LiU/IEI 2008-02-04 1 Laboration 4 Hydrauliskt styrd kran Laboration i kursen TMHP02-Fluidmekanisk Systemteknik för M3
LiU/IEI 2008-02-04 2 Inledning Syftet med laborationen är att studenten skall få känna på hur det är att styra ett hydrauliskt system. Laborationen syftar också till att påvisa hur samkörning av flera funktioner kan underlättas samt att demonstrera hur man med hjälp av mjukvara kan designa, testa och underhålla ett system som kontrolleras med hydraulik och elektronik. Hårdvara Hydraulsystem Nedan följer en kort beskrivning av de väsentligaste delarna i hydraulsystemet. Kranen har 6 stycken funktioner som kontrolleras av motsvarande ventilsektioner. En principskiss av 2 funktioner i systemet visas i Figur 1. Systemet är lastkännande. S1 F 1 v 1 S2 F 2 v 2 q p p p q L1 p L1 A p1 q L2 p L2, Ap p2 S p Lmax Figur 1: Exempel på lastkännande (LS) hydraulsystem Pump Pumpen drivs av en elmotor och ger vid tillgängligt varvtal ett maximalt flöde på cirka 15 l/min. Den högsta lasten i systemet bestämmer alltså tillsammans med inställd tryckdifferens systemtrycket. Pumpens kapacitet är inte tillräcklig för att alla cylindrar skall kunna ha en hög hastighet samtidigt. Detta ställer krav på funktioner för bra samkörning. En flödesgivare finns tillgänglig för att mäta aktuellt pumpflöde. Ventiler Det ventilpaket som finns på kranen är ett L90LS från Parker med sex ventilsektioner (en sektion för varje funktion på kranen). Exempel på en L90-ventil som används i kranen visas i Figur 2. Figur 2: Ventilpaket, L90LS.
LiU/IEI 2008-02-04 3 Ventilpaketet är tämligen avancerat och innehåller ett flertal funktioner. Några av dessa är övertryckskydd och kavitationsskydd för varje port, tryckkompensering och lastavkänning till lastkännande system. Ventilsliderna i paketet kan dessutom styras både manuellt via spakar och elektriskt via proportionalmagneter. Dessutom finns det en funktion som kopplar bort möjligheten att styra ventilen elektriskt inbyggd i paketet, så att flöde som behövs för pilotventilerna skickas tillbaka till tank. De ventilerslider som finns i paketet har alla karakteristik som liknar den i Figur 3. Området nära origo kallas för dödband. I detta område fås inget flöde trots att det finns en styrsignal. Arbetsområdet är det område som ger ett flöde enligt karakteristiken i förhållande mot styrsignalen/position på sliden. Därefter kommer mättnadsområdet (ventilen är maxutstyrd). I detta område fås inte mer flöde trots att storleken på styrsignalen blir större. Figur 3: Ventilkarakteristik Lastflöde (q) som funktion av styrsignal. Cylindrar Kranen i labben har sammanlagt sex hydraulcylindrar och en liten motor. De två cylindrarna Cylinder 1 för bom och Cylinder 2 för vipp som visas i Figur 4 är utrustade med lägesgivare. Även cylinder 3 för teleskoparmen har lägesgivare. Dessutom finns vinkelgivare för sväng, bom och vipp. Figur 4: Placering av de cylindrar på kranen som ska styras.
LiU/IEI 2008-02-04 4 Kranens styrsystem Systemet består i grunden av ett hydraulsystem, en kranstruktur, och ett styrsystem med tillhörande givare och programvara. En övergripande beskrivning av datorsystemet och hydraulsystemet finns nedan i Figur 5. Master (MDL) Styrspakar (LM) I/O enhet (XA2) Pump Ventil (L90) Figur 5. Schematisk systemskiss över kranens styrsystem. IQAN IQAN är ett styrsystem från Parker som baseras kring olika enheter som är anslutna med varandra via en databuss av typen CAN. De enheter som finns på kranen (se Figur 5) är en huvudenhet/master (MDL) och en expansionsenhet till huvuddatorn (XA2). Till det kommer två stycken treaxliga styrspakar som används för att styra kranens rörelser. Masterenheten programmeras med stor frihet via ett grafiskt program som kommer att användas i laborationen. Expansionsenhets uppgift är att utöka antalet ut- och ingångar till och från huvuddatorn så att fler signaler kan skickas ut och läsas in. Genom att data skickas mellan enheterna via ett seriellt gränssnitt förenklas arkitekturen i kontrollsystemet och man slipper en hel del kabeldragning då moduler sitter närmare givare och aktuatorer. Ett system av denna typ är också väldigt enkelt att bygga om och ut för att anpassa till olika applikationer/system. Programmering Du kommer att få bekanta dig med några av PC-programmen som används för att arbeta med IQAN. Uppgiften är inte att lära sig dessa utan att få en känsla för vad som är möjligt att göra med dessa verktyg. I labben används programmet IQANdesign som bas till alla uppgifter. Därifrån startas simuleringsverktyg och diagnosverktyg och du kommer att få se några av möjligheterna att programmera, simulera och diagnostisera ett system. En tanke är att man inte ska behöva kunna knacka kod för att kunna använda IQAN. Ett program innehåller objekt som samlas i olika kanaltyper som kan vara externa eller interna. Externa kanaler är antingen olika inputs eller olika outputs. Interna kanaltyper representerar vanliga programmeringsobjekt men har ett skal förberett och anpassat för högnivåprogrammering för hydrauliska system.
