PAR 12/2012

POMIARY•AUTOMATYKA•ROBOTYKA

PARmiesięcznik naukowo-techniczny www.par.pl

12/2012ISSN 1427-9126Indeks 339512

Cena 10,00 złw tym 8 % VAT

TemaT Numeru

Komputery, komunikacja i sieci przemysłowe

20

apliKacje

robotyzacja produkcji aparatów słuchowych

52

rOZmOWa par

Stefan Życzkowski – prezes aSTOr Sp. z o.o.

54

RSTi I/O mały i ekonomiczny układ wejść-wyjść

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP od 1965 roku na rynku polskim i zagranicznym wdraża rozwiązania oparte na najnowszych technologiach z dziedziny robotyki, automatyki i technik pomiarowych. Obok głównej specjalizacji – robotyki przemysłowej, uznanie Instytutowi przynoszą opracowania z zakresu automatyki i systemów bezpieczeństwa. Efekty prac badawczo-rozwojowych prowadzonych w PIAP znajdują swoich odbiorców zarówno wśród polskich, jak i zagra-nicznych partnerów komercyjnych i publicznych. PIAP bierze czynny udział w międzynarodowych projektach naukowych i badawczych, realizowanych w ramach programów finansowanych ze środków Unii Europejskiej.

Centrum Szkoleniowe PIAP oferuje szkolenia z zakresu:• Robotyprzemysłowe–programowanieiobsługarobotów:ABB,FANUC,KUKA• Prototypowanie–odkoncepcji,przezprojektdowykonania• Napędyisterowanie–zastosowanieiprogramowanieserwonapędów• Naukadlaprzedsiębiorców–praktycznerozwiązania• Recyklingpojazdówwycofanychzeksploatacji

Najwyższej klasy kadra inżynierska i naukowa oraz najnowocześniejsza infrastruktura techniczna pozwalają wprowa-dzaćnapolskirynekpierwszewpełniwyspecjalizowaneiprofesjonalneszkoleniawzakresieinżynierii.CentrumSzkoleniowePIAP w pełnym zakresie zaspokaja stale rosnące potrzeby przemysłu w zakresie najnowszych technologii i rozwiązań tech-nicznych. Marka i pozycja PIAP, jako lidera rynku w zakresie badań nad najnowocześniejszymi rozwiązaniami technicznymi, daje Państwu gwarancję otrzymania aktualnej i rzetelnej wiedzy.

Więcej informacji oraz pełna oferta szkoleń na stronie www.przemysl.piap.pl

CentrumSzkoleniowePIAPAl. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa,tel. 22 87 40 194 lub 223e-mail:[email protected]

Centrum Szkoleniowe PIAPProfesjonalne szkolenia dla przemysłu i kadry inżynierskiej

Podnoszenie kwalifikacji personelu w przemyśle jest istotnym elementem konkurencyjności przedsiębiorstw produkcyjnych. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP oferuje wyspecjalizowane szkolenia dla przedsiębiorstw produkcyjnych prowadzone przez inżynierów praktyków.

SpiS treści

4

Wydarzenia

10 Polskisystemmiarwymagagłębokiejreformy

13 PowstałZwiązekPracodawcówSektoraKosmicznego

14 ProdukcjaprzemysłowaokiempraktykówmetodykiWCM.RelacjazXkonferencji„WorldClassManufacturing–produkcjaklasyświatowej”

16 LubelskieTargiEnergetyczneENERGETICS2012

18 ASTORjużporazczternastywyróżniłnajlepszychdyplomantów

19 ŚląskieświętoautomatykiwExpoSilesia

noWości

7 Noweprodukty

60 MedaltargówHPS2012dlamiernikaTheParkerServiceMasterPlus

62 ZasilaczedoautomatykibudynkowejisystemówLED

noWości

Wskaźniki Led o wysokiej jasności

Firma Turck wprowadziła do swojej oferty pięć nowych wskaźników serii EZ-LIGHT charakteryzujących się wysoką jasnością i zapewniających wyraźną sygnalizację, widoczną nawet z dużej odległości.

temat numeru

Komputery przemysłowe i panele operatorskie

20 Wświeciekomputerówprzemysłowych

30 Odwiecznydylemat:sterownikPLCczykomputerprzemysłowy

32 NiezawodnekomputeryprzemysłowePro-face

34 NowoczesnebezwentylatorowekomputeryprzemysłoweMatrixwoferciefirmyGURUControlSystems

37 MARITEX–niezawodnekomputeryprzemysłowe

38 RozwiązaniaHMIESA–wydajność,elastycznośćieuropejskajakość

40 OryginalnerozwiązaniawnajnowszychkomputerachpanelowychiEiTechnologyCorp.

41 SterownikV560-T25Bzintegrowanyzkolorowympanelemdotykowym

42 Pierwszorzędnywybórdodowolnegozadaniaautomatyzacji.KomputerprzemysłowyAutomationPC910

43 ModułypomiaroweWObitwewspółpracyzpanelamiHMI

Komunikacja i sieci przemysłowe

44 Telemetria–monitoringisterowanierozproszonymiobiektamiprzemysłowymi

46 Trzypowody,dlaktórychwartozastosowaćRSTiI/OwwarstwieukładówI/O

48 AutomatyzacjamaszynzinterfejsemIO-Link

51 ProduktyPoEfirmyAAXEON

rynek i technoLogie

57 GUENTHERuruchomiłprodukcjęwPolsce

58 Rewolucjaprzyszłości

61

pomiary automatyka robotyka nr 12/2012 5

nauka

63 Three-wheeledmobileplatformpoweredbyLabVIEWatenergyperformanceindex

prof.KrzysztofKaliński,PhD;CezaryBuchholz,MSc–GdańskUniversityofTechnology

70 MobileHMIsystemforthemicromachinetool BogdanBroel-Plater,PhD;PawełDworak,PhD;

MarcinMikołajczak,BSc–DepartmentofControlEngineeringandRobotics,WestPomeranianUniversityofTechnology

76 Theinfluenceofpropertiesofameasuredobjectonthesurfacedigitalizationperformedbyalaserscannerintegratedwithmeasuringarm

MichałRak,MSc;AdamWoźniak,PhD,DSc,prof.ofWUT–InstituteofMetrologyandBiomedicalEngineering,WarsawUniversityofTechnology

82 StudyofporositymeasurementRusingthecomputertomograph

AdamWoźniak,PhD,DSc,prof.ofWUT;TomaszKowaluk,MSc–InstituteofMetrologyandBiomedicalEngineering,WarsawUniversityofTechnology

87 Inspectionandmonitoringofengineeringstructuresbymeansofopticaldisplacementsensorsbasedoninterferometrytechniques

DariuszŁukaszewski,MSc;LeszekSałbut,DScEng.;prof.MałgorzataKujawińska,GrzegorzDymny,MSc–InstituteofMicromechanicsandPhotonics,WarsawUniversityofTechnology

92 WirelesspassivesensorforcrackdetectionexploitingRFIDtechnology

MateuszLisowski,MSc;prof.TadeuszUhl,PhD,DSc–AGHUniversityofScienceandTechnology,DepartmentofRoboticsandMechatronics

100 Monitoringoffatiguelifeofmechatronicelementsusingspectralmethodforfatiguelifeassessmentincludingthemeanstressvalue

Assoc.Prof.AdamNiesłony,PhDEng.;MichałBöhm,MScEng.–FacultyofMechanicalEngineering,OpoleUniversityofTechnology

105 Analysisofmechatronicsystemssecondclassbythematrixmethod

Prof.JerzySmyczek,DSc,PhD–DepartmentofElectronicsandComputerScience,KoszalinUniversityofTechnology

112 Kinematicsofunderwaterinspectionrobot Prof.MariuszGiergiel,PhD*,KrzysztofKurc,

PhD**,PiotrMałka,PhD*,TomaszBurakowski,PhD*,DariuszSzybicki,MSc**

*AGHUniversityofScienceandTechnology,**RzeszowUniversityofTechnology

117 Functionalstructureofdiagnosticsystemforwheeledtractors

Assist.Prof.RyszardArendt,PhD*,FullProf.RyszardMichalski,PhD**

*FacultyofElectricalandControlEngineering,GdanskUniversityofTechnology,**FacultyofTechnicalSciences,UniversityofWarmiaandMazuryinOlsztyn

121 Viscousfrictionmeasurementtechniqueinrobotjointwiththeuseofsurrogatemass

Prof.JerzyŚwider,PhD,DSc(Eng.),AdrianZbilski,MScEng.–FacultyofMechanicalEngineering,TheSilesianUniversityofTechnology

129 Thedefinitionofproceduralknowledgeindistributedmechatronicsystems

Prof.JerzyŚwider,PhD,DSc(Eng.),MariuszHetmańczyk,PhD–FacultyofMechanicalEngineering,TheSilesianUniversityofTechnology

Kontynuacjanastr.6

Miesięcznik naukowo-technicznyPomiary Automatyka Robotyka

Rok16(2012)nr12(190)

ISSN1427-9126,Indeks339512

Naokładce:Układwejść-wyjśćRSTiO/IfirmyGEIntelligentPlatforms

rozmoWa par

chcemy walczyć z niechęcią polskich przedsiębiorców do inwestowania w robotykę

Rozmowa ze Stefanem Życzkowskim, prezesem firmy ASTOR.

54

PARmiesięcznik naukowo techniczny www.par.pl

12/2012ISSN 1427-9126Indeks 339512

Cena 10,00 złw tym 8 % VAT

TEMAT NUMERU

Komputery, komunikacja i sieci przemysłowe

20

APLIKACJE

Robotyzacja produkcji aparatów słuchowych

52

ROZMOWA PAR

Stefan Życzkowski – prezes ASTOR Sp. z o.o.

54

RSTi I/O

SpiS treści

6

Kontynuacjazestr.5

133 Comparativeanalysisofexoskeletalactuators GrzegorzRedlarski,PhD,DScEng.;Krzysztof

BlecharzPhDEng.;MariuszDąbkowski,PhDEng.;AleksanderPałkowski,MScEng.;PiotrM.TojzaMScEng.–FacultyofElectricalandControlEngineering,GdanskUniversityofTechnology

139 Rapidprototypingenvironmentforwheeledmobilerobotcontrolalgorithm

AndrzejBurghardt,PhD;DariuszSzybicki,MSc–DepartmentofAppliedMechanicsandRobotics,FacultyofMechanicalEngineeringandAeronauticsRzeszowUniversityofTechnology

144 FractionalorderPIDcontrollerinvelocitycontrolloopofCNCmachinefeed-drivemodulewithpermanentmagnetsynchronousmotor

ArturKobyłkiewicz,MScEng.;RafałPajdzik,MScEng.;PawełWaszczuk,MScEng.–DepartmentofControlEngineeringandRobotics,WestPomeranianUniversityofTechnologyofSzczecin

151 TheapplicationofVPythontovisualizationandcontrolofrobot

MaciejWochal,DawidCekus,PhD;PawelWarys,PhD–CzestochowaUniversityofTechnology

157 Controlofmobilewalkingrobot(hexapod) BartoszStańczyk,BScEng.;DariuszGrzelczyk,

PhD;Prof.JanAwrejcewicz,DSc,PhD–DepartmentofAutomationandBiomechanics,LodzUniversityofTechnology

160 Theelectrooculographycontrolsystem DamianPakulski,BScEng.;ArturGmerek,MSc

–InstituteofAutomaticControl,LodzUniversityofTechnology

164 Constructionandsteeringofatwo-wheeledbalancingrobot

KrzysztofLorenc,Eng.;AdamBiałkowski,Eng.;Prof.JanAwrejcewicz,DSc,PhD–FacultyofMechanics,LodzUniversityofTechnology

168 Identificationofanelectricallydrivenmanipulatorusingthedifferentialfilters

LeszekCedro,PhD–FacultyofMechatronicsandMachineryDesign,KielceUniversityofTechnology

173 Transferwartościwzorcawpomiarachprzepływugazuziemnego

Prof.drhab.inż.OrestE.Seredyuk*,mgrinż.VitalijV.Malisevich*,doc.drinż.ZygmuntL.Warsza**

*Iwano-FrankowskiNarodowyTechnicznyUniwersytetNaftyiGazu(IFNTUNG),Ukraina,**PrzemysłowyInstytutAutomatykiiPomiarówPIAP

181 Magnetowizjasłabychpólmagnetycznychwsystemachzapewnieniabezpieczeństwapublicznego

mgrinż.MichałNowicki*,prof.nzw.drhab.inż.RomanSzewczyk**

*InstytutMetrologiiiInżynieriiBiomedycznej,PolitechnikaWarszawska,**PrzemysłowyInstytutAutomatykiiPomiarówPIAP

187 Niekonwencjonalnemetodyanalizybłędówpomiaruróżnicytemperaturyczujnikamiplatynowymi

mgrinż.TadeuszGoszczyński–PrzemysłowyInstytutAutomatykiiPomiarówPIAP

192 Emisjazaburzeńprzewodzonychzasilaczyimpulsowych

mgrinż.KrzysztofTrzcinka–PrzemysłowyInstytutAutomatykiiPomiarówPIAP

196 Układkontroliprocesuwtłaczaniakółjezdnychlokomotywiwagonów

mgrinż.AndrzejBratek,mgrinż.JanGoska–PrzemysłowyInstytutAutomatykiiPomiarówPIAP

200 Indeksfirm

202 Prenumerata

apLikacJe

roboty wspomagają produkcję nowoczesnych aparatów słuchowych

Szybki rozwój inżynierii medycznej oznacza potrzebę ciągłej adaptacji procesów produkcji. Współcześnie standardem stała się szeroka gama modeli i zarazem mniejsze partie, które w dalszym ciągu muszą być produkowane w jak najbardziej ekonomiczny sposób. Właśnie dlatego producent aparatów słuchowych Oticon zdecydował się na automatyzację procesu produkcji. Wykorzystuje roboty przemysłowe w procesie produkcji seryjnej, a także przy opracowywaniu nowych produktów.

52

7Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012

Nowości

Nowe produkty

Promocja

Czujnik ultradźwiękowy UMC3000 z metalowym czołem

Złącze Han Q High Density – maksymalna gęstość kontaktów w kompaktowym rozmiarze

Pierwszy ultra-dźwię-kowy

czujnik zbliżeniowy z meta-lową membraną pomiarową jest wyjątkowo odporny na zabrudzenia. Dzięki bardzo wysokiemu stopniowi ochro-ny (IP68/69K) może być

zastosowa-ny w apli-

kacjach w bardzo wilgotnym otoczeniu

oraz może być poddawa-ny wysokociśnieniowemu czyszczeniu strumieniowe-mu. Równocześnie czuj-nik został zaprojektowany zgodnie z restrykcyjnymi wymogami higienicznymi i jest szeroko stosowany w przemyśle spożywczym – posiada certyfikat EHEDG, pozwalający na bezpośredni kontakt z żywnością. Gładka

obudowa o współczynniku chropowatości Ra < 0,8 µm, powoduje, że medium wykrywane nie przykleja się do czujnika. Produkt posiada również certyfikat e1, co umożliwia mu pracę w pojazdach mobilnych. Metalowa obudowa ze stali 1.4404 (V4A) AISI316L zwiększa odporność na uszkodzenia mechaniczne, korozję oraz wpływ tem-peratury. Dzięki spełnieniu wymagańtak wielu norm i uzyskaniu stosownych

certyfikatów, produkt jest bardzo uniwersalny i może być stosowany zarówno w branży motoryzacyjnej, spożywczej, maszynowej, jak również w bardzo trud-nych warunkach w przemy-śle ciężkim, czy w branży olejowej.Czujnik UMC3000 został wyróżniony jako jeden z naj-bardziej innowacyjnych pro-duktów na targach ROBOT-show / HAPexpo 2012.

www.pepperl-fuchs.pl

Portfolio firmy HARTING poszerza się o nowe rozwią-zanie Han Q High Density. Nowe złącze przeznaczone jest do przesyłania sygna-łów, charakteryzuje się dużą gęstością i kompaktowym rozmiarem 3A. Zostało ono zaprojektowane dla 21 kon-taktów typu D-Sub.Dla aplikacji tego typu istotne jest zapewnienie odpowied-niej pyłoszczelności, wodosz-czelności oraz ochrony przed wnikaniem brudu, ale także łatwość obsługi w trudnych warunkach środowiskowych. Złącze Han Q High Densi-ty szczególnie dedykowane jest do aplikacji, w których

zastosowanie złączy typu D-Sub nie gwarantuje spełnienia ww. wymagań. Nowe złącze jest idealnym rozwiązaniem, ponieważ może zostać zastosowane we wszystkich modelach obu-dów typu HARTING Han 3A. Zakres obudów jest bardzo

szeroki: dostępne są wersje metalowe oraz z tworzywa, możliwe do zastosowania w aplikacjach wnętrzowych, jak i zewnętrznych, obudo-wy EMC oraz obudowy typu INOX do aplikacji o bardzo wysokich wymaganiach, np. w przemyśle spożywczym.

Złącza (obydwa typy: AC oraz DC) pracują przy bardzo niskim napięciu 50 V AC oraz 120 V DC. Natężenie prądu zależy od zastosowa-nych kontaktów i przewodów. Dla przykładu zastosowanie kontaktów D-Sub 0,56 mm² przy temp. 40 °C pozwala na przewodzenie prądu o natę-żeniu ok 6,5 A.

HARTING Polska Sp. z o.o. ul. Duńska 9, 54-427 Wrocław

tel. (71) 352 81 71 fax (71) 350 42 13

e-mail: [email protected] www.HARTING.pl

Z okazji nadchodzących Świąt wszystkim naszym Klientom, Czytelnikom, Współpracownikom i Sympatykom życzymy Świąt białych, pachnących choinką, spędzonych w ciepłej, rodzinnej atmosferze,pełnych wymarzonych prezentów, Świąt zdrowych i radosnych, obyśmy wszyscy pełni optymizmu przywitali nadchodzący Nowy Rok, który niech będzie lepszy niż ten co właśnie mija

życzy zespół redakcyjny PAR

Fot.

Pep

perl+

Fuch

s, H

AR

TIN

G P

olsk

a

8

Nowości

Zasilacz z wyjściem ładowania akumulatora

Fot.

Elm

ark

Aut

omat

yka

, B

&L,

Bal

luff

Jednym z głównych wyma-gań systemów związanych z bezpieczeństwem jest zapewnienie ciągłości zasila-nia, niezależnie od napię-cia dostarczanego z sieci. Zasilacze AD-55 i AD155 doskonale nadają się do systemów alarmowych, monitoringu, kontroli dostę-pu lub innych tego typu aplikacji, gdzie nieprzerwa-ne i niezawodne zasilanie ma kluczowe znaczenie. W czasie normalnej pracy zasilacz dostarcza napięcie

do zasilania podłączonego odbiornika i jednocześnie ładuje akumulator. W przy-padku braku zasilania sie-ciowego urządzenie czerpie energię z podłączonego akumulatora. Modele AD-55 (55 W) i ADD-155 (155 W) występują w dwóch wersjach z podwójnym wyjściem 13,8 V DC lub 27,6 V DC. Napięcie jednego z wyjść można regulować za pomocą trymera w zakre-sie 12…15 V i 24…29 V, natomiast drugie ma stałą

wartość i jest przeznaczone do ładowania zewnętrznego akumulatora 12 V lub 24 V. Modele ADD różnią się od powyższych dodatkowym wyjściem 5 V. Standardo-wo zasilacze wyposażo-ne są w zabezpieczenia

przeciwzwarciowe, nadna-pięciowe, przeciążeniowe, oraz dodatkowo w zabez-pieczenie przed odwrotnym podłączeniem i nadmiernym rozładowaniem akumu-latora. Zasilacze pracują przy swobodnej konwekcji powietrza, a szeroki zakres temperatury pracy od -20 °C do 70 °C umożliwia stoso-wanie zasilaczy zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz obiektów.

www.elmark.com.pl

Sonda wilgotności i temperatury HC2-S

Sonda wilgotności i temperatury HC2-S firmy Rotronic powstała w oparciu o nowoczesną i unikalną technologię polimerowego czujnika oraz specjalnie dedykowanego układu elektroniki AirChip3000. Polimerowy sensor zapewnia wyjątkową dynamikę oraz stabilność długoterminową pomiaru w zakresie 0…100 % RH. Zastosowanie technologii AirChip3000 umożliwiło znaczące

zwiększenie dokładności pomiaru (wykonano linearyzację charakterystyki czujnika w 100 punktach dla wybranej temperatury, zastosowano procesor o wyższej rozdzielczości). Obecnie sonda jest w stanie mierzyć wilgotność i temperaturę z dokładnością ±0,8 % RH / ±0,1 °C, a nawet 0,5 % RH / ±0,1 °C. Jedną z dodatkowych funkcji HC2-S wdrożonej

w module AirChip3000 jest autodiagnostyka sensora i automatyczna kompensacja dryftu.Zastosowanie: HVAC, przemysł spożywczy, farmaceutyczny, kosmetyczny, tekstylny, papierniczyDokładność pomiaru: ±0,8 % RH, ±0,1 K, przy 23 °C ±5 KZakres stosowania: –50 … +100 °C / 0…100 % RH

Wyjścia analogowe: temperatura –40…+60 °C = 0…1 Vwilgotność 0…100 % RH = 0…1 V.Wyjście cyfrowe w standardzie UART.Zasilanie: 3,2…5 V DC.

B&L INTERNATIONAL Sp. z o.o.

e-mail: [email protected] www.bil.com.pl

ADAM-2000Z – Bezprzewodowe moduły ZigBee o niskim zużyciu energii

ADAM-2000Z to nowa seria bezprzewodowych modu-

łów pomiarowych firmy Advantech oparta

na standar-dzie IEEE 802.15.4 (ZigBee) pracującym w darmowym paśmie 2,4 GHz. W jej skład wcho-dzą zarówno

moduły z wejściami

cyfrowymi, jak i z wbu-dowanymi czujnikami do pomiaru wilgotności oraz temperatury. Wszystkie urządzania mogą być zasi-lane napięciem zewnętrz-nym z zakresu 10 V DC –30 V DC lub bateriami (2 x AA). Ich główną zaletą jest niski pobór energii, który wynosi 130 µW przy odczytach cyklicznych, co kilka minut. Jest to bardzo korzystne w przypadku długotrwałej pracy w tere-nie, gdzie nie ma stałego

zasilania, a wymiana baterii musi odbywać w długich odstępach czasu. Tak jak w serii WSN, również i tutaj rolę zbiorczą pełni jednostka centralna ADAM-2520Z, która przekazuje sygnał bezprzewodowy na port RS-422/485 lub USB przy wykorzystaniu protoko-łu Modbus/RTU. Zasięg pomiędzy bramą główną a jednostkami pomiarowymi wynosi 110 m, ale może zostać przedłużony o kolej-ne 1000 m za pomocą

routera ADAM-2510Z. Zgodnie ze standardem IEEE 802.15.4, seria ADAM-2000Z umożliwia budowę sieci w posta-ci drzewa, gwiazdy oraz siatki, do której można podłączyć do 32 modułów I/O. Wszystkie urządzenia zostały przystosowane do pracy w temperaturze od -20 °C do 70 °C (w przypad-ku zasilania bateryjnego od 0 °C do 50 °C).

www.elmark.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012 9

Fot.

Elm

ark

Aut

omat

yka

, B

&L,

Bal

luff

IO-Link do potęgi 8

Nowa generacja modułów I/O do sieci Profinet oferuje wiele udoskonalonych rozwiązań dla użytkowników. Każdy z modułów wyposażony jest w wyświetlacz, za pośrednictwem którego możemy sprawdzać wszystkie parametry adresu IP, jak również bramę oraz maskę podsieci. Wbudowany switch pozwala na tworzenie liniowej topologii sieci. Każdy z modułów wyposażony jest we wbudowany webserwer, za pomocą którego mamy możliwość kontroli stanu pracy modułu oraz zmiany adresu IP. Najnowsze wykonanie zaprezentowane podczas targów Motek (Niemcy) jako pierwsze

na rynku oferuje wyjątkową możliwość rozszerzenia modułu aż o 8 inteligentnych urządzeń z interfejsem IO-Link, takich jak systemy RFID, konwertery analogowe lub czujniki z interfejsem IO-Link. Rozbudowa o kolejne moduły I/O pozwala na podłączenie w jednym punkcie sieci Profinet aż do 136 sygnałów cyfrowych. Oczywiście, interfejs IO-Link pozwala nam na podłączanie bardzo wielu różnorodnych kombinacji, w jednym punkcie sieci możemy podłączać urządzenia do pomiaru

odległości, sterować wyspami zaworowymi, zbierać i wysterować sygnały cyfrowe i analogowe, itd. Ilość możliwości jest praktycznie nieograniczona. Wszystko to przekłada się na znaczące uproszczenie instalacji, gdyż należy pamiętać iż do podłączenia każdego

urządzenia z interfejsem IO-Lin wystarcza zwykły 3-żyłowy przewód. Nowy 8-portowy master IO-Link obsługuje najnowszą specyfikację interfejsu IO-Link, czyli wersję 1.1. Oznacza to przede wszystkim, iż master posiada wbudowany serwer parametrów, dzięki któremu konfiguracja każdego z urządzeń IO-Link jest przechowywana w masterze i jest automatycznie uaktualniana po wymianie urządzenia.

BALLUFF Sp. z o.o. ul. Muchoborska 54-424 Wroclaw

tel. 71 338 4929 fax 71 338 49-30

e-mail: [email protected] www.balluff.com

IKS-6728-4GTXSFP-HV-HV-T – switch modułowy do szafy Rack 19” z zabudowanymi portami GE

Rodzina switchy przemy-słowych firmy Moxa została powiększona o nowy model przeznaczony do szafy Rack 19”: IKS-6728-4GTXSFP-HV-HV-T. Nowy switch jest urządzeniem modułowym, ale mającym wbudowane 4 porty gigabitowe typu combo (możliwość instalacji modułów SFP bądź skorzy-stania z portów skrętkowych – RJ-45). Posiada także wbudowane na stałe 8 por-tów Fast Ethernet w postaci gniazd RJ-45. Dwa dodat-kowe moduły rozszerzeń umożliwiają odpowiedni

dobór portów skrętkowych i światłowodowych.Taka konstrukcja umoż-liwiła obniżenie kosztów urządzenia, a więc i cenę. Dobierając odpowiednie moduły z serii IM-6700 można uzyskać urządzenie posiadające maksymalnie 28 portów miedzianych (RJ-45) bądź 20 portów światłowodowych i 8 portów miedzianych. W tej wersji switch jest wyposażony w redundantne zasilanie HV (85 V AC – 264 V AC). Nie posiada ruchomych ele-mentów (typu wentylatory)

i może pracować w bardzo szerokim zakresie tempe-ratury od –40 °C do 75 °C. Brak wentylatorów zwiększa średni bezawaryjny czas pracy (MTBF).Urządzenie może być konfigurowane za pomocą połączenia szeregowego (RS-232), przeglądarki web, bądź sesji telnet. Dzięki zaawansowanym funkcjom umożliwia m.in. budowę połączeń nadmiarowych (Turbo Ring, RSTP, MSTP), agregację portów w celu zwiększenia przepustowo-ści, różnorodne metody

monitoringu, przekaźnik alarmowy i wiele innych. Szczegółowa lista obsługi-wanych technologii znajduje się na naszej stronie inter-netowej.Dodatkowo IKS-6728-4GTXSFP-HV-HV-T jest zgodny z normami kolejo-wymi PN-EN 50121-1 oraz PN-EN 50121-4.Urządzenie przeznaczone jest do pracy w warunkach przemysłowych, gdzie prio-rytetem jest bezpieczeństwo i bezawaryjna praca przez długi okres czasu.Szczegółowe informacje dostępne są pod linkiem:http://www.elmark.com.pl/products/produkty/index.php?id=1231.

www.elmark.com.pl

10

Wydarzenia Relacje

Po oficjalnym otwarciu konferencji, które wypełniły wystąpienia dyrektora naczelnego firmy Radwag, dr. inż. Wi-tolda Lewandowskiego – organizatora konferencji, dyrektora ITE PIB w Ra-domiu, prof. dr. hab. inż. Adama Ma-zurkiewicza – gospodarza konferencji, oraz prezydenta miasta Radomia, An-drzeja Kosztowniaka – honorowego pa-trona konferencji, nastąpiło uroczyste otwarcie Centrum Metrologii. Następnie uczestnicy konferencji wysłuchali pre-lekcji i prezentacji gości specjalnych.

Dr Włodzimierz Lewandowski z Mię-dzynarodowego Biura Miar (BIMP) w podparyskim Sèvres przedstawił in-frastrukturę metrologiczną w Polsce i na świecie oraz rolę narodowych in-stytutów metrologicznych i laborato-riów wzorcujących w zachowaniu spój-ności pomiarowej.

Jako drugi zabrał głos Maciej Do-bieszewski – naczelnik Wydziału Pra-wa Technicznego w Ministerstwie Go-spodarki, który przedstawił wnioski płynące z raportu o stanie polskiego

25 października br. w Instytucie

Technologii eksploatacji w Radomiu

odbyła się konferencja „Przyszłość

polskiej metrologii naukowej

i przemysłowej”, połączona

z uroczystym otwarciem

centrum Metrologii Radwag.

Uczestnicy konferencji rozmawiali

m.in. o nowelizacji ustawy Prawo

o miarach oraz roli i miejscu

Głównego Urzędu Miar w polskim

systemie metrologicznym.

Podczas dyskusji towarzyszących

prezentacjom zaproszonych gości

oraz dwóm panelom dyskusyjnym

pojawił się szereg pomysłów

i postulatów. Z prowadzonych

na konferencji dyskusji wypływa

jeden wniosek: należy jak

najszybciej znowelizować istniejące

prawo oraz w miejsce GUM

powołać jednostkę o zupełnie innym

charakterze i umocowaniu prawnym

– Narodowy Instytut Miar.

Polski system miar wymaga głębokiej reformy

Na fot. od lewej: dr inż. Jan Jabłkowski – Dyrektor Naczelny Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP, dr inż. Witold Lewandowski – Dyrektor Naczelny firmy Radwag Wagi Elektroniczne, oraz prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk – Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej

Po nowo otwartym Centrum Metrologii oprowadzał gości jego dyrektor, Andrzej Hantz (na zdjęciu przy jednym ze stanowisk w Pracowni Masy) Fo

t. P

AR

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Pomiary automatyka robotyka nr 12/2012 11

Treść listu otwartego do Ministra Gospodarki i Parlamentarzystów RP

Szanowny Panie Premierze!Postęp w zakresie miar i metod pomiarowych jest podstawowym warunkiem innowacyjności i konkurencyjności

przemysłu, a w konsekwencji wzrostu gospodarczego i dobrobytu. We wszystkich rozwiniętych krajach istnieją silne narodowe instytucje i instytuty badawcze zajmujące się rozwojem wzorców i technologii metrologicznych oraz ich transferem do gospodarki narodowej.

Polska w tym zakresie jest wyjątkiem. Jedyna specjalistyczna instytucja, Główny Urząd Miar, z racji swego charakteru ogranicza się do standardowej działalności administracyjnej, nie prowadzi badań ani współpracy z przemysłem. Sytuacja ta drastycznie pomniejsza możliwości czerpania środków z funduszy europejskich, z któ-rych obficie korzystają działające w innych krajach Unii Europejskiej instytuty badawcze zajmujące się miarami i związane z tą dziedziną branże przemysłowe.

Obowiązujące obecnie rozwiązania spowodowały, iż kraj nasz znalazł się na ostatnim miejscu w Europejskim Programie Badań Metrologicznych (EMRP), co znacznie utrudnia dostęp polskich przedsiębiorstw do nowocze-snych technologii.

Szanowny Panie Premierze!Kierując się troską o przyszłość polskiej gospodarki, sygnatariusze niniejszego listu, reprezentujący pol-

skich naukowców i przedsiębiorców działających w branży pomiarowej, zgromadzeni na konferencji „Przyszłość polskiej metrologii naukowej i przemysłowej” zorganizowanej przez Centrum Metrologii działające przy firmie RADWAG Wagi Elektroniczne, zwracają Pana uwagę na potrzebę pilnego zakończenia prac nad ustawą „Prawo o miarach”.

Polski system miar wymaga głębokiej reformy. Wyrażamy uznanie dla Ministerstwa Gospodarki za podjęcie prac nad jego dostosowaniem do współczesnych wymagań technologicznych, jednocześnie wyrażamy zaniepo-kojenie tempem ich przebiegu. Podjęte przed pięciu laty prace, prowadzone z udziałem wybitnych specjalistów, doprowadziły do opracowania założeń nowej ustawy, które oceniamy wysoko. Jednakże do dziś nie znalazły one wyrazu w postaci obowiązującego aktu prawnego. Uniemożliwia to wprowadzenie niezbędnych zmian systemo-wych i organizacyjnych, do najpilniejszych, z których należą:

powołanie, na bazie obecnych laboratoriów GUM, narodowego centrum wzorców i technologii, co pozwoli na • właściwe wsparcie krajowego przemysłu oraz rozwój badań krajowych i współpracy międzynarodowej,wyodrębnienie z GUM jednostki administracyjnej zajmującej się metrologią prawną i nadzorującej terenową • administrację miar,powołanie Rady Miar, złożonej z przedstawicieli przemysłu i nauki, jako ciała doradczego przy Ministrze Go-• spodarki. Postulujemy, aby istniejąca Grupa Robocza ds. Reformy Metrologii przy Ministerstwie Gospodarki była wzmocniona i stała się zaczynem przyszłej Rady Miar.

Radom, dnia 25 października 2012 r.

REKLAMA

Fot.

PA

R

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

12

systemu miar, opracowanego na zle-cenie Ministerstwa Gospodarki przez Terry’ego J. Quinna (byłego dyrektora BIPM), oraz korespondujące w znacz-nej mierze z nimi założenia do nowej ustawy Prawo o miarach.

Kolejny prelegent, Wojciech Wi-śniewski z GUM, przedstawił zadania Laboratorium Masy w GUM w kontek-ście przygotowań do wdrożenia nowej definicji kilograma.

Doc. dr inż. Zygmunt L. Warsza w ob-szernej prezentacji przybliżył uczestnikom konferencji kierunki badań nad rozwojem szacowania niepewności pomiarów.

Pierwszą część konferencji zamknął Andrzej Hantz, dyrektor Centrum Me-trologii Radwag, prezentacją „Rola laboratorium wzorcującego w firmie produkującej przyrządy pomiarowe na przykładzie Laboratorium Pomiarowe-go Radwag”.

Po przerwie na lunch przewidzia-no bardziej roboczą część konferen-cji. W jej ramach odbyły się przede wszystkim dwa panele dyskusyjne – pierwszy poprowadził dr hab. inż. Ryszard Pregiel, prezes Polskiej Izby Gospodarczej Zaawansowanych Tech-nologii, w drugim natomiast dyskusję inicjował i moderował dr inż. Jan Jabł-kowski, dyrektor naczelny Przemysło-wego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie. Wnioski i postulaty z obu paneli zebrano w liście otwartym do Ministra Gospodarki (patrz ramka), pod którym podpisała się zdecydowa-na większość uczestników wydarzenia.

Konferencja zakończyła się zwie-dzaniem siedziby głównej firmy Ra-dwag przy ul. Brackiej 28 w Radomiu oraz Centrum Metrologii, ulokowanego

w nowym budynku przy ul. Starowiej-skiej 17A.

Radwag Centrum Metrologii to jed-nostka wyodrębniona ze struktury firmy Radwag Wagi Elektroniczne. Centrum Metrologii tworzą cztery komórki orga-nizacyjne: Zespół Walidacji, Ekspertyz i Audytów, Zespół ds. Szkoleń, Labora-torium Pomiarowe oraz Wydawnictwo.

Laboratorium Pomiarowe zajmuje się wzorcowaniem urządzeń ważących, wzorców masy, odważników i pipet tło-kowych, oraz badaniami wewnętrzny-mi. Składa się ono z pięciu pracowni: dwóch Pracowni Masy, Pracowni Obję-tości, Pracowni Długości oraz Pracow-ni Temperatury i Wilgotności.

W wyposażeniu Laboratorium są między innymi: dwa kompleksowe stanowiska do kalibracji pipet (o sta-łej i zmiennej objętości, w zakresie od 1 µl do 10 ml), dziesięć stanowisk wzorcowania wzorców masy (wypo-sażonych w automatyczne i manu-alne komparatory, umożliwiające wzorcowanie wzorców masy od 1 mg do 25 kg w klasach E2, F1, F2, M1 i M2) oraz komputerowy system zarzą-dzania laboratorium RadCAL, zarzą-dzający całym procesem wzorcowania – od przyjęcia zlecenia aż po wydanie świadectwa wzorcowania.

Seweryn ŚcibiorPAR

Wydarzenia Relacje

Drugi z paneli, poświęcony kierunkom zmian w polskiej metrologii naukowej, w tym dostosowaniu polskiego systemu metrologicznego do standardów światowych oraz nowej ustawie Prawo o miarach, poprowadził dr inż. Jan Jabłkowski z PIAP (na fot. pierwszy z lewej)

Konferencji towarzyszyły prezentacje przyrządów pomiarowych zaprojektowanych i oferowanych przez polskich producentów

Panel dyskusyjny „Nauka – Biznes – Metrologia: współpraca między nauką i biznesem na rzecz innowacyjnych rozwiązań w projektowaniu przyrządów pomiarowych; smart specialization szansą dla eksportu polskiej metrologicznej myśli technicznej” poprowadził prof. dr hab. inż. Ryszard Pregiel z PIGZT (na fot. pierwszy z prawej)

Fot.

PA

R


13 sierpnia 2012 roku Polska podpi-sała umowę akcesyjną o przystąpieniu do Konwencji o utworzeniu Europejskiej Agencji Kosmicznej. Był to pierwszy krok rozpoczynający proces ratyfikacji umowy przez Polskę. Równocześnie z negocja-cjami akcesyjnymi oraz procesem raty-fikacyjnym został zainicjowany proces tworzenia organizacji reprezentującej podmioty zainteresowane realizacją kon-traktów dla Europejskiej Agencji Kosmicz-nej. Potrzebę powołania takiej organiza-cji zgłaszały zarówno podmioty polskiego sektora kosmicznego, jak i Ministerstwo Gospodarki (odpowiedzialne za negocja-cje i proces akcesyjny) oraz Polska Agen-cja Rozwoju Przedsiębiorczości.

Po wielu spotkaniach przygoto-wawczych 31 października 2012 roku w Centrum Konferencyjnym PIAP odbyło się zgromadzenie założycielskie Związ-ku Pracodawców Sektora Kosmicznego, w którym wzięło udział 19 podmiotów – dużych przedsiębiorstw, średnich i ma-łych firm oraz ośrodków badawczych. Do członków-założycieli Związku należą m.in. Centrum Badań Kosmicznych PAN, Bumar, Astri Polska, Geosystems, GMV Polska, Sener Polska oraz Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP.

Podstawowe zadania Związku to:konsolidacja środowiska przedsiębior-• ców, ośrodków badawczych oraz orga-nizacji zainteresowanych eksploatacją i eksploracją przestrzeni kosmicznej oraz prowadzeniem badań nauko-wych i prac wdrożeniowych związa-nych z produktami i technologiami o zastosowaniach kosmicznych,prowadzenie działań na rzecz podnie-• sienia potencjału ekonomicznego pol-skiego sektora kosmicznego,inicjowanie współpracy pomiędzy • podmiotami polskiego sektora ko-smicznego oraz pokrewnymi sekto-rami (lotnictwo, obronność) w celu efektywnego wykorzystania środków z budżetu państwa, programów ESA oraz funduszy Unii Europejskiej,wspomaganie Sejmu i Senatu RP, • Rady Ministrów, ministerstw oraz po-zostałych organów administracji pań-stwowej w kreowaniu krajowej polity-ki kosmicznej i realizacji jej założeń.Związek będzie także prowadził dzia-

łania promujące potencjał polskiego sek-tora kosmicznego oraz działania zmie-rzające do zwiększenia liczby swoich członków, tak aby opinie i ekspertyzy wy-pracowywane przez Związek były repre-zentatywne. Siedziba Związku znajduje się obecnie w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP.

Paweł WojtkiewiczPrzemysłowy Instytut Automatyki

i Pomiarów PIAPKontakt do biura Związku: tel. 22 874 03 87

Powstał Związek Pracodawców Sektora Kosmicznego

Europejska Agencja Kosmiczna (European Space Agency – ESA)

powstała w 1975 roku jako organizacja koordynująca współpracę państw

europejskich zainteresowanych eksploracją i eksploatacją przestrzeni

kosmicznej. Obecnie ESA skupia 19 państw członkowskich, a jej roczny

budżet wynosi około 4 mld euro. Wraz z przystąpieniem Polski do ESA

przed polskimi przedsiębiorstwami i instytutami badawczymi otworzył się

nowy rynek związany z kosmicznymi programami unijnymi.Fo

t. P

AR

14

Wydarzenia Relacje

Dwa dni konferencji poświęcone były pre-zentacji innowacyjnych rozwiązań z za-kresu World Class Manufacturing (WCM) przez ekspertów z następujących firm: ArcelorMittal Poland, ASTOR, Can-Pack, Fiat Auto Poland, Kompania Piwowarska Grupa SABMiller, Operator Systems Po-land, Philips Lighting Electronics w Pile, Philips Lighting Poland, Saint-Gobain Construction Products Polska, Fabryka Rigips – Stawiany, a także wymianie do-świadczeń z uczestnikami wydarzenia.

Konferencji towarzyszyły warsztaty, w trakcie których uczestnicy mieli oka-zję zwiedzić zakłady stosujące metody-kę WCM – Fiat Auto Poland w Tychach (19 listopada), ArcelorMittal w Święto-chłowicach (22 listopada) i Can-Pack w Brzesku (22 listopada). Wizyty mia-ły na celu zaprezentowanie rozwiązań WCM, których wykorzystanie w firmach prezentujących swoje obszary produk-cyjne pomaga w ciągłym podnoszeniu efektywności na konkurencyjnym rynku.

Właśnie stosowanie rozwiązań z ob-szaru WCM stało się dla wielu firm

kluczem do sukcesu w ramach swojej grupy, a co szczególnie istotne, na moc-no konkurencyjnym rynku danej branży. Krakowska konferencja miała dostarczyć uczestnikom inspiracji, wiedzy i rozwią-zań, które pomogą budować przewagę konkurencyjną na rynku. W pierwszym dniu uczestnicy poznali m.in. temat efektywnego podejścia WCM do pro-cesów w przemyśle na przykładzie do-świadczeń Kompanii Piwowarskiej. Prelekcja wywołała lawinę pytań z sali o najważniejsze etapy wdrożenia WCM, o szkolenia pracowników, o początek wdrożenia WCM – czy robić to same-mu, czy z pomocą zewnętrznej firmy, jak radzić sobie z najbardziej opornymi pra-cownikami etc.

Kolejny blok poświęcony był fila-rowi Cost Deployment w działach pro-dukcji i logistyki. Prelekcje dostarczy-ły odpowiedzi m.in. na pytania „co to znaczy ideal cost?”, „jak często rewido-wać cele?”, „jak przejść przez matrycę od A do F?”. Swoje rozwiązania w ob-szarze redukcji kosztów na produkcji

zaprezentował pasjonat metodyki WCM, przewodniczący konferencji z firmy Arce-lorMittal Poland.

Ożywioną dyskusję wywołała prezen-tacja dotycząca identyfikacji najwięk-szych strat w obszarze pilotażowym w fir-mie Saint-Gobain Construction Products Polska, Fabryka Rigips – Stawiany.

Pierwszy dzień konferencji zakończy-ły warsztaty tematyczne:

„Przygotowanie przedsiębiorstwa do • implementacji WCM i koordynacja wdrożenia”, prowadzony przez eks-pertki z firmy Saint-Gobain Construc-tion Products Polska, Fabryka Rigips- -Stawiany,„Wybrane narzędzia i techniki stoso-• wane w przedsiębiorstwach WCM”, prowadzony przez eksperta z firmy Can-Pack,„Zyski związane z doskonaleniem • procesów wytwórczych przy wyko-rzystaniu systemów automatycznego gromadzenia danych” – gra bizneso-wa poprowadzona przez ekspertów z firmy ASTOR.

Produkcja przemysłowa okiem praktyków metodyki WcM

W dniach 20–21 listopada

w hotelu Sheraton w Krakowie

odbyła się już po raz dziesiąty

konferencja „World class

Manufacturing – produkcja

klasy światowej”, organizowana

przez firmę GBI Partners.

Relacja z X konferencji „World Class Manufacturing – produkcja klasy światowej”

Fot.

GB

I Par

tner

s


Uczestnicy warsztatów mieli możliwość wypracowania rozwiązań w danych obszarach we współpracy z osobami, które na co dzień spotykają się z podobnymi wyzwaniami w swoich firmach. Warsztat stwarza możliwość wymiany doświadczeń oraz podzielenia się dobrymi praktykami, jak również tymi, których warto unikać. Osoby uczestniczące w tych warsztatach pracowały na przykładach przygoto-wanych przez moderatorów warsztatu.

Kolejny dzień konferencji rozpoczęła prezentacja na te-mat Continuous Improvement Management na produkcji w Kompanii Piwowarskiej.

Następnie został omówiony temat wzrostu kompeten-cji organizacji na przykładzie projektu Blue Print w za-kładzie Philips Lighting Electronic. Eksperci podzielili się z uczestnikami uwagami na temat korzyści, jakie przy-niósł tej projekt ich firmie. Przedstawiciel firmy Can-Pack zaprezentował z kolei proces wdrażania w jego firmie no-wych rozwiązań i/ lub produkcji nowego wyrobu na istnie-jącej linii produkcyjnej.

Potem uczestnicy konferencji mieli okazję poznać roz-wiązania logistyczne stosowane w Fiat Auto Poland pod kątem WCM i zapoznać się z ciekawymi usprawnieniami wdrożonymi w zakładzie.

Kolejnym tematem prezentowanym przez przewodni-czącego konferencji było hasło „Jak zachować najwyższą jakość w procesie produkcji przy uwzględnieniu restryk-cyjnej polityki kosztowej?”.

Ostatnim, ale pierwszym pod kątem ważności w za-kładach produkcyjnych był temat rozwijania i budowania kultury bezpieczeństwa. Ekspertka z firmy Fiat Auto Po-land miała wiele pytań na temat drogi, którą tyski zakład doszedł do obecnego poziomu (Silver Level), jak również do stosowanych w nim rozwiązań poprawiających bezpie-czeństwo pracowników oraz do metod utrzymania wyso-kiego zaangażowania pracowników i efektów pracy, jaką przede wszystkim oni sami włożyli w wysoki poziom, na jakim firma znajduje się w dniu dzisiejszym.

Wszystkie prezentacje wzbudzały duże zainteresowa-nie uczestników, którzy chętnie dyskutowali na temat roz-wiązań stosowanych przez prelegentów konferencji oraz rozwiązań stosowanych w ich zakładach. Sesja pytań przewidziana po każdej prezentacji stwarzała możliwość wygenerowania ciekawych pomysłów do przeniesienia na własne „podwórko” produkcyjne.

Dni warsztatowe towarzyszące konferencji odbyły się w zakładach Fiat Auto Poland, ArcelorMittal oraz Can-Pack, i poświęcone były w całości rozwiązaniom WCM stosowanym w tych fabrykach. W zakładach uczestnicy wizyt zostali przywitani przez przedstawicieli firm, którzy zapoznali ich ze specyfiką działania poszczególnych firm oraz odpowiadali na wszystkie pytania uczestników wizyt począwszy od kwestii bezpieczeństwa, poprzez jakość, produkcję, finanse, czy oszczędzanie energii w zakładach. Zakłady, w których odbyły się wizyty, zdobyły liczne na-grody potwierdzające ich wysoki światowy poziom.

Sponsorami konferencji WCM były firmy: Operator Systems Poland, ASTOR, Raben Group. Patronat me-dialny nad tym wydarzeniem objęły następujące media: miesięcznik PAR, portale internetowe e-Gospodarka oraz iProdukcja.

Oprac. na pdst. mat. GBI PartnersFot.

GB

I Par

tner

s

REK

LAM

A

16

Wydarzenia Relacje

W dniach 13–15 listopada 2012 roku odbyły się V Lubelskie Targi Energe-tyczne Energetics 2012. W tym samym czasie miały miejsce także Targi Tech-nologii Szerokopasmowych Infostrada. Głównym partnerem targów była spół-ka PGE Dystrybucja. Patronaty spra-wowali: Wiceprezes Rady Ministrów Minister Gospodarki Waldemar Paw-lak, Prezydent Miasta Lublin i Marsza-łek Województwa Lubelskiego, Konsul Generalny Ukrainy w Lublinie, Konsul Honorowy Ukrainy w Chełmie, a tak-że Polsko-Białoruska Izba Przemysło-wo-Handlowa. Patronami branżowymi zostały: Urząd Regulacji Energetyki,

Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdzia-łu Energii Elektrycznej, Stowarzyszenie Elektryków Polskich, Lubelska Okręgo-wa Izba Inżynierów Budownictwa, Pol-ska Izba Producentów Urządzeń i Usług na Rzecz Kolei, Politechnika Lubel-ska, Lubelski Klaster Ekoenergetyczny i Polska Izba Gospodarcza Elektro- techniki. Patronat medialny objęło wie-le wydawnictw i portali branżowych, a także lubelska telewizja, radio i prasa regionalna.Zakres branżowy targów:elektroenergetyka i elektrotechnika,• wytwarzanie i przesyłanie energii • elektrycznej,

przetwarzanie energii,• urządzenia rozdzielcze i łączeniowe,• urządzenia zabezpieczające i insta-• lacje odgromowe,urządzenia kontrolno-pomiarowe i sy-• gnalizacyjne,sieci i instalacje elektryczne,• automatyka,• osprzęt eksploatacyjny i narzędzia,• kable i przewody,• sprzęt oświetleniowy,• informatyka w energetyce,• energetyka alternatywna i odna-• wialna,energia wodna, wiatrowa, słonecz-• na, wód geotermalnych, biomasa,

Fot. Targi Lublin

Lubelskie Targi energetyczne eNeRGeTIcS 2012

centrum Targowo-Wystawiennicze

Targów lublin Sa przez trzy dni

targowe było polską stolicą

elektroenergetyki i sieci

szerokopasmowych. Z ofertą blisko

120 wystawców zapoznało się

ponad 4300 zwiedzających.

Superior Clamping and Gripping

Życzymy Państwu białych, pachnących choinkąŚwiąt Bożego Narodzenia,spędzonych w ciepłej, rodzinnej atmosferze oraz szczęścia w życiu osobistym i wielu sukcesów zawodowych w każdym dniu nadchodzącego Nowego Roku.

Pracownicy firmy SCHUNK

© 2

012

SCH

UNK

Gm

bH &

Co.

KG

SCHUNK_ImageXmas_205x102_PL_1112_V1.indd 1 14.11.12 16:49


technologie pozyskiwania energii od-• nawialnej,systemy oszczędzania zasobów ener-• getycznych,energia jądrowa.• W konkursie targowym na „Produkt

roku” nagrodę otrzymał Instytut Tele- i Radiotechniczny, a wyróżnienia firmy: Strunobet Migacz, Visimind i Instytut Energetyki – Zakład Doświadczalny w Białymstoku. W kategorii „Wystrój stoiska i forma promocji targowej” zwy-ciężyła Elektrobudowa, a wyróżnienia przypadły firmom: Eurodis, Rosa i Eu-rotronic. Poza przyznaniem nagród tar-gowych w czasie targów rozstrzygnięto konkurs o Puchar Prezesa Polsko-Bia-łoruskiej Izby Handlowo-Przemysłowej

dla firmy prezentującej najefektywniej-sze ekonomiczne rozwiązanie tech-nologiczno-organizacyjne w zakresie energetyki. Laureatem została firma Vi-simind, a wyróżnienia otrzymały firmy: Bezpol, Alumast i Instytut Tele- i Ra-diotechniczny.W trakcie targów Energetics odby-

ła się zorganizowana przez Lubelski Urząd Marszałkowski konferencja pod-sumowująca projekt „Budowa oferty inwestycyjnej województwa lubelskiego w oparciu o zidentyfikowany potencjał odnawialnych źródeł energii (studia ce-lowości)”, realizowany w ramach Osi Priorytetowej II: Infrastruktura Eko-nomiczna, działanie 2.4, schemat B, w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Lubelskie-go na lata 2007–2013. Lubelski Kla-ster Ekoenergetyczny we współpracy ze Stowarzyszeniem Elektryków Polskich przygotował seminarium na temat ener-gii odnawialnej, na którym poruszono m.in. tematy efektywności energetycz-nej, fotowoltaiki czy budowy biogazowi i małych elektrowni wodnych.Tradycyjnie odbyły się również przy-

gotowane przez wystawców szkolenia dla inżynierów elektryków, inżynierów budownictwa, inspektorów nadzoru, projektantów, architektów, zakładów energetycznych, służb utrzymania ru-chu, instalatorów, inwestorów, spół-dzielni mieszkaniowych, deweloperów, zarządców budynków i przedstawicieli władz samorządowych.

Mat. pras. Targi Lublin SA

Fot. Targi Lublin

REKLAMA

Superior Clamping and Gripping

Życzymy Państwu białych, pachnących choinkąŚwiąt Bożego Narodzenia,spędzonych w ciepłej, rodzinnej atmosferze oraz szczęścia w życiu osobistym i wielu sukcesów zawodowych w każdym dniu nadchodzącego Nowego Roku.

Pracownicy firmy SCHUNK

© 2

012

SCH

UNK

Gm

bH &

Co.

KG

SCHUNK_ImageXmas_205x102_PL_1112_V1.indd 1 14.11.12 16:49

18

Wydarzenia Relacje

Firma ASTOR zaprosiła przedstawicie-li uczelni technicznych z całej Polski. Uczestniczyli oni w spotkaniu obok finalistów XIV edycji Konkursu Prac ASTOR, promotorów prac oraz przed-stawicieli mediów. Gościnnie wystąpił również robot EPSON – nowość w ofer-cie ASTOR-a.

Zgodnie z wprowadzoną w zeszłym roku nową formułą konkursu, zakłada-jącą dwustopniowy system oceny prac, do finału zakwalifikowało się sześciu najlepszych dyplomantów, którzy dosta-li szansę zaprezentowania przed kapitu-łą konkursową swoich dokonań. Jurorzy mieli czas na wybór trzech najlepszych i jednocześnie najciekawiej zaprezento-wanych prac.

– Wydaje mi się, że ta zmiana zdo-pingowała finalistów, a zgromadzonym gościom dała możliwość reagowania na prezentacje i zadawania pytań. Wysoki poziom wiedzy merytorycznej uczestni-ków nie wskazywał, że mamy do czy-nienia ze świeżo upieczonymi absol-wentami. W kontekście tak wysokiego poziomu już samo zakwalifikowanie się do grona finalistów jest ogromnym wyróżnieniem – podkreśla Stefan Życz-kowski, prezes firmy ASTOR i przewod-niczący jury konkursu.

W tym roku w szranki mogli stanąć także w nowej kategorii uczniowie szkół średnich, jednak żaden uczeń nie odwa-żył się przysłać swojej pracy. Tematyka

prac zgłaszanych do konkursu obejmo-wała systemy sterowania linią produk-cyjną, monitoring i wizualizację pro-cesów przemysłowych, automatyzację procesów produkcyjnych lub stano-wiska zrobotyzowane. Jury, oceniając prace, zwracało szczególną uwagę na innowacyjność, poziom technicznego wykonania oraz możliwość wdrożenia w praktyce.

Zgodnie z nową formułą dodatkowo punktowano sposób prezentacji pracy przez dyplomantów podczas semina-rium oraz wykorzystanie czasu przezna-czonego na prezentację. Łączna wartość nagród wyniosła blisko 10 tys. zł.

Tegoroczne seminarium „Moc tech-nologii dla edukacji” poświęcono za-gadnieniom pozyskiwania funduszy unijnych na cele dydaktyczne. Zapro-szeni prelegenci wymienili się ze zgro-madzonymi przedstawicielami uczelni i szkół technicznych swoimi praktykami i doświadczeniami z prowadzenia dofi-nansowanych projektów edukacyjnych.

W panelu wymiany doświadczeń, Kie-rownik Centrum Energetyki Odnawialnej Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Sulechowie – Radosław Grech, opo-wiedział o inwestowaniu w polską in-nowacyjność. Z kolei Tomasz Dudarski, Opiekun Laboratorium Automatyki i Ro-botyki w Wyższej Szkole Komunikacji i Zarządzania w Poznaniu podzielił się z zebranymi gośćmi uwagami na temat

budowy nowoczesnego laboratorium z „Praktycznymi Kwalifikacjami”.

O płatnych stażach, finansowanych ze środków EFS, które są odpowiedzią Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie na po-trzeby rynku pracy opowiedział z kolei dr hab. inż. Krzysztof Pietrusewicz, a dr inż. Wiktor Hudy, pracujący na Uniwer-sytecie Pedagogicznym podpowiedział, jak zatrudnić robota na uczelni (oczywi-ście za unijne pieniądze).

Inspirujące przykłady kolegów po fa-chu wzbudziły ogromne zainteresowanie zgromadzonych przedstawicieli świata nauki. Ciekawość gości wywołało też wystąpienie Mateusza Bryły, Przewod-niczącego Koła Naukowego INTEGRA, który zaprezentował postępy w budo-wie łazika marsjańskiego, konstruowa-nego przy wsparciu firmy ASTOR.

– Połączenie rozstrzygnięcia konkursu prac z seminarium dla edukacji ma na celu zaakcentowanie wartości, jaką dla firmy ASTOR ma współpraca z placów-kami dydaktycznymi. Uważamy, że tego typu wydarzenia są szczególnie ważne, gdyż luka w kontaktach świata nauki ze światem przemysłu jest stale niezapeł-niona – mówi Jarosław Gracel, Dyrektor ds. Marketingu i PR w firmie ASTOR.

Milena Chudobska-MarcinekASTOR, e-mail: [email protected]

Rozstrzygnięcie konkursu prac dyplomowych

oraz seminarium dla edukacji – to dwa ważne

wydarzenia zorganizowane przez firmę aSTOR,

które znalazły swój finał 30 listopada w Krakowie.

aSTOR już po raz czternasty wyróżnił najlepszych dyplomantów

Na fot. od lewej: dr inż. Antoni Szymczak – promotor pracy nagrodzonej miejscem III, Michał Drożdżowski – Laureat III miejsca (Politechnika Krakowska), dr inż. Jacek Augustyn – promotor pracy nagrodzonej I miejscem, Przemysław Kękuś – laureat I miejsca (AGH), Stefan Życzkowski – Prezes ASTOR Sp. z o.o. i przewodniczący jury, oraz Mariusz Buciakowski – laureat II miejsca (Uniwersytet Zielonogórski)

Fot.

Ast

or


W Expo Silesia prezentowały się firmy z branży robotyki, hydrauliki, automa-tyki i pneumatyki oraz technik smarow-niczych. Ofertę uzupełniła prezentacja produktów i rozwiązań z zakresu prze-twórstwa tworzyw sztucznych i gumy. Ze względu na tematykę wydarzenia oraz osoby i firmy, do których było skie-rowane, całość nazwano Targami Wspo-magania Procesów Przemysłowych. Tę tematykę uzupełniały Targi Olejów, Smarów i Płynów Technologicznych dla Przemysłu OILexpo, odbywające się w Expo Silesia po raz drugi. Targi były doskonałą okazją do za-

poznania się z nowościami w branży. Wystawcy zaprezentowali m.in. kom-ponenty automatyki, systemy napędów i sterowania, czy technologie i sprzęt służący do automatyzacji i informatyza-cji w produkcji. Obecni byli producenci i dystrybutorzy komponentów oraz pod-zespołów do maszyn przemysłowych, fabryk oraz linii produkcyjnych. Duże zainteresowanie zwiedzających wzbu-dziły firmy prezentujące osprzęt i roboty

przemysłowe; w tym gronie znalazł się też dystrybutor robotów marki Kawasa-ki i Epson – firma ASTOR. Wśród nowo-ści zaprezentowanych na targach były także nowe na rynku polskim duńskie roboty Universal Robots, prezentowane przez firmę Pol-Sver.Targom towarzyszyły seminaria po-

święcone nowym technologiom oraz automatyce i robotyce w przemyśle motoryzacyjnym, które cieszyły się du-żym zainteresowaniem studentów Poli-techniki Śląskiej. Odbywały się one pod patronatem Wydziału Gospodarki, Pro-mocji i Współpracy Międzynarodowej Urzędu Marszałkowskiego Wojewódz-twa Śląskiego w ramach projektu Auto-motive Silesia Region. Celem projektu jest wzmocnienie powiązań sfery nauki i biznesu w branży motoryzacyjnej. Bio-rąc pod uwagę fakt, że na Śląsku skon-centrowana jest jedna trzecia polskiego przemysłu motoryzacyjnego, jest to do-brze zlokalizowana i potrzebna impreza.W ramach wspomnianego progra-

mu Automotive Silesia Region Urząd Marszałkowski zorganizował warsztaty w formule matchmakingowej. Tematyką tegorocznych sesji były nowe aplikacje materiałowe oraz robotyka i automatyka. Odbiorcami prelekcji byli przede wszyst-kim przedsiębiorcy działający jako pod-wykonawcy branży automotive. Podczas imprezy wręczono meda-

le i wyróżnienia za najlepsze produkty i usługi prezentowane na targach. Me-dal Expo Silesia za wytłaczarkę dwu-ślimakową stożkową z przełączalną skrzynią przekładniową EHP 15 Profes-sional serii MINI Line otrzymała firma Zamak Mercator. Wyróżnienia przyznano firmie ASTOR za robota przemysłowego Kawasaki BX200L oraz firmie Pepper-l+Fuchs za odbiciowy czujnik ultradźwię-kowy z metalowym czołem – UMC3000. Natomiast wyróżnienie za stworzenie

platformy współpracy dla sektora motory-zacyjnego otrzymał Wydział Gospodarki, Promocji i Współpracy Międzynarodowej Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego. Firmy: ASTOR, Automation-stechnik oraz ZHU Automatyka-Elektro-nika Naprawa Maszyn i Urządzeń To-masz Jasztal nagrodzono za efektowną formę promocji targowej.

Oprac. na podst. mat. pras. Anna Ładan

W dniach 13–15 listopada 2012 roku w Centrum Targowo-Konferencyjnym

Expo Silesia w Sosnowcu odbyły się IV Targi Hydrauliki, Automatyki

i Pneumatyki HAPexpo. Towarzyszyły im II Targi Robotyzacji i Automatyzacji

w Przemyśle ROBOTshow.

Śląskie święto automatyki w Expo Silesia

Fot. Marcin Pogodziński (Wydział Gospodarki, Promocji i Współpracy Międzynarodowej

Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego), Expo Silesia

20

TemaT numeru Komputery przemysłowe i panele operatorsKie

Współczesne trendy na rynku komputerów przemysłowychObecnie na rynku pojawiają się kom-putery o bardzo różnych parametrach, począwszy od zminiaturyzowanych kom-puterów przemysłowych, po te bardzo odporne na trudne warunki środowiska. Rozwój technologii jest bardzo widoczny, ponieważ klienci oczekują coraz bardziej precyzyjnych produktów. Zarówno pro-ducenci, jak i dostawcy są więc zobligo-wani do dostosowywania się do rosną-cych wymagań użytkowników.

Na polskim rynku najpopularniej-szymi markami komputerów przemy-słowych są: Advantech, Kontron, iEi Technology, Aaeon, Axiomtek, GE Intel-ligent Platforms, Acromag, Adlink. Rza-dziej zastosowanie znajdują produkty Beckhoff, APRO, Automation, AMPRO, ASEM, B&R, Boser Technology, ESA, Evoc, HP, i-Base, IBM, Invensys Won-derware, Nematron, Protech Systems, Schneider Electric.

Producenci i dostawcy komputerów przemysłowych podkreślają, że w wy-niku szybkiego rozwoju technologii

i różnych potrzeb klientów bardzo trud-no jest scharakteryzować najważniej-sze cechy komputerów przemysłowych. Obecnie dostawcy przede wszystkim starają się zaspokoić wymagania użyt-kowników, którzy oczekując najnowo-cześniejszych produktów, nie zawsze wiedzą, na czym ta nowoczesność mia-łaby polegać. Dlatego też ważne jest, aby dostawcy mogli dokładnie rozpo-znać potrzeby i oczekiwania klientów. W jednym przypadku istotna jest bar-dzo wysoka wydajność, a w innym do-stosowanie się do trudnych warunków środowiskowych.

Krzysztof Kamiński z Guru Control Systems w Łomiankach podkreśla, że wśród komputerów przemysłowych ważną grupą są komputery większe, modularne, umożliwiające dokładanie kart We/Wy, np. pomiarowych lub ste-rujących. – Jeśli przyjmiemy, że jest to każdy komputer przemysłowy przezna-czony do wbudowania do maszyny czy innego urządzenia, to termin ten obej-mie także komputery panelowe oraz modularne. Jako przykład komputerów

w świecie komputerów przemysłowychrynek komputerów przemysłowych

staje się coraz bogatszy, bardziej

urozmaicony i wyspecjalizowany,

ponieważ komputery przemysłowe

są coraz częściej stosowane

w nowoczesnych liniach

technologicznych, maszynach

i urządzeniach. najnowocześniejsze

komputery znajdują zresztą

zastosowanie w różnych branżach

naszej gospodarki, na przykład

w przemyśle medycznym,

militarnym, transportowym,

logistycznym i spożywczym.

Komputer panelowy AFP-6152 firmy Aaeon

Fot.

Aae

on,

iEi T

echn

olog

y C

orp.


modularnych można wskazać elementy systemu w standardzie cPCI firmy Ad-link – mówi Kamiński.

Dostawcy oferują produkty różnych marek i jednocześnie starają się przed-stawiać na polskim rynku wyspecjalizo-wane komputery przemysłowe.

Witold Bryłka – kierownik Działu Komputerów Przemysłowych w firmie JM Elektronik rozwija aspekt dotyczą-cy kategorii komputerów, twierdząc, że obok klasycznych komputerów prze-mysłowych – panelowych czy wbu-dowanych – pojawiają się konstrukcje wyspecjalizowane, dedykowane do bardzo konkretnych zastosowań bądź też produkty zorientowane na zupełnie inne rynki niż sterowanie i wizualizacja w przemyśle. Producenci, analizując po-trzeby klientów na rynkach w różnych krajach, wprowadzają nowe produkty i tym samym wyznaczają trendy. Taka strategia cechuje firmę iEi Technology, która regularnie wprowadza na rynek nowatorskie konstrukcje, odmienne od typowych rozwiązań konkurencji. Bar-dzo przyszłościowe są urządzenia mo-bilne, z myślą o których powstał dział iEi Mobile, pracujący nad rozwojem tej właśnie gałęzi. Modne na rynku komer-cyjnym tablety w naturalny sposób za-czynają funkcjonować w roli urządzeń medycznych, spełniających funkcję przenośnych notatników czy bazy wie-dzy dla personelu medycznego, logistyki czy utrzymania ruchu – mówi przedsta-wiciel firmy JM Elektronik.

Innym przykładem mogą być ter-minale i komputery pokładowe do za-stosowania w pojazdach szynowych i samochodowych. Nowe konstrukcje posiadają także bardzo rozbudowaną funkcjonalność, co czyni je uniwersal-nymi i umożliwia obsługę wielu skła-dowych systemu przez jedną jednostkę sterującą bezpośrednio.

Sytuacja na rynku a potrzeby klientówSytuacja na rynku dowodzi, że cały czas utrzymuje się wysoki popyt na kompu-tery przemysłowe, ale coraz bardziej rośnie zapotrzebowanie na wysokiej klasy wyspecjalizowany sprzęt kompu-terowy. Andrzej Jamrozik – specjalista ds. sprzedaży Działu Profesjonalnych Komputerów Przemysłowych w firmie CSI Computer Systems for Industry w Krakowie wskazuje, że klienci poszu-kują coraz bardziej zaawansowanego sprzętu, bo wymagania aplikacji prze-mysłowych są coraz większe. – Naszym

klientom dostarczamy m.in. komputery panelowe, kompaktowe i jednopłytko-we oraz rozwiązania medyczne i typu rugged, monitory, podzespoły sieci ko-munikacyjnych, przemysłowe płyty główne, moduły ADAM, switche prze-mysłowe oraz cPCI – mówi A. Jamro-zik. – Z wymienionych powyżej katego-rii największą popularnością cieszą się rozwiązania komputerów panelowych (systemy sterowania, nadzoru, SCADA) oraz bezwentylatorowych komputerów kompaktowych. Dzięki zwiększonej wy-dajności oraz możliwości rozbudowy wypierają z niektórych zastosowań roz-wiązania na bazie komputerów w obu-dowach rack 19². Powodzeniem cieszą się także przemysłowe moduły komuni-kacyjne i sieciowe. Zauważamy również większe zapotrzebowanie na systemy oddawane „pod klucz”. Coraz częściej dostarczamy kompletne zestawy oparte na sprzęcie sieciowym, oprogramowa-niu oraz innych elementach IT. Współ-pracujemy również z zaprzyjaźnionymi integratorami oraz firmami podwyko-nawczymi, oferując kompletne rozwią-zania klientowi końcowemu.

Na rynku są dostępne komputery modułowe (COM), które zaliczamy do wysoko zintegrowanych komponentów SBC. Przyczyniają się one znacznie do wspierania rozwoju systemu i szczegól-nych wymagań aplikacji. Marek Korolko – key account manager w firmie Kontr-on East Europe w Warszawie twierdzi, że moduł CPU dostarcza podstawową funkcjonalność, a wszystkie inne, spe-cyficzne dla aplikacji moduły są pro-jektowane na płytę bazową, co tworzy częściowo konfigurowalne rozwiązanie komputera wbudowanego.

– Firma Kontron ma w swojej ofer-cie komputery przemysłowe zbudowane w architekturze ATCA oraz cPCI, mające zastosowanie na rynku telekomunika-cyjnym, oraz komputery przeznaczone dla wojska i do transportu. Oprócz ww. komputerów oferujemy całą gamę kom-puterów przemysłowych do zabudowy w szafie lub na stojaku 19². Komputery te są powszechnie stosowane tak w au-tomatyce przemysłowej, jak i w innych gałęziach przemysłu wymagającego nie-zawodnej, długiej, często bezobsługowej pracy – dodaje Korolko.

Rynek komputerowy wobec miniaturyzacji– Mimo że świat zmierza w kierunku miniaturyzacji, na rynku komputerów przemysłowych niezmiennie popularne są komputery w obudowach dedykowa-nych do szaf rack 19² – twierdzi Kamil Grzeszczak z firmy Elmark Automatyka. Komputery te charakteryzują się dużą elastycznością, łatwością obsługi, bardzo dużymi możliwościami rozbudowy oraz dużą niezawodnością. Nasza firma, idąc naprzeciw oczekiwaniom klienta, stwo-rzyła nową markę na rynku kompute-rów przemysłowych – Elmatic (www.elmatic.net). Jest to seria komputerów przeznaczonych do zastosowań profesjo-nalnych. Cechują je – dzięki zastosowa-niu bardzo dobrej jakości podzespołów – wysoka niezawodność oraz możliwość pracy 24 godziny na dobę, 7 dni w tygo-dniu. Istotna jest również wysoka powta-rzalność dostępnych konfiguracji, dzięki zastosowaniu takich newralgicznych podzespołów jak: płyta główna, zasi-lacz, obudowa z tzw. linii embedded, czyli produktów charakteryzujących się

Komputer panelowy UPC-312 firmy iEi Technology Corp.

Fot.

Aae

on,

iEi T

echn

olog

y C

orp.

22


co najmniej pięcioletnim cyklem produk-cyjnym.

Mimo że komputery dedykowane są do pracy w niesprzyjających prze-mysłowych warunkach, np. na liniach produkcyjnych, wybrane modele bardzo dobrze sprawdzają się również, pracu-jąc w bezpośrednim otoczeniu opera-tora. Dzięki niskiemu natężeniu emi-towanego dźwięku (hałas na poziomie 35 dB) pracujący komputer nie wywo-łuje zmęczenia operatora.

Przegląd nowości produktowychKomputery wbudowane W ofercie firmy Maritex pojawił się wbudowany bezwentylatorowy system komputerowy firmy Axiomtek do trans-portu kolejowego – tBOX320-852-FL. Komputer jest odporny na wibracje i posiada izolowane porty COM. Urzą-dzenie może być wyposażone w pro-cesor Intel Core 2 Duo oraz w pamięć RAM DDR3. System ma certyfikat kole-jowy wg PN-EN 50155.

tBOX320-852-FL jest nowoczesnym rozwiązaniem dedykowanym dla ko-lejnictwa. Jest to pasywnie chłodzony system, wykorzystujący procesor Intel Core 2 Duo SP9300, pracujący z czę-stotliwością do 2,26 GHz oraz chipset Intel GM45. Zbudowany został z myślą o trwałości i pracy w ciężkich warun-kach, czego potwierdzeniem są: certyfi-kat wg PN-EN 50121, PN-EN 50155 oraz stopień ochrony obudowy IP40. Zintegrowany system graficzny posiada 256 MB pamięci i jest kompatybilny z DirectX 9.0, 3D oraz HDTV. Posiada wbudowany dekoder MPEG2 i H.264, zmniejszający użycie procesora pod-czas odtwarzania wideo HD. Komputer ten nadaje się idealnie do pracy w jed-nostkach kontroli ruchu, systemach in-formacji pasażerów, monitoringu wideo i innych systemach kolejowych.

Zaprojektowany do pracy w tempe-raturze od –25 °C do +55 °C, umiesz-czony w odpornej na uszkodzenia aluminiowej obudowie komputer ma wbudowany wydajny procesor Intel Core 2 Duo SP9300, współpracują-cy z pamięcią RAM DDR3 800/1066 do 2 GB. Jednostka jest wyposażona w 1 kieszeń na wymienne dyski twarde 2,5² SATA 300, 1 wewnętrzny slot na dysk SATA oraz czytnik kart Compact Flash. Dodatkowo, tBOX320-852-FL posiada 4 izolowane porty COM, izolo-wane cyfrowe We/Wy, zasilacz i wytrzy-małe złącze interfejsu M12 dla 2 por-tów Gigabit Ethernet.

