Framtagning av labbutrustning för test av processmaskiners reglersystem

Framtagning av labbutrustning för test av processmaskiners reglersystem Production of Lab Equipment for Testing the Control System of Process Machines Marcus Nyström Fakulteten för teknik- och naturvetenskap Mekatronikingenjörsprogrammet C-nivå 22,5 hp Extern handledare: Markus Hällström, Koteko AB Intern handledare: Lars-Ove Larsson och Peter Röjder Examinator: Magnus Mossberg Vt 2013 1

Sammanfattning Examensarbetet utfördes på Koteko AB som är ett ingenjörsföretag inom processautomation, elkraftteknik och industriell elautomation. Rapporten behandlar problematiken som finns idag med att kunna testa och utveckla processmaskiners styrning och reglerförmåga innan leverans samt test av nya koncept. Detta ska göras genom att konstruera en testrigg som ska kunna testa olika körningar med vissa avgränsningar. Rapporten behandlar även dimensioneringen av alla motorer och växellådor som behövs för att testa olika körningar som presenteras senare i arbetet, samt vad som behövs för att styra och köra motorer. Abstract The work was performed at Koteko AB which is a consultant company in process automation, power engineering and industrial electrical automation. The report deals with todays existing problems of testing and developing process machines controller and controllability before delivery and also tests new concepts. This will be done by constructing a test rig that will be able to carry out various test runs with certain limitations. The report also covers the sizing of all engines and gearboxes that are needed in order to test different runs that are presented in the report and also what is needed to control and drive motors.

Förord Jag vill tacka Koteko AB för att jag fick göra detta arbete åt dem. Jag vill också tacka min handledare Markus Hällström och Lars Nyström, VD på Koteko, som har hjälpt mig på vägen för att göra ett så bra arbete som möjligt. I övrigt så vill jag tacka alla som har hjälpt mig under arbetets gång.

Innehåll 1. Inledning... 5 1.1. Problembeskrivning... 5 1.2. Syfte och mål... 5 1.3. Beskrivning av körningarna... 5 1.3.1. Haspel... 5 1.3.2. S-verk... 6 1.3.3. Positioneringar... 6 1.3.4. Hängandelast... 7 1.3.5. El-axlar... 7 1.4. Avgränsning... 7 2. Förstudie... 7 3. Genomförande... 8 3.1. Konstruktioner... 8 3.2. Styrning av motorer... 14 4. Beräkningar... 15 4.1. Dimensionering av hängandelast-motorn... 15 4.2. Dimensionering av haspelmotorn... 16 4.3. Dimensionering av s-verkmotorn... 18 5. Resultat... 18 5.1. Hängandelast... 18 5.2. Haspel... 20 6. Slutsats... 22 6.1. Författarens slutsats... 22 7. Referenslista... 23 Bilaga 1. Tidsplan

1. Inledning Koteko AB är ett ingenjörsföretag inom processautomation, elkraftteknik och industriell elautomation. Företagets kunder är inom områden som t.ex. metall- och verkstadsindustrin, energi- och värmeproduktion, vatten- och reningsverk, gruvnäringen och traverser samt CEmärkning och riskanalys för företag. Företaget bildades 1994 i Västerås och består idag av Koteko AB, Koteko OY och Koteko Projektstyrning AB. Sammanlagt har Koteko AB ungefär 30 anställda. Företaget har även ett kontor i Mikkeli i Finland. 1.1. Problembeskrivning Ett problem Koteko AB har idag är att kunna testa och utveckla processmaskiners styrning och reglerförmåga innan leverans. Tidigare har Koteko haft ett bord där de utfört sina tester men bordet har varit för klent och detta har medfört att företaget inte haft möjlighet att utföra alla tester till fullo. 1.2. Syfte och mål Syftet med detta examensarbete är att kartlägga och konstruera en testrigg för utveckling och test av processmaskiner. Testriggens utformning och flexibilitet skall utredas för att få en optimal testrigg som dessutom är lätt att modifierbar och flexibel. Målet med testriggen är att kunna simulera nya koncept samt att utföra tester av olika körningar. Körningar som ska utföras på testriggen är dessa: S-verk Haspelstyrning Positioneringar Hängandelast El-axlar Under rubriken 1.3 beskrivs vad de olika körningarna används till och hur det ser ut när dessa körs. Som bilaga 1 finns projektets tidsplan. 1.3. Beskrivning av körningarna En förklaring på vad de olika körningarna används till och hur de fungerar beskrivs nedan. 1.3.1. Haspel Det finns två typer av hasplar, på- och avhaspel. Avhaspel är den rulle som t.ex. en plåt rullas av från. Påhaspel är den rulle som t.ex. en plåt rullas upp på. Dessa används bland annat i början och slutet på ett valsverk. Se Figur 1. 5

