaan ollut aiempaa kokemusta tällaisista laitteista tai ohjelmoinnista, joten he olivat sopiva testiryhmä. Koska testit päästiin tekemään vasta näin myöhään, jäi ohjeiden korjaaminen hieman kesken.

12 AJANKÄYTTÖ Taulukossa 1 on kuvattu projektin suunniteltua ja toteutunutta ajankäyttöä. Kokonaisajankäyttö oli laskettu kolmen opintopisteen mukaan alun perin 81 tuntiin, kun kurssin yhteisiä tilaisuuksia ei sisällytetty laskemiin. Lopulta kurssin suorittamiseen kului kuitenkin 98 tuntia henkilöä kohden. Lisäksi täytyy huomioida, että vaiheet viisi ja kuusi ovat vielä keskeneräisiä, joten lopullinen tuntimäärä tulee olemaan lähempänä neljän opintopisteen 108 tuntia. Ajankäytön suunnittelu onnistui enimmäkseen hyvin, mutta erilaiseen dokumentaatioon tarvittava aika aliarvioitiin pahasti. Suunnitellut tunnit per henkilö Vaihe 1: Työhön tutustuminen ja suunnittelu Toteutuneet tunnit per henkilö Vaihe 3: Laitteistojen kasaaminen, PLC:n ohjelmointi ja väliraportti Vaihe 4: Testaaminen ja koululaisten tehtävien suunnittelu Vaihe 5: Oppilaille jaettavan harjoitustyömateriaalin kirjoittaminen 5 10 Vaihe 6: Opettajien perehdytys töihin 4 3 Vaihe 7: Demo ja loppuraportti 5 13 Kurssin yhteiset tilaisuudet Vaihe 2: Tarvittavien komponenttien ja opiskelumateriaalin hankinta Taulukko 1: Ajankäyttö TULOKSET Projektin tavoitteena oli luoda lukioikäisille lyhyet harjoitukset, jolla nämä saisivat positiivisen käsityksen Aalto-yliopiston ja erityisesti automaatio- ja systeemitekniikan koulutusohjelman opintojen tarjonnasta. Autobyggin toimittamalla harjoittelupaketilla saimme luotua harjoituksen, jossa opiskelijat pääsevät tutustumaan kytkentöjen tekemiseen sekä tikapuulogiikan ohjelmointiin. Tämä harjoitus on muutoin toteutettu valmiiksi, mutta opettajien ohjeistus on tekemättä sekä harjoitusohjeita tulee vielä muuttaa testiopiskelijoiden palautteen perusteella. Lisäksi vesiprosessiharjoituksen harjoitusmateriaali on vielä viimeisteltävä. Tämän harjoituksen pedagogista puolta on hiottava ja ohjeistusta selvennettävä. Opettajille tarkoitettu materiaali on vielä kirjoittamatta.