Aby zapewnić możliwość rozbudo-wy systemu, tBOX320-852-FL posiada 2 wewnętrzne sloty mini PCIe. Dostęp-ny jest również 1 slot SIM do aplikacji 2G/3G/4G, GPS, Wi-Fi bądź Bluetooth.

tBOX320-852-FL można montować na szynie DIN, na ścianie lub stojaku.

Wbudowany kontroler PC Advan-tech UNO-2184G. Jest to stricte prze-mysłowa konstrukcja, wyróżniająca się dużą mocą obliczeniową (procesor Intel Core i7-2655LE 2,2 GHz) oraz możli-wością pracy w ujemnych temperatu-rach. O przemysłowym charakterze tej konstrukcji świadczy nie jedna lub dwie cechy, ale ich cały zbiór. Jedną z nich jest bezwentylatorowa praca w tempe-

raturze od –10 °C do +60 °C (jest to rzadkość w przypadku rozwiązań opar-tych o procesor Core i7). Ważną kwe-stią jest duża odporność na wstrząsy i wibracje, uzyskiwana dzięki specjal-nej konstrukcji płyty głównej kompute-ra. Została ona zaprojektowana w ten sposób, by zminimalizować liczbę wewnętrznych połączeń kablowych. W przypadku UNO-2184G jedynie por-ty COM numer 3 i 4 wyprowadzone są na obudowę za pomocą kabla. Kolejny-mi zaletami są: duże możliwości rozbu-dowy, m.in. o 2 pełnowymiarowe karty mini PCIe (np. kartę Wi-Fi, moduł GPS) oraz moduł PCI-104 (w tym przypad-ku wymagane są opcjonalne akcesoria). Warto wspomnieć, że komputer ma slot na kartę SIM, dzięki czemu w prosty sposób jest możliwa rozbudowa o mo-dem 2G/3G lub nawet najnowszy 4G (np. LTE).

System operacyjny można zainstalo-wać na przemysłowej karcie CFast lub na klasycznym dysku twardym 2,5² wy-posażonym w interfejs SATA. Opcjonal-nie UNO-2184G może zostać wyposa-żony w drugi dysk twardy. Oczywiście w przypadku wykorzystania dwóch dys-ków istnieje możliwość skonfigurowania

ich do pracy w macierzy RAID 0 lub 1. Gdyby okazało się, że dostępna prze-strzeń dyskowa jest niewystarczająca, użytkownik ma do dyspozycji port eSA-TAp, do którego może podłączyć ze-wnętrzny dysk twardy.

UNO-2184G wyposażony został w 3 wyjścia wideo: DVI-I (VGA + DVI), HDMI oraz DP (DisplayPort). Rozwiąza-nie to sprawia, że do komputera można podłączyć 2 dowolne monitory i wy-świetlić na nich niezależne obrazy.

Komputer UNO przeznaczony jest do pracy w przemyśle, więc produ-cent nie zapomniał o wyposażeniu go w porty COM (2´RS-232, 2´

RS-232/422/485), programowalne We/

Wy cyfrowe, jak i bardziej współczesne interfejsy, np. 4 porty Intel GbLAN.

Do poprawnej pracy komputer ten wymaga zasilania pojedynczym napię-ciem stałym z zakresu od 9 V DC do 36 V DC i mocy minimum 72 W.

UNO-2184G jest konstrukcją de-dykowaną do zastosowań, gdzie wy-magana jest wysoka wydajność, jaką gwarantują procesory z rodziny Core i7 oraz niezawodność, którą zapewniają

Komputer kompaktowy UNO-2184G firmy Advantech

Komputer kompaktowy TANK-800 firmy iEi Technology Corp.

23Pomiary automatyka robotyka nr 12/2012

kontrolery przemysłowe z rodziny Ad-vantech UNO.

TANK-800-D525 – komputer wbu-dowany firmy iEi Technology z obsługą 3 kart rozszerzeń

Cechą wspólną komputerów serii TANK jest wysoki stopień zaawanso-wania konstrukcyjnego, szeroka funk-cjonalność oraz odporność na czynniki zewnętrzne, zarówno mechaniczne, jak i środowiskowe. Do rodziny tej dołączył kolejny model, którym jest bezwentyla-torowy TANK-800-D525 z dwurdzenio-wym procesorem Intel Atom D525 oraz chipsetem Intel ICH8M. Standardowo system wyposażony jest w 1 GB RAM DDR3 zintegrowany z płytą, jednak do-datkowy slot na pamięć pozwala dodać kolejne 2 GB. System operacyjny może być zainstalowany na karcie CFast lub 2,5² dysku twardym SATA.

Najważniejsza cechą nowego kom-putera TANK jest niewątpliwie możli-wość obsługi aż 3 kart rozszerzeń. Do wyboru są 2 konfiguracje: 1´PCIe´4 i 2´PCI oraz 1´PCIe´2, 1´PCIe´1 i PCI. Producent zaznacza, że mak-symalna moc pobierana przez karty rozszerzeń nie może przekraczać 45 W. Ponadto do dyspozycji jest sze-reg standardowych interfejsów, ta-kich jak 4´RS-232, 4´USB 2.0, VGA (z rozdzielczością maksymalną 2048´1536), 2´RS-422/485 na por-tach RJ-45 oraz po 4 wejścia i wyjścia GPIO na łączu DB-9. Możliwa jest tyl-ko przewodowa komunikacja sieciowa (2´RJ-45 GbELAN), za którą odpowia-da kontroler Realtek RTL8111E PCIe GbE z funkcją ASF2.0.

TANK-800-D525, podobnie jak cała seria, przystosowany jest do przemy-słowych warunków pracy. Cechuje go: odporność na temperatury pracy w za-kresie od –20 °C do +70 °C, odporność na wstrząsy o sile do 5 G i wibracje (MIL-STD-810F 514.5C-2). W prze-myślany sposób rozwiązano zasilanie komputera, stosując w nim zasilacz redundantny. Komputer może być zasi-lany dowolnym napięciem stałym z za-kresu od 9 V do 36 V. Z tyłu obudowy znajduje się także przełącznik AT/ATX umożliwiający wybór trybu zasilania, przełącznik ACC przewidziany do kon-troli uruchomienia komputera w apli-kacjach samochodowych oraz diodowy wskaźnik stanu pracy.

Matrix MXC-6101D to bezwentyla-torowy komputer do zabudowy z pro-cesorem Intel Core i7-620LE 2,0 GHz i 2 GB pamięci DDR3 SDRAM oraz in-terfejsami VGA/DVI-D, 2´GbE, 2´RS-232/422/485, 2´RS-422, 5´USB 2.0, audio, złączami rozszerzającymi 2´PCI oraz 16 izolowanymi wejściami i 16 izo-lowanymi wyjściami cyfrowymi. Tempe-ratura pracy wynosi od 0 °C do 50 °C (opcjonalnie od –10 °C do +60 °C).

Komputery kompaktoweFirma CSI wprowadziła niedawno do oferty przemysłowy komputer kom-paktowy AEC-6625 firmy Aaeon z bezwentylatorowym dwurdzeniowym procesorem Intel P4500 1,86 GHz zin-

tegrowanym z chipsetem Intel QM57. Ten małych wymiarów, cichy i wysoce wydajny komputer pozwala na zamon-towanie wewnątrz obudowy 2 wyjmowa-nych kieszeni na dwa 2,5² dyski twarde SATA, co jest istotne przy zapewnieniu bezpieczeństwa danych i tworzeniu macierzy RAID.

Jedną z głównych zalet tego kompu-tera jest duża liczba wejść wideo. Do dyspozycji użytkownik ma złącza DVI-I, VGA i DP. Komputer obsługuje do 4 GB pamięci DDR3 SODIMM i posiada slot na karty Compact Flash. W celu za-pewnienia komunikacji z urządzeniami zewnętrznymi producent zamontował w tym kompakcie 2 porty Gigabit Ether-net, 6 portów USB 2.0 oraz 4 porty

COM. Możliwości funkcjonalne kompu-tera mogą zostać rozbudowane przez zastosowanie jednej karty PCI-104. Jednostka jest przystosowana do pra-cy w temperaturze z zakresu od –20 °C do +60 °C i jest zasilana prądem od 9 V DC do 30 V DC. AEC-6625 posia-da wsparcie dla systemów Windows XP Embedded, Windows XP i Windows 7.

Komputer doskonale sprawdza się w różnego rodzaju rozwiązaniach wi-deo. Do głównych obszarów jego zasto-sowania można zaliczyć systemy Digital Signage, wielkoformatowe wyświetlanie obrazów oraz telebimy. Dzięki zastoso-waniu wydajnego i szybkiego proceso-ra przy bardzo małym poborze mocy stosuje się go również w automatyce

Komputer kompaktowyMXC-6000 firmy Aaeon

Komputer kompaktowy MXE-1000 firmy Adlink

Komputer kompaktowyAEC -6625 firmy Aaeon

Fot.

Adv

ante

ch, iE

i Tec

hnol

ogy

Cor

p., A

dlin

k, A

aeon

24


Porównanie wybranych komputerów kompaktowych dostępnych na polskim rynku

Producent Aaeon Advantech Adlink Adlink AdlinkiEi Technology

Corp.Kontron Avalue

Dostawca Csi elmark automatykaGuru Control

systemsGuru Control

systemsGuru Control

systemsJm elektronik Kontron maritex

Typ arK-2120 uno-2184G-D45e matrix mXe-1005 matrix mXe-5301 matrix mXC-6101D tanK-800-D525 mpCX60 eps-Qm77

Procesorintel atom n2600

1,6 GHz lub D2550 1,86 GHz

intel Core i7-2655le 2,2 GHz

intel atom n270 1,6 GHz

intel Core i7-2710Qe (Quad-Core)


intel atom D525 1,8 GHz intel atom 2 ´ 1,8 GHz intel Core i7/ i5/ i3

Pamięć 4GB DDr3 soDimm 8 GB DDr3 1 GB DDr2 sDram 4 GB DDr3 sDram 2 GB DDr3 sDram1 GB DDr3 so-Dimm

(max. 2 GB)4 GB DDr3

do 8 GB DDr3 1333/ 1600 sDram

Dysk1 x sata 2,5” HDD,

1 x CFast ssD

1 ´ sata 2,5”, 1 ´ CFast, 1 ´ esatap

opcje: 8 GB ssD, 32 GB ssD lub 320 GB HDD



1 ´ 2,5’’ sata HDD/ssD, 1´ CF

Compact Flash, 2,5² sata ii HDD

2 ´ sata ii Dom 2 ´ sata iii 2,5² HDD/

ssD

Grafikazintegrowana, VGa, HDmi, lVDs, dual display, DirectX 9

wbudowana, intel HD Graphics

3000VGa VGa, DVi-i VGa, DVi-D

zintegrowana z procesorem

intel Gma 3150 zintegrowana, intel Qm77

Interfejsy

3x Gbe, 5x usB 2.0, 2x rs-232, 4x

rs-232/422/485, 1x mini pCie

DVi-i, Dp, HDmi, 4 ´

Gblan, 4 ´ Com

(2 ´ rs-232 oraz 2 ´ rs-232/422/485), 2 ´ mini pCie

slot na kartę sim

VGa, 1 ´ Gbe, 2 ´ rs-

232/422/485, 2 ´ rs-422,

4 ´ usB 2.0 i audio

VGa/DVi-i, 4 ´ Gbe,

2 ´ rs-232, 2 ´ rs-

232/422/485,4 ´ usB 2.0,


VGa/DVi-D, 2´Gbe, 2 ´ rs-

232/422/485, 2 ´ rs-422,

5 ´ usB 2.0, audio, złącza rozszerzające

2 ´ pCi oraz 16 izolowanych wejść

i 16 izolowanych wyjść cyfrowych

4 ´ usB 2.02 ´ Gbe

4 ´ rs-232: 4 ´ DB-92 ´ rs-422/485:

2 ´ rJ-451 ´ VGa

audio: 1 ´ mic-in, 1 ´ line-out

1 ´ DiopCiepCi

4 ´ (rs-232C / rs-422 / rs-485), 1 ´

V2.0 front, 4 ´ V2.0 back,

4 ´ digital in,4 ´ digital out, 2 ´ analog in,

2 ´ pwm, audio, 10/100/1000 lan,

Can

4 ´ rs-232, 4 ´ rs-232/422/485, 2

´ Gigalan, 1 ´ Crt, 1 ´ HDmi,

2 ´ Displayport, 8 ´ usB,

8 ´ Dio, 2 ´ pCi, 2 ´ mini pCie

System operacyjny

windows 7, windows 7 embedded, Xp professional, Xp

embedded, winCe 7.0, linux ubuntu

windows Xp/7, wes2009, wes7,

linux

windows Ce 6.0 / Xp / Xp embedded /

7, linux

windows Xp / Xp embedded / 7, linux


linux, windows Ce 6.0, windows Xp embedded,

windows embeded standard 7

windows 8, windows 7, windows Vista,

windows Xp, windows embedded standard 7

(wes7), linux

windows / linux

Zakres temperatur -20 ~ 60° C -10 ... 60 °C

0 ... +50 °C (opcjonalnie -20 ...

+70 °C)

0 ... +50 °C (opcjonalnie -20 ...

+60 °C)

0...+50 °C (opcjonalnie -10 ...

C60 °C)-20...+70 °C -25 ... +70 °C -10 ... 60 °C

Chłodzenie pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne

Stopień ochrony ip40 ip40 B/d B/d B/d B/d ip65 ip40

innewbudowany slot pod kartę sim

mil-stD-810F 514.sC-2, zasilanie 9...36 V DC, możliwość rozbudowy

o 3´pCi/pCie

zasilanie 15...26 V DC


budynków, kioskach multimedialnych oraz w aplikacjach mobilnych.

Komputery paneloweCSI Computer Systems for Industry pre-zentuje stworzony specjalnie do aplikacji pracujących w przemyśle spożywczym komputer panelowy AFP-6152 firmy Aaeon.

Cała obudowa komputera została wykonana ze stali nierdzewnej 316L i zapewnia stopień ochrony przed ku-rzem i wilgocią na poziomie IP66 na całej powierzchni. Producent zastoso-wał tutaj całkowicie bezwentylatorowe rozwiązanie i wyposażył panel w dwur-dzeniowy, wysokowydajny procesor In-tel Atom D525 z taktowaniem zegara 1,8 GHz.

AFP-6152 posiada 15² ekran do-tykowy TFT LCD z podświetleniem LED o maksymalnej rozdzielczości 1024´768 i jasności 400 nitów. Twar-da (7H) powłoka szkła zapewnia sku-teczną ochronę przed zarysowaniami.

Komputer obsługuje do 4 GB pamię-ci DDR3 SODIMM. Wewnątrz obudo-wy znajduje się miejsce na 2,5² dysk twardy z interfejsem SATA lub slot na kartę Compact Flash. AFP-6152 posia-da zintegrowany z procesorem kontro-ler grafiki LCD/CRT. Dodatkową zaletą panelu są zamontowane wodoodporne i pyłoodporne złącza M12 dla wszyst-kich portów We/Wy, takich jak: 2 porty USB 2.0, 1 port RS-232 i 1 konfigu-rowalny jako RS-232/422/485 oraz 1 port Gigabit Ethernet. Istnieje też możli-wość rozszerzenia funkcjonalności kom-putera o 1 kartę PCIe.

AFP-6152 jest przystosowany do pracy w szerokim zakresie temperatu-ry od –20 °C do +50 °C i zasilany jest

napięciem od 9 V DC do 30 V DC. Po-nadto zastosowano ochronę przed zbyt niskim i zbyt wysokim napięciem za-silania oraz przypadkowym podłącze-niem biegunów. Producent zapewnia wsparcie dla systemów Windows XP, Windows 7 oraz Linux Fedora. Stan-dard mocowania to VESA 75/100.

Komputer panelowy AFP-6152 prze-znaczony jest do użytku w wielu wyma-gających przemysłowych aplikacjach wewnętrznych i zewnętrznych. Wysoka odporność na czynniki środowiskowe predestynuje go do montażu w halach produkcyjnych, a obudowa ze stali nie-rdzewnej pozwala na czyszczenie sil-nymi środkami żrącymi. Dzięki temu komputer może być wykorzystywany w przemyśle spożywczym, chemicznym

i farmaceutycznym. W ofercie dostęp-ny jest również model z 12,1² ekranem: AFP-6123.

Komputer panelowy w obudowie ze stali nierdzewnej 316L - IPPC-8151S Advantech posiada wbudowany proce-sor Intel Celeron M 1,06 GHz (1 MB L2 cache). Zastosowana jednostka central-na należy do tzw. energooszczędnej ro-dziny procesorów, co objawia się bardzo małymi stratami cieplnymi procesora. W przypadku komputera IPPC-8151S pozwoliło to na zastosowanie pasywne-go chłodzenia. Komputer posiada 2 sloty na pamięci SODDR2, przy czym maksy-malna pojemność pamięci RAM wynosi 4 GB. Pod względem dostępnych inter-fejsów We/Wy prezentuje się naprawdę dobrze:

jeden slot na połówkową kartę PCI,• miejsce na dysk 2,5 (SATA) oraz • przemysłową kartę Compact Flash,VGA, 2• ´GbLAN, 4´USB 2.0, 3´RS-232, 2´PS2, LPT oraz audio.

Porównanie wybranych komputerów kompaktowych dostępnych na polskim rynku

Producent Aaeon Advantech Adlink Adlink AdlinkiEi Technology

Corp.Kontron Avalue

Dostawca Csi elmark automatykaGuru Control

systemsGuru Control

systemsGuru Control

systemsJm elektronik Kontron maritex

Typ arK-2120 uno-2184G-D45e matrix mXe-1005 matrix mXe-5301 matrix mXC-6101D tanK-800-D525 mpCX60 eps-Qm77

Procesorintel atom n2600

1,6 GHz lub D2550 1,86 GHz


intel atom n270 1,6 GHz

intel Core i7-2710Qe (Quad-Core)


intel atom D525 1,8 GHz intel atom 2 ´ 1,8 GHz intel Core i7/ i5/ i3

Pamięć 4GB DDr3 soDimm 8 GB DDr3 1 GB DDr2 sDram 4 GB DDr3 sDram 2 GB DDr3 sDram1 GB DDr3 so-Dimm

(max. 2 GB)4 GB DDr3

do 8 GB DDr3 1333/ 1600 sDram

Dysk1 x sata 2,5” HDD,

1 x CFast ssD

1 ´ sata 2,5”, 1 ´ CFast, 1 ´ esatap




1 ´ 2,5’’ sata HDD/ssD, 1´ CF

Compact Flash, 2,5² sata ii HDD

2 ´ sata ii Dom 2 ´ sata iii 2,5² HDD/

ssD

Grafikazintegrowana, VGa, HDmi, lVDs, dual display, DirectX 9

wbudowana, intel HD Graphics

3000VGa VGa, DVi-i VGa, DVi-D

zintegrowana z procesorem

intel Gma 3150 zintegrowana, intel Qm77

Interfejsy

3x Gbe, 5x usB 2.0, 2x rs-232, 4x

rs-232/422/485, 1x mini pCie

DVi-i, Dp, HDmi, 4 ´

Gblan, 4 ´ Com

(2 ´ rs-232 oraz 2 ´ rs-232/422/485), 2 ´ mini pCie

slot na kartę sim

VGa, 1 ´ Gbe, 2 ´ rs-

232/422/485, 2 ´ rs-422,


VGa/DVi-i, 4 ´ Gbe,

2 ´ rs-232, 2 ´ rs-

232/422/485,4 ´ usB 2.0,


VGa/DVi-D, 2´Gbe, 2 ´ rs-

232/422/485, 2 ´ rs-422,

5 ´ usB 2.0, audio, złącza rozszerzające

2 ´ pCi oraz 16 izolowanych wejść

i 16 izolowanych wyjść cyfrowych

4 ´ usB 2.02 ´ Gbe

4 ´ rs-232: 4 ´ DB-92 ´ rs-422/485:

2 ´ rJ-451 ´ VGa

audio: 1 ´ mic-in, 1 ´ line-out

1 ´ DiopCiepCi

4 ´ (rs-232C / rs-422 / rs-485), 1 ´

V2.0 front, 4 ´ V2.0 back,

4 ´ digital in,4 ´ digital out, 2 ´ analog in,

2 ´ pwm, audio, 10/100/1000 lan,

Can

4 ´ rs-232, 4 ´ rs-232/422/485, 2

´ Gigalan, 1 ´ Crt, 1 ´ HDmi,

2 ´ Displayport, 8 ´ usB,

8 ´ Dio, 2 ´ pCi, 2 ´ mini pCie

System operacyjny

windows 7, windows 7 embedded, Xp professional, Xp

embedded, winCe 7.0, linux ubuntu

windows Xp/7, wes2009, wes7,

linux

windows Ce 6.0 / Xp / Xp embedded /

7, linux





windows 8, windows 7, windows Vista,

windows Xp, windows embedded standard 7

(wes7), linux

windows / linux

Zakres temperatur -20 ~ 60° C -10 ... 60 °C

0 ... +50 °C (opcjonalnie -20 ...

+70 °C)

0 ... +50 °C (opcjonalnie -20 ...

+60 °C)

0...+50 °C (opcjonalnie -10 ...

C60 °C)-20...+70 °C -25 ... +70 °C -10 ... 60 °C

Chłodzenie pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne

Stopień ochrony ip40 ip40 B/d B/d B/d B/d ip65 ip40

innewbudowany slot pod kartę sim

mil-stD-810F 514.sC-2, zasilanie 9...36 V DC, możliwość rozbudowy

o 3´pCi/pCie

zasilanie 15...26 V DC

Komputer panelowy V Panel Express firmy Kontron

Fot.

Kon

tron

26


Panel frontowy komputera wykona-ny został z wysokiej jakości stali nie-rdzewnej i przy poprawnym zamon-towaniu ma stopień ochrony przed pyłem i wodą IP66/NEMA4x. Dużą za-letą IPPC-8151S są akcesoria dodat-kowe (również wykonane ze stali nie-rdzewnej 316L) dedykowane do tego komputera. Dzięki nim można zbudo-wać obudowę mającą klasę szczelno-ści IP66. Wysokiej jakości obudowa ze

stali 316L oraz wysoki IP sprawiają, że IPPC-8151S bardzo dobrze sprawdza się w przemyśle spożywczym (a szcze-gólnie mięsnym), farmaceutycznym, chemicznym i w podobnych zastoso-waniach.

Komputer panelowy PPC-L158T produkowany przez firmę Advantech wyposażony w 15² ekran TFT LCD o rozdzielczości 1024´768 i jasności 350 cd/m2. Model może być również

wyposażony w pięcioprzewodowy re-zystancyjny ekran dotykowy z interfej-sem RS-232. Komputer posiada wbu-dowany dwurdzeniowy procesor Intel Atom D525 o częstotliwości taktowania 1,8 GHz, charakteryzujący się niskim poborem mocy. PPC-L158T wyróżnia się zastosowaniem 2 gniazd pamięci DDR3 SODIMM obsługujących do 2 GB każdy. Kontroler został też bogato wy-posażony w interfejsy We/Wy, głównie

Porównanie wybranych komputerów panelowych dostępnych na polskim rynku

Producent Aaeon Advantech iEi Technology Kontron Axiomtek iEi Technology Corp.

Dostawca Csi elmark automatyka Jm elektronik Kontron maritex Guru Control systems

Typ aFp-6152 ippC-8151s-r0ae upC-V312-D525 V panel express Got-815ppC-5170a-

r11/9455-e2160/a622a/t-r/1 GB

Procesor intel atom D525 Cpu, 1,8 GHz

intel Celeron m 1,066 Hz

intel atom D525 1,8 GHz intel Core i7-2655 intel atom n270

intel pentium Dual Core e2160

1,8 GHz

Pamięć 4 GB DDr# soDimm

DDr2 soDimm, do 4 GB

1 GB DDr3 so-Dimm do 8 GB DDr3 do 2 GB DDr2 1 GB DDr2 sDram

Dysk sata 2,5²/Compact Flash

sata 2,5²/ CompactFlash

CF, 1 ´ mini Dom

sata / Compact Flash

sata 2,5²/ CF sata ii 2,5²

Grafika zintegrowana zintegrowana zintegrowana z procesorem

zintegrowana z chipsetem

zintegrowana, intel 945Gse VGa 1280 x 1024

Interfejsy

2 ´ usB 2.0, 1 ´ rs-232,

1 ´ rs-232/422 /485,

1 ´ Gblan, wszystkie m12

VGa, 1´Gblan, 4´usB 2.0,

3´rs232, lpt, 1´pCi

1 ´ rs-422/485 1 ´ rs-232 1 ´ Can-bus 1 ´ Gbe lan 4 ´ usB 2.0

audio jack (line out, miC)1 ´ VGa

Gps (opcja)3,5 G (opcja)

5 ´ usB (1 ´ front, 4 ´ rear side),

1 ´ lan 10/100, 1 ´ lan

100/1000, 2 ´ rs-232, 1´ DVi-i

2 ´ rs-232, 1 ´ rs-232/422/485, 4

´ usB, 1 ´ Gigalan,

1 x VGa, 1 x ps/2, 1 ´ pCie,

zasilanie 24 V DC

VGa, 2 ´ Gbe, 4 ´ rs-232,

1 ´ rs-232/422/485, 4 ´

usB 2.0 i audio

System operacyjny

window Xp, window 7, linux Fedora

windows Xp, wes2009



windows 7, windows Xp, wes 7, linux (embedded)

windows/linuxwindows/linux

(instalowany przez użytkownika)

Zakres temperatury -20 ... 55 °C 0 ... 50 °C -20 ... 60 °C 0 ... +50 °C -20 ... +60 °C -10 ... +50 °C

Chłodzenie pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne aktywne

Stopień ochrony

ip66/nema4X (na całej obudowie), obudowa ze stali kwasoodpornej

316l

ip66/nema4X ip65 ip65 front

cała obudowa wykonana w klasie szczelności ip66, ze

stali nierdzewnej

przedni panel ip65

inne

ekran dot. o twardości 7H, wodo-

i pyłoszczelne złącza m12

z opcjonalną obudową wykonaną ze stali nierdzewnej

316l

czujnik natężenia światła, kamera, 10

prog. przycisków, opcjonalna karta akwizycji audio/

wideo

opcjonalnie -20 ... +60 °C

ekran dotykowy 17”; dopuszczalne wibracje w czasie

pracy: od 5 do 17 Hz,

Fot.

iEi T

echn

olog

y C

orp.


Porównanie wybranych komputerów panelowych dostępnych na polskim rynku

Producent Aaeon Advantech iEi Technology Kontron Axiomtek iEi Technology Corp.

Dostawca Csi elmark automatyka Jm elektronik Kontron maritex Guru Control systems

Typ aFp-6152 ippC-8151s-r0ae upC-V312-D525 V panel express Got-815ppC-5170a-

r11/9455-e2160/a622a/t-r/1 GB

Procesor intel atom D525 Cpu, 1,8 GHz

intel Celeron m 1,066 Hz

intel atom D525 1,8 GHz intel Core i7-2655 intel atom n270

intel pentium Dual Core e2160

1,8 GHz

Pamięć 4 GB DDr# soDimm


1 GB DDr3 so-Dimm do 8 GB DDr3 do 2 GB DDr2 1 GB DDr2 sDram

Dysk sata 2,5²/Compact Flash

sata 2,5²/ CompactFlash

CF, 1 ´ mini Dom

sata / Compact Flash

sata 2,5²/ CF sata ii 2,5²

Grafika zintegrowana zintegrowana zintegrowana z procesorem

zintegrowana z chipsetem

zintegrowana, intel 945Gse VGa 1280 x 1024

Interfejsy

2 ´ usB 2.0, 1 ´ rs-232,

1 ´ rs-232/422 /485,

1 ´ Gblan, wszystkie m12

VGa, 1´Gblan, 4´usB 2.0,

3´rs232, lpt, 1´pCi

1 ´ rs-422/485 1 ´ rs-232 1 ´ Can-bus 1 ´ Gbe lan 4 ´ usB 2.0

audio jack (line out, miC)1 ´ VGa

Gps (opcja)3,5 G (opcja)

5 ´ usB (1 ´ front, 4 ´ rear side),

1 ´ lan 10/100, 1 ´ lan

100/1000, 2 ´ rs-232, 1´ DVi-i

2 ´ rs-232, 1 ´ rs-232/422/485, 4

´ usB, 1 ´ Gigalan,

1 x VGa, 1 x ps/2, 1 ´ pCie,

zasilanie 24 V DC

VGa, 2 ´ Gbe, 4 ´ rs-232,

1 ´ rs-232/422/485, 4 ´

usB 2.0 i audio

System operacyjny

window Xp, window 7, linux Fedora

windows Xp, wes2009



windows 7, windows Xp, wes 7, linux (embedded)

windows/linuxwindows/linux

(instalowany przez użytkownika)

Zakres temperatury -20 ... 55 °C 0 ... 50 °C -20 ... 60 °C 0 ... +50 °C -20 ... +60 °C -10 ... +50 °C

Chłodzenie pasywne pasywne pasywne pasywne pasywne aktywne

Stopień ochrony

ip66/nema4X (na całej obudowie), obudowa ze stali kwasoodpornej

316l

ip66/nema4X ip65 ip65 front

cała obudowa wykonana w klasie szczelności ip66, ze

stali nierdzewnej

przedni panel ip65

inne

ekran dot. o twardości 7H, wodo-

i pyłoszczelne złącza m12

z opcjonalną obudową wykonaną ze stali nierdzewnej

316l

czujnik natężenia światła, kamera, 10

prog. przycisków, opcjonalna karta akwizycji audio/

wideo

opcjonalnie -20 ... +60 °C

ekran dotykowy 17”; dopuszczalne wibracje w czasie

pracy: od 5 do 17 Hz,

w 2 porty Ethernet 10/100/1000 Mpbs i 4 porty COM, w tym 2´RS-232, 1´konfigurowalny w BIOS-ie jako RS-232/422/485 z funkcją Auto-flow con-trol i 1´RS-232 z możliwością zamia-ny przez złącze pinowe na 8-kanałowy GPIO. Ponadto komputer wyposażony został w wyjście wideo D-Sub VGA, 4 interfejsy USB 2.0, interfejsy Mic-in/Line-out, PS/2 pod klawiaturę i mysz oraz speaker. Jest też opcja zastosowa-nia dwóch portów IEEE 1394. Jednost-kę można również łatwo rozbudować poprzez instalację kart w wolne złącze PCI lub PCIe oraz mini PCIe.

W środku obudowy wygospodarowa-ne zostało miejsce na 2,5² dysk z inter-fejsem SATA oraz gniazdo na karty CFast TM. Użytkownik ma również możliwość zamontowania napędu DVD-RW. Przód panelu, mający stopnień ochrony IP65, został zaprojektowany w taki sposób, aby ułatwić jego czyszczenie oraz szyb-sze spływanie cieczy. Komputer ten może być zasilany prądem zmiennym z zakresu od 100 V AC do 240 V AC o częstotliwości 50/60 Hz lub prądem stałym od 15 V DC do 24 V DC. Jed-nostka współpracuje z systemami Win-dows XPe/XP Pro, Vista, Windows 7 i WES 7.

PPC-L158T poprzez zastosowanie bardzo wydajnego procesora znajdzie zastosowanie w takich aplikacjach przemysłowych jak: systemy sterowa-nia i wizualizacji. Jest dedykowany do zastosowań multimedialnych, do mon-tażu w infokioskach oraz wszędzie tam, gdzie moc obliczeniowa jest jednym z priorytetów.

Komputer panelowy bezwentylato-rowy UPC-V312-D525 firmy iEi Tech-nology o dużej odporności na czynniki środowiskowe.

Zdecydowana większość przemysło-wych komputerów panelowych pracu-je stacjonarnie, wewnątrz budynków, a panujące tam warunki są raczej nie-zmienne, a w każdym razie w dużym za-kresie przewidywalne. Praca w zmien-nych warunkach otoczenia, aplikacjach mobilnych, narażających urządzenie na wstrząsy, a także częściowy wpływ wa-runków atmosferycznych wymagają za-stosowania systemów komputerowych o specjalnej konstrukcji.

Nowy komputer panelowy UPC-V312-D525 produkcji iEi Technology powstał z myślą o zastosowaniu w apli-kacjach narażonych na niekorzystne czynniki środowiskowe. Podstawową cechą tego rozwiązania jest całkowita

szczelność – nowy komputer UPC ma stopień ochrony IP65, co czyni go od-pornym na działanie strumienia wody padającej z dowolnego kierunku oraz całkowicie pyłoszczelnym. Bardzo szeroki zakres temperatury pracy od –20 °C do +60 °C przy wilgotności po-wietrza od 5 % do 90 % oraz odpor-ność na wstrząsy o sile do 3G i wibracje (MIL-STD-810F 514.5C-2) pozwalają na pracę urządzenia w różnego typu pojazdach, w tym jako terminal wózka widłowego. 12-calowa matryca pod-świetlana diodami LED osiąga jasność 600 cd/m2 – ułatwia to odczytywanie informacji w warunkach intensywnego oświetlenia. Zaimplementowany czuj-nik natężenia światła umożliwia auto-matyczne dostosowywanie jasności ob-razu do panujących warunków.

Obudowa komputera wykonana z aluminium jest lekka, a jednocześnie odporna mechanicznie. Z przodu obu-dowy producent umieścił 10 programo-walnych przycisków funkcyjnych, a pod nimi podświetlane diodami LED wskaź-niki stanu pracy, co znacznie zwiększa funkcjonalność urządzenia.

Wewnątrz bezwentylatorowej kon-strukcji pracuje dwurdzeniowy proce-sor Intel Atom D525 taktowany z czę-stotliwością 1,8 GHz oraz towarzyszący mu chipset Intel ICH8M. System wypo-sażony jest w zainstalowany na płycie moduł 1 GB RAM DDR3. Do dyspozy-cji użytkownika oddano szereg niezbęd-nych interfejsów, z których wymienić można RS-232, RS-422/485, RJ-45, VGA czy 4´USB. Jest także izolowa-na magistrala CAN, niezwykle istotna w aplikacjach samochodowych. Za przewodową komunikację sieciową od-powiada kontroler Realtek RTL8111E PCIe GbE z funkcją ASF2.0. Bardziej rozbudowane są możliwości komuni-kacji bezprzewodowej. Prócz standar-dowego dwuzakresowego modułu IEEE

802.11a/b/g/n 3´3 MIMO opcjonalnie można rozbudować komputer o mo-duł Bluetooth, GPS oraz modem GSM 3.75G HSUPA, a także czytnik RFID (EM lub Mifire). Dostępna jest także wbudowana kamera internetowa o roz-dzielczości 1,3 Mpx oraz mikrofon. Komputer opcjonalnie można wyposa-żyć w 4-kanałową kartę przechwytują-cą materiał audio/video. Opcja ta jest bardzo praktyczna w przypadku, gdy istnieje konieczność monitorowania strefy dookoła pojazdu czy maszyny budowlanej.

Z racji zachowania odporności na wstrząsy w komputerze UPC-V312-D525 nie ma możliwości instalacji mechanicznego dysku twardego 2,5² – system może być osadzony na prze-mysłowej karcie CFast lub opcjonalnym

module mini DOM. Na obudowie kom-putera można znaleźć również przełącz-nik trybu zasilania AT/ATX – umożliwia on start systemu w momencie pojawie-nia się napięcia zasilania. Sam system zasilania jest redundantny i może czer-pać energię z dołączonego do zestawu zasilacza sieciowego o napięciu wyj-ściowym 19 V lub innego źródła na-pięcia stałego od 9 V do 36 V. Takie rozwiązanie pomaga uniknąć niepożą-danego wyłączenia komputera.

Firma Maritex, autoryzowany dystry-butor Avalue Technology, oferuje serię komputerów panelowych o symbo-lu SPC, wykonaną z stali nierdzewnej i posiadającą stopień ochrony IP65.

Seria SPC przeznaczona jest do za-stosowań w środowiskach pracy wyma-gających używania komputerów odpor-nych na zapylenie i wodę. Urządzenia posiadają ekrany o przekątnych 15’’, 17’’ i 22’’, są wyposażone w procesor Intel Atom D525 1,8 GHz wraz z chip-setem ICH8-M. Zapewniają one wysoką wydajność, niski pobór prądu, nieza-wodność oraz są trwałe.

Komputer jednopłytkowy WAFER-CV firmy iEi Technology Corp.

Fot.

iEi T

echn

olog

y C

orp.

28


Porównanie wybranych komputerów jednopłytkowych dostępnych na polskim rynku

Producent Advantech Advantech iEi Technology Corp. Kontron Axiomtek Adlink Axiomtek

Dostawca Csi elmark automatyka Jm elektronik Kontron maritex Guru Control

systemsGuru Control

systems

Typ pCm-3362 mio-2261n-s8a1e

waFer-CV-D25501 Come-bip# Capa830

Cool Xpressrunner-

Gs45 Capa830VHGGa

Procesor intel atom n450 1,66 GHz

intel atom Dual Core n2800 1,86 GHz

intel atom D2550 1,86 GHz

intel Core i7-3615Qe

(4 ´ 2,3 GHz)

intel atom D2550 1,86 GHz /

n2800 1,86 GHz

intel Core 2 Duo sp9300 2,2 GHz

intel atom D2550 1,86 GHz

Pamięć

ram: DDr2 667 sDram do 2 GB, pamięć

flash 2 GB (opcjonalnie

4 GB)


1 ´ 1066mHz DDr3 so-Dimm,

max. 4 GB

2 ´ 8 GB DDr3 (1333/1600 mHz)

do 4 GB ram DDr3

2 GB DDr3 sDram do 4 GB DDr3

Dysk sata ii, do 3.0 GB/s sata, msata msata ssD 2´ sata

6 Gb/s, sata, 1´ CFast dowolny sata ii

Grafikazintegrowana, intel Gen 3.5, DX9, mpeG2

wbudowana Gma 3650

intel Gma HD 4000 iGFX, triple

independent Display, support for Bluray 2.0,

aVC/H.264, VC1, wmV9

zintegrowana, intel nm10 VGa/lVDs VGa/HDmi/lVDs

Interfejsy

4 ´ usB 2.0, 2 ´ rs-323,

1 ´ rs-232/422/485, 1

´ Gpio, 1 ´ pC/104-plus, Gblan,

lVDs, VGa

VGa, 18/24-bit lVDs, 1 ´

Gblan, 2 ´ usB 2.0, 2 ´ rs-232,

mini pCie, mioe

1 ´ rs-422/485 1 ´ ps/2 KB/ms

3 ´ rs-232 2 ´ sata

6 ´ usB 2.02 ´ Gbe

8-bit digital we/wy

audio2 ´ msata

2 ´ 24-bit lVDs1 ´ VGa

4 ´ usB 3.0, 4 ´ usB 2.0,

7 pCie´ 1, 1 peG´ 16,

1´ lan 10/100/1000

mbit, HD audio,

6 ´ usB, 6 ´ Com (3xrs-485),

2 ´ Gigalan, 2 x karta mini

pCi, 1 x slot na kartę sim, 8 ´ Dio, 1 ´ VGa, 1 ´

HDmi, 1 ´ lVDs, zasilanie 12 V DC

VGa/lVDs, 1 ´ Gbe,

2 ´ rs-232/485, 8 ´ usB 2.0,

2 ´ sata i HD-audio

VGa/HDmi/lVDs, 2 ´ Gbe,

2 ´ rs-232, 6 ´ usB 2.0 i HD-audio

System operacyjny

windows Ce 6.0, windows Xp embedded ,

wes 7, linux, QnX, Vxworks

windows 7 32-bit, wes7

windows Xp, Vista 7, Vista 8, linux, systemy „embedded”

w przygotowaniu

windows 8, windows 7,

windows Vista, windows Xp,

windows embedded

standard 7 (wes 7), linux, Vxworks

windows/linux windows, linux

windows, linux (instalowany

przez użytkownika)

Zakres temperatury -40 ... 85 °C 0 ... 60 °C -20 ... 60 °C

operation: 0 ... 60 °C,

storage: -30 ... 85 °C

-20 ... +70 °C

0 ... +60 °C (opcjonalnie

-20 ... +60 °C lub

-40 ... +85 °C)

-20 ... +70 °C

Chłodzenie pasywne pasywne pasywne pasywne (heatpipe)

wentylatorowe (D2550) lub

pasywne (n2800)aktywne aktywne

Inne jednopłytkowy 3,5²

jednopłytkowy 3,5²


jednopłytkowy pCie 104


Fot.

Adl

ink,

Adv

ante

ch


Komputery jednopłytkowe W ofercie iEi Technology w kategorii jednopłytkowych komputerów prze-mysłowych standardu 3,5² pojawił się nowy model – WAFER-CV. Standardowe modele wyposażone są w procesory Intel Atom drugiej generacji – desktopowy D2550 1,86 GHz Dual Core i mobilny N2600 1,6 GHz Dual Core. Na życzenie klienta jest możliwość instalacji opcjo-nalnego procesora N2800 1,86 GHz Dual Core.

Procesor współpracuje z chipsetem Intel NM10 oraz 4 GB pamięcią RAM DDR3 (N2600 tylko 2 GB DDR3). Komputery z procesorami D2550 i N2800 wyposażone są w układ gra-ficzny GMA 3650, taktowany z prędko-ścią 640 MHz, natomiast dla N2600 jest to GMA 3600, taktowany z pręd-kością 400 MHz. Unikalnej konstrukcji radiator umożliwia dodatkowe odpro-wadzenie ciepła w przypadku kontaktu z obudową urządzenia docelowego.

Tak wysoka wydajność graficzna po-zwala na obsługę 2 niezależnych ekra-nów. Poza podstawowymi wyjściami VGA do dyspozycji są 2 interfejsy LVDS. Kontrolery Ethernetu i audio to układy Realtek: RTL8111E oraz ALC662.

Do dyspozycji użytkownika odda-no najistotniejsze interfejsy – 6ÚSB 2.0, 3´RS-232, RS-422/485, 2´SA-TA 3 Gbps PS 2 KB/MS oraz 8 wypro-wadzeń GPIO (4 wejścia, 4 wyjścia). Dodatkowe możliwości rozbudowania funkcjonalności komputera WAFER dają 2 sloty mini PCIe.

Komputer zasilany jest napięciem 12 V DC. Ponadto może pracować w tem-peraturze o bardzo szerokim zakresie, który dla procesorów N2600 i N2800 wynosi od –20 °C do +70 °C, a dla D2550 od –20 °C do +60 °C.

CAPA830VHGGA to komputer jednopłytkowy 3,5-calowy z proce-sorem Intel Atom D2550 1,86 GHz,

oferowany przez firmę Guru Control Systems. Komputer wyposażono w in-terfejsy VGA/HDMI/LVDS, 2´GbE, 2´RS-232, 6ÚSB 2.0 i HD-audio. Temperatura pracy wynosi od –20 °C do +70 °C.

W ofercie Guru znajduje się rów-nież komputer jednopłytkowy Cool XpressRunner-GS45: PCIe-104 z pro-cesorem Intel Core 2 Duo SP9300

2,2 GHz, 2 GB DDR3 RAM oraz in-terfejsami VGA/LVDS, 1´GbE, 2´RS-232/485, 8ÚSB 2.0, 2´SATA i HD-audio. Temperatura pracy od 0 °C do +60 °C (opcjonalnie –20 °C do +60 °C lub –40 °C do +85 °C).

Jednopłytkowy komputer MIO-2261 firmy Advantech, znajdujący się w ofer-cie firmy Elmark Automatyka, wyposa-żony jest w dwurdzeniowy procesor z ro-dziny Intel Atom. W zależności od wersji płytki jest to Atom N2600 1,6 GHz lub N2800 1,86 GHz. Niezależnie od wy-korzystanego procesora MIO-2261 do pracy nie wymaga aktywnego chłodze-nia. Maksymalna ilość pamięci opera-cyjnej (1 slot SODDR3), w jaką może zostać wyposażony komputer, wynosi 4 GB. Połączenie dwurdzeniowej jed-nostki obliczeniowej oraz maksymalnie 4 GB pamięci RAM dostarcza moc ob-liczeniową wystarczającą do większości aplikacji typu embedded.

Mimo bardzo małych wymiarów MIO-2261 wyposażony jest w wszystkie najważniejsze porty: Gigabit Ethernet, USB 2.0, wysokiej jakości audio oraz 2 porty RS-232. Istotną zaletą płytek MIO-22XX w porównaniu do modułów PC/104 jest to, że część z dostępnych portów ma gniazda wyprowadzone bez-pośrednio na PCB. W przypadku MIO-2261 jest to GbLAN, VGA oraz 2ÚSB. Rozwiązanie to znacznie upraszcza in-tegrację i serwisowanie płytek.

System operacyjny może zostać za-instalowany na dysku twardym wypo-sażonym w interfejs SATA lub na dysku

SSD w postaci karty mini PCIe z inter-fejsem mSATA.

Wbrew pozorom MIO-2261 daje duże możliwości rozbudowy. Użytkow-nik ma dostępne 2 wolne sloty na karty mini PCIe (w tym jeden na karty po-łówkowe). Największe możliwości daje jednak złącze MIOe, dzięki któremu płytka może być rozbudowana o dodat-kowe moduły/karty rozszerzeń. Aktual-

nie w ofercie firmy Advantech dostępne są następujące moduły MIOe:

MIOe-210: 4• ´RS-232/422/485, 2´RS-422/485 oraz 8-bit GPIOMIOe-220: 3• Íntel GbLANMIOe-230: wyjście LVDS lub DP.• Dzięki temu, że złącze MIOe do ko-

munikacji z kartami rozszerzeń wyko-rzystuje interfejs USB 2.0 oraz PCIe´1, budowa własnej karty, np. wyposażonej w dedykowane interfejsy komunikacyj-ne, nie jest trudna. To z kolei znacznie skraca czas wprowadzenia produktu na rynek. Oczywiście producent nie zapo-mniał o wyposażeniu MIO-2261 w pro-gramowalny watchdog timer.

PodsumowanieW sprzedaży pojawia się sprzęt coraz nowszej generacji. Producenci zwra-cają uwagę na zastosowanie nowocze-snych matryc, lekkich i bezpiecznych obudów, odporność na temperaturę w dużym zakresie, możliwość rozbu-dowania sprzętu i wysoką wydajność procesorów. Klienci oczekują kompu-terów przemysłowych coraz wyższej jakości, by w przyszłości zredukować koszty napraw i uniknąć awarii. Kon-sekwentnie są więc wprowadzane na rynek ekologiczne rozwiązania, mające jak najmniejszy pobór mocy, z obudo-wami, w których zredukowano zastoso-wanie metali ciężkich.

Anna Mielczyńska PAR

Komputer jednopłytkowy MIO-2261N firmy Advantech

Komputer jednopłytkowyCoolXpressRunner firmy AdlinkFot.

Adl

ink,

Adv

ante

ch

30


Pomimo że coraz częściej stosowane są komputery przemysłowe (IPC), to wciąż do automatyzacji większości procesów wykorzystywane są sterowniki PLC. War-to więc poznać najważniejsze cechy tych urządzeń, tak aby wybrać najlepsze roz-wiązanie do automatyzowanej instalacji.

Sterowniki PLCPodstawowy podział sterowników wy-nika z liczby obsługiwanych przez nie sygnałów I/O. Obecnie największym ob-szarem zastosowań PLC są układy mikro (33–128 I/O) i średniej wielkości (129–512 I/O).

Najprostsze sterowniki kompaktowe składają się z jednostki sterującej CPU ze zintegrowanymi wejściami i wyjścia-mi. W przypadku gdy wymagana jest częsta modyfikacja instalacji, lepiej sto-sować sterowniki modułowe, składające się z niezależnie funkcjonujących mo-dułów CPU, I/O oraz komunikacyjnych. Ponadto do wybranych zastosowań, np.

sterowania ruchem lub systemów bez-pieczeństwa, wykorzystuje się moduły realizujące specjalne funkcje. Budowa modułowa i zastosowanie do komuni-kacji sieci przemysłowych pozwala na pracę w układzie rozproszonym. Takie układy działają niezależnie od siebie lub kontaktują się ze swoją nadrzędną jed-nostką sterującą.

Coraz częściej sterownik PLC obsługi-wany jest z wykorzystaniem oddzielnego panelu HMI, który służy do wyświetlania i wprowadzania informacji, wizualizacji stanu procesów technologicznych oraz kontroli automatyzowanych procesów.

Sterowniki programuje się, stosu-jąc standardowe rodzaje języków pro-gramowania definiowane w normie IEC 61131-3 (LD, FBD, ST, IL oraz SFC). Dochodzą też języki dedykowane dla poszczególnych sterowników. Za-zwyczaj zaprogramowanie PLC wymaga zewnętrznego, niezależnego programa-tora – komputera PC z zainstalowanym odpowiednim środowiskiem programi-stycznym. Obecnie dąży się do integracji wszystkich pakietów programowych – programowania PLC, projektowania HMI oraz obsługi innych elementów (np. napę-dów) – w jednej aplikacji. Dobrym przy-kładem jest tu system TwinCAT, obecnie dostępny w nowej wersji 3.0, który po-zwala na obsługę w zasadzie wszystkich urządzeń automatyki, sterowania, komu-nikacji i wizualizacji firmy Beckhoff.

Do komunikacji pomiędzy modułami lub z komputerem nadrzędnym wyko-rzystywane są popularne protokoły prze-mysłowe. W przypadku urządzeń firmy Beckhoff są to m.in.: EtherCAT, Lightbus,

Profibus DP/MC, Interbus, CANopen, De-viceNet, Sercos, Ethernet. Możliwa jest też komunikacja bezprzewodowa. Ponad-to w nowych sterownikach zintegrowa-ne mogą być wybrane interfejsy RJ-45, USB, RS-232, PCI, PCI Express.

Sterowniki mają specjalne obudowy wykonywane w określonym standardzie, co upraszcza projektowanie instalacji. W przypadku terminali firmy Beckhoff zwykle niezmienne są wysokość 100 mm i głębokość 68 mm, a szerokość zależy od liczby i rodzaju zastosowanych modu-łów. Obudowy PLC spełniają też określo-ne normy bezpieczeństwa, szereg norm środowiskowych oraz standardów produ-centa.

Najważniejszą zaletą PLC jest dłu-gookresowa praca bezawaryjna. Zwykle w przypadku zaniku zasilania program jest podtrzymywany bateryjne oraz zapa-miętywany jest obraz procesu. Sterowniki charakteryzują się także możliwością pra-cy w czasie rzeczywistym o określonym, gwarantowanym czasie cyklu.

Ważnym elementem oprogramowania sterownika jest autodiagnostyka, znacz-nie ułatwiająca zlokalizowanie awarii. Wybrane moduły oraz CPU mogą być re-alizowane w wykonaniu fail-safe, w któ-rym wbudowane są specjalne funkcje bezpieczeństwa. Istnieją także całe grupy funkcji specjalnych, np. algorytmy PID. Obecnie sterownik PLC może obsłużyć równocześnie kilkanaście pętli regulacji. Inną grupą są funkcje i moduły stoso-wane w technice napędowej, tzw. Mo-tion Control, które można zintegrować ze sterownikami PLC w środowisku Twin-CAT 3.0. Fo

t. B

eckh

off A

utom

atio

n

projektanci systemów automatyki zwykle muszą wybrać odpowiednie

jednostki sterujące do automatyzowanych maszyn lub procesów.

istnieje wiele ograniczeń, które wpływają na wybór odpowiedniego

urządzenia, m.in. niezawodność, bezpieczeństwo, cena, łatwość

oprogramowania, wymagana liczba oraz rodzaj wejść i wyjść.

odwieczny dylemat: sterownik PLC czy komputer przemysłowy

Fot. 1. Terminal BX9xxx firmy Beckhoff spełniający funkcje PLC. W standardowym wykonaniu może obsłużyć do 64 modułów I/O, a w wersji rozszerzonej do 225 I/O

Fot. 2. C33xx – seria 19” komputerów IPC zintegrowanych z panelem HMI, do zabudowy w szafach sterowniczych

promocja


Komputery przemysłowe IPCKomputery przemysłowe (IPC – Industrial PC) mają znacznie większe możliwości obliczeniowe od PLC. Często stosowane są jako komputer nadrzędny, zarządzający w systemach rozproszo-nych o liczbie I/O znacznie powyżej 512 sygnałów. Urządze-nia typu IPC wykonywane są w różnych rozmiarach i konfigu-racjach. Od dużych, o wymiarach 19”, po małe – w postaci układów embedded. Popularne są urządzenia ze zintegrowanym panelem HMI. Wydajna karta graficzna pozwala na obsługę za-awansowanych formatów graficznych (HD).

Istnieją dwa podstawowe sposoby pracy IPC w systemach rozproszonych. W pierwszym sterowniki PLC na poziomie po-lowym wysyłają dane z monitoringu instalacji do komputera IPC. W drugim komputer IPC realizuje technikę zwaną PC Con-trol, wdrażaną i rozwijaną przez firmę Beckhoff od 1986 roku. W tym przypadku CPU komputera stanowi jednostkę centralną, która wykonuje podstawowy algorytm sterowania i komunikuje się z poszczególnymi, rozproszonymi modułami I/O, wykorzystu-jąc standardowe protokoły przemysłowe.

Komputer przemysłowy nie wymaga oddzielnego progra-matora. Ma on zwykle zainstalowany zoptymalizowany i do-stosowany do konfiguracji sprzętowej system operacyjny. Środowisko programistyczne i uruchomieniowe może być za-instalowane na IPC. Używa się standardowych języków zde-finiowanych w normie IEC 61131-3, a oprócz tego języków wysokopoziomowych – C++ lub Java, albo innego dedyko-wanego oprogramowania.

Komputery IPC są tak wykonane, aby spełniać wymogi odpo-wiednich norm bezpieczeństwa. Szczególnie gdy pracują w agre-sywnym środowisku, np. w instalacjach przemysłu spożywczego lub chemicznego, muszą być wykonane zgodnie z narzuconymi wymaganiami – mają gładkie krawędzie, są odporne na wilgoć i zmiany temperatury, często mają obudowy wykonane ze spe-cjalnych materiałów.

W zależności od warunków pracy i wymagań projektowa-nego systemu komputery IPC powinny charakteryzować się długookresową pracą bezawaryjną, tak więc producenci stara-ją się budować jednostki bez części ruchomych. Przykładowo, pojemne dyski HDD zastępowane są dyskami SDD lub Com-pact Flash. Ponadto stosowane są w nich specjalne procesory o niskim poborze mocy, co eliminuje konieczność stosowania wentylatorów.

Obecnie komputery IPC w zastosowaniu PC Control cha-rakteryzują się możliwością pracy w czasie rzeczywistym. Przy-kładem takiej technologii jest XFC (ang. eXtreme Fast Control), która łączy szybki protokół komunikacyjny EtherCAT, terminale I/O EtherCAT, komputery przemysłowe i oprogramowanie Twin-CAT. Z jej wykorzystaniem można osiągnąć czas cyklu pracy w rozproszonym systemie automatyki około 100 μs, przy zacho-waniu cechy determinizmu czasowego.

A więc – PLC czy IPC?PLC to wciąż tanie rozwiązanie, idealne do automatyzacji ma-łej i średniej wielkości procesów przemysłowych (do 512 I/O). Sterowniki PLC znajdują zastosowanie przede wszystkim w bu-dowie maszyn, sterowaniu procesami ciągłymi, systemach mo-nitoringu, sterowaniu ruchem, sterowaniu produkcją wsadową i w automatyce budynków.

Koszt PLC w głównej mierze zależy także od tego, jakie speł-nia on normy bezpieczeństwa i jaka jest gwarantowana długość pracy bezawaryjnej. Malejący koszt i poprawa jakości podzespo-łów komputerowych powodują, że powoli obszary zastosowań sterowników PLC i komputerów IPC stają się podobne. Ste-rowniki PLC obecnie są także konsolidowane z panelami HMI, a ponadto instalowane są funkcje WWW pozwalające na zdalny dostęp do CPU.

IPC jest droższym rozwiązaniem niż PLC, jednak komputery przemysłowe mają większe możliwości obliczeniowe i większą pamięć, mogą zrealizować znacznie bardziej złożone algorytmy w czasie rzeczywistym niż sterowniki PLC. Obecnie najważniej-sze obszary zastosowań IPC to kontrola rozbudowanych proce-sów przemysłowych oraz układy pomiarowe. Wykorzystywane są w energetyce, transporcie, przemyśle petrochemicznym, apli-kacjach wojskowych, aplikacjach medycznych, czyli tam, gdzie wymagane jest stosowanie złożonych algorytmów przetwarzania dużej ilości zarchiwizowanych danych.

Wielu producentów stara się elastycznie dopasować swoją ofertę do potrzeb klientów. Firma Beckhoff proponuje zarów-no szeroką gamę sterowników PLC (np. terminale BX9xxx), jak i różne serie komputerów przemysłowych (np. CP36xx, C69xx). Warto jednak zwrócić uwagę, że obecnie rozmyła się granica pomiędzy omawianymi urządzeniami. Dostarczane rozwiązania znacznie przewyższają możliwościami typowe sterowniki PLC. Są jednak tańsze i wykonane w innych technologiach niż typowe komputery przemysłowe. Doskonałym przykładem może być tu rodzina produktów CXxxxx firmy Beckhoff (fot. 3), które znajdują zastosowanie w instalacjach średniej wielkości na poziomie au-tomatyki, np. w układach automatyki budynków.

Dzisiaj zatem tytułowy dylemat nie spędza już snu z powiek projektantom automatyki. Mają oni bowiem do dyspozycji nowo-czesne i wszechstronne urządzenia, łączące cechy i możliwości zarówno sterowników PLC, jak i komputerów przemysłowych. Urządzenia te są odpowiedzią na praktyczne zapotrzebowa-nie użytkowników, wynikające z dynamicznego rozwoju rynku automatyki. Wymaga on bowiem dzisiaj w pełni skalowanych urządzeń, dostosowanych do specyficznych zadań systemów sterowania, które mogą być jednocześnie rozbudowywane w przyszłości o nowe moduły i funkcjonalności.

BECKHOFF Automation Sp. z o.o.Żabieniec, ul. Ruczajowa 15

05-500 Piasecznowww.beckhoff.plFo

t. B

eckh

off A

utom

atio

n

Fot. 3. Seria CX5xxx zawiera urządzenia kompaktowe z procesorami Intel Atom Z510 (1,1 GHz) lub Z530 (1,6 GHz), wyposażone w: interfejsy Ethernet 10/100, łącze szeregowe (RS-232, RS-422/485), USB oraz DVI, a także czytnik kart Compact Flash

32


Firma Pro-face jako jedna z nielicznych oferuje nie tylko wysokiej jakości kom-putery, lecz także dedykowany system wizualizacyjny WinGP.

KonstrukcjaOferta Pro-face obejmuje komputery typu BOX (fot. 1.) oraz komputery wyposażone w ekran dotykowy (fot. 2.). Dostępne są komputery o ekranach od 8,5”, 12”, 15” oraz 19”. Komputery panelowe mają bar-dzo zwartą konstrukcję (tylko 6 cm głębo-kości), są bezwentylatorowe i mogą być umieszczane nawet bezpośrednio w ścia-nie budynku bez dodatkowej wentylacji. Komputery są wyposażone w system operacyjny Windows 2000, XP Profes-sional, XP Embedded, Windows 7 Ulti-mate 32 bit/64 bit. Dostępne są wersje z CPU Core 2 Duo P8400, Atom N270 lub Z510, z klasycznymi dyskami twar-dymi HDD 250 GB, nowoczesnymi dys-kami typu SSD 32 GB oraz z specjalnymi kartami przemysłowymi typu CF 8 GB.

Wykonania ze stali nierdzewnejPro-face oferuje również modele kom-puterów panelowych dedykowane do

przemysłu spożywczego i farmaceu-tycznego (fot. 3.). Idealnie płaskie oraz doskonale wyprofilowane fronty ze sta-li nierdzewnej spełniają wysokie wy-magania norm amerykańskich FDA 21 CFR 177:2006 oraz europejskiej normy dla przemysłu spożywczego – EN 1672-2.

Rozwiązania z certyfikatami ATEX oraz certyfikatami morskimiDzięki wysokiej jakości wykonania kom-putery Pro-face uzyskały również cer-tyfikaty do zastosowań w strefach za-grożonych wybuchem. Posiadają one certyfikaty ATEX do strefy 2 oraz 22. W ofercie są również komputery z cer-tyfikatami morskimi. Dostępne są za-równo wykonania typu BOX, jak i wersje komputerów panelowych.

Przystosowane do pracy ciągłej 24 h – 2 dyski, RAID, Hot SwapKomputery Pro-face przystosowane są do pracy ciągłej 24 h. Gwarantują to podwójne dyski twarde i specjalne oprogramowanie SW Mirroring (wy-korzystujące RAID 1), które zapewnia

zapis danych jednocześnie na 2 dys-kach twardych. Dodatkowo, dyski umieszczone są w specjalnej kasecie, co razem z funkcją Hot Swap umożliwia wymianę uszkodzonego dysku bez wy-łączania komputera, zapewniając jego ciągłą pracę (fot. 4.).Dedykowany UPSKomputery mogą być wyposażone w UPS – baterię podtrzymującą zasilanie. Zapo-biega to nieoczekiwanym wyłączeniom komputera oraz zapewnia ciągłość pracy w trudnych warunkach przemysłowych, np. przy chwilowych spadkach napięcia zasilania. Pozwala też na bezpieczne za-kończenie pracy aplikacji i zamknięcie systemu bez utraty danych.Wewnętrzny monitor pracy systemuWbudowany monitor pracy systemu za-pewnia bezpieczną i ciągłą pracę kom-putera. System monitoruje pracę we-wnętrznych układów, m.in. temperaturę na płycie głównej, procesora, zasilania, UPS, pracę dysku, wentylatorów.

Dzięki temu systemowi możliwe jest wcześniejsze wykrycie ewentualnych problemów i zapobieganie niespodzie-wanym wyłączeniom lub utracie da-nych. Wpływa to znacząco na większą niezawodność i bezawaryjną pracę ca-łego systemu.

niezawodne komputery przemysłowe pro-FaCe

Fot. 1. Przykładowy kompaktowy komputer typu BOX serii PS4000

Fot. 3. Komputer z ekranem 15” ze stali nierdzewnej dedykowany do przemysłu spożywczegoFot. 2. Komputery panelowe 15” oraz 19” serii PS4000 Fo

t. P

ro-F

ace

Pola

nd

wraz z rozwojem aplikacji i systemów operacyjnych coraz częściej

stosuje się komputery do ciągłej pracy i monitoringu procesów

produkcyjnych. w takich aplikacjach niezwykle ważne są bezawaryjność

oraz stabilność pracy komputera. Firma pro-face od ponad 20 lat

zajmuje się produkcją niezawodnych komputerów przemysłowych.

promocja


Wizualizacja – WinGPFirma Pro-face dostarcza również dedykowane oprogramo-wanie wizualizacyjne WinGP. Korzystając z narzędzia GP-Pro-Ex (fot. 5.), można w prosty sposób skonfigurować liczne interfejsy systemu oraz uzyskać bardzo zaawanso-waną funkcjonalność. Podstawowy pakiet oprogramowa-nia zawiera m.in. drivery do wszystkich dostępnych ste-rowników PLC (m.in. Siemens, Allan Bradley, Mitsubishi, Omron, GE Fanuc, Saia, Beckhoff, CoDeSys, Modbus), bo-gatą bibliotekę ponad 2000 symboli graficznych oraz sy-mulator. Podstawowe funkcje to np. rejestracja dużej ilość danych oraz ich reprezentacje w postaci trendów i wykre-sów, alarmy historyczne, rozbudowane receptury, poziomy bezpieczeństwa i system haseł, skrypty, rozbudowane ani-macje procesu, rejestracja działań operatora.

W większości systemów SCADA spotykane są ograni-czenia liczby zmiennych/punktów. W przypadku wizuali-zacji WinGP jedynym ograniczeniem jest maksymalnie 3000 zmiennych/ekran. Nie ma ograniczenia ilościowe-go użytych zmiennych w całym projekcie. Pozwala to na ekonomiczne stworzenie nawet rozbudowanego interfejsu HMI na komputerze.

Wersja trialWersję testową oprogramowania GP-Pro-Ex zawierającą symulator można pobrać bezpłatnie ze strony www.profa-ce.pl. Przy pomocy tej wersji projekt można przygotować, zapisać i w pełni zasymulować na komputerze. Takie roz-wiązanie umożliwia bezpłatne zapoznanie się ze wszystki-mi możliwościami oprogramowania.

Bezpłatne szkoleniaSerdecznie zapraszamy również na cykl bezpłatnych semina-riów szkoleniowych z zakresu oprogramowania GP-Pro-Ex. Jednodniowe seminaria organizowane są w Warszawie, Ka-towicach, Wrocławiu oraz Poznaniu. Więcej informacji oraz kartę zgłoszeniową można uzyskać drogą mailową: [email protected] lub na stronie www.proface.pl.

Andrzej OkoniewskiPRO-FACE Poland

ul. Ostrobramska 101, 04-041 Warszawa

REK

LAM

A

Fot. 4. Ciągłość pracy zapewnia praca 2 dysków z RAID oraz Hot Swap (wymiana dysku w trakcie pracy)

Fot. 5. Oprogramowanie GP-Pro-Ex do tworzenia wizualizacji WinGPFot.

Pro

-Fac

e Po

land

34


Konstrukcję mechaniczną opracowano pod kątem eliminacji połączeń kablo-wych. Wszystkie podzespoły i złącza zo-stały zamontowane bezpośrednio na płyt-ce drukowanej. Pozwoliło to na uzyskanie zwartej konstrukcji, doskonale nadającej się do pracy w trudnych warunkach śro-dowiskowych, która wytrzymuje udary do 50 G oraz wibracje do 5 Grms.

Komputery Matrix mogą być zasila-ne napięciem stałym o dużym zakresie. Dzięki temu nie jest w ich przypadku istotne, czy w miejscu instalacji dostęp-ne jest napięcie 12 czy 24 V DC. Po-nadto duża tolerancja na zmiany napię-cia wejściowego umożliwia zasilanie ich z paneli słonecznych.

Rozszerzalne komputery do zabudo-wy Matrix MXC umożliwiają także łatwą rozbudowę systemu. Po odkręceniu jed-nej śruby można otworzyć obudowę i za-instalować kartę PCI lub PCIe.

Poniżej przedstawione zostały wszyst-kie aktualnie produkowane komputery Matrix. Zostały one pogrupowane we-dług serii, a w tabelach podano różnice między poszczególnymi modelami w da-nej serii.

Matrix MXCKomputery z serii MXC-2000 są wy-posażone w procesor Intel Atom N270 1,6 GHz, 1 GB pamięci DDR2 533 MHz oraz interfejsy: 2 x GbE, 4 x USB 2.0, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485 i VGA/TV-out z rozdzielczością do 2048 x 1536. Umieszczone są one w obudowie o wy-miarach 118 x 219 x 183 mm, prze-znaczonej do montażu na ścianie. Roz-budowę konfiguracji umożliwiają złącza rozszerzające. Część modeli posiada do-datkowo po 16 wejść i 16 wyjść cyfro-wych. Komputery z tej serii umożliwiają podłączenie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Posiadają także po 2 gniazda kart CFast-II – wewnętrzne umożliwia zastą-pienie dysku twardego, a zewnętrzne

wymianę nośnika w trakcie pracy. Kom-putery te są zasilane z napięcia stałego 9 ~ 36 V DC i posiadają wbudowane za-bezpieczenie przepięciowe.

Dostępne są też wersje z zainstalto-waną przez producenta pamięcią 2 GB, dyskiem twardym SATA 160 GB lub dyskiem półprzewodnikowym SSD SATA 8 lub 32 GB. Standardowy zakres tem-peratury pracy z dyskiem twardym to –10 ~ +60 °C. Po zainstalowaniu przemysłowego dysku półprzewodni-kowego SSD 8 GB zakres temperatury pracy wynosi –20 ~ +70 °C, przy czym gwarantowany jest zimny start systemu przy –20 °C oraz praca ze stuprocento-wym obciążeniem przy +70 °C.

Najnowszym produktem z tej serii jest MXC-2012. Spełnia on wymagania normy morskiej IEC 60945.

Komputery serii MXC-4000 zawiera-ją procesor Intel Atom D510 Dual Core 1,66 GHz, 1 GB pamięci DDR2 667 MHz oraz interfejsy VGA/LVDS, 2 x GbE, 4 x USB 2.0, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, a także 12 izolowanych wejść i 12 izolowanych wyjść cyfrowych. Rozbudowę konfiguracji umożliwiają

Firma adlink technology opracowała rodzinę bezwentylatorowych komputerów przemysłowych o nazwie matrix.

od początku założeniem projektu było zapewnienie jak najlepszego odprowadzania ciepła. Dlatego wszystkie generujące

ciepło podzespoły zostały umieszczone u góry płytki drukowanej w taki sposób, aby zapewnić kontakt powierzchni

emitującej ciepło z aluminiową obudową. Dzięki krótkiej drodze przewodzenia ciepła i niewielkiej rezystancji termicznej

zagwarantowano cieplną stabilność systemu w trakcie pracy w zakresie temperatur otoczenia –20 … +70 °C.

nowoczesne bezwentylatorowe komputery matrix w ofercie Guru Control systems

Model MXC-2002 MXC-2002D MXC-2011 MXC-2011D MXC-2012

Procesor intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz

Grafika VGa+tV-out VGa+tV-out VGa+tV-out VGa+tV-out VGa+tV-out

Gniazda rozszerzające 2 x pCi 2 x pCi 1 x pCi

1 x pCie x 11 x pCi1 x pCie x 1

2 x pCi1 x pCie x 4

We/Wy cyfrowe – 16 x Di

16 x Do – 16 x Di16 x Do –

Zasilanie 9 ~ 32 V DC 9 ~ 32 V DC 9 ~ 32 V DC 9 ~ 32 V DC 18 ~ 36 V DC

Uwagi – – – – ieC 60945

Komputer z serii MXC-2000

promocja

Fot.

Gur

u C

ontr

ol S

yste

ms


złącza rozszerzające. Komputery te umożliwiają podłączenie wewnętrz-nego 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Posiadają także po 2 złącza eSATA dla zewnętrznej pamięci masowej oraz po 1 gnieździe wewnętrznym dla kart CFast-II umożliwiającym zastąpienie dysku twardego. Standardowy zakres temperatury pracy z dyskiem twar-dym to 0 ~ 55°C, zaś po zainstalo-waniu przemysłowego dysku półprze-wodnikowego SSD: –10 ~ +60 °C.

Komputery z serii MXC-6000 zawierają proce-sor Intel Core i7-620LE 2,0 GHz, 2 GB pamięci DDR3 800/1066 MHz oraz interfejsy VGA/DVI-D, 2 x GbE, 5 x USB 2.0 (z czego 4 są wyprowadzone na zewnątrz obu-dowy), 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485 oraz 16 izolowa-nych wejść i 16 izolowanych wyjść cyfrowych. Rozbudowę konfiguracji umożliwiają złącza rozszerzające. Oprócz moż-liwości podłączenia 2,5” dysku SATA HDD lub SDD modele z tej serii posiadają 2 gniazda dla kart CFast-II (1 zewnętrz-

ne i 1 wewnętrzne) oraz 1 interfejs eSATA dla zewnętrznej pamięci masowej. Standardowy zakres temperatury pra-cy z dyskiem twardym to 0 ~ 50 °C, zaś po zainstalowaniu prze-mysłowego dysku pół-przewodnikowego SSD: –10 ~ +60 °C.

Matrix MXEKomputery do zabudowy z rodziny Matrix MXE nie umoż-liwiają rozbudowy, natomiast łączą konstrukcję przezna-czoną do pracy w trudnych warunkach ze zintegrowanymi interfejsami.

Komputery z serii MXE-1000 zawierają procesor In-tel Atom N270 1,6 GHz, 1 GB pamięci DDR2 533 MHz R

EKLA

MA



@

Model MXC-4002D MXC-4011D

Procesor intel atom Dual Core D510 1,66 GHz

intel atom Dual Core D510 1,66 GHz

Grafika VGa+lVDs VGa+lVDs

Gniazda rozszerzające 2 x pCi 1 x pCi

1 x pCie x 1

We/Wy cyfrowe

12 x Di12 x Do

12 x Di12 x Do

Zasilanie 9 ~ 32 V DC 9 ~ 32 V DC

Model MXC-6101D MXC-6201D

Procesor intel Core i7-620le 2,0 GHz


Grafika VGa+DVi VGa+DVi

Gniazda rozszerzające 2 x pCi 1 x pCi

1 x pCie x 4

We/Wy cyfrowe

16 x Di16 x Do

16 x Di16 x Do

Zasilanie 9 ~ 32 V DC 9 ~ 32 V DC

Fot.

Gur

u C

ontr

ol S

yste

ms

36

oraz interfejsy VGA/TV-out, 1 lub 3 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 4 x USB 2.0 i audio. Komputery te umoż-liwiają zainstalowanie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD, posiadają także dostępne z zewnątrz gniazdo kart CFast-I. Zasila-ne są napięciem stałym 6 ~ 36 V DC i umieszczone w obudowie o wymiarach 210 x 170 x 53 mm, przeznaczonej do montażu na ścianie.

Komputery z serii MXE-1200 zawie-rają procesor Intel Atom N270 1,6 GHz i 1 GB pamięci DDR2 oraz interfejsy VGA/LVDS, 12 x COM, 1 x GbE, 4 x USB 2.0 i audio. Posiadają wewnętrzne gniaz-do kart mini PCIe i zewnętrzne gniazdo kart CFast-II. Umożliwiają podłączenie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Po-szczególne modele różnią się rodzajem portów szeregowych COM.