Figur 1. En påhaspel körning. [1] 1.3.2. S-verk För att en plåt inte ska rulla ut sig själv från en haspel kan ett så kallat s-verk användas Plåten är upprullad med en viss kraft och s-verket tar upp draget mellan på-/avhaspeln för att t.ex. kunna linda av vid ett högre drag. Figur 2 visar hur motorn längst till vänster hasplar av sitt material medan motorn till höger hasplar på materialet och de två motorerna i mitten bildar s-verket. S-verk används exempelvis till att sträcka ut en plåt när den ska gå igenom en ugn. Figur 2. Uppställning av motorerna vid haspel och s-verk körning. 1.3.3. Positioneringar Positioneringar innebär att en last positioneras/placeras mellan två punkter och kan användas till att flytta en last från ett ställe till ett annat.. Se Figur 3. 6

Figur 3. Positionering mellan position a och b. 1.3.4. Hängandelast Hängandelast betyder att med hjälp av en eller flera motorer lyftes något upp. Ett exempel på vad det används till kan vara en lyftkran. 1.3.5. El-axlar El-axel är två rörelser som under körning skall hålla samma position. Används ofta på kranarna när två lyftpunkter skall hålla samma höjd under hela lyftet. 1.4. Avgränsning Vid körning av s-verk och haspelkörning har handledaren satt en begränsning på hastigheten på materialet till 100 m/min. Handledaren har även satt ett banddrag på max 100N vid haspelkörning. Vid hängandelast körning så är lyftkapaciteten begränsad till 10 kg. I samråd med handledaren så bestämdes det att motorerna som ska användas ska vara Siemens motorer. Motorerna ska även vara fyrpoliga och asynkronmotorer. Testriggen som ska konstrueras är tänkt att användas för mindre motorer och tester av olika körningar, för att testa olika körningar innan detta görs i industrin. 2. Förstudie Under de första veckorna på Koteko AB fanns det tillgång till dokumentation som handlade om hur olika moment, effekter, krafter och dylikt för olika reglertekniska system kan beräknas. Detta var nödvändigt att göra för att få en bättre inblick i vad som skulle beräknas och vad som behövdes tänka på när man ska dimensionera motorer till olika reglertekniska system. Det var också viktigt för att få en förståelse på vad de olika körningarna används till och hur de fungerar. 7

3. Genomförande Koteko hade ett bord som de utförde sina tester på. Det var ett vanligt träbord med 4 ben som inte var starkt nog för företagets tester. Nästa steg efter att ha sett deras testbänk var att skissa fram layouten samt välja material för den nya testriggen. Konstruktionsförslagen startade på papper för att få en överblick av vad som kan vara ett starkt och stabilt bord. Kravet var också att testriggen skulle vara lätt att modifiera till de olika körningarna. Efter att ha resonerat med handledaren bestämdes det att stommen skulle vara gjort av aluminium. Testriggen skulle byggas med aluminiumprofiler eftersom detta är ett väldigt lätt och starkt material att hantera och modifiera. När materialet var bestämt började konstruktionsfasen i cadprogrammet Elprocad. För att testriggen skulle bli så stabil som möjligt föll valet på 6 ben. Problemet var att testbänken som Koteko har idag hade böjt sig på mitten så därför föll valet på att konstruera testriggen med 6 ben istället för 4 ben. 3.1. Konstruktioner Efter att ha konstruerat olika förslag för testriggen så redovisas tre av dessa förslag i detta kapitel. Dessa konstruktioner visar vilka problem som konstruktionerna hade och hur den slutliga konstruktionen blev. Problemen som konstruktionerna hade är med för att visa hur konstruktionen utvecklas mot färdigt resultat. Konstruktion ett är gjord på 50x50 aluminiumprofiler som stomme. För att kunna sätta upp ett s-verk som är det svåraste att få till så monterades en motor upp och ner. Se Figur 4. 8