LiU/IEI 2008-02-04 5 Användargränssnittet I Figur 6 visas huvudfönstret för gränssnittet. De funktioner som finns i huvudfönstret återfinns i Tabell 1. Notera att det är enbart i huvudfönstret som man kan starta motorn. Notera också att knappen A visar föregående fönster samt att knappen B visar nästa fönster i alla andra fönster förutom i huvudfönstret. Figur 6: Huvudfönstret för gränssnittet (MDL). Säkerhet Knapp A B C D F1 F2 F3 F4 F5 Funktion I huvudfönstret: till fönstren om flöde Annars: föregående fönster I huvudfönstret: till fönstren om flödesdelning Annars: nästa fönster Till sidor om nuvarande geometri. Till sidan säkerhet och operatörsläge. Starta pump, fungerar enbart i huvudfönstret. Stäng av pump, fungerar i alla fönster. Kran PÅ/AV Tabell 1: Huvudfönstrets funktioner (MDL). Säkerheten för systemet går framför allt ut på att begränsa hur kranen kan röra sig då är inställd på att fjärstyras. Det finns alltså inga begränsningar på hur kranen kan röra sig då kranen körs helt manuellt. Motorn till pumpen kan alltid stängas av men kan bara startas via gränssnittets huvudsida. Vidare går det alltid att koppla bort spakarna och på så viss förhindra ofrivillig styrning av någon kranfunktion. Var noga med att av-aktivera kranen då du stiger ur förarstolen Observera av nödstoppet finns vid ventilen på kranen. Geometri Kranen är en timmerhanteringskran i miniatyr. Det som utmärker denna typ av kranar är att den består av två länkar där den yttersta armen ofta är bestyckad med en teleskopisk del.
LiU/IEI 2008-02-04 6 Arbetsområdet för kranen med teleskoparmen i sitt innersta läge visas i Figur 7, vilket alltså innebär en frihetsgrad mindre att kontrollera. Då teleskopet inte används får kranen ungefär samma konfiguration som en arm till en grävmaskin (jämför med Figur 8), dock en annan geometri. Notera också att arbetsområdet begränsas så att inte kranspetsen krockar med kranstativet eller körs ner i golvet. Figur 7: Obegränsat arbetsområde då teleskopet är indraget Figur 8: Kranen som labben ska utföras på.
LiU/IEI 2008-02-04 7 Utförande Förberedelseuppgifter Systemet som används i laborationen är ett komplett hydraulsystem fast i miniatyr. De flesta väsentliga delar i ett hydraulsystem finns tillgängliga tillsammans med flertalet givare. Förberedelseuppgift 1 Rita ett schematiskt hydraulschema med hjälp av laborationshandledningen och formelsamlingen. Följande komponenter ska finnas med. Skiss på papper fungerar bra. 1. Elmotor 2. Lastkännande pump med LS-regulator (hydrauliskt pilotstyrd) 3. Välj en eller flera kranfunktioner och rita in ventilsektioner för dessa. Använd 4/3 riktningsventiler med elektrisk pilotstyrning (förstyrning). Ventilen behöver inte beskriva en komplett L90. 3.1. Huvudtryckbegränsare 4. Motsvarande cylindrar till den ventilsektion som ritas i punkt 3. 5. Flödesgivaren 6. Tryckgivare och eller lägesgivare till funktionerna som ritas i punkt 3. Extrauppgift Ventilen har en pilotkrets som behövs för att styra ventilsliderna elektriskt. Komplettera skissen med den tryckreducerare som matar pilotventilerna (också reducerare) och rita in även dessa så att man ser hur pilotkretsen används för att styra huvudsliden (3). Förberedelseuppgift 2 För att klara styrningen av kranens rörelse krävs det att rörelser koordineras. Denna koordination innebär av att flödet till cylindrarna bestäms vid varje tidpunkt med avseende på önskad hastighet från respektive spak. Körs flera funktioner samtidigt är det troligt att flödet inte räcker till utan någon eller några funktioner stannar. Tänk ut några funktioner, hydrauliska eller elektriska, som hjälper operatören att köra kranen utan att någon funktion stannar.