W serii MXE-3000 aktualnie produ-kowany jest tylko jeden model: MXE-3002. Wyposażony jest w procesor

Intel Atom D510 1,66 GHz, 1 GB pa-mięci DDR2 667 MHz oraz interfej-sy: VGA/LVDS, 3 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 6 x USB 2.0 i audio. Posiada wewnętrzne złącze kart mini PCIe. Umożliwia podłączenie 2,5” dysku SATA HDD lub SDD. Na pły-cie przedniej umieszczone jest gniazdo na karty CFast-II oraz 2 interfejsy eSATA do zewnętrznej pamięci masowej.

Komputery z serii MXE-5000 mają procesor Intel Core 2 Duo P8400 2,26 GHz, 2 GB pamięci DDR3 oraz in-terfejsy VGA/DVI, 4 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 6 x USB 2.0. Umożliwiają podłączenie 2,5” dyt-sku SATA HDD lub SDD. Umieszczo-ne są one w obudowie o wymiarach 248 x 85 x 85 mm. Komputer MXE-5104 spełnia wymagania normy mor-skiej IEC 60945.

Komputery z najnowszej serii MXE-5300 są wyposażone w procesory

Intel Core i7/i5/i3, 4 GB pamięci DDR3 oraz interfejsy VGA/DVI, 4 x GbE, 2 x RS-232, 2 x RS-232/422/485, 4 x USB 2.0, 2 x USB 3.0 i audio. Posiadają we-wnętrzne 2 gniazda kart mini PCIe i ze-wnętrzne gniazdo kart CFast. Umożliwia-ją podłączenie 2,5” dysku SATA 3 HDD lub SDD. Na płycie tylnej zamontowane jest gniazdo eSATA do zewnętrznej pa-mięci masowej. Komputery te umiesz-czone są one w obudowie o wymiarach 230 x 205 x 75 mm.

Wszystkie komputery Matrix MXE do-stępne są też w wariantach z zainstalowa-ną przez producenta podwojoną pamięcią i/lub dyskiem twardym 160/320 GB lub dyskiem półprzewodnikowym 8, 32 albo 64 GB. Standardowy zakres temperatury pracy z dyskiem twardym to 0 ~ 50 °C. Po zainstalowaniu przemysłowego dysku półprzewodnikowego SSD zakres tempe-ratur pracy wzrasta do –20 ~ +70 °C (dla procesora i7 do –20 ~ +60 °C), zaś odporność na wibracje do 5 Grms, a na udary – do 50 ~ 100 Grms (w zależno-ści od serii).

Więcej informacjiWszystkie przedstawione produkty do-stępne są u polskiego dystrybutora Ad-link – w firmie Guru Control Systems. Zapraszamy do zapoznania się ze szcze-gółami technicznymi i opisami dostępny-mi na internetowej platformie informa-cyjno-handlowej www.kamlab.pl.

GURU CONTROL SYSTEMS, KamLABul. Warszawska 91, 05-092 Łomiankitel. 22 831 10 42, fax 22 831 10 42

e-mail: [email protected], www.kamlab.pl


Model MXE-1005 MXE-1010 MXE-1020

Procesor intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz

Grafika VGa VGa VGa

Ethernet 1 x Gbe 3 x Gbe 1 x Gbe

1394b FireWire – – 2 x 1394b

Zasilanie 6 ~ 36 V DC 6 ~ 36 V DC 6 ~ 36 V DC

Model MXE-1212/232 MXE-1212/422 MXE-1212/485

Procesor intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz intel atom n270 1,6 GHz

Grafika VGa+lVDs VGa+lVDs VGa+lVDs

COM 2 x rs-232/422/48510 x rs-232

2 x rs-232/422/4852 x rs-2328 x rs-422

2 x rs-232/422/4852 x rs-2328 x rs-485


Model MXE-5104M MXE-5104

Procesor intel Core 2 Duo p8400 2,26 GHz intel Core 2 Duo p8400 2,26 GHz

Grafika VGa+DVi VGa+DVi

Zasilanie 9 ~ 24 V DC izolowane 24 V DC

Uwagi – ieC 60945

Model MXE-5301 MXE-5302 MXE-5303

Procesor intel Core i7-2710Qe intel Core i5-2510e intel Core i3-2330e

Grafika VGa+DVi VGa+DVi VGa+DVi


Komputer z serii MXE-1000 Komputer z serii MXE-1200

Komputer z serii MXE-3000



Fot.

Gur

u C

ontr

ol S

yste

ms


Maritex jest autoryzowanym dystry-butorem uznanych producentów kom-puterów przemysłowych. Oferta obej-muje m.in. urządzenia firm Axiomtek, Avalue, VIA Embedded czy Adlink. Proponuje rozwiązania zarówno do za-stosowań w przemyśle lekkim i auto-matyce domowej, jak również w naj-bardziej wymagających warunkach środowiskowych. Systemy te odporne

są na duże zapylenie, ekstremalne temperatury pracy, zagrożenie wstrzą-sami i wibracjami.

Na szczególną uwagę zasługu-je komputer spełniający wymagania normy kolejowej EN 50155. tBO-X320-852-FL firmy Axiomtek jest no-woczesnym rozwiązaniem dla kolej-nictwa. Jest to pasywnie chłodzony system wykorzystujący procesor In-tel Core 2 Duo SP9300, pracujący z czę-stotliwością do 2,26 GHz, oraz chipset Intel GM45. Zbudowany został z myślą

o trwałości i pracy w cięż-kich warunkach, czego potwierdzeniem są: certy-fikat EN 50121/EN 50155

i stopień szczelności IP40. Zintegrowany system graficz-

ny ma 256 MB pamięci i jest kompatybilny z DirectX 9.0. Jednostka ma jedną kieszeń

na wymienne dyski twarde 2,5” SATA 300, jeden wewnętrz-ny slot na dysk SATA oraz czytnik

kart Compact Flash. Dodatkowo tBOX320-852-FL posiada 4 izo-

lowane porty COM, izolowane cyfrowe I/O, zasilacz i wytrzy-

małe złącze M12 dla 2 por-tów Gigabit Ethernet. Aby

zapewnić możliwość roz-budowy systemu, tBO-

X320-852-FL ma 2 wewnętrzne slo-ty PCI Express Mini Card. Dostępny jest również jeden slot SIM do aplikacji 2G/3G/4G, GPS, Wi-Fi bądź Bluetooth.

Bezwentylatorowe komputery pa-nelowe LPC firmy Avalue wyposażone są w procesory AMD eOntario T40E lub Intel Atom D2550. W ofercie są dostęp-ne panele operatorskie tej serii o prze-kątnych od 8’’ do 17’’. Główne atuty komputerów serii LPC to dwurdzeniowy procesor, liczne interfejsy, m.in. COM, USB, CF, LAN, szeroki zakres zasilania (12–28 V DC) oraz bezwentylatorowa praca. Urządzenia zapewniają stabil-ną pracę i wysoką wydajność nawet w trudnych warunkach przemysłowych. Komputery mają stopień ochrony IP65 na przednim panelu. Seria LPC Avalue może być wyposażona w moduł Wi-Fi.

W dziedzinie automatyki oferta firmy Maritex jest bardzo szeroka i obejmuje:

komputery przemysłowe (jednopły-• towe, panelowe i wbudowane),wyświetlacze, monitory przemysło-• we i panele dotykowe,klawiatury przemysłowe,• urządzenia sieciowe Ethernet,• urządzenia kontrolno-pomiarowe (kar-• ty akwizycji, moduły pomiarowe i kon-trolery),zasilacze przemysłowe,• przemysłowe i standardowe czytniki • kodów kreskowych.Szczegółowe informacje o oferowa-

nych produktach dostępne są na stronie www.automatyka.maritex.com.pl.

MARITEX PHP Sp. z o.o. sp.k.tel. 58 662 05 65fax 58 622 47 66

e-mail: [email protected]

MARITEX – niezawodne komputery przemysłowe

Założona w 1987 roku gdyńska firma Maritex PHP Sp. z o.o. sp.k. jest jedną

z największych w Polsce hurtowni elementów elektronicznych, komputerów

przemysłowych i systemów komputerowych stosowanych w automatyce.

Firma posiada certyfikat ISO 9001:2008.

Fot.

Mar

itex

PH

P

Promocja

38


HMI do różnorodnych zastosowańPortfolio paneli operatorskich ESA tworzą terminale graficzne i tekstowe o przekątnych od 4,3” do 15” z matry-cami dotykowymi lub klawiaturą, opar-te o platformy Windows oraz z własnym systemem operacyjnym. Wyróżnia je otwartość komunikacyjna – wiele proto-kołów, jak np. Profibus DP, DeviceNet, CAN, CoDeSys czy Profinet, może być używanych jednocześnie. Specjalnie dobrane komponenty (standardowo w większości modeli stosowana jest solidna metalowa obudowa) oraz brak ruchomych elementów mechanicznych (jak dyski twarde czy wentylatory) za-pewniają trwałość i niezawodność dzia-łania terminali ESA w trudnym środo-wisku przemysłowym. Warto zauważyć, że gwarantowana przez producenta mi-nimalna żywotność podświetlenia urzą-dzeń wynosi 50 000 h.

Najnowsze produkty ESA to rodzi-na paneli operatorskich SC (Simple Control), łącząca doskonałe parametry obrazu i szeroką gamę funkcjonalno-ści z przystępną ceną. Panoramiczne

Firma esa elettronica to włoski producent terminali

operatorskich, komputerów i monitorów przemysłowych

oraz dedykowanego oprogramowania narzędziowego do tworzenia

aplikacji Hmi i sCaDa. początki istnienia firmy sięgają

lat 70. ubiegłego wieku, a pierwsze urządzenia Hmi marki esa

opuściły zakłady produkcyjne w 1985 roku. esa łączy

europejską jakość, precyzję i solidność wykonania urządzeń

dla sektora przemysłowego z elegancją charakterystyczną

dla włoskiego wzornictwa. warto wspomnieć, że producent

stworzył także ekskluzywną serię paneli przeznaczonych

do automatyki budynkowej Visualyser.

rozwiązania HmI eSa – wydajność, elastyczność i europejska jakość

Fot.

Sab

ur

promocja


ekrany paneli SC107 i SC207 wyposa-żone są w dotykowe matryce LCD TFT z podświetleniem białymi diodami LED, wyświetlające ponad 65 tys. kolorów. Wysoka rozdzielczość zapewnia dosko-nałe odwzorowanie obrazów i tekstu oraz wystarczającą przestrzeń roboczą do wyświetlania zaawansowanych apli-kacji wizualizacyjnych. Obudowa urzą-dzeń wykonana jest z doskonałej jako-ści tworzywa (ABS) i zapewnia trwałość oraz odporność na niekorzystne tempe-ratury, zarysowania i uderzenia. Termi-nale wyposażone są w porty: Ethernet, szeregowy RS-232/RS-485 (zintegro-wany MPI), USB oraz slot na karty SD i MMC. Panele rodziny SC programowa-ne są dedykowanym, darmowym pakie-tem Polymath SmartClick.

Terminale dla przemysłu spożywczego i farmaceutycznegoTerminale ESA serii IT w wykonaniu INOX są przeznaczone do instalacji w zakładach, w których wymagane jest zachowanie szczególnie wysokiego po-ziomu higieny. Zapewniają niezawodną pracę i trwałość podczas pracy w takich specjalnych warunkach, jak produkcja w przemyśle spożywczym, farmaceu-tycznym czy chemicznym. Przedni pa-nel urządzeń wykonany jest ze stali typu V2A (AISI 304), którą charakteryzuje do-skonała odporność na korozję oraz che-miczna obojętność w kontakcie z wielo-ma rodzajami pożywienia, agresywnymi detergentami i substancjami stosowany-mi przy myciu. Całkowicie płaski front ogranicza możliwość zbierania się za-nieczyszczeń oraz ułatwia ich usuwanie. Dodatkowo duży promień łuku zewnętrz-nych krawędzi panelu ogranicza osiada-nie bakterii i osadów mikrobiologicznych na urządzeniu (promień łuku jest 4 razy większy, niż wymaga tego norma). Front panelu ma stopień ochrony IP69K, co gwarantuje odporność na częste mycie wodą o ciśnieniu do 100 barów oraz na wysoką temperaturę (do 80 °C). Ter-minale IT INOX wykonane są zgodnie z wymogami normy PN 1672-2 (okre-śla szczegółowe wytyczne dotyczące hi-gieny), zaleceniami EHEDG i FDA oraz z ISO 20653, a także mają certyfikaty CE i ATEX (grupa II, kat. 3G/D).

Polymath – platforma narzędziowa do wszystkich terminali ESAPolymath to zestaw profesjonalnych na-rzędzi softwarowych zaprojektowanych w technologii .NET, przeznaczonych do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych na terminale ESA oraz zaawansowanych

aplikacji na komputery PC. Duża liczba wspieranych protokołów komunikacyj-nych gwarantuje bezproblemową współ-pracę zarówno z urządzeniami ze świata automatyki przemysłowej, jak i świata IT. W skład platformy Polymath wchodzą trzy wersje oprogramowania różniące się zestawem funkcjonalności:

Polymath SmartClick to software z darmową licencją przeznaczony do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych na terminale operatorskie ekonomicznej ro-dziny SC. Zawiera wiele funkcjonalności ułatwiających i przyspieszających two-rzenie aplikacji.

Polymath HMI jest pakietem narzędzi pozwalającym na tworzenie aplikacji HMI na wszystkie rodziny terminali ESA – IT, SC oraz VT. Software ten zastępuje i roz-szerza możliwości pakietu Polymath Basic (oprócz większej liczby zaawansowanych funkcjonalności umożliwia tworzenie aplikacji na terminale IT). Polymath HMI wyposażony jest w mechanizmy konwer-sji projektów stworzonych dla wszystkich terminali ESA, czyli przykładowo projekt stworzony na terminal rodziny VT można przekonwertować i używać na termina-lach SC i IT. Wśród funkcjonalności, które oferuje Polymath HMI, warto wymienić: bogatą bibliotekę gotowych obiektów (także z możliwością edycji i animacji), symulację projektu off-line i on-line, prze-chowywanie trendów i logów danych czy zarządzanie alarmami.

Polymath Advanced to zaawanso-wany pakiet narzędzi przeznaczony do tworzenia aplikacji wizualizacyjnych HMI i SCADA na komputery PC. Umoż-liwia również tworzenie aplikacji HMI na wszystkie terminale ESA.

Polymath PC Machine EditionKażdy projekt aplikacji wizualizacyj-nej stworzony w środowisku Polymath Advanced może być uruchomiony na komputerach przemysłowych ESA lub komputerach PC z systemem operacyj-nym Windows 7 (jak również poprzed-nich wersjach: Windows 2000 SP4, XP i Vista).

Software Polymath PC Machine Edi-tion zapewnia działanie aplikacji w trybie pełnym, czyli obsługę komunikacji kom-putera PC z urządzeniami sterującymi różnych producentów (ponad 200 na-tywnych protokołów dostępnych w pa-kiecie Polymath Advanced). Protokoły ethernetowe są zarządzane bezpośred-nio dzięki portowi standardowo dostęp-nemu we wszystkich komputerach PC, dla pozostałych typów protokołów popu-larnych w sektorze przemysłowym (np.

Profibus DP, MPI, CANopen i DeviceNet) dostępne są specjalne adaptery umożli-wiające komunikację w czasie rzeczywi-stym. Polymath PC Machine Edition po-zwala na zdalną wizualizację i kontrolę działania systemu za pomocą bezpiecz-nego połączenia internetowego. Licencje dostępne są w czterech wersjach, dla różnych ilości zmiennych.

Komputery panelowe i w wersjach BOXXS7 to rodzina panelowych komputerów przemysłowych ESA w wersjach z wen-tylatorem i bezwentylatorowych, zbudo-wanych w oparciu o procesory Intel Atom i Core 2 Duo. Solidna konstrukcja, wyso-kiej jakości komponenty, ekstremalna wy-trzymałość mechaniczna wraz z elastycz-nością konfiguracji sprawiają, że ESA XS7 to rozwiązania, które świetnie spraw-dzają się w warunkach przemysłowych. Urządzenia występują z następującymi przekątnymi ekranu: 7”, 8,4”, 12,1”, 15”, 17” i 19”. Modele w wykończeniu INOX i True Flat są szczególnie przydatne w przemyśle spożywczym, farmaceutycz-nych i chemicznym oraz w takich zasto-sowaniach, gdzie istotne jest zachowanie szczególnej higieny (zgodność z normą FDA 21/PN-EN 1672-2+A1).

XB300 ESA to komputery w wer-sjach BOX, których modułowa archi-tektura pozwala na swobodny dobór komponentów dopasowany do potrzeb użytkownika. XB300 występują w wer-sjach bez wbudowanych gniazd na kar-ty PCI, z dwoma lub trzema gniazdami PCI, z licencjami Windows 7 Ultimate, Windows Embedded Standard lub Win-dows XP Professional do wyboru. Dodat-kowo można je wyposażyć w wyjmowa-ne dyski HDD, SSD lub CF.

Solidna konstrukcja, wysoka jakość użytych komponentów i duża wytrzyma-łość mechaniczna predestynują kompu-tery XB300 do użytku w wielu wymagają-cych systemach, nie tylko w aplikacjach przemysłowych. Zastosowane podzespo-ły gwarantują długi cykl życia urządzeń, zmniejszone zużycie energii, a jednocze-śnie wysoką wydajność i moc oblicze-niową. Odporna, całkowicie metalowa obudowa z aluminiowym wykończeniem zapewnia szybkie odprowadzanie ciepła z wnętrza urządzenia.

SABUR Sp. z o.o.ul. Puławska 303, 02-785 Warszawa

tel. 22 549 43 53e-mail: [email protected]

www.sabur.com.plFot.

Sab

ur

40


Oryginalne rozwiązania w najnowszych komputerach panelowych iei technology Corp.

Komputery panelowe należą do jednej z podstawowych linii produktowych

tego producenta. większość konstrukcji wyróżnia się jednak spośród

podobnych rozwiązań obecnych na rynku. różnice dotyczą specyficznego

przeznaczenia – szerokiej albo nietypowej funkcjonalności.

Zdecydowana większość przemysłowych komputerów panelowych pracuje stacjo-narnie, wewnątrz budynków, a panujące tam warunki są stabilne i przewidywal-ne. Praca w zmiennych warunkach oto-czenia, aplikacjach mobilnych stwarza konieczność zastosowania systemów komputerowych o specjalnej konstrukcji.

UPC-V312-D525 skonstruowano dla aplikacji mobilnych, podstawową ce-chą jest całkowita szczelność – stopień ochrony IP65. Bardzo szeroki zakres temperatury pracy –20 ... +60 °C oraz odporność na wstrząsy do 3G i wibracje (MIL-STD-810F 514.5C-2) umożliwiają pracę w różnych pojazdach (np. jako ter-minal wózka widłowego). Komputer ma izolowaną magistralę CAN, stosowaną w aplikacjach samochodowych. Matryca 12² podświetlana diodami LED osiąga ja-sność 600 cd/m2, dostosowuje się auto-matycznie do panujących warunków.

Aluminiowa obudowa jest lekka i od-porna mechanicznie. Z przodu kompute-ra producent umieścił 10 programowal-nych przycisków funkcyjnych, a pod nimi podświetlane wskaźniki stanu pracy.

Wewnątrz bezwentylatorowej kon-strukcji pracuje dwurdzeniowy procesor Intel Atom D525 1,8 GHz oraz chip-set Intel ICH8M. Do dyspozycji użyt-kownika są interfejsy RS-232/422/485, RJ-45, VGA, 4 USB oraz GbE. Rozbudo-wana jest komunikacja bezprzewodowa. Prócz dwuzakresowego modułu IEEE 802.11a/b/g/n 3 3 MIMO komputer można rozbudować o moduł Bluetooth,

GPS oraz modem GSM 3,75 G HSUPA i czytnik RFID (EM lub Mifare). Dostęp-na jest wbudowana kamera internetowa o rozdzielczości 1,3 Mpx i mikrofon. Kom-puter można wyposażyć w 4-kanałową kartę przechwytującą materiał audio/video. System zasilania jest redundant-ny i może czerpać energię z dołączo-nego do zestawu zasilacza sieciowego o napięciu wyjściowym 19 V lub z in-nego źródła napięcia stałego 9 ... 36 V. UPC-V312-D525 wyróżnia także – w po-równaniu z innymi szczelnymi kompute-rami panelowymi – niska cena.

Seria komputerów AFL2-17A-H61 oraz AFL2-W19A-H61 to bliźniacze kon-strukcje różniące się wymiarami ekranu. Pierwszy z nich ma matrycę 17², a dru-gi panoramiczną 19 ². Cechą unikalną są sygnalizatory LED wbudowane w gór-nych narożnikach obudowy komputera. Użytkownik może zaprogramować kolor świecenia w zależności od stanu pracy komputera, co pozwala na widoczną sy-gnalizację problemu w przypadkach, gdy operator nie przebywa przy stanowisku lub gdy w danej lokalizacji wymagana jest cisza. Jest to idealne rozwiązanie do kontroli stanu urządzeń zainstalowanych w hali produkcyjnej lub sygnalizacji pracy stanowisk w bibliotece, szpitalu czy stu-diach dźwiękowych.

Komputer wyposażono w ekran do-tykowy, pojemnościowy lub rezystan-cyjny. Platforma sprzętowa oparta jest na wydajnym chipsecie Intela – H61, stosowanym w komputerach desktopo-wych, który współpracuje z procesora-mi Sandy Bridge. W zależności od po-trzeb można wybrać wersję wyposażoną w procesor Celeron, Pentium lub i3, i5

oraz i7. Pamięć RAM DDR3 można rozbudować do 16 GB. Do dyspozycji użytkownika są interfejsy: 2 RS-232, RS-422/485, 2 USB 3.0, 3 USB 2.0, VGA i HDMI. Dodatkowo na panelu fron-towym, o stopniu ochrony IP64, znajdu-ją się: slot kart SD, port mini-USB oraz kamera 1,3 Mpx. Komputery są wypo-sażone w kartę Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n, opcjonalnie w moduł Bluetooth 2.1 EDR, czytnik RFID EM lub Mifare i czytnik kart magnetycznych.

Bardzo ciekawie rozwiązano problem chłodzenia tak wydajnego sprzętu. Uni-kalne rozwiązanie Smart Fanless polega na odprowadzaniu ciepła przez obszerny radiator, dopiero po przekroczeniu kry-tycznej temperatury uruchamiany jest wentylator, którego prędkość zależy od temperatury.

JM ELEKTRONIK Sp. z o.o.ul. Karolinki 58, 44-100 Gliwice

tel. 32 339 69 00, fax 32 339 69 09e-mil: [email protected], www.jm.pl

promocja

Fot.

JM

ele

ktro

nik


Jest to pierwszy sterownik z tej serii dostępny na naszym rynku, wyposażony w kolorowy panel dotykowy (5,7”) oraz 24 w pełni programowalne przyciski. Główne i sprawdzone rozwiązania pozostały takie same – budowa modułowa: PLC i snap w zwartej obudowie (moduł wejść i wyjść montowany z tyłu sterownika). Rozwiązanie to eliminuje konieczność sto-sowania kabla połączeniowego, który w warunkach przemy-słowych byłby narażony na uszkodzenia.

Obecnie jest możliwe dodanie jednego z 8 snapów, różnią-cych się liczbą i rodzajem wejść i wyjść. Jednym z bardziej popularnych modułów wejść i wyjść, jest snap o numerze ka-talogowym V200-18-E4XB. Snap ten ma: 18 wejść izolowa-nych 24 V DC, 4 wejścia uniwersalne – analogowe (14 bit: 0 ... 10 V, 0/4 ... 20 mA), Pt 100 lub TC, 4 wyjścia analogowe izolowane (12 bit: 0 ... 10 V, 4 ... 20 mA), 2 wyjścia izolowane tranzystorowe (pnp/npn) oraz 15 wyjść tranzystorowych izolo-wanych pnp. Oprócz tego sterownik ten wyposażony jest w port rozszerzeń, dzięki któremu można dodać do sterownika nawet 128 wejść/wyjść dodatkowych: cyfrowych (tranzystorowych i przekaźnikowych), analogowych (0 ... 10 V, 0/4 ... 20 mA), Pt 100, termoparowych, a nawet wagowych.

Sterownik ten, podobnie jak seria Vision, wyposażony jest w funkcję komunikacji przez Modus RTU, Modbus TCP/IP, CANopen, GSM/GPRS/SMS. Różnicą na korzyść V560 jest zwiększona pamięć programu do 2 MB, dodatkowa pamięć 1 MB na czcionkę i następne 6 MB pamięci na obrazy wy-świetlane na panelu operatorskim. Typowe rozwiązania zasto-sowane w urządzeniach firmy Unitronics to m.in.: wbudowana

Firma Unitronics wprowadziła do sprzedaży

nowy sterownik z serii Vision.

Sterownik V560-T25B zintegrowany z kolorowym panelem dotykowym

REKLAMA

obsługa alarmów lub trendów. Sterownik ma slot na kartę SD, w którym jest możliwość zapisywania całego programu, archiwizacji alarmów, tabeli danych, a nawet eksportowania danych do Excella. Czas wykonania typowej aplikacji o roz-miarze 1 kB wynosi 9 μs, co sprawia, że nowy sterownik jest ponad 2 razy szybszy od serii V200.

Panel operatorski ma 65 536 kolorów, wyświetlacz TFT LCD, z panelem rezystancyjnym o przekątnej 5,7”, roz-dzielczości 320 × 240 px (QVGA) i stopniu ochrony IP65 przy montażu panelowym.

Do każdego sterownika Vision dodawane jest bezpłatne oprogramowanie narzędziowe (dostępne również na stronie www.unitronics.com) oraz kabel do programowania sterownika.

Obecnie firma Elmark Automatyka oferuje ten sterownik w promocyjnej cenie 1499 zł netto.

Mateusz SikorskiELMARK Automatyka Sp. z o.o.

www.elmark.com.pl

Fot.

ELM

AR

K A

utom

atyk

a

Promocja

42


Procesory serii I Intel Core są wielordze-niowe i mają zintegrowaną jednostkę graficzną bezpośrednio na procesorze. W porównaniu z poprzednią generacją trzecie pokolenie cechuje wydajność większa do 20 %, przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii. Procesory Core i3, Core i5 oraz Core i7, mające do czterech rdzeni, w połączeniu z no-wym QM77 Express Chipset, zapew-niają wydajność komputera przemysło-wego na poziomie obecnie najwyższym możliwym do osiągnięcia. Duże wra-żenie robi zintegrowana z procesorem karta graficzna HD Graphics 4000, zapewniająca też obsługę DirectX 11. To pozwala na realizację nawet bardzo wymagających zadań graficznych, ta-kich jak system wizualizacji, bez ko-nieczności stosowania dodatkowej kar-ty graficznej.

Pozostała cześć infrastruktury kom-putera również jest nastawiona na maksymalną wydajność obliczeniową i optymalną przepustowość danych. APC 910 wyposażono w kartę Se-rial ATA – CFast, która zastąpiła wcze-śniej używaną kartę Compact Flash. Łączy ona formę karty Compact Flash z szybkim interfejsem SATA.

Za płytą czołową APC 910 umiesz-czono łatwo dostępne gniazdo na kar-tę CFast, która może być wykorzysty-wana jako wyjmowalna pamięć do transferu danych lub instalacji nowych wersji.

W APC 910 zastosowano nowa-torski projekt systemu chłodzenia, z nowym radiatorem. Ulepszona jest

konwekcja dla bezwentylatorowe-go modelu APC 910. W systemach z wentylatorem strumień powietrza kierowany jest przez zintegrowane czę-ści chłodzące. Jako że wymiary pro-cesorów stale się zmniejszają, ciepło jest wytwarzane na coraz mniejszych powierzchniach. W takim przypadku przewody ciepła są najlepszym rozwią-zaniem zapewniającym jego optymalne odprowadzenie. Mają one postać rurek wypełnionych płynem, który poprzez parowanie i kondensację realizuje efek-tywny transfer dużej ilości ciepła poza tę małą przestrzeń. Przewody ciepła są bardzo lekkie i zajmują małą przestrzeń w obudowie komputera. APC 910 bez wentylatora może uzyskać taką wy-dajność, jaka w komputerach przemy-słowych poprzednich generacji była możliwa do osiągnięcia tylko z wenty-latorem.

APC 910 pracuje na systemach Li-nux lub Microsoft Windows Embedded Standard 7. Jest również dostępna wer-sja Premium Windows 7, zapewniająca takie możliwości jak: wsparcie dla pa-neli wielodotykowych i interfejsy wielo-języczne. Obydwa wymagają mniejszej pamięci i są tańsze niż pełna wersja Professional i Ultimate.

B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o.ul. Strzeszyńska 33, 60-479 Poznań

tel. 61 846 05 00fax 61 846 05 01


Pierwszorzędny wybór do dowolnego zadania automatyzacji

automation pC 910 (apC 910) ma wytrzymałą konstrukcję i doskonale pracuje

w systemie 24/7 w trudnych warunkach przemysłowych. serce tego potężnego komputera tworzą

procesory intel Core trzeciej generacji, reprezentujące osiągnięcia najnowszej technologii.

Komputer przemysłowy Automation PC 910

Fot.

B&

R A

utom

atyk

a Pr

zem

ysło

wa

promocja


Z myślą o aplikacjach wymagających przetwarzania sygnałów kwadraturo-wych enkoderów zaprojektowany został moduł ADE4U. Urządzenie pozwala na odczyt ilości impulsów (pozycji) oraz prędkości w 4 niezależnych kanałach pomiarowych. Ponadto ADE4U ma 5 wyjść tranzystorowych typu OC z kon-figurowanym progiem załączania oraz wyłączania zależnym od pozycji danego enkodera.Do współpracy z tensometrycznymi

czujnikami siły przygotowana została seria ADT, z której najbardziej zaawan-sowanym modelem jest ADT8. Moduły pomiarowe są wyposażone w wyjścia tranzystorowe z programowalnymi proga-mi załączania, co pozwala na ich użycie do sygnalizowania progów pomiarowych. ADT8 doskonale sprawdzi się w wie-lopunktowych systemach pomiaru siły i masy (platformy najazdowe, silosy itp.).Najbardziej uniwersalnym modułem

pomiarowym jest ADAE42U. Urządze-nie to pozwala na jednoczesną współ-pracę z kilkoma czujnikami, dzięki cze-mu w jednym czasie można mierzyć wiele różnych wartości. ADAE42U ob-sługuje do 4 czujników z wyjściem ana-logowym, mogących pracować w trybie różnicowym oraz do 2 czujników z wyj-ściem kwadraturowym. Dodatkowo po-siada 6 wyjść tranzystorowych typu OC z konfigurowanym progiem załączania oraz wyłączania zależnym od pozycji danego enkodera. Po zaprogramowaniu odpowiednich progów urządzenie może pracować niezależne (bez nadzoru kom-putera PC).Wszystkie przedstawione wyżej

urządzenia pomiarowe wyposażone są

w interfejs komunikacyjny RS-485 oraz USB. Protokół USB pozwala na prostą ko-munikację z komputerem, a dedykowane oprogramowania umożliwiają archiwiza-cję i wizualizację wyników pomiarowych. Interfejs Modbus RTU pozwala natomiast na łatwą komunikację tych urządzeń ze sterownikami PLC oraz panelami HMI, dzięki czemu operator może na bieżąco kontrolować i sterować procesami pro-dukcyjnymi i pomiarowymi.Wśród paneli operatorskich w ofercie

firmy WObit największą popularnością cieszy się seria MT4000 – ekonomicz-na, a zarazem bardzo funkcjonalna. Jest wyposażona w szereg protokołów komu-nikacyjnych, takich jak Modbus RTU, Ethernet oraz CANopen. Wbudowane porty szeregowe, w tym USB, pozwala-ją na programowanie panelu z poziomu komputera PC. Dzięki wyraźnym kolo-rom wyświetlacza, szybkiej pracy, którą zapewnia 32-bitowy 800 (400) MHz procesor, seria MT4000 jest odpowied-nia do większości aplikacji. Bardziej za-awansowana seria MT5000 obsługuje interfejsy sieciowe Profibus DP, Ethernet, CANopen czy MPI ze wsparciem konfigu-racji sieci zgodnej z MPI. Urządzenia te osiągają dużą wydajność dzięki proceso-rowi Marvell PXA5000 RISC 520 MHz oraz wbudowanemu systemowi opera-cyjnemu Linux OS.

PPH WOBIT E. K. J. Ober s.c.Dęborzyce 16, 62-045 Pniewy

tel. 61 291 22 25fax 61 291 10 11

e-mail: [email protected] R

EKLAMA

Moduły pomiarowe WOBIT we współpracy z panelami HMIFunkcjonalność – to słowo najlepiej charakteryzuje moduły pomiarowe

produkcji firmy WObit. Przygotowane, aby ułatwić realizację różnorodnych

zadań pomiarowych, dobrze spełniają swoje funkcje w wielu aplikacjach.

Promocja

44

TemaT numeru KomuniKacja i sieci przemysłowe

Efektem zintegrowania tych trzech dzie-dzin jest system, który nie tylko może działać niezależnie, jako lokalny układ sterowania i monitoringu, ale również mogący współpracować z istniejący-mi już w przedsiębiorstwie aplikacjami tego typu, tworząc rozproszony system z funkcją zdalnego sterowania i groma-dzenia danych telemetrycznych z odda-lonych obiektów.

Korzyści z wdrożeniaPodstawowym celem wprowadzania sys-temu zdalnego monitoringu i sterowania w przedsiębiorstwie jest obniżenie kosz-tów produkcji i eksploatacji. Oszczędności osiągane są dzięki: eliminacji konieczno-ści wyjazdów na obiekty technologiczne

Telemetria – monitoring i sterowanie rozproszonymi obiektami przemysłowymi

Fot.

AST

OR

w rozproszonych geograficznie

instalacjach bardzo istotnym

zagadnieniem jest kontrola obiektów

i urządzeń. Do takich aplikacji

firma asTor oferuje nowoczesny

system monitoringu i sterowania,

opracowany w oparciu o najnowsze

technologie z dziedziny informatyki,

automatyki oraz telemetrii.

promocja


w celach kontrolnych lub pomiarowych, przyśpieszonej ob-słudze awarii, szybkiej diagnostyce miejsc wystąpienia uste-rek, zmniejszeniu liczby przestojów maszyn oraz wydłuże-niu czasu eksploatacji materiałów i urządzeń.

Niezawodność potwierdzona ponad 200 instalacjami w całej PolscePierwsze systemy monitoringu i sterowania obiektami rozproszonymi – bazujące na ofercie firmy ASTOR – były wdrażane już ponad 10 lat temu. Do tej pory wdrożo-nych zostało w Polsce ponad 200 takich systemów, m.in.: w branży wodno-kanalizacyjnej, energetyce, górnictwie, produkcji i transporcie. Wieloletnie doświadczenie jest dla firmy ASTOR podstawą do ciągłego rozwoju oferowanego rozwiązania dla zapewnienia najwyższej niezawodności, prostoty obsługi i jeszcze lepszej integracji technologii z dziedziny informatyki, automatyki oraz telemetrii.

System dopasowany do potrzeb użytkownikaWraz z modernizacją instalacji oraz geograficznym rozpro-szeniem obiektów technologicznych, system monitoringu i sterowania można w dowolnym momencie elastycznie dopasować do aktualnie stawianych wymagań. Łatwość integracji z powszechnie dostępnymi systemami stero-wania oraz otwartość na wymianę danych z innymi roz-wiązaniami – stosowanymi w zakładach produkcyjnych, energetycznych, elektrociepłowniach i obiektach gospo-darki wodno-ściekowej – pozwala na zbudowanie jed-nego, spójnego systemu nadzorującego, dostarczającego w dowolnej chwili wiarygodnych informacji.

BudowaSystem zbudowany jest z czterech warstw.

Warstwa aplikacyjna – sprzęt komputerowy wraz z za-• instalowanym oprogramowaniem, odpowiedzialnym za: gromadzenie, wizualizację i przetwarzanie danych obiektowych w czasie rzeczywistym oraz za ich archiwi-zowanie i dokumentowanie.Warstwa transmisyjna – urządzenia i media komunika-• cyjne, kablowe i bezprzewodowe: switche przemysło-we, konwertery szeregowe i ethernetowe, radiomodemy oraz moduły GSM/GPRS.Warstwa sterowania – system sterowania zapewniający • stałą, wydajną i bezawaryjną pracę obiektów techno-logicznych i maszyn, budowany w oparciu o: sterowni-ki PLC, kontrolery PAC oraz przemienniki częstotliwości.Warstwa wykonawcza – elementy zainstalowane na • poszczególnych obiektach technologicznych; ich dobór jest związany bezpośrednio ze specyfiką aplikacji.Więcej informacji jest dostępnych na stronie www.

astor.com.pl/telemetria.

ASTOR Sp. z o.o.www.astor.com.pl R

EKLA

MA

Fot.

AST

OR

46


Do wspólnego mianownika wszystkich układów I/O można jednak sprowadzić trzy parametry, na które zwraca uwa-gę każdy integrator; bez wzglądu na to w jakiej aplikacji będzie pracował układ I/O. Są to: niezawodność, uniwer-salność oraz – przede wszystkim – cena. Parametry no-wych rozwiązań RSTi I/O oferowanych przez GE Intelli-gent Platforms, które zostały wprowadzone do sprzedaży w tym roku, na pewno zainteresują wszystkich, którzy chcą ograniczyć koszty bez rezygnowania z niezbędnej przecież wysokiej funkcjonalności.

Parametr 1 – niezawodnośćTo element, na który zwracamy uwagę zawsze. Nikt nie chce inwestować w rozwiązania, które będą powodowały problemy i narażały nas na koszty. Dla wielu z nas nie-zawodność to kwestia leżąca tylko po stronie producenta urządzenia. Jednak naprawdę zależy ona od kilku elemen-tów, m.in. od środowiska, w jakim będzie pracowało na-sze urządzenie. W przypadku układów I/O warto wybrać

Trzy powody, dla których warto zastosować rsTi i/o w warstwie układów i/o

układy i/o to nieodłączny elementy każdego

systemu sterowania. pomimo tego, iż zadanie

przez nie realizowane jest proste, dobór odpowiedniego

rozwiązania nie zawsze jest tak oczywisty,

jakby się mogło wydawać. wynika to z tego,

że każda instalacja ma inne wymagania.

promocja

Fot.

AST

OR


takie, które pozwolą nie tylko na pracę w szerokim zakresie temperatury, ale będą odporne na wstrząsy i wibracje oraz agresywne środowisko przemysłowe. Układ I/O jest bowiem najbardziej oddalonym elementem systemu sterowania i w wielu aplikacjach montowany jest w szafach instalo-wanych bezpośrednio na obiekcie lub na maszynie, a nie w wydzielonej sterowni. Również sama konstrukcja mecha-niczna ma duży wpływ na niezawodność. Układy oddalone w większości występują w postaci modułowej, co wymaga łączenia ich ze sobą. W przypadku środowiska narażonego na wstrząsy może to doprowadzać do rozłączania się ele-mentów, czego konsekwencją jest awaria. Ważne jest rów-nież, aby sam mechanizm podłączania okablowania obiek-towego gwarantował pewność i wytrzymałość zacisku. Na niezawodność mają także wpływ mechanizmy diagnostyki, które dostarczają informacje niezbędne do podjęcia odpo-wiednich działań zapobiegających awarii. Takie cechy ma właśnie RSTi I/O, czego świadectwem są uzyskane certyfika-ty. Układ charakteryzuje się bardzo wytrzymałą konstrukcją mechaniczną i dużą sztywnością, pomimo budowy moduło-wej. Węzeł tworzy się, zsuwając moduły ze sobą i montując na szynie DIN, co gwarantuje pewność połącznia. Magi-strala systemowa wykorzystuje styki ślizgowe, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania kaset montażowych. Moduły mają bogatą diagnostykę, a sam interfejs komunikacyjny odpowiedzialny za wymianę danych ze sterownikiem do-starcza wielu informacji statusowych i kontrolnych, infor-mując o pracy całego węzła.

Parametr 2 – uniwersalnośćPod pojęciem uniwersalności kryje się nie tylko możliwość dopasowania konfiguracji węzła I/O pod kątem wymagań instalacji, ale także elastyczność związana z obsługą od-powiednich sygnałów, pełna skalowalność oraz możliwość pracy w systemach sterowania pochodzących od różnych dostawców. Na uniwersalność mają również wpływ małe gabaryty samego układu, pozwalające na stosowanie go w szafach sterujących z ograniczoną przestrzenią monta-żową. Jeden węzeł I/O oddalonych RSTi I/O może składać się z 32 modułów rozszerzeń, które dobiera się spośród ponad 80 dostępnych modeli. Tak bogata oferta obejmuje moduły obsługujące różne liczby kanałów pomiarowych oraz różne standardy sygnałowe. Uzupełniają ją moduły do spe-cjalnego stosowania, umożliwiające obsługę pętli regulato-ra PID, sygnałów szybkozmiennych HSC, PWM oraz moduły komunikacyjne. Integrator może również dobrać interfejs ko-munikacyjny pod kątem standardu przyjętego na obiekcie. Do dyspozycji są interfejsy pozwalające na pracę w sieci Pro-finet, Profibus DP, Modbus TCP, Modbus RTU, DeviceNet, a w najbliższym czasie pojawią się również interfejsy do sieci Ethernet IP oraz EtherCAT.

Parametr 3 – niskie kosztyDla wielu użytkowników cena to najważniejszy parametr, ale tylko przy założeniu, że urządzenia spełniają wymagania pod kątem technicznym oraz niezawodności. W zależności od wielkości instalacji koszty związane z zakupem układów I/O mogą być naprawdę duże, dlatego trzeba je optymali-zować. Dotyczą one nie tylko zakupu, ale również serwisu, utrzymania, rozbudowy oraz dostępności, dlatego te aspek-ty nie mogą być pomijane podczas wyboru rozwiązania. W przypadku RSTi I/O już sama budowa pozwala ograniczać koszty. Interfejs komunikacyjny wyposażony jest w zasilacz

systemowy zasilający elektronikę oraz pętle pomiarowe w modułach rozszerzeń, a te z kolei nie wymagają stoso-wania kaset montażowych i dodatkowych terminali przyłą-czeniowych. Zastosowane w terminalach przyłączeniowych dostarczanych razem z modułem rozszerzeń punkty testowe pozwalają ponadto przyspieszyć serwis systemu. Również podwyższone stany magazynowe na RSTi I/O wpływają na obniżanie kosztów związanych z utrzymaniem.

Te trzy parametry powodują, że warto zastanowić się nad RSTi I/O, dobierając układy I/O do systemów scentralizowa-nych oraz do aplikacji o charakterze rozproszonym. Nie-wielkie gabaryty oraz możliwość łatwej rozbudowy, w po-łączeniu z bogatą ofertą dostępnych modułów pozwalają utrzymać koszty na niskim poziomie. Z kolei duża uniwer-salność połączona z możliwością prostej wymiany interfej-su komunikacyjnego na inny pozwala łatwo dopasować się do standardów obowiązujących na obiekcie. Również tech-nologia zastosowana w RSTi I/O ma bezpośrednie przeło-żenie na ograniczenie kosztów związanych z utrzymaniem, ponieważ pozwala minimalizować ilość energii dostarcza-nej do szaf dzięki możliwości pracy węzła w temperaturze od –20 °C do +60 °C.

Piotr AdamczykASTOR Sp. z o.o.


REKLAMA

Fot.

AST

OR

Ilość miejsc

ograniczona

Partnerzy:

Regionalne Seminaria / Szkolenia dla Służb Utrzymania Ruchu

Jeżeli jesteś zainteresowany uczestnictwem w Seminarium, zaprezentowaniem produktu

lub nowego rozwiązania napisz do nas: [email protected]

Energoelektronika.pl tel. (+48) 22 70 35 291

201321.02.2013 - Kraków28.03.2013 - Stalowa Wola18.04.2013 - Wałbrzych23.05.2013 - Rzeszów20.06.2013 - Trójmiasto10.10.2013 - Bydgoszcz 04.12.2013 - Warszawa

48


Najlepsza technologia sieciowa to pewny przesył danych i zwiększona wydajność. Wdrożenie zaawansowanych rozwiązań komunikacyjnych z możliwością dalsze-go rozwoju oraz standaryzacja urządzeń, prowadząca do uproszczenia stosowa-nych systemów, to ogromne wyzwania dla dostawców automatyki opartej na technologii sieci przemysłowych. Powyż-sze wymogi z zakresu inżynierii budowy maszyn i projektowania systemów do-tyczą wszystkich obszarów komunikacji przemysłowej – od wysokopoziomowej komunikacji na poziomie przedsiębior-stwa, przez komunikację na poziomie maszyn i systemów, do komunikacji na poziomie czujnik/element wykonawczy.

Firma Balluff opracowała moduły sieciowe integrujące systemy IO-Link

z przemysłowymi systemami komuni-kacyjnymi, takimi jak Profinet, Profibus, DeviceNet, Ethernet/IP lub CC-Link. Moduły te znacznie przewyższają kon-wencjonalne rozwiązania pod względem liczby funkcji i możliwych zastosowań. Nowa generacja urządzeń wyróżnia się nie tylko w pełni uszczelnionymi obu-dowami (IP67), ale także pełną gamą opcji konfiguracyjnych i diagnostycz-nych dostępnych z poziomu wyświetla-cza, diod LED i zintegrowanego serwera sieciowego.

Prosta diagnostyka i konfiguracja bez konieczności użycia dodatkowego oprogramowaniaJedną z największych zalet interfejsu IO-Link, obok uproszczonej instalacji, jest możliwość przesyłania parametry-zacji i informacji diagnostycznych bez-pośrednio z urządzenia za pomocą łącza IO-Link i magistrali wyższego poziomu. Dane te można w dowolnej chwili wy-świetlać, zmieniać, odczytywać lub za-pisywać w urządzeniu, bez konieczno-ści stosowania dodatkowych narzędzi. Oznacza to ogromne uproszczenie proce-dur związanych ze zmianą formatu, regu-lacją parametrów obrabianego elementu lub podobnych ustawień maszyn.

Szybki dostęp w przypadku korzy-stania z ethernetowych modułów We/Wy firmy Balluff zapewnia prosta prze-glądarka internetowa i zintegrowany serwer sieciowy.

Zintegrowany serwer sieciowy – nie tylko diagnostykaZintegrowany serwer sieciowy jest na-rzędziem diagnostycznym i konfigura-cyjnym do obsługi wszystkich modułów

ethernetowych. Aby sprawdzić stan modułu za pomocą komputera, wystar-czy przeglądarka internetowa – spe-cjalistyczne oprogramowanie nie jest wymagane. Ponadto przechowywane informacje mogą być pomocne podczas rozwiązywania problemów. Dostęp do zintegrowanego serwera sieciowego mo-dułów ethernetowych można uzyskać, używając standardowej przeglądarki internetowej. Użytkownik musi jedynie wprowadzić w niej adres IP modułu, a strona z odpowiednimi informacjami wyświetli się na ekranie komputera.

Wyświetlacz – nie tylko konfiguracja adresówUżytkownik może wyświetlić wszystkie informacje dotyczące inicjalizacji i ob-sługi sieci przemysłowej. Informacje wyświetlane są z użyciem jasnego i wy-raźnego tekstu. Prostota i brak koniecz-ności stosowania dodatkowych narzędzi zapewniają wysoki komfort obsługi.

Interfejs IO-Link – przełom w komunikacjiCo wyróżnia interfejs IO-Link? Bę-dąc ustandaryzowanym, uniwersalnym i jednolitym interfejsem automatyki przemysłowej, IO-Link przesyła wszyst-kie sygnały czujników do sterownika i dane sterujące do wszystkich ele-mentów wykonawczych, z najniższym poziomem włącznie. Sterowanie au-tomatyczne staje się bardziej zaawan-sowane, ponieważ czujniki i elemen-ty wykonawcze obsługujące interfejs IO-Link można konfigurować i diagno-zować za pomocą sterownika wyższe-go poziomu. Interfejs IO-Link umożliwia także pełny i prosty dostęp do poziomu

Firmie Balluff udało się idealnie połączyć komunikację

magistralową i sieciową na poziomie systemu z interfejsem io-Link

na poziomie czujnik/element wykonawczy. rozwiązania te stają się

powoli standardem komunikacji w świecie automatyki.

automatyzacja maszyn z interfejsem IO-Link

Nowe moduły We/Wy z podświetlanymi wyświetlaczami LCD i zintegrowanym zabezpieczeniem antysabotażowym wyróżniają się pełną gamą opcji konfiguracyjnych i diagnostycznych, dostępnych z poziomu wyświetlacza, diod LED i zintegrowanego serwera sieciowego

Dzięki interfejsowi IO-Link ustandaryzowane połączenie ze wszystkimi typami czujników i siłowników staje się rzeczywistością

promocja

Fot.

Bal

luff


czujnik/element wykonawczy z poziomu systemu sterowania. Dzięki interfejso-wi IO-Link można szybko, jednolicie i bez modyfikacji połączyć różne czuj-niki i elementy wykonawcze, używając standardowego przewodu trójżyłowego. Stosowanie systemów magistralowych nie jest konieczne, ponieważ interfejs IO-Link działa niezależnie od magistrali.

Korzyści we wszystkich obszarach automatyki. Interfejs IO-Link oferuje ogromne możliwości optymalizacji i re-dukcji kosztów w cyklu życia maszyn i systemów. Decyduje o tym uproszczo-na instalacja, centralna konfiguracja za pomocą sterownika oraz ciągła diagno-styka, dzięki którym znacznie zwiększa się dostępność systemu. Korzyści moż-na osiągać w najróżniejszych obszarach działalności przedsiębiorstwa.

Logistyka i planowanie – niższe koszty. Jednolity, uniwersalny inter-fejs, obsługujący różne warianty urzą-dzeń, znacznie upraszcza zarządzanie zasobami sprzętowymi. Ilość działań związanych z planowaniem i zarzą-dzaniem zmniejsza się dzięki redukcji liczby używanych interfejsów. Użycie prostych, nieekranowanych przewo-dów przemysłowych oznacza niższe koszty, a fakt, że IO-Link to otwarty standard branżowy, zwiększa bezpie-czeństwo inwestycji.

Serwis i obsługa – mniejsze nakła-dy. Możliwość automatycznej regulacji dostępna dzięki interfejsowi IO-Link znacznie zmniejsza nakład pracy zwią-zany z obsługą urządzeń i systemu. Bezpieczne identyfikowanie i lokalizo-wanie błędów, szybka wymiana czuj-ników i centralne sterowanie danymi pozwalają uzyskiwać dłuższe czasy pracy maszyn, a predykcyjne wykrywa-nie błędów umożliwia redukcję działań związanych z obsługą.

Instalacja i rozruch – ogromna oszczędność czasu. Prosta integra-cja z systemami magistralowymi, uzy-skana dzięki jednolitemu interfejsowi

i standardowym, nieekranowanym prze- wodom, pozwala zmniejszyć czaso- i pracochłonność instalacji. Konfigura-cja odbywa się z poziomu sterownika, co znacznie skraca czas rozruchu.

Działanie systemu – duża stabil-ność. Dzięki uniwersalnemu inter-fejsowi IO-Link można uniknąć sto-sowania dodatkowych interfejsów, a bezpośredni przesył danych pozwala uzyskać wysoką precyzję sterowania automatycznego. Inteligentne czujniki i siłowniki można konfigurować zdal-nie z lokalizacji centralnej nawet na duże odległości, co znacznie popra-wia stabilność systemu. Bezpieczną regulację i optymalną pracę systemu zapewnia możliwość prowadzenia cią-głego monitorowania danych, np. pod-czas regulacji zadanego poziomu na-pełnienia lub histerezy przełączania. W przypadku awarii urządzenie moż-na szybko wyłączyć. Zmiana formatu odbywa się równie szybko, ponieważ

parametry wszystkich inteligentnych urządzeń są przechowywane central-nie i można je w razie potrzeby auto-matycznie pobrać. Podawanie sygnału wysokiego poziomu za pośrednictwem linii IO-Link stanowi też doskonałe za-bezpieczenie przed zakłóceniami. Sto-sowanie przewodów ekranowanych w przypadku sygnałów analogowych nie jest już konieczne.

Interfejs IO-Link to idealne rozwią-zanie dla przedsiębiorstw poszukują-cych rozwiązań zwiększających wy-dajność i konkurencyjność w zakresie inżynierii budowy maszyn. Zastosowa-nie tego branżowego standardu komu-nikacyjnego oznacza skrócenie czasu i redukcję kosztów instalacji, a także uzyskanie przejrzystego i wydajnego systemu sterowania. Prace rozwojo-we zostały już zakończone i nadszedł czas, aby inżynierowie i użytkownicy docenili korzyści, jakie daje używanie interfejsu IO-Link. Chwila jest odpo-wiednia, ponieważ zapotrzebowanie na innowacyjne, przynoszące oszczęd-ności rozwiązania jest dziś wyjątkowo duże. W takich warunkach wdroże-nie interfejsu IO-Link jest doskonałym pomysłem.

BALLUFF Sp. z o.o.ul. Muchoborska 16, 54-424 Wrocław

tel. +48 71 338 49 29faks +48 71 338 49 30e-mail: [email protected]

www.balluff.pl

Dostęp do stanu modułu We/Wy można uzyskać za pomocą standardowej przeglądarki internetowej i zintegrowanego serwera sieciowego

Czujnik odległości BOD 63M – z wyjściem

analogowym, jednym wejściem i dwoma

wyjściami sygnałowymi: dzięki interfejsowi

IO-Link podział na osobne ekranowane

i nieekranowane linie z użyciem skrzynki zaciskowej nie jest

już wymaganyFot.

Bal

luff

50

Organizator konkursu

www.piap.pl

Zgłoszenie należy przesłać na adres [email protected] do dnia 24 lutego 2013 r.Regulamin konkursu i formularz zgłoszeniowy są dostępne na stronie

www.piap.pl

Wyniki konkursu zostaną ogłoszone podczas Konferencji AUTOMATION w Warszawie, w dniu 20 marca 2013 r.

w kategorii prac doktorskich:

I nagroda 3500 zł II nagroda 2500 złw kategorii prac magisterskich:

I nagroda 3000 zł II nagroda 2000 złw kategorii prac inżynierskich:

I nagroda 2500 zł II nagroda 1500 zł

w dziedzinach Automatyka Robotyka Pomiary

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP ogłasza

V Ogólnopolski Konkurs na

młodzi innowacyjni

Informacji udzielają:Małgorzata Kaliczyńska: [email protected], tel. 22 8740 146 Bożena Kalinowska: [email protected], tel. 22 8740 015

inżynierskie, magisterskie i doktorskie

PatronatKomitet Automatyki i Robotyki Polskiej Akademii NaukKomitet Metrologii i Aparatury Naukowej Polskiej Akademii NaukPolska Izba Gospodarcza Zaawansowanych TechnologiiPolskie Stowarzyszenie Pomiarów Automatyki i Robotyki POLSPAR

Projekt Młodzi Innowacyjni – wsparcie upowszechniania wiedzy w obszarach automatyki, robotyki i pomiarów donansowany

ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu Kreator Innowacyjności

Patronat medialny Miesięcznik PAR Pomiary Automatyka Robotyka


Jeśli prześledzić rozwój sieci Ethernet, wyraźnie widać, że wszelkie nowinki techniczne wprowadzane są do automatyki z opóźnie-niem. Wynika to z faktu, że w przemyśle rację bytu mają tylko sprawdzone i niezawodne rozwiązania. Podobnie rzecz miała się z technologią PoE. Standard IEEE 802.3af został wprowadzony już w 2003 roku, ale w automatyce przemysłowej dopiero od roku obserwujemy boom na rozwiązania PoE.

Rynek na te urządzenia napędzany jest głównie powszechnym stosowaniem kamer do monitoringu oraz punktów dostępowych Wi-Fi. W obu przypadkach jest to bardzo wygodne rozwiązanie, które pozwala na zdalne i scentralizowane zarządzanie urządze-niami peryferyjnymi. W przypadku switchy zarządzalnych możliwy jest np. zdalny reset urządzenia PD.

Sceptycy technologii PoE twierdzą, że zasilanie napięciem stałym przy długich i cienkich przewodach Ethernet jest bardzo nieefektywne, ale jeśli weźmiemy pod uwagę brak dedykowanego zasilacza przy każdym urządzeniu oraz odpowiedniej instalacji AC, wtedy straty mocy wydają się być uzasadnione. Trzeba również pamiętać, że dedykowane zasilacze często ulegają awarii i nie ma nad nimi zdalnej kontroli.

Technologia PoE w automatyce przemysłowej została począt-kowo wprowadzona do specjalistycznych switchy zasilanych na-pięciem 48 V DC. Przełączniki takie miały zwykle maksymalnie 4 porty IEEE 802.3af.

Teraz firma Aaxeon oferuje cały typoszereg switchy z 4, 8 lub nawet 24 portami PoE. Technologia PoE została zaimplemen-towana zarówno w prostych 5-portowych przełącznikach, jak i w dużych zarządzalnych jednostkach. Właściwie każdy prze-mysłowy switch firmy Aaxeon ma swój odpowiednik z portami PoE. Przełączniki Aaxeon zgodne z IEEE 802.3at dostarczają do 30 W na każdym porcie, mogą więc zasilić kamerę z wbu-dowaną grzałką.

Kolejną bardzo użyteczną funkcjonalnością switchy Aaxeon jest możliwość zasilania switcha napięciem z przedziału od 24 V DC do 48 V DC. Jeśli w szafie mamy tylko napięcie 24 V DC, nie trzeba stosować dodatkowych zasilaczy lub przetwornic.

Podobnie jak w przypadku przełączników sieciowych firma Aaxeon oferuje większość swoich mediakonwerterów nie tylko w wersji standardowej, ale i PoE. Oprócz przemysłowych me-diakonwerterów z serii IMP Aaxeon ma w ofercie całą gamę ko-mercyjnych mediakonwerterów z portami PoE. Uzupełnieniem oferty switchy i mediakonwerterów są gigabitowy injector i split-ter. Zasilacz LNP-201AG-T może przesyłać zarówno dane, jak i zasilanie do urządzeń zgodnych z IEEE 802.3at. Splitter LNP-101AG-T umożliwia rozszycie zasilania i danych przesyłanych jednym kablem. Oprócz typowych urządzeń PSE Aaxeon oferuje

Produkty PoE firmy AAXEONSieć Ethernet po raz pierwszy została zastosowana w rozwiązaniach komercyjnych w roku 1980,

a 20 lat później pojawiły się pierwsze próby wprowadzenia tego standardu do sieci przemysłowych.

O ile na początku było wielu sceptyków takiej koncepcji, to od kilku lat Ethernet bezdyskusyjnie

jest najpopularniejszym standardem w automatyce przemysłowej.

MOCY...

SZUKASZ PRODUKTÓW POE?

Produkty Power Over Ethernet rmy Aaxeon

TEL.: +48 22 862 88 81 | E-MAIL: [email protected]

ManagedPoE Switch

UnmanagedPoE Switch

GigabitPoE Switch

PoE+Switch

PoESplitter

PoE MediaConverter

PoE+Switch

ManagedPoE Switch


ManagedPoE Switch

UnmanagedPoE Switch

ManagedPoE Switch


UnmanagedPoE Switch

GigabitPoE Switch


UnmanagedPoE Switch

PoESplitterSwitch

PoE MediaConverter

Do 30W na każdym porcie POESzeroki zakres temperatury pracy

Wzmocniona obudowa IP305 lat gwarancji

www.aaxeon.pl

REKLAMA

szereg urządzeń PoE PD. W ofercie znajdziemy m.in. punkty do-stępowe, routery Wi-Fi oraz serwery porów szeregowych. We wszystkich urządzaniach port Ethernet zgodny z PoE PD może być głównym lub rezerwowym źródłem zasilania.

Popularność standardu PoE podyktowana jest względami prak-tycznymi. Jeśli mamy do czynienia z aplikacją, w której urządzenia peryferyjne znajdują się w trudno dostępnych lokalizacjach, PoE wydaje się być idealnym sposobem dostarczania zasilania.

Cezary KalistaAAXEON Technologies Sp. z o.o.

tel. 22 862 88 81e-mail: [email protected], www.aaxeon.com.pl

KOmuNiKAcjA i SiEci przEmySłOwE TEmAT numERu

promocja

52

AplikAcje Przemysł medyczny

Oticon część swoich produktów wytwarza w Danii, testując je do czasu, aż będą gotowe do produkcji seryjnej. – Jesteśmy czymś w rodzaju stanowiska badawczego dla nowoopracowa-nych produktów i tu produkujemy nasze aparaty wewnątrz-uszne – wyjaśnia Arne Oddershede, lider grupy w dziale utrzy-mania ruchu Oticonu.

Spółka wykorzystuje roboty od 10 lat. Rynkowa tendencja do miniaturyzacji aparatów słuchowych postawiła przed firmą nowe wyzwania związane z produkcją i składaniem bardzo małych części. Duże, dwu- i trzyosiowe roboty, wykorzystywa-ne dotychczas przez Oticon nie były w stanie sprostać temu zadaniu. Nie dało się tego zrobić także ręcznie.

– Części nowoczesnych aparatów słuchowych stają się co-raz mniejsze, osiągając wielkość milimetra. Szukaliśmy roz-wiązania, które umożliwiłoby wyciąganie małych elementów z formy. Było to niemożliwe nawet manualnie. Już od jakie-goś czasu postawiliśmy na automatyzację procesu produkcji, jednak do tego celu potrzebowaliśmy elastycznego rozwiąza-nia, które w przypadku mniejszych serii produkcyjnych byłoby również ekonomiczne – dodaje Arne Oddershede.

Elastyczne ramię sześcioosiowego robotaFirma Armiga, specjalizująca się w integracji systemów i dys-trybucji robotów Universal Robots, zaopatrzyła Oticon w roz-wiązanie odpowiednie do ich potrzeb w postaci lekkiego, sześcioosiowego robota UR5 o udźwigu 5 kg. – Zdaliśmy so-bie sprawę, że roboty dwu- i trzyosiowe nie są odpowiednie do tego zadania. Ruchy ramienia do przodu, do tyłu, w górę i w dół nie były wystarczające. Jeżeli na przykład drobna

roboty wspomagają produkcję nowoczesnych aparatów słuchowych

szybki rozwój inżynierii medycznej oznacza

potrzebę ciągłej adaptacji procesów produkcji.

Współcześnie standardem stała się

szeroka gama modeli i zarazem mniejsze partie,

które w dalszym ciągu muszą być produkowane

w jak najbardziej ekonomiczny sposób.

Właśnie dlatego producent aparatów słuchowych

Oticon zdecydował się na automatyzację

procesu produkcji. Wykorzystuje roboty

przemysłowe w procesie produkcji seryjnej,

a także przy opracowywaniu nowych produktów.

Od lewej: Lars Gasberg, kierownik sprzedaży w firmie Armiga oraz Arne Oddershede, lider grupy w dziale utrzymania ruchu w firmie Oticon

Fot.

Uni

vers

al R

obot

s

Promocja

pomiary Automatyka Robotyka nr 12/2012 53

część utknie w formie, musi istnieć możliwość wyciągnięcia jej – mówi Lars Gasberg, kierownik sprzedaży w firmie Armiga. Intuicyjna obsługa i precyzja, z jaką pracują roboty Universal Robots, zadecydowały o ich wyborze przez Oti-con. Ważnym czynnikiem była również możliwość wykorzystania robota przy produkcji małych serii, a co za tym idzie sprzedaż aparatów słuchowych po kon-kurencyjnych cenach.

Funkcjonalność dostosowana do potrzeb produkcjiMontaż robota w formierni Oticon trwał zaledwie jeden dzień. Zadaniem UR5 jest obsługa bardzo małych części,

takich jak filtry antywoskowinowe wiel-kości zaledwie milimetra.

Robot, dobrze przymocowany do wtryskarki, przesuwa się nad jej formą i wyciąga z niej plastikowe elementy, wykorzystując specjalnie zaprojekto-wany system próżniowy. Może to robić dzięki narzędziu ssącemu, które jest w stanie pomieścić jednocześnie do czterech komponentów. Robot UR5 jest zaprogramowany w taki sposób, aby mechanizm ssący uruchamiał się wy-łącznie w przypadku, kiedy forma jest otwarta. Po zabraniu części robot odsu-wa się, a wtryskarka przygotowuje się do nowej operacji odlewania. Wszyst-kie komponenty z tej samej formy są

następnie gromadzone w osobnych szklanych rurkach. System próżniowy gwarantuje uniknięcie uszkodzeń deli-katnych elementów.

W przypadku odlewania bardziej złożonych komponentów narzędzie ssą-ce wymienione jest na pneumatyczny chwytak. Dzięki sześciu osiom UR5 może obracać lub przechylać części w celu szybkiego ich podniesienia z for-my. Robot pracuje w cyklach trwają-cych od czterech do siedmiu sekund, w zależności od wielkości serii produk-cyjnej oraz komponentu.

Uniwersalne robotyBardzo ważne było dla nas to, że robot jest łatwo dostępny i logicznie zapro-jektowany. Łatwo go także przeprogra-mować. Tradycyjne roboty posiadają komputery i wymagają specjalnie prze-szkolonego personelu – programistów. W przypadku robota UR5 każdy z na-szych techników może dosłownie chwy-cić go i pokazać mu ruch do wykonania – mówi Arne Oddershede.

Robot Universal Robots może dzia-łać bez ogrodzenia zabezpieczającego oraz innych specjalnych zabezpieczeń. Tryb współpracy zapewnia bezpieczeń-stwo personelu pracującego w pobliżu robota. Gdy tylko pracownik zetknie się z ramieniem robota i zadziała na nie-go siła wynosząca przynajmniej 150 N, ramię robota automatycznie przestanie działać. Centrum Badań Materiałów w Duńskim Instytucie Technicznym potwierdziło, że tryb bezpieczeństwa robota spełnia wymagania w zakresie współpracy z ludźmi w zakładach pro-dukcyjnych zgodnie z europejską normą PN-EN ISO 10218.

Efektywna inwestycjaDodatkowym argumentem przemawia-jący za nabyciem robota od firmy Uni-versal Robots była przystępna cena. In-westycja zwróciła się w ciągu krótkiego okresu (kilku miesięcy). Ponadto koszty eksploatacyjne są rozsądne, ponieważ robot pracuje w sposób szczególnie efektywny pod względem zużycia ener-gii elektrycznej. – Robot UR5 spełnił wszystkie nasze wymagania – wyjaśnia Arne Oddershede.

Oticon wprowadził obecnie do użyt-ku drugiego robota, wykorzystywanego do tego samego zakresu zadań, do swo-jego zakładu produkcyjnego w Polsce.

UNIVERSAL ROBOTSwww.universal-robots.comFo

t. U

nive

rsal

Rob

ots

54

Rozmowa PaR Rozmowa PaR

Rozmowa ze Stefanem Życzkowskim,

prezesem firmy ASTOR

Spotykamy się w dniu rozdania nagród w konkursie ASTOR na najlepszą pracę dyplomową [relacja z tego wydarzenia na s. 18 – p. red.]. Inicjatywa ta liczy już sobie kilkanaście lat, i nadal cieszy się niesłabnącym zainteresowaniemKonkurs realizujemy od 1999 roku. W ciągu ostatnich dwóch lat zmieniona została metodyka pracy jury, przez co formuła konkursu zyskała na atrakcyj-ności. Zapraszamy wszystkich nomino-wanych wraz z promotorami. Finaliści przedstawiają swoje prace, a jury obra-duje w przerwie i wyłania zwycięzców. Jak pokazały to poprzednie edycje, nie-które prace zyskują podczas prezenta-cji, inne tracą – taki system lepiej się sprawdza i jest bardziej sprawiedli-wy. Dawniej laureaci byli wyłaniani na podstawie analizy nadesłanych prac. Doświadczenia ostatnich dwóch lat pokazują wyraźnie, że nowa formuła konkursu, mimo że jest bardziej wyma-gająca dla uczestników, pozwala jury lepiej zrozumieć prezentowane zagad-nienia i problemy.

A czy zatrudniają Państwo laureatów konkursu?Jednym z założeń działań wspierają-cych edukację, jakie podejmuje firma ASTOR, a takim jest organizacja kon-kursu prac dyplomowych, jest popu-laryzacja nowoczesnych technologii wśród studentów. Nasza silna pozycja na rynku zależy od członków naszego zespołu: doświadczonych specjalistów i znawców branży oraz najlepszych ab-solwentów uczelni technicznych. Wi-dzimy potencjał, jaki drzemie w finali-stach – naturalnym jest więc fakt, że na przestrzeni lat kilku zatrudnionych lau-reatów znalazło pracę w ASTOR-ze. Co więcej, wielu z nich dostało etat w na-szych firmach partnerskich.

Podobno Pańska firma wyrosła z Pana hobby. Czy mógłby Pan przypomnieć tę historię? Czy to prawda, że kapitałem zakładowym były pieniądze zarobione przez Pana podczas studiów?Tak, na początku, w systemie domowej manufaktury pisałem oprogramowanie i konstruowałem urządzenia elektro-niczne, które potem sprzedawałem. Pierwszy mój wyrób mam u siebie w biurze do tej pory. Sukces rynkowy tego urządzenia wywołał u mnie chęć założenia firmy. Na początku wszyst-ko było „domowe”: kupowanie tranzy-storów czy układów elektronicznych, ale potem nastąpiła komercjalizacja

Chcemy walczyć z niechęcią polskich przedsiębiorców do inwestowania w robotykę

Fot.

PA

R

Pomiary automatyka Robotyka nr 12/2012 55

procesu. W pierwszej fazie rozwoju firmy wyprodukowałem 100 takich in-terfejsów, urządzeń do komputera ZX-Spectrum, sprzedałem je wszystkie i… powiedziałem, że to nie dla mnie.

Właśnie, co zadecydowało o tym, że na początku lat 90. zmienił Pan branżę?Przede wszystkim już wtedy wiedzia-łem, że komputery będą dostępne dla wszystkich, że będzie je można kupić nawet w sklepach typu Carrefour czy Géant, tylko pomyliłem się w tych prze-widywaniach o dekadę. Zauważyłem, że na tym rynku działa mnóstwo ludzi i że ta branża nie wymaga bardzo za-awansowanej wiedzy. A ja chciałem mieć firmę opartą na wiedzy, działającą w niszy rynkowej, gdzie tę wiedzę bę-dziemy zdobywać, sprzedawać i ktoś będzie chciał za nią zapłacić. Wiedza potrzebna w branży komputerowej jest bardzo płytka. Skończyłem studia i nie chciałem konkurować ceną, nie chcia-łem mieć kolejnego salonu komputero-wego.

Wówczas postanowił Pan wejść na ry-nek sterowników PLC. Tak, chciałem zajmować się sterow-nikami programowalnymi, czyli urzą-dzeniami w klasie PLC, które teraz są powszechnie stosowane. Wówczas, na polskim rynku dostępna była właściwie tylko oferta firmy Siemens. Już w stanie wojennym, amerykańskie przedsiębior-stwa wycofały całą technologię z Polski, natomiast Niemcy wyszli z założenia, że embargo embargiem, ale business is business. Toteż w latach 80. domi-nowała technologia niemiecka. W prak-tyce więc w Polsce były dostępne no-woczesne urządzenia, choć nieliczne i ekstremalnie drogie. W 1992 roku napisałem listy do pię-ciu firm: GE Fanuc, Siemens i trzech innych, które już nie istnieją. Tylko jed-na firma mi odpowiedziała. Tak rozpo-częła się nasza współpraca z GE Fanuc. Pojechałem do Berlina na spotkanie. Wtedy inaczej robiło się biznes – wy-starczyło mieć trochę kapitału, świado-mości i wydukać po angielsku, że się chce. Autoryzowanym dystrybutorem zostałem w ciągu dwóch tygodni. Po-tem nastąpił bardzo trudny okres, któ-rego wiele osób nie dałoby rady przejść, ponieważ od momentu rozpoczęcia współpracy z GE Fanuc (obecnie GE In-telligent Platforms) do sprzedaży pierw-szego sterownika minęło aż 9 miesięcy. We wrześniu 1992 roku sprzedaliśmy

pierwsze sterowniki, a wcześniej ży-liśmy na garnuszku u rodziców, tzn. koszty mieliśmy jeszcze bardzo moc-no zredukowane i nadal prowadziliśmy biznes komputerowy. Jedno, co może nadal zostaje aktualne w kontekście branży automatyki przemysłowej to to, że jest to rynek z jednej strony stabilny, a z drugiej strony długookresowy. Trzeba umieć przeżyć początkową próbę ognia. Im dłużej się na jakiś rynek wchodzi, tym też trudniej się z niego spada, po-nieważ każdemu nowemu graczowi jest równie trudno wejść.

A jak to się stało, że ASTOR zajął się robotyzacją? Zaczynali Państwo od dystrybucji robotów Fanuc, z którą to firmą weszli Państwo we współpracę przez GE Fanuc…W maju 1993 roku pojechałem na zlot najlepszych dystrybutorów firmy GE

Fanuc w Europie. Od dwóch lat firma GE Fanuc (która była odrębną spółką) dzieliła budynek z Fanuc Robotics. Po-szliśmy tam na zwiedzanie zakładu i okazało się, że ich szef znał doskona-le szefa firmy Fanuc Europe, która nie miała w Polsce dystrybutora. W ten sposób się poznaliśmy. Niedługo potem podpisaliśmy z firmą Fanuc kontrakt na dystrybucję robotów. Trzeba uczciwie powiedzieć, że Fanuc nauczył nas robotyki, dał nam solidne podstawy. Natomiast dość szybko prze-konaliśmy się, że Fanuc ma zupełnie inną strategię rynkową i nie współpra-cuje z dystrybutorami, wszędzie ma własne oddziały. Także nas firma nie traktowała jak dystrybutora. Dziś, kie-dy szukamy dostawcy, sprawdzamy od razu, czy w danej organizacji istnieje doroczne spotkanie dystrybutorów. Jego brak zwiastuje kłopoty. Wspomnia-ne kłopoty objawiły się po paru latach współpracy z firmą Fanuc. Wbrew po-zorom, Fanuc nie był w Polsce w ogóle znany i z wielkim trudem wprowadzi-liśmy go na rodzimy rynek. Kiedy zaś

pojawiła się sprzedaż i pieniądze, podą-żyły za nimi problemy, bo nie domówi-liśmy wszystkiego dobrze na początku. Podjąłem więc decyzję o zaprzestaniu współpracy. W ciągu dwóch tygodni przenieśliśmy się na roboty Kawasaki. To firma, która ma dystrybutorów i inną strategię. Co ciekawe, nasza rezygnacja wywołała mocny oddźwięk w GE Fa-nuc, odebrałem wiele ciekawych telefo-nów, a trzy lata później GE rozłączyło się z firmą Fanuc.