Figur 4. Konstruktion ett med s-verk motoruppkoppling. Det svåra med denna konstruktion var att få fast den ena motorn som skulle sitta upp och ner på ett bra sätt utan att den skulle börja röra sig under körningen. Att motorernas drivhjul sitter på utsidan av testriggen berodde på att Koteko hade det så på sin testbänk och det var utgångsläget när projektet startade. 9

För att få bättre fäste på motorn så var nästa förslag att montera en snäckväxelmotor på mittenbenet på testriggen i stället. Med hjälp av en snäckväxelmotor skulle axeln på snäckväxeln komma närmare den andra motorn i mitten av testriggen och det skulle medföra att konstruktionen fick ett bättre s-verk än i den första konstruktionsförslaget. Det blir ett bättre s-verk om motorerna är så nära varandra som möjligt. Förklaringen är att desto större anläggningsyta materialet har mot rullarna desto mer ökar friktion. Figur 5 och Figur 6 visar två typer där friktionen är större respektive mindre. Figur 5. S-verk med stor anläggningsyta. Figur 6. S-verk med liten anläggningsyta. 10

Figur 7. Konstruktion två med snäckväxelmotor på mittenbenet. Figur 7 visar hur konstruktionen med snäckväxeln skulle se ut. Skillnaden mellan denna konstruktion jämfört med konstruktionen i Figur 4 är att det blir ett bättre s-verk i denna konstruktion. Konstruktion två var inte heller tillräckligt bra på grund av att en snäckväxelmotor väger mycket mer än de andra motorerna så denna testrigg skulle bli väldigt framtung. Det skulle också medföra att testriggen skulle kunna välta vid körning. Det finns även en risk ur arbetsmiljösynpunkt med att ha motorernas drivhjul på utsidan av testriggen t.ex. om materialet vid haspel och s-verk körningar går av. Ytterligare en sak som inte var bra med denna konstruktion var att remhjulen som sticker ut från sidan över motorn inte skulle klara kraften när ett s-verk körs. 11

Det var många på företaget som kom med idéer på vad som skulle vara bra att kunna testa på testriggen. Efter samtal med handledaren valdes starkare aluminiumprofiler som skulle klara mer vikt och även vara enkla att modifiera för andra tester. Till detta användes 80x80 profiler som ben och på sidorna användes 80x160 profiler. Figur 8 visar hur 80x80 och 80x160 profilerna ser ut. Figur 8. 80x80 och 80x160 aluminiumprofiler. Dessa profiler är starkare än de som användes i tidigare konstruktionsförslag. Profilerna är tänkta för tyngre laster, vilket medför att testriggen tål större krafter och blir stabilare. Efter dessa konstruktionsändringar blev den tredje konstruktionen som Figur 9 visar. 12

Ytterdelen Sett från sidan Figur 9. Konstruktion tre med motorplacering. Konstruktion tre var den som valdes att användas för att den var kraftigare och säkrare än de tidigare konstruktionerna. Den är säkrare än de andra eftersom motorerna sitter i mitten på testriggen. Det som sticker ut på mittenskivan i Figur 9 är motorerna och på den övre skivan är det remhjulen som sticker ut. Det var denna konstruktion som det nu skulle beställas aluminiumprofiler till. 13

3.2. Styrning av motorer I figur 10 visas vad som krävs för att styra motorer. Figur 10. Moduler för att styra motorer med Siemens komponenter. Nummer 1 är en Control Unit [2]. Med den styrs hur hög spänning som ska skickas ut till motorerna. Det är även den man kopplar ihop med en dator för att ladda in ett körprogram för en eller flera motorer. I datorn används ett program som heter Siemens Starter som är ett verktyg för att kunna testa och styra motorer. Nummer 2 är en Active Line Module [2]. Siemens har 3 varianter av Line Module och dessa är Basic Line Modules, Smart Line Modules, och Active Line Modules. Det är Active Line Module som företaget använder sig av och så även i detta projekt. Active Line Modules gör om växelspänningen till likspänningen som sedan fördelas till en Motor Module. Motor Module, som är nummer 3 i Figur 10, finns i två varianter, singel och double [2]. Singel-modulen kan hantera en motor och double-modulen kan hantera två motorer. Motormodulen är den som får likspänningen från Active Line Module som sedan styr frekvensen på spänningen till motorn. I detta projekt används en Double Motor Module. 14