LiU/IEI 2008-02-04 8 Laborationsuppgifter Uppgift 1 Bekanta dig med systemet, både hårdvara och användargränssnittet. Vad är vad, var sitter komponenterna (1-6) som ritades in i förberedelseuppgift 1? Starta och stanna systemet med manöverpanelen på kranen samt testa nödstoppet. Observera att det inte finns något skyddssystem då manuell styrning görs. Uppgift 2 Starta systemet och pröva att styra kranen med spakarna som sitter på ventilpaketet. Styr först en funktion i taget. I vilket ordning sitter ventilsektionerna? 1 2 3 4 5 6 Uppgift 3 Styr nu flera funktioner samtidigt. Försök att följa en rät linje i luften. Prova att köra både fort och sakta. Stannar någon funktion? I sådana fall vilken och varför? Stäng av systemet när du är klar. Uppgift 4 Felsök och ladda ner ett program till huvuddatorn med PCn. För att kunna använda spakarna på stolen måste ett program, en så kallad applikationsfil (*.ida) laddas i MDL. Detta behöver man bara göra en gång eller då en ändring har blivit gjord. Öppna programmet IQANdesign och leta upp filen minikran.ida och öppna den. Ett viktigt steg i utvecklingen av applikationer är att undvika fel. IQANdesign har flera sätt att kontrollera att inga fel uppstår. Genom att göra en application check som nås från menyn Application (Ctrl+F9) kan man kontroller att inga allvarliga fel finns. Om något fel upptäcks kan inte applikationen skickas till systemet utan att man rättar felet. Dubbelklicka på eventuellt fel och man navigeras till rätt position i programmet 4.1 En lat designer har glömt några detaljer i gränssnittet rätta till dessa. Välj lämpliga input channels och gör en ny application check. En annan viktig funktion är att man kan simulera hela systemet. För att detta ska fungera krävs att det inte finns några fel i applikationen. Starta simuleringen i menyn Simulate (F9) eller med play-knappen. Du ska nu se ett liknande fönster fast i programmet IQANsimulate.
LiU/IEI 2008-02-04 9 4.2 Är simuleringen igång kan man testa vad som händer om spaksignalerna ändras. Använd det simulerade gränssnittet för att aktivera kranen och möjliggör styrning av utgångarna. Kontrollera att ingen utgång är aktiv om respektive spak är i neutralläge. Tips: Använd mellanslagstangenten för att nolla en aktiv och vald kanal i simuleringsläge. 4.3 Samme late designer har slarvat och programmet styr ut en signal fastän ingen utstyrning finns från någon joystick. Följ beräkningsgången i simuleringsverktyget genom att följa referenslinjerna mellan kanalerna. När felet är hittat så måste man stanna simuleringen innan felet kan rättas till i IQANdesign. Rätta felet och verifiera funktionaliteten genom att simulera applikationen på nytt. Observera att man även kan följa beräkningsgången i IQANdesign när simuleringen är igång. 4.4 När alla fel är upptäckta kan man ladda ner applikationen till huvuddatorn. Gör detta genom att välja Send application i menyn Communication (F11). Kontrollera att USB-kabeln från systemet är ansluten till PCn. Starta inte motorn än. Kontrollera än en gång att ingen signal styr utgångarna som kontrollerar ventilen och alltså kranen. Använd alternativet menyn Measure (F7) och kontrollera att utgångarna är noll då spakarna är i neutralläge.
LiU/IEI 2008-02-04 10 Uppgift 5 Starta nu systemet via gränssnittet och pröva att med styrspakarna på stolen, styra kranen. Aktivera ventilens pilotkrets genom att ställa om kranen till fjärrstyrning (Remote) samt aktivera kranen. Vilken spak och riktning styr nu kranfunktionerna? Uppgift 6 Styr nu flera funktioner samtidigt. Försök att följa en rät linje i luften. Prova att köra både fort och sakta. Eftersom det är relativt lätt att köra flera funktioner samtidigt kommer man snabbt att förbruka all olja som finns tillgänglig i systemet från pumpen. Stannar någon funktion nu? Uppgift 7-10 Uppgiften är nu att rätta till och förstå vad som händer i systemet. För detta används verktyget IQANrun som startas från menyn Tools i IQANdesign. Starta programmet och följ instruktionerna där för att göra resten av laborationen.