Niedawno nawiązali Państwo współ-pracę z Epsonem.Tak, roboty firmy Epson miały swo-ją oficjalną premierę podczas tego-rocznych Targów ROBOTshow w So-snowcu. Wprowadzenie ich do oferty ASTOR-a nie stanowi konkurencji dla Kawasaki, ponieważ Epson produkuje roboty innej klasy. Są to roboty 4-osiowe

typu SCARA, w których Epson jest lide-rem na rynku europejskim. Firma nie miała dobrego dystrybutora w Polsce, postanowiliśmy więc rozszerzyć naszą ofertę. To małe, lekkie roboty, z któ-rymi wiążemy duże nadzieje. Chcemy walczyć z niechęcią polskich przedsię-biorców do inwestowania w robotykę. W Polsce sprzedaje się około 300 ro-botów rocznie, podczas gdy w również 40-milionowej Korei – około 2 tysięcy. Jesteśmy więc tygrysem ze stępiony-mi zębami. Brak inwestycji w robotykę w Polsce nie jest kwestią finansów, lecz panującej bojaźni. Naszą rolą jest przy-bliżanie robotyki przedsiębiorcom.

A jak jest dziś?Inaczej niż w latach 90. Obecnie wejść na rynek automatyki jest niezwykle trudno, aczkolwiek zawsze pojawiają się nowe technologie, możliwości. Poja-wiają się nowe firmy i utrzymują się na rynku dłużej czy krócej. Natomiast dla mnie wyznacznikiem sukcesu jest czas jego trwania. Sukces jednokrotny typu boom, gdzie np. w jednym roku notuje Fo

t. P

AR

Dziś, po wielu zmianach na rynku, pracuje u nas wielu młodych ludzi, ale mamy też ludzi z kilkunastoletnim doświadczeniem, znających nasze systemy na wylot. To właśnie odróżnia nas od innych firm.

56

Rozmowa PaR

się niewyobrażalnie dużą sprzedaż, ni-gdy nie był moim priorytetem. Zawsze chciałem budować biznes, który bę-dzie i dziś, i jutro. Stworzyliśmy firmę w oparciu o wiedzę i doświadczenie, a żeby sprzedawać wiedzę, trzeba ją posiadać. W ASTOR-ze powszechna jest świadomość ciągłego doskonalenia. Nieustannie się doszkalamy, a potem tę wiedzę przekazujemy naszym klien-tom. Za klucz do sukcesu naszej firmy uważam także fakt braku rotacji kadr przez wiele lat, aktualnie nie przekracza ona 3 % rocznie. Z perspektywy 25 lat mogę stwierdzić, że rotacja na poziomie 1 % była zbyt mała. To nie zdarza się

powszechnie. Dziś, po wielu zmianach na rynku, pracuje u nas wielu młodych ludzi, ale mamy też ludzi z kilkunasto-letnim doświadczeniem, znających na-sze systemy na wylot. To właśnie odróż-nia nas od innych firm.

Wspomniał Pan, że rozwój firmy rozpo-czął od znalezienia niszy. A co teraz, po 25 latach? Kolejna nisza?Teraz mamy kolejny punkt rozwoju. Przez wiele lat pięliśmy się w górę, za-równo jeżeli chodzi o wizerunek firmy, jej pozycję, kompetencje, jak i możli-wości. Oferujemy teraz nowoczesne, kompleksowe rozwiązania dla dużych i bogatych przedsiębiorstw. Odnosimy sukces w obszarze, nazwijmy to, trud-nych i droższych aplikacji. Właśnie zdecydowaliśmy, że otworzymy nową linię produktową ekonomicznych komponentów automatyki dla firm. Bę-dzie to cała linia produktów, dostępna on-line, ale również w standardowej sprzedaży. Chcemy wyodrębnić atrak-cyjną cenowo, sprawdzoną automatykę, która właśnie w sposób bardziej auto-matyczny będzie sprzedawana firmom, które potrzebują mniejszego wsparcia w zakresie wdrażania systemów. Prze-widujemy więc atrakcyjne rabaty dla firm integratorskich. Będzie temu to-warzyszyła nowa strona internetowa, ponieważ doszliśmy do wniosku, że nie zmieści się to pod jedną marką. Tak więc, będzie to trend równoległy. W tej chwili ASTOR współpracuje z wieloma użytkownikami końcowymi, robi duże projekty dla olbrzymich instalacji, a że wywodzimy się z małych instalacji, chcemy do tego wrócić.

Ćwierćwiecze to czas podsumowań. Co było powodem zgolenia brody przez Pana?Może opowiem tę historię od począt-ku. W 1992 roku, kiedy byłem bardzo młody, pukałem do drzwi i usiłowałem sprzedać sterowniki. Wyraźnie odczu-wałem, że klienci nie traktują mnie po-ważnie. Wówczas, jedynie z przyczyn „technicznych”, żeby wyglądać starzej, zapuściłem brodę. Po ponad 20 latach już nie muszę się postarzać. Kolejne 20 lat będę działał w automatyce polskiej bez brody.

To już wiadomo, skąd u Pana tak otwarte podejście do studentów i mło-dych pracowników.Wiem, jak ciężko jest na początku dro-gi zawodowej, sam kiedyś zaczynałem.

Nie mieliśmy nic, nawet referencji. Wiele firm z branży automatyki wy-wodzi się z firm, które istniały jeszcze w poprzednim systemie gospodar-czym, w latach 70. i 80., w czasach socjalizmu. My założyliśmy firmę od zera, nie mając żadnego doświadcze-nia. Skończyłem studia i nawet nie wiedziałem, że istnieje coś takiego jak sterownik PLC. Wszystkiego nauczy-łem się po studiach.

A teraz, czy studenci przychodzący do Pana firmy wiedzą już, co to sterow-nik?Według mnie, znacznie podwyższył się poziom nauczania w szkołach, wbrew temu co się mówi. Nie wiem, czy to dotyczy wszystkich szkół, czy tylko najlepszych, ale studenci przychodzą-cy do nas są znakomicie wykształceni i energiczni. Jedyna trudność polega na tym, że reprezentują inne pokole-nie, są wychowani w zupełnie innym środowisku. Jeżeli jednak rozumie się tę różnicę i potrafi z nimi postępo-wać, co wcale nie jest łatwe, to można osiągnąć naprawdę świetne rezultaty. Bardzo łatwo jest generalizować, na-rzekając na młode pokolenie. My zro-zumieliśmy kilka lat temu, że po prostu trzeba umieć do nich dotrzeć. Trzeba nauczyć się pracować z różnymi ludź-mi. Reasumując, obecni absolwenci są znacznie lepiej wykwalifikowani niż w latach 90.

Czyli nie podpisze się Pan pod nadal pokutującą opinią, że uczelnie produ-kują osoby zupełnie nieprzystosowane do rynku pracy, które trzeba wszystkie-go uczyć od podstaw?Nie. Najprościej jest zrzucić na kogoś winę. Oczywiście jest dyskusja o pro-filu nauczania i o tym, że studia hu-manistyczne generują bezrobotnych, natomiast studia techniczne nie stwa-rzają tego problemu. To nie jest wina uczelni, że ktoś jest taki czy inny. To cechy indywidualne danej osoby. Lu-dzie są różni. Będę bronił polskich uczelni, bo mam porównanie z uczel-niami zachodnimi.

Rozmawiali Anna Ładan i Seweryn Ścibior

PAR

Stefan Życzkowski, prezes ASTOR Sp. z o.o. Absolwent Wydziału Mechanicz-nego Politechniki Krakowskiej. Znawca krajowych i zagranicznych rynków automatyki. Współzałoży-ciel firmy ASTOR i jej prezes od 1987 roku. Pod jego kierownictwem firma rozwinęła się z dwuosobowej fir-my rodzinnej do spółki o ogólno-polskim zasięgu, będącej liderem wśród dostawców systemów stero-wania, oprogramowania i robotyki. W przyjętej strategii dla ASTOR, konsekwentnie opiera się na dys-trybucji produktów, w połączeniu z profesjonalnym wsparciem tech-nicznym. Wprowadził do oferty firmy roz-wiązania czołowych producentów automatyki przemysłowej: od 20 lat reprezentuje na polskim rynku rozwiązania GE z zakresu syste-mów sterowania, od 16 lat firmę Wonderware – światowego lidera w zakresie rozwiązań informatycz-nych do zarządzania i śledzenia produkcji, a od ponad 7 lat popu-laryzuje robotyzację w polskich zakładach przemysłowych.


Niezmiernie cieszy fakt, że w ciągu kilku lat od powstania firmy udało się zatrud-nić w Polsce grupę pracowników, która stale się powiększa, a dzięki pełnej zaan-gażowania pracy, wiedzy i zdobytemu już doświadczeniu umożliwia dalszy wzrost firmy. Oddział produkcyjny zatrudnia obecnie 20 osób. Marka jest znana i roz-poznawana niemal w całym kraju, co jest zasługą doradców technicznych pracują-cych w różnych częściach Polski.

Nowa siedziba firmy28 września 2012 roku nastąpiło uro-czyste otwarcie nowej siedziby. Z tej okazji firma miała zaszczyt podejmo-wać m.in. przedstawicieli zarządu Gün-ther GmbH oraz licznie przybyłych go-ści. Nowoczesny budynek, mieszczący się w Długołęce pod Wrocławiem, został tak zaprojektowany, aby można go było rozbudowywać w miarę poszerzania wa-chlarza produktów. Obiekt składa się z sektora produkcyjnego – wyposażone-go w najnowszy park maszynowy, sekto-ra magazynowego oraz biura.

Produkcja w Polsce – poszerzenie ofertyRozpoczęcie produkcji w Polsce pozwo-liło zarówno na zwiększenie zatrudnie-nia, jak i rozszerzenie oferowanego asor-tymentu. Polski oddział specjalizuje się

w produkcji czujników kablowych opo-rowych i termoparowych dla takich ga-łęzi przemysłu jak: tworzywa sztuczne, ciśnieniowe odlewnie aluminium i cyn-ku, budowa maszyn i urządzeń oraz dla przemysłu spożywczego i farma-ceutycznego. Firma posiada know-how w zakresie produkcji czujników do au-toklawów, które są całkowicie szczelne na wodę i parę przy pracy w ciśnieniu do 5 bar i temperaturze do 180 °C. Spe-cjaliści z centrali w Niemczech podkre-ślają wkład, który firma w Polsce wnosi w tworzenie społeczności międzynaro-dowej, a także tworzenie – wyłącznie w polskim zakładzie – nowych rozwią-zań czujników, które są produkowane dla całej grupy Guenther.

Jakość w Guenther PolskaZespół Guenther, zarówno w Niemczech, jak również w Polsce, kładzie nacisk na wysoką jakość oferowanych produktów oraz obsługę klienta. Obecnie firma jest na etapie wdrażania systemu zarządzania jakością zgodnego z wymaganiami normy ISO 9001 w celu sprawdzania określo-nych mechanizmów nadzoru oraz dostar-czania produktów o najwyższej jakości.

Ostatnio firma Guenther Polska uzy-skała pozytywny wynik audytu dostaw-cy, przeprowadzonego metodą prób-kowania, na zgodność z wymaganiami normy ISO 9001 i KJ-06. Wykonała go jedna z firm branży lotniczej, należąca do renomowanej grupy z amerykańskim rodowodem.

GUENTHER Polska Sp. z o.o.ul. Wrocławska 24B, 55-090 Długołęka

tel. 71 352 70 70, fax 71 352 70 71e-mail: [email protected]

www.guenther.com.pl

GUENTHER uruchomił produkcję w PolsceFirma Guenther od ponad 40 lat zajmuje się budową elektrycznych

czujników temperatury. W 2008 roku powstała spółka-córka

o nazwie Guenther Polska Sp. z o.o., zaś w 2012 roku

uruchomiono zakład produkcyjny w Polsce.

REK

LAM

A

Promocja

Fot.

Gue

nthe

r Po

lska

Rynek i technologie

58

rynek i technologie

Polska rewolucja komputerowa i odkry-cie na miarę grafenu – tak polskie media skomentowały opracowanie przez Pana zespół materiału o nazwie „topologiczny izolator krystaliczny”. Czy to rzeczywi-ście wielkie odkrycie?Wiele osób uważa, że na powierzchni naszego materiału prąd powinien pły-nąć szybciej niż w innych materiałach, zapewniając mniejsze wydzielanie cie-pła. Wykorzystanie takich materiałów do połączeń elektrycznych w procesorach komputerów może spowodować, że pro-cesory będą szybsze i nie będą się tak grzać. Stąd pogląd, że zrewolucjonizu-jemy w ten sposób obecną elektronikę. Jednak czy jest to rewolucja kompute-rowa i następca grafenu? Raczej wła-śnie grafen jest materiałem przyszłości dla elektroniki. Ruchliwość elektronów w grafenie jest bardzo duża w tempera-turze pokojowej, a to oznacza bardzo do-bry przepływ prądu. Do tego grafem jest niezwykle stabilnym materiałem. Moim zdaniem, przeznaczeniem naszych kryształów będzie co innego.

Do konwencjonalnych procesorów komputerowych nie można w nieskoń-czoność dodawać coraz więcej i więcej coraz mniejszych elementów. Poza pro-blemami fizycznymi (już prawie atomo-we rozmiary niektórych układów elek-tronicznych), trzeba także rozwiązać kluczowy problem techniczny związany z nagrzewaniem się mikroprocesorów w wyniku przepływu prądu. Najlep-szym rozwiązaniem byłoby wykorzysta-nie nadprzewodników, które posiadają zerowy opór elektryczny. Jednak żaden znany materiał nadprzewodnikowy nie pracuje w temperaturze pokojowej i nie-wielu chyba wierzy, że będziemy takim materiałem dysponowali w bliskiej przy-szłości.

Dlatego istnieje koncepcja, że kompu-tery przyszłości będą pracowały inaczej, wykorzystując równolegle obliczenia

kwantowe. Problem w tym, z czego je zrobić. Teraz prace badawcze są prowa-dzone na obiektach takich jak np. kropki kwantowe z półprzewodników lub me-tali (nanomateriały o typowych rozmia-rach rzędu jednej miliardowej części metra) w temperaturach bliskich zera absolutnego, co wymaga zastosowa-nia odpowiednich kriostatów. Tego nikt nie będzie nosił ze sobą w kieszeni jak smartfona. Potrzebny jest obiekt fizycz-ny – najlepiej, żeby była to powierzchnia kryształu, na której te wszystkie „cuda” kwantowe mogą się dziać. To będzie centralny punkt, który będzie trzeba wy-konać z subtelnością liczoną w pojedyn-czych atomach, a jednocześnie produko-wany w milionach egzemplarzy.

Czym zatem jest opracowanie tego ma-teriału?Kontynuacją wielu lat pracy naukowców na całym świecie. Same kryształy to jest rzeczywiście dużej rangi odkrycie. Do-tychczas ta dziedzina była bardzo prosta. Od dawna wiemy, że mamy materiały, które dobrze przewodzą prąd elektryczny. Są to przede wszystkim najbardziej zna-ne metale, czyli miedź czy złoto. Mamy też izolatory, dzięki którym prąd płynie tylko tam, gdzie trzeba. Pośrednią pozy-cję zajmują półprzewodniki, które mogą przewodzić prąd elektryczny w sposób ściśle kontrolowany technologicznie. To z półprzewodników właśnie (przede wszystkim krzemu) budowane są proce-sory komputerów i inne układy elektro-niczne. Wszystkim wydawało się, że te trzy grupy są dobrze określone. Mieliśmy do ich opisu opracowany bardzo dobry model teoretyczny, tzw. teorię pasmową ciał stałych, która odpowiada na pytanie, który materiał będzie izolatorem, który metalem, a który półprzewodnikiem. Co najważniejsze, teoria ta opisuje popraw-nie właściwości fizyczne krzemu, naj-ważniejszego materiału elektronicznego,

który znajdziemy we wszystkich współ-czesnych komputerach.

Dlatego w zasadzie nikt nie spodzie-wał się, że są możliwe jeszcze nowe rze-czy. Wszystko zmieniło się około 5 lat temu, gdy pojawiły się przewidywania teoretyczne, że istnieje klasa izolatorów, które mogą mieć na swojej powierzchni metaliczne przewodnictwo. Inaczej mó-wiąc, w środku kryształu nie płynie prąd, tak jak w izolatorze, ale na powierzchni jest możliwy jego przepływ. Mówimy, że jest tam stan metaliczny. Istnienie takiej metalicznej powierzchni gwarantowane jest przez prawa fizyki kwantowej za-stosowane do kryształów zbudowanych z odpowiednich atomów ułożonych w od-powiednio symetryczny sposób.

To był swego rodzaju szok dla na-ukowców. Zaczęto zastanawiać się, czy te materiały w przyrodzie rzeczywiście istnieją i czy do czegokolwiek mogą się przydać. Dano im dość dziwną nazwę – izolatory topologiczne. Wynika ona stąd, że to naprawdę są izolatory lub półprze-wodniki, ale ich przewodzenie elektrycz-ne na powierzchni jest zachowane nawet wtedy, gdy materiał poddawany jest pew-nym przekształceniom swojego kształtu. Badaniami takich przekształceń zajmuje się dział matematyki nazywany topologią. Takie topologiczne metody badawcze wy-korzystali fizycy-teoretycy w swojej pracy nad izolatorami topologicznymi.

Próby wytworzenia prowadzono od 5 lat. Zwykle dotyczyły one materiałów w pewnym stopniu podobnych do siebie, zbudowanych z ciężkich pierwiastków, takich jak bizmut, antymon, rtęć, tellur i selen. To w nich dzieją się te „dziwne rzeczy”, to one mają unikatowe właści-wości elektronowe i to w nich potrafi się wytworzyć taka sytuacja, dzięki której oczekujemy metalu na powierzchni izo-latora.

Przełom nastąpił w zeszłym roku, kie-dy to teoretycy amerykańscy z MIT, czyli jednej z najlepszych na świecie politech-nik, przewidzieli, że może istnieć następ-na grupa tych materiałów, które będą zbudowane z daleko szerszej palety pier-wiastków (także ołowiu i cyny).

Skoro założenia teoretyczne były zna-ne od lat, to zapewne wiele zespołów

rewolucja przyszłości

Nie stworzyliśmy drugiego grafenu, ale materiał, który może pomóc nam

zbudować komputery kwantowe – zdradza profesor Tomasz Story,

kierownik Oddziału Fizyki Półprzewodników Polskiej Akademii Nauk.


badawczych chciało jako pierwsze opracować nowy ma-teriał.Jest dużo nowych pomysłów w fizyce i elektronice, które nie zostały zrealizowane, bo nie ma koniecznych do tego no-wych materiałów. Dlatego każdy pomysł jest w tej dziedzi-nie bardzo szeroko odbierany, dyskutowany i publikowany w najlepszych czasopismach. Tak było i w tym wypadku.

Przeczytaliśmy i uznaliśmy, że powinno nam się udać wytworzyć taki materiał. Kryształ zrobiliśmy sami, bez ze-wnętrznej pomocy badawczej. Sprawdziliśmy, że prąd w nim płynie rzeczywiście inaczej, czyli po powierzchni. Opubliko-waliśmy to w czasopiśmie „Nature Materials”, które uchodzi za najlepsze na świecie w dziedzinie nowych materiałów.

Powiedział Pan „zrobiliśmy”, „zobaczyliśmy”. Rzeczywi-ście było tak prosto?Najważniejsze w tym wszystkim było, mówiąc językiem młodzieżowym, „ogarnięcie” na czas. W momencie, kiedy świat dowiedział się o pomyśle naukowców z MIT, zaczął się naprawdę mocny wyścig. Na świecie zajmuje się tym dużo zespołów badawczych, i to tych najlepszych, od Kalifornii i Bostonu, przez Europę do Japonii. Jeśli ktoś spóźnił się z ustawieniem w blokach startowych, to nie miał szans.

Muszę przyznać, że poznaliśmy się na sprawie. Wiedzie-liśmy, że to jest nasza szansa. Podobne materiały tworzymy od dawna. Realizujemy projekty z innych dziedzin elektroniki półprzewodnikowej. Laboratorium technologiczne, w którym te kryształy hodujemy, było już gotowe wcześniej. Gdyby nie to, nasza praca nie trwałaby rok, a dużo dłużej.Jednak samo wytworzenie materiału nie dawało nam automatycznie świa-towego pierwszeństwa.

Olbrzymią wagę miała także publikacja wyników badań. W dniu, kiedy pokazaliśmy je światu, zrobili to także inni. Na ogólnoświatowym serwerze służącym do tego celu tego samego dnia ukazały się także wyniki amerykańskie i japoń-skie. Tyle że my byliśmy pierwsi. To jest wielka frajda dla naukowca.

Co dalej? Często naszym naukowcom zarzuca się, że na-wet jeśli coś udało się im wynaleźć, to później są problemy z tego praktycznym wykorzystaniem.To jest oczywiście trudne. W tym wypadku trzeba jednak pamiętać, że w dziedzinie nowych materiałów są takie, któ-re można wdrażać od razu, oraz takie, w których naturalny horyzont to dekada. Z moich i światowych doświadczeń wy-nika, że czasem i 20 lat upływa zanim wyjdziemy poza etap tworzenia finalnego materiału. Chodzi tu nie tylko o jego wła-ściwości, ale m.in. o cenę docelową.

Dlatego na biznes i komercyjne wykorzystanie jest jeszcze za wcześnie. Tutaj nawet nie da się ponarzekać, że w Polsce nie ma chętnych, bo nie ma ich jeszcze na całym świecie. Gdyby jednak nagle okazało się, że ktoś się interesuje krysz-tałami, to jesteśmy gotowi je produkować i sprzedawać. Ja-kieś doświadczenie w tej materii mamy.

Paweł OlszewskiCONSULTING PLUS Sp. z o.o.

ul. Wiejska 12, 00-490 Warszawatel. 22 622 35 19, 628 21 28

fax 22 622 35 20e-mail: [email protected]

www.staze.teklaplus.pl REK

LAM

A

60

Nowości Czujniki i systemy pomiarowe

Medal targów HPS 2012 dla miernika the parker service master plusurządzenie pomiarowe the parker service master plus z rodziny

urządzeń diagnostycznych sensoControl zostało nagrodzone medalem

iX targów Hydrauliki, pneumatyki, sterowania i napędów Hps 2012,

najważniejszego spotkania specjalistów z powyższych branż.

Fot.

Par

ker

The Parker Service Master Plus to nowo-czesna konsola pomiarowa z kolorowym ekranem LCD o przekątnej 5,7², która otwiera przed użytkownikiem ogromne możliwości pomiaru i analizy parametrów hydrauliki siłowej i pneumatyki. Dwa mo-duły do pomiarów analogowych, pozwa-lające na jednoczesne podłączenie od 8 do 16 analogowych sygnałów pomiaro-wych, zostały rozbudowane o dodatkowy dwuwejściowy moduł CAN. Umożliwia on pomiar aż z 32 kanałów jednocześnie. Bateria zasilająca nowej generacji zapew-nia nieprzerwaną pracę urządzenia nawet do 8 godzin.

Zastosowanie gniazda karty miniSD, USB, USB Flash pozwoliło na rozbudowa-nie 64 MB pamięci wewnętrznej (przykła-dowo pozwalającej zapisać aż 32 miliony punktów pomiarowych) po podłączeniu zewnętrznych nośników nawet do 48 GB pamięci!

Dodatkowy interfejs LAN pozwala użytkownikowi (poprzez sieć Ethernet) na zdalne monitorowanie pracy urządze-nia, jak również na odczyt mierzonych parametrów, analizę wyników i zapis da-nych z dowolnego komputera z dostępem do sieci.

Duży kolorowy wyświetlacz LCD umożliwia szybki i czytelny podgląd mie-rzonych wielkości, a różnorodne „pulpi-ty” dostarczają użytkownikowi niezbędne dane w postaci cyfrowej, słupkowej lub graficznej, z możliwością precyzyjnej we-ryfikacji wyników. Wytrzymała i ergono-miczna obudowa, zabezpieczona dodat-kowo gumową osłoną, zapewnia wysoką odporność na uszkodzenia mechaniczne

i fizyczne (stopień ochrony IP64), zwłasz-cza w niekorzystnych warunkach, gwa-rantując niezawodną pracę w terenie. Ponadto zainstalowany „brzęczek” infor-muje użytkownika sygnałem dźwiękowym i wibracjami o osiągnięciu bądź przekro-czeniu ustawionych granicznych wartości mierzonych parametrów, np. ciśnienia lub temperatury. Jak we wcześniejszych mo-delach urządzeń z grupy SensoControl, tak również w The Parker Service Master Plus zastosowano technikę automatycznego rozpoznawania podłączonych czujników.

Do urządzenia oferowana jest szeroka gama sensorów pomiarowych, ciśnienia, temperatury, turbin pomiaru przepływu i pomiaru prędkości obrotowej, wykona-nych w klasycznej technice analogowej, jak również nowej wersji CAN. Dodatkowe wejścia sygnałów analogowych pozwalają na podłączenie niezdefiniowanych sen-sorów użytkownika i samodzielne ich sparametryzowanie (sygnał wejściowy 0/4…20 mA, 0…10 V).

Nowoczesne oprogramowanie na PC – SensoWin 7, znajdujące się w każdym zestawie pomiarowym, pozwala na szcze-gółową analizę zarejestrowanych pomia-rów w dowolnym czasie oraz rzetelne

przygotowanie raportu z wynikami i opi-sanymi wykresami.

The Parker Service Master Plus ofe-rowany jest w trzech podstawowych ty-pach:

z podwójnym modułem CAN,• z podwójnym modułem CAN i modu-• łem Analog,z podwójnym modułem CAN i podwój-• nym modułem Analog.Zestawy pomiarowe konfigurowane

są indywidualne i dostarczane w walizce ochronnej, ułatwiającej przechowywanie i transport. Na specjalne życzenie klien-tów do urządzeń i czujników pomiarowych firma Parker dołącza Certyfikat Kalibracji zgodny z normą ISO 9001.

Obecnie trwają prace nad przygotowa-niem polskiej wersji językowej programu SensoWin 7 i instrukcji obsługi urządzenia pomiarowego. Aktualizacje oprogramowa-nia w urządzeniu są bezpłatne i użytkow-nik może za pomocą pamięci USB Flash, miniSD lub złącza LAN przeprowadzić je samodzielnie.

Więcej informacji można znaleźć na stronie www.parker.com w za-

kładce SensoControl.

promocja

Oprac. red. na podst.

mat. pras.


Sygnalizatory świetlne i dźwiękowe Nowości

Urządzenia te są szczególnie dedykowa-ne do pracy w środowisku o dużym na-słonecznieniu lub w jasno oświetlonych pomieszczeniach. Nowe urządzenia są wykonane w technologii LED, która za-pewnia dużą żywotność i niższe zużycie energii w porównaniu do oświetleń flu-orescencyjnych lub żarówkowych.

Wskaźnik K50 Beacon generuje wo-kół siebie światło o wysokim natężeniu, dzięki czemu jest ono widoczne nawet przez opary lub mgłę. Rozwiązanie takie doskonale sprawdza się w aplikacjach bram wjazdowych, kontroli ruchu, myj-niach lub na parkingach.

Smuklejsza niż tradycyjne kolumny świetlne, jednakże nieustępująca im ja-snością, kolumna TL50 Beacon może mieć do czterech segmentów o dowol-nych kolorach sygnalizacji. Każdy z nich charakteryzuje się wysoką jasnością, za-pewniając niezawodne wskazania stanu zautomatyzowanych urządzeń.

W ofercie dostępne są wskaźniki świetlne przeznaczone do pracy w świe-tle słonecznym. Seria Traffic Light prze-znaczona jest głównie do aplikacji zarzą-dzania ruchem, natomiast kompaktowe

wskaźniki K50L Daylight Visible oferu-jące do trzech kolorów sygnalizacji stwo-rzone zostały z myślą o zastosowaniu głównie na maszynach.

Ostatni z nowych produktów K80FL to wielokolorowy wskaźnik o jasnym, rów-nomiernym oświetleniu. Duża, płaska po-wierzchnia umożliwia wyraźną sygnaliza-cję, co jest kluczowe dla wielu aplikacji.

Cała rodzina EZ-LIGHT charakteryzu-je się wytrzymałymi obudowami o neu-tralnym kolorze, co zapobiega pomyłkom w ocenie załączenia załączonego koloru/segmentu. W ofercie można znaleźć rów-nież szerokie portfolio akcesoriów monta-żowych. Możliwe są także niestandardo-we wykonania specjalne, np. wskaźnik 5-kolorowy, którego barwy wybierane są ze standardowej palety 9 kolorów.

Wskaźniki świetlne EZ-LIGHT to bar-dzo duża rodzina produktów oferująca rozmaite kształty i rozmiary obudów oraz różne kolory i sposoby sygnalizacji. Doskonale nadają się do szerokiej gamy zastosowań, m.in. w automatyce prze-mysłowej, w aplikacjach zewnętrznych (kontrola ruchu, bramy wjazdowe, sy-gnalizacja pracy maszyn, np. dźwigów),

w urządzeniach mobilnych, przy obrób-ce materiałów czy montażu (rozwiązania pick-to-light).

TURCK Sp. z o.o.tel. 77 443 48 07


wskaźniki LED o wysokiej jasnościFirma turck wprowadziła do swojej oferty pięć nowych wskaźników serii ez-ligHt charakteryzujących się

wysoką jasnością i zapewniających wyraźną sygnalizację, widoczną nawet z dużej odległości.

Turck sp. z o.o.ul. Wrocławska 115 45-836 Opole Tel. +48 77 443 48 00Fax +48 77 443 48 01E-mail [email protected]: www.turck.com

www.turck.pl

Sense it! Connect it! Bus it! Solve it!

MULTIPROTOCOL UNIWERSALNE MODUŁY SIECIOWEMultiprotocol, czyli 1=3Multiprotocol to unikalna technologia sieci Ethernet firmy TURCK umożliwiająca obsługę trzech protokołów (Modbus-TCP, Ethernet/IP i PROFINET) za pomocą jednego modułu

Różne wykonaniaNowy protokół dostępny jest w rozproszonych stacjach I/O w wykonaniach: modułowych systemów BL20 (IP20) oraz BL67 (IP67), kompaktowych modułów AIM oraz serii BLcompact (IP67)

Zaawansowane technologie i ułatwieniaAutomatyczna detekcja sieci, dzięki procesowi samokonfiguracji; zintegrowany switch w każdym wykonaniu; zaawansowana diagnostyka; wbudowany webserwer

REKLAMA

Nowe wskaźniki LED o wysokiej jasności obejmują serie (zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara począwszy od górnej lewej strony): K50 Beacon, K50L Daylight przeznaczony do pracy w świetle dziennym, wielokolorowy K80FL, Traffic Light do kierowania ruchem oraz kolumny świetlne TL50 Beacon (czarna obudowa, sygnał dźwiękowy oraz szara obudowa)

Fot.

Tur

ck

62

Nowości Zasilanie

Zasilacze serii ELN firmy Mean Well, dzięki opcjonalnej funk-cji ściemniania, doskonale nadają się do systemów oświetle-niowych LED oraz automatyki budynkowej. Szeroki zakres na-pięć wejściowych od 90 do 264 V AC zapewnia stabilną pracę niezależnie od zakłóceń występujących w sieci. Na wyjściu, w zależności od modelu, dostępne są moce 30 i 60 W oraz napięcia od 5 do 48 V, z możliwością regulacji w zakresie ±10 % za pomocą wewnętrznego potencjometru. Opcjonal-nie zasilacze posiadają funkcję ściemniania, sterowaną po-przez dodatkowe wyprowadzenia. W wersji oznaczonej lite-rą D ściemnianie odbywa się poprzez zewnętrzne napięcie z zakresu od 1 do 10 V DC, natomiast w wersji P za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM). Takie rozwiązanie po-zwala sterować napięciem wyjściowym za pomocą mikropro-cesorów lub różnych sterowników (np. przy sterowaniu pręd-kością wentylatora, jasnością oświetlenia).

Zasilacze mają zabezpieczenia przeciwzwarciowe, przecią-żeniowe i przepięciowe. Ich szczelna plastikowa obudowa nie wymaga dodatkowych źródeł chłodzenia, pozwala na pracę w zakresie od –20 do +60 °C, jak również chroni przed wil-gocią i zapyleniem. Dużą swobodę montażu dają wyprowa-dzone przewody oraz możliwość przykręcenia do powierzchni. Zasilacze spełniają wymagania wielu norm i certyfikatów i są objęte dwuletnią gwarancją producenta:

napięcie zasilania 90–264 V AC,• w pełni izolowana plastikowa obudowa zgodna ze stop-• niem ochrony IP64,regulacja napięcia wyjściowego w zakresie ±10 %,• regulacja prądu wyjściowego w zakresie 75 %~103 %,• zabezpieczenie przeciwzwarciowe, przeciążeniowe, nad-• napięciowe,opcjonalnie funkcja ściemniania sterowana 1–10 V DC lub • PWM,

Diody leD coraz częściej są wykorzystywane jako źródła

światła, zastępując tradycyjne żarówki i świetlówki.

Warunkiem długotrwałego i optymalnego użytkowania

diod leD jest zapewnienie im poprawnego zasilania.

Zasilacze do automatyki budynkowej i systemów leD

REKLAMA

chłodzenie przy otwartym obiegu powietrza,• temperatura pracy –20~+60 °C,• zgodność z szeregiem norm i certyfikatów,• MTBF ponad 600 000 godzin,• 2 lata gwarancji. •

Wojciech GościniakELMARK Automatyka Sp. z o.o

www.elmark.com.pl

Fot.

Elm

ark

Aut

omat

yka

Promocja


Three-wheeled mobile platform powered by LabVIEW at energy performance index

Krzysztof Kaliński, Cezary BuchholzGdańsk University of Technology

Abstract: Outstanding grow in demand both of mobile platform ope-rability performance and efficiency of project development metho-dology encourage to apply modern algorithms and reliable engine-ering tools design. Latest research results confirm that the energy performance index algorithm [1, 2] applied into strongly non-linear mechatronic object developed by use of mechatronic techniques can guarantee sufficient motion control in the reduced time design process. In this paper the authors present three wheeled mobile platform research object developed and controlled with a use of the LabVIEW software environment. In order to boost mobile platform performance and handle its real time surveillance motion process the authors implemented the NI cRIO controller (dedicated Real Time hardware powered by LabVIEW). Mathematical complexity of on-line algorithm and sophisticated model description affected all the process design. Presented paralleled design methodology approach supported by mechatronic techniques [3] (virtual proto-typing, Hardware-In-the Loop Simulations and rapid prototyping on a target object) allowed authors to achieve the highest level of a mobile platform system optimisation and increased probability of the final concept success.

Keywords: mobile platform, LabVIEW, energy performance index, mechatronic technique, real time

1. Introduction

For mobile platforms operating in harsh environment, like terrain or extraterrestrial planets (e.g. Moon or Mars) and during demanding activities where not only human life is exposed to high risk or performance of process is limited but also precision, high effectiveness and sometimes long term availability are considered, continuous motion, high operabi-lity and low power consumption are the core design factors. Effective power management system with real time algori-thms leads to reducing overall energy consumption, incre-ases mobility performance and distributes wheels’ speeds and moments in an optimal way [4, 5]. Increasing computa-tion ability of processors, parallel processing architectures, FPGA (Field Programmable Gate Array) usage and accu-rate sensors providing the opportunity for improvement of control performance, reduce faults of tolerance and simplify implementation of complex hardware and software design. However, inadequate design cannot withstand environmen-tal conditions and acquire precise motion control. Moreover, not optimized control system causes dissipation of energy for unnecessary CPU computations and heat losses. Therefore the contemporary modern design process should be based on mechatronic attitude in understanding the effects of dyna-mic model of the platform and supported by comprehensive mechatronic development environment giving the possibili-ty to prototype, design, simulate and integrate with dedica-

ted hardware. This paper discusses the mechatronic techni-ques (Virtual Prototyping, Hardware-In-the-Loop Simula-tions and Rapid Prototyping on the target object) suppor-ted by LabVIEW used during the design of the surveillance system based on energy performance index. Proposed con-trol algorithm was implemented into Real Time controller cRIO-9076 powered also by LabVIEW and finally integra-ted with mobile platform (built for experimental purposes). Presented research object allowed authors to verify responses (for optimal control commands generated by Real Time con-troller) of the mobile platform while moving on three diffe-rent trajectories (here the sine one is presented). This paper is organised as follows. General platform model and control algorithm are treated in section 2. Section 3 presents mecha-tronic techniques used during the research. In addition, par-tial experimental results are depicted. The mobile platform is presented in section 4. Conclusions are given in section 5.

2. Mobile platform model. Control algorithm approach

For research reasons, mathematical model of the mobile plat-form had to be established. An assumed model taken into consideration is presented in fig. 1. Mobile platform is compo-sed of following main parts: chassis 5, driving system ZN and control system ZK. The driving system consists of two whe-els 1 and 2, which thanks to differential mechanism are dri-ven by one electrical motor 4. Wheels rotate about their axes, whose positions are invariable in relation to the frame. Com-ponents of the control system are: wheel 3 embedded in ste-ering wheel 6, which is driven by the other electrical motor 4.

Fig. 1. Three-wheeled mobile platform modelRys. 1. Model platformy mobilnej

NAukA

64

NAukA

Coordinates a1, a2 and a3 are the rotational angles of three mobile platform wheels 1, 2 and 3 respectively. The angle of steering wheel is denoted by j. Angle b is the rota-tional angle displacement between the robot frame and fixed coordinate axis x. Point H belongs to control system. Angle q defines rotation of a mobile platform on a circular trajectory. Point A is a point of intersection of the frame longitudinal symmetry axis with the axis of rotation of wheels 1 and 2.

Dynamics of controlled nonlinear mobile platform can be described as [1]:

(1)

where signs M*, L*, K*, B*, q*, f* and u denote respective-ly matrices of inertia, damping, stiffness and control, and also vectors of generalised displacements, forces and control commands of the system. Assuming that mobile platform moves on the flat surface, and considering changing with time kinetic energy of the system relatively to trajectory of given motion and du ¹ 0, an optimal control command, for sampling time ∆t, can be formulated [1]:

(2)

Defined control command u(t) for the mobile platform at time instant t, is calculated on a basis of matrices M and L, whose values are generated for time instant t–∆t.

Representing a step of integration ∆t is limited by CPU performance of applied mobile platform controller (here is National Instruments cRIO-9076, 400 MHz, powered by LabVIEW) and has considerable impact on situation where any control command is generated. A lack of control signal (during time period ∆t) can cause significant deviations between actual and desired trajectory of the platform, and thus disturbs energy system balance. Authors followed by the research goals wanted to build system with minimal energy losses (error minimization). Common approach encourages decreasing to minimum time ∆t (mainly by speed up CPU clock frequency) and find minimal error level. In this study limitations of applied controller had to be considered. Fixed CPU clock and willingness to keep applicatio-n’s real time determinism forced au-thors to find balance between time ∆t and error level occurrence.

During the study authors inve-stigated remedies for described sys-tem balance and defined suitable correction velocities and implemen-ted them into the optimal control command u(t). Defined correction velocities can be given as:

(3)

where: Hx and Hy – Cartesian coor-dinates describing desired position of characteristic point H of the platform in time t; xH and yH – Cartesian coor-

Fig. 2. General overview for mechatronic techniques used during the research

Rys. 2. Przyjęta koncepcja projektowania mechatronicznego

dinates describing actual position of characteristic point H of the platform in time t; k – coefficient determined in a way of simulation [6]. Bearing in mind defined correction velocities, vector of correction velocities q can be calculated and opti-mal control command (eq. 2) can be modified as follows:

(4)

where: Q – dimensionless matrix of influence of kinetic energy, R – matrix of the control command’s effect, ˆ, ,q q q – vectors of actual generalised velocities, generalized velocities in the desi-red motion, and correction velocities. For time ∆t, where the time determinism is hold, applied correction velocities can lead to elimination of the mobile platform error occurrence and improve considerably system energy efficiency.

In considered research by use of presented in section 3 of this paper mechatronic techniques, optimal signal genera-tion time ∆t was established. During the virtual prototyping technique (first stage of this study) authors adjusted ∆t for 0.001 s, but demanding computation process of on-line al-gorithm and real time conditions (equalization between si-mulation and real time clock readings) of the HILS tests ve-rified previous assumptions and final ∆t was set for 0.005 s. Having ability to use FPGA (integral part of applied con-troller), authors decided to allocate there certain parts of the algorithm code (responsible for PWM formation). By this move considerable increase of controller output level (decre-asing of CPU and memory usage) was obtained.

3. Mechatronic techniques. Design methodology supported by LabVIEW

Latest tendency in mechatronic design requires the use of com-prehensive development environment giving the possibility to prototype, design, simulate and integrate with dedicated har-dware. Similar concept was used to design and develop surve-illance system for three wheeled mobile platform.

In order to have a system which reflects research needs, the mobile platform was also, first designed and afterwards created.

Design methodology used during the research was pre-sented in fig. 2.


Techniques of Virtual prototyping, HILS and finally – ra-pid prototyping on real target object, were used to assist re-searchers to complete development process of complex mo-bile platform surveillance system and achieve (by optimisa-tion of algorithm, configuration, control strategy) highest performance integration with the mobile platform design.

3.1. Virtual prototypingModern machines developed to withstand critical operation, but also contemporary ordinary mechatronic devices or custo-mer demands are facing growing challenges. These include verifying more complex mechanical design, hardware and software in a timely and cost effective manner. It also requ-ires to communicate efficiently their specification across design methodology. Virtual prototyping is a technique where authors by creation of virtual model of the mobile platform (differen-tial equations of the mobile platform were computed symboli-cally in the Maple software; parametrical solutions were imple-mented into LabVIEW) were able in shortened time to verify responses (on PC) for optimal signals generated by proposed algorithm (virtually implemented into LabVIEW software). General overview of applied technique was shown on fig. 3.

During this stage of study (virtual prototyping), it was ne-cessary, firststly to guaranty correctness of algorithm imple-mentation (into the LabVIEW) and secondly (in parallel) to achieve optimisation both in controller architecture and mo-del of the mobile platform (by establishing boundary condi-tions for the final design).

Optimal control signals (torques), defined by eq. 4 were shown in fig. 4 and fig. 5 (for the sine trajectory). In order to verify implementation process of controller and adjust pro-perly coefficients of R and Q matrices (of algorithm) desi-red solutions (of Langrage equations solved during virtual si-mulation) together with optimal signals were generated. Si-milar process was applied for model optimisation, where au-thors by comparing parameters of the mobile platform kine-matics with desired values (generated in the same time) were able to finalize the model design. Responses for the sine tra-jectory were presented in fig. 6, fig. 7 and fig. 8. It is seen that virtual platform moves on proper trajectories with small er-ror whose occurrence can be explained by high nonlinearity of the model design and applied numerical computation pro-cess. With a use of virtual prototyping technique authors in shortened time period achieved desired implementation of the energy performance index and were allowed to conduct com-plex optimisation process of the controller software architec-ture (software debugging, pre-adjusting matrices R and Q). Additionally, numerous values of the mobile platform para-meters were verified.

3.2. HILSThe concept of the HILS technique has been recognized as effective method for prototyping and design. Authors by the use of the Real Time LabVIEW module performed determi-nistic test configuration where in synchronism both emula-ted mobile platform (virtual model created during previo-us stages of the research) and the real control system (here controller NI cRIO-9076) were tested.

In the presented study the HILS technique with its low cost and flexibility was used to assist researchers to complete development process of complex mobile platform surveillance

Fig. 3. Virtual prototyping conceptRys. 3. Koncepcja wirtualnego prototypowania

Fig. 4. Steering wheel torqueRys. 4. Moment kierujący

Fig. 5. Propulsion torqueRys. 5. Moment napędowy

Fig. 6. Wheel speeds (virtual prototyping)Rys. 6. Prędkości kątowe poszczególnych kół

66

NAukA

system and achieved (by optimisation of algorithm, configu-ration, control strategy) highest performance of the design.Experimental setup was presented in fig. 9, where in real time tests the researchers veri-fied response of emulated mobile platform model for control signals (torques) generated by real time controller (where designed algori-thm was executed). The authors demonstrated in fig. 10 suita-ble block diagram where real time controller generates torques signals (i.e. M1, M2 – specific for each trajectory) which via IP network (buffered real time varia-bles were used) are sent to the emulated mobile platform. Based on received torques (M1, M2), in real time process (PC with instal-led LabVIEW Real Time module) forward dynamic and forward kinematic equations are resolved. The test was performed for three different mobile platform trajecto-ries: circular, parabolic and sinu-soidal (the sinusoidal one is pre-sented in this paper). The desi-

gned algorithm (eq. 4) implemented into the NI-9076 con-troller generated in real time for each (defined) trajectory optimal signals (torques). Responses (also in real time) by use of experimental adjustment of matrices R and Q were verified. Control signals (the same as during virtual proto-typing) and responses were shown in fig. 11, fig. 12 and fig. 13 respectively. As it was done before, in order to perform verification process correctly, the reference (desired) value for each response was drawn.

Due to the specific setup of the performed test, where vir-tual model of the research object is investigated (emulated three wheeled mobile platform) differences between respon-ses obtained by the HILS technique and desired values can be seen (virtual simulation). The authors’ research expe-rience taken from this study suggests several aspects which should be considered in the final test evaluations. Consi-derable meaning in the HILS test results has mathemati-cal model of the research. High non-linearity of the model (mainly inertia matrix) affects difficulties in control stabi-lity (matrix coefficients addicted to steering wheel angle). Additionally sophisticated computational process of diffe-rential equations impacts on numerical errors occurrence. Despite existed differences the test purpose was achieved. By fulfilling time determinism requirement a sufficient inte-gration time was applied and system energy balance on this stage of study was obtained. Modification of code algori-thm execution, where authors decided to split the process for two controller locations: one executed in real time pro-cessor and the other executed in the FPGA increased final system performance.

Conducted specific methodology in a surveillance system design resulted possibility of testing different system con-figurations during different operation conditions avoiding unnecessary damage and without having to build. Occurring similarities in model responses acknowledged that surveil-lance system was designed correctly with optimal energy configuration efficiency and the success of final integration with real mobile platform can be expected.

Fig. 8. Steering wheel angle (virtual prototyping)Rys. 8. Chwilowa wartość kąta obrotu kierownicy

Fig. 7. Frame angle (virtual prototyping)Rys. 7. Chwilowa wartość kąta obrotu platformy

Fig. 9. Experimental setup of the HILS testRys. 9. Stanowisko pomiarowe w technice HILS


3.3. Rapid prototyping on a real target object

Very often, when the system or the object exists and in the same time there is still a need to implement new (machine or one of the part will be automated) or upgrade the old con-trol system (new functionality was introduced) rapid proto-typing on real (existing) object is frequently used. In classical approach, machine controller is prototyped on high advance real time hardware (i.e. cLogic card) where, by support of dedicated development software environment, control algo-rithm can be designed and on the fly compiled. During pre-vious (applied in this study) mechatronic techniques the optimal architecture of surveillance system was worked out and designed mobile platform was built. As it was mentio-ned before the authors decided to use the cRIO control-ler as a hardware platform for control motion of the mobile robot. Existing both object and control hardware encoura-ged authors to modify current survey (technique) and con-nect prototyping process with the final implementation (and validation). A concept of the prototyping test setup configu-ration was show in fig. 14. Considering (iteration) develop-ment process was organized as follows: 1. Algorithm compi-lation and deployment to controller (Real Time and FPGA).

Fig. 10. Block diagram of the HILS testRys. 10. Schemat blokowy w technice HILS

Fig. 11. Wheel speeds (HILS)Rys. 11. Prędkości kątowe poszczególnych kół

Fig. 12. Frame angle (HILS)Rys. 12. Chwilowa wartość kąta obrotu platformy

Fig. 13. Steering wheel angle (HILS)Rys. 13. Chwilowa wartość kąta obrotu kie-

rownicy

2. Mobile platform validation while moving on desired tra-jectories (verification of algo-rithm performance). 3. Algori-thm debugging and control sys-tem adjustments (the R and Q matrices, PWM). Checking pro-cedure of algorithm performan-ce was executed by measuring deviation between real position

of the platform and point 0 of the Cartesian coordinate sys-tem 0xy located on desired trajectory. For every trajectory the authors established several places where the measure-ments were taken. The sine test trajectory with check points is presented in fig. 15. The authors in fig. 16 (left) demon-strated result for the last point of the trajectory taken when the mobile platform moved with 0.17 m/s. Fig. 16 (right) presents results for the same check point but speed of the platform was set for 0.31 m/s (90 % of max. speed). It is necessary to state that preliminary assumptions suggested that mobile platform would be moving with 0.17 m/s, but surprisingly during the commissioning of the system maxi-mal speed was verified to 0.35 m/s. Significant discrepancy is explained by better power efficiency of the DC propulsion engine that it was anticipated and lower gear in the diffe-rential system as it was given by part distributor. The test results for both applied speeds confirm sufficiently good per-formance of proposed method to control strongly nonlinear object. During the test the mobile platform reached the final destination with demanding repeatability. Small error occur-rence can be avoidable by comparison with the complexity of the trajectory, the distance to travel and the size of object. Numerical errors should be also considered.

68

NAukA

4. Three wheeled mobile platform powered by LabVIEW

A concept of the object mechanical construction appeared in early phase of the research and as it was presented in fig. 2, the main idea was to base propulsion system on differential gear connected centrally to elec-trical motor (Micromotors). Development process per-formed together (in num-ber of iterations and feed-backs) with surveillance systems design affected to build mobile platform who-se final form (used during experiment) was depicted in fig. 17 (left) (front-si-de view) and fig. 17 (right) (bottom view). The electri-cal line scheme was shown in fig. 18. The main compo-nent of the presented sys-tem was based on cRIO NI-9076 controller powered by LabVIEW, where the proposed algorithm is com-puted. Modules NI-9505 play significant role in DC

Fig. 18. Mobile platform electrical schemeRys. 18. Schemat układu elektrycznego

Fig. 14. Block diagram of rapid prototyping on target objectRys. 14. Schemat blokowy techniki szybkiego prototypowania na

obiekcie docelowym

Fig. 15. Test trajectory for mobile platformRys. 15. Trajektoria typu sinus

Fig. 17. Three wheeled mobile platformRys. 17. Trójkołowa platforma mobilna

Fig. 16. Experimental resultsRys. 16. Rezultaty przeprowadzonych doświadczeń


motor control (PWM generation) and give the interface to optical encoders with high resolution (1000 impulses per motor rotation). Optimised level of signal generation frequ-ency forced authors to apply only such solutions which para-meters or its characteristics would not influence time sys-tem response (i.e. 0.005 s). The cRIO controller concept by high-end and flexible architecture allows to develop deter-ministic application both in real time processor and FPGA. Authors used this convenience and by splitting algorithm for two parts (as it was mentioned above) afterwards deployed them one by one to dedicated controller location.

5. Conclusion

The presented research study in this paper, supported by LabVIEW, allowed by use of mechatronic techniques to deve-lop mobile platform surveillance system and implemented into real time controller (powered by the same software envi-ronment).

Validation in conjunction with rapid prototyping on real object confirmed in experimental way, that proposed ener-gy performance index can be widely used to control nonli-near systems.

Tested with success mobile platform trajectory variants and movement speeds guarantee algorithm flexibility in fu-ture implementations.

The authors, in order to reduce the project cost, applied the HILS technique to design system with the highest con-troller performance and energy optimisation. In addition, si-gnificant reduction of time verification and extended test po-ssibility of the other design variants were achieved.

Bibliography

1. Kaliński K., Nadzorowanie drgań układów mechanicz-nych modelowanych dyskretnie, Wyd. Pol. Gdańskiej, 2001, 28–35.

2. Galewski M, Kaliński K., Nadzorowanie drgań przy fre-zowaniu szybkościowym smukłymi narzędziami ze zmien-ną prędkością obrotową, Wyd. Pol. Gdańskiej, 2009, 59–63.

3. Petko M., Wybrane metody projektowania mechatro-nicznego, Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, 2008, 15–36.

4. Kaliński K., Buchholz C., Trajectory optimal control of three wheeled mobile platform at time changeable ener-gy performance index, 10th Conference Active Noise and vibration control methods, 2011, Cracow, Poland.

5. Kaliński K., Buchholz C., Error minimisation in orien-tation and localization by correction velocities for three- -wheeled mobile platform at time changeable energy performance index, 16th International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, 2011, Międzyzdroje, Poland.

6. Kaliński K., Buchholz C., Mobile platform power opti-misation by control command at time changeable ener-gy performance index, Annual International Workshop 2011 – Dynamic Behaviour of Structures and Materials, Interaction and Friction, 2011, Metz, France.

Professor Krzysztof Kaliński, PhD

He is professor in applied mechanics and mechatronics, Faculty of Mecha-nical Engineering, Gdańsk Univer-sity of Technology. He developed his expertise and experience in scope of machine dynamics, robotics, vibration engineering and high speed machi-ning. His research interests concern mechatronic design, dynamics and optimal control, as well as structural and strength analysis.e-mail: [email protected]

Cezary Buchholz, MSc

He performs his PhD theses in Faculty of Mechanical Engineering, Gdansk University of Technology. He rece-ived his MSc in Faculty of Electronics and Telecommunications and Infor-matics, Gdańsk University of Tech-nology. He maintains a wide interest in many areas of mechatronics and electronics especially focused on real systems, LabVIEW programming and power electronics.e-mail: [email protected]

Środowisko LabVIEW w projektowaniu mechatronicznym trójkołowej platformy mobilnej

przy energetycznym wskaźniku jakości

Streszczenie: Rosnące wymagania stawiane platformom mobil-nym, w zakresie wysokiej operacyjności oraz sprawności ener-getycznej, skłaniają do stosowania wydajnych algorytmów ste-rowania ich ruchem, a także efektywnych środowisk projektowa-nia mechatronicznego. Badania autorów są dowodem skuteczno-ści sterowania optymalnego przy energetycznym wskaźniku jako-ści [1, 2], jako trafnej metody w zastosowaniu do obiektów silnie nieliniowych. Zaimplementowany do systemu sterowania algorytm, którego koncepcja bazuje na rozpatrywanym wskaźniku jakości, zagwarantował przejazd platformy po wytypowanych trajektoriach z oczekiwaną dokładnością. W artykule opisano koncepcję trójko-łowej platformy mobilnej, powstałą jako efekt zastosowania wybra-nych technik projektowania mechatronicznego, czyli [3] wirtualne-go prototypowania, HILS (Hardware-In-the-Loop Simulations) oraz szybkiego prototypowania na obiekcie docelowym. Wraz z sys-temem sterowania bazowało ono na zintegrowanym środowisku LabVIEW. Złożoność matematyczna zastosowanego algorytmu on-line oraz modelu obliczeniowego platformy, a także koniecz-ność sterowania obiektem w czasie rzeczywistym, wymagały uży-cia dedykowanego sterownika platformy. Wybór jednostki Natio-nal Instruments cRIO, wraz z zastosowanymi technikami projek-towania mechatronicznego, pozwoliły autorom osiągnąć zakłada-ną skuteczność sterowania platformą mobilną, przy jednoczesnym spełnieniu warunku optymalizacji energetycznej systemu, a także ograniczyć znacząco czas realizacji projektu platformy.

Słowa kluczowe: platforma mobilna, LabVIEW, energetyczny wskaźnik jakości, mechatronika, czas rzeczywisty

70

Nauka

Mobile HMI system for the micromachine toolBogdan Broel-Plater, Paweł Dworak, Marcin Mikołajczak

Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology

Abstract: In the paper a mobile visualization system of a numerical micromachine tool using mobile devices: tablet and smartphone is presented. The system is implemented and tested in the Depart-ment of Control Engineering and Robotics at the Faculty of Elec-trical Engineering, West Pomeranian University of Technology in Szczecin on the prototype of micromachine tool which has been built in the framework of the grant N R03 0050 06. Apart basic tasks of the human machine interface (HMI) e.g. monitoring of the main machining parameters, the system provides very advanced functio-nality comprising remote wireless control of the machine (remote pendant), sound, vibration and text messages (e-mail, SMS), a set of diagnostic functions. The system make it possible to detect and inform the operator about destruction of the device (milling cutter), possibility of exceeding the acceptable tool position errors and incorrect temperatures of the spindle. All These situations are detected by a mechanism that uses fuzzy logic inference. Acquisi-tion of process data and all necessary calculations are carried out in the NI LabVIEW environment with the use of CompactRIo and Aerotech controllers and its libraries. The paper presents a func-tionality and realization of some selected diagnostic functionality: remote communication with operator and the use of fuzzy logic to determine trend of temperature of the spindle.

Keywords: mobile HMI, CNC, diagnostic, fuzzy logic

1. Introduction

Over the years, with the development of portable devices, visualization systems for industrial process evolved. Unde-niably significant contribution to this development has made consumer electronics market. The rapid development of smartphones and later tablets, enabled designers to cre-ate solutions which, even a few years ago, nobody would have thought. Currently offered on the market mobile devi-ces have the computing power of personal computers simi-lar to the prior 10 years, while remaining within the pocket or hand of the operator. Important in terms of ease of use and intuitiveness of the operation of the visualization sys-tem is to provide the portable device with a touch screen which eliminates necessity of use a pointing device which as a mouse, stylus or touchpad.

The first portable devices (panels) were equipped with low resolution monochrome touch screens while the contem-porary ones use high resolution color LCD. Device used by us an Acer Iconia Tab W500 tablet is equipped with a scre-en size of 10.1 in with HD Ready WXGA 1280 × 800 re-solution. Given the growth rate of the touch-screen devices they will be soon equipped with full HD resolution screens (Acer A 700, iPad 4 [9, 10]. This allows one to create rich,

colorful interface elements through which an operator can with one glance at the screen to assess whether all compo-nents are working properly.

In addition to the standard HMI functions (Human Machine Interface) the created system features diagnostics of the machine and micromachining process.

Increasing significantly the safety of the process, reducing downtime and increasing the process quality diagnostic is the most useful feature of the modern monitoring and visuali-zation systems [2, 4, 5]. Unfortunately, they are still rarely used in practice, mainly because of the high degree of sophi-stication and/or the difficulties in the implementation and configuration especially from the point of view of possible implementation for the a micro machine [1, 3, 6, 8]. Relati-vely easy to intuitively understand and implement are the methods based on fuzzy logic [5]. Simple rules of fuzzy logic [7] seem to be almost perfect to describe the failure of devi-ces and process abnormalities. In the paper functionality and realization of some selected diagnostic functionality: remote communication with operator and the use of fuzzy logic to determine trend of temperature of the spindle is presented.

The organization of this paper is as follows. In Section 2 a structure of the control and visualization system of the micromachine is described. In Section 3 we present some selected features of the developed HMI system for the micro-machine. Section 4 describe a fuzzy logic procedure for the assessment of the state of process. We end the paper in Sec-tion 5 with conclusions.

2. Structure of the system

The machine named SNTM-CM-ZUT-1 has been built in the framework of the grant N R03 0050 06. The linear movements of the spindle in the 3-D space allow three line-ar Aerotech brushless servomotors: ANT95-50-L-Z (axis Y), ANT95-50-L (axis X) and ANT130-110-L (axis Z). The dri-ves allow to move the spindle and object with the resolution of 1 nm, accuracy ±4 μm, and linear velocity of motion up to 350 mm/s. The machine allows to conduct micromilling process with precision on the level up to 1 nm with accuracy ±3.0 μm.

The spindle is driven by the DC motor 4015 with the servo inverter e@syDrive 4425 and the e@syDrive 4428 feeder, all provided by Syco Tec. It allows to achieve the rotary velocity up to 100.000 rpm, and max torque value 0.04 Nm. The object is oriented perpendicular with referen-ce to the base and the operations are conducted in vertical and horizontal orientation. The depth of operation is obta-ined in line with the base.

The machine control system consist of three controllers: Aerotech for linear motion, Sycotec spindle controllers and National Instruments CompactRIO control for measurement,


diagnostic and supervisory control algorithms. It is comple-mented by the workstation and some mobile devices used to visualization and remote control of the process. The scheme of the control and visualization system of the micromachi-ne is presented in fig. 1.

system we focused on the second of these systems. Web-based interface, despite the many advantages in our case does not fulfill the tasks put before him. Due to the many hours’ time in cut material, the operator should be able to move around the factory floor at the same time having the ability to track and stop a remote process from any pla-

ce and using any device (HMI implementa-tion). That is also why we decide to implement the HMI system in the National Instruments LabVIEW environment. Possibility to control the Aerotech devices, the LabVIEW flexibili-ty, high level language power and many tools and mechanism provided makes this environ-ment ideal for implementation of the prototy-pe HMI system.

In the implementation an advanced varia-ble-sharing mechanism LabVIEW Shared Variable Engine (SVE) has been used. It allows to share the process variables betwe-en the workstation and mobile devices [11].

SVE allows one to share data between loops on a single diagram or between VIs across the network and further on multiple devices among others. PAC controllers, industrial com-puters and wireless operator panels. In con-trast to many existing data sharing methods in LabVIEW, such as UDP/TCP, LabVIEW queues, and Real-Time FIFOs, one typical-ly configure the shared variable at edit time using property dialogs, and do not need to include configuration code in the application.

Communication between devices is perfor-med on an Ethernet network through a pro-

tocol NI-PSP (National Instrument Publish and Subscribe Protocol). Simplified diagram of the system data exchange in the visualization system is presented in the fig. 2.

Fig. 1. Scheme of the control and visualization system of the micro-machine

Rys. 1. Schemat systemu wizualizacji i sterowania mikrofrezarką

Communication within the system is reali-zed via Ethernet TCP/IP, except from spin-dle controller connected to the workstation by RS-232C. The main node of the communica-tion system is then a router, to which an work-station and Epaq and CompactRIO controllers are connected. Its WiFi function allows one to connect to the system a few additional mobile devices e.g. tablets, smartphones or laptops. This communication channel is coded with WPA2-PSK protocol.

The heart of the system is a workstation, which monitors all system components and the process of machining. It is here where more diagnostic calculations are performer and from where the instructions to the controllers of the devices and process data to operator panels are sent.

Remote HMI systems can be divided into those based on web interface and autonomo-us, working on mobile devices using Wi-Fi to communicate with the base station controlling the process. While working on a prototype of the numerical micromachining visualization

Fig. 2. Diagram of the data exchange using Shared Variable EngineRys. 2. Schemat funkcjonowania mechanizmu Shared Variable

Engine

72

Nauka

3. Functions of HMI system

Some of the main goals of newly created HMI systems are the possibility of implementation in the portable device, easiness of modification, configuration and maintenance of the system and easy adjustment of the interface to user demands. The-se requirements has been met and the system implemented with the use of the high level language G and the National Instrument LabVIEW environment.

Basic functions of the implemented system are: – process data presentation, – data logging In a Citadel 5 database, – alarm of the process abnormalities, – historic data presentation, – CNC program management, – remote pendant (manual control of the motors), – diagnostics of the state of the tool, temperature of the

spindle and prediction of the exceeding of acceptable machining errors.The whole HMI system consists of three elements: full

application run on the workstation, which controls the pro-cess, slightly reduced implementation on a tablet and very simplified ones run on a smartphone.

4. HMI interface on the workstation and tablet

Due to necessity of the continuous and uninterrupted pro-cess control and data logging some functions implemented in the workstation and tablet differ slightly, e.g. some functions are realized and configured only in the workstation. Apart of that the GUI (graphical user interface) for the workstation and tablet implementation looks like the same (see fig. 3).

We can distinguish three basic areas of the screen: header, main part (tabs) and footer. The header and footer are-as contain always the same selected process parameters. Thanks to the tabs in the main GUI area we gain access to detailed processing parameters, historical data, remote pen-dant and others.

In the header the most important process parameters are presented such as axis status, position and velocity commands and errors. Additionally the right part of the header is dedica-ted to present the main diagnostic parameters, which allows the operator to quick assessment of the state of machining. Apart to the numerical indicators a multicolor led indica-tors are applied. Three colors used are: green, yellow and red depicting a proper machining, higher probability of machi-ning failures and alarms, respectively. The most important state from the point of view of the secure operation is the “yellow state”. It allows the operator to prevent errors which may deteriorate the machining performance or failure of the cutter. Parameters presented in this area are: position errors in axis X, Y and Z, velocity errors in axis X, Y and Z and spindle temperature indicator. Additionally an emergency stop button is placed there.

In the footer of the GUI a two combo box lists and nume-ric indicators are placed. Each list contains a set of process parameters, which values can be presented in the numeric indicator. A chose of parameter is up to the operator and may be made any time during the operation. It makes it possible to immediate preview the operation parameter of interest, without the necessity of looking it up in GUI tabs. A set of this parameters may be established by operator during configuration before the process is run.

The main area contains the panel of tabs which present: detailed parameters of drives, historic data (of freely chosen time period), CNC program management, remote pendant (manual control), alarms record, detailed system diagnostic (including cutter failure and spindle temperature).

An important element of the system is data logging and alarming of the selected (possible all) machining parame-ters. The NI LabVIEW Datalogging and Supervisory Con-trol (DSC) toolbox provides the mechanism for configuration and maintenance of these functions of the system [11]. With LabVIEW DSC, one can interactively develop a distributed monitoring and control system with even few thousands tags. This module includes tools for communicating to conventio-nal PLCs as well as programmable automation controllers

such as NI CompactRIO tar-gets, logging data to histo-rical databases, managing alarms and events, and deve-loping HMIs all within the single LabVIEW environ-ment. Thus it suits perfectly for realization of the goals of the developed system.

The Citadel 5 databases for data logging and alarming parameters are stored in the workstation, which allows the operator to display them at any time both on the GUI of the workstation and on the remote operator panel realized by a tablet. Thus the operator has a conti-nuous access to the process data and does not have to be present by the machine during operation.

Fig. 3. Print screen of the workstation and tablet HMI implementationRys. 3. Zrzut ekranu z systemu wizualizacji stacji roboczej i tabletu


5. HMI interface on the smartphone

Due to the relatively small size of the smartphone’s memo-ry and relatively small display resolution, we were forced to significantly reduce the functionality of the interface screen for the device and only the most important process para-meters are displayed here. There are diagnostic ones: posi-tion and velocity errors, mean square errors of position and velocity. A print screen of the main tab of the smartphone implementation is presented in fig. 4a.

Specificity of the mobile devices means that part of the HMI function must be changed. The ability to place the pho-ne in your pocket poses a threat of accidental activation of certain functions, such as pressing the stop button. Therefo-re, preventive measures are necessary. That is why to avoid accidentally stop the process one has to confirm the action in one second (fig. 4b). The “Confirm” button is visible and available to press only one second after the “Process stop” has been touched.

Apart of the above drawbacks mobi-le devices offer a set of very useful futu-res such as SMS, sound and vibration noti-ces which may and are used to inform the operator about the most important pro-cess events.

The application is complemented by „Parameters” tab (fig. 5) where two combo box lists and numeric indicators are placed. They have the same functionality as the ones from footer of the workstation imple-mentation. Thus, in spite of the confined display resolution, it allows the operator to check each available process parameter.

Fig. 4. Main tab of the smartphone HMI implementationRys. 4. Zrzut ekranu głównej zakładki systemu wizualizacji smartfonu

a) b)

Fig. 5. „Parameters” tab of the smartphone HMI Rys. 5. Zakładka “Parametry” systemu wizualizacji smartfonu

6. Fuzzy description of the process state

One of the most innovative features of the presented HMI system are diagnostics functions of device status and running pro-cess. The parameters subject to constant monitoring are the position and velocity errors of movement of the tool and spin-dle temperature. Used in diagnostic algo-rithms will be illustrated on the example of the analysis of temperature changes of the spindle.

Occurring during machining spindle warm-up phenome-non may lead to a deeper or shallower recess of the cut-ter in the machined material what is crucial for the machi-ning accuracy comparable to the constant expansion of ste-el (spindle). Therefore the operator must be able to track the actual temperature of the spindle and get information that should enhance or limit cooling (by increasing the flow of cooling water).

In order to solve this problem we created a fuzzy infe-rence system, which based on current temperature and the temperature derivative, displays the operator some auxilia-ry instruction. The numerical sharp output varying in the range from –1 to 1, means complete closure and cessation of the cooling process for (–1) or a total opening coolant valve and cessation of treatment (+1).

To design the “controller” the Fuzzy System Designer tool supplied with the NI PID and Fuzzy Logic Toolkit has been used.

Configuration of fuzzy inference system configuration as well as other interface elements is carried out before tur-ning the display system. It allows one to set and view two sets of input membership functions and one set for output. Temperature membership functions are set based on the current ambient temperature (measured from the tempe-rature sensor), and the desired accuracy. The spindle used

74

Nauka

is made mainly of stainless steel, which of the linear coeffi-cient of thermal expansion is 12×10–6/°C, i.e. that increases by 12 μm with a change of 1 °C. The boundaries of member-ship function are calculated as for which accuracy is main-tained on the basis of the above value and the desired accu-racy (in μm).

In the case of a set of functions for the temperature deri-vative the maximum and minimum value of the derivative is assumed. The interface of the system manual configura-tion is shown in fig. 6.

The following membership functions of input sets (for temperature and its derivatives) has been assumed: for tem-perature three fuzzy sets TooLow, Optimum, TooHigh, simi-larly three ones TempDec, TempCon, TempInc for is deri-vative. The membership functions to these input fuzzy sets are depicted in fig. 7.

Fig. 8. output membership functions of the fuzzy temperature dia-gnosis system

Rys. 8. Funkcje przynależności wyjścia rozmytego systemu diagno-stycznego

Fig. 9. Multi-state LED indicator – instructions for operatorRys. 9. Multi-state LED Indicator – instrukcje dla operatora

Fuzzy evaluation of the temperature of the spindle and the development of instruction to the operator is described using five fuzzy sets: Warm, WachW, Do nothing, WatchC, Cool, which membership functions are presented in fig. 8. The infering rules for such prepared system may be presen-ted in a form of the infering tab. 1. Thus the result of tem-perature evaluation is a hint for the operator. The sharp out-put calculeted with the use of the output membership func-tions presented in fig. 8 may in future be used to an automa-tic temperature control. For the time beeing it is only used to inform the operator about the system possible inaccurat-nesses or possible failures.

For ease of operation a graphic indicator of the spindle temperature has been prepared. For this purpose a multi- -state LED indicator has been designed. It takes four sta-tes depicted by color and text messages: Blue, Yellow, Green and Red colors for Warm, Watch, Do nothing and Cool instructions for operator, respectively. It is supplemen-ted by a percentage description of the diagnosis reliability. The possible appearance of the multi-state LED indicator is presented in fig. 9.

Fig. 6. Manual configuration of the fuzzy diagnosis systemRys. 6. Ręczna konfiguracja parametrów rozmytego systemu

diagnostycznego

Such prepared, the system allows the machine operator to rapid diagnosis of the spindle. In order to save memory of the portable devices diagnostic system calculations are performed on a workstation and transmitted through the SVE to other devices of the HMI (tablet and smartphone).

7. Conclusions

The presented in the paper HMI system has been develo-ped in order to implement and test some new futures of the modern visualization system of the numerical micro machine tool. A quick implementation and easy maintenance of the system was satisfied due to the chosen NI LabVIEW plat-form. It provides functionality which allows one to extend easily the system by the functionality of e.g. mobile devices, highly advanced control algorithms etc.

Fig. 7. Membership functions for a) temperature b) temperature derivatives

Rys. 7. Funkcje przynależności a) aktualnej temperatury, b) pochod-nej temperatury

a)

b)


The presented functionality: remote communication with operator and the use of fuzzy logic to determine trend of temperature of the spindle shows trends in the development of the new HMI systems, especially those including the dia-gnostic goals, which as it was shown are relatively easy to implement and its result simple to present to the operator.

The fuzzy logic algorithm used make it possible to detect and inform the operator about the danger of destruction of the device (milling cutter), possibility of exceeding the accep-table tool position errors and incorrect temperatures of the spindle and others. The evaluated results of the fuzzy algo-rithm (after confirming the correctness of the configuration) may also be easily used in an fully automatic control system.

Acknowledgements

The study has been partly supported by the Grant No. N R03 0050 06 financed by the Polish Ministry of Scien-ce and Higher Education.

Bibliography

1. Chae J., Park S.S., Freiheit T., Investigation of micro-cutting operations, “International Journal of Machine Tools and Manufacture”, vol. 46, no. 3–4, 2011, 313–332.

2. Frank P.M., Fault diagnosis for linear systems, Control Systems, Robotics, and Automation, 16, 2011.

3. Kang1 I.S., Jeong S.K., Yong W.S., Cutting force model considering tool edge geometry for micro end milling pro-cess, “Journal of Mechanical Science and Technology”, vol. 22, 2008, 293–299.

4. Korbicz J., Kościelny J.M., Modeling, Diagnostics and Process Control: Implementation in the DiaSter System, Berlin, Springer, 2010.

5. Korbicz J. et al. Fault Diagnosis: Models, Artificial Intel-ligence, Applications, Berlin, Springer, 2004.

6. Malekian M., Park S.S., Jun Martin B.G., Tool wear monitoring of micro-milling operations, “Journal of Materials Processing Technology”, vol. 209, 2009, 4903–4914.