DRIVE-CLiQ är en återkoppling till Control Unit som meddelar att Line Module och Motor Module har spänning [2]. Om det har det så kan motorerna börja styras. DRIVE-CLiQ är den gråa kabeln i Figur 10. Spänningskällan levererar 24V likström till Control Unit, Active Line Module och Double Motor Module [2]. Det behövs även 380-400V 3 fas växelström för att kunna driva motorerna. Denna spänning kopplas in på Line Module. På växelströmsnätet kan man även ha olika filter för att få så bra spänningskurva som möjligt men i detta projekt så användes inga filter. 4. Beräkningar När handledaren hade godkänt konstruktionen startade dimensioneringen av motorerna till hängandelast, haspel och s-verk körningarna. Moment och effekt är viktigt att beräkna för att göra rätt dimensionering av motorerna. 4.1. Dimensionering av hängandelast-motorn Lastens maximala massa är 10 kg. För att beräkna det maximala momentet för lasten så användes formeln: M=F*r. F = maximala kraften på lasten som räknas ut genom att multiplicera lastens maximala massa gånger tyngdaccelerationen. r = radien på hjulet som snurrar för att lyfta upp lasten = 0,05m. 98,1*0,05 5Nm. Lastens maximala moment blev efter uträkning ungefär 5 Nm. För att få fram vad motorns moment är vid lastens maximala moment används formeln: i = utväxlingen = 4:1. 5 1, 5 Motorns moment blir 1,25 Nm. Det innebär att motorn måste som mest klara momentet 1,25 Nm för att kunna lyfta en last på 10 kg. För att lyfta lasten på 10 kg som Figur 11 visar så användes två motorer. Då blir vikten jämnt fördelad mellan de två motorerna. Det medför 15

att varje motor måste klara av ett maximaltmoment på 0,625Nm. Figur 11. Hängandelast: Uppkoppling med 2 motorer. Det som också är nödvändigt att veta innan motorer väljs är hur stor effekt det blir vid körningen [3]. Formlerna för detta är: 0.. = motorns synkrona varvtal. p= motorns poltal = 4. F= matningsspänningens frekvensen = 50Hz. 50 1500 1500 1, 5 19 0 Det bestämdes att två stycken fyrpoliga motorer skulle användas i projektet. Företaget skulle ha fyrpoliga motorer till alla körningarna på grund av att de är billigare och det är ofta sådana motorer företaget jobbar med. Det synkrona varvtalet på denna motor är 1500rpm och får då en effekt på ungefär 196 W. Med hjälp av dessa siffror kunde en motor väljas som skulle passa för detta ändamål. 4.2. Dimensionering av haspelmotorn När moment beräknas för en haspel blir det två moment som måste beräknas för att se vad motorerna ska klara. Vid av- och påhaspling blir det största momentet vid maximala radien medan det blir det minsta momentet vid den minsta radien. Vid avhaspling fås högsta momentet direkt när man börjar rulla av materialet medan vid påhaspling fås största momentet när rullen är full. I detta fall är den minsta radien 0,05m och den största 0,1m. 16

Med hjälp av formeln: 100 0,1 10. 100 0,05 5 Haspelns högsta moment blir 10Nm och lägsta momentet 5Nm där kraften F var begränsad till 100N. Motorns moment vid största momentet respektive minsta momentet fås av formeln: 10 5,5 1, 5 Motorns moment vid största momentet respektive minsta momentet blir 2,5Nm och 1,25Nm. I projektet användes samma växellåda och motor som i föregående dimensionering. Alltså är det synkrona varvtalet 1500rpm. Effekten vid maxmalt moment beräknas på samma sätt som tidigare beräkning med hjälp av formeln:. 1500 0,5 9 Med hjälp av maximala momentet och det synkrona varvtalet så blir effekten 393 W. Det beräknades också ut hur högt motorns varvtal är vid den största radien på haspeln respektive den minsta radien på haspeln. Avgränsningen vid haspelkörningen är att maximala hastigheten på materialet som skulle av- eller påhasplas var 100 meter/minut vilken motsvarar 1,67m/s. Eftersom 1,67m/s är den maximala hastigheten så kunde motorns varvtal beräknas med hjälp av formeln:, 19. 17