7. Rutkowski L., Metody i techniki sztucznej inteligencji, PWN, 2005.

8. Wang J., Gong Y., Abba G., Antoine J.F., Shi J., Chip formation analysis in micromilling operation, “Interna-tional Journal of Advanced Manufacturing Technology”, vol. 45, no. 5–6, 2009, 430–447.

9. [www.acer.com]. 10. [www.apple.com].11. [www.ni.com].

Mobilny system wizualizacji mikroobrabiarki

Streszczenie: W artykule przedstawiono mobilny system wizu-alizacji mikroobrabiarki numerycznej wykorzystujący urządze-nia mobilne: tablet i smartfon. System jest wdrażany i testowa-ny w katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki na Wydzia-le Elektrycznym Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Techno-logicznego w Szczecinie na prototypie mikroobrabiarki powsta-jącej w ramach grantu N R03 0050 06. oprócz podstawowych zadań interfejsu HMI (ang. Human Machine Interface), do których należą do nich między innymi monitorowanie głównych parame-

trów obróbki, projektowany system realizuje bardzo zaawanso-wane funkcje w tym: zdalna kontrola ruchów urządzenia w ręcz-nym trybie pracy (zdalna wędka), informacje dźwiękowe, teksto-we (SMS, e-mail), wibracje urządzenia, zestaw funkcji diagno-stycznych. Ponadto przewidziano w systemie możliwość infor-mowania operatora o zniszczeniu narzędzia (freza), możliwo-ści przekroczenia akceptowalnych wartości błędów obróbki oraz niepoprawnej temperaturze wrzeciona. Wszystkie te nieprawi-dłowości wykrywane są przy użyciu algorytmów wykorzystują-cych logikę rozmytą. Akwizycja wartości zmiennych procesowych oraz wszystkie niezbędne obliczenia przeprowadzane są z wyko-rzystaniem oprogramowania NI LabVIEW oraz sterowników CompacRIo, kontrolerów Aerotech i ich bibliotek. W artykule sku-piliśmy się na dwóch wybranych elementach systemu: zdalnym informowaniu operatora urządzenia oraz wykorzystaniu logiki rozmytej do określenia trendu temperatury wrzeciona.

Słowa kluczowe: mobilne HMI, CNC, diagnostyka, logika roz-myta

Bogdan Broel-Plater, PhD

He received the MSc and PhD degrees in control engineering in 1975 and 1986, respectively. Currently assistant professor in the Department of Control Engineering and Robotics, Faculty of Electrical Engineering, West Pomera-nian University of Technology in Szc-zecin. Main scientific interests: pro-grammable logic controllers, indus-trial application of fuzzy-logic control, mechatronics.e-mail: [email protected]

Paweł Dworak, PhD

He received the MSc and PhD degrees in control engineering in 1999 and 2005, respectively. Currently assistant professor in the Department of Control Engineering and Robotic, West Pomer-anian University of Technology, Szc-zecin. Main scientific interests: mul-tivariable control systems, adaptive control, process data acquisition and visualization, industrial applications of modern control algorithms.e-mail: [email protected]

Marcin Mikołajczak, BSc

The first graduate degree (BSc) in Automatic Control and Robotics at the faculty of Electrical Engineering at West Pomeranian University of Technology in Szczecin, currently a student of second degree (MSc) in Automatic Control and Robotics at the faculty of Elec-trical Engineering at West Pomeranian University of Technology in Szczecin. Interest in new technologies and buil-ding automation.e-mail: marcin.mikoł[email protected]

76

Nauka

The influence of properties of a measured object on the surface digitalization performed by

a laser scanner integrated with measuring armMichał Rak, Adam Woźniak

Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Warsaw University of Technology

Abstract: Examining the influence of properties of the measured object on the surface digitization is a purpose of this article. Pro-perties of an object are understood by the surface condition – its roughness, curvature and reflectivity, as well as the material com-position of the measured object. A surface roughness was the first studied parameter. Tests were performed on standards of a rough-ness. It was checked how the roughness profile’s height affects the accuracy of collected points. Measurements were performed for both reflective and scattering surfaces. It was also examined whether the scanning direction, perpendicular or parallel to the roughness profile affects the result significantly. The second part of the study was based on measurements of balls. For researches ceramic balls were chosen due to the accuracy of their making. In this case finding balls made of a material that allows the measure-ment by laser triangulation method was the crucial purpose. After a selection of a suitable material it was tested how the radius of the curvature affects the surface digitization. Three parameters were taken into account. These parameters were: sphericity, sta-bility of determination the position of the centre of the fixed ball and accuracy in determination of the diameter with respect to the nominal. All measurements were studied with a portable measu-ring arm Metris-Nikon model MCA II fitted with a MMC80 laser scanner.

Keywords: 3D digitalization, laser scanning, roughness, laser triangulation

1. Introduction

The idea of coordinate measurements was founded in the seventies of the 20th century, but only progress of compu-ter technology has allowed the full development [1]. In con-trast to the classic metrology, coordinate measuring techni-que relies on computer processing of information from me-asurement and enables to obtain high accuracy in the short time. A characteristic property of the coordinate technique is the determination of dimensions of spatially shaped elements on the basis of coordinate values. The main device working in coordinate technique is Coordinate Measuring Machine (CMM). Its moving parts can move in three perpendicular directions. Another example of device working in the coor-dinate technique is Coordinate Measuring Arms called also portable CMM’s. Their construction is much simpler than in case of Coordinate Measuring Machines. In contrast to the CMM in Measuring Arms during measurement angle coordi-nates from rotary encoders are obtained. Then using calcu-lation procedure coordinates of points are transformed into the Cartesian system.

Points can be collected in a contact way. In this case high accuracy coordinates are obtained. Main disadvantages of this approach are the small number of measurement points and the long measuring time. Especially in industry faster and more thorough and complete inspection of machined parts in order to shorten development and production time of pro-ducts are requested. An attractive solution is applying opti-cal methods where data on the entire object in a short time is gathered. Optical methods include [2]: triangulation, ran-ging, interferometry, structured lighting and image analysis. To perform the research presented in this article laser trian-gulation method was used.

2. Laser triangulation

Compared to other optical measuring methods, higher pre-cision and lower costs characterize laser triangulation [3]. Its working principle is as follows: a laser beam is aimed in the direction of the measured surface, producing a spot or a stri-pe. The spot/stripe is imaged on a detector at a position de-pendent on the distance of the measured area from the sour-ce of the laser. There are some factors affecting the measu-rement accuracy [4]:1. Laser scanning depth, 2. Projected angle, 3. Environment effects, 4. Operation error, 5. Data processing.

The first factor was widely analyzed by Vukašinović et al. [5]. He concluded that at a closer distance from the laser scanner to the measured surface obtained resolution is higher.

A significant factor influencing the result of measurement is the projection angle. Demkin et al. [6] consider that to re-duce significantly the deformation of the resulting cloud of points, caused by the surface properties, it is necessary to keep the triangulation plane orthogonally to the measured surface. The influence of incident angle was also noticed by Van Gestel et al. [7]. They showed that for measurements of the sphere from only one direction unstable results were obtained. Extensive studies of the impact of projected angle were made by Vukašinović et al. [5]. They measured the in-tensity of surface reflection. It was indicated that at incidence angle over 60° the intensity is equal to zero.

As environment effects mainly ambient light and tem-perature changes are taken. Blanco et al. [8] noted that the best results were obtained in the absence of external light but this condition is inappropriate for most laboratory tasks. The use of mercury vapour lamps is therefore recommended. In their paper the effect of temperature on results was also presented. Thermal distortion of laser head internal geometry

77Pomiary automatyka Robotyka nr 12/2012

causes that within one hour, variation of achieving results is 10 µm. Vukašinović et al. [9] paid attention to the appropriate data processing. Only a central part of point clouds should be used, what is connected with the measurement angle and the distance.

Vukašinović et al. [5] divide the reflection from a real sur-face into two components: specular and diffuse. Their ratio depends on surface properties, which includes: chemical com-position, microstructure and roughness. Research of different materials (aluminium, stainless steel, low alloy steel, cooper alloy, necuron and arnite), i.e. with different composition and different properties of the surface were performed by Blanco et al. [8]. They noted that when stainless steel is digitized, the spatial position of the point cloud is less affected than in case of necuron. On the other hand necuron gives a good repeatability for the light influence and low steel carbon or coopers alloy not.

In the literature, the influence of surface color on mea-sured results was widely discussed. Vukašinović et al. [5] made a spectral analysis for the different surface color using a laser diode of wavelength of 675 nm. The highest relative intensity was for white – 100 % and red surface – 87 %, and the lowest was for green and blue – 23 % and 7 %, respectively. Higher intensity associates obviously with a larger number of points collected from the surface. Vukašinović et al. [10] choose red instead of white surfaces. They justify this by the fact that red surface reflects only this part of red light which is between 600 nm and 700 nm and absorbs the energy of the most of the other spectral field. Vukašinović [9] determines the sur-face color as the factor most strongly influencing the result (in comparison to incident angle and distance).

Another important factor discussed by Lombardo et al. [11] is reflectivity of scanned surface. It cause that not all the light sent by the laser finds its way onto the detector what obviously is a limitation. A surface that is too reflective must be prepared for the measurement, for example through spray-ing a washable coat. The influence of the measured surface on results was also brought up by Martínez et al. [3] whom recommend that the surface should neither be specular, very shiny nor dark. A similar problem is also with transparent surfaces [8]. Vukašinović et al. [5] demonstrated that although covering the surface with white chalk powder increasing the intensity over the entire range of incident angle it does not increase this range.

In this article influence of properties of the measured ob-ject on the surface digitization were examined. Verified factors were surface’s roughness, curvature and reflectivity, as well as the chemical composition of the measured object.

3. Experiment3.1. Measuring equipmentStudies were performed on a coordinate measuring arm model MCA II made by Metris-Nikon. This is a 7-axis arm with a spatial accuracy, according to the ASME B89.4.22-2004 [12] standard, of 40 µm. This and other parameters of the arm are given in tab. 1.

The arm is equipped with a laser scanner head METRIS – NIKON model MMC80 with characteristics presented in tab. 2.

Point clouds were collected using the scanner manufactu-rer’s software package called Focus Handheld. Points asso-

Tab. 1. Main parameters of the arm METRIS – NIKON model MCA IITab. 1. Główne parametry ramienia METRIS – NIKON model MCA II

Kinematic topology

Measuring range

Accuracy according to the B test

Accuracy according to the C test

7 rotary axes 2.4 m ± 0.028 mm ± 0.040 mm

Tab. 2. Parameters of the scanner MMC80 METRIS-NIKONTab. 2. Parametry skanera MMC80 METRIS-NIKON

Stripe width (Y) 80 mm

Measuring range (Z) 100 mm

Accuracy (1s) 17 µm

Points per stripe 800

Maximum speed of scanning (stripes per second)

30

Maximal number of scanned points per second

24 000 p/s

Tab. 3. Main parameters of the profilometer Taylor Hobson mod-el Talysurf PGI 830

Tab. 3. Główne parametry profilometru Taylor Hobson model Talysurf PGI 830

Product code PGI 830

Gauge range 8 mm

Gauge resolution 0.8 nm

Horizontal traverse 200 mm

Horizontal straightness 0.35 µm over 200 mm

Vertical traverse 450 mm

System noise 2 nm

Isolation cabinet Standard

ciated with the fixation elements were removed before fur-ther processing.

Measurements of standards of roughness were performed on profilometer Talysurf PGI 830 made by Talor Hobson. Parameters of the Talysurf were given in tab. 3.

3.2. Test partsStandards of roughness and ceramic balls were selected as ele-ments for the tests. Example test parts are shown in fig. 1.

Standards of roughness were divided into scattering and reflective (both can be seen in fig. 1.) For both groups four standards with different parameters of roughness were cho-sen. Based on the Ra parameter effort has been made to choose a similar sample of reflective and scattering surfaces. Selected samples were presented in tab. 4.

78

Nauka

Measurements were performed in the perpendicular and parallel direction to the surface roughness profile. For each direction for each surface a series of 10 measurements were performed. For obtained point clouds sections perpendicular to roughness profile were measured and their straightness was determined. From ten values of straightness for section their averages and standard deviations were calculated.

For balls tests finding a material that allows the measure-ment by laser triangulation method was a first goal. Four materials were tested: silicon nitride (Si3N4), tungsten carbide (WC), zirconium oxide (ZrO2) and aluminium oxide (Al2O3). Subsequently it was tested how the radius of the curvature affects the surface digitization. Three parameters were taken into account: sphericity, stability of determination the posi-tion of the centre of the fixed ball and accuracy in determina-tion of the diameter with respect to the nominal.

4. Results

For all select standards a comparison of average values and standard deviations of straightness of sections for both per-pendicular and parallel strategies was presented in tab. 5 (a – for reflective surfaces, b – for scattering surfaces).

Results were presented in graphs. Straightness for reflective and scattering surfaces and standard deviations were shown in fig. 2a, b and c, respectively.

Fig. 1. Test parts: a) standard of roughness, b) ceramic ballRys. 1. Elementy pomiarowe: a) wzorzec chropowatości,

b) kula ceramiczna

a) b)

Tab. 4. Selected samples of standards of roughness Tab. 4. Wybrane próbki wzorców chropowatości

Reflective Scattering

Ra, µm Ra, µm

33.0 26.7

9.1 9.4

4.7 5.1

0.9 1.4

Tab. 5b. Straightness of sections from scattering surfacesTab. 5b. Prostoliniowość przekrojów z powierzchni rozpraszających

scattering

perpendicular parallel

Ra, μm straightness, μm

standard deviation,

μm

straightness, μm

standard deviation,

μm

26.7 122.9 17.5 95.6 5.9

9.4 73.4 17.0 44.4 6.3

5.1 71.7 9.8 51.9 7.9

1.4 55.6 5.7 43.3 5.8

Fig. 2b. Straightness of sections for scattering surfacesRys. 2b. Odchyłka prostoliniowości przekrojów dla powierzchni roz-

praszających

Tab. 5a. Straightness of sections from reflective surfaces Tab. 5a. Prostoliniowość przekrojów z powierzchni refleksyjnych

reflective

perpendicular parallel

Ra, μm straightness, μm

standard deviation,

μm

straightness, μm

standard deviation, μm

33.0 233.8 34.6 225.9 37.7

9.1 64.8 13.5 163.3 83.8

4.7 79.2 28.6 80.3 274.5

0.9 81.5 45.0 104.9 42.4

Fig. 2a. Straightness of sections for reflective surfacesRys. 2a. Odchyłka prostoliniowości przekrojów dla powierzchni re-

fleksyjnych


The first thing, which should be noted, is that both the straightness of sections and standard deviations are almost in the whole range higher in case of reflective surfaces than for scattering. With increasing of roughness the stability of the straightness of the section determination increases. It may be due to the fact, that roughness makes the surface is no longer specular.

Another important issue is the effect of the scanning direction. For measurements of reflective surfaces both straightness and standard deviation are higher for measu-rements, which are parallel to surface roughness profile. For measurements of scattering surfaces, the situation is reversed. Curves of the straightness for scattering surfaces measurements are similar in shape but with higher values for perpendicular measurements. For the reflective surfaces a large the randomness of results reveals.

It can be concluded that in order to reduce the impact of the measured surface properties on the result part sho-uld be prepared for measurement, for example by applying an appropriate coating.

To illustrate the effect of the measuring direction, curves of the standard deviation only for scattering surfaces were shown. It was presented in fig. 2d.

It can be noticed that in measurements perpendicular to profile of roughness standard deviation increases with the size of roughness considerably faster and reaches almost three times higher values.

The second part of the study was performed using cera-mic balls. The first task was to select a material with a chemical composition that the laser beams were neither scattered nor absorbed by the surface. Four materials were chosen: silicon nitride, tungsten carbide, zirconium oxide and aluminium oxide. A simple test was performed. It was checked whether the laser beam intersects with the real surface of the ball. Location of measuring point outside the ball demonstrates significant surface reflectivity, and gathering point inside the ball demonstrates absorptivity of material of which the ball was made. For balls of different materials measuring points were collected. On this basis their diameters were determined. Diameters were compa-red with nominal values. The comparison was presented in tab. 6.

Tab. 6. The comparison of diameters for different materialsTab. 6. Porównanie średnic kul dla różnych materiałów

silicon nitride

tungsten carbide

zirconium oxide

aluminium oxide

nominal diameter, mm 12.700 6.350 15.875 12.700

measured diameter, mm 12.765 7.910 15.451 12.417

measured-nominal, mm 0.065 1.560 –0.424 –0.283

Fig. 2c. Standard deviations of straightness of sectionsRys. 2c. Odchylenia standardowe odchyłek prostoliniowości prze-

krojów

Fig. 2d. Standard deviations of straightness of sections for scatte-ring surfaces

Rys. 2d. Odchylenia standardowe odchyłek prostoliniowości prze-krojów dla powierzchni rozpraszających

Fig. 3. Materials of balls: a) tungsten carbide, b) zirconium oxide, c) aluminium oxide

Rys. 3. Kule wykonane z różnych materiałów: a) węglik wolframu, b) tlenek cyrkonu, c) tlenek glinu

a) b) c)

Comparing the difference between the measured and nominal diameter it can be seen that the best material is silicon nitride. Ball made of this material was presen-ted in fig. 1b. Tungsten carbide has high reflective proper-ties, while zirconium oxide and aluminium oxide absorb the laser beam. These materials were shown in fig. 3.

Further studies were performed on balls made of sili-con nitride. Balls with a diameter ranging from 12 mm to 5 mm were studied.

The first tested parameter was sphericity. Its value for each diameter was shown in fig. 4.

80

Nauka

The curve of sphericity as a function of balls diameter may indicate a negligible effect of the radius of curvature on values of sphericity. It is rather due to properties of sur-faces, environmental conditions and errors of the measu-ring device.

A stability of determination the position of the centre of the fixed ball was a next checked parameter. Results were presented in fig. 5.

Fig. 4. Sphericity for different balls’ sizesRys. 4. Odchyłka sferyczności dla różnych rozmiarów kul

Fig. 5. Stability of positions of centres (3D centre deviations)Rys. 5. Stabilność pozycji środków (odchylenia 3D środków)

Fig. 6. Errors of determination the diameter of ballRys. 6. Błędy wyznaczenia średnicy kuli

Higher ratio of the number of points collected outside the surface to those collected under surface results in the determination of a diameter of a ball higher than nomi-nal value. The diameter of the ball does not affect on this. Sphericity, so also indirectly appropriate filtering can reduce the error of the diameter determination. Outlying points that adversely affect the result are then removed.

5. Conclusion

We can conclude that the impact of properties of the measured surface is significant. Therefore its preparation for measurement is very important. During measurements of standards of roughness it was reported that reflecti-vity of surface causes a strong randomness of results. With increasing of roughness the stability of the straightness of the section determination increases. It may be due to the fact that roughness makes the surface is no longer specular. For scattering surfaces, for higher stability of results it is recommended to perform measurements in a parallel to the roughness direction.

During the research on balls a strong the influence of the material of which the part was made to the measure-ment results was proved. Depending on the chemical com-position surface can absorb or reflect the laser beam. It was checked whether the laser beam intersects with the real surface of the ball.

It has also been shown that there is a negligible effect of the radius of curvature on values of sphericity. It is rather due to properties of surfaces, environmental conditions and errors of the measuring device.

If determination of position of feature is the main goal of measurement, features with small dimensions should not be selected. This is due to the fact that in smaller features percentage of random points and noise is higher.

In the case of determining the diameter of ball the situ-ation is similar as in the case of sphericity. It is rather cau-sed by properties of surfaces, environmental conditions, errors of the measuring device and other random factors.

It can be seen that apart from peak of the balls with a diameter of 7/16” (11.113 mm) the stability of deter-mination centres of balls is maintained at a similar level up to the ball with a diameter of 7 mm. Subsequently a rapid increase is noticeable. This is due to the fact that in smaller balls percentage of random points and noise is much higher. From the smaller surface smaller number of points is collected so that each artifact is more significant.

In the case of determining the differences between measured and nominal diameter situation is similar as in the case of sphericity. Correlation of errors of diameter determination and the size of balls was shown in fig. 6.


Bibliography

1. Ratajczyk E., Coordinate measuring technique, OWPW, Warsaw 2005 (in Polish).

2. Várady T., Martin R., Coxt J., Reverse engineering of geometric models – an introduction. “Computer-Aided Design”, Vol. 29, No. 4, 1997, 255–268.

3. Martínez S., Cuesta E., Barreiro J., Álvarez B., Ana-lysis of laser scanning and strategies for dimensional and geometrical control. “The International Journal of Advanced Manufacturing Technology”, (2010) 46, 621–629.

4. Wang L., Ding H., Wang S., Measurement Error Compensation Using Data Fusion Technique for Laser Scanner on AACMMs, ICIRA 2010, Part II, LNAI6425, 2010, 576–586.

5. Vukašinović N., Bračun D., Možina J., Duhovnik J., The influence of incident angle, object colour and distance on CNC laser scanning, “The Internatio-nal Journal of Advanced Manufacturing Technology”, 9/1994, 56–64.

6. Demkin V.N., Stepanov V.A., Measurement of surface roughness profile by a triangulation method, “Measure-ment Techniques”, Vol. 51, No. 6, 2008.

7. Van Gestel N., Cuypers S., Bleys P., Kruth J.P., A performance evaluation test for laser line scanners on CMMs, “Optics and Lasers in Engineering”, vol. 47, 2009, 336–342.

8. Blanco D., Fernández P., Cuesta E., Mateos S., Bel-trán N., Influence of Surface Material on the Quality of Laser Triangulation Digitized Point Clouds for Reverse Engineering Tasks, “Emerging Technologies & Factory Automation”, 2009. ETFA 2009. IEEE Confe-rence.

9. Vukašinović N., Možina J., Duhovnik J., Correlation between Incident Angle, Measurement Distance, Object Colour and the Number of Acquired Points at CNC Laser Scanning, “Journal of Mechanical Engineering”, 58, 2012, 1, 23–28.

10. Vukašinović N., Korošec M., Duhovnik J., The Influ-ence of Surface Topology on the Accuracy of Laser Triangulation Scanning Results, “Journal of Mechani-cal Engineering”, 56, 2010, 1, 23–30.

11. Lombardo V., Marzulli T., Pappalettere C., Sfo-rza P., A time-of-scan laser triangulation technique for distance measurements, “Optics and Lasers in Engine-ering”, 39, 2003, 247–254.

12. ASME B89.4.22-2004 “Methods for Performance Eva-luation of Articulated Arm Coordinate Measuring Machines”.

Wpływ właściwości mierzonego obiektu na proces digitalizacji powierzchni

przeprowadzanej za pomocą skanera laserowego zintegrowanego z ramieniem pomiarowym

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badania wpły-wu właściwości mierzonego obiektu na proces digitaliza-cji powierzchni. Właściwości obiektu są rozumiane przez stan

powierzchni – jej chropowatość, krzywiznę i refleksyjność, jak również skład materiałowy mierzonego obiektu. Pierwszym badanym parametrem była chropowatość powierzchni. Testy wykonano na wzorcach chropowatości. Sprawdzano, jak wyso-kość profilu chropowatości wpływa na dokładność zbieranych punktów. Pomiary wykonano dla powierzchni zarówno refleksyj-nych i rozpraszających. Sprawdzano również, czy kierunek ska-nowania, prostopadły lub równoległy do profilu chropowatości wpływa znacząco na wynik. Druga część badań została wykona-na na podstawie pomiarów kul. Do testów użyto kul, które zostały zbadane pod względem najlepszego materiału umożliwiającego pomiar na zasadzie triangulacji laserowej. Następnie sprawdza-no, jak promień krzywizny wpływa na digitalizację powierzchni. Wzięto pod uwagę trzy parametry. Tymi parametrami były: sfe-ryczność, stabilność wyznaczenia pozycji środka unieruchomio-nej kuli i dokładność wyznaczenia średnicy w odniesieniu do wartości nominalnej. Wszystkie pomiary wykonano przy uży-ciu współrzędnościowego ramienia pomiarowego Metris-Nikon model MCA II wyposażonego w skaner laserowy MMC80.

Słowa kluczowe: digitalizacja 3D, skaning laserowy, chropowa-tość, triangulacja laserowa

Michał Rak, MSc

He received the MSc from Warsaw Uni-versity of Technology in 2011. He is cur-rently a PhD student in the Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics, Warsaw Uni-versity of Technology. Within the PhD he deals with the fusion of data from dif-ferent measurement methods mainly optical and contact.e-mail: [email protected]

Adam Woźniak, PhD, Prof. of WUT

He received the MSc (1998), PhD (2002), and DSc (2011) degrees from Warsaw University of Technology, Poland. From 2005 to 2006 he was a Visiting Professor with the Depart-ment of Mechanical Engineering, École Polytechnique de Montréal, Canada. He is currently a Professor with the Institute of Metrology and Biomedical Engineering, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology. His current research interests include dimensional metrology, espe-cially coordinate measuring technique. He is the author of more than 80 papers in these areas.e-mail: [email protected]

82

Nauka

Study of porosity measurement using the computer tomograph

Tomasz Kowaluk, Adam WoźniakInstitute of Metrology and Biomedical Engineering, Warsaw University of Technology

Abstract: This paper is concerned with performance of measu-rement of pore volume in aluminum cast. The experiments were carried out on a METROTOM 800 Carl Zeiss computer tomo-graph. Results coming from algorithm of automatic detection were compared against to the manual detection according to the ISO surface. Results have been analyzed using the VGStudio MAX software.

Keywords: computer tomograph, porosity

Introduction

The idea of measurements consists of assembling three-dimensional spatial object from multiple flat images resul-ting from the scanning of measured element in the selected angular position. The measured element is set on a rotary table that allows the movement, linear and angular positio-ning of the component. While the measured object is illu-minated by an X-ray beam generated in the tube, the image detection is done at certain angular positions of rotary table on the detector array. Acquired images are processed by spe-cialized software, producing a three-dimensional model of the measured element.

While the measured objects absorb energy of X-rays during the measurements, the X-ray beam is therefore weakened and the difference in the intensity of radiation passing through the object is registered on the detector. The change of the intensity of the parallel beam of radiation of the same energy, during the transition through the measu-ring object is described by the dependency:

I = I0e-μg [1], where:I – intensity of radiation after passing through the object,I0 – initial intensity of radiation,m – linear absorption coefficient of radiation,g – thickness of the material.

X-ray absorption of the tested object is proportional to the density and to the atomic structure of the material and wall thickness of the element [1].

The study was performed on a METROTOM 800 Carl Zeiss (fig. 1) computer tomograph. To the main assembly of computer tomographs the X-ray tube, the radiation detec-tor and a system for positioning the measured element con-sisting of a rotary table and the linear guideways are inclu-ded. The data obtained are processed by a separate compu-ter. The computer tomograph METROTOM 800 is equip-ped with a constant X-ray tube with a power of 39 W (at maximum parameters – 130 kV voltage and 300 μA current) and a detector with a resolution of 1536 × 1920 pixels. Main metrological parameters of the CT are summarized in tab. 1.

2. The influence of the shape of the histogram on results

The study consisted of checking the obtained values of pore volume in aluminum cast. Theoretically, by measuring the elements which are made of one material in the histogram two peaks should be obtained, one for the air and second for the material. „Ideal histogram” is shown in fig. 2.

Obtaining the ideal histogram allows the use of algori-thms for automatic detection of the ISO surface (threshold between background and material).

The effect of ISO surface settings are shown in fig. 3. On the left (fig. 3a) is visible noise in the central part of the ele-ment – aluminum casting (automatic algorithm). The set-tings change will remove noise (manual algorithm) which is shown in the fig. 3b. Changing the ISO value affects not only the removal of the outside noises in the measured ele-ment but also of the inside.

Fig. 1. Computer tomograph METROTOM 800Rys. 1. Tomograf komputerowy METROTOM 800

Tab. 1. Metrological parameters of the CT METROTOM 800 [2, 3]Tab. 1. Parametry metrologiczne tomografu komputerowego

METROTOM 800 [2, 3]

Measuring range: x-y plane: z 170 mm, 190 mm

Workpiece weight, max. 4 kg

Focal spot size, min. 5 μm

Geometric magnification (2D), max. 45

Geometric magnification (3D), max. 40

X-ray detector resolution 1536 × 1920 pixels

X-ray detector Pixel size 127 × 127 μm

MPEE – Maximum Permissible ErrorError of indication

4.5 + L/100 μm (L – length of the measured distance mm)


Algorithms for calculation the volume of defects that occur inside of the elements are based on three levels of gray scale values (ISO surface, material and background). The most important is the value of the ISO surface. The software treats this value as a „threshold” between air and material. Voxels which values are less than ISO are treated as the air, while the values above the ISO are treated as the material. Changing the ISO value influence on the volume of the whole element as well as on detected defects that occur in the element. Table 2 shows the results of measurement of pore size for automatic as well as manual method of deter-mining the ISO value.

The user can decide what size of pores should be detected (by setting minimum and maximum volume of pores). It is possible to find the pores from 0 μm3 to the entire volume of the CT measurement. The effect of the pores size settings are shown in fig. 4.

Result of pore detection algorithm (only threshold) is shown in fig. 4 – cross section of the aluminum cast with the defined ISO surface (white line which is a border of the material).

As it was shown in the magnification, not all pores (black points on the screen) were correctly interpreted. Detected pores do not fill the entire surface determined by ISO line. Additionally, not all detected pores are included in the cal-culations. This is due to the fact that the algorithm cuts the entire volume of the object with a certain step then analyzes

Fig. 2. “Ideal histogram” of grayscale valueRys. 2. „Idealny histogram” skali odcieni szarości

Fig. 3. 3D view of measuring element with the use: a) automatic algorithm, b) manual algorithm

Rys. 3. Widok 3D elementu pomiarowego z zastosowaniem: a) al-gorytmu automatycznego, b) algorytmu ręcznego

a) b)

3. Comparison of pore-detection algorithms

The study compared two available in the VGStudio MAX software algorithms of pores detection. The first of availa-ble algorithms “Only treshold” based on the “threshold” and “background” value. The second algorithm “default” based on the “void max” and “background” value.

Tab. 2. The influence of the ISO value settings on results (auto-matic algorithm and manual setting)

Tab. 2. Wpływ ustawienia wartości ISO na wyniki (algorytm auto-matyczny, ustawienia manualne)

pore size Above 0.000 mm3 Above 0.010 mm3

ISO value automatic manual automatic manual

volume of element mm3 1016.776 1006.671 1016.877 1006.671

volume of pores mm3 0.775 0.797 0.250 0.252

percentage of pores 0.0761 0.0791 0.0246 0.025

number of analyzed cross-sections

1455 1540 8 8

Fig. 4. Visualization of the occurrence of the pores in aluminum cast: a) with no limits of pore size, b) above 0.010 mm3

Rys. 4. Wizualizacja występowania porów w odlewie aluminiowym: a) bez ograniczeń wielkości porów, b) powyżej 0,010 mm3

a)

b)

84

Nauka

(for the tested aluminum casting). The number of analyzed cross sections is significantly dependent on the threshold of pores detection as well as of the type of algorithm. Advanced algorithm analyzes two orders of magnitude higher the num-ber of cross sections than the basic algorithm.

4. The influence of magnification on the results

An important question which must be considered is the influence of used magnification on the obtained results. To be able to check the influence of magnification on results appropriate gauges should be used. Gauges should be possi-ble to estimate the actual volume of pores for example by gravimetric method [4, 5], or using materials of known esti-mated pore sizes [6].

Fig. 5. Cross section view with marked errors of defects detection algorithm (pores – “only threshold” algorithm)

Rys. 5. Widok przekroju z zaznaczonymi błędami algorytmu wykrywania wad (porów – algorytm „only threshold”)

a)

b)

the sections in which the „defects are detected” – a limited number of cross-sections results that not all pores are ana-lyzed. This approach allows to detect only the largest pores, but reduces significantly the time necessary for calculations (single calculation takes 10 minutes).

To detect all pores occurring in the aluminum casting advanced algorithms (default and enhanced) must be used. Both algorithms are based on the same values (void max and background) and differ from each other in the number of „runs”. In the research “default” algorithms were used.

In fig. 5 cross section of the aluminum cast with the defi-ned ISO surface is shown.

Fig. 6. Cross section view with marked errors of defects detection algorithm (“default” algorithm)

Rys. 6. Widok przekroju z zaznaczonymi błędami algorytmu wykrywania wad (algorytm „default”)

The same as it was previously shown in the magnifi-cation, not all pores (black points on the screen) are cor-rectly interpreted. For this algorithm also not all detected pores are included in the calculations. This shows that even advanced algorithms do not detect all the pores. Although pores were closed by ISO surface, not all were analyzed.

Operations for calculating the pore volume are performed in the computer’s RAM. The advanced algorithm detects more pores but it needs much more time (8–12 hours).

Table 3 shows the results obtained from the analy-sis using two algorithms (“default” and “only threshold”), depending on the size of the pores (above 0.000 mm3 and above 0.010 mm3).

Depending on the selected algorithm, different values of volume of whole element and of pores in therein occurring are obtained. Changing the range (size) of detected pores in the algorithm parameters influences on changing of volume of the whole element in the case of algorithm “default”. For the algorithm “Only threshold” value of the volume of ele-ment remains the same.

Advanced algorithm detects two orders of magnitude higher volume of pores than the algorithm “Only threshold”

Tab. 3. The influence of the type of algorithm on the resultsTab. 3. Wpływ typu algorytmu na wynik

pore size Above 0.000 mm3 Above 0.010 mm3

algorithm default only threshold default only

threshold

volume of element mm3 964.653 1006.671 994.540 1006.671

volume of pores mm3 42.924 0.797 13.165 0.252

percentage of pores 4.26 0.0791 1.31 0.025

number of analyzed cross-sections 70 358 1540 241 8


of other materials. Algorithms used to calculate the volume of pores can detect correctly only the largest pores. For the verification correct operation of the algorithms is neces-sary to build appropriate gauges. Gauges should be con-structed so that it is possible to estimate the actual volume of the pores. The study does not consider the influence of sub-pixel effects [7] of the automatically determined value and routes of ISO line. In addition, significant influence on the final result of the calculated pore volume has a value of used magnification.

Bibliography

1. Ratajczyk E., Tomografia komputerowa CT w zastoso-waniach przemysłowych, „Mechanik”, nr 2/2011, 112–117; nr 3/2011, 226–231; nr 4/2011 326–331. (in Polish).

2. [www.zeiss.pl].3. METROTOM 800. Operating Instructions. Zeiss.4. Niemelä T., Aydogan D.B., Hannula M., Hyttinen J.,

Kellomäki M., Determination of bioceramic filler dis-tribution and porosity of self-reinforced bioabsorbable composites using micro-computed tomography, Elsevier, “Composites”: Part A 42 (2011) 534–542.

5. Khalid A. Alshibili, Bashar A. Alramahi, Attia Mah-moud Attia, Assessment of Spatial Distribution of Porosity in Synthetic Quartz Cores Using Microfocus Computed Tomography (CT), “Particulate Science and Technology”, 24: 369–380, 2006.

Fig. 7. 3D reconstruction of the gauge with marked pores: a) with the 8 μm magnification, b) with the 25 μm magnification (size of single voxel)

Rys. 7. Rekonstrukcja 3D wzorca z zaznaczonymi porami: a) przy powiększeniu 8 μm, b) przy powiększeniu 25 μm (rozmiar pojedynczego woksela)

a)

b)

The study used a different approach. It was construc-ted a gauge which consists of two cylinders. The first cylin-der was created with hole so that the second cylinder with four smaller drilled cylinders can by molded. Theoretically, a gauge with the four pores should be obtained.

In fig. 7 results of reconstruction of pores which are in the gauge at different magnifications (8 μm (a) and 25 μm (b)) are shown.

As it was shown at a magnification of at 8 μm (fig. 7a) pores between the two cylinders are visible. While at a magnification of 25 μm (fig. 7b) only artificially produced in the gauge pores are visible. This is caused by the use of the basic algorithm “only threshold” based on the ISO sur-face. At lower magnifications, the algorithm does not detect the surface between two cylinders. A slot is visible but there is no possibility of closing slot by ISO surface. In fig. 8 the slot between surfaces is shown.

On the contact surface of both cylinders slot of 26 μm is formed (measured at a magnification of 8 μm (fig. 8a)). While size of the slot at a magnification of 25 μm (fig. 8b) is 49 μm. The phenomenon of apparent expansion of slot ari-ses. This happens when the actual size of the slot is smal-ler than the pixel size.

5. Conclusions

Computer tomography allows to perform non-destructive testing of aluminum castings. The study of single cross sec-tions allows detection of the existing pores and inclusions

Fig. 8. A cross section view of the slot: a) with the 8 μm magnification, b) with the 25 μm magnification (size of single voxel)

Rys. 8. Widok przekroju szczeliny: a) przy powiększeniu 8 μm, b) przy powiększeniu 25 μm (rozmiar pojedynczego woksela)

a)

b)

86

Nauka

Tomasz Kowaluk, MScHe received the M.Sc. from Warsaw University of Technology in 2011. He is currently a PhD student in the Institute of Metrology and Biomedical Engine-ering, Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology. Within the PhD he deals with the porosity of ele-ments from computer tomography.e-mail: [email protected]

Adam Wozniak, PhD, DSc, prof. of WUTHe received the MSc (1998), PhD (2002), and DSc (2011) degrees from Warsaw University of Technology, Poland. From 2005 to 2006 he was a Visiting Professor with the Depart-ment of Mechanical Engineering, École Polytechnique de Montréal, Canada. He is currently a Professor with the Institute of Metrology and Bio-medical Engineering, Faculty of Mecha-tronics, Warsaw University of Techno-logy. His current research interests include dimensional metro-logy, especially coordinate measuring technique. He is the author of more than 80 papers in these areas.e-mail: [email protected]

6. Hitoshi Nakayama, Douglas M. Burns, Tomoyuki Kawase, Nondestructive Microstructural Analysis of Porous Bioceramics by Microfocus X-ray Computed Tomography (CT): A Proposed Protocol for Stan-dardized Evaluation of Porosity and Interconnectivity Between Macro-pores, “Journal of Nondestructive Eval-uation” (2011) 30:71–80.

7. Weber E., Fernandez M., Wapner P., Hoffman W., Comparison of X-ray micro-tomography measurements of densities and porosity principally to values measured by mercury porosimetry for carbon–carbon composites, Elsevier, “Carbon”, 48 (2010) 2151–2158.

Pomiary porowatości za pomocą tomografu komputerowego

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące pomiarów objętości porów w odlewach aluminiowych. Badania przeprowadzono na przemysłowym tomografie komputerowym METROTOM 800 firmy Carl Zeiss. Porównano wyniki algorytmów automatycznego i manualnego wykrywania porów w odniesieniu do powierzchni ISO. Do analizy wyników zastosowano oprogramo-wanie VGStudio MAX.

Słowa kluczowe: tomografia komputerowa, porowatość


Inspection and monitoring of engineering structures by means of optical displacement sensors based on interferometry techniquesDariusz Łukaszewski, Leszek Sałbut, Małgorzata Kujawińska, Grzegorz Dymny

Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology

Abstract: Inspection and monitoring of engineering structures require simple, fast and remote acquisition, processing and visu-alization of relevant measuring data. Systems which utilize all above requirements are fundamental for Structural Health Monito-ring (SHM). All necessary information should refer to safety thre-shold and sent to end user, who can accurately assess the health of an object in short time and schedule necessary actions in order to prevent accidences. The paper presents the novel approach to optical displacements sensors. Authors describe low-cost in-plane displacement and strain sensors for monitoring in crucial regions of big civil engineering structures (square millimeters area around welds, joints etc.) by means of two interferometry techniques: Gra-ting Interferometry (GI) and Digital Speckle Pattern Interferometry (DSPI). In principle both of the methods applied have their specific requirements and can be used as complementary ones. GI requ-ires specimen grating attached to the flat surface of an object under test, but it is the unique technique which may provide the informa-tion about fatigue process and increased residual stresses. DSPI works with a rough object surface, but due to differential measure-ments cannot be simply used for long time monitoring but to explore the actual behavior of a structure. We present both sensors wor-king separately, but also we propose the technique which enables usage of the DSPI for long time or periodic monitoring by combi-ning it in one sensor with GI in order to increase number of possible applications of the system. Both sensors can be manufactured by using low – cost replication technologies. The paper presents their mechanical and optical design along with laboratory tests of their main modules which are the sensor heads in the form of monolithic (plastic) and cavity waveguides. Finally, the exemplary applications of sensors in laboratory tests and on exemplary frame truss struc-ture are presented and assessed.

Keywords: structural health monitoring, displacement sensor, gra-ting interferometry, digital speckle pattern interferometry

1. Introduction

All types of engineering structures requires multiple types of monitoring on different levels and detailed inspection in order to prevent accidences [1]. Among many inspected/monitored para-meters of such structures one of major value is measurement of displacement. There is a large variety of methods which are capable of such measurements (based on mechanical, electrical, optical and ultrasound techniques). Every method has its uni-que, dedicated properties in to surface requirements, measuring range, or sensitivity, which enables maintenance crews to cre-ate custom solutions dedicated for a certain type of measuring

object. Most of these methods provide point-wise measurements often captured simultaneously in many distance points of an object. However here we focus on full-field measurement appro-ach based on data captured by array detectors (CCD/CMOS). There are several methods which support this approach, inc-luding interferometric and noncoherent moire fringe techniqu-es, digital image correlation, grid methods etc. Noncoherent, machine vision based methods are usually used for global, lar-ge field of view measurements and monitoring. If high sensiti-vity and more detailed inspections even in small crucial fields of a structure are required, interferometric methods are often applied as they provide information of possible failure much earlier than the standard global approach.

Therefore, the paper is focused on a novel concept of displa-cement sensors which use two interferometric techniques: Gra-ting Interferometry (GI) [2] and Digital Speckle Pattern Inter-ferometry (DSPI) [3] for in plane displacement measurements.

In the first part of the paper theoretical background on me-asurement techniques is presented. The second part of the pa-per is devoted to mechanical and optical design of the sensors along with their technical parameters.

Following section describes an application of the develo-ped sensors and exemplary results of measurements of a truss structure. In the conclusion possible ways of further develop-ment are discussed.

2. Principles of the interferometric techniques applied in the sensors

2.1. Grating InterferometryGrating Interferometry (GI) is used for determination of in-plane displacement of object under test. The element sen-sitive for displacement is diffraction grating applied onto an object surface. It is illuminated with symmetrical laser beams with plane wavefronts. Incident angles of these beams are equal to +1 and –1 diffraction angles of the object grating, thou the diffracted beams propagate coaxially and perpen-dicularly to the object surface (fig. 1).

If any load is applied to the object, the grating suffers of deformation which corresponds to object changes. As the re-sult the wavefronts of the incident beams are no longer plane and they carry information of in-plane displacement of the object. This information is coded in a fringe pattern gives as:

4( , ) 2[1 cos ( , )]I x y u x ydπ

+∼

where: d – grating period, u(x, y) – in-plane displacement perpendicular to object grating lines.

88

NAukA

2.2. Digital Speckle Pattern InterferometryDigital Speckle Pattern Interferometry [3] is widely used for displacement measurements of rough surfaces. In order to measure in-plane displacement with speckle pattern interferometry symmetrical illumination need to be pro-vided in the configuration similar to GI method (fig. 2).

1 01 14 sin( ) sin2 2O R sI I I I I ψ φ φ= − = + ∆ ∆

where: I1, I0 – intensities of subsequent speckle images,

IO, IR – intensities of illuminating beams,

sψ – random distribution of phase difference between illuminating beams (speckle background),

4[ ( , )]sinu x yπφ θλ

∆ = – change of phase caused by displacement (l – wavelength,

u(x, y) – in-plane displacement, q – angle of illu-minating beams).

The main drawback of correlation fringes is high level of noise which need to be filtered before further proces-sing.

2.3. Cons and pros for the methodsThe described methods can be treated as complemen-tary ones. Both have their advantages and drawbacks depending on measurement requirements and measuring objects. Main advantage of GI is that successive measure-ments have their reference at zero state of the object (the moment when object grating was applied), so one can get information about the cumulative displacement between measurements. Also the quality of displacement maps is higher due to lower noise in an interferogram. However GI requires carefull modification of an object surface through copying a high frequency diffraction grating. In the case of DSPI differential measurements are possible only (successive states of the object need to be correlated within system measurement range), so the system needs to remain on an object in order to grab series of images in short periods of time. The speckle pattern interferometry can be used in situation where it is impossible to apply high frequency grating onto an object.

3. Design of the proposed sensors

In the paper two sensors with slightly different proper-ties are presented. The first one utilizes GI method only, while the second can implement both GI and DSPI.

The sensors should be compact and have modu-lar design, so in case of maintenance the user can easily change major parts only and not the whole device. The modular design was provided by isolation of the functio-nal blocks of the sensor which are: – illumination module, – detection module, – sensor head (in two versions), – data processing module.

The first three modules are integrated into one opto-mechatronics system, while the data processing module is stand alone device with dedicated software.

Mechanical design of both sensors is similar so they can meet some major requirements concerning compati-bility with commercial optical elements, easy assemblies of main components and resistance to environmental con-ditions.

Fig. 1. Principles of grating inteferometry [2]Rys. 1. Podstawy teoretyczne interferometrii siatkowej GI [2]

Fig. 2. Basic DSPI system for in-plane displacement measure-ment [3]

Rys. 2. Podstawowy system cyfrowej interferometrii plamkowej DSPI do pomiaru przemieszczeń w płaszczyźnie [3]

As distinct from other interferometric methods informa-tion is coded in a speckle pattern instead of a fringe pat-tern [3]. The speckle pattern from successive object sta-tes need to be correlated in order to obtain informa-tion about displacement value. The frame from reference state is subtracted from measuring state, fringes created by this operation are called correlation fringes and carry information about displacement of object:


The chassis (fig. 3) consists of mountings for: – Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) of

665 nm wavelength as light source; – CCD or CMOS board level, c-mount based cameras; – Collimating and imaging f6 mm lens mounts; – sensor head mount (for cavity based head or monoli-

thic plastic head); – casing mounts and wire holes.

Optical part of the design consists of the mentioned above VCSEL, collimating lens of 11 mm focal length and 9 mm working distance, which provides f2 mm of illu-mination beam, complementary imaging lens with the same parameters, board level 1024 × 768 pixels CCD USB camera with 4,6 µm pixel and the sensor heads.

The first version of sensor head (fig. 4a) utilizes GI technique only and it is made as a monolithic plastic block (GI sensor) with a beam splitting grating [5], while the second one (fig. 4b) can utilize both GI and DSPI techniques. It is based on air cavity concept with free space beam propagation (GI/DSPI sensor) [4].

Fig. 3. Mechanical chassis [4] and photo of the final designRys. 3. Szkielet mechaniczny [4] i zdjęcie opracowanego

rozwiązania

Fig. 4. Designed sensor heads: a) monolithic GI head b) air cavity GI/DSPI head, where RG – reference grating, OG – object grating, O – object

Rys. 4. Opracowane głowice pomiarowe a) monolityczna gło-wica GI b) wnękowa głowica GI/DSPI, gdzie RG – siatka referencyjna, OG – siatka obiektowa, O – obiekt

Tab. 1. The technical parameters of the sensorsTab. 1. Parametry techniczne czujników

GI sensor GI/DSPI sensor

Head design Monolithic from PMMA Air cavity based

Influence of vibration Minimized

Minimized but bigger than in GI

sensor

Measuring field 2 mm × 2 mm

Measuring range up to 20 µm

Resolution ~ 10 nm after AFPA[6],

Sensitivity 417 nm/fringe

Dimensions f60 mm × 115 mm

The proposed sensors have their unique measuring capabilities. They can be used either for laboratory sys-tems (GI/DSPI due to their bigger sensitivity for vibra-tion and environmental conditions) or structural health monitoring systems (GI or GI/DSPI in the case when speckle mode is needed). Main technical parameters of the sensors are given in the tab. 1.

4. Application of GI and DSPI sensors

Before assembling sensors on the engineering structure some major test were performed in order to prove sen-sors correctness.

90

NAukA

GI mode for both units was proved by the measure-ments of a reference 1200 lines/mm plane grating depo-sited on a glass plate. After processing of acquired fringe patterns for both sensors almost the same result was achieved and indicated a systematic error at the level of 240 nm. This proves that both heads have similar measu-ring capabilities in GI mode.

The correctness of DPSI mode in GI/DSPI sensor was tested on a sample of known geometry and mechani-cal properties which suffered from 3-point bending. The results were compared with FEM model and considered as also satisfactory.

As mentioned before the main application of proposed sensors is inspection and monitoring of engineering struc-tures. Their functionality was tested through displace-ment measurements of a planar truss structure modeled and built by Integrated Laboratory of the Mechatronics System of Vehicles and Construction Machinery, Warsaw University of Technology.

The test stand consisted of a steel frame with six hydraulic jacks attached to it. Such configuration allo-wed application of force to the investigated steel planar truss structure which was put inside.

The truss was built out of general purpose low-car-bon steel St3 used typically in engineering construction.

The GI sensor was mounted on to the structure via dedicated mounts in some crucial points (fig. 5a). Due to high level of vibration, caused by hydraulics during tests, DSPI mode of GI/DSPI sensor was not perfor-med. Applicability of DSPI will be prove after redesign of mount in order to provide vibration dumping.

GI data was gathered during load of the structure in two subsequent states with DF = 1 kN. The resul-tant strain difference calculated from phase maps was 37 µS (fig. 5b). The achieved data corresponded with the results from strain gauges, which were mounted in the neighborhood of the sensors (fig. 5a).

5. Conclusion

The presented optical sensors based on GI and DSPI technique for inspection and monitoring of displacement in engineering structures open new possibilities for SHM purposes especially if detailed inspection in crucial areas of structure is required (fracture, fatigue phenomena).

The future work on the sensors will be focused on out-door test on a variety of structures with different proper-ties and long term monitoring requirements. Also some design work need to be performed especially in GI/DSPI sensor in order to allow measurements in harsher con-ditions.

Acknowledgements

Authors acknowledge the financial support through the Health Monitoring and Lifetime Assessment of Structures (MONIT) POIG.0101.02-00-013/08-00 project financed by European Regional Development Fund in frame of Innovative Economy Programme.

Bibliography

1. Egawa K., A new concept of Maintenance Inspection, in Structural Health monitoring: Current Status and Perspectives, CRC Press, 1997.

2. Post D., Moire interferometry, [in:] Handbook of Experimental Mechanics, Prentice-Hall, 1987.

3. Ranson W., Sutton M., Peters W., Holographic and laser speckle interferometry, [in:] Handbook of Experimental Mechanics, Prentice-Hall, 1987.

4. Łukaszewski D., Sałbut L., Kujawińska M., Malowany K., Optical sensor based on combined GI/DSPI technique for strain monitoring in cru-cial points of big engineering structures, Proc. SPIE, 8082, 2011, 80823P.

5. Krężel J., Kujawińska M., Mohr J., Guttman M., Wissmann M., Tonchev S., Parriaux O., Integrated microinterferometric sensor for in-plane displace-ment, “Applied Optics”, 2010, vol. 49, no. 32, 6243–6252.

Fig. 5. Resultant test stand with mounting points of sensors (a) and achieved results for GI measurements (b)

Rys. 5. Stanowisko pomiarowe ze wskazanymi punktami mon-tażu czujników (a) oraz wyniki otrzymane dla pomiaru interferometrią siatkową GI (b)


6. Robinson D.W., Interferogram Analysis: Digital Fringe Pattern Measurement Techniques, Institute of Physics Publ., Bristol and Philadelphia 1993.

Zastosowanie optycznych czujników przemieszczeń, wykorzystujących techniki

interferometryczne, do kontroli i monitoringu konstrukcji inżynierskich

Streszczenie: Kontrola i monitoring konstrukcji inżynierskich wymaga prostej, szybkiej i zdalnej akwizycji oraz przetwarzania i wizualizacji danych pomiarowych. Systemy spełniające powyż-sze wymagania są niezbędne do monitorowania stanu tech-nicznego konstrukcji (ang. Structural Health Monitoring – SHM). Dane uzyskiwane przez systemy monitoringu powinny odno-sić się do założonych poziomów bezpieczeństwa i być wysłane do końcowego użytkownika, aby mógł on w krótkim czasie oce-nić stan obiektu i zaplanować niezbędne działania celem zapo-biegnięcia wypadkom. W artykule zaprezentowano nowe podej-ście do optycznych czujników przemieszczeń. Opisano nisko- kosztową głowicę interferometryczną wykorzystującą metodę interferometrii siatkowej i cyfrowej interferometrii plamkowej do pomiarów przemieszczenia i odkształcenia w płaszczyźnie. Przedstawiono jej zastosowanie w monitoringu newralgicznych punktów wielkogabarytowych konstrukcji inżynierskich (regiony wokół spawów, połączeń itp.). W pracy przedstawiono również projekt mechaniczny i optyczny czujników oraz testy laborato-ryjne ich głównych modułów (falowodowych głowic pomiaro-wych). Na koniec przedstawiono aplikację opracowanych czujni-ków na przykładowej konstrukcji kratownicowej.

Słowa kluczowe: monitorowanie stanu technicznego konstruk-cji, czujnik przemieszczeń, interferometria siatkowa, cyfrowa interferometria plamkowa

Dariusz Łukaszewski, MSc

PhD student at Institute of Microme-chanics and Photonics, Warsaw Uni-versity of Technology. Member of SPIE and OSA student chapters. His main interests are interferometry techniques in experimental mechanics, structural health monitoring and applications of optics for medical purposes.e-mail: [email protected]

Leszek Sałbut, DSc Eng.

Professor at Warsaw University of Technology. Deputy Director for Scien-tific Affairs at Institute of Micromecha-nics and Photonics. Board member of Society of Experimental Mecha-nics Polish Chapter. His main inte-rests are applied optics, mainly stan-dard, holographic and grating interfe-rometry and their application In expe-rimental mechanics, material engine-ering, metrology and medicine. He published more than 100 papers in Polish and international journals.e-mail: [email protected]

Prof. Małgorzata Kujawinska, (SPIE Fellow)

Head of Photonics Engineering Divi-sion at Institute of Micromechanics and Photonics. Expert in full-field optical metrology, image processing, automatic data analysis and design of novel photonics systems. She has been involved in the optical metrology topics since 1980 including: develop-ment of interferometric, holographic, grating and structured light based methods. She published more than 100 papers in reviewed international journals, supervised 7 EU projects and more than 50 national research projects. She has been the co-coordi-nator of the Network of Excellence for Micro-Optics NEMO and the Access Center to Microoptics Services and Technologies ACTMOST. She is cur-rently the vice-president of European Technology Platform Photonics 21.e-mail: [email protected]

Grzegorz Dymny, MSc

Member of technical staff at Institute of Micromechanics and Photonics, Warsaw University of Technology. His main interests are automation of inter-ferometry measurements, CCD and CMOS cameras, termography.e-mail: [email protected]

92

Nauka

Wireless passive sensor for crack detection exploiting RFID technology

Mateusz Lisowski, Tadeusz UhlAGH University of Science and Technology, Department of Robotics and Mechatronics

Abstract: This paper presents concept of passive, wireless sensor based on RFID technology for detection of cracks in ceramic parts, plates and equipment. Main objectives of this work were to develop as cheap as possible, quantitative sensor without any power source that would be also extremely simple and has possibly long life-cycle. This type of sensor could be used in Structural Health Moni-toring, in tasks connected with crack detection in concrete structures (special ceramic specimens embedded in structure) and another tasks related to detection of damages in any ceramic parts (bullet-proof vest plates, ceramic bearing, insulator in power engineering). In this paper we present technical concept of sensor, investigations on planar coil calculation, entire system simulation, prototypes that check manufacturing possibilities.

Keywords: wireless sensor, RFID, planar coil designing, SHM, con-crete structure, ceramic crack detection

1. Introduction

The increasing interest in designing of wireless and battery-free sensors is one of the most significant trends within the subject of Structural Health Monitoring (SHM) in recent researches. Wireless Sensor Networks (WSN) offers almost endless opportunities, both in the tasks related to monitoring condition of structures, and another tasks connected with collecting of environmental information such as temperature, brightness, sound and vibration [2]. Wireless sensors are suc-cessfully implemented in many of practical applications such as environmental conditions monitoring, agricultural moni-toring, vital sign monitoring in medicine, many of military applications, like DARPA’s for instance [3]. Base difference between concrete examples of applied wireless sensor is the way of powering. There are two possibilities to solve this problem. First and already well developed approach is the power source connected to sensor (generally this is a bat-tery). These type of sensors are well described in many papers such [2,4]. The second approach is generally more complicated, and stands numerous challenges against inven-tor. In this case the power is supplied to sensor from outside through ambient-power scavenging, from temperature dif-ference using Peltier effect, solar energy, mechanical energy from vibrations by using of piezo-elements, and most of all directly from reader by using of magnetic coupling with reader [5]. It is obvious that sensor, that is both wireless and battery-free has advantages of this two groups of sensor. On the one hand it has almost endless lifetime and no needs for additional space for battery, on the other hand there is no needs for wire connection, it could be placed anywhere in places with difficult access, also on moving elements.

Preferably chosen technology by designing of wireless sensor is RFID (Radio Frequency Identification) in vari-

ous forms and concepts. There are papers referred using of “1-bit only transponder” called EAS [1], well known as application in anti-theft devices in shops. Often there are threshold sensors that change its state by defined conditions. That are for instant low-cost temperature sensor, used in goods distribution tasks changing its state by transition of temperature below 0° C [6], displacement sensor using chang-ing in backscattered signal response due to metal element closing to sensor transponder [6, 7], fluid level sensor, that could be used in restaurant applications (it uses the fact that water detunes tag antenna stuck on the glass, therefore when glass is empty the signal is readable) [6]. To this group belongs also low-cost corrosion sensor designed to detect cor-rosion in reinforced concrete structures [8–10]. The second group is represented by WISP (Wireless Identification and Sensing Platform), which are sensors connected with RFID transponder circuit and powered from reader [11]. Many papers describe WISP sensors such a WISP light sensor [12], sensors used in System for Human Activity Recognition and Prediction (SHARP) [13], wireless strain monitoring system called WISDOM (Wireless Distributed Strain Sensing for Structural Health Monitoring) [14]. There are also similar solutions, such self-powered temperature sensor [15] that satisfies the assumptions of WISP technology, but is not defined by that name.

In this short introduction it is signalized the most important recently researches and developments within the subject of wireless sensors used today and them application area. It is easy noticeable that designed sensor must be sim-ply, low-cost, low-powered and must provide the opportunity to be ubiquity. Obvious there is many of wireless sensors presented above, there is still lack of such solution that is widely used in SHM application. This paper presents a con-cept that could fulfill specified market area and has great chance to be ubiquity.

2. Sensor concept

As was mentioned above a construction of designed sensor should be as simple as possible. Following requirements are: minimal cost of proposed sensor, practically endless lifetime (which excludes using of battery), possibility to place sensor on ceramic parts in almost arbitrary environment, in difficult accessible locations as well. There is strong demand for this type of sensor, both in SHM area, and in tasks connected with machine state monitoring.

In order to satisfy these requirements, a sensor with following operating principle has been designed. Firstly, will be discussed a concept of sensor that could be placed on flat parts, for instance ceramic plate putted into bul-letproof vest. The main concept was to develop threshold sensor, changing its state by appearance of crack damage.


Therefore, the sensor has form of simple resonant circuit connected with RFID chip. The role of inductance ele-ment of the circuit plays a planar coil printed directly on ceramic elements. The role of capacitance elements plays, depending on frequency range of system, additional SMD capacitors or capacitor integrated with RFID chip inter-nal circuit. The sensor system designed like that is tuned to determine resonant frequency (operating frequency), according to frequency of standard commercially avail-able RFID reader. When crack occurs, tracks which forms planar coil become interrupted, there is no more backscat-tered signal in RFID reader, and thus we can conclude that ceramic part is damaged. Summarized, we can conclude that the sensor is in fact RFID transponder with specific form and role. This concept is somewhat similar to sensor for steel reinforced concrete presented in [9], however the role of susceptible element plays there a role of connec-tion between two capacitors, lead outside sensor housing, effectively removing second capacitor in case of corrosion, what cause changing in resonant frequency of circuit. In our concept the susceptible element is in fact track that form planar coil.

As can be seen, this concept of sensor fulfilled almost all posted stipulation. Only costs are made by cost of simply RFID chip (depends on manufacturer it amounts about few dollars) and printed tracks – we have decided to use thick-film technology, screen printing that belongs to this technology is well-known and inexpensive method of application conductive inks (following [16]). The sensor could be placed at almost every flat ceramic part by its manufacturing, or later (the only requirement is connected to surface roughness). Its simplicity is also strong site of this concept – there is not any power source that could be discharged, loss of backscattered signal clearly indicates that damage has occurred. The lifetime of whole construc-tion is only limited by lifetime of integrated circuit of RFID chip that is theoretically endless. Next advantage is fact that there is no need to place sensor in visible position. Depending on reader’s range, it could be interrogated from up to 1 meter and more, independently what is between sensor (transponder) and reader. Only limitations result from presence of metal parts in near field of sensor that could change magnetic field around theme and thus limit read range of reader.

The crack damage sensor designed this way could be attractive for industry, military and construction applica-tion. It is simply, low-cost, has almost endless lifetime and thus has great chance to be ubiquitous. This type of proposed sensor could be used in many type of differ-ent application related to Structural Health Monitoring (SHM), maintenance of machines that contain ceramic parts, military application.

The first and probably most significant application is using this sensor in maintenance of concrete structure. There is strong demand for sensor that allows to prevent propagation of cracking damages in this kind of struc-ture, due to their rapid recognition. We could manufacture ceramic plates and stick theme on the concrete building elements in the most endangered places, or even embedded theme into concrete during construction. Using of RFID technology allow us to avoid necessity of placing sensor in visible places, it could be placed for instance under plaster

or another outer layer of the facade. Once placed sensor could be examined at certain times, depending on different application (for instance once a week), unlimited number of times, for many years. The lack of backscattered signal in RFID reader gives clearly information, that crack in struc-ture has occurred and that whole construction is in danger. To achieve even more effectiveness, there is possibility to use stress-sensitive ceramic material for plate, what gives possibility to avoid crack even before its occurring.

The second area of application could be maintenance of ceramic plates placed in bulletproof vest. This type of plates must be fully functional in order to comply its role. Even small crack damage could be hazardous for soldiers, that using bulletproof vest. Therefore these plates require frequent revision. Equipment of every plate in crack dam-age sensor could significantly reduce time of revision, due to avoidance of taking out every plate. There are also many different areas, depending only on needs, where this type of sensor could be used. Immediately coming to mind is maintenance of insulators in power engineering and main-tenance of becoming more popular ceramic bearing. These areas of using, however, require more investigations.

3. Physical phenomena, simulations and prototypes

In first investigations carried out on this concept sensor we would to check the possibility to printing planar coil at any type of ceramic elements, recognize limitations, choose the best method of manufacturing process, choose the best method to calculate planar coil’s self-induction and simulate operating principles of entire system. This knowledge will be important by process of designing and manufacturing of working sensor prototypes.

Due to the fact that it is intended to place sensor on any ceramic parts, we decided to use silver conducting ink for planar coil. There are many papers that report successful using of silver ink to fabrication printed RFID applications [17, 18]. Accordingly to chosen material, we used screen printing application method, as was mentioned above. The designed system could work at LF or HF fre-quency (125 kHz and 13.56 MHz respectively, standardized frequencies for RFID systems). Concrete sensor will work at specified frequency, depends on environmental condi-tions and concrete application requirements.

First we must consider some effects that could be important for designing of planar coil for RFID tran-sponder. There are skin effect, current crowding effect, resistance of planar coil related to sheet resistance of con-ductive ink and inductance of planar coil. Some of these phenomena need to be checked once for specified condi-tions, like for instance operating frequency, another become significant in entire designing process. Below there is short description of these phenomena, that could be helpful in designing process of RFID transponder on any substrate, not only ceramic.

3.1. Skin effectAccording to [19] the skin effect “is the tendency of high frequency current to concentrate near the outer edge, or surface, of a conductor, instead of flowing uniformly over the entire cross sectional area of the conductor”. This effect

94

Nauka

increases according to growth of frequency, causes decreases of current density inside the conductor. This effect occurs due to Faraday’s law applied to high frequency conduc-tive tracks. The result of skin effect is called “skin depth”, which states thickness of conductive tracks in which appro-ximately 63 % of all current flows. Practically we assumed that at higher frequencies, there is no reason to increasing track thickness, because flowing current is limited by skin depth, described with following equation:

1ef

δπ µ σ

=⋅ ⋅ ⋅

(1)

where m is permeability, se is conductivity of silver ink and f is operating frequency.

As Leung reported [20] “the skin effect is negligible for the printed coils at 13.56 MHz”. After substituting values related to our assuming

7 6

24 10 , 1.6 10 ,

13.56

eN SA m

f MHz

µ π ρ− = ⋅ = ⋅ =

[18], we considered that value of skin depth is 108 µm. Average thickness of screen printed track is 25 µm, which confirms that skin effect is negligible, particularly by using of silver conductive ink at HF and we will consider no more at this phenomenon.

3.2. Current crowding effectThe current crowding effect (called also as proximity effect) is connected with increasing effective resistance above its DC value at higher frequencies in conductive traces placed close to each other, especially in application such planar coil inductors, due to eddy currents induced inside of tra-ces [21]. This effect is difficult to precise analysis; however there is an equation, allowed us to approximately define the boundary frequency, when it becomes significant:

lim 20

3.12

sheetP Rf

Wπµ=

(2)

where P is sum of track and internal width and W is track width as shown in picture (fig. 1), more information about Rsheet is posted below. Therefore trace sheet resistance is not exactly known before manufacturing first prototypes, what is subject of this paper, result of solving this equ-ation will be mentioned in results.

3.3. ResistanceTrack resistance has significant influence for quality factor of resonance circuit. Resistance of produced tracks depends on conductive ink, method of manufacturing and mate-rial of substrate. Producers of standard conductive ink give information about trace sheet resistance (measured in Ohm/square) by standardized average trace thickness of 25 µm, printed on LTCC substrate. In our investiga-tion we checked trace resistance of conductive ink applied on ceramic substrate that was not designed especially for electronic tasks. In this case apparently insignificant parts of manufacturing process become important. For obtain-ment of trace sheet resistance we have measured total resi-stance of prototype traces and using equation:

tsheet

R WRL⋅

=

(3)

where Rt is total resistance, W is track width and L is track length, we have received real value of trace resistance for chosen manufacturing method and type of substrate. This investigation was necessary, due to much lower value of conductance in silver-ink printed tracks, compare to stan-dard etched copper tracks.

3.4. InductanceThe subject of planar coil inductors lies in area of great interest for many years. There are many of papers descri-bing approximating formulas allow us to calculate induc-tance of planar, especially square-shaped inductor [22–26]. We decided to check usefulness of chosen equation and method of prediction coil inductance, by designing our prototypes. First equation was given by Wheeler in 1928 (following [23]):

2 2

04522 14Wh

n aLr aµ⋅ ⋅ ⋅

≈−

(4)

where n is the number of turn in coil, r is the half-width of the square coil and a is the distance from the centre of the inductor to the middle of the windings, as shown in (fig. 2).

In this paper [23] was given also modified Wheeler equ-ation differing to original only with constant 45 changed to 33:

( )

2 2033

22 14Wh Modn aL

r aµ⋅ ⋅ ⋅

≈−

(5)

Fig. 1. Track width and sum of track and internal widthRys. 1. Szerokość ścieżki oraz suma szerokości przerwy

między ścieżkami i ścieżkiFig. 2. Variables a and r presented on square shaped coilRys. 2. Zmienne a i r pokazane na cewce kwadratowej


Another equation named Grover method was given at [24]:

1

s

Grov jj

L L M=

= +∑

(6)

where s is the number of segments, M is the mutual induc-tance between each segments and Lj is the self inductance of each segment given by [25]:

20.002 ln 0.500493j

l w tL lw t l

+ = + + + (7)

where l, w and t are track length, width and thickness respectively. This equation was applied to antenna design tool, developed by ST Microelectronic (fig. 3).

Fig. 3. ST Microelectronic tool calculating inductance of planar coil

Rys. 3. Narzędzie firmy ST Microelectronic obliczające indukcyj-ność cewki planarnej

In ERES materials [26] about coils we found approxi-mately equation related to planar inductor printed on foil (35 µm thick): ( )1 2mL nD nK K= + (8)

where n is the number of turns, Dm is the calculation dia-meter of coil differing for each coil shape, as shown in fig. 4 (according to [26]), K1 and K2 are constants taken from graphs posted in [26] – (figs. 5 and 6).

We also developed a simulation of planar inductor in COMSOL Multiphysics, approximating planar square-shaped inductor as several concentric squares differing only length of the side. Inductance depends mainly on quantity of magnetic flux lines flowing through inductor,

thus leading design variable is coil shape and dimensions. The tracks of inductor are approximate as one dimen-sion (length only) conductive lines embedded in 3D space. This model of planar coil is both close to reality and sho-uld state good approximation, as well as relatively fast in the calculations for computer (fig. 7 and 8).

Fig. 4. Difference in coil diameter calculation due to its shapeRys. 4. Zmiany w sposobie obliczania wymiarów cewek ze wzglę-

du na ich kształt

Fig. 6. Calculation of K2 con-stant

Rys. 6. Obliczenia stałej K2

Fig. 5. Calculation of K1 constant

Rys. 5. Obliczenia stałej K1

Fig. 7. Model of square sha-ped planar coil

Rys. 7. Model kwadratowej cewki planarnej

Fig. 8. Simulation of magnetix flux in planar coil em-bedded in 3D space

Rys. 8. Symulacja strumienia magnetycznego w cew-ce planarnej w prze-strzeni 3D

After manufacturing some prototypes we measured real inductance of coils by using RLC Bridge model 41R pro-duced by CHY company. We compared all results (from theoretical equation, simulation and measurement of real prototypes), receiving information for future investigation, which way of planar coil designing is the best and closest to reality.

3.5. Operating principle simulationUsing CST Microwave Studio we simulated the entire sys-tem. We developed model of planar coil embedded in air space that is as close as possible to reality. In preparing of system environment we have used lumped capacitive element and discrete port to excitation entire structure. Designed system is prepared for work with operating fre-quency 13.56 MHz. Assuming, that internal capacitance value of real RFID chip provided by ST Microelectronic (M24LR64-R model), that we intend to use, is about

96

Nauka

27.5 pF, we could calculate needed inductance for achie-ving determined frequency, transforming simple, well known equation:

12

fLCπ

=

(9)

to: 2 2

14

LCfπ

=

(10)

After substitution we became value of inductance about 5.01 µH. We done preliminary design of planar coil, com-puted initially value of inductance with help of described above antenna design tool, assuming that introduced modi-fications, like for instances rounded corners of planar coil tracks, could change slightly final value of inductance. We tested value of S11 parameter measured on discrete port and investigated impact of occurring damage to changing in resonant response entire system.

3.6. Planar coil prototypesWe developed several of planar coil inductors at ceramic substrate from fireplace ceramic-glass called ROBAX in the form of small square (50 × 50 mm). To manufactu-red planar coil we used glassy conductor silver ink, what allow us to soldering SMT elements, additive capacitors for instance. Connection between coil traces was produced by help of polymer-based silver conductor ink, due the fact, that resist layer was also from polymer-based ink (using of glassy resistive inks resulted in surface cracking of sub-strate material).

There are two main prototypes which could serve as examples to compare with equations and digital model. There were also earlier prototypes that allow us to investi-gate some of screen printing method principles related to entire ceramic substrate. Concerns connected with filling of conductive ink after printing have been allayed. By anne-aling the tracks rather shrink. The adhesion to substrate material was also very good. There were also some pro-blems with resistive ink, which was described above.

Concerning again at two prototypes, there is some tech-nical and physical data of printed coils (tab. 1) and also pictures that show physical model of them (fig. 9 and 10).

4. Results and discussion

We manufactured two following prototypes of planar coil. In comparison above, easy noticeable difference is the ave-rage track resistance. After substituting values to formula (3), we obtain quite different real value of trace sheet resi-stance about 25.2 mΩ and 5.5 mΩ for first and second pro-totype of coil respectively. This significant distinction out-comes from application of some improvements in manufac-turing method by production of second prototype. After notice some features of fabrication conductive traces on ROBAX substrate, like for instance shrinkage of traces by annealing, we decided to developing model with wider tracks, using of screen with larger mesh factor (initial con-cerns about spillage of tracks by annealing have been can-celed), backed with thicker foil, which affected on more accurate mapping of screen traces on substrate, due to thic-ker tracks (in first prototype we noticed some constrictions in tracks, probably due to local loss of thickness). Trace sheet resistance is value of great importance, through its straightforward impact to real resistance of track and the-refore indirectly for quality factor of coil (the lower the resistance, the higher the quality factor), which is signifi-cant for all resonance circuit.

After obtaining final value of trace sheet resistance, we could consider on current crowding effect in planar coil. Using equation (2), we obtain value of frequency, at which the current crowding effect becomes significant, impacts on increasing of tracks resistance. It is interesting that by our manufacturing methods, achieved trace sheet resistance and track thickness, this frequency is about 10.58 MHz, by assuming operating frequency 13.56 MHz. That is the signal that current crowding effect must be taken into acco-unt, by designing of planar coil intended for similar tasks, like this type of crack damage sensor.