,, 159 Motorns högsta varvtal blir 319 rpm och motorns lägsta varvtal blir 159 rpm [4]. 4.3. Dimensionering av s-verkmotorn I det här fallet så var avgränsningen för s-verk samma som vid haspelkörningen, vilket betyder att samma motorer som vid haspelkörningen kan användas. 5. Resultat När dimensioneringen av alla motorer var klar användes ett dataprogram som heter Siemens sizer, vilket är ett verktyg för att dimensionera motorer vid olika körningar [5]. Programmet visar också vilka motorer ur Siemens sortiment som passar till ändamålet. De värden som programmet behöver för att dimensionera en motor är lastens tyngd och drivhjulets radie. Programmet visar även hur motorns karakteristiska motorkurva ser ut och hur motorn beter sig vid olika laster. Med hjälp av denna information så framgår det om beräkningarna är rätt vilket var anledningen till att detta program användes. 5.1. Hängandelast Vid hängandelast körningen beräknades att motorns effekt skulle vara 196 W. Efter att alla värden skrivits in på lasten och drivhjulets radie i datorprogrammet Siemens sizer, valdes en motor som hade effekten 550 W. Det kunde ha valts en mindre motor till detta ändamål men för att slippa byta motorer från testriggen varje gång man ska testa något annat så bestämdes att välja samma motor till alla körningar. Därför är motorn till hängande last körningen överdimensionerad. 18

[Nm] 30,0 25,0 20,0 Stalling torque minus saf ety clearance Torque Peak load Relev ant load torque at RMS current 15,0 10,0 5,0 0,0 0 100 200 300 400 500 600 700 [rpm] Figur 12. Karakteristisk motorkurva för hängandelast. Figur 12 visar den karakteristiska motorkurvan för den valda motorn. Kurvan visar även lastens högsta moment, vilket representeras av den röda romben i Figur 12. Här syns att motorn klarar att lyfta lasten utan problem. [Nm] 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 [s] Figur 13. Lastkurva på motoraxeln. [rpm] 75 50 25 0-25 -50-75 -100 Motor torque without J-motor (user input) Motor torque taking account of J-motor and holding torque Motor speed I Figur 13 ses vilket moment motorn har vid en viss tid och vad motorn har för varvtal. Kurvan i Figur 13 visar att momentet som beräknades till 1,25 Nm var rätt uträknat. Momentet med hjälp av tröghetsmomentet i motorn (J-motor), som också kan ses i Figur 13, har beräknats. Momentet i kurvan är lite större än det värde som räknades ut. Figur 13 visar hur det skulle se ut vid användning av en motor men tanken är att vid hängandelastkörningen ska två motorer användas. Kurvan hade sett nästan likadan ut men momenten på axlarna skulle bli lägre. 19

5.2. Haspel Vid haspelkörning beräknades att effekten på motorn skulle vara 393 W och klara av ett moment på 2,5 Nm. [Nm] 30,0 25,0 20,0 15,0 Stalling torque minus saf ety clearance Torque Peak load Relev ant load torque at RMS current 10,0 5,0 0,0 0 100 200 300 400 500 600 700 [rpm] Figur 14. Karakteristisk motor kurva för haspeln. Figur 14 visar att det är samma motor som vid hängandelastkörningen fast vid haspelkörning är den här motorn inte lika överdimensionerad. Det framgår att motorn i det här fallet klarar av körningen utan problem. Vid avhaspling fås max moment vid starten och vid påhaspling är det tvärtom som Figur 15 och Figur 16 visar. [Nm] 2,0 0,0-2,0-4,0-6,0-8,0-10,0 0 100 200 300 400 [s] Figur 15. Lastkurva för avhaspeln. [rpm] 300 250 200 150 100 50 0 Motor torque without J-motor (user input) Motor torque taking account of J-motor and holding torque Motor speed 20