The main results of our investigations was checking of usefulness of different designing and calculating method for planar coil inductance, in relation to designing of pla-nar coil printed on any ceramic substrate. Below in tab. 2 were posted results of coil calculations by using methods described above in comparison to real values of inductance, measured by RLC bridge:

By analyzing of these results we concluded that all of approximating methods of coil inductance calcula-tions give values greater than measured value in proto-type. The nearest to reality is Grover Method applied in ST Microelectronic antenna design tool and it was chosen to developing of next prototypes of sensor. Other methods

Tab. 1. Basic data related to prototype coilsTab. 1. Podstawowe dane cewek prototypowych

Prototype 1 2

Track length 3838 mm 2894 mm

Track width 0.225 mm 0.35 mm

Internal width 0.225 mm 0.25 mm

Side length 42.4 mm 42.4 mm

Number of turns 36 27

Average track resistance 430 Ω 46 Ω

Average inductance 33.72 µH 18.62 µH

Fig. 9. CAD-project of second prototype

Rys. 9. Projekt CAD dru-giego prototypu

Fig. 10. Second prototype after manufacturing process

Rys. 10. Drugi prototyp po proce-sie produkcji


(simulation in Comsol, method from ERES materials) are similar and give values a few microhenries greater than real, they are helpful by preliminary calculations. Considering on Comsol simulation, it is useful because of possibility to calculating another values connected with RFID system design (mutual inductance, coupling coefficient), what will be described in the next papers. The Wheeler equation is one of the first methods to calculating planar coil induc-tance and nowadays it can be treated as historical, its dif-ference in calculated value is greatest, it could be useful only in forecast of inductance value order of magnitude. The modified Wheeler formula is more useful, its error is similar to earlier described method (ERES and Comsol).

The second of main results in our investigations was simulation of entire system, carried out to checking suppo-sed operating principles, which assume that occurring crack

damage and interruption of track, lead to changes in impe-dance (thus in RFID reader tuned to specified operating frequency, there is lack of backscattered signal). First we had checked S11 parameter of undamaged system presen-ted in fig. 11. We had investigated this parameter in frequ-ency range, that we supposed resonant peak (10–15 MHz). By analyzing obtained results, we concluded that system has resonance in 13.46 MHz (fig. 13). Slightly displacement of resonant peak is caused by some changes in planar coil inductance compared to assumed value (due to simplifica-tions in preliminary calculations). More interesting, howe-ver, is the simulation where crack occurs. We paramete-rized length of damage that resulted in four cases (unda-maged planar coil by length zero, damage on one, two and three tracks) (fig. 12). Width of crack damage was con-stant and amounts 0.1 mm. By analyzing results there is clearly visible that resonant peak was significantly displa-ced (fig. 14) by occurring of crack damage. There is the leading result of our investigations. By displacement of the resonant peak, there is no more backscattered signal in RFID reader, thus we can conclude that our assumption related to operating principle was correct. Interesting phe-nomena is low impact of increasing number of interrupted tracks for resonance frequency. There is a great difference in value of undamaged coil impedance compare to coil with one track interrupted, but further damages do not impact so much. This phenomenon requires more investigations. There is admittedly some question connected with the result, for instance different place and amplitude of reso-nant peak of undamaged system compared to first simula-tion or significant difference in amplitude values, however we supposed that is the reason of simulation uncertainty and lack of precision. The leading operating principle was shown with this simulation.

5. Conclusion

In our investigations we examined different methods of pla-nar coil designing, both in the way of simulation, as well as inductance calculation. There Grover Method was cho-sen, as the best method to calculating inductance of pla-nar coil printing on ROBAX substrate. We also developed appropriate components of manufacturing process, inclu-ding screen mesh size, thickness of backed foil, method to connect inner and outer planar coil tracks. Our investiga-tions resulted also in significant decreasing of track sheet

Tab. 2. Values of inductance received from different equations and measured in prototype coils

Tab. 2. Wartości indukcyjności otrzymane z różnych wzorów i zmierzone w cewkach prototypowych

Real inductance 33.72 µH 18.62 µH

Simulation in Comsol 37.62 µH 21.40 µH

Grover Method 33.95 µH 19.15 µH

Method from ERES materials 37.98 µH 21.49 µH

Wheeler equation 46.47 µH 26.53 µH

Modified Wheeler equation 36.14 µH 20.63 µH

Fig. 13. S11 parameter with resonant peak of undamaged coilRys. 13. Parametr S11 z pikiem rezonansowym cewki nieuszko-

dzonej

Fig. 14. Difference in S11 parameter and occurring of resonant peak due to tracks damages

Rys. 14. Różnica w parametrze S11 na skutek pojawienia się uszkodzenia

Fig. 11. Simulation of undama-ged coil

Rys. 11. Symulacja cewki nie-uszkodzonej

Fig. 12. Simulation of planar coil with interrupted tracks

Rys. 12. Symulacja cewki pla-narnej z przerwany-mi ścieżkami

98

Nauka

resistance that now corresponds to value given by produ-cers of silver ink. In this occasion it becomes clearly that current crowding effect is important phenomenon by desi-gning of planar coil with similar characteristics and must be consider by designer. We developed also complete simu-lation of described system, checking the impact of crack damage, which interrupted tracks of planar coil, to its impedance, thus its resonant response. These preliminary investigations show possibility to developing crack damage sensor, which concept was also described here. This type of sensor has great chance for success on SHM and main-tenance market. By the low cost per unit, especially due to the cost efficiency manufacturing method and simple ope-rating principle, there is possibility to selling large num-ber of units.

Next step will be designing of RFID system, working at specified operating frequency, with transponder manufactu-red directly on any ceramic elements. We will also investi-gate useful of such system in concrete structure monitoring and another tasks connected with maintenance of systems including ceramic parts. Parallel we would to develop more simulations, in order to find response for new question, that have appeared by preliminary simulation and to even bet-ter understanding of entire system.

Bibligraphy

1. Finkenzeller K., RFID Handbook, John Wiley & Sons Ltd, 2003, 29.

2. Kurata N., Spencer B.F. Jr., Ruiz-Sandoval M., Risk Monitoring of Buildings Using Wireless Sensor Network, “Struct. Control Health Monit.” 2005; 12, 315–327.

3. Puccinelli D., Haenggi M., Wireless Sensor Networks Applications and Challenges of Ubiquitous Sensing, “Circuits and Systems Magazine”, IEEE, vol. 5, 19–31, 2005.

4. Lewis F.L., Wireless Sensor Networks, [in:] Cook D.J., Das S.K. (ed.), Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications, John Wiley, New York 2004.

5. Philipose M., Smith J.R., Jiang B., Mamishev A., Sumit Roy, Sundara-Rajan K., Battery-Free Wireless Identification and Sensing, “Pervasive Computing”, IEEE, vol. 4, 37–45, Jan.-March 2005.

6. Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S., Low-Cost, Ubiquitous RFID-Tag-Antenna-Based Sensing, Proceedings of the IEEE, vol. 98, 1593–1600, Sept. 2010.

7. Bhattacharyya R., Floerkemeier C., Sarma S., Towards Tag Antenna Based Sensing – An RFID Displacement Sensor, 2009 IEEE International Conference on RFID, 95–102, 27–28 April 2009.

8. Pasupathy P., Zhuzhou M., Neikirk D.P., Wood S.L., Unpowered Resonant Wireless Sensor Nets for Structural Health Monitoring, “Sensors”, 2008 IEEE, 697–700, 26–29 Oct. 2008.

9. Andringa M.M., Neikirk D.P., Dickerson N.P., Wood S.L., Unpowered Wireless Corrosion Sensor for Steel Reinforced Concrete, “Sensors”, 2005 IEEE, 4, 30 Oct. 2005 – 3 Nov. 2005.

10. Andringa M., Unpowered Wireless Sensors for Structural Health Monitoring, Dissertation in UT Electronic Theses and Dissertations, 2006.

11. Sample A.P., Yeager D.J., Powledge P.S., Mamishev A.V., Smith J.R., Design of an RFID-Based Battery-Free Programmable Sensing Platform, “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, vol. 57, 2608–2615, Nov. 2008.

12. Smith J.R., Sample A.P., Powledge P.S., Sumit R., Mamishev A., A Wirelessly-Powered Platform for Sensing and Computation, Ubicomp 2006, LNCS 4206, 495–506, 2006.

13. Philipose M., Smith J.R., Jiang B., Mamishev A., Sumit R., Sundara-Rajan K., Battery-Free Wireless Identification and Sensing, “Pervasive Computing”, IEEE, vol. 4, 37–45, Jan.–March 2005.

14. Palmer C., Gutterman A., Argenna G., Inclan V., Zyuzin A., Wireless, Batteryless Distributed Strain Sensing for Structural Health Monitoring.

15. Opasjumruskit K., Thanthipwan T., Sathusen O., Sirinamarattana P., Gadmanee P., Pootarapan E., Wongkomet N., Thanachayanont A., Thamsirianunt M., Self-Powered Wireless Temperature Sensors Exploit RFID Technology, “Pervasive Computing, IEEE”, vol. 5, 54–61, 2006.

16. Oldenzijl R., Gaitens G., Dixon D., Conduct Radio Frequencies with Inks [in:] Turcu C. (ed.), Radio Frequency Identification Fundamentals and Applications Design Methods and Solutions, 251–264, InTech, February 2010.

17. Volkman S.K., Pei Y., Redinger D., Yin S., Subramanian V., Ink-jetted Silver/Copper conductors for printed RFID applications, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 814, 2004. Materials Research Society.

18. Nikitin P.V., Lam S., Rao K.V.S., Low Cost Silver Ink RFID Tag Antennas, Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 IEEE, vol. 2B, 353–356, 3–8 July 2005.

19. Brooks D., Skin effect, [in:] Printed Circuit Design and Manufacturing, UP Media, December, 2009, UltraCAD Design, Inc.

20. Leung S.Y.Y., Lam D.C.C., Geometric and Compaction Dependence of Printed Polymer-Based RFID Tag Antenna Performance, “IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing”, vol. 32, 120–125, April 2008.

21. Kuhn W.B., Ibrahim N.M., Analysis of current crow-ding effects in multiturn spiral inductors, “IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques”, vol. 49, 31–38, Jan 2001.

22. Kawabe K., Koyama H., Shirae K., Planar inductor, “IEEE Transactions on Magnetics”, vol. 20, 1804–1806, Sep. 1984.

23. Salleh S., Salleh K., Hashim M.F., Majid Z.A., Design and analysis of 13.56 MHz RFID antenna based on modified wheeler equation: A practical approach, 2010 International Conference on Electronic Devices, Systems and Applications (ICEDSA), 326–330, 11–14 April 2010.

24. AN2972 Application note – Designing an antenna for the M24LR64-R dual interface I²C/RFID device, Doc ID 15629 Rev 4, 2009 STMicroelectronics.


25. microID 13.56 MHz RFID System Design Guide, DS21299E, 2004 Microchip Technology Inc.

26. [www.eres.alpha.pl/elektronika/articles.php?article_id=18] – Cewki i dławiki.

27. AC/DC Module – Model Library, ver. October 2007, COPYRIGHT 1994–2007 by COMSOL AB.

28. Koprowski J., Elektrodynamika falowa, Wydawnictwa AGH, Kraków 2009.

29. RFID Transponder operating at 13.56 MHz, 2012 CST AG – [www.cst.com].

Bezprzewodowy pasywny czujnik uszkodzeń wykorzystujący technologię RFID

Streszczenie: Artykuł ten opisuje koncepcję pasywnego, bez-przewodowego czujnika opartego na technologii RFID, służącego do detekcji pęknięć w elementach, płytkach i urządzeniach cera-micznych. Głównym celem badań było opracowanie taniego pro-gowego czujnika bez żadnego źródła zasilania, o prostej zasadzie działania i możliwie długiej żywotności. Taki typ czujnika mógłby być używany w monitoringu stanu konstrukcji, w zadaniach zwią-zanych z detekcją pęknięć w strukturach żelbetowych (specjalne próbki ceramiczne umieszczone w konstrukcji) i innych zadaniach związanych z detekcją uszkodzeń elementów ceramicznych (płytki umieszczane w kamizelkach kuloodpornych, łożyska ceramiczne, izolatory w energetyce). Poniżej zaprezentowano pierwszą fazę badań (koncepcję czujnika, wybór sposobu zaprojektowania i obli-czeń indukcyjności cewki planarnej, symulacja zasady działania, wytworzenie prototypów w celu sprawdzenia możliwości produk-cyjnych).

Słowa kluczowe: czujnik bezprzewodowy, RFID, projektowanie cewek planarnych, SHM, konstrukcje żelbetowe, detekcja pęk-nięć w ceramice

Mateusz Lisowski, MSc

He is PhD student at the Department of Robotics and Mechatronics of AGH University of Science and Technology in Cracow. His works are connected with RFID technology and wireless, passive sensor used in Structural Health Moni-toring.e-mail: [email protected] Prof. Tadeusz Uhl, PhD, DSc

He is head of the Department of Robo-tics and Mechatronics of AGH University of Science and Technology in Cracow. His scientific interests are diagnostics and Structural Health Monitoring of constructions, dynamics of construc-tions, modal analysis, control systems and mechatronics. He is the author of 16 monographs and over 500 scien-tific papers.e-mail:[email protected]

100

Nauka

Monitoring of fatigue life of mechatronic elements using spectral method for fatigue life assessment

including the mean stress valueAdam Niesłony, Michał Böhm

Faculty of Mechanical Engineering, Opole University of Technology

Abstract: The paper presents a proposal of accounting the mean stress value in the process of fatigue life assessment using spec-tral method in terms of monitoring the fatigue life of mechatronic elements. The existing approaches are being discussed, and some chosen stress models used to take into account the influ-ence of the mean stress value in the process of the determination of fatigue life are being introduced. The authors refer to a broad range of widely used models proposed by Soderberg, Goodman, Morrow, Gerber, and Kwofie. Those models can be used to deter-mine the Power Spectral Density Function (PSDF) of the stress after transformation due to the mean value. Such a transforma-tion is of great importance in fatigue life assessment with spec-tral method since PSDF is the quantity which defines loading and should also include information about mean stress. Determination of power spectral density of transformed stress allows the use of well-known models used in the spectral method, which in principle does not include the effect of the mean stress on fatigue life.

Keywords: mean stress; fatigue life assessment; random loading; power spectral density function

1. Introduction

Machines, as well as mechatronic components being subjected to variable loads, require constant supervision during opera-tion due to the emerging phenomenon of material fatigue. Also, when designing new constructions or modification of nodes of machine elements, it is required to check their load capacity and fatigue life before finally being put into opera-tion. Such kind of verifications are performed in laboratories carrying out fatigue tests or, if it is not possible because of e.g. the size of element or cost of the tests, calculations are made with a view to the best possible estimate of fatigue life. Method of calculations depends of the character of the load. In the case of load-amplitude with no significant mean value, the expected number of cycles to fatigue crack initiation can be read out directly from S-N curve, for example, from well known Wöhler curve. If there are significant mean values in the stress history, then their effect must be taken into account while assessing fatigue life. For this purpose you can use the charts to take account of the impact of the mean load, for ex-ample, Smith diagram or Wöhler curves drawn up for various cycle asymmetry coefficients R = smin/smax. If the diagrams or curves of this type are not available, then appropriate mean stress effect models should be used while calculations.

2. Mean value in random loading

Determination of fatigue life under variable amplitude or random loading is generally done in the time domain using

a cycle counting algorithm determining the cycles from the loading history, using a chosen model to describe the influence of the mean load on fatigue and the hypothesis of summation of fatigue damage. Łagoda et al. [1] presents fatigue tests under uniaxial random tension-compression with and without mean value performed on samples made of 10HNAP steel. They proposed an algorithm for calculating the fatigue life using rainflow cycle counting method and the linear hypoth-esis of fatigue damage summation by Palmgren-Miner. The authors of this work have analyzed three ways to take into account the influence of the mean value, see fig. 1, which are:a) method I, not taking into account the mean value,b) method II, taking into account the influence of the mean

value by transforming each of the cycle amplitude obta-ined from rainflow algorithm on the basis of their local mean value (rainflow cycle mean value),

c) method III, taking into account the influence of the mean value by transforming the whole load course on the basis of its global mean value before the cycle counting.In the work by Łagoda et al. [1] the K coefficient has

been introduced, which allows to calculate the transformed amplitude according to the method II

s s s= ⋅ ( ),aTi ai i miK (1)

for the i-th cycle with amplitude sai and the mean value smi specified by the rainflow algorithm from a registered part of the random course. Method III is based on the principle of

Fig. 1. Three methods for calculating the fatigue life Tcal according to Łagoda et al. [1]

Rys. 1. Trzy metody obliczenia trwałości zmęczeniowej Tcal

(według Łagody i in. [1])


the transformation of the whole random stress course using the global mean value sm

[ ]s s s s= - ⋅( ) ( ) ( )T m mt t K , (2)

Amplitude of the transformed cycle saTi in this case is obtained directly by counting cycles of the course sT(t) using rainflow cycle counting algorithm. Summation of fatigue damage is done according to the formula

s=

= ∑1 ( )

ni

i aTi

nDN

, (3)

where: D – fatigue damage parameter, ni – the number of cycles of amplitude saTi, N(saTi) – the number of cycles deter-mined from S-N curve (R = -1) for the transformed ampli-tude saTi. Fatigue life Ncal expressed in cycles is determined from the formula

= blokcal

NND

, (4)

where Nblok is the number of counted cycles of the ana-lyzed block of the stress course. The study carried out in [1] showed, that for the case of a stationary, random and symmetrically distributed relative to the mean value stress course the methods II and III are equivalent and can be used interchangeably in the calculations. In special cases, the K coefficient is determined from the formulas derived on the basis of the adopted model to take account of the mean stress. In the literature you will find a significant number of models of this type [1, 2] for which the K coefficient takes the form presented in tab. 1.

Fatigue life can be determined also in the frequency domain using a stochastic analysis of random processes. This method is known in the field of fatigue life assessment under the name spectral method and a lot of approaches including uniaxial and multiaxial cases were elaborated using this method [3, 6]. Taking into account the mean stress in this method is rather a difficult task, because the stress is represented by a power spectral density function, which contains information about the occurring locally and globally mean value in a way that is difficult to use in practice. In literature, however, we can find only a few suggestions on this issue. Kihl and Sarkani [3] and Sarkani et al. [4] show the effect of the mean value on fatigue life of welded steel joints. The tests were set to be run under both cyclic and random loadings with non-zero and zero mean stress value. The authors derived a formula to compute the expected number of cycles to fatigue failure in the case of random loads with extremes of Rayleigh distri-bution with a nonzero mean value of stress

s s-

= - Γ -

211

2

BAB B

mcal

m

AxN BR (10)

where: Ncal – number of cycles to fatigue failure, A and B – con-stant and slope of the Wöhler curve log(sa) = A + B × log(N), sx – is the RMS stress value of the narrow-band random loading, Γ(·) – is the gamma function, sm – global mean value of the random load, Rm – tensile strength. It is easy to notice that in the eq. (10), the part being responsible for taking into account the mean value is (1 – sm/Rm)–B, which

modifies the expected cycle number till the fatigue failure determined by the narrow-band Miles formula [5].

3. PSD function of a random process with mean value

Let us consider an example of one-dimensional stationary random process x(t) showing the property of ergodicity. Assuming that x(t) represents the physical signal is often convenient to present as the sum of static component xm and dynamic or fluctuant component xd(t) [7, 8]

= +( ) ( )m dx t x x t . (11)

Static component can be described by the expected value (mean value in deterministic case) given by the formula

→∞

= ∫0

1lim ( )T

m Tx x t dx

T. (12)

And the dynamic component by the signals variance

[ ]µ

→∞= -∫ 2

0

1lim ( )T

x mTx t x dt

T. (13)

The variance, however, does not describe the spectral struc-ture of a random process, and this information is essential for

Tab. 1. Formulas for the K coefficient according to the chosen mod-els [1, 2]

Tab. 1. Wzory na współczynnik K według wybranych modeli [1, 2]

Eq. No. According to: Formula

Eq. (5) Soderberg s=-

1

1S

m

e

K

R

Eq. (6) Goodman s=-

1

1Go

m

m

K

R

Eq. (7) Morrow ss

=-

1

1'

Mm

f

K

Eq. (8) Gerber s=

-

21

1Ge

m

m

K

R

Eq. (9) Kwofie sα=

- ⋅

1

expK

m

m

K

R

Ks, KGo, KM, KGe, KK – coefficients determined on the basis of appropriate models of Soderberg, Goodman, Morrow, Gerber and Kwofies, respectively,Re – plasticity limit,Rm – tensile strength,bf – fatigue strength coefficient,a – mean stress sensitivity of the material [2].

102

Nauka

the proper estimation of the number of cycles and the ampli-tude distribution of the load during the fatigue calculations. Therefore for this purpose the power spectral density function is being used. PSD of the signal describes the overall structure of a random process using the spectral density of root mean square of the physical signal in question. This value can be determined for the interval from f to f + Δf using a central-pass filter and averaging the square on the output of the filter [7]

→∞Ψ ∆ = ∆∫ 2

0

1( , ) ( , , ) ,limT

xT

f f x t f f dtT

(14)

where: Yx – the mean square value of the process x(t), T – time of the observation, x(t, f, Df) – component of x(t) in the frequency range from f to f + Df. For small values of Df the eq. (14) shows the one-sided PSD function

∆ →

∆ → →∞

Ψ ∆= =

∆

= ∆ ∆ ∫

0

2

00

( , )( ) lim

1 1 ( , , )lim lim

xx

f

T

f T

f fG ff

x t f f dtf T

(15)

A characteristic feature of the Gx(f) function is the relation to the autocorrelation function. In particular, for stationary signals, these functions are closely related by the Fourier transformation

π ττ τ

∞-

-∞

= ∫ 2( ) 2 ( ) ,j fx xG f R e d (16)

where

τ

τ τ→∞

= +∫0

1( ) lim ( ) ( ) ,T

xR x t x t dtT

(17)

is the autocorrelation function of the signal x(t). Mean value xm of the random process can be determined from the auto-correlation function

= ∞( ),m xx R (18)

and the mean value of x(t) is also a function of the PSD pre-sented as a Dirac function at zero frequency

δ

+

-

= ∫0

0

(0) ( )m xx G f df . (19)

The eq. (19) shows, that the mean value is equal to the positive square root of the ‘field’ underlying the Dirac func-tion. This is an abstract field, as Dirac function takes the value + for an infinite small interval. For this reason, the direct use of eq. (19) to determine the expected value on the basis of a PSD function of a random function in practical cases is impossible. Numerical algorithms to estimate the PSD func-tions are subjected to some restrictions coming from the basic frequency resolution. Also, the value of PSD function for f = 0, i.e. Gx(0), results from the mean value x(t) and from the mean square value of a random process from the interval (0, Df ). Proper separation of these two values is impossible without additional information such as of the static value of the pro-cesses xm. Therefore, in practice, we analyze those two values separately, the dynamic and static component of the random process according to eq. (11).

4. PSD function of a transformed stress course

The transition of the signal x(t) by an linear system with constant parameters determined by the impulse response h(t) and the transfer function H(f) describes the following relationships [7]:

0

( ) ( ) ( ) ,y t h x t dτ τ τ∞

= -∫ (20)

= 2( ) ( ) ( ),y xG f H f G f (21)

where y(t) – output signal of the system, Gx(f) and Gy(f) –PSD’s of input and output, respectively. From the eq. (21) we can notice that the power spectral density function of the output signal can be calculated knowing the gain factor |H(f)| of the system. Fig. 2(a) shows schematically the transition of the signal x(t) through a linear system. Spectral method for fatigue life determination uses PSD function to describe the stress state directly in the frequency domain. If the stress course includes a static and a fluctuant component then the transformed course should be computed according to the eq. (2). Treating the fluctuant component of the course [s(t) - sm] as an input signal of an linear system with constant gain factor |H(f)| = K(sm) we can determine the PSD of a transformed stress

[ ]=s ss2( ) ( ) ( ),T mG f K G f (22)

where Gs(f ) – power spectral density of a fluctuant compo-

nent of the stress course. Fig. 2b presents the interpretation of the linear process of strain transformation due to the mean value, which can be compared to transition of a signal through a linear system, fig. 2(a). Eq. (22) allows the use of different forms of K(s

m) factors, for example, described by

equations (5)–(9), in the process of determining the fatigue life by means of spectral method taking into account the static stress component.

If we consider a multiaxial loading case, then the transfor-mation due to the mean stress has to be performed directly after crossing from the multiaxial stress state to the uniaxial, using appropriate multiaxial fatigue criteria’s defined in the frequency domain. As an example we can use the criterion proposed by Macha [5] or Preumont and Pierford [5, 6, 9]. In this case the hydrostatic pressure value is used instead of the mean stress. It is a common and at the same time the simplest treatment used in the spatial stress state [6].

The main advantage of the proposed solution is that the transformation is subjected to power spectral density function before using known spectral models to determine fatigue life.

This gives the possibility of applying fatigue formulas in the spectral method developed for narrow-band frequency and the more universal solutions correctly describing most of the random loadings used in the fatigue life assessment [5].

Such a method is proposed by Dirlik [10] which is deve-loped by using the empirical formula describing the proba-bility density distribution of amplitudes ranges

s

- - - ∆ = + +

2 2

241 2 2 232

0 4

1( )2

Z Z ZK RK K Zp e e K Ze

m K R (23)


where: Z, K1, K2, K3, K4, R – factors which are functions of the first five moments mk (k = 0, …, 4) of the PSD function of transformed stress

s

∞

= ∫0

( ) kk Tm G f f df . (24)

Fatigue life is calculated using the selected hypothesis of fatigue damage accumulation, e.g. for a linear Palmgren-Miner hypothesis having regard to the amplitudes below the fatigue limit we obtain

s ss

∞=∆ ∆∆∫

0

1( )( )

calNp dN

(25)

where the number of cycles N(Ds) for stress range Ds is calculated on the basis of S-N curve

ss s-∆ ∆ = 0( )

2

mmafN N . (26)

5. Computation algorithm

In order to calculate the fatigue life using the spectral method and taking into account the influence of the mean stress on fatigue life you should follow these steps:a) designate or define PSD function of the fluctuant com-

ponent of the stress course Gs(f) and establish its static part sm,

b) calculate the coefficient K(sm) according to the right model, eq. (5)–(9). The choice of model depends of the mean stress value sensitivity of the material,

c) calculate PSD of then transformed stress GsT(f) according

to the eq. (22),d) calculate the fatigue life using spectral method formulas,

i.e. eq. (23) and (25) [5, 6].

6. Conclusions and observations

Based on the literature research it can be stated, that there are no papers that would propose the transformation of the

power spectral density function of the stress, taking into account the influence of the mean stress value on the fatigue life. The presented equation (22) allows the calculation of the PSDF of the transformed stress, using models that are well known and widely verified in experimental researches. The proposal of Kihl and Sarkani [3] and Sarkani et al. [4] uses a Rayleigh amplitude distribution approximation, which reduces the area of application of the eq. (10) only to nar-rowband processes. The method proposed by the authors doesn’t have this limitation and therefore allows a wide usage of many formulas used to predict the fatigue life by means of the spectral method. Compared with the time domain fatigue life prediction methods, the spectral method shows greater efficiency and it can be used there, where a multipli-cand fatigue calculation is required (constructions optimiza-tion, fatigue damage maps etc.).

The experimental verification should be performed to verify the correctness of the fatigue calculations evaluated accor-ding to the proposed method, nevertheless the transforma-tion of the PSD function in the spectral method is equiva-lent to the eq. (2) in the time domain.

Acknowledgements

This paper is realized within the framework of research pro-ject No. 2011/01/B/ST8/06850 funded by National Science Centre in Poland.

Bibliography

1. Łagoda T., Macha E., Pawliczek R., The influence of the mean stress on fatigue life of 10HNAP steel under random loading, “International Journal of fatigue”, vol. 23, 2001, 283–291.

2. Kwofie S., An exponential stress function for pre-dicting fatigue strength and life due to mean stresses, “International Journal of fatigue”, vol. 23, 2001, 829–836.

3. Kihl D., Sarkani S., Mean stress effects in fatigue of welded joint, “Probabilistic Engineering Mechanics”, vol. 14, 1999, 97–104.

4. Sarkani S., Tritchkov V., Michaelov G., An efficient approach for computing residual stresses in welded joints, “Finite Elements in Analysis and Design”, vol. 35, 2000, 247–268.

5. Niesłony A., Macha E., Spectral method in multiaxial random fatigue, 2007, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 147.

6. Niesłony A., Comparison of some selected multiaxial fatigue failure criteria dedicated for spectral method, “Journal of Theoretical and Applied Mechanics”, vol. 48, 2010, 233–254.

7. Bendat J.S., Piersol A.G., Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis, 1980, John Wiley & Sons, New York, 302.

8. Kirsten K., Spectral methods in mathematics and physics, 2002, Chapman & Hall/CRC, London New York, 382.

9. Preumont A., Piefort V.: Predicting Random High-Cycle Fatigue Life With Finite Elements, “Journal of Vibration and Acoustics”. vol. 116, 1994, 245–248.

10. Dirlik T., Application of Computers in Fatigue Analysis, 1985, PhD Thesis, University of Warvick, UK, 241.

Fig. 2. One-input linear system (a) and interpretation of the line-ar process of strain course transformation due to the mean value (b)

Rys. 2. Jednowejściowy układ liniowy (a) oraz interpretacja trans-formacji liniowej przebiegu naprężenia ze względu na war-tość średnią (b)

104

Nauka

Monitorowanie trwałości zmęczeniowej elementów mechatronicznych przy wykorzystaniu metody

spektralnej wyznaczania trwałości zmęczeniowej z uwzględnieniem wartości średniej naprężenia

Streszczenie: Praca przedstawia propozycję uwzględniania war-tości średniej naprężenia w procesie wyznaczania trwałości zmę-czeniowej przy wykorzystaniu metody spektralnej w odniesieniu do monitorowania trwałości zmęczeniowej elementów mechatronicz-nych. Opisano obecne podejścia oraz przedstawiono część wybra-nych modeli uwzględnienia wartości średniej naprężenia w procesie obliczania trwałości zmęczeniowej. Autorzy odnoszą się do szerokiej gamy stosowanych modeli zaproponowanych m.in. przez Soderberga, Goodmana, Morrowa, Gerbera oraz Kwofie’go. Te modele mogą zostać wykorzystane w celu wyznaczenia Gęstości Widmowej Mocy (GWM) naprężenia po transformacji ze względu na wartość średnią. Taka transformacja jest bardzo ważna w wyznaczaniu trwałości zmęczeniowej przy użyciu metody spektralnej, ponieważ Funkcja Gęstości Widmowej Mocy (FGWM) jest wielkością, która definiuje obciążenie (przy czym powinna również uwzględniać informacje o wartości średniej). Wyznaczanie Gęstości Widmowej Mocy trans-formowanego naprężenia pozwala na wykorzystanie znanych modeli uwzględnienia wartości średniej w metodzie spektralnej, która zasad-niczo nie obejmuje wpływu wartości średniej naprężenia na trwa-łość zmęczeniową.

Słowa kluczowe: wyznaczanie trwałości zmęczeniowej; obcią-żenia losowe; naprężenie średnie; funkcja gęstości widmowej mocy

Assoc. Prof. Adam Niesłony, PhD Eng.

Born in 1973 in Opole (Poland), cur-rently is a lecturer at the Department of Mechanics and Machine Design at the Faculty of Mechanical Engineering of the Opole University of Techno-logy. Vice Dean for science, the author of over 80 publications, where 10 are listed on the JCR list, also the author of 5 books e.g.: Spectral Methods in Multiaxial Random Fatigue (Springer). A member of the European Structural Integrity Society (ESIS) and the Polish Society of Theoretical and Applied Mechanics (PTMTS).e-mail: [email protected]

Michał Böhm, MSc Eng.

Born in 1985 in Kędzierzyn-Koźle (Poland), currently is a PhD student at the Department of Mechanics and Machine Design at the Faculty of Mechanical Engineering of the Opole University of Technology.



Analysis of mechatronic systems second class by the matrix method

Jerzy SmyczekDepartment of Electronics and Computer Science, Koszalin University of Technology

Abstract: In the paper an analysis of mechatronic systems by using matrix method has been described. On the base a real matrix method system is presented a model the member: electrics, elec-tronics, mechanics, hydraulics and others in connections with feed-back and without them has been examined. In the end an example at a control bus door for this purpose obtaining minimum time con-trol has been presented.

Keywords: matrix method, mechatronics

1. Introduction

Investigating of dynamics in mechatronics systems which contain the members: electrics, electronics, mechanics, hydraulics, thermals, and others is important matter becau-se the system has to be stable with regard for same parame-ters. In general, members of mechatronic systems are mul-tipoles. In technical applications the system may be pre-sented as two-port networks. The one is assumed as linear.

Fig. 1. A two-port network in general shapeRys.1. Czwórnik w postaci ogólnej

It is meaning that ( )1 2 1 2, , ,f X X R R is linear function. A separate important problem is defining an amplitude range on surrounding at working point. The signals 1 2 1 2, , ,X X R Rare Laplace or Fourier transform.

( )X X s= , ( )R R s= or ( )X X jw= , ( )R R jω= (1)

The two-port networks are described in form of differen-tial or integrated equations. After Laplace (or Fourier) transformation the couple of linear equations have been got. In works on two-port networks are presented formulas betwe-en different forms of matrix. To consider the cascade con-nection of matrix has been got, as:

Tab. 1. Quantity of mechatronic memebersTab. 1. Wielkości członów mechatronicznych

System Electric Pneumatic Thermal Mechanic Mechanic (rotatable)

Potential R

Voltage U [V]

Pressure P [N/m2]

Temperature T [K]

Velocity V [m/s]

Angular velocity w [rd/s]

Flow X

Current I [A]

Flow (volume) V [m3/s]

Flow (mass) V [kg/s]

Force F [N]

Moment M [Nm]

1 2

1 2

R RX X

= ⋅ −

A ; 11 12

2221

a aa a

⋅

=A (2)

2. Members of mechatronic systems and their connections

In the tab. 1 has been shown a quantity of mechatronic members.With a progress of technique the new converters are be-

ing application, as for ex. ultrasonic, optics. In connection with it following mechatronic members may be presented: – an electric-electronic member

1 2

1 2

U UI I

= ⋅ −

A (3)

– a member as generator

1 2

1 2

UM Iw

= ⋅ − A (4)

– a member as motor

1 2

1 2

UI M

w = ⋅ −

A (5)

– – a member as electromagnetic –

1 2

1 2

U VI F

= ⋅ −

A (6)

– a member as hydraulic (or pneumatic) converter

1 2

1 2

U PI ϑ

= ⋅ −

A (7)

– a member as thermal converter

1 2

1 2

U TI φ

= ⋅ −

A (8)

106

NAukA

In connections of members the output signals at a pre-vious member and input signals at a following member have to get the same physical character.

3. Input and output impedance of a member

Knowing a four-terminal member the impedance of mem-bers has been defined. Analogical to definition using in electrics

1

1in

UZI

= and 2

2out

UZI

= (9)

The definition has been extended for different mecha-tronics members

1

1in

RZX

= and 2

2out

RZX

= (10)

When the above values to present in frequency

1

1

( )( )( )in

R jZ jX j

www

= 2

2

( )( )( )out

R jZ jX j

www

= (11)

Then, it may be calculation in frequency band of a work member.

a) A cascade connection of members

If the condition (13) is not satisfy or impossible to esti-mation, then the matrix method should be applying in or-der to avoid a errors [7 ].

b) A system with feedback

Fig. 2. Cascade connection of membersRys. 2. Połączenie kaskadowe członów

Fig. 3. A cascade connection of matricesRys. 3. Połączenie kaskadowe macierzy

Fig. 4. A system with feedback at parallel. The arrows are meaning of signal at direction

Rys. 4. System ze sprzężeniem zwrotnym równoległym

(1) (2)2 2(1) (2)2 2

R RX X

<< , (1) (3)2 2(1) (3)2 2

R RX X

<< (15)

If the relation (15) is satisfied, then a block diagram may be presented as one-thread diagram.

c) The connection of parallel members

Fig. 5. The connection of parallel membersRys. 5. Połączenie równoległe członów

Fig. 6. The one-thread block diagramRys. 6. Jednonitkowy schemat blokowy

The connection presented in the fig. 3 may be represen-ted by transmittance

1 2 k

YT G G GX

= = ⋅ ⋅ ⋅… (12)

When a following member do not load a previous member. Meaning, that

1( ) ( )

k kin outZ j Z jw w+

>> (13)

Result matrix of the system is

⋅= ⋅ ⋅

res 1 2 k…A A A A (14)

The mutual loading should be satisfying the conditions

(1) (2)2 1(1) (2)2 1

R RX X

<< , (1) (3)2 1(1) (3)2 1

R RX X

<< (16)

If the relations (16) are satisfying then diagram may be presented in shape


4. Matrix of systems with negative feedback

4.1. Connection with feedback of parallel-series

Into consideration (23) and (24) in (22) we are having

( )( ) ( )out outk f

in in

R XX R

= + ⋅

D H

(26)

In the result of matrix

( ) ( )k f= +

resH D H

(27)

H – type is as follows (24).

4.2. Connection with feedback at series-seriesFig. 7. A block’s diagram with feedback of parallel-seriesRys. 7. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym równole-

gło-szeregowym

Equations on input

( ) ( )1 2 0k f

inX X X− − = (17)

where

( ) ( )1 2k f

inX X X= − (18)

and

( ) ( )1 2k f

inR R R= = (19)

It means negative feedback.Output equations

)(

1)(

2fk

out XXX == (20)

and

)(

1)(

2f

outk RRR −+− (21)

Now, the vector [ ], tout inR X is

( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 1( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 2

k f k fout

k f k fin

R R R R RX X X X X

+ = = + +

(22)

The vector’s components in (22) having form

( ) ( )det2 2( )

( ) ( )1 1

k kk

k k

R XX R

= ⋅

D

(23)and

( ) ( )det1 2( )

( ) ( )2 2

f ff

f f

R XX R

= ⋅

H

(24)

For instance a connection between D and G = H is the following:

If 11 12

21 22

g gg g

=G for 22 21

12 11

g gg g

=D (25)

Fig. 8. A block’s diagram with feedback of series-seriesRys. 8. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym szeregowo-

szeregowym

Equations on input

( ) ( )1 2 0k f

inR R R− − = (28)

where ( ) ( )

1 2k f

inR R R= − (29)

and ( ) ( )

1 2k f

inX X X= = (30)

It means negative feedback.

Output equations

( ) ( )2 1 0k f

outR R R− − = (31)

and ( ) ( )

2 1k f

outX X X= = (32)

Now, the vector [ ], tout inR R is

( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 1

k f k fout

k f k fin

R R R R RR R R X R

+ = = + + (33)

108

NAukA

The vector’s components in (33) having form

( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

k kdefk

k k

R XR X

= ⋅

Z

(34)and

( ) ( )2 2( )( ) ( )1 1

f fdeff

f f

R XR X

= ⋅

C (35)

For instance a connection between Z and C is the fol-lowing:

If 11 12

21 22

z zz z

=Z for 22 21

12 11

z zz z

=C (36)

Into consideration (34) and (35) in (33) we are having

( )( ) ( )out outk f

in in

R XR X

= + ⋅

Z C (37)

In connection with it, the result matrix Z-type of sys-tem having form

( ) ( )k f= +res

Z Z C (38)

4.3. A connection with feedback of parallel-parallel

Output equations

( ) ( )2 1k f

outX X X= + (42)and

( ) ( )2 1k f

outR R R= = (43)

Now, the vector [ ], tin outX X is calculated

( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 1

k f k fin

k f k fout

X X X X XX X X X X

+ = = + +

(44)

The vector’s components in (44) are having form

( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

k kdefk

k k

X RX R

= ⋅

Y

(45)and

( ) ( )2 1( )( ) ( )1 2

f fdeff

f f

X RX R

= ⋅

E

(46)

For instance, a connection between Z and C is the fol-lowing:

If 11 12

21 22

y yy y

=Y for 22 21

12 11

y yy y

=E

(47)

Then the expression (44) has a form

( )( ) ( )in ink f

out out

X RX R

= + ⋅

Y E

(48)

In connection with it, the result matrix Y-type of sys-tem is having a formula

( ) ( )k f= +res

Y Y E (49)

4.4. A connection with feedback of series-parallelFig. 9. A block’s diagram with feedback of parallel-parallel

Rys. 9. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym równole-gło-równoległym

Equations on input

( ) ( )1 2k f

inX X X= + (39)

where

( ) ( )1 2k f

inX X X= − (40)

and

( ) ( )1 2k f

inR R R= = (41)


Fig. 10. A block’s diagram with feedback of series-parallelRys. 10. Schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym szerego-

wo-równoległym

Equations on input

( ) ( )1 2 0k f

inR R R− + = (50)


where

( ) ( )1 2k f

inR R R= − (51)

and

( ) ( )1 2k f

inX X X= = (52)


Output equations

( ) ( )2 1k f

outR R R= = (53)

and

( ) ( )2 1k f

outX X X= + (54)

Now, it will be calculated

( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 2( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 1

k f k fin

k f k fout

R R R R RX X X X X

+ = = + +

(55)

It notice, that

( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

k kdefk

f k

R XX R

= ⋅

H

(57) and

( ) ( )2 2( )( ) ( )1 1

f fdeff

f f

R XX R

= ⋅

D

(58)

For instance a connection between of components of matrix G and D is:

If 11 12

21 22

g gg g

=G for 22 21

12 11

g gg g

=E (59)

The expression (55) with regard to (57) and (58) ha-ving form

(60)

In connection with it, the result matrix H-type of sys-tem is

( ) ( )k f= +res

H H D (61)

5. Concluding remarks

A presentation of systems in shape at a block diagram where members are two-port networks and describing by matrix is making possible a resultant matrix of system. By using at computer base of matrix transformation two-port networks the algorithm of calculation the matrix is quite simple.

6. Example

It should calculate a time constant at a integral circuit in feedback path at a control bus door like that a settling time will be minimum.

Fig. 11. A block diagram of matrix the control system doorRys. 11. Schemat blokowy macierzy systemu sterowania drzwiami

A1 – matrix of electronic amplifierA2 – matrix of power converter electric-hydraulicA3 – matrix of loadA4 – matrix of shift-voltage converterA5 – matrix of integral circuit

The input parameters are voltage-current and output parameters are force and velocity. The scheme in fig. 11 may be reduction for the shape of fig. 12.

Fig. 12. A connection of feedback a series-parallelRys. 12. Macierzowy schemat blokowy ze sprzężeniem zwrotnym

szeregowo-równoległym

in which

( )

1 2 3( )

4 5

k

f

A A A AA A A

= ⋅ ⋅

= ⋅ (62)

In the ex ample a response is Xout for unit step is Rout = 1/s. Using with the matrix Hres

we have

11

1( )( )out inX RT s

a s= (63)

Where L(s), M(s) are polynomials with regard for s.

If ( ) 2 22 nM s s sα w= + + (64)

Is a oscillation type, then settling time (with accura-cy 2 %) getting

4Tt a

= (65)

where a – coefficient by the s1.

110

NAukA

For higher order of systems the same formula is applied then is estimation.

In connection with that ( )ca f T= , Tc – time constant. It should minimize that value

min ( )cf T (66)

Algorithm of calculating Tc for presented system is the following.

START¯

Calculate resultant matrix of main line

( )1 2 3

kA A A A= ⋅ ⋅

Calculate resultant matrix of feedback line

( )3 4

fA A A= ⋅¯

Change of chain matrix to

hybrid matrix ( ) ( )k kA H⇒Change of chain matrix to

hybrid matrix ( ) ( )k kA H⇒¯

Calculate resultant hybrid matrix ( ) ( )k f

resH H H= +¯

Change of resultant hybrid matrix to chain matrix

res resH A⇒¯

Determine parameter a11(s) of resultant chain matrix¯

Calculate transfer function 11

1( )( )out inX RT s

a s=

¯

END

7. Conclusion

In the paper the analyses of systems in which may be presented as two-port networks have been considered. To calculation the matrix method has been used. The con-ditions affording possibilities reduction at systems have been expressed.

The matrix of systems with feedback at different making possible to calculate a result matrix of systems in a quite simple. An example of control system algorithm has been presented in purpose a reckoning of a parameter that se-cure of minimum control time.

References

1. Distefano J.J., Feedback and control system, Powells Books, 2005.

2. Gruz J.B., Układy ze sprzężeniem zwrotnym, PWN, Warszawa 1977.

3. Kaczorek T., Teoria wielowymiarowych układów dyna-micznych liniowych, WNT, Warszawa 1983.

4. Kaczorek T., Wektory i macierze w automatyce i elek-trotechnice, WNT, 1998.

5. Misra P., Patel R., Computation of transfer function matrice’s of linear multivariable systems, “Automati-ca”, 1997.

6. Ramey R.L., White E.J., Zastosowanie macierzy w maszynowej analizie układów, PWN, Warszawa 1974.

7. Smyczek J., Ostapko B., Macierzowa analiza transmi-tancji – wpływ obciążenia członów skończoną impedan-cją, Polioptymalizacja i Komputerowe Wspomaganie Projektowania. Prace XXIV Ogólnopolskiej Konferen-cji, Mielno 2006.

8. Smyczek J., Ostapko B., Macierzowa analiza transmi-tancji – algorytm dla układów ze sprzężeniem zwrotnym, XII Konferencja „Zastosowanie Komputerów w Elektro-technice”, Poznań 2007.

9. Vargay A., Computation of transfer function matrices of periodic systems, “International Journal of Control”, Vol. 76, No. 17, 2003, 1712–1723.

Appendix 1 – two port’s matrixes

Two port’s matrixes are:

(A1)

Define next original matrices

2 2 11 12

21 221 1

22 21

12 11

if for ex.

then

R X z zz zR X

z zz z

=

⋅ =

=

C Z

C (A2)

2 2 11 12

21 221 1

22 21

12 11

if for ex.

then

R X g gg gX R

g gg g

=

⋅ =

=

D G

D (A3)

2 1 11 12

21 221 2

21 22

11 12

if for ex.

then

X R y yy yX R

y yy y

=

⋅ =

=

E Y

E (A4)

and

2 2

1 1

-1whereX RX R

=

⋅ =J J C

(A5)


2 2

1 1where

X RR X

=

⋅ = -1L L D (A6)

2 2

1 1

-1whereR XR X

=

⋅ =M M E (A7)

This type of matrixes are using in matrix systems with feedback.

Appendix 2 – two port’s matrixes with negative feedbackAppendix 2 – Matrices of two-port networks with nega-tive feedback

No. 1. Kind of connection parallel - series

( ) ( )f k

res= +H H D

( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

f ff

f f

R XX R

= ⋅

H

( ) ( )2 2( )( ) ( )1 1

k kk

k k

R XX R

= ⋅

D

No. 2. Kind of connection series - series

)()( fkres CZZ +=

( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

k kk

k k

R XR X

= ⋅

Z

( ) ( )2 2( )( ) ( )1 1

f ff

f f

R XR X

= ⋅

C

No. 3. Kind of connection parallel - parallel

)()( fkres EYY +=

( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

k kk

k k

X RX R

= ⋅

Y

( ) ( )2 1( )( ) ( )1 2

f ff

f f

X RX R

= ⋅

E

No. 4. Kind of connection series - parallel

( ) ( )k f= +res

H H D( ) ( )1 1( )( ) ( )2 2

k kk

k k

R XX R

= ⋅

H

( ) ( )2 2( )( ) ( )1 1

f ff

f f

R XX R

= ⋅

D

Prof. Jerzy Józef Smyczek, DSc, PhD

Electronics and telecommunication lecturer; MSc, Lodz University of Technology 1962, PhD 1970, DSc 1990. Professor at Koszalin Univ. of Technology, Dept. of Electronics and Informatics. Research interest: Theory of Signal and Circuits, Filtration and Identification of Nonlinear Systems, Systems of Transmission Information, Matrix Analysis of the Feedback Systems.e-mail: [email protected]

Macierzowa analiza systemów mechatronicznych drugiego rzędu

Streszczenie: W pracy opisano analizę układów mechatronicz-nych drugiego rzędu za pomocą metody macierzowej. Wyzna-czono oryginalne macierze wypadkowe członów o różnych po-łączeniach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Na podstawie re-alnego systemu mechatronicznego, systemu sterowania drzwia-mi autobusu, wyznaczono minimalny czas zamykania drzwi.

Słowa kluczowe: metody macierzowe, teoria systemów, sprzę-żenie zwrotne, mechatronika

112

Nauka

Kinematics of underwater inspection robotMariusz Giergiel*, Krzysztof Kurc**, Piotr Małka*, Tomasz Buratowski*, Dariusz Szybicki**

*AGH University of Science and Technology**Rzeszow University of Technology

Abstract: The article presents the issues associated with modeling and numerical verification of a kinematics inspection robot for diagnostic and maintenance tanks with liquid. The robot has been constructed at the Department of Robotics and Mechatronics of AGH in frames of the grant financed by NCBiR. The analysis of the kinematic was drawn using available and described in the literature mathematical methods, as well as based on existing robots designs. Structural solutions applied enable to control two crawler tracks, module cleaning the bottom of tank and the diagnostic module. Verification of the kinematic model drawn up was carried out with use engineering methods and development software MATLAB. Received results were presented as mathematical equations and simulations illustrated in the form of characteristics depicting kinematic parameters of the robot’s motion. The work also presents directions of further research on the constructed robot.

Keywords: mobile robot, kinematics, inspection robot, underwater robot

1. Introduction

The project of robot for inspection and diagnostics of tanks with liquids is constructed at the Department of Robotics and Mechatronic of AGH. It’s created in cooperation with the Municipal Enterprise MPWiK SA of water supply sys-tems and sewage system. Its aim is to develop the origi-nal construction of inspection machine enabling to determi-ne the technical condition of concrete construction of sto-rage liquid tanks (most often water). The design fundamen-tal assumption: work in conditions of souse in liquid at dep-ths up to several.

Fulfilling this assumption will have a fundamental influ-ence on the reduction costs of the inspection procedure be-cause existing methods require most often emptying tanks, what carries behind long (about one month) stoppages. It next burdens the company budget, which is forced to turn off the tank/s from use.

Other advantages of replacing traditional methods of thaw inspection robot are: faster inspection, greater work security, and wider range of available inspection methods. The article presents one element of the structural-research procedure that is drawing the model of kinematics along in with numerical verification.

2. Description of the robot construction and working space

The inspection robot is constructed from tubular elements allowing for the wheelbase change. Crawler track tracks were used to the drive with developed transmission gears and propellers, their structure allows for works up to 30 m underwater. Additionally the robot is equipped with the diagnostic-monitoring module used for observation the tank above the robot height. Equipped is with 3 cameras (2 for observation, 1 for the docking with home station), 2 rota-ting drives and sensors laser.

Fig. 1. Inspection robot with the diagnostic-monitoring moduleRys. 1. Robot inspekcyjny z modułem diagnostyczno-obserwacyjnym

Fig. 2. Tanks for storing water – MPWiK CracowRys. 2. Zbiorniki do magazynowania wody pitnej – MPWiK SA

Kraków

The inspection robot is intended for diagnostics and ob-servation of tanks with liquids. Cooperation with MPWiK SA in Cracow [7] enables verifications and testing the con-structed robot in real terms. Cracow water supply systems have a dozen of tanks for storing water (among others the biggest in Europe about diameter of 34 m). They require re-peated reviews and expert opinions, applying the construc-ted robot will enable to streamline these activities, and will reduce the costs of these type actions.

3. Modeling the kinematics of inspection robot

Crawler track driving systems are arrangements, to which involves a different type of variables in time. Description of the crawler track movement in real conditions with une-ven ground on changeable parameters, is very complex. The detailed mathematical description of the move of


For the description of motion points on the crawler track circumference for the simplified model (fig. 6) two systems of coordinates were accepted. Arrangements y, z is the motionless arrangement associated with the ground, arran-gement y0, z0 is movable arrangement associated with vehicle [1, 2, 5, 6].

The movement of any crawler track point is composi-tion of two movements (fig. 6): – relative move, of the agreement y0, z0, – transportation move relative to the immovable arran-

gement y, z.The absolute speed of any point on the crawler track

circumference is equal to the sum of geometrical transpor-tation speed and relative speed.

by u tV =V +V cosϕ (1)

bz tV =V sinϕ (2)

2 2 2 2

b by bz u t u tV = V +V = V +V +2V V cosϕ (3)

where: Vu – speed of transportation, Vt – relative speed of any point on the crawler track circumference, Vb – absolute speed of the point on crawler track circumference, j – angle between vectors Vt and Vu.

In case when j = p, that is when points of the craw-ler track circumference contact with the ground, it is po-ssible to write.

b u tV =V +V (4)

Fig. 3. a) CAD Model, b) Simplified ModelRys. 3. a) Model CAD, b) Model uproszczony

individual crawler track points is so compound that it is necessary to apply simplified models. Crawler tracks (fig. 3a) in the very simplification it is possible to model, as the non-stretch tape about determined shape by the drive wheel, stretching wheel and no deformable ground (fig. 3b) [1–4].

Apart from widely applied crawler tracks constructed from links, appear also crawler tracks made from the ela-stomer belt. They constitute one element along with clut-ches. Driving arrangement of the analyzed crawler track robot are two driving modules (fig. 4).

Specifications: – height: 100 mm, – width: 90 mm, – length: 380 mm, – speed up to 9.75 m/min, – maximum load: 45 kg, – water resistance to the depth 30 m, – mass: stainless steel 12.25 kg.

Fig. 4. Crawler tracks – model CADRys. 4. Gąsienice – model CAD

Basic inside sub-assemblies (fig. 5) of each module: – driving engine – planetary transmission – conical transmission – leading transmission

Individual ratio of these trans-missions:i1 = 66 : 1 – transferring

the planetary transmission,i2 = 2 : 1 – transferring

the conical transmission,i3 = 2 : 1 – transferring

the leading transmission.Total ratio the driving module:

i = 264 : 1.

Fig. 6. Simplified model of the crawler track trackRys. 6. Uproszczony model gąsienicy

Fig. 5. DrivetrainRys. 5. Układ przeniesienia napędu

3.1. Slide crawler trackWhen transferring of the load-bearing crawler track segment appears relative to ground, then the effect of slip occurs [1, 5, 6]. Mainly for the craw-ler track slide affects the follo-wing factors: – ownerships of the ground, – appearing driving force, – type and placing clutches

on the crawler track track.Appearing in the crawler

track arrangement, the driving force causes appear of cutting powers in the ground. The re-

114

Nauka

lationship between appearing factors it is possible to determine relations by:

6

010

L

n xP b dxτ= ∫ (5)

where: Pn – driving force, b – width of the crawler track, L – length of the load-bearing of the crawler track segment, tx – stresses cutting in the soft ground.

Assuming that the course of parallel de-formations to the ground is linear, it is po-ssible to express these deformations by: x bl xs∆ = (6)

where: sb – slip, x – distance of the place, for which the slip is calculated from the point of crawler track contact with ground, the greatest slip appears for x = L.

Therefore, it is possible to express the slip by:

maxx

bl lsx L

∆ ∆= = (7)

3.2. Kinematics of turningIt is possible to define the turn of crawler track vehicle as the flat movement, which is a sequence of turns around next momentary axes of rotation. The center of turn cre-ates tracks on the plain of next rotation axes and it can be fixed point for the movement about constant radius or line.

Turn in crawler track vehicles depending on the direc-tion and value of driving forces and braking (P2 and P1) can be carried out in few ways.

When the speed of running crawler track is reduced in the relationship to run (fig. 8a) by braking, a turn appe-ars about the small radius R. On running crawler tracks then operate oblong tangent forces about direction oppo-site direction to the movement of the crawler track vehic-le. In that kind of turn on the vehicle operate two forces, brake force P1 in the running crawler track and driving force P2 about the direction of vehicle movement in the running crawler track.

In case of disconnection the running crawler track drive (fig. 8b) appears turn about the great radius. Then only P2 force of the running crawler track appears.

At appearance of great resistances progressive move and low resistances of the turn, may appear case that P1 force of the running crawler track have direction in accor-dance with direction of the ride (fig. 8c).

3.3. Kinematics equationPrędkość punktu C, znajdującego się na osi symetrii pojazdu gąsienicowego, przyjętego jako środek masy pojazdu [1–3, 5, 6], wynosi:

1 1 2 2 2(1 ) (1 )

2Cr s r sV α α− + +

=

(8)

Nie uwzględniając poślizgu:

1 2

2Cr rV α α+

=

(9)

Components of the speed point C it is possible to wri-te as:

cosC Cx V b= (10)

sinC Cy V b= (11)

After taking into account the relation (8) received the equation of simple kinematic task:

1 1 2 2(1 ) (1 ) cos

2Cr s r sx α α b− + −

=

(12)

Fig. 7. Kinematic diagram of the crawler track vehicle turn without a slip

Rys. 7. Schemat kinematyczny skrętu pojazdu gąsienicowego bez poślizgu

Fig. 8. Possible variants of the crawler track vehicle turnRys. 8. Możliwe warianty skrętu pojazdu gąsienicowego

Fig. 9. Diagram of the frame robot turn for the angle bRys. 9. Schemat obrotu ramy robota o kąt b


1 1 2 2(1 ) (1 ) sin

2Cr s r sy α α b− + −

=

(13)

2 2 1 1(1 ) (1 )r s r s

Hα αb − − −

= (14)

Based on the relation (12) and (13) it is possible to write as the equation of reverse kinematics tasks:

2 2

C C CV x y= + (15)

( )C

11

V -0,5 H=r 1-s

⋅ ba

(16)

( )C

22

V +0,5 H=r 1-s

⋅ ba

(17)

Considering correlations of the transmission crawler track arrangement:

1s 11 =

264a a (18)

2s 21 =

264a a

(19)where: 1sa – angular speed on the shaft of driving engine running crawler track, 2sa – angular speed on the shaft of driving engine running crawler track

Substituting (16) and (17) to (18) and (19) received re-lations on the angular speeds of driving engines:

( )( )C

1s1

264 V -0,5 H=

r 1-s⋅

a

(20)

( )( )C

2s2

264 V +0,5 H=

r 1-s⋅

a

(21)

Fig. 10. a) Set motion track of the point C, b) set speed course of the point C

Rys. 10. a) Założony tor ruchu punktu C, b) założony przebieg prędkości punktu C

0 5 10 15 200

200

400

600

800

1000

t [s]

alfa

*1s,

alfa

*2s

[rad

/s]

0 5 10 15 200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

t [s]

Vco

[m/s

]

Fig. 12. Angular speed on shafts of driving enginesRys.12. Prędkość kątowa na wałach silników napędowych

Fig. 11. Set speed of the point CRys.11. Prędkość zadana punktu C

0 5 10 15 200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

t [s]

Vc [m

/s]

0 5 10 15 200

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

t [s]

alfa

*1, a

lfa*2

[rad

/s]

Fig. 13. Angular speed of crawler tracksRys. 13. Prędkość kątowa kół napędzających gąsienice

Fig. 14. Received speed driving wheelsRys.14. Prędkość otrzymana

4. Numerical verification of the kinematics model

In many cases during the inspection work the zone of robot action isn’t limited to horizontal planes. Many times the robot must defeat different heights and therefore in order to obtain more comprehensive analysis of the kinematics robot must carry it also in case of the move after the hill.

For the numerical verification the following assumptions were made. The robot moves on the segment about g gra-dient, at equal angular speeds of driving wheels Vu1 = Vu2, slip s1 = s2 = s then the equations of movement will adopt the form:

( )( )C

1s '

264 V -0,5 H=

n-1 lr 1-L

⋅

aD

,

( )( )C

2s '

264 V +0,5 H=

n-1 lr 1-L

⋅

aD

Assuming that its point C moves on the trajectory (fig. 10a), with the speed course (fig. 10b).

Received courses for the set trajectory and speed of the point C.

116

Nauka

5. Summary

Equations of the kinematics inspection robot were drawn up correctly, simulation examinations confirmed it. The numerical verification showed influence of the slip on behavior of the robot. As can be observed for increasin-gly larger set disposable horizontal deforming ground or clutch, the speed of slip increases its value. More conside-rable value assumes also received speed of the point C in order to ensure the set speed. However, the increase spe-ed in fact is limited by parameters of the driving arrange-ment (rotation speed, engine power driving) what leads to situation that the robot starts to move with smaller lost speed in aid of the slip speed.

Bibliography

1. Burdziński Z., Teoria ruchu pojazdu gąsienicowe-go, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warsza-wa 1972.

2. Dajniak H., Ciągniki teoria ruchu i konstruowa-nie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warsza-wa 1985.

3. Żylski W., Kinematyka i dynamika mobilnych robotów kołowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszow-skiej, Rzeszów 1996.

4. Trojnacki M.: Modelowanie i symulacja ruchu mobil-nego robota trzykołowego z napędem na przednie koła z uwzględnieniem poślizgu kół jezdnych, „Modelowa-nie Inżynierskie”, Tom 10, Nr 41, 411–420, ISSN 1896-771X, Gliwice 2011.

5. Chodkowski A.W., Badania modelowe pojazdów gąsie-nicowych i kołowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1982.

6. Chodkowski A.W., Konstrukcja i obliczanie szybkobież-nych pojazdów gąsienicowych, Wydawnictwa Komuni-kacji i Łączności, Warszawa 1990.

7. Documentation made available by MPWiK SA Krakow [www.wodociagi.krakow.pl].

Kinematyka podwodnego robota inspekcyjnego

Streszczenie: W artykule przedstawiono zagadnienia związa-ne z modelowaniem i weryfikacją numeryczną kinematyki robo-ta inspekcyjnego do diagnostyki i konserwacji zbiorników z cie-czą. Robot zbudowany został w Katedrze Robotyki i Mechatro-niki AGH w ramach grantu finansowanego przez NCBiR. Anali-zę kinematyczną przeprowadzono przy użyciu dostępnych i opi-sanych w literaturze metod matematycznych oraz na podstawie istniejących konstrukcji robotów. Zastosowane rozwiązania kon-strukcyjne pozwalają sterować dwoma gąsienicami, modułem czyszczenia dna zbiornika i modułem diagnostycznym. Weryfika-cję kinematyki przeprowadzono przy użyciu metod inżynierskich oraz oprogramowania MATLAB. Otrzymane wyniki przedstawio-no w postaci równań matematycznych oraz charakterystyk po-kazujących kinematyczne parametry ruchu robota. Praca przed-stawia również kierunki dalszych badań nad zaprojektowanym i skonstruowanym robotem.

Słowa kluczowe: mobilne roboty, kinematyka, roboty inspekcyj-ne, roboty podwodne

Prof. Mariusz Giergiel, PhD

He was born in 1961 in Cracow, Poland. He was graduated in 1985 at AGH Univer-sity of Science and Technology in field of electronics automatics. In 1992 earned his doctoral degree in field of mechanics at the same University. Since 2005 he is professor at AGH UST at Faculty of Mechanical Engi-neering and Robotics. Works in filed of auto-matics and robotics, applied mechanics and mechatronics. Currently is research man-ager of group working on project of under-water tank inspection robots. Member of local and international scientific societies, author of many publications, patents, developed researches and applied solutions.e-mail: [email protected]

Krzysztof Kurc, PhD

In 1999 graduated from technical school in electronics Krosno, in 2004, gradu-ated from the Faculty of Mechanical Engi-neering and Aeronautics, Rzeszow Univer-sity of Technology. Since 2004, working in the Department of Applied Mechanics and Robotics, Rzeszow University of Tech-nology. Research interests include mecha-tronics, robotics, mechanics, design.e-mail: [email protected]

Piotr Małka, PhD

He received MSc degree in Robotics and Automatics from the Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH University of Science and Technology in 2001, the PhD degree in 2008 also at AGH University. He is currently employed at Municipal Water-works and Sewer Enterprise, holds the position of manager for the automation. His main research area is connected with indus-trial and mobile robots, fuzzy logic applica-tions, modelling and identification of mecha-tronic systems.e-mail: [email protected]

Tomasz Buratowski, PhD

He received MSc degree in Robotics and Automatics from the Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, AGH University of Science and Technology in 1999, the PhD degree in 2003 also at AGH University. He is currently employed at AGH university as an assistant professor. His main research area is connected with industrial and mobile robots and also human-robot interaction, fuzzy logic applications, modelling and iden-tification of mechatronic systems.e-mail: [email protected]

Dariusz Szybicki, MSc

He was born in Przeworsk. He graduated from the University of Rzeszów, where in 2009 he started engineering doctoral studies at the Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics. He works as an assistant in the Department of Applied Mechanics and Robotics at the Technical University of Rzeszów. His research interests relate to robotics, programming, and modeling of mechatronic systems.e-mail: [email protected]


Functional structure of diagnostic system for wheeled tractors

Ryszard Arendt*, Ryszard Michalski***Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology

**Faculty of Technical Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn

Abstract: An application of computer controlled fuel injection sys-tems in vehicle engines and growing demands concerning toxic substances emission and fuel consumption was a main reason for OBD (On Board Diagnosis) development. In spite of a great techno-logical development, only some tractors are equipped in diagnostic systems. On board diagnosis is strongly connected with emission demands and does not concern other important vehicle functions. In the developed mechatronic diagnostic system, based on generated consequences, four groups of defects are accepted: functional (uf), which inhibit performance, exhaust (ue), which causes increase toxic emissions, that jeopardize driving safety (us) and defects that affect engine performance (ud). The diagnostic system consists of a board computer with specialized programs, acquisition data modules wor-king in CAN net with protocol DeviceNet, measuring sensors and actuators. In the paper accepted assumptions, and a structure of mechatronic system model and organization of a diagnostic pro-gram are presented.

Keywords: mechatronic, diagnostic systems, tractors, OBD – On Board Diagnostic

1. Introduction

Devices monitoring combustion process in cars and other vehicles are by ecological demands obligatory introduced. Accepted legal rules oblige vehicle producers to equip cars (trucks) in developed on board diagnostic systems, depending on region called: OBD II (USA), EOBD (European Union), JOBD (Japan). A system OBD (On Board Diagnostic) defines a set of diagnostic proce-dures, enable early identification of faults, which can causing toxic substances emission in exhaust gases [5].

Actually a problem of wheeled tractors diagnostic is realized by a periodical technical inspection using stationary diagnostic stands in vehicle inspection services. During exploitation only some functional parameters are monitored. On board diagnos-tic systems, used only in some tractors, find an implementa-tion in computer controlled combustion process vehicles. In this case the diagnostic is only an additional process absorbing free calculation power of the computer, using sensors applied for combustion process control [9]. We can state, that tractor diagnostic is limited to check an activity of electronic systems (easy measurement), neglecting possible mechanical causes of malfunction tractor’s work [7].

A wheeled tractor can perform different functions, depend-ing on requirement. Applied technical diagnostic is a vital tool for assessing: – functionality during transport and operation, – performance parameters, – operating safety in field and road driving modes, – exhaust gas emissions.

A developed mechatronic diagnostic system of wheeled trac-tors enables monitoring and diagnosing i.e. quality inspection and localization of fault elements during exploitation. We assu-med a possibility of detection and localization of faults, based on generated consequences, divided into the following groups: – functional defects (uf), which inhibit performance (torque,

towing force, working speed, fuel consumption); – exhaust defects (ue), which increase toxic emissions (and

noise) and fuel consumption due to a malfunction of the fuel supply system, layout of the Diesel engine and the power transmission system;

– defects that jeopardize driving safety (us) can affect the follo-wing tractor systems: brake, suspension, steering and lights;

– defects that affect engine performance (ud) and driving para-meters in a tractor, including decreased response to chan-ges in movement parameters, unequal power levels, signifi-cant loss of power and moment of force.In the paper accepted assumptions, general structure of the

mechatronic system and preliminary organization of diagnostic programs are presented.

2. Measurement of tractor parameters

The mechatronic diagnostic system of wheeled tractors will be a base for further prototypes of testing devices development. At current stage of investigations following assumptions con-cerning parameter measurements of a tractor are accepted: – significant element of a tractor is Diesel engine, and its

work should be monitored by diagnostic system; – an important element of tractor is power transmission sys-

tem; – we should consider a set of subsystems (elements) direc-

tly influencing safety of a traffic.Measurement of the following parameters of Diesel engi-

ne is accepted: – temperature of: cooling fluid, lubricating oil and chosen

points of the engine; – temperature of exhaust gases of cylinders; – lubricating oil level; – lubricating oil pressure; – intake manifold vacuum of turbocharger; – acceleration of engine body for vibration diagnostic; – control voltage of injector valves in CommonRail system.

In power transmission system angle speed of shafts wi is measured (fig. 1). Additionally a placement of engine shaft j is measured.

We consider measurements of the following parameter influencing a traffic safety: – steering play of kinematic pairs (an angle of steering whe-

el measurement); – air pressure in wheels;

118

NAukA

– wear of friction linings of vehicle brakes (distance sensors); – current flow and voltage; diagnostic of: head-lights, wind-

screen wipers and other electric devices; – deviation of vehicle in X-Y axes (inclinometer); – level and pressure of brake fluid.

3. Hardware structure of the diagnostic system

A basic element of the diagnostic system (fig. 2) is a board computer, vibration and shock resistant, with a touch scre-en and passive cooling.

The computer is connected by USB port with Device-Net master device (DeviceNet is a network protocols based on a CAN bus). The CAN bus connects master board with three slave devices – modules of data acquisition from cho-sen points of tractor. Each module is distinguished by node address (MAC ID) and works with different data acquisi-tion mode. The remote I/O unit (slave device) has 4 expan-sion slots equipped with 4 input (output) cards, appropria-te chosen for ranges and types of measured signals [1]. In the CAN bus a speed of data transmission is high – baud rate is 500 kb/s.

The I I/O unit works with the greatest data acquisition speed and serves sensors of measures of dynamic proces-

ses – of shaft angle speeds (pulse sensors pick up) and acceleration sensors for vibration diagnostic of tractor. The unit also gathers data describing angle placement of engine shaft and voltages controlling injector valves in CommonRail system.

The II I/O unit works with slow (medium) spe-ed of data acquisition. It gathers data concerning: pressures, fluid levels in tanks, currents and volta-ges. One of 4 cards of the unit for actuators control is assigned. During realization of given diagnostic tests and in emergency conditions, output signals will control tractor subsystems.

The III I/O unit works with slow speed of data acquisition. It serves temperature (Pt 100) sensors located in chosen points of engine body and tempe-rature sensors (thermocouples) placed in exhaust manifold near each cylinder. Depending on a gre-

at time constants a period of measure cycles can be large – near 1 s. One of cards of III unit, for diagnostic of voltage presences and current flows is used.

4. The diagnostic system’s program

The system works in Windows XP environment (any win-dows based system Win98/Win2000/WinNT). For DeviceNet master control a proper driver should be installed.

In the mechatronic diagnostic system data acquisition and processing should be in real time realized. The system achieve data in poll messages, at each main period of time T, processing them, calculate state variables, starts diagno-stic procedures, keyboard commands and diagnostic states signalization procedures. Real time work means, that a sum of time periods of data acquisition and another procedures is less than accepted main period of the time T.

Program procedures of the diagnostic system, their desti-nation and realization priority in table 1 are presented.

Tab. 1. Program procedures of the diagnostic systemTab. 1. Procedury systemu diagnostycznego

L.p. Procedure Priority

1. Data acquisition and control procedure I

2. Starting keyboard (touch screen) and specialized diagnostic procedures II

3. Fast Fourier Transformation (FFT) procedure III

4. Procedure calculating angle acceleration of an engine shaft IV

5. Procedure calculating chosen state variables of diagnostic models V

6. Diagnostic procedures VI

7. Diagnostic states signalization procedure VII

8. Another procedures VIII

Fig. 1. Measurements of wheeled tractor’s power transmission system Rys. 1. Pomiary układu napędowego ciągnika kołowego

Fig. 2. The structure of diagnostic system hardwareRys. 2. Struktura systemu diagnostycznego

Data acquisition and control procedures have the high-est priority of execution and by internal computer clock are controlled. Computer clock signal interrupts all calculations of lower level procedures and starts data acquisition process. The main time interval T = 1 s (actually) of the diagnostic system work is accepted – poll massages of all data measure-


– fluids level (3); – tires pressure (4); – intake manifold vacuum (2); – oil and brake fluid pressure (2); – brake jaw gap (4); – vehicle inclination (2); – current flow (30).

– cyclic input data each ti, in time period T1: – chosen angle speeds of wheels and shafts (up to

20 measures); – placement of engine shaft (1); – engine vibrations (1); – voltage of injector valves (up to 8).

– measures performed as special diagnostic test: – back lash of steering wheel measure (1).

The end of the dynamic processes data transfer starts fast Fourier transformation procedure – calculation of vibra-tions spectrum. Parameters of the spectrum are in diagno-stic procedures used.

After spectrum calculations a dependence of angle speed and engine shaft placement in function of time is calculated. Similarly a function of injector valves control and shaft pla-cement depending on time is created.

Procedures calculating chosen state variables can concern: output variable of given process, state variable (the variable inaccessible for direct measure). In the first case, comparison of measured value (out-put variable) with modeled value (a pat-tern) gives us diagnostic information. In the second case, calculated state variable replaces measured data [3, 4, 8].

At development of the diagnostic system following defini-tion is accepted: a failure is every event which deteriorates a tractor’s performance quality and effectiveness, and which should be detected in the diagnostic process [6].

A tractor’s fault SN results from one of the four defect classes uf, ue, us, ud, what we can express in the form of the following relation (1):

0N f e s dS u u u u⇒ ∪ ∪ ∪ ≠ (1)

Diagnostic knowledge is composed of facts, relations and procedures. In a mathematical approach, the diagnostic pro-

ments and realization of all assumed calculations. The main time interval depend on a number and frequency of realized measurements, baud rate of data in CAN net and a number and complexity of the diagnostic procedures.

The following methods of data message transfers are accepted: each T poll message addressed to all units (poll message ID-I, ID-II, ID-III) is transmitted. A number of transmitted bytes of data is 3 units × 64 bytes = 192 bytes. In DeviceNet protocol, for each 8 bytes of frame the useful content is at least 7 bytes.

We should send each 1 s (8/7) × 192 data bytes with baud rate 500 kb/s (a distance is not large). A time of data transmission is tp = (8/7) 192/500 ms = 0.429 ms. The time of data transmission for CAN net is very short and we can effective control the realization of data acquisition.

After tk cyclic message data transfer procedure of unit I is started – data of: shaft angle speeds and placements, accelerations and voltages controlling injectors. In period of the time T1; T1 < T, n moments of data messages: t1, t2, t3 … are appointed. Transferred data describe dynamic processes of wheeled tractor. A time of each whole data transmission of unit I is about tpI = 0.143 ms. In time diagram (fig. 3), accepted data acquisition is presented.

Gearboxoverheating

Increased fuelconsumption

Engineoverheating

Unequal exhaustgas temperatureat cylinder outlets

Defect thataffects

performancee.g. demage to

gearbox bearings

Exhaustdefect

e.g. leakingfuel injector

Functionaldemage e.g.

engineoverload

Typeof symptom

Defectcategory

Fig. 4. Diagram illustrating the relation between defects and symp-toms

Rys. 4. Ilustracja zachodzących relacji między symptomami a uszkodzeniami

Fig. 3. Time diagram of data acquisition in diagnostic system; bold line – time of whole poll data transfer, normal line a time of data transfer from unit I, T – main period of work of the diag-nostic system, T1 – period of cyclic data transfer of dynamic processes, ti – period of one cycle data transfer from unit I

Rys. 3. Diagram czasowy akwizycji danych w systemie diagnostycz-nym; gruba linia – czas przesyłania wszystkich dostępnych danych, cienka linia – czas przesyłania danych modułu I, T – okres pracy systemu diagnostycznego, T1 – okres cyklicz-nego zbierania danych procesów dynamicznych, ti – okres jednego cyklu zbierania danych z modułu I

The most number of data is ne-cessary for frequency analysis of ac-celeration of engine body (vibra-tion diagnostic). The period T1 ap-points the smallest analyzed spec-trum frequency and period of cycle data acquisition ti appoints the hi-ghest spectrum frequency [2].

In the mechatronic diagnostics system, following assumptions con-cerning realized measures are accep-ted: – poll input data with period T:

– angle speed of wheels and sha-fts (up to 20 measures);

– placement of engine shaft (1); – power transmission system

temperature (10); – exhaust gases temperature (8);

120

NAukA

4. Korbicz J., Kościelny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W., Processes diagnostics, models, methods of artificial intelli-gence, applications, WNT, Warszawa 2002 (in polish).

5. Merkisz J., Mazurek S., On board diagnostics systems of vehicles, WKŁ, Warszawa 2000 (in polish).

6. Michalski R., Working machine diagnostics, Wydawnictwo ITE, Radom – Olsztyn 2004 (in polish).

7. Michalski R., Janulin M., Structural analysis of a wheeled trac-tor, oriented towards damage diagnostics, Monografie, studia, rozprawy M29, Selected problems of mechanical engineering and maintenance. Politechnika Świętokrzyska 2012, 5–15.

8. Natke H.G., Cempel C., Model-Aided Diagnosis of Mechani-cal Systems: Fundamentals, Detection, Localization, Assess-ment, Springer-Verlag, Berlin 1997.

9. User manual: Technical description of John Deere Tractors, models, 6081, 1999.

Struktura funkcjonalna systemu diagnostycznego ciągnika kołowego

Streszczenie: Mimo dużego rozwoju technologicznego, tylko niektó-re ciągniki kołowe są wyposażone w systemy diagnostyczne. Aktu-alnie stosowana diagnostyka pokładowa pojazdów jest silnie zwią-zana z wymaganiami emisyjnymi i nie obejmuje innych ważnych funkcji pojazdu. W tworzonym mechatronicznym systemie diagno-stycznym ciągnika kołowego ze względu na możliwe skutki przyjęto cztery grupy uszkodzeń: funkcjonalne (uf) powodujące ograniczenie efektywności pracy, emisyjne (ue) wywołujące wzrost emisji związ-ków toksycznych, zagrażające bezpieczeństwu ruchu (us) ciągni-ka oraz pogarszające jego dynamikę (ud). System diagnostyczny tworzy komputer pokładowy z wyspecjalizowanym oprogramowa-niem, moduły akwizycji danych pracujące w sieci CAN z protoko-łem DeviceNet, czujniki pomiarowe (sensory) oraz elementy wyko-nawcze (aktuatory). W artykule przedstawiono przyjęte założenia, budowę modelu systemu mechatronicznego oraz organizację progra-mu diagnostycznego.

Słowa kluczowe: mechatronika, system diagnostyczny, ciągnik kołowy, diagnostyka pokładowa

cess involves the search of relations R between defects (faults) and specific diagnostic symptoms. There exist cause and effect relationships between malfunction Ffi ⊂ of tractor components and symptoms sj represented by set S. This rela-tionship can take on one of the following forms (2) and (3):

: j iR s f⇒ , (2)

: j iR s f⇒ (3)

The form (2) is one-to-one relationship (a set of symp-toms identifies a given state); the form (3) is one-to-ma-ny relationship.

For diagnostic purposes we can describe existing relations between states of tractor and state variables modeling given processes. Relation RXF can be described by the Cartesian product of sets F and X:

XFR X F⊂ × , (4)

where: X – set of process variables, F – machine’s state space.An example of relations between defects and symptoms

is presented in fig. 4.Diagnostic relation evaluation of wheeled tractor, consi-

dering accepted defect classes requires investigations. Cur-rently in the diagnostic procedures, checking simple relations of inclusion of chosen state variables set in permissible ran-ge of parameters is accepted.

5. Remarque and conclusionsActual works concerning development of the mechatronic dia-gnostic system of wheeled tractors are writing and testing computer programs. The system of data acquisition on three slave CAN8424 units with measuring cards and master unit ICP DAS production is based.

In next stage of development of the diagnostic system we install it on a chosen type of tractor. First test will be carried on using a diagnostic stand. The tests will be base for dia-gnostic relations evaluation and applied models verification.

The technical diagnostic system oriented on four classes of defect identification is an original solution. Standard dia-gnostic of wheeled tractors regards only evaluation of basic work parameters of an engine and chosen units and is limi-ted to parameter monitoring, which are necessary for the engine control. Standard OBD II system detects malfunc-tion only when the measured value exceeds the standard value by 50 % [5].

Acknowledgements

This study was supported by research grant No. N N504513740.

Bibliography

1. Arendt R., Preliminary design of hardware part of a mechatronic system for diagnostic of wheeled tractor, The work was done in frames of research grant No. N N504 513740, Gdańsk November 2011 (in polish).

2. Cempel C., Vibro-acoustic diagnostics of machines, WNT, Warszawa 1982 (in polish).

3. Kościelny J.M., Diagnostics of automated industry processes, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT; Warszawa 2000 (in polish).

Assist. Prof. Ryszard Arendt, PhD

He is an assistant professor in Faculty of Electrical and Control Engineering in Gdansk University of Technology. His current research interests are: an appli-cation of artificial intelligence in auto-mation of ship systems design, mecha-tronic systems and diagnostic of control elements and systems. e-mail: [email protected]

Full Prof. Ryszard Michalski, PhD

He is a full professor of the Faculty of Technical Sciences in Univesity of Warmia and Mazury in Olsztyn. His current research interests are: tech-nical diagnostic, reliability, repair engi-neering and system analysis of vehicle and working machines exploitation. e-mail: [email protected]


Viscous friction measurement technique in robot joint with the use of surrogate mass

Jerzy Świder, Adrian ZbilskiFaculty of Mechanical Engineering, The Silesian University of Technology

Abstract: This paper is the theoretical analysis of the method for determining viscous friction characteristics in an industrial robot joint. For the purpose of calculating the value of viscous friction, the surrogate mass of driven robot arms and their common surro-gate center of gravity was used. In order to ensure the value of sur-rogate mass to be correct, the analysis of friction hysteresis influ-ence on a motor’s driven torque was performed. The analysis of dynamic phenomenon of friction was performed by numerical robot joint and robot arms models.

Keywords: measurements, friction, robot joint, surrogate mass

1. Introduction

The determination of viscous friction characteristics in an indu-strial robot joint belongs to the dynamic parameters identifi-cation process of an investigated plant. However, the measu-rement of friction in robot joints can not be performed direc-tly using external sensors, due to the lack of sufficient quanti-ties of a place needed for this purpose. Robot arms are desi-gned to be a compact set of many parts. The plant used to analyze the friction measurement technique was the industrial robot FANUC AM100iB. In these types of machines, an accu-rate model of friction has great importance due to the quality of positioning. Therefore, to model the friction in robot joints a lot of different mathematical friction models were developed. Friction model may be divided into three groups [1]: white-box, black-box, and gray-box. White-box models are developed based on physical backgrounds of an investigated phenomenon, black-box models are based on an experimental data and application of general models or neural networks and fuzzy logic. On the other hand, the gray-box represents attributes of both previo-us groups. White-box models are divided into static and dyna-mic. All of the friction models may be used when ensuring cri-teria that have to be obtained in the performed task. The most popular static friction model includes Coulomb and viscous fric-tion and Stribeck effect. Its mathematical model is expressed by the following system of equations [2]:

( ) ( ) ( )2

: 0

sgn : 0s

brk

fc brk c

T

T wT T T e T

ωω

ω

ω

ω ω ω

−

± = = + − + ≠

(1)

One of the static friction’s limitations is its discontinu-ity in the zero velocity point. These models do not specify the process of phenomenon progress in the case of changing direction of a movement (stick-slip phenomena), increasing and decreasing of a velocity (frictional lag), movement be-fore sliding phase (presliding displacement) and dependents friction on position (hysteresis of friction) (fig. 1).

The above model is too idealistic due to the discontinuity in zero velocity point. This discontinuity apart from the lack of physical representation introduces difficulties during numeri-cal calculations. This simplification also does not allow us to show sudden changing of friction action direction. To avoid this limitation, very little but finite area of velocity in the nearest vicinity of the zero was introduced. This area determines the linear dependents between velocity and friction (fig. 2). The coefficient of the proportionality is the quotient of the static friction Ts and threshold velocity wth.

It was experimentally proven, that adopting the value of threshold velocity from the range of 10-3 to 10-5 ensures the compromise between accuracy and computational effective-ness. Friction torque calculated using the above model does not suppress thoroughly the movement of a driven object, but below threshold velocity causes it to crawl. After introducing the transition area, the static friction model takes the follo-wing form [3]:

( )

( )( ) ( )( )( ) ( )

sgn :

sgn:

w

w

f

cc brk c th

cth c brk c

thth

T w

T T T e f w

f T T T ew

ω

ω

ω ω ω

ω ωω ω

ω

−

−

=

+ − + ≥= + + −

≥

(2)

Fig. 1. Static, discontinuous model of frictionRys. 1. Statyczny, nieciągły model tarcia

Fig. 2. Static, continuous model of frictionRys. 2. Statyczny, ciągły model tarcia

122

NAukA

The above models do not describe friction dependency on microsliding displacements [4]. It means that in the zero ve-locity point the friction may not be equal to the zero, and its value may vary in a wide range. Therefore two different areas of friction are taken into account [5]: displacements before sliding movement – presliding regime – BL, in which the friction is a function of displacement and displacement in a sliding phase – gross sliding regime – EHL, in which the friction is a function of velocity. These issues needed the dynamic adaptation of the friction model to the situation. Therefore, in response to these needs, a wide range of dyna-mic models were developed such as: Dahl model, Bristle mo-del, Reset integrator, Bliman and Sorine model, Lubricated Contacts model [6]. The most frequently used dynamic fric-tion model is the LuGre model [7]. It describes the structu-re of contacting surfaces using elastic bristles, which repre-sents points of rough surfaces contacting each other (fig. 3).

( ) ( ) ( )( )( )

( )( )( )/ 1,

ajs

e j jq qa BLfj j j jT T e c q

δ υδυ− −= + (6)

The equation consists of two parts determining the val-ue of friction in the BL area (before the summation sign) and viscotic friction in the EHL area and the way of tran-sition between static to the dynamic friction, called the Stribeck effect. The model contains five unknown param-eters; the asperity friction torque Tj

(a, BL), the Stribeck ve-locity ( )s

jq , the Stribeck velocity Power ( )ajδ , the viscous

friction coefficient ( )υjc and viscous friction power ( )υδ j . The

parameters ( )ajδ , ( )υδ j and ( )s

jq depend on the configura-tion of the friction contacts and there are constant values. The parameter ( )υ

jc depends on the lubricant viscosity and as a result, it depends on the temperature. However, the model in that shape is the discontinuous function, not de-scribing clearly the behavior of the cooperating machine’s parts in the case of zero velocity. It has importance due to the possibility of using the model while changing the direc-tion of movement. Therefore further development was pro-posed. It was solved by introducing inverse tangent function, which smoothes the area of friction transition through the zero velocity (7).

( ) ( ) ( ) ( )qTqcT fKfj arctan2,

π= (7)

Parameter c was used in order to scale the area of changing direction of velocity. Thus, if the changes have to concern the nearest vicinity of the zero it is usually ta-ken the value from the range of –10–4 rad/s to 10–4 rad/s.In order to obtain this value, the parameter c has to be equal to 106.

2.2. Dynamical friction modelFor the aim of simulating the influence of friction phenome-non on the robot behavior, the LuGre friction model was used [7]. Block diagram of the model shows the fig. 4.

Fig. 3. Dynamic, continuous friction model using bristlesRys. 3. Dynamiczny, ciągły model tarcia LuGre

LuGre friction model is expressed using the following equ-ations:

0 1 2fdzT zdt

σ σ σ ω= + + (3)

( )dz zdt g

ωωω

= −

(4)

where z is the average deviation of asperities, s0 is the stiff-ness and s1 is the damping coefficient, s2 is the viscous damping coefficient whereas the Stribeck effect describes the following equation:

( ) ( )2

0

−

−+= seTTTg cscωω

ωσ (5)

The LuGre model allows mathematical description inter alia such a phenomenon as friction hysteresis, frictional lag, presliding displacement and stick-slip behavior.

2. Modeling of the driving system

2.1. Static friction modelFor the practical reason of stimulating the loading conditions in robot joints it is enough to use the static friction model. Often its application allows for effective realization aims – for example compensation of friction influence on accuracy of positioning. In the paper, the static model friction was used, which modifies common static friction models in a way that allows for better replication of friction characteristics in a robot joint for the whole range of rotational velocity (6) [8].

Fig. 4. Block diagram of the dynamical LuGre friction modelRys. 4. Schemat blokowy dynamicznego modelu tarcia LuGre

During simulations identical values of parameters like in [7] were used (tab. 1).

In order to verify the prepared model the simulation of the formation of friction hysteresis phenomena under the influence of oscillatory force was performed (fig. 5). Ampli-


tude of friction were ±1.425 N, ±1.3 N, ±1 N, whereas fre-quency of oscillations was 1 Hz, 10 Hz, 25 Hz respectively.

Obtained results were consistent with the literature data.

Tab. 1. The values of the dynamical LuGre friction model parame-ters [7]

Tab. 1. Wartości parametrów dynamicznego modelu tarcia LuGre [7]

Table of data

s0 1∙10–5 N/m

s1 1∙10–10 Ns/m

s2 0.4 Ns/m

Ts 1.5 N

Tc 1 N

ws 0.001 m/s

Fig. 5. Hysteresis of friction in presliding regimeRys. 5. Histerezy tarcia w obszarze przedślizgowym

2.3. Model of the driving system in the third robot joint

In order to obtain clear results of simulations, the ideal sour-ce of movement was used. Thanks to this, the calculated dri-ving torque of the motor did not contain the effect of noise influence and effect of time delay of the control system. Dri-ving joint contained the model of mechanical gears with ideal ratio equal to n3 = 100 (fig. 6). The model of the joint con-tains static and dynamic friction models. The friction was connected directly with the motor’s shaft before mechani-

Fig. 6. Input-output block diagram of the robot driving system in third joint

Rys. 6. Schemat blokowy wejścia-wyjścia systemu napędowego ro-bota w przegubie trzecim

cal gear. It contributed to the correct way of damping both movements of the motor’s shaft and the robot arm.

The motor’s shaft was connected also with reduced ge-ar’s and motor’s rotor mass moment of inertia. Thus, the input-output equation for the whole driving system takes the following form:

( ) ARMfgearideal TTJTn ,3,33,3,33 =−− ϕ (8)

Based on the block diagram of the control system (fig. 6) and equation (8) the numerical model of the robot driving system in the third joint was performed (fig. 7).

The model contains masses, mass moments of inertia and a position of mass center of gravity of robot arms and ge-ars and the motor’s rotor also. During simulations the valu-es of all above data are assumed to be unknown. It results from the necessity of realistic projections of the measure-ment process in reality.

Fig. 7. Numerical model of the third robot joint contains the friction model, mechanical gears model, robot arms and reference signal system and ideal source of movement

Rys. 7. Model numeryczny przegubu trzeciego zawierający model tarcia, model przekładni mechanicznych, człony robota oraz system sygnału zadanego i idealne źródło ruchu

Fig. 8. Numerical model of mechanical gears in the third robot jo-int

Rys. 8. Model numeryczny przekładni mechanicznej w przegubie trzecim robota

124

NAukA

were performed. Phenomenological model of the investigated robot and designation of its kinematic and dynamic para-meters shows fig. 10.

Because the mass of all robot arms and their mass centers of gravity are unknown in reality, the representation of the-ir surrogate values was assumed in that form, which ensu-res obtaining identical values of calculated torque with me-asured driving torque.

( )3,

33 3 3cos

QARMREPL

REPL c

Tm

n g r q=

⋅ ⋅ ⋅ (12)

where n3 is the value of mechanical gears ratio, QARMT ,3 is

the value of gravitational torque, cq3 is the angular position of real and surrogate mass center of gravity of robot arms, whereas REPLr3 describes distance between the surrogate mass center of gravity and the third robot axis. The value of gravitational torque Q

ARMT ,3 and angular position of sur-rogate mass center of gravity had to be determined based on its measurement. The values REPLr3 had to be chosen arbi-trarily. Difficulties in application of this equation results from the necessity of performing very accurate measurements and obtaining the full transmission of gravity force onto the motor’s shaft. It allows determining the correct value of the gravitational torque Q

ARMT ,3 .

3.2. Determination of angular position of the mass center of gravity of robot arms

In order to determine the angular position of robot arms mass center of gravity the movement of last four robot arms was performed around the third robot axis with low rotatio-nal velocity. While moving the third arms, its angular posi-tion 3q , rotational velocity of motor’s shaft 3ϕ and value of driving torque were measured (fig. 11).

The movement was performed in the way that ensured transition of the mass center of gravity through the point of maximum arm of gravity torque. It corresponds to the hori-zontal position of mass center of gravity relative to the third robot axis (fig. 12).

In uniform motion the viscous friction torque takes a con-stant value, whereas changing arm of gravity force acting generates varying value of driving torque. In that way the rough value angular position cq3 , where the maximum mo-tor’s load max

,3 idealT existed was determined (fig. 13).The rough value of angular position of the mass center

of gravity equals to:

Fig. 9. Investigated object FANUC AM100iB robotRys. 9. Badany obiekt robot FANUC AM100iB

3. Friction measurement technique

The investigated subject was the industrial robot FANUC AM100iB. Measured dynamic parameters were the total mass of last four robot arms m3, the position of its common mass center of gravity r3,x, r3,y, r3,z and the viscous friction characteristics in the third robot joint. Simulation of robot states based on using the inverse dynamic in order to deter-mine the values of driving torques after setting kinematic parameters of the robot movement (fig. 9).

Fig. 10. Phenomenological model of the investigated robot and de-signation of its kinematic and dynamic parameters

Rys. 10. Model fenomenologiczny robota oraz oznaczenia jego ki-nematycznych i dynamicznych parametrów

To determine the viscous friction characteristic its value had to be extracted from the total, measured driving torque of a motor. This aim leads us to the situation in which the total motor’s torque depended on two factors. One of the-se was reduced torque of gravity force, whereas the second one was viscotic friction torque. This state existed during uniform motion of the driven joint. Then resistive torque of movement, acting on driven arm resulted only from the for-ce of gravity:

( )3, 3 3 3 3cos cARMT m g r q q= ⋅ ⋅ ⋅ + (9)

where cq3 is the constant angular position of the common mass center of gravity for all driven arms in relation to the third robot axis, q3 is the angular position of the third robot arms. Input-output equation of the whole driving system takes the form:

( ) ( )333,3,33 cos qrgmTTn fideal ⋅⋅⋅=− (10)

Hence the relationship for the value of viscous friction:

( )3 3 3

3, 3,3

cosf ideal

m g r qT T

n⋅ ⋅ ⋅

= −

(11)

Because in the equation (11) both the mass driven arms and position of their common mass center of gravity r3 are unknown, therefore their surrogate values were determined.

3.1. Representation of a mass and position of mass center of gravity of robot arms using surrogate values

For the aim of determining surrogate values of the mass and surrogate values of mass center of gravity of robot arms the simulations of measurements loading in the third robot joint


Fig. 12. Available range of robot arms motion and angular position of mass center of gravity

Rys. 12. Dostępny zakres ruchowy robota oraz położenie środka ciężkości ostatnich czterech ramion

Fig. 13. Rough determination of angular position of the maximum motor’s load existence

Rys. 13. Zgrubne określenie wartości kąta występowania maksy-malnego obciążenia silnika

Fig. 14. Very precisely determined angle of the maximum motor’s load existence

Rys. 14. Precyzyjne wyznaczenie kąta występowania maksymal-nego obciążenia

3 22 0.383 radcq = − ° =

In the subsequent step the very precise movement in the nearest vicinity of the previously determined angle was per-formed. In that way the very precise angle of maximum mo-tor load existence was determined (fig. 14).

Fig. 15. Hysteresis friction in third robot jointRys. 15. Histereza tarcia w przegubie trzecim robota

Fig. 11. Kinematic and dynamic parameters of rough movementRys. 11. Parametry kinematyczne oraz dynamiczne przejazdu

zgrubnego

The precise value of angular position of the mass center of gravity equals to:

3 22.23187 0.38801 radcq = − ° =

3.3. Analysis of transition the value of gravitational torque onto the motor’s shaft

The measured value of the motor’s maximum load consi-sted of the reduced gravitational torque and viscous fric-tion torque:

3

,3,3

max,3 n

TTT ARM

fideal +=

(13)

To determine the value of reduced gravitational torque, it had to be lead to such a state, in which the friction T3,f did not affect the driving torque of the motor. It means that

126

NAukA

the full transition of gravity force onto the motor’s shaft had to be obtained. According to the static friction models, this situation exists in zero velocity point. But these kinds of models do not describe dynamical friction behaviors in a re-alistic way in the presliding regime of friction [7]. Therefore, for the purpose of determining the value of driven arms mass, the analysis of dynamical friction phenomenon influence on driving torque in zero velocity point was performed. Exper-iments rely on the introduction of the robot joint into the angular vibration, relative to the previously determined an-gular position of existence the maximum motor’s load cq3 . During the vibrating movements, the measurements of kine-matic and dynamic parameters of robot arms and motor were performed. Joint movement of the oscillation was driven by the torque, its value depends on angular micro-positions of the arm. The effect of this dependency results from the phe-nomena of friction hysteresis and presliding displacements. As a result of the experiment the hysteresis plot of friction in the third robot joint was obtained (fig. 15). The hyster-esis of friction asperities position and robot arms position (fig. 16) and the hysteresis of velocity of asperities and robot arm position (fig. 17) was also obtained.

Based on plots of hysteresis of position and velocity of asperities, characteristic points of oscillatory movement were determined. Those points correspond to the values of driving torque, read from the hysteresis friction plot. Values of dri-ving torques obtained based on dynamical analysis were used to calculate the set of surrogate masses of robot arms tab. 2.

The value of surrogate distance of mass center of gravity was selected arbitrarily as:

mm5003 =REPLr

For the purpose of final selection of the correct surrogate mass, the set of viscous friction characteristics were prepa-red and compared together. All values were calculated ba-sed on (11), which was supplemented with successive valu-es of surrogate masses.

3.4. Determination of viscous friction characteristic in third robot joint

Viscous friction characteristics show dependence between the resistive torque of movement and motor’s rotor veloci-ty. Determination of viscous friction characteristics relied on repeatedly moving the set of the last four robot arms with increasing velocity. During each movement cycle the measu-rement of driving torque was performed at the time when the constant velocity was obtained. In the uniform move-ment, the values of driven torques are equal to the sum of viscous friction and reduced torques of gravitational for-ces. Determining surrogate masses allowed extraction of the gravitational torque from the total driving torque. For this purpose, during reading values of driving torque the angu-lar position of robot arm were performed. Increased valu-es of rotational velocities, the subsequent values of viscotic

Fig. 16. Hysteresis of friction asperities position z(t) and robot arms position

Rys. 16. Histereza położenia chropowatości z(t) w stosunku do po-łożenia kątowego ramienia

Fig. 17. Hysteresis of velocity of asperities z’(t) and robot arm po-sition

Rys. 17. Histereza prędkości chropowatości z’(t) w stosunku do po-łożenia kątowego ramienia

Tab. 2. Selected values of driving torques and surrogate masses correspond to them

Tab. 2. Wybrane wartości momentów napędowych oraz odpowia-dające im wartości mas zastępczych

Table of data

T3,dA = 3.924 Nm m3REPLA = 79.999 kg

T3,dB = 3.866 Nm m3REPLB = 78.811 kg

T3,dC = 4.759 Nm m3REPLC = 97.023 kg

T3,dD = 2.993 Nm m3REPLD = 61.009 kg

T3,dE = 3.703 Nm m3REPLE = 75.494 kg

T3,dF = 4.061 Nm m3REPLF = 82.785 kg

Fig. 18. Viscous friction characteristicsRys. 18. Charakterystyki tarcia wiskotycznego


friction were calculated based on (11). After collecting all measured values of the motor’s velocity and corresponding to them values of viscous friction onto one plot, the whole friction characteristics were determined (fig. 18). During uni-form movement, the inertia torques do not appear, therefore it was not taken into account. Angular positions of the last three robot arms were constant. It also eliminated the influ-ence of other types of forces.

Characteristics obtained in that way were compared with friction characteristics calculated analytically (fig. 19). Quality assessment of the viscous friction characteristic re-plication was performed based on the difference between pat-tern analytical characteristic and determined characteristics of friction. The difference was shown as a percentage of the total driving torque (fig. 20).

Based on the assessment of the error between charac-teristics, the choice of correct values of surrogate mass was performed as m3

REPL = 78.811 kg which correspond to the driving torque equal to T3,d = 3.866 Nm. Angular position of

the surrogate mass of gravity equals to the angular position determined during precise movement and less of the value corresponding to that position, in which the above driving torque was selected (fig. 22).

33,

3 qqq CfC −= (14)

4. Conclusion

The obtained results allow us to determine the correct method while performing measurements of the angular posi-tion of the mass center of gravity of all driven robot arms and measurements driving torque, comes only from gravita-tional force. Quality assessment of a viscous friction characte-ristic replication informs that the measurement of the driving torque coming from gravity force should be performed while dropping the robot arms down during micro-oscillation move-ments. Additionally the measurement falls at the moment in which the value of asperities z(t) equals to the zero. Thus, it

Fig. 19. Viscous friction characteristicsRys. 19. Charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 20. Quality assessment of the viscous friction characteristic replication

Rys. 20. Ocena jakości odwzorowania analitycznie wyznaczonej charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 21. Selected viscous friction characteristicRys. 21. Wybrane charakterystyki tarcia wiskotycznego

Fig. 22. The choice of the correct value of driving torque and an-gular position of mass center of gravity

Rys. 22. Wybór właściwego momentu napędowego silnika oraz położenia kątowego ramienia

128

NAukA

can be considered, that after determining hysteresis of fric-tion of the real object the driving torque should be measured in the time when asperities changes their position. Existen-ce of zero asperities position should be determined based on hysteresis of friction asperities position z(t) and robot arms position. However, this approach might be difficult to do because of technical limitations. Therefore, for future expe-riments it is suggested to prepare a method for determining values of all parameters based only on friction hysteresis. The advantage of the proposed approach is not using any a prio-ri knowledge and getting the possibility to investigate the dynamic friction phenomenon with full dependence on the robot arms’ kinematic and dynamic parameters.

Bibliography

1. Sjoberg J., Zhang Q., Ljung L., Benveniste A., Deglon B., Glorennec P.Y., Hjalmarsson H., Juditsky A., Nonlinear Black-box modeling in system identyfication: a unified overwiew, “Automatica”, 31, 1995, No. 12, 1691–1724.

2. Canudas de C.C., Olsson, H., Aström K.J., Lischinsky P., A New Model for Control of Systems with Friction, “IEEE Transaction on Automatic Control”, 40, 1995, No. 3, 419–425.

3. Armstrong B., Canudas de Wit C., Friction Modeling and Compensation, The Control Handbook, CRC Press, 1995.

4. Armstrong B., Dupont P., Canudas de Wit C., A survey of models, analysis tools and compensation methods for the control of machines with friction, “Automatica”, 30, 1994, No. 7, 1083–1138.

5. Swevers J., Al-Bender F., Ganseman C. G., Prajogo T., An integrated friction model structure with impro-ved presliding behavior for accurate friction compensa-tion, “IEEE Transaction on Automatic Control”, 45, 2000, No. 4, 675–686.

6. Olsson H., Aström K. J., Canudas de Wit C., Gäfvert M., Lischinsky P., Friction Models and Friction compen-sation, “European Journal of Control”, 1998, No. 4, 176–195.

7. Canudas de Wit C., Olsson H., Aström K.J., Lischin-sky P., A new model for control of systems with fric-tion, “IEEE Transaction on Automatic Control”, 40, 1995, No. 3, 419–425.

8. Waiboer R.R., Aarts R.G.K.M., Jonker J.B., Velocity dependence of joint friction in robotic manipulators with gear transmissions, [in:] ECCOMAS Thematic Confe-rence Multibody Dynamics, Advances in Computational Multibody Dynamics, 2005, 1–19.

Metoda pomiaru tarcia wiskotycznego w przegubie robota przemysłowego

z zastosowaniem masy zastępczej

Streszczenie: Identyfikacja parametrów dynamicznych robota przemysłowego wymaga stosowania złożonych procedur pomia-rowych oraz obliczeniowych. Proces identyfikacji w ogólnej posta-ci sprowadza się do opracowania modelu matematycznego, któ-ry opisuje badany obiekt w sposób ogólny a następie wyznacza-ne są wartości parametrów tego modelu. W tym celu swoje za-stosowanie znajdują różne techniki estymacji, które pozwalają na

Prof. Jerzy Świder, PhD, DSc (Eng.)

He received a PhD degree in 1981 from the Silesian University of Technology, DSc degree in 1992 and became a full professor in 2000. He is actually a head of the Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems and Director of the Congress – Education Center. His scientific interests are mechanics, mechatronics, processes automa-tion, robotics and CAD/CAM systems. He is the author of numerous home and international publications in the field of robotics, mechanics, mechatronics, machine design and operation.e-mail: [email protected]

Adrian Zbilski, MSc Eng.

PhD student at Silesian University of Technology. Born in1984. Scientific Career: on September 2008 received Msc Eng. degree at Institute of Engi-neering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems of Faculty Of Mechanical Engineering at Silesian University of Technology. Since November 2008 starts working as the PhD student at Silesian University of Technology on energy consumption of automated machines.e-mail: [email protected]

wyznaczenie parametrów modelu w taki sposób, aby wyniki dzia-łania modelu jak najbardziej zgadzały się z wynikami rzeczywi-stych pomiarów. Powszechnie stosowaną metodą estymacji jest Metoda Najmniejszych Kwadratów. Podczas stosowania tej tech-niki dynamiczny model robota reorganizowany jest do postaci li-niowej. Wówczas wszystkie identyfikowane parametry zestawiane są w jednej macierzy. Umożliwia to zastosowanie algorytmu jed-nocześnie estymującego wartości wszystkich parametrów. Jest to często proces złożony i czasochłonny ze względu na dużą licz-bę pomiarów oraz dużą liczbę parametrów branych pod uwagę. Utrudnia to także badanie dynamicznych zjawisk tarcia w prze-gubach robota. Autorzy pracy proponują podejście upraszczają-ce proces identyfikacji parametrów dynamicznych robota przez zastosowanie zastępczej masy unoszonych ramion. Wprowadze-nie masy zastępczej pozwoli na wyznaczenie charakterystyki tar-cia w sposób niezależny od grawitacji i kierunku ruchu a także na obniżenie liczby jednocześnie identyfikowanych parametrów dyna-micznych. W celu określenia technicznych możliwości wdrożenia proponowanego podejścia, autorzy przeprowadzili analizę teore-tyczną wpływu histerezy tarcia statycznego w przegubie robota na jakość pomiarów. Analizę teoretyczną poparto symulacjami kom-puterowymi. Podejście to pozwoli także na uniknięcie konieczności stosowania wiedzy a priori.

Słowa kluczowe: tarcie wiskotyczne, pomiar, identyfikacja, prze-gub robota, symulacja


The definition of procedural knowledge in distributed mechatronic systems

Jerzy Świder, Mariusz HetmańczykFaculty of Mechanical Engineering, The Silesian University of Technology

Abstract: The article describes software features of integrated con-trol and diagnostic blocks dedicated to the ProfiBus DP network, in relation to the definition of the procedural knowledge enabling a dia-gnostic inference. Control and diagnostic blocks have been deve-loped in order to an application in the distributed drives system, where amount of work connected with programming exceed skills of the average class programmer. The paper presents description of integrated control and diagnostic functions developed by the authors, internal structures of diagnostic functions that automati-cally detect faults of supervised units (MASTER or SLAVE of the ProfiBus network).

Keywords: diagnostic inference, procedural knowledge, distributed systems

1. Introduction

A maintenance of a failure-free operation of distributed mechatronic systems belongs to the very complex engine-ering tasks, containing all elements of the activities carried out in centralized systems, including: ensuring a continuity of work, providing of operational safety, rapid detection of errors and their sources, etc.

The definition of the useful procedural knowledge can be based on high order languages and PC computers [1]. The significant development of mechatronic devices allows for partial transfer of responsibility for the aggregation of knowledge on the elements of mechatronics (microproces-sors of mechatronic devices).

2. An acquisition and a distribution of data based on Programmable Logic Controllers with fast processors

The implementation of control algorithms recorded in advanced Programmable Logic Controllers allows to force certain operating conditions that cause the occurrence of the corresponding diagnostic premises, during the realiza-tion of a active diagnostic experiment.

The combination of the declarative knowledge contained in the advisory system allows for comprehensive diagnosis of the problem of distributed systems, maintenance plan-ning and prediction of future states, assuming the exchange of data via industrial bus networks.

Consideration of the problem connected with an integra-tion of the control functionality of an industrial facility and its diagnosis is a matter of an automation, a construction and a operation of machines and a metrology.

Through the developed standards (IEC 61158, IEC61784) all units included in each configuration can be divided into classes, according to the following scheme:– DP MASTER class 1 (DPM1) – in the form of a Pro-

grammable Logic Controller,– DP MASTER class 2 (DPM2) – all the units used for

programming, diagnostics and configuration of ne-twork elements,

– DP SLAVE class A – industrial sensors or actuators with the ProfiBus interface.For the problem under consideration the whole struc-

ture of the data acquisition is based on dedicated software blocks, divided by types, characterized in terms of perfor-ming functions.

Fig. 1. Variations of the ProfiBus network topology: a) line (a Multi-MASTER type), b) ring, c) line (Mono-MASTER type)

Rys. 1. Odmiany topologii sieci ProfiBus, topologia: a) magistral-na (w układzie Muli-MASTER ), b) pierścieniowa, c) ma-gistralna (typ Mono-MASTER )

130

NAukA

Developed parametric blocks, allow to simplification of the programming stage of distributed drive system, and additionally, can extend the functionality of the program for ProfiBus network diagnostics and system units.

All blocks have been developed as elements characte-rized by a universal nature (PLC programming environ-ments, a compliance with the standard IEC 61131 syn-tax). Authors assumed a universality of an implementation in different PLC environments and at the level of an appli-cation of the SLAVE units, with different functions of ope-ration (i.e. the number of input and output parameters).

The basic factors that connect all the supported devi-ces are:– data exchange via the ProfiBus DP network (hardware

network interface),– a network Configuration MASTER – n × SLAVE type

(Multi-MASTER configuration type has not been ve-rified, but the convention of the algorithm syntax con-struction does not exclude such a system configuration).Simplified configuration of the one program line is pre-

sented in fig. 2. Correct operation of data processing of defined algorithm requires remaining unchanged syntax.

Except of the proposed implementation of an indivi-dual program row, authors minimized the possibility of a configuration error by introducing the standard array data types DUT (Data Unit Types), which are useful at the stage of building the algorithmic structure of the inte-grated system of diagnostics and control.

Basic assumptions of the method can be characterized in several main groups, which include several points:– each SLAVE station is identified by the ordinal number

in the network,– a proper operation requires the use of three ba-

sic blocks,– additional features (additional diagnosis of unit, alarms

control, etc.) needs to be expanded by additional func-tion blocks,

– it is possible to program the system without the know-ledge of the network structure and the whole system (part of the block is universal and can be used to a de-finition of the algorithm for the operation of any type of SLAVE units, appropriate control blocks have been developed to meet the individual requirements of selec-ted units and have a narrow or a complete lack of uni-versality of an application).Configuration of DUT tables requires placing the pro-

gram block, and then fulfillment the standard DUT ta-bles. Thus avoiding the mistakes in the phase of an type assignation of the considered variable which reduces se-tup time of the system. The following assumptions have been adopted:

– variables are divided into two groups (input and out-put variables),

– the order numbers are counted from the top, while the EN entrance and the ENO output are indexed with zero marker,

– types of arrays have been developed for all the blocks for control and diagnostic purposes of distributed dri-ves,

– types of variables contained in DUT tables with appro-priate serial numbers correspond to the types of varia-bles assigned to the blocks.

Fig. 2. A simplified view of the organization of a single program lineRys. 2. Uproszczony widok składni pojedynczej linii programu

Fig. 3. Adopted implementation manner of DUT tables on the exam-ple of the universal diagnostic block of the SLAVE unit

Rys. 3. Zaimplementowana metoda tablic DUT, na przykładzie uniwersalnego bloku diagnostycznego jednostki SLAVE

Fig. 4. The structure of modular blocks, where: LPAR – the number of parameters, ZPAR – the content parameters, TBlk – block type, ASK_ST – the internal structure of the algorithm, LFUN – the number of functions

Rys. 4. Struktura bloków modułowych, gdzie: LPAR – liczba parame-trów, ZPAR – zawartość parametrów, TBlk – typ bloku, ASK_ST

– wewnętrzna struktura algorytmu, LFUN – liczba funkcji

As an example of a parametric block with the modular structure the universal block of the SLAVE unit has been chosen. An internal structure of described block is compo-sed of two basic functional components:– a set of variables,– an internal algorithm (i.e. program functions with at-

tributes taken from the set of parameters).The length of a set of parameters depends on the type

of block, while internal values are assigned dynamically, depending on the ordinal number. The processing of inter-nal data of parametric block is divided into steps (fig. 4):I – the identification of the basic parameters (number and addresses stored in variables),II – the transfer of ordered data cluster and the execution of the internal algorithm,


III – returning to the module which identifying the basic parameters, with simultaneously checking of the content of the ordinal number.

The ordinal number of units is an equivalent of an iden-tification number, but it is not always consistent with the numerical value of the network address. The concept of or-dinal number On has been defined with the following as-sumptions [2, 3]:

On Î < 1, 125 > (1)

On Î SADDR (2)

$Kf(On) Î Kfdop: On ¹ APRF_VAL (3)

where: On – the ordinal number, SADDR – a set of numeric network addresses of individual units, Kf(On) – the pro-gram line configuration as a function of the ordinal num-ber On, Kfdop – a set of allowable configurations, APRF_VAL – the network address.

Condition 1 defines the number of network units, while the ordinal number is included in the set of network addresses (the relationship No 2). Condition 3 implies the possibility of any allocation of SLAVE network addresses. The maximum value of the ordinal number defines number of units in the configured system. The authors have identified three possible network configurations [3], the principle of an interpretation of the serial number defined in fig. 5.

Utilization of the described block enables an identification and programming of SLAVEs units without knowing the structure of the monitored system. The procedure of an identification of the SLAVE type unit comprises the following steps:

– the introduction of the universal block and configuration of all inputs and outputs (steps are simplified through the application of defined DUT tables),

– compilation and sending the program to a PLC con-troller,

– launching of the internal variables preview, which allows to the identification of a SLAVE unit on the basis of the number of words assigned to the parameters of I/Os.List of parameters identifying the type of SLAVE units

can be made by any concept, but the identification must be unambiguous and based on a set of individual parame-ters assigned to the unit, which can be defined as an orde-red four:

Fint _ SLV =<APRF _VAL,On, LSL _Wej ,LSL _Wyj> (4)

where: LSL_Wej – the number of input words, LSL_Wyj – number of output words.

On the basis of the interpretation of the contents of the Fint_SLV set it is possible an identification of any SLAVE type without the knowledge of the whole structure of the system. Comparing the ordered four of a diagnostic block and the configuration parameters it is easy to shown that the identification is correct, only if:

<APRF_VAL, On, L SL_Wej, LSL_Wyj > = <APRF_VAL_konf, On_konf , LSL_Wej_konf, LSL_Wyj_konf > Þ

APRF_VAL = APRF_VAL_konf Ù On = On_konf Ù LSL_Wej = L SL_Wej_konf Ù LSL_Wyj = LSL_Wej_konf

The need of a definition of interpretation rules relating to the type of unit results from the lack of a application universality of an appropriate diagnostic and control blocks.

Dual addressing errors which resulted in a two equal determinants sets, are detected by the universal diagnostic block and the diagnostic block of a MASTER station module.

In case of considered system configuration which performed a check of correctness of the data interpretation by internal algorithms, the following configurations were considered:– ordered according to a upward trend – the addresses de-

finition of step equals 1 and assumption On=AA_VAL,– ordered according to a upward trend – the definition of

addresses with a variable step (random omission of sta-tion addresses or reservation),

– random assignment of stations addresses (including re-served stations), in accordance with the condition spe-cified by the formula:

($ Kf ((On) Î KKfdop: On ¹APRF_VAL) Ù ($ Kf ((On) Î KKfdop: On =APRF_VAL) (5)

The main problem is still the possibility of making a inappropriate configuration of single line of the control algorithm, which leads to a fault, in the form:– improper formation of a set of control words: inconsi-

stent number of input and output words,– erroneous assignment of bits or values, – incompatible content in relation to the words number,– lack of correct performance of a complex algorithm of

the drives system.

Fig. 5. Schematic interpretation of the ordinal number of the sys-tem: a) On=AA_VAL and stations ordered according to a up-ward trend (step equal 1), b) with reservation of address-es numbers, c) On≠AA_VAL and stations arranged arbitrarily

Rys. 5. Schematyczna interpretacja liczby porządkowej w roz-ważanym systemie: a) On=AA_VAL stacje uporządkowane zgodnie z trendem rosnącym (krok równy 1), b) z rezerwa-cją numerów adresów, c) On≠AA_VAL oraz stacje uporząd-kowane w sposób losowy

132

NAukA

The described implementation recorded in ST language are shown in fig. 6.

Visible is the set of parameters taken each time from the global memory area (direct reference to the cluster data, a clear definition of the memory area independent on the type and the address assigned by the user variable).

3. Świder J., Hetmańczyk M., The computer integrated system of control and diagnosis of distributed drives, 2011, Silesian Technical University Publishing (in Polish).

4. Świder J., Michalski P., Diagnostic aid system for AS-Interface industrial networks, 2008, Silesian Technical University Publishing (in Polish).

Definicja wiedzy proceduralnej w rozproszonych systemach mechatronicznych

Streszczenie: W artykule przedstawiono cechy programowe zin-tegrowanych bloków diagnostycznych i sterujących dedykowa-nych sieci ProfiBus DP, w odniesieniu do definicji wiedzy proce-duralnej umożliwiającej wnioskowanie diagnostyczne. Bloki dia-gnostyczne i sterujące zostały opracowane pod kątem aplika-cji w systemach napędów rozproszonych, w których ilość pracy związanej z wykonaniem struktury algorytmu sterującego prze-kracza możliwości przeciętnego programisty. Artykuł prezentuje opis zintegrowanych bloków diagnostycznych i sterujących, opra-cowanych przez autorów, oraz składnię funkcji diagnostycznych służących celom automatycznej detekcji błędów obsługiwanych jednostek (stacji MASTER lub SLAVE, sieci ProfiBus DP).

Słowa kluczowe: wnioskowanie diagnostyczne, wiedza proce-duralna, systemy rozproszone

Prof. Jerzy Świder, PhD, DSc (Eng.)

He received an PhD degree in 1981 from the Silesian University of Technology, DSc. degree in 1992 and became a full professor in 2000. He is actually a head of the Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems and director of the Congress – Education Center. His scientific interests are mechanics, mechatronics, processes automation, robotics and CAD/CAM systems. He is the author of numerous home and international publications in the field of robotics, mechanics, mechatronics, machine design and operation.e-mail: [email protected]

Mariusz Hetmańczyk, PhD

He received an PhD degree in 2011 from the Silesian University of Technology. He is actually a researchworker of the Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems. His scientific interests are automatic control and engineering, mechatronics, industrial diagnostics, states prediction based on graph methods, MEMS technology. He is the author of numerous publications connected with computer aided diagnosis and prognosis of distributed mechatronic systems.e-mail: [email protected]

Fig. 6. The algorithm stored in ST language, with respect to the assumptions

Rys. 6. Algorytm zapisany w języku ST, zgodny z przedstawio-nymi założeniami

The presented notation is simple in the form and easy to read, but has a significant advantage in the form of the impossibility of making a mistake in the phase of a memory identification, which stores the values corresponding to the control and diagnostics of SLAVE units with the appropriate defined order number (network address).

3. Conclusions

In the study on usefulness procedural knowledge carriers has been defined the main drawback of distributed sys-tems. Despite the diagnostic capabilities of individual SLAVE units, in certain specific cases, exist some pro-blems of restoring the system to the state of a proper-ly work. Occurrence of some errors that have been clas-sified as complex, makes it necessary to re-configure the internal parameters of SLAVE units and their modifica-tion. Described action is possible only through the use of individual diagnostic socket of each station. Prioritizing of the system and the reference to the individual address assigned to the configuration of the ProfiBus network set-tings, ensures error-free data acquisition [4].

Bibliography

1. Świder J., Hetmańczyk M., Computer aided diagnosis of frequency inverter states, “Problems of Working Machines”, Vol. 33, 2009, 57–66.

2. Świder J., Hetmańczyk M., Adaptation of the expert system in diagnosis of the connection of the PLC user interface system and field level, “Solid State Phenomena”, Vol. 164, 2010, 201–206.


Comparative analysis of exoskeletal actuatorsGrzegorz Redlarski, Krzysztof Blecharz, Mariusz Dąbkowski,

Aleksander Pałkowski, Piotr M. Tojza

Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology

Abstract: Since the beginning of the development of exoskeletons in the early 1960s there was a constant need for improving their actuators technology. Requirements for high power and torque for the lower body and very high precision for the hand motion, while maintaining the flexibility of biological muscles, are still not fully satisfied. The problem lies not just in the lack of appropriate actu-ator technology, but also in the inability to meet their energy needs. This paper contributes to this problem, first by describing the most commonly used technologies and then by presenting simulation results for lower limb exoskeleton motion. In addition the energy requirements of the modeled devices and their control possibilities along with their usage in various parts of the exoskeleton construc-tion are analyzed.

Keywords: exoskeleton, artificial muscle, actuator, energy source, modeling

1. Introduction

Currently, exoskeletons are one of the most advanced bran-ches of mechatronics. The essence of these systems is gene-rally to support the processes of human movement through the use of technologically advanced equipment and tech-nology, particularly in the field of prosthetics. These devi-ces through a set of sensors – typically used in electroence-phalography, or electromyography [1–3] and actuators [1, 3] lead to the construction of devices, in which the essence of movement is consistent with the will of the user, witho-ut the need for additional peripheral devices – for exam-ple, a joystick [23].

The first research on exoskeletons date back to the begin-ning of 60s in the last century. The aim of the pilot project, undertaken by the Department of Defense of The United States of America, was to create an armor that increases the strength of the user. The main barriers in the development of this concept were the technological limitations of power systems (too heavy and inefficient), sensors, structures, and actuators. However, the study of pneumatic artificial musc-le (PAM), which started in the 60’s [5] and the subsequent development of this technology (e.g. the solution presented by the Japanese company Bridgestone) gave further deve-lopment of exoskeletons. The emergence of modern and far more efficient electric motors (e.g. brushless stepping motors) additionally contributed to the development of exoskeletons.

The primary factors associated with the emergence of these disadvantages include high power consumption re-sulting from the need to obtain a high torque drive during movement of the limb, and consequently – also high ener-

gy requirements for applied actuators and control systems. Presented in [6] studies of the mechanics of the limbs move-ment show, that during human walk peak torque at the knee is 0.34 ±0.15 Nm/kgm for women and 0.32 ±0.15 Nm/kgm in the case of men. This means that, e.g., for a man weighing 80 kg and 180 cm tall, peak torque at the knee during nor-mal walk is 45 Nm.

These arguments show that the energy requirements for exoskeletons should be considered as fully significant, cur-rent and not quite properly recognized. For this reason, in this article the essence of the energy requirements of the ac-tuating device adapted for use in structures of exoskeletons responsible for assisting movement of the knee was presen-ted. The article focuses on a comparison of the two main technologies for exoskeleton limb actuators – DC brushless motors and pneumatic artificial muscles. The first part de-scribes the actuators based on electric motors, McKibben muscles as well, as shape memory materials and dielectric elastomers. Secondly the models and the results of nume-rical simulation are given. Finally, given at the end are the key conclusions and predictions resulting from the use of the examined technology in building exoskeletons.

2. Actuator technologies

2.1. Electric drivesDC motors are currently the group of most commonly used actuators in robotics. However, as drives in the structure of exoskeletons, servomotors propulsion systems with per-manent magnet are used [11–14]. There are two types of motors: synchronous AC motors and brushless DC motors. Permanent magnet motors in relation to other devices are characterized by a number of beneficial properties and cha-racteristics that are particularly important in robotics. The most important among them include a favorable torque to weight ratio, high overload capacity and the ability to deve-lop high torque when the motor shaft is stationary.

2.2. Mckibben artificial musclesArtificial McKibben muscles are an example of technology simulating real action of the elements of mechanics of living organisms that move using limbs. These devices, being powe-red by a specific medium (liquid or gas – but also latest con-ducted research focuses on chemically activated pneumatic muscles [24]) mimic the processes of contraction and relaxa-tion of muscles, causing the formation of the corresponding axial stresses. Their main advantage is high power to weight ratio and power to volume ratio – accordingly 1 W/g and 1 W/cm3 [17]. Those values are five times higher than tho-

134

NAukA

se offered by electric motors. Another advantage of artifi-cial muscles is that they can work, as so called “soft actu-ators” [18], which means a higher level of security for the user in the event of structural damage of the exoskeleton, and the low impedance of the actuator itself.

The main drawbacks of this technology, however, are dif-ficulties to accurately control the muscle work, due to the nonlinearity caused by the compressibility of the working medium and the flexibility of the coating [18]. Moreover, some control techniques [22] require the use of adaptive me-thods, while the use of compressed air as an artificial mu-scle activating factor requires an adequate supply of this medium, and this in turn requires a compressor and air handling unit, or air containers. For this reason, the men-tioned technological solution may affect the weight, sta-bility and range of the exoskeleton. However, it should be stressed that so far the pneumatic artificial muscles have been successfully applied in exoskeletons BLEEX [15] and FREFLEX [16].

2.3. Shape memory alloy artificial musclesThe search for new designs or technology implementation for exoskeletons contributed to the development of inno-vative materials, such as shape memory materials (SMA – shape memory alloys), or dielectric materials. Particularly interesting solutions in this area are achieved by SMA materials. A pioneering scientific research in this area, e.g. [20] provides promising data for the forces that may be obtained from a single artificial muscle fiber made from SMA, as well as its energy efficiency. Another advantage of SMA materials is the ability to control in a simple way the changes in the shape of the fibers, which can simplify the exoskeleton control system and to significantly affect an increase of the level of safety equipment.

3. Dielectric elastomer artificial mu-scles

It should be noted that research of the possibility to use materials of varying shape concern not only SMA but also the dielectric elastomers. Preliminary results in this field [21] show that the developed with the use of elastomers muscles are indeed efficient, but a small amount of change of length and a non-linear value of the contraction force do not yet allow their use as actuators in the major joints of the limbs. But one has to keep in mind that both the die-lectric elastomers, as well as SMA materials, are a relative-ly young technology, and so further discoveries and imple-mented technical solutions will reduce the disadvantages of these materials that occur today, particularly in relation to their use as materials for artificial muscles.

4. Modeling and simulation of human leg swing phase

4.1. Leg swing modelIn order to simulate the movement of the lower limb of man – by analogy – a model of the pendulum was used. This kind of assumption is justified because, during normal walk, the swing movement of the lower leg is like a pendu-

lum, and in addition, for most of this phase, the dynamics of the relevant portion of the limb is similar to the dyna-mics of the pendulum [8]. For this reason, the relevant part of exoskeleton can be regarded as typical physical pendu-lum, on which the driving torque t is applied which is pro-duced by the control device that includes a counteracting resistant force Fr (fig. 1).

Fig. 1. The forces acting on the exoskeleton in the lower leg sec-tion along with its dimensions

Rys. 1. Siły i moment oddziaływujące na egzoszkielet kończyny dolnej wraz z wymiarami

Equation (1) contains a mathematical description of the dynamics of the leg, as was applied in model

0 1 sgn( )I c cθ τ θ θ= − − (1)

where: I – is the inertia torque, t – driving torque, c0 – air resistance coefficient, c1 – dry friction coefficient, q – angle of inclination.

4.2. Actuator modelsIn the studied mechanical model, to produce the dri-ve torque that supports the strength of human muscles, a brushless DC motor with permanent magnets (PMSM) was used. Because of the high dynamic of the perma-nent magnet servomotor operation, the mechanical com-ponents in the presented model were assumed to be rigid. To control the motor, the field-oriented method was used [19]. This control strategy is based on the orientation of the stator current vector relative to the rotor flux, which results in forcing the values of the stator current vector component in the axes d and q and the achievement of an independent control of the electromagnetic torque and stator flux. The presumed motor performance in the first zone regulations is the result of adopting a zero value of the stator’s current component. Thus, forcing the value of the current component is in the d axis it is possi-ble to control the electromagnetic torque of the motor. Furthermore, using in the control system an additional feedback loop from the angle of the motor shaft position, gives the possibility of a quick and accurate adjustment of the angle position of the exoskeleton representing the “shank”. Selection of the PI controller parameters in the control system of the motor shaft angle position is car-ried out by a computer simulation.


Because of the many models of this type of motor with such control systems, this study used a ready model con-tained in the libraries of MATLAB/Simulink software.

Fig. 2 shows a schematic diagram of the exoskeleton’s lower limb actuated by a servomotor. Together with the motor a mechanical transmission was used.

in out gdW dW p dV FdL= ⇔ = (3)

where: g i atmp p p= − is the relative pressure equal to the difference between the absolute internal gas pressure pi and atmospheric pressure patm.

Absolute internal gas pressure pi in the case of antago-nistic muscles is equal to p0 ±Dp, where p0 is the initial internal pressure.

It follows that the function of pressure and muscle con-traction determining its axial tension force is

22 20

020

(3(1 ) cos ( ) 1)sin ( )

g

g

dVF pdLrp kπ ε αα

= =

⋅= ⋅ − ⋅ −

(4)

Symbol e is the aforementioned muscle contraction grade equal to (l0 – l)/l0, r0 is the muscle initial radius and a0 is the initial braid interweave angle. Factor k compensates for the impact of deformation of the muscle at its ends, and for the purposes of this model has a value of 1.25 [10]. Hence the final formula for the force momentum in the ankle block, resulting from the mutually opposing muscle movement, takes the form of [10]

' 21 2 1 1

1 2 22

201 02

02

02 2 3

' 01 2

0 02 20

2 020 0

( ) ( )( )

(3(1 )sin ( )

cos ( ) 1)3

( )6 (1 )

( )

p p K Kp p K

r RK k

r k RKtg lr kRK k

tg l

τ θθ

π εα

απ

απ ε

α

= − ⋅ + ⋅ −− + ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ − ⋅

⋅ − ⋅ = ⋅

⋅ = ⋅ − ⋅ (5)

where e0 is the initial muscle contraction grade.

Diagram of the developed system is shown in fig. 4.

Fig. 2. A model of an motor controlling the movement of the limbRys. 2. Model silnika sterującego ruchem kończyny

In the later, there was used a pneumatic artificial muscle model, in an antagonistic configuration, allowing the move-ment of the limb in both directions (fig. 3). Alternating

Fig. 3. Antagonistic configuration of a PAM driving the knee joint

Rys. 3. Przeciwstawna konfiguracja PAM poruszająca stawem kolanowym

contractions and relaxations of both muscles set in motion a combined block of a radius of R, which leads to an angle deflection of the lower limb. This movement is initiated by a change in pressure Dp in each muscles, causing contrac-tion or relaxation – from the initial length of l0 to the ap-propriate l1 and l2, where

1 2

0 2l ll +

= (2)

During the development of the mathematical model, the principle of virtual work [9] was used. It assumes the im-mutability of the muscle’s cylindrical shape during defla-ting and inflating, and lack of energy dissipation associated with the friction forces and deformation of the material it was made of. On this basis, it becomes possible to compa-re the work done by the air pressure over volume change, dV, of the muscle with the work done by axial tension, F, over length change dL

Fig. 4. Diagram of the lower limb motion control using pneuma-tic artificial muscles

Rys. 4. Schemat sterowania ruchem pneumatycznego sztucz-nego mięśnia

136

NAukA

3.3. Simulation resultsAll presented results were based on MATLAB/Simulink software. Their aim was to study the swinging motion of the shank part of an exoskeleton, driven by two main types of actuators: a DC brushless motor and pneumatic artificial muscles. The dimensions of the limb segment were taken from the literature [12]: length – 50 cm, weight – 6.5 kg. These values take into account both the mass of the struc-ture and the mass of a limb of a human 180 cm tall and 80 kg in weight.

Artificial muscles were modeled with a length of 30 cm, initial radius of 1 cm and initial braid angle equal to 23°. The initial pressure supplied to both muscles was 3 bar. Moreover, the leg angle control was based on a PID con-troller adjusted in such way, that the trajectory of the exoskeleton was close to the desired one, which involved bending and straightening the knee in a 4 seconds period (fig. 5).

Based on the obtained results (fig. 7), the total work done by the compressor supplying both muscles (for com-pression and decompression of gas) is equal to 75.84 J, in-cluding the efficiency of the compressor assumed as 0.8. For a two times shorter period of fluctuation, this value amounted to 78.25 J.

On the basis of formula (6), the force, achieved during compression and expansion of gas in the muscle in speci-fic moments of time, was determined (fig 7).

P p dV= ⋅ (6)

A congruent series of simulations were performed for a permanent magnet synchronous motor (for which

Fig. 5. The tilt angle of a PAM powered leg exoskeletonRys. 5. Kąt wychylenia egzoszkieletu kończyny dolnej porusza-

nego przez PAM

Fig. 6. Torque achieved during the leg fluctuations driven by a PAM

Rys. 6. Moment uzyskany podczas ruchu kończyny dolnej po-ruszanej przez PAM

Fig. 7. Actual power during the work of one PAMRys. 7. Moc rzeczywista działającego PAM

Fig. 8. Torque achieved during the leg fluctuations driven by the DC brushless motor

Rys. 8. Moment uzyskany podczas ruchu kończyny dolnej poru-szanej bezszczotkowym silnikiem DC

Fig. 9. Actual power during the work of the DC brushless motor

Rys. 9. Moc rzeczywista działającego bezszczotkowego silnika DC


the gear ratio was 130). As a result, a similar to the PAM control quality was achieved. The mean values of torque and power (measured in the voltage inverter DC-link circuit) for an exoskeleton leg motion are shown in fig. 8 and fig. 9. System losses were taken into account during the simulation.

The peak torque resulting from the chart in fig. 8 is 3.05 Nm, while the energy consumed on this process by the motor was 594.7 J, representing a nearly 8 times high-er value than the one achieved by the artificial muscles.

5. Conclusion

This paper shows the most popular actuator solutions for exoskeletons being under current development. However, it should be stressed that the shape memory alloy and die-lectric elastomer materials, due to small force and displa-cement capabilities, are suitable mainly for use as actu-ators for joints which are not subjects of significant amo-unt of force for long periods of time. Such applications may be suitable for systems driving, e.g., the wrist, meta-carpal or hinge joints.

Presented examples of the electric motor drive and McKibben muscle are commonly used as actuators in the major arm and leg joints. In particular, achieved through high force momentum, they are suitable for driving the hip, knee and ankle, which are subjected to the highest, long-acting stress.

Taking into account the simplification of the calculations made for the PAM work, it can be said that their energy requirements during the specified motion are much smaller than for the electric motor drive with a converter. However, because of the current technology of mobile energy sources, which are not able to provide adequate power to move all elements of a construction of large size and considerable weight, it is insufficient for a long and stable operation of the exoskeleton structure. According to [1], currently the most popular types of batteries can supply power within the limits of 35–240 W/kg.

In summary, it is therefore considered that the future of exoskeletal actuators depends on the development of bio-mimetic technologies, such as presented pneumatic musc-les or SMA based actuators. Although, it should be also noted that there exists control difficulties and – in the case of McKibben muscles – noise during operation along with the compressor alocating problem. However, the small ener-gy requirements, significant safety of operation and large volume ratio of these technologies make them very intere-sting subjects to develop.

Bibliography

1. Pons J.L., Wearable Robots: Biomechatronic Exoskeletons, John Wiley & Sons, 2008.

2. Pons J.L., Rehabilitation Exoskeletal Robotics, “IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine”, vol. 29, no. 3, 2010, 57–63.

3. Casolo F., Cinquemani S., Cocetta M., On Active Lower Limb Exoskeletons Actuators, Proceeding of the 5th International Symposium on Mechatronics and its Applications, 2008, 1–6.

4. Rosen J., Brand M., Fuchs M.B., Arcan M, A Myosignal-based Powered Exoskeleton System, IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Part A: Systems and Humans, vol. 31, no. 3, 2001, 210–222.

5. Schulte R.A., The Characteristics of the McKibben Artificial Muscle, “Application of External Power in Prosthetics and Orthetics”, vol. 874, 1962, 94–115.

6. Kerrigan D., Riley P., Nieto T.J., Della Croce U., Knee joint torques: A comparison between women and men during barefoot walking, “Arch. Phys. Med. Rehabil.”, vol. 81, 2000, 1162–1165.

7. Doke J., Donelan J.M., Kuo A.D., Mechanics and energetics of swinging the human leg, “The Journal of Experimental Biology”, vol. 208, 2005, 439–445.

8. Mochon S., McMahon T.A., Bal listic walking, “Journal of Biomechanics”, vol. 13, 1980, 49–57.

9. Chou C.-P., Hannaford B., Static and Dynamic Characteristics of McKibben Pneumatic Artificial Muscles, Proceedings of ICRA, vol. 1, 1994, 281–286.

10. Tondu B., Lopez P., Modeling and control of Mckibben Artificial Muscle Robot Actuators, “IEEE Control Systems Magazine”, vol. 20, no. 2, 2000, 15–38.

11. Garrec P., Friconneau J.P., Measson Y., Perrot Y., ABLE, an Innovative Transparent Exoskeleton for the Upper-Limb, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2008, 1483–1488.

12. Chen F., Yu Y., Ge Y., Sun J., Deng X., WPAL for Enhancing Human Strength and Endurance during Walking, International Conference on Information Acquisition, 2007, 487–491.

13. Pratt J.E., Krupp B.T., Morse C.J., Collins S.H., The RoboKnee: An Exoskeleton for Enhancing Strength and Endurance During Walking, IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 3, 2004, 2430–2435.

14. Aguirre-Ollinger G., Colgate J.E., Peshkin M.A., Goswami A., Design of an Active 1-DOF Lower-Limb Exoskeleton with Inertia Compensation, “The International Journal of Robotics Research”, vol. 30, no. 4, 2011, 486–49.

15. Chu A., Kazerooni H., Zoss A., On the Biomimetic Design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX), Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, 4345–4352.

16. Tsagarakis N., Caldwell D.G., Medrano-Cerda G.A., A 7 DOF pneumatic muscle actuator (pMA) powe-red exoskeleton, 8th IEEE International Workshop on Robot and Human Interaction, 1999, 327–333.

17. Reynolds D.B., Repperger D.W., Phillips C.A., Bandry G., Modeling the Dynamic Characteristics of Pneumatic Muscle, “Annals of Biomedical Engineering”, vol. 31, 2003, 310–317.

18. Caldwell D.G., Medrano-Cerda G.A., Goodwin M., Control of pneumatic muscle actuators, “IEEE Control Systems Magazine”, vol. 2, 1995, 40–48.

19. Drury B., Control Techniques Drives and Controls Handbook, Institution of Engineering and Technology, 2001.

20. Safak K.K., Adams G.G., Modeling and simulation of an artificial muscle and its application to biomime-

138

NAukA

Grzegorz Redlarski, PhD, DSc, Eng.

Headmaster of the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology. He received his MSc. in 2000 within the specialization of control engineering and advanced in the specialization of electrical engineering. As a result, he received his PhD. in 2003 and DSc. in 2011. From 2011 he is also employed as an Associate Professor at the Faculty of Technical Sciences at the University of Warmia and Mazury in Olsztyn. His main fields of interest are powerelectronics, power engineering and, recently, biomedical engineering. e-mail: [email protected]

Krzysztof Blecharz, PhD, Eng.

He received his MSc in 2002 at the Electrical Faculty at Czestochowa University of Technology and his PhD in 2008 at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology. Currently he is employed as an adjunct professor at the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering. His main fields of interest concern: electrical drive control, control of generator systems with two-way powered machines, modern wind power plants and high power electronic converters. e-mail: [email protected]

Mariusz Dąbkowski, PhD, Eng.

Adjunct professor in the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering at the Electrical and Control Engineering Faculty at Gdansk University of Technology. He received his MSc at this Faculty in 2002 and PhD in 2006. His main fields of interests are robotics, especially mobile robotics.e-mail: [email protected]

Aleksander Palkowski, MSc, Eng.

Employee of the Department of Mechatronics and High Voltage Engineering in the Faculty of Electrical and Control Engineering of Gdańsk University of Technology. He graduated in Control Engineering and Robotics (2012), specializing in Information Technology in Control Systems. His main areas of interest are mobile robotics and application of robotics systems in biomedical engineering.e-mail: [email protected]

Piotr Mateusz Tojza, MSc, Eng.

Lecturer in the Department of Mecha-tronics and High Voltage Engineering at the Electrical and Control Engine-ering Faculty at Gdansk University of Technology. He received his MSc in 2011 in the major of Control Engi-neering and Robotics, specialization Robotics and Mechatronic Systems. His main fields of interests are: bio-medical engineering and application of robotics and mechatronics systems in medical sciences. e-mail: [email protected]

tic robot posture control, “Robotics and Autonomous Systems”, vol. 41, no. 4, 2002, 225–243.

21. Pei Q., Artificial Muscles based on Synthetic Dielectric Elastomers, 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS, 2009, 6826–6829.

22. Medrano-Cerda G.A., Bowler C.J., Caldwell D.G., Adaptive position control of antagonistic pneu-matic muscle actuators, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1995, 378–383.

23. Tojza P.M., Support Systems for Human Limb Movement Controlled by Muscle Contraction, MSc dissertation, 2011.

24. Leephakpreeda T., Mathematical Modeling of Pneumatic Artificial Muscle Actuation via Hydrogen Driving Metal Hydride-LaNi5, “Journal of Bionic Engineering”, vol. 9, no. 1, 2012, 110–118.

Analiza porównawcza urządzeń wykonawczych w egzoszkieletach

Streszczenie: Od czasu rozpoczęcia prac badawczych nad eg-zoszkieletami na początku lat 60. ubiegłego wieku, istniała cią-gła potrzeba udoskonalania technologii związanej z urządzenia-mi wykonawczymi egzoszkieletów. Wymóg spełnienia zapotrze-bowania na dużą mocą i moment dla kończyn dolnych oraz wy-sokiej precyzji dla ruchów rąk, przy jednoczesnym zachowaniu giętkości mięśni biologicznych, nie został dotychczas zachowa-ny. Problemem nie jest tylko brak odpowiednich technologii, ale również niemożność spełnienia zapotrzebowania energetyczne-go. W artykule nawiązano do tego zagadnienia, opisując najczę-ściej stosowane technologie, a następnie przedstawiając wyniki symulacji dla ruchu egzoszkieletu kończyny dolnej. Dodatkowo przeanalizowano wymogi energetyczne modelowanego układu, możliwości sterowania, jak również możliwe zastosowanie dla różnych części egzoszkieletu.

Słowa kluczowe: egzoszkielet, sztuczne mięśnie, urządzenia wykonawcze, źródło energii, modelowanie


1. Introduction

Development of mobile robots performing complex tasks is one of the driving forces of modern robotics. The ingenu-ity of engineers and the resulting multitude of applications combined with a variety of control algorithms results in a wide range of applications and timeliness of research con-ducted with the use of rapid prototyping environments. In the case of mobile robots, prototyping most often applies to both drives and the whole constructions, control algorithms testing for a single robot or a group of robots, sensory sys-tems modelling, etc. [1, 2, 4]. The proposed solution was cre-ated as a combination of selected parts of the Aria manufac-turer’s software with the MATLAB/Simulink mex-function. A wireless network was used for communication. The pre-sented environment satisfies the conditions of a real-time system; for a single robot or a group of robots it records the following parameters: velocities and angu-lar displacements of the driving wheels, battery voltage, motors currents, distance sensors indica-tions. It also offers support for digital inputs/outputs and ana-logue inputs, which the robots are equipped with. It provides software support for periphe-ral devices of the mobile robots,

Rapid prototyping environment for wheeled mobile robot control algorithm

Andrzej Burghardt, Dariusz SzybickiDepartment of Applied Mechanics and Robotics, Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics

Rzeszow University of Technology

Abstract: In the paper, the author provides a proposal of a quick prototyping environment for algorithms controlling homogenous, autonomous mobile robots. The solution proposed enables moni-toring of the operation of a group of mobile robots consisting of the recording of motion parameters and signals from distance detec-tors as well as of controlling the drive units. Furthermore, the solu-tion is flexible, enabling work with various numbers of robots as well as modification of their settings, and conforms to the real time system requirements assumed. In the course of the development process, AmigoBot mobile robots manufactured by ActiveMedia Robotics were used.

Keywords: autonomous mobile robots, multi-robot, rapid prototy-ping, AmigoBot

using RS-232 and I2C standards for communication. For the purpose of research, AmigoBot robots were equipped with an electronic measurement module (designed and construc-ted by the authors), which measures the concentration of harmful gases, and with URG-04LX laser scanners supplied by Hokuyo.

2. Mobile Robots Prototyping Environment

The presented rapid prototyping environment provides con-trol over robots supporting Aria, an object-oriented class library (SDK) of C++ language, supplied by MobileRo-bots. The written software allows controlling such robots as: AmigoBot, Pioneer 3-DX, PowerBot, Seekur, PeopleBot, and PatrolBot.

2.1. Controlled object and available softwareIn this solution the controlled objects are the AmigoBot robots (fig. 1) driven by two DC motors with toothed gear.

The AmigoBot mobile robot is equipped with rotary pulse transducers, ultrasonic distance sensors, a wireless communi-cation module, and an internal PID controller. Optional ac-cessories include: a compass with position sensors, a colour and night vision camera, laser rangefinder and a GPS mo-dule.

The AmigoBot mobile robot is equipped with rotary pul-se transducers, ultrasonic distance sensors, a wireless com-munication module, and an internal PID controller. Optio-nal accessories include: a compass with position sensors,

Fig. 1. AmigoBotRys. 1. Mobilny robot AmigoBot

140

NAukA

a colour and night vision camera, laser rangefinder and a GPS module.

The mobile robot operation is managed by the AmigoSH software, which was implemented in the Hitachi H8/2357 controller, which is a component of the robot. Using a wireless network, the AmigoSH software can exchan-ge information with the master computer having the Aria software installed. The software implemented in the robot allows defining: – the maximum velocities and linear/angular accelera-

tions of the robot frame, – the operating sensors’ range, – PID set points.

In addition, it manages the external communication ports of the robot (8-bit I/O RS-232 port, I2C port).

The Aria software allows for total control over the mo-bile robots’ operation, their sensors and connected devi-ces. Aria’s class components allow sending to and receiving from the robot simple instructions, such as: battery vol-tage, global coordinate “X” (basic class ArRobot, fig. 2). Available classes provide high level Action infrastructure control, such as: defining a specific trajectory (ArAction-Goto) or the laser scanner support (ArSick).

In addition, Aria includes the ArNetworking library, which allows building an infrastructure of robot commu-nication based on the TCP/IP protocol. Consequently, it is possible to control the robots and connected devices wi-relessly. This library is written in C++ language, and has access to the API (Application Programming Interface) for Java and Python. The library allows the use of GCC com-piler (version 3.4 or higher, pre-compiled with GCC 3.4) in GNU/Linux system. In Windows OS, Aria can be com-piled in MS Visual C++ NET 2003 (7.1) and Visual C++ 2008 (9.0) [3].

The discussed software, despite the clear advantages, also has many drawbacks. It does not provide the robot formation control, does not allow for saving data, does not

allow for convenient testing of developed algorithms and so-lutions, the user interface is unfriendly and requires know-ledge of a number of commands (fig. 3).

In order to eliminate these disadvantages, it was neces-sary to develop our own solution.