[Nm] 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0 100 200 300 400 [s] Figur 16. Lastkurva för påhaspeln. [rpm] 300 250 200 150 100 50 0 Motor torque without J-motor (user input) Motor torque taking account of J-motor and holding torque Motor speed Figur 15 och Figur 16 visar att ju högre momentet är desto lägre är varvtalet. Observera att i Figur 15 är moment negativt på grund av att motorn går åt andra hållet. 21

6. Slutsats Företagets mål var att få en flexibel och stark testrigg som skulle klara av mindre motorer och tester av olika körningar av dessa innan man gör detta ute i industrin. Tester på tesriggen medför att företaget kan prova sina lösningar i mindre skala och kan därmed undvika fel i konstruktioner som kan kosta företaget stora summor. Målet är uppfyllt utifrån min konstruktion när det gäller att den är lätt modifierbar och flexibel. Dimensioneringen av motorerna borde enligt mina beräkningar uppfylla kraven med tanke på att motorerna klarar av de olika momenten med stor marginal. 6.1. Författarens slutsats Mitt arbete på Koteko har löpt på i stort sätt enligt min tidsplan. Det som jag tyvärr inte kunde genomföra var att bygga ihop och testa de olika körningarna på testriggen. Detta berodde på att min handledare och VD:n för Koteko, till en början, inte kunde enas om hur mycket testriggen skulle få kosta och vilken leverantör man skulle beställa ifrån. Samtidigt hade båda mycket på jobbet som hade högre prioritet. När handledaren och VD:n hade enats om pris och leverantör så hann inte materialet till testriggen levereras innan min tid på företaget var slut. Om detta projekt skulle göras om så skulle jag prioritera att man bygger ihop konstruktionen och att man sätter ihop och kör de olika körningarna. Även fast jag fick en bra förståelse om vad som behövs och hur man gör för att styra motorer så finns det mycket mer att lära sig, både när det gäller det praktiska och det teoretiska. Delen med att styra motorer och styra dem för olika ändamål var ett område som man skulle behöva lägga ner mer tid på, pågrund utav att det är mycket nytt och finns väldigt mycket att lära sig som jag inte lärt mig under min utbildning på Karlstads universitet. Konstruktionen i sig hade man kunnat göra i 3D istället för 2D för att få tydligare bilder ur olika synvinklar. Dock hade det tagit för lång tid att lära sig att konstruera i 3D och någon person på Koteko med den kunskapen fanns inte tillgänglig under detta projekt. Konstruktionsprogrammet Elprocad som användes fick jag goda kunskaper i och jag kan hantera programmet utan problem. Det som jag gärna hade velat göra, men som det tyvärr inte fanns tid till var att göra elkonstruktionen i detta program, d.v.s. elschema över motorerna och styrsystemet. Anledning till att jag vill göra detta är att elkonstruktion är något jag vill utöka mina kunskaper i och som är en bra erfarenhet för min egen utveckling. Trots att jag inte kunde genomföra byggnationen och testa testriggen så är jag och handledaren övertygande om att konstruktionen uppfyller de uppsatta målen. 22

7. Referenslista [1] Figur 1 lånad från SEW-EURODRIVE 2010, hämtad den 12 april 2013: http://www.sew-eurodrive.se/produkt/haspel-med-konstant-dragspaenning.htm [2] Siemens Equipment Manual 2009, hämtad den 17 april 2013: http://www.automation.siemens.com/doconweb/pdf/sinamics_1109_e/ih1.pdf?p=1 [3] Technical guide No. 7, Dimensioning of a drive system 2011, hämtad den 27 februari 2013: http://www05.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/a3ef20fdc69ccc9ac12578800040 ca95/$file/abb_technical%20guide%20no.7_revc.pdf [4] SIGBI System AB HANDBOK Kapitel 7 Dimensionering, hämtad den 1 mars 2013: http://www.sigbi.se/diverse/downloads/kap_7_8.pdf [5] SIZER for Siemens Drive: Creation of Efficiency Characteristics http://cache.automation.siemens.com/dnl/ti/tixmtg5aaaa_84060531_faq/faq_sizer_t eillastwirkungsgrad_en_v1.pdf Allmänt om frekvensomriktare, servo och motor, hämtad den 27 februari 2013: http://www.drivteknik.nu/skolan/ 23

Bilaga 1. Tidsplan 24