Fig. 2. ArRobot class architectureRys. 2. Architektura klasy ArRobot

Fig. 3. Aria software user interfaceRys. 3. Wygląd interfejsu użytkownika oprogramowania Aria

2.2. Rapid prototyping environment construction

By using available Aria objects, functions and software solutions, it was possible for the author to write softwa-re that combines the advantages of MATLAB/Simulink with advanced wireless control system of one or a group of robots and control and measuring functions. The pre-sented solution allows monitoring the operation of a gro-up of mobile robots, recording the motion parameters and distance sensors’ indications, and controlling the drives. Additionally, it is flexible, enables working with a varying number of robots and changing their configuration parame-ters. It also meets the real-time system requirements. The presented control and measuring environment: – provides autonomous control, – implements control and measuring processes for one or

more robots, – can measure and record the following parameters:

•drive wheels angular velocity,•drive wheels angular displacement,•distance sensors indications,•driving motors currents,•battery voltage,

– has been made in the form of a Simulink library.A rapid prototyping environment governing the ope-

ration of a group of n-mobile robots has been created as a combination of selected parts of the Aria software and the Simulink’s S-function, using a wireless computer ne-twork for communication. In Simulink, the library conta-ining the AmigoBot block (fig. 5) was written. Its use in the model allows connecting user-built control algorithms with the real object. A general scheme of the implemen-tation of the control and measuring environment is shown in fig. 4.

In order to be able to change the AmigoBot parameters, a special configuration window was created in the subsys-tem, whose source code is located in the m-function file (fig. 5). It allows changing the robot’s parameters such as: – robot’s number, – robot’s IP address, – the values defined in Amigo-SH, PID set points, maxi-

mum velocities, etc. – transmission rate for the specified serial port.


or Access Point and the wireless module installed in the robot. Communication with the robots is established at the beginning of the simulation and ends at the end of the simulation. The principle of operation of the rapid proto-typing environment and the information flow diagram are presented in fig. 6.

Fig. 5. Rapid prototyping environment configuration windowRys. 5. Okno konfiguracyjne środowiska prototypowania

The authorial AmigoBot library selection window and the subsystem configuration window created in MATLAB/Simulink are shown in fig. 5.

Fig. 6. Communication diagram between the MATLAB/Simulink environment and the robots

Rys. 6. Schemat komunikacji pomiędzy środowiskiem MATLAB/Simulink a robotami

Fig. 4. Rapid prototyping environment schemeRys. 4. Schemat środowiska szybkiego prototypowania

MATLAB/Simulink

The configuration window allows defining the vector of parameters that will be read from the mobile robot.

2.3. Rapid prototyping environment communication

In order to control a group of autonomous mobile robots, it is necessary to establish communication between the master computer and the robots. To ensure proper com-munication, it is necessary to provide the correct configu-ration of the following network devices: the wireless card

After starting the simulation, connection with the ro-bot (robots) is established; then the AmigoBot subsystem input vector is sent through subsequent program modules and network devices: – using a properly designed AmigoBot subsystem, which

is a mask of the S-function block, the AmigoBot subsys-tem input vector and settings stored by the management interface are sent to the ArMatlab mex-function [5],

– then the input vector and the robot’s operating para-meters settings are sent via the Aria library using the TCP/IP protocol to the Access Point,

– from the Access Point to the wireless module installed in the robot, the data is sent wirelessly using the 2.4 GHz frequency band and 802.11 b Wi-Fi protocol,

– the wireless module installed in the robot transmits the data via a built-in serial port at a rate of 115 200 bps to the AmigoBot controller, where the interpretation of the received data takes place and appropriate control of the robot based on the data is performed.

2.4. Rapid prototyping environment communication Prototyping of authorial devices enhancing the robots features

The prototyping environment allows changing the number of robots with no interference in the software and enables the data exchange with, and control and management of, peripheral devices which each robot can be equipped with.

142

NAukA

3. Conclusion

The presented authorial rapid prototyping environment allows conducting research using real AmigoBot robots and the MATLAB/Simulink software. It is dedicated for rese-arch on the testing of motion control algorithms for both a single robot and a robot formation. Its integration with the MATLAB/Simulink packet and its powerful tools for modelling and also wireless communication with the robots are unquestionable advantages of the discussed software. The ability to read parameters and support for external devices connected to the robots allow testing of developed hardware and software solutions and integration of exter-nal sensors in real time.

AcknowledgementsThe work was performed under project No. N N501 068838 funded by the school in 2010-2012.

Bibliography

1. Burghardt A., Proposal for a rapid prototyping envi-ronment for algorithms intended for autonomous mobile robot control, Mechanics and Mechanical Engi-neering, Technical University of Lodz, 1/2008, 5–16.

2. Burghardt A., Hendzel Z., Sterowanie behawioralne mobilnymi robotami kołowymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2007.

3. Giergiel J., Szybicki D., System Linux w robotyce. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rze-szów 2010.

4. Hendzel Z., Żylski W., Burghrdt A., Autonomiczne mobilne roboty kołowe. Oficyna Wydawnicza Politech-niki Rzeszowskiej, Rzeszów 2008.

5. Mrozek B., Mrozek Z., MATLAB i Simulink. Poradnik użytkownika. Wydawnictwo HELION, Gliwice 2004.

Środowisko szybkiego prototypowania algorytmów sterowania robotów mobilnych

Streszczenie: Rozwój robotów mobilnych, wykonujących złożo-ne zadania, jest jednym z motorów napędowych współczesnej robotyki. Pomysłowość konstruktorów oraz wynikająca z niej mnogość aplikacji połączona z różnorodnością algorytmów ste-rowania owocuje szerokim spektrum zastosowań i aktualnością badań realizowanych z wykorzystaniem środowisk szybkiego

Fig. 7. Devices supported by the rapid prototyping environmentRys. 7. Urządzenia obsługiwane przez środowisko szybkiego pro-

totypowania

Fig. 8. URG-04LX scanner and its scanning areaRys. 8. Skaner URG-04LX oraz jego obszar skanowania

For the purpose of research, the AmigoBot robots were equipped with an electronic module measuring the con-centration of harmful gases, a laser scanner (both devices were built in the Dept of Applied Mechanics and Robotics, fig. 7a and fig. 7b respectively) and the URG-04LX scanner supplied by Hokuyo (fig. 7c).

The electronic module measuring the concentration of harmful gases is a device whose purpose is to measure the concentrations of gases that are hazardous for humans (car-bon monoxide, methane). It also allows measurement of ambient temperature and the temperature of the inspec-tion robot’s motors.

The laser scanners provide continuous time stamped coordinates of the surroundings and thus determine the instantaneous position of the robot or an autonomous transport system. The advantage of laser scanning over other sensors, such as ultrasound, which the AmigoBot robot is equipped with, is the ability to quickly obtain accurate information about the robot’s surroundings.

The 2D laser scanner, designed and built for the Ami-goBot robot, acts as a perceptual system for the mobile robot in closed locations. The developed 2D laser scanner is a source of information in the process of building a sur-roundings map in the rapid prototyping environment. The robot was also equipped with a URG-04LX scanner (fig. 8) in order to increase the range and resolution of the measu-rements made using optical sensors.

The scanner measurement range is 5.6 m, the resolution is 0.36° and the frequency equals 10 scans/s. Such para-meters are much better than those of a sensor made from scratch. The scanner communicates with the robot using the RS-232 interface. The obtained information about the number of objects within the range of the laser beam, the distance from the objects and their size, is transmitted to the rapid prototyping environment, where it is used to con-trol a robot or a group of robots.


prototypowania. Środowiska szybkiego prototypowania pozwa-lają na testowanie opracowanych rozwiązań programowych oraz sprzętowych na wielu etapach prowadzonych prac. W przypad-ku robotów mobilnych prototypowanie najczęściej dotyczy mode-lowania zarówno napędów jak i całych konstrukcji, testowania algorytmów sterowania jednego lub grupy robotów, modelowa-nia układów sensorycznych itp. W pracy zaprezentowano autorskie oprogramowanie pozwalają-ce na sterowanie grupą do 256 mobilnych robotów firmy Mobile- Robots. Zaproponowane rozwiązanie zostało wykonane jako połączenie wybranych fragmentów oprogramowania producenta ARIA z mex-funkcją systemu MATLAB/Simulink. Do komunikacji wykorzystano sieć bezprzewodową. Prezentowane środowisko spełnia założenia systemu czasu rzeczywistego, rejestruje dla jednego lub grupy robotów takie parametry jak: prędkości i prze-mieszczenia kątowe kół napędzających, napięcie baterii, prądy silników napędzających koła, wskazania czujników odległości. Ponadto zapewnia obsługę wejść i wyjść cyfrowych oraz wejść analogowych, w które wyposażone są roboty. Umożliwia progra-mową obsługę urządzeń peryferyjnych robotów mobilnych wyko-rzystujących do komunikacji standard RS-232 oraz I2C. Całość oprogramowania wykonano w postaci biblioteki pakietu Simulink (Toolboxes).

Słowa kluczowe: roboty mobilne, sterowanie, MATLAB, proto-typowanie

Andrzej Burghardt, PhD

He received the MSc degree in robotics and mechatronics from the Faculty of Mechanical Engineering and Robotics and the MSc degree in marketing and management in indu-stry from Faculty of Maining of the AGH University of Science and Tech-nology in 2001. He received the PhD degree in mechanics from the Rze-szow University of Technology in 2005. He works at the Department of Applied Mechanic and Robotics of the Rzeszow University of Techno-logy. His current research includes kinematics, dynamics and control of underactuated systems, mobile robots and robots formation, image processing, behavioural control and path planning.e-mail: [email protected]

Dariusz Szybicki, MSc

He was born in Przeworsk. He gradu-ated from the University of Rzeszów, where since 2009, is a member of doctoral studies in the field of engi-neering at the Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics. He works as an assistant in the Depart-ment of Applied Mechanics and Robotics at the Technical University of Rzeszów. His research interests relate to robotics, programming, and modeling of mechatronic systems.e-mail: [email protected]

144

Nauka

Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module

with permanent magnet synchronous motorArtur Kobyłkiewicz, Rafał Pajdzik, Paweł Waszczuk

Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology of Szczecin

Abstract: A significant number of publications shows that fractional order controllers can improve performance compared with tradi-tional control algorithms. In this paper, fractional order PID velocity controller of the PMSM motor is presented. In the first step, we com-pared, by means of simulation research work, the fractional order PID with conventional integer order PID, and we prove the correct-ness of the applied method. In the second part, we have tested the proposed solution in the real-time control system with the PMSM actuator. The open architecture control system based on the indu-strial computer (for cyclic real-time communication with power elec-tronics, including current controller and commutation functionality, with the use of Ethernet Powerlink communication protocol) and rapid prototyping platform were used for the evaluation of the deve-loped here velocity control algorithms. Presented in the paper expe-rimental results testify to the usefulness of the proposed solution.

Keywords: fractional order calculus, PMSM motor, PID controller, robust control

1. Introduction

Nowadays, a lot of attention is focused on research and modeling of phenomena and physical objects. It is obvious that the standard approach to the subject, where integrals and derivatives of integer order are used to describe complex phenomena, is insufficient. That is because highly compli-cated and not very reliable models are achieved as a result. Therefore, the world of science refers to the tools known for hundreds of years but which found their practical application only at the close of the previous century. These tools allow for modeling using integrals and derivatives of real order (so called differintegrals, or fractional order calculus). The result is a significantly more comprehensive description of a given phenomenon and this, in turn, leads to better results. As an example papers [5–7] can be used, in which selected issu-es are described with the help of fractional order equations.

Such an approach may have some implications in auto-mation and control theory. Due to the fact that the objects which are controlled by engineers are of fractional order then it seems logical to apply fractional order controllers (with adequate properties) to control them. In the paper a practi-cal solution to such an approach is shown based on the PID controller. The paper is divided into two main parts. Both of them contain the comparison of the integer order PID con-troller (IOC) with the fractional order PID controller (FOC).

First of all, the analysis of correctness and rightness of the applied method was made in comparison with the classi-cal controller with the help of computer simulation. For this purpose MATLAB/Simulink was used with an implemen-ted classical algorithm and fractional order PID controller as a velocity controller of the PMSM motor.

The second, more challenging part of the paper is the im-plementation of the already tested algorithm in the target control system of the CNC machine.

In this way it has been experimentally confirmed that the assumed goals of the improvement of the quality of real ob-ject control may be achieved by entering fractional order ele-ments into the control loop.

2. Fractional order PID controller

There are many ways to describe fractional order calculus. One of the most used ones are the definitions by Riemann- -Liouville (1) and Grünwald-Letnikov (2).

( ) ( )( )

11 ,

( )

tn

n na

ta

fdf t dn dt t

D αα τ τ

α τ − +=Γ − −∫ (1)

where

( ) 1

0

t xx e t dt∞

− −Γ = ∫

and it is a well known Euler function.

( ) ( ) ( )0 0

1 ,limt ah

i

a h it f t h f t ih

iD αα α−

−

→ =

= − − ∑ (2)

where

1 , 1, 2, ... ,

1i i

i i iα α α − + = = −

10α

=

Based on definition (2), which in a natural way allows for describing discrete equations, fractional order forward diffe-rence could be shown in the form (3).

( ) ( )

1

11 1

t

ix t x t i

iα α+

=

∆ + = + − ∑

(3)

Formula (3) for a < 0 shows discrete integration process, whereas for a > 0 shows discrete differentiation process.


Furthermore, it is possible to present in a clear way discrete integral (4) and differential (5) fractional order element, which will be used in the discrete fractional or-der PID controller.

( ) ( ) ( )

1

11 1

t

ix t u t x t i

iα+

=

+ = − + − ∑

(4)

( ) ( ) ( )

1

11 1

t

ix t u t x t i

iβ+

=

+ = + + − ∑

(5)

The sum in equations (4) and (5) determines “memory” of the analyzed element, which means that current value of the state x(t + 1) is not dependent only on the previous value of the state x(t) and the current input u(t), but it also contains all the previous states of the model. In practice the memory of fractional order elements is often limited to the finite value L due to restricted possibilities of control sys-tems. The parameter which binds together all the previous states of the element is the coefficient

iα

and

iβ

,

which is directly dependent on the order of an analyzed element. Such a model is similar to a real object whose current state is also dependent on all its previous states.

The general scheme of the PID controller is assumed and described by equation (6)

( ) ( ) ( ) ( ) ,s d

vi s

T Tu t K e t I e t D e tT T

α β = + +

(6)

where e(t) is a control error at a given moment t, Ts is a sampling time, whereas I a and D b symbolize a fractio-nal order integral and a derivative respectively. By cho-osing a = 1 and b = 1 the classical PID controller of inte-ger order is achieved.

3. Simulations

In this part of the paper the analysis of correctness and rightness of applying a fractional order PID controller algo-rithm in the context of velocity control of the PMSM motor was made.

3.1. Description of simulation environmentThe well known model of the PMSM motor from [3] served as a model of the researched object with known catalo-gue parameters.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

1

1

32

qd d r q d

d d d

d rq q r d q

q q q q

el q d q d q

Ld Ri t i t p t i t v tdt L L Ld R L p ti t i t p t i t v tdt L L L L

T t p i t L L i t i t

ω

λ ωω

λ

= − + +

= − − − +

= + −

(7)

( ) ( ) ( ) ( )[ ]

( ) ( )

1r el r load

r

d t T t F t T tdt Jd t tdt

ω ω

ω

= − − Θ = (8)

Equation (7) describes the electrical part, whereas equ-ation (8) describes the mechanical part of the motor. The state vector of the described motor model is

( ) ( ) ( ) ( ), , ,d q ri t i t t tω Θ .In order to choose the best parameters of the motor mo-

del, the parameters were selected from the catalogue note of a specific motor used in chapter 4 for experimental re-search. Additionally, the appropriate conditions, correspon-ding to the real ones, of the simulation were created. It me-ans that PI controllers were used and sampling time was set to 400 μs. Because in such a time cycle works a real time controller used in further research. Limiting the con-trol loop to only PI controllers is caused by a very unfa-vorable effect of differential term when control error chan-ges rapidly. For this reason differential terms are not used in servo-drive motor applications [9].

Tab. 1. Parameters of the PMSM motor modelTab. 1. Parametry modelu silnika PMSM

Parameter Value

Stator resistance R 18.5 Ω

Stator direct ind. Ld 49.16 mH

Stator quadrature ind. Lq 49.16 mH

Number of polepairs p 2

Inertia J 0.00009 kg∙m2

Torque T 1.455 Nm/A

Friction F 0 Nms

Flux l 0.42 Wb

Fig. 1. Control system of the PMSM motorRys. 1. System sterowania silnikiem PMSM

Fig. 1 presents the general scheme of the used control system. Cascade control system with velocity control loop and torque (current) was applied. In a real control system the torque controllers are placed in the PMSM motor se-rvo-drive. Hence, the parameters of the torque controllers selected for the simulation are the same as the default ones set by the servo-drive producer for a given motor. In this case the following parameters are set:

Kv = 54.587318,

Ti = 0.00088248722.

146

Nauka

The scheme of selection of velocity controller parame-ters, which was used during carried out simulations, is pre-sented in the following points:1. Putting the system to the stability limit through incre-

asing gain of the proportional term Kv, when the inte-gration term of the controller is turned off.

2. Setting gain Kv as 90 % of the critical value of the gain from point 1.

3. Gradual decreasing of time constant of the integral term Ti until the best control quality was achieved according to the used quality criterion.Five basic integral criteria of quality control were used

in order to assess control quality:

1. ( )0

IE e t dt∞

= ∫ ,

2. ( )2

0

ISE e t dt∞

= ∫ ,

3. ( )0

IAE e t dt∞

= ∫ ,

4. ( )2

0

ITSE te t dt∞

= ∫ ,

5. ( )0

ITAE t e t dt∞

= ∫ .

As the most critical value was determined the ITAE criterion (Integral of Time multiplied by Absolute value of Error), which is one of the most widely used in indu-strial applications.

3.2. Results of simulation researchA number of simulations in the MATLAB/Simulink envi-ronment were carried out using the control system model shown in point 3.1. The memory of the integral element of the controller was set to L = 200 and left unchanged for the period of further simulations. In search of optimal con-troller settings a methodical analysis of the range of set-tings was applied. The minimal value of the ITAE quality criterion was determined as the indicator of optimal con-troller settings selection. As the reference signal was used trapezoidal signal of velocity with maximal value of 1 rps.

In this way optimal settings for the IO PI controller were obtained

( ) ( ) ( )14 41.47375

0.007eu t e t I e t− = +

(9)

and for the FO PI controller

( ) ( ) ( )1.14 41.47375 .

0.007eu t e t I e t− = +

(10)

Fig. 2 shows the response to the velocity reference si-gnal of the best IO and FO PI controller. For the purpo-se of a clear presentation of the results only the selected fragments of the time courses were shown.

It is visible with the naked eye that the best FO PI controller achieves much better results than the classical

IO PI controller. It is also proved by the values of the qu-ality criterion

ITAEI0 = 1and

ITAEF0 = 0.8448.

Fig. 2. The best IOC (red line) compared with the best FOC (green line); reference signal (blue line)

Rys. 2. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlep-szym FOC (zielona linia); sygnał zadany (niebieska linia)

Fig. 3. The best IOC (red line) compared with the best FOC (green line), determined without changed inertia used in the motor with increased inertia; reference signal (blue line)

Rys. 3. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlepszym FOC (zielona linia), uzyskane bez zmienionej bezwładno-ści użyte dla silnika ze zwiększoną bezwładnością; sygnał zadany (niebieska linia)


What was achieved is the quality improvement by 15 %, which is strongly observable in the transient part of velo-city changes.

The effect of the change of one of model parameters on control quality was also checked. The value of the inertia of the engine shaft was changed to J = 0.0019107 kg×m2 (about 20 times higher than the initial value). Then simula-tions were carried out again, with the same settings of the controller parameters and the results are shown in fig. 3.

In that case performance of both IO and FO regulators are qualitatively similar, which is also confirmed by the values of the integral criterion (difference less than 8 %)

ITAEI0 = 5.7904and

ITAEF0 = 6.3606.

It shows also that the system with FO controller has a completely different character of response to disturban-ces of the object parameters than system with IO control.

( ) ( ) ( )14 428.20.007eu t e t I e t− = +

(11)

( ) ( ) ( )1.14 428.2

0.007eu t e t I e t− = +

(12)

During the final stage of simulation research the opti-mal settings for the motor with increased inertia were fo-und. Equations (11) and (12) show the best IO and FO controllers respectively. Fig. 4 shows the response to refe-rence velocity signal for these settings.

The obtained results were supported by the values of the integral criteria:

ITAEI0 = 2.160and

ITAEF0 = 0.1735,

which show achieved quality improvement by 19 %.

4. Experiment

This chapter contains the description of a workstation whe-re experimental research was performed (fig. 5). All the relations resulting from the simulations carried out in chap-ter 3 were also experimentally confirmed. This demonstra-tes the power of the algorithm of the FO PI controller.

Fig. 4. The best IOC (red line) compared with the best FOC (green line) for the motor with increased inertia; refer-ence signal (blue line)

Rys. 4. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlep-szym FOC (zielona linia), dla obiektu ze zwiększoną bez-władnością; sygnał zadany (niebieska linia)

Fig. 5. Workstation for rapid prototyping control systems for the PMSM motor drives

Rys. 5. Stanowisko do szybkiego prototypowania systemów sterowania silnikami PMSM

Fig. 6. Scheme of rapid prototyping systemRys. 6. Schemat systemu do szybkiego prototypowania

4.1. Rapid prototyping workstation descriptionThe research workstation consists of: engineering program-ming environment MATLAB/Simulink from Mathworks and the software for designing IT projects for determini-stic, multitasking RT operational system Automation Run-time which is the base of industrial B&R control system. Thus, the workstation integrates the designing stage, com-plex simulation analyses with prototyping of newly desi-gned algorithms in the target control system.

The element that links these two solutions is toolbox Automation Studio Target for Simulink from B&R. A de-signed and verified model is later compiled in Simulink to optimal program code for the B&R target system processor thanks to the functionality of RT Workshop and RT Work-shop Embedded Coder. This situation is shown in fig. 6.

The achieved time decrease during the designing advan-ced control algorithms testifies to the synergy of the here presented approach. In this way it is possible to avoid the problem which happens in case of physical impossibility of implementing prototype simulation model or mathema-tical solution to a given issue in the target control system.

148

Nauka

A very efficient system for rapid prototyping of advanced control system algorithms is achieved. It allows for testing new solutions in a short time. Such an approach is called On-Target Rapid Prototyping [8].

Apart from the computer with the described systems, the workstation also contains the industrial computer B&R APC620 with a RT operating system and the B&R servo-drive Acopos 1090 with the PMSM motor actuator. The connection between industrial computer (PLC) and the se-rvo-drive is through the deterministic, industrial Ethernet Powerlink which enables synchronous data transfer every 2 ms. The torque (current) controller located in the servo-drive sets a new value of current every 400 μs.

4.2. Results of experimental researchA number of experiments using the workstation described in point 4.1 were carried out. The memory of the inte-gral element of the controller was set to L = 200 and left unchanged for the period of further experiments. In order to determine optimal controller settings, as it was in case of simulation research, the ITAE criterion was used. As the reference signal was used trapezoidal signal of the maxi-mal value of velocity equal to 10 rps.

Firstly, the motor without increased inertia of the shaft was researched. The optimal settings for the IO PI con-troller were achieved

( ) ( ) ( )14 40.261

0.067eu t e t I e t− = +

(13)

and for the PI controller

( ) ( ) ( )1.34 40.261 .

0.067eu t e t I e t− = +

(14)

Fig. 7 shows the results achieved during the experi-ments.

The experiment confirms the simulation results. The best FO PI controller obtains significantly better results than the classical IO PI controller. The values of integral criteria for the responses from fig. 7 are

ITAEI0 = 1248.61and

ITAEF0 = 1127.12.

According to the coefficient ITAE the improvement of control quality by over 10 % was achieved. The fluctuation amplitude of the motor velocity in the steady-states has a visible effect on the indicator value. For the FO PI con-troller the amplitude is noticeably narrower.

Fig. 7. The best IO controller (red line) compared with the best FO controller (green line); reference signal (blue line)

Rys. 7. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlep-szym FOC (zielona linia); sygnał zadany (niebieska linia)

Fig. 8. The best IO controller (red line) compared with the best FO controller (green line) determined without changed inertia used in the motor with increased inertia; referen-ce value (blue line)

Rys. 8. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlep-szym FOC (zielona linia), uzyskane bez zmienionej bez-władności użyte dla silnika ze zwiększoną bezwładno-ścią; sygnał zadany (niebieska linia)

It is also checked what are the effects of changing the motor parameters. The additional weight was mounted to the motor shaft which caused the increase of its inertia to J = 0.0019107 kg×m2. Later on, the experiment with pa-rameters selected for the motor without increased inertia was conducted. Fig. 8 shows the results.

According to the integral criterion, the FO controller algorithm turned out to be similarly efficient (less than 2 % of difference). The maximal value of control error of the FO controller is three times lower than the classical IO controller but the response to object parameter distur-bance has character of unfading oscillations. The values of the integral criterion for the controllers are the following

ITAEI0 = 4824.03,

ITAEF0 = 4895.91.

It was observed that the FO PI controller has a similar robustness that the classical one, which is in accordance with the results achieved in computer simulations.

( ) ( ) ( )14 41.49

0.067eu t e t I e t− = +

(15)


( ) ( ) ( )1.34 41.49

0.067eu t e t I e t− = +

(16)

During the final stage of the research the optimal set-tings of the controllers for the motor with changed inertia were selected. Equations (15) and (16) present the FO and IO controllers respectively, while fig. 9 shows the response to reference velocity signal for these settings.

trollers and then fine-tune the controller using parameter a. Additionally, it provides a certain room for maneuver du-ring the implementation of such a solution in the industrial conditions. It is sufficient to implement a new algorithm to the target control system (which does not pose too many complications using the described On-Target Rapid Proto-typing method), take the settings from the controller alre-ady working in the system, and then fine-tune the order of the implemented controller to achieve the optimal perfor-mance of the system.

It has been concluded that the FO PID controller has a similar robustness to structural changes of the controlled object compared to the classical one. In the presented case with an increased inertia of the motor shaft it was enough to increase the value of the gain of the proportional term in order to improve control quality.

The paper contains the method of the expansion of frac-tional order differintegral from the definition by Grünwald-Letnikov (2). Parameter L, which results from the defini-tion, is responsible for the memory of the fractional order elements. This method is simple to interpret and can be easi-ly explained to engineers in charge of machine operation in the industry. What is interesting is the effect of parameter L on control quality, therefore it should form the base for further research in this direction.

Acknowledgements

Research has been done within the framework of the pro-ject “Development of the construction and experimental tests of a mechatronic machine tool feed unit with a dri-ve controlled by an intelligent modular actuator” (MNiSW Project No. N 502 336936, code-name M.A.R.I.N.E. (mul-tivariable hybrid ModulAR motIon coNtrollEr)).

Bibliography

1. Xue D., Zhao C., Chen Y., Fractional Order PID Control of A DC-Motor with Elastic Shaft: A Case Study, Pro-ceedings of the 2006 American Control Conference Min-neapolis, 2006, 3182–3187.

2. Domek S., Jaroszewski K., Kobyłkiewicz A., Sterowanie niecałkowitego rzędu parą antagonistycznych mięśni pneu-matycznych, Modelowanie inżynierskie, 2009.

3. Krishnan K., Electric Motor Drives: Modeling, Analysis, and Control, Prentice Hall, New Jersey 2001.

4. Kaczorek T., Wybrane zagadnienia teorii układów niecał-kowitego rzędu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Biało-stockiej, Białystok 2009.

5. Jezierski E., Ostalczyk P., Fractional-order mathematical model of pneumatic muscle drive for robotic applications, [in:] Kozłowski K. (Ed.), Robot Motion and Control 2009, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009.

6. Sierociuk D., Estymacja i sterowanie dyskretnych układów dynamicznych, Ph.D. thesis, Warszawa 2007.

7. Zaborovsky V., Meylanov R., Informational network traffic model based on fractional calculus, Proceeding of the Inter-national Conference Info-tech and Info-net, Beijing 2001.

8. Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik GmbH, B&R Automation Studio Target for Simulink.

9. Kosmol J., Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycz-nie, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.

Fig. 9. The best IO controller (red line) compared with the best FO controller (green line) for the motor with increased inertia; reference value (blue line)

Rys. 9. Najlepszy IOC (czerwona linia) w porównaniu z najlep-szym FOC (zielona linia), dla obiektu ze zwiększoną bez-władnością; sygnał zadany (niebieska linia)

The obtained results (over 19 % better quality) were supported by the values of integral criteria:

ITAEI0 = 1005.04and

ITAEF0 = 806.19.

5. Conclusion

This article proves that a significant improvement of control quality can be achieved using a controller adequately cho-sen for a given object, which means that for an FO object the FO controller should be selected.

In the described example the FO PI controller was used for velocity control of the PMSM motor. The FO controller performance was compared experimentally and in simulations with the performance of the classical IO controller. The cor-rectness of the applied concept and method has been proved.

Moreover, the research shows that the settings of the optimal controllers (IO and FO) differ only in parameter a responsible for the order of integral term. It greatly faci-litates the methodology of the settings selection of the FO controller. In order to determine optimal settings Kv and Ti one can use the methods known form the classical PID con-

150

Nauka

Regulator PID ułamkowego rzędu w pętli sterowania prędkością

modułu posuwowego obrabiarki CNC z napędem PMSM

Streszczenie: W licznych publikacjach wykazano, że regulatory ułamkowego rzędu mogą zwiększyć skuteczność regulacji w porównaniu z tradycyjnymi algorytmami sterowania. W artykule przedstawiono regulator PID ułamkowego rzędu do sterowania prędkością silnika PMSM. W pierwszej części zaprezentowano wyniki symulacji, porównano regulator PID ułamkowego rzędu z konwencjonalnym regulatorem PID całkowitego rzędu i dowiedziono prawidłowość zastosowanej metody. W drugiej części artykułu przedstawiono wyniki testów zaproponowanego rozwiązania, przeprowadzonych w docelowym systemie sterowania silnikiem PMSM. Otwarta architektura systemu sterowania bazująca na komputerze przemysłowym (do cyklicznego komunikowania się z energoelektroniką w czasie rzeczywistym, realizujący regulację prądu i funkcjonalność komunikacyjną z użyciem protokołu komunikacyjnego Ethernet Powerlink) oraz na systemie do szybkiego prototypowania zostały użyte do oceny zaprojektowanego algorytmu regulacji prędkości. Wyniki przedstawione w artykule potwierdzają przydatność zaproponowanego rozwiązania.

Słowa kluczowe: rachunek różniczkowy ułamkowego rzędu, napęd PMSM, regulacja PID, sterowanie odporne

Artur Kobylkiewicz, MSc Eng.

PhD student at Department of Industrial Automation and Robotics, Faculty of Elec-trical Engineering, West Pomeranian Uni-versity of Technology Szczecin. The main fields of his interest are: fractional order control systems, Attitude and Orbital Control Systems and chaos in dynamic systems.e-mail: [email protected]

Pawel Waszczuk, MSc Eng.

PhD student at Department of Industrial Automation and Robotics, Faculty of Elec-trical Engineering, West Pomeranian Uni-versity of Technology Szczecin. The main fields of his interest are: digital signal pro-cessing, diagnostics in milling and micro-milling process and digital servodrives.e-mail: [email protected]

Rafal Pajdzik, MSc Eng.

PhD student at Department of Indus-trial Automation and Robotics, Faculty of Electrical Engineering, West Pomera-nian University of Technology Szczecin. His research interests include analysis, modeling, design of digital servodrives of milling machines.e-mail: [email protected]


The application of VPython to visualization and control of robot

Maciej Wochal, Dawid Cekus, Pawel WarysCzestochowa University of Technology

Abstract: The idea of using VPython software environment (Python programming language plus a 3D graphics module called Visual) for visualization and control of robot movements is presented in the paper. The control system has been worked out for walking robot, which is building at Institute of Mechanics and Machine Design Foundation of Technical University of Czestochowa. A method of modeling and programming of robot operation control system has been described. The used library to communication with external devices allows easy control of an arbitrary number of mobile robotic modules. The developed program allows for cooperation with any servo controller and enables work in simulation mode of system motion or control mode. In control mode, the control sequences are sent in real time to the executive system and realized move-ments are shown in the form of three-dimensional visualization on a computer screen. User has the possibility of dynamic defining the position of the separate or group of elements in the space, and the change of velocity and position.

Keywords: walking robot, control system, Python

1. Introduction

This paper concerns the visualization of movements wor-king (the actual position of robot components) and method for controlling of walking robot, which is built as a part of Scientific Society of Computer Aided Design of Mechatro-nic Devices and Machines, and its main aim is the presen-tation the Python programming language and libraries used for implementation of these tasks.

On the current stage of work, the robot can be used as manipulator (fig. 1), but in the future, the robot will be mo-ved on two legs.

In Poland, as well as over the world a lot of scientific and research centers deal with the issues concerning the walking robot [1–4]. In the paper [4] the problem of conception and building 4-legged walking robot intended for transport car-go was presented. Starting from the structural synthesis of leg the kinematic chain was developed, and the computer calculation model was built. Considerations have been ta-ken to develop programs and walking algorithms (straight, a curve, by obstacles). The analysis was finished by simula-tions testing the robot movement in order to verify the cor-rectness of the solutions assumed.

Constructional solutions of walking robots are based ma-inly on solutions observed in nature in humans, animals, or insects. One example of this might be a solution where the machine uses a tail to keep one’s balance. Analysis of the gait stability of a man moving along an even surface with a constant velocity is presented in article [5]. The stabili-ty criteria applied to biped robots, namely: the Zero Mo-

ment Point (ZMP) and the Ground projection of the Cen-ter Of Mass (GCOM) have been employed in the investiga-tions. The analysis has been carried out on the basis of me-asurement data obtained from the human gait recorded with a digital camera.

2. Python programming environment

Python programming environment is a convenient and easy tool to use for the completion of the prototype and rese-arch works. The main advantages of Python are: simple and clear syntax, a wide access to resources including informa-tion, examples, and many ready libraries (including scientific

Fig. 1. Walking robot under constructionRys. 1. Budowany robot kroczący

Fig. 2. Exemplary objects found in the Visual libraryRys. 2. Przykładowe obiekty występujące w bibliotece Visual

152

NAukA

applications), complete portability between different softwa-re and hardware platforms, and the lack of licensing restric-tions (open sources). In this paper Visual [6, 8, 9] (for visu-alization) and pySerial (for serial communication) libraries have been used.

Visual graphics library has many ready objects for im-mediate use (fig. 2).

In addition, this library allows full automation of the 3D scene management. Even the simplest program using Visual library is equipped with functions of rotating and scaling of the scene. Visual library allows achieving the intended objec-tive by a very simple creation of complicated 3D programs without a specialist programming knowledge.

A sample code – in Python and using Visual library – exe-cuting cube rotation is presented below.

from visual import *b = box()while true:→ rate(100) # reduce the number of frames to 100 per second→ b.rotate(angle = pi/100)

In Python, instead of brackets (widely used in other pro-gramming languages) indents (→) are used.

The second library used in this work is pySerial library, which allows convenient use of serial ports (including virtual ports). Establish communication between the computer and external device comes down to a few simple instructions:

import serial# import libraryport = serial.Serial(port name, speed) # opening of the port with predefined speed

After connecting, data to external devices can be sent, e.g.:

port.write(“hello”)

At the end, the port has to be closed:

port.close()

3. Model of the robot in the Python programming environment

Model of the robot made in the Python programming en-vironment was built with elementary solids (ready mod-els), which Visual offers. However, there is the possibility of creating your own components, or import from other pro-grams, e.g. CAD, but in this case is necessary to write your own functions.

A sample program code defining the function responsible for modeling servomechanism is presented below.

def add_servo():

→ f=frame()→ sphere(frame=f, color=color.red, radius=1)

Fig. 3. The basic elements modeled in PythonRys. 3. Podstawowe elementy zamodelowane z wykorzystaniem

środowiska Python

→ box(frame=f, length=40, height=40, width=20, pos=(10,-26,0), color=(.2,.2,.2))

→ box(frame=f, length=54, height=6, width=20, pos=(10,-18,0), color=(.2,.2,.2))

→ cylinder(frame=f, pos=(0,-6,0), axis=(0,4,0), radius=4)

→ cylinder(frame=f, pos=(0,-4,0), axis=(0,2,0), radius=5, color=(.2,.2,.2))

→ cylinder(frame=f, pos=(0,-2,0), axis=(0,2,0), radius=11, color=(.2,.2,.2))

→ return f

The modeled components that were used repeatedly are shown in the fig. 3.

Fig. 4. The gripping device modelRys. 4. Model urządzenia chwytającego

Creating of a robot arm was divided into stages, where first a model of the gripping device (fig. 4) was carried out and placed in the next member, etc. The separate stages


Fig. 6. The second step of joining elementsRys. 6. Drugi etap łączenia elementów

Fig. 7. The third stage of joining elementsRys. 7. Trzeci etap łączenia elementów

Fig. 8. The fourth stage of joining elementsRys. 8. Czwarty etap łączenia elementów

Fig. 9. The fifth step of joining elementsRys. 9. Piąty etap łączenia elementów

Fig. 10. The last stage of joining elementsRys. 10. Ostatni etap łączenia elementów

Fig. 5. The first stage of joining elementsRys. 5. Pierwszy etap łączenia elementów

154

NAukA

of joining elements in one arm of the robot are illustrated in the fig. 5–10. It should be note that each element has a local coordinate system, which considerably facilitates the control.

When the model is created and during the acting of sim-ulation, components can be rotated by the method rotate(), or can define a new position using the attribute pos. On the ”lower level” it is implemented in a typical way for OpenGL [7] – that is matrix operations. In this perspective, the operations of translation, rotation and scaling consist in multiplication of vertex coordinate vector by the corre-sponding conversion matrix.

A single vertex can be described by a vector v:

1

xy

=z

v .

The matrix of rotation around the X axis:

( ) ( )( ) ( )

1 0 0 00 cos sin 00 sin cos 00 0 0 1

=α αα α

−

RXM .

The matrix of rotation around the Y axis:

( ) ( )

( ) ( )

cos 0 sin 00 1 0 0

sin 0 cos 00 0 0 1

=

α α

α α

−

RYM .

The matrix of rotation around the Z axis:

( ) ( )( ) ( )

cos sin 0 0sin cos 0 0

0 0 1 00 0 0 1

=

α αα α

−

RZM .

Translation matrix:

1 0 00 1 00 0 10 0 0 1

x

y

z

tt

=t

TM .

Scaling matrix:

0 0 00 0 00 0 00 0 0 1

x

y

z

ss

=s

SM .

Translation: = ⋅Tv' M v . Scaling: = ⋅Sv' M v . Rotation around the X axis: = ⋅RXv' M v .

4. Control of the robot components

Worked out computer program to control the movements of the robot has a few operating modes: – manual – control with the keyboard and mouse, perfor-

med sequences of movements can be stored, – simulation – executing robot movements on the basis of

the loaded sequence, – automatic.

Three-dimensional user interface accompanies all mo-des. The program automatically starts up in manual mode, unless a parameter specifying the file with a record of the motion sequence will be given during the start. The change of mode can make at any time of the program. If the robot is not connected to the computer, instead of the automatic mode, the simulation mode will be run.

4.1. Control in manual modeIn order to interact with the user in manual mode, keyboard procedure:if scene.kb.keys:→ k = scene.kb.getkey()→ if k==’left’:→ [determined operation]

and mouse procedure:

m = scene.mouseif m.clicked:→ object = m.picked

built in library of Visual have been used. These procedu-res also allowed to significant simplification of the program.

In each loop, the program checks the status of HID devices (Human Input Devices). Each keyboard key has an associated own pair of signals, called „scancode. Pressing any key generates an appropriate interrupt signal, which in turn is handled by the subprogram to read and interpret the keyboard buffer. If activity of user is detected, the program checks whether the pressed key is used for controlling the robot. After the identification pressed keys, control func-tions of individual components position in the space and the velocity change of position are activated.

Operation of mouse comes down to read the clicked object ID, which at a later stage allows you to select the active element of the robot. Information about clicked


object concerns the lowest level. In order to determine to which elements the clicked object belongs, the recurrent searching of the relation between frames occurs.

A general algorithm of robot arm control is relatively simple (fig. 11): – if the clicked object is in the frame grouping elements,

we make sure that the frame is one of the supported seg-ments of the robot, if not – the same procedure to check for the frame that contains the current element is perfor-med – and so to the moment at which the first condition is not fulfilled, or will be defined in which component the clicked element occurs,

– when they detect on which part of the robot was clicked, activation takes, the color of part changes, and the requ-ired variables are setting.When the user presses on the keyboard the left or right

arrows, rotation of active part occurs (angle is set by using the top and bottom arrows). Robot motion is carried out si-multaneously in the virtual model, as well as the real object.

The sequence of movements performed by the user can be saved by pressing:[Enter] – save the last operation,[Space] – adding a pause for 1 second to the list of opera-

tions to be performed,[S] – save the list of operations in file.

4.2. Control in simulation or automatic modeIf the program is run in simulation or automatic mode (fig. 12), then program gets down to the control mode and executes the commands contained in the loaded script. If the robot is not connected to the computer (simulation mode) is performed only simulation (visualization of robot move-ments on a computer screen).

Fig. 13. Servo Controller Mini Maestro 12-Channel USB Servo Controller

Rys. 13. Sterownik serwomechanizmów Mini Maestro USB Servo Controller

Fig. 12. The modes of robot: a) simulation, b) automaticRys. 12. Tryby pracy robota: a) symulacyjny, b) automatyczny

Fig. 11. Robot control algorithmRys. 11. Algorytm sterowania robotem

5. Control of servomechanisms

Pololu Servo Controller USB Maestro (fig. 13) was used to control of servomechanisms. With this driver, communica-tion can take place on a serial port TTL (+5 V), which ena-bles for example the Bluetooth adapter or a microcontrol-ler connection, or via the USB cable seen by the computer as a virtual serial port.

In order to set the selected servo to the chosen position, connection with the driver must be made, and then con-trol is based on the transfer of three-byte control instruc-tion (fig. 14).

156

NAukA

Maciej Wochal

Student of Mechanical Engineering. Co-founder member of Scientific Circle of Computer Aided Design of Mechatronic Devices and Machines. Scientific inter-ests: programming, navigation and con-struction of mobile robots, digital con-trol systems.e-mail: [email protected]

Dawid Cekus, PhD

Adjunct professor at the Institute of Mechanics and Machine Design Foundation of Technical University of Czestochowa. Tutor and co-founder member of Scientific Circle of Com-puter Aided Design of Mechatronic Devices and Machines. Scientific inter-ests: studying the dynamics of mechan-ical systems, the use of genetic algo-rithms in the modeling of machines and their components.e-mail: [email protected]

Pawel Warys, PhD

Adjunct professor at the Institute of Mechanics and Machine Design Foun-dation of Technical University of Czesto-chowa. Author and co-author of several publications from this field in national journals. Scientific interests: static and dynamics research of mechanical sys-tems (especially the forest crane and its subassemblies). e-mail: [email protected]

6. Conclusion

Despite the fact that all objectives were achieved, develo-ped program in present form is not suitable for controlling the whole walking robot, but only to control his arms. It is difficult to imagine a machine control, consisting of more than twenty servos using only a few buttons. Can thus for instance define the direction in which the robot would have to move, and the rest of the steps can be executed automa-tically by the walking robot, but it will be still require a lot of effort work on the algorithms that make it will be able to move almost autonomously and control will consisted only on determining some guidelines, and not the positioning of each servo individually.

Acknowledgements

This work was carried out within Scientific Society of Com-puter Aided Design of Mechatronic Devices and Machines.

Bibliography

1. Klaassen B., Linnemann R., Spenneberg D., Kirchner F., Biomimetic walking robot SCORPION: Control and modeling, “Robotics and Autonomous Systems”, 41, 2002, 69–76.

2. Ion I.N., Marin A., Curaj A., Vladareanu L., Design and motion synthesis of modular walking robot MERO, “Journal of Automation, Mobile Robotics & Intelligent Systems”, vol. 2, no. 4, 2008, 25–30 .

3. Zhang X., Zheng H., Walking up and down hill with a biologically – inspired postural reflex in a quadrupedal robot, “Autonomous Robots”, 25, 2008, 15–24.

4. Bałchanowski J., Gąsieniec P., Budowa i badania symu-lacyjne robota kroczącego, “Acta Mechanica et Automa-tica”, vol. 4, 2010, 9–16.

5. Mrozowski J., Awrejcewicz J., Bamberski P., Analysis of stability of the human gait, “Journal of Theoretical and Applied Mechanics”, 45, 1, 91–98, Warsaw, 2007.

6. Scherer D., Dubois P., Sherwood B., VPython: 3D Inte-ractive Scientific Graphics for Students, “Computing in Science and Engineering”, 2000, 82–88.

7. Sterna W., Chodorowski B., OpenGL I wprowadzenie do programowania gier, Wydawnictwo NAKOM, 2008.

8. [python.org].9. [vpython.org].

Fig. 14. The control dataRys. 14. Instrukcja sterująca

Zastosowanie środowiska programistycznego VPython do wizualizacji i sterowania robotem

Streszczenie: W pracy przedstawiono sposób wykorzystania środowiska programistycznego VPython (język programowania Python wraz z biblioteką graficzną Visual) do wizualizacji i ste-rowania ruchami robota. Sposób modelowania oraz sterowania został opracowany dla robota kroczącego, który jest budowany w Instytucie Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechni-ki Częstochowskiej. Do nawiązania połączenia między kompute-rem, a modułami robota wykorzystano bibliotekę pySerial. Utwo-rzony program umożliwia pracę w trybie ręcznym (sterowanie za pomocą klawiatury i myszki z jednoczesną obserwacją sekwencji ruchów w czasie rzeczywistym na monitorze komputera), symu-lacyjnym (realizującym ruchy robota na podstawie wczytanej sekwencji) lub automatycznym. Użytkownik ma możliwość dyna-micznego definiowania prędkości oraz położenia pojedynczego serwomechanizmu lub grupy serwomechanizmów.

Słowa kluczowe: robot kroczący, układ sterowania, Python


Control of mobile walking robot (hexapod)Bartosz Stańczyk, Dariusz Grzelczyk, Jan Awrejcewicz

Department of Automation and Biomechanics, Lodz University of Technology

Abstract: This paper presents the design and control system of the walking six-feet mobile robot further referred as a hexapod. Hexapod is a robot, i.e. motor vehicle that walks on six legs. Since for the keeping stability of the robot only three legs are sufficient, hexapod possesses the great flexibility in walking. For instance, even if one of its legs would become incapacitated, the robot can still walk. The considered robot is controlled using the software provided through a mobile phone. Communication is realized via a Bluetooth wireless network with a range of about 50 m. Robot is equipped with a wireless camera, the system separating the con-trol signals, and the ATmega162 micro-controller. A choice of the micro-controller has been motivated by a number of the generated PWM (Pulse-Width Modulation) signals. Hexapod drive is realized by means of 18 servos. In addition, it has a gripper, whose move-ment is performed by three servos. A servo is controlled by a va-riable signal with a fill factor of 50 Hz. PWM signal with variable duty cycle is divided into eight different servo-controlled signals. ATmega162 micro-controller can control 32 servos. The system dividing the signal is based on a 4-bit binary counter 74LS93N and demultiplexer 74238N.

Keywords: hexapod, control

1. Introduction

Hexapod is a walking robot modelled on the structure of si-x-feet insects. As the name implies it has six legs, which me-ans that the robot is characterized by a high stability. To ma-intain a balance of robot only three legs can be used, but to move four ones. For this reason in case of failure of two extre-mities the robot can still continue his task. The number of different gait realizable by robots of this type according to the McGee formula is equal 11!, which allows to make a bro-ad analysis of different combinations of robot gait. A lot of interesting information on the walking robots can be found in [1–5]. Different types of robot’s gait are more fully descri-bed in reference [3].

The largest lift capacity and the greatest stability of mo-tion which the robot receives corresponds to the case of wal-king using one leg and leaning on the other five. The comple-xity of the system construction allows to obtain such a lar-ge number of combinations of gait. Unfortunately, it is rela-ted not only with complicated software, but also with a high power energy required to operate the robot. Hexapod has an advantage over riding robots in the event of overcoming ob-stacles. However, the need for continuous operation of all se-rvos to keep the robot at an upright position requires a lot of battery power. Despite using a 3.5 Ah battery and unit energy expenditure of about 130 A, the developed prototype is able to work only about one hour.

2. Design

Fig. 1 shows the structure of the considered walking six-feet mobile robot (hexapod). Its maximum dimensions (width × length × height) are about 30 cm × 50 cm × 50 cm. The ro-bot has a two-jaw gripper and three pairs of legs, which al-lows moving at maximum speed 5 km/h. Its total weight with battery is approximately 4 kg. The robot is equipped with a temperature sensor, an ultrasonic distance sensor, a micro-phone and a colour camera with lighting.

Fig. 1. View of the built walking six-feet mobile robot (hexapod)Rys. 1. Widok zbudowanego sześcionogiego robota kroczącego –

hexapoda

Each limb consists of three identical rotating cells (fig. 2), which allows to simplify the mathematical analysis of its gait. Such construction of the leg is the most optimal system to overcome obstacles. Each node to drive the servo modeling was used to simplify significantly the way of movement and control of the hexapod.

Fig. 2. Design of a robot limb consisting of three rotating cells (servos)

Rys. 2. Projekt nogi robota zawierającej trzy ogniwa obrotowe (serwomechanizmy)

158

NAukA

Electric servo actuator is characterized by a gear ratio equ-al to 273, and the generated torque equal to 0.2 Nm. It has a servo feedback, which based on the reading from the sensor selects the appropriate setting angle of the robot arm. Unfor-tunately, these mechanisms have not sufficiently high accura-cy and require calibration in the control system. To set the appropriate angular position of the servo square-wave signal with a frequency 20 Hz and variable fill factor from 500 µs to 2500 µs is used. It allows the activation of eight actuators (servos) with a single signal PWM. For the generated signal the 8-bit micro-controller Atmega162 was used, possessing the following properties exhibited during the robot movement:(i) up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz;(ii) on-chip 2-cycle Multiplier;(iii) 16 kBytes of In-System Self-programmable Flash pro-

gram memory;(iv) 512 Bytes EEPROM;(v) 1 kBytes Internal SRAM.

Peripheral Features:(i) two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers

and Compare Modes;(ii) two 16-bit Timer/Counters with Separate Prescalers,

Compare Modes, and Capture Modes;(iii) six PWM Channels;(iv) dual Programmable Serial USARTs;(v) master/Slave SPI Serial Interface.

Generation of four 16-bit PWM signals can control up to 32 servos at the same time. However, this requires a mecha-nism to recognize and divide the signal into individual se-rvos. Adequate system of sharing is based on digital electro-nic circuits made in TTL technology. The signal generated by a PWM can be divided into eight signals with a length of 2.5 ms and frequency of 20 Hz. Pulse generation begins with

re or distance from the obstacle. Technology of 18B20 tem-perature sensor allows for temperature measuring to an ac-curacy of 0.1 °C, while the results of an ultrasonic measu-rement system are analyzed by the 10-bit ADC transmitter contained in the micro-controller. Hexapod is equipped with a BTM-222 receiver-transmitter, which allows to send signals even from distance up to 100 m. This technology allows for communication with the robot via any device with a Blueto-oth system and appropriate software. In order to control the hexapod appropriate algorithm in Java-me program was de-veloped, which allows to control the robot from any mobi-le phone. Data sent by the program are responsible for se-lection of the appropriate sequence of walking or moving of the gripper. The program also receives signals from sensors installed on the robot and displays them on the screen, ma-king it easy for control purposes.

4. Conclusions

In this paper both monitoring and control of walking six-feet mobile robot (hexapod) has been presented. For this reason, an appropriate micro-controller and software instal-led on mobile phone was used. Control of the robot was re-alized via Bluetooth wireless signals. The considered robot has been developed both for research studies as well as in-spection applications. Its size, ease of overcoming obstacles and compact design, allows reaching the tight and awkward places. In inspection and remote, the control equipped with a wireless system helps transmitting audio and video data.

AcknowledgementsThe work has been supported by the MASTER Program of the Foundation for Polish Science for years 2010–2012.

Bibliography

1. Morecki A., Fundamentals of robotics, WNT, Warsaw 1999 (in Polish).

2. Vukobratović M., Potkonjak V., Dynamics of manipula-tion robots: theory and application, Springer-Verlag, Ber-lin 1982.

3. Zielińska T., Walking machines, PWN, Warsaw 2003 (in Polish).

4. [www.forbot.pl/forum/topics20/teoria-roboty-kroczace-teoria-i-podstawy-projektowania-vt2206.htm], Walking robots – theory and fundamentals of design, (in Polish).

5. Krupanek B., Bogacz R., Kubik B., Walking robot ‘Heksapod’, „Pomiary Automatyka Robotyka” 9/2010, 70–83, (in Polish).

Sterowanie sześcionogiego robota kroczącegoStreszczenie: Praca przedstawia projekt i układ sterowania sze-ścionogiego robota kroczącego zwanego hexapodem. Hexa-pod jest robotem, który chodzi na sześciu nogach. Ponieważ do utrzymania stabilności robota wystarczą mu tylko trzy nogi, he-xapod posiada dużą elastyczność w chodzeniu. Dla przykładu, nawet jeśli jedna z jego nóg stanie się niesprawna, robot wciąż może chodzić. Robot sterowany jest za pomocą oprogramowa-nia znajdującego się w telefonie komórkowym. Komunikacja jest zrealizowana za pomocą sieci Bluetooth o zakresie około 50 m. Robot wyposażony jest w kamerę bezprzewodową, system po-

Fig. 3. Control signals used for servo control of the robotRys. 3. Sygnały sterujące wykorzystane do sterowanie robotem

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5

Serwo 8

Serwo 7

Serwo 6

Serwo 5

Serwo 4

Serwo 3

Serwo 2

Serwo 1

PWM

the detection of the first servo, then, set the value of the fil-ling coefficient of the signal for the appropriate actuator. Changing to another servo follows after overflow of the PWM counter. The signal in this form is given to the 4-bit binary counter 74LS93N, that controls the choice of output of the demultiplexer 74238N. Demultiplexer outputs are connected with the actuator control inputs. Fig. 3 shows an example of control signals used for servo control of the studied robot.

3. Software and control

The microcontroller was programmed in C++. The signals for the individual movements are sent by Serial USARTs from the control device. Simultaneously, the microprocessor sends the data read from the installed sensors such as temperatu-


Bartosz Stańczyk, BSc Eng.

A graduate of the Faculty of Mechanical Engineering, Mechatronics, of Lodz Uni-versity of Technology. Interests: electro-nics, robotics and computer science.e-mail: [email protected]

Dariusz Grzelczyk, PhD

In 2005 he graduated Faculty of the Tech-nical Physics, Computer Science and Applied Mathematics of the Lodz Univer-sity of Technology and received the MSc degree in a field of Computers Physics. In 2010 he received PhD title in Tech-nical Sciences, Mechanics in the Faculty of Mechanical Engineering of Lodz Uni-versity of Technology, where he currently works in the Department of Automation and Biomechanics. Interests: Contact phe-nomena and tribological processes, elec-tronics, mechatronical systems, control of dynamic systems.e-mail: [email protected]

Prof. Jan Awrejcewicz, DSc, PhD

He graduated from the Faculty of Mecha-nical Engineering of Lodz Technical Uni-versity in 1977, where he also completed his PhD in 1981. In 1994 he earned the title of Professor from the President of Poland, Lech Wałęsa, and in 1996 he obtained the Golden Cross of Merit from the next President of Poland, Aleksander Kwaśniewski. He is the author or co-author of over 600 scientific articles and of more than 50 monographs and books. Since 1998 he is the Head of Department of Automatics and Biomecha-nics, and since 2006 the Head of PhD School on ‘Mechanics’ asso-ciated with the Faculty of Mechanical Engineering of the Technical University of Lodz. He received many awards and honors for achie-vements of national and international importance. His research inte-rests are focused mainly on mathematics, mechanics, biomecha-nics, automation and mechatronics.e-mail: [email protected]

działu sygnałów sterujących oraz mikrokontroler ATmega162. Wybór mikrokontrolera podyktowany został liczbą generowanych sygnałów PWM (Pulse-Width Modulation). Ruch haxapoda re-alizowany jest za pomocą 18 serwomechanizmów. Ponadto po-siada on chwytak, którego ruch jest wykonywany przez trzy si-łowniki. Serwomechanizmy sterowane są sygnałami o zmiennym współczynniku wypełnienia i częstotliwości 50 Hz. Sygnał PWM o zmiennym współczynniku wypełnienia podzielony jest na osiem sygnałów sterujących różnymi serwomechanizmami. Mikrokontro-ler ATmega162 może kontrolować 32 serwomechanizmy jedno-cześnie. System podziału sygnału sterującego oparty jest o 4-bi-towy licznik binarny 74LS93N oraz demultiplekser 74238N.

Słowa kluczowe: sześcionogi robot kroczący (hexapod), stero-wanie

160

Nauka

The electrooculography control systemDamian Pakulski, Artur Gmerek

Institute of Automatic Control, Lodz University of Technology

Abstract: The aim of the project described in this paper was to develop the methods of recording and analysis of EOG signals meant for manipulator control. Electrooculography (EOG) is a tech-nique for measuring of the resting potential of an eyeball, indi-cative of the electrical activity of the retina. This paper presents the complete electrooculographic system which cooperates with the special 2-DOF manipulator. The end-effector of manipulator is a laser pointer. In order to adjust signal to manipulator control, data must be collected and then digitally processed. There has been used the nonparametric model (classifier) based on Artifi-cial Neural Networks (ANN). The task of the classifier was the assignment of an unknown fragment of the signal to one of eight classes of the eyeball movements. Application can be used by handicapped patients, who are able to communicate with others by their eyes only.

Keywords: electrooculography, EOG, HMI, BMI, manipulator control

1. Introduction

The electrooculographic signals appear when someone moves his or her eyes. EOG signals are usually used in diagnosis of eye diseases. Since these signals are determined, they may be used for manipulators control. This paper describes a system which, based on the information from EOG signals, is able to control external devices.

Proper processing of EOG signal and its usa-ge in manipulator control is complicated. Signals have to be registered from the skin, then proces-sed in the multilevel process, after that the cha-racteristic features of signals are designated and finally vectors of features are classified to the di-stinguished classes.

EOG signals are much simpler to record and process than e.g. EEG (electroencephalographic) signals, however not many scientists know abo-ut their existence.

There are not many papers about processing and usage of EOG signals. Usakli and Gurkan used EOG signals for control of simple virtual keyboard. The accuracy of classifi-cation was 95 % [1].

Some scientists advanced conventional EOG apparatuses to their wireless forms. For example Ubeda et al. has cre-ated a wireless system which has been successfully used for industrial robot control [2].

Many papers concentrate on register and digital proces-sing of signal [3, 4]. Researchers usually used following fe-atures: polarization of signal amplitude, slope (based on de-

rivative of the signal), meaning value and duration of signal peak [4, 5]. Classification is usually done with the use of sta-tistical models [5, 6].

2. The general description of the system

System consists of several parts. The first part is connec-ted with a signal recording from the skin. It can be done with the use of specially designed EOG apparatuses. After that, the signal is routed to the high-level controller whe-re it’s digitally processed. The final stage of it is classifica-tion with the use of an ANN, which assign signals to specific classes. These classes are connected to particular movements e.g. movement of an eye to its left or right position, closing of the eye, etc. After that these movements are mapped to specific motion mechanism of a 2-DOF manipulator. These motion commands are sent via USB to a low-level control-ler (ATmega8 microprocessor), which controls the manipu-lator directly (fig. 1).

Fig. 1. General scheme of the systemRys. 1. Ogólny schemat systemu sterowania

Visual feedback

ControlObject

Digital processingsystem

EOG

EOG

2.1. EOG apparatusesEOG apparatuses have been designed to properly record EOG signals from the skin. These consist of 5 important components. The first thing is instrumentation amplifier. After signal has been registered by the instrumentation amplifier, it is routed to a high-pass filter in order to remo-ve constant component of the signal. After that the signal is amplified several times and finally is routed to the low-pass filter, which also acts as an antyaliasing filter. Such output signal can be finally converted to digital form. The PCB of the device was designed in Altium Designer (fig. 2). It has been used second order Butterworth filter.


2.2. High-level controllerHigh-level controller consists of functions written in C# language, which are responsible for communication with acquisition card, signal processing and communication with low-level manipulator controller.

During experiments which have been intended to show the nature of the EOG signals, there has also been used another application for data acquisition. In this program, the graphical commands appear in the application win-dow that the user has to follow. During it the EOG si-gnals are registered.

2.3. Low-level controller and manipulatorLow-level controller is responsible for manipulator con-trol. The controller is based on popular ATmega8 Atmel

microcontroller. The object is constructed from two hob-by servos, which axis is shifted by 90 degrees. The end-effector of manipulator is a laser point. This kind of servos is controlled in a very specific way. These accept only pul-se width modulation (PWM) signal with 50 Hz frequen-cy. The position of the servo can be regulated by changing the duty cycle from 1 ms to 2 ms, where 1.5 ms is neutral position of servo and remaining two are its extreme posi-tions. Microcontroller communicates with high-level con-troller through UART protocol with the use of USB trans-mission. There was used the FTDI UART-USB converter.

3. Signal Processing and Classification

Signal processing is composed of the following stages: filte-ring, division into sections based on the movement pattern, and finally calculation of signal descriptors. After receiving the signal, it has been filtered with low-pass filter, which transfers function that can be described as:

( )2

20.31 0.24 0.31

0.24 0.38s sG s

s s+ +

=+ −

This kind of filter removes almost all noise, remaining, as a result, a pure determined signal (fig. 3).

Then these signals were processed again in order to di-vide them into sections, in which motion appears. It has been done based on a modified threshold algorithm. The beginning of the motion has been designated based on the derivative of fragment of the signal (DS). When DS is big-ger, then the established threshold, it means that patient has moved his/her eyes. The end of the motion has been designated based on moments passing by zero. The cha-

Fig. 2. Circuit diagram of EOG apparatusFig. 2. Schemat elektryczny opracowanego aparatu EOG

1

1

2

2

3

3

4

4

D D

C C

B B

A A

Title

Number RevisionSize

A4

Date: 2012-11-20 Sheet ofFile: C:\Users\..\EOG.SchDoc Drawn By:

-V4

IN+3 IN-2 OUT 6

REF 5

RG1

RG8 +V 7U1

INA128UA

1k6

R1

Res3

100K

R2

Res3

100K

R3

Res3

V_PLUS

V_MIN

1k6

R19

Res3

3

21 A

84

U3AOP213FS

6

57 B

84

U3BOP213FS

V_PLUS

V_MIN

20K

R9

Res3

390K

R5

Res3

39pF

C5

Cap

390K

R12

Res3

V_MIN

V_PLUS

J1

Socket

Wzmacniacz instrumentacyjny - G = 16

0.1uF

C8Cap

11K

R6

Res311K

R7

Res3

V_MIN

V_PLUS

Filtr dolnoprzepustowy - fc = 100Hz

0.47uF

C7

Cap0.47uF

C6

Cap

750K

R4

Res3

1Meg5

R8Res3

V_MIN

V_PLUS

Filtr górnoprzepustowy - fc =0,3Hz

V_PLUS

V_MIN

1K

R11

Res3

10K

R10

Res3

910

R13Res3

V_MIN

V_PLUS

1K

R16Res3

1K

R15

Res3

51K

R14

Res3

Wzmacniacz odwracajacy - G = 50

Wzmacniacz odwracajacy - G = 10

5

67B

84

U2BOP213FS

2

31A

84

U2AOP213FS

5

67B

84

U4BOP213FS

2

31A

84

U4AOP213FS

0.22uF

C4

Cap

V_PLUS

V_MIN

1234

P1

Header 41234

P2

Header 4

GND GNDGND

GND

GND

GND

GND

Fig. 3. Time domain and spectrogram of filtered signal. It can be seen on the spectrogram that, inter alia, the 50 Hz noise has been removed

Rys. 3. Sygnał w dziedzinie czasu i spektrogram odfiltrowanego sygnału EOG. Na rysunku możemy zauważyć, iż między innymi została usunięta składowa 50 Hz

0 1 2 3 4 5 6

x 104

−4

−3

−2

−1

0

1

2

3

4

0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

samples

samples

volta

ge [V

]fre

quen

cy [H

z]

162

Nauka

ced one additional electrode on the patient, which would connect the subject to the ground of the devices. The following classes of motions were used: left eye position, right position, upper position, button position, single blink, double fast blink, close and open eyes. Study of the signal shows that the values of signal amplitude of the blinks are too low, compared to other motions. Consequently, because the division algorithm has been used based on time doma-in of the signal, blinks have been excluded from the con-trol algorithm.

Fig. 5. Architecture of the ANN used for the signal classificationRys. 5. Architektura sztucznej sieci neuronowej użytej do klasy-

fikacji sygnałów

racteristics of the EOG signals require passing only once through zeros and then relatively slowly reaching zero thro-ugh exponential curve. These calculations have been repe-ated, while windows travel through recorded fragment of the signal (fig. 4).

Fig. 6. The system designer during the experimentsRys. 6. Projektant systemu podczas przeprowadzania ekspery-

mentów

Fig. 7. Simple characteristics of EOG signalsRys. 7. Przykładowe charakterystyki sygnałów EOG

0 10 20 30 40 50 60−6

−4

−2

0

2

4

6

time[s]

Am

plitu

de[V

]

0 10 20 30 40 50 60−4

−2

0

2

4

time[s]

Am

plitu

de[V

]

move to the left

move to the right

move to the top

move to the bottom

After recording the principal movements, signals were processed, which final stage designated the vector of fe-atures. This vector of features was used to teach on ANN. After teaching, the ANN was prepared for real time ope-ration. The code was written in C# language.

5. Results and EOG signals characteristic

Electrooculographic signals, similarly to other signals, can be considered in spectral or time domain. Signals in time domain give many information and are relatively easy to be interpreted. Experiments provide insight into the natu-

Fig. 4. Illustration of the signal division into sections. Blue points correspond to the beginning and red points to the end of motion

Rys. 4. Ilustracja algorytmu podziału sygnału na fragmenty, w których występował ruch. Niebieskie punkty symbo-lizują początek ruchu, a czerwone jego koniec

It is important to finish the motion before recording is stopped, otherwise signal may be divided between different recordings, which causes system malfunction.

After signal division, descriptors of motion have been designated. There have been used the following features: an amplitude of the signal, middle value, mean frequency, du-ration of divided fragment of motion and slope of the signal

Vector of features was routed to the ANN, where it was classified to one of several classes (fig. 5).

4. Experiments

Experiments were done on the one subject (fig. 6). It is important that during signal recording there should be pla-


Artur Gmerek, MSc

He received the MSc degree in the field of Automatics and Robo-tics, majoring in Control of Industrial Processes and Applied Computer Science from Lodz University of Tech-nology, Poland, in 2008. His research interests include rehabilitation robots and biomedical systems. He currently studies for a PhD at the Lodz Univer-sity of Technology in Institute of Auto-matic Control.e-mail: [email protected]

Damian Pakulski, BSc, Eng.

He is studying an Automatic Control and Robotics at the Lodz University of Tech-nology. In 2012 he defended his BSc, Eng thesis “Feasibility study of use of electro-oculography signals for control of mani-pulators”. In his range of his interests are signal processing and robotics.e-mail: [email protected]

re of EOG signals. Research study shows that left and right, as well as upper and bottom eyes movement can be easily distinguished. Depending on the placement of elec-trodes, the amplitude of upper and left motion pattern would be positive, while the amplitude of right and bot-tom eye movement would be negative. Besides, amplitude of upper and bottom eye movement is lower then left-right eye movement (fig. 7).

User was able to successfully control the manipulator with the created algorithm. Results of experiments also show that only one channel of electrode is sufficient to cor-rectly control the manipulator.

6. Conclusions

The aim of the project was achieved. There has been cre-ated a fully automated system which has been successful-ly used for manipulator control. Recorded signal has been high-quality compared to the signal of other researchers. This means that the EOG apparatuses have been properly designed. Overall accuracy calculated on the basis of seve-ral dozens of measurements has been 91 %. This results have been calculated in offline experiments after dividing the set in 7:3 proportion (training:test). This accuracy could be probably greater with the use of additional featu-res connected to spectral characteristics of the signals. The experiments showed that EOG signals could be used even in more complicated control systems than 2-DOF mani-pulators.

7. Future Work

Future work will be connected with verification the degree of discrimination of other features. In the future there should be, for example, tested the non-linear dynamics descriptors e.g. fractal dimensions, Lyapunov exponent and others. These descriptors are not much correlated with pre-viously used ones.

It is also important to improve the division algorithm by the spectral information. After such refinement, it wo-uld be possible to use blinks in the system.

There will be also created more complicated control system, probably virtual keyboard or some sort of mobi-le application.

Bibliography

1. Usakli A.B., Gurkan S., Design of a Novel Efficient Human – Computer Interface: An Electrooculagram Based Virtual Keyboard, “IEEE Transactions on Instru-mentation and Measurement”, 2010, vol. 59, 2099–2108.

2. Ubeda A., Ianez E., Azorin J.M., Wireless and Porta-ble EOG-Based Interface for Assisting Disabled People, “IEEE/ASME Transactions on Mechatronics”, 2011, vol. 16, 870–873.

3. Kuo C.-H., Chan Y.-C., Chou H.-C., Siao J.-W., Eyeglasses based electrooculography human-wheelchair interface, Proc. IEEE Int. Conf. Systems, Man and Cybernetics SMC, 2009, 4746–4751.

4. Kherlopian A.R., Gerrein J.P., Yue M., Kim K.E., Kim J.W., Sukumaran M., Sajda P., Electrooculogram based

system for computer control using a multiple feature classification model, Proc. 28th Annual Int. Conf. of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Socie-ty EMBS, 2006, 1295–1298.

5. Bulling A., Ward J.A., Gellersen H., Troster G., Eye Movement Analysis for Activity Recognition Using Elec-trooculography, “IEEE Transactions on Pattern Analy-sis and Mechine Intelligence”, 2011, vol. 33, 741–753.

6. Barea R., Boquete L., Mazo M., Lopez E., System for assisted mobility using eye movements based on electro-oculography, “IEEE Transactions on Neuronal Systems and Rehabilitation Engineering”, 2002, 10, 209–218.

System sterowania wykorzystujący sygnał elektrookulograficzny

Streszczenie: Celem projektu było opracowanie metod prze-twarzania i analizy sygnałów elektrookulograficznych (EOG) na potrzeby sterowania manipulatorów. Elektrookulografia jest techniką polegającą na pomiarze potencjału szczątkowego gałki ocznej, który wynika z elektrycznej aktywności siatkówki. W pracy przedstawiony jest kompletny system elektrookulogra-ficzny, który steruje laserowym wskaźnikiem o dwóch stopniach swobody. W celu dostosowania sygnału EOG do sterowania manipulatora musi zostać on zarejestrowany przez czuły gal-wanometr zwany elektrookulografem, a następnie przetworzony w wieloetapowym procesie przetwarzania cyfrowego. Końco-wym etapem przetwarzania jest klasyfikacja z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych. Aplikacja może zostać wykorzy-stana przez osoby niepełnosprawne mające kontrolę jedynie nad ruchem swoich oczu.

Słowa kluczowe: elektrookulografia, EOG, HMI, BMI, manipu-lator, sterowanie

164

Nauka

Construction and steering of a two-wheeled balancing robot

Krzysztof Lorenc, Adam Białkowski, Jan AwrejcewiczFaculty of Mechanics, Lodz University of Technology

Abstract: Our aim is the construction and steering of a two-whe-eled balancing robot. It is a mechatronic device, combining mecha-nical construction with electronic elements such as sensors and motor drives, as well as control with steering and programming. The robot uses readings from both analog gyroscope and digital accelerometer to compute its current angle position and main-tain the upward position. Standard DC gear motors with plastic model wheels are used to move the body on a flat and non-slip-pery surface. Independent power supply in form of batteries has been mounted. The robot uses a PID regulator to control the signal for drives in order to smooth the movement and minimize the over-shooting. PID parameters can be adjusted both in physical (using potentiometers) and software-wise manner. Board on the robot communicates wirelessly with a computer. Obtained data is sent to LabVIEW, so it can be easily plotted in real time to show various dynamic values such as motors PWM signal, computed angle or angular velocity of wheels. The connection to computer also allows steering the robot and commanding different routes. Dedicated controls can be used to tweak PID parameters and analyze their influence on robots stability.

Keywords: balancing robot, inverted pendulum

1. Introduction

The construction of a two-wheeled balancing robot is a very interesting sample of a mechatronic device. It consists of all basic elements that are considered as necessary to call it as a mechatronic project. There is mechanical design, which deals with the body of the robot and drives with attached wheels. Electrical design covers power supply, H-bridges, microprocessor and others. There is steering enabling the whole body to stand in upright position, and of course pro-gramming to read data from sensors and process them in a proper manner. All of topics mentioned above can be easily developed in future, thus allowing further studies and impro-vements.

2. Mechanical design

For balancing, the robot acts as an inverted pendulum and maintains its balance with the help of the wheels attached directly to the engines. We used a combination of off-the-shelf and special order parts to construct the robot. The fra-me of the robot was created by exploiting the aluminum pro-

files. It has the form of cuboid, which ensures adequate rigi-dity and ease of mounting of necessary measuring elements.

The robot has two DC (direct current) motors with sup-ply voltage of 6 volts and maximum load of current of 1.6 A. In order to reduce the very high rotational speed of the engi-nes, we equipped them with mechanical transmissions. These engines are powered by separate batteries Li-Pol 1800 mAh each. They were attached to the frame with metal handles which had rubber elements. Rubber grips act to suppress vi-brations during engine operations and provide adequate at-tachment to prevent uncontrolled movement of the drives. Directional control of motors is provided by two H-bridges with increased current efficiency. This has been done by con-necting appropriate output pins in accordance with catalog data provided by the manufacturer [1]. The wiring diagram is shown in fig. 1 and table 1.

The most important element of the robot is board Ardu-ino Mega 1280 where the microcontroller Atmega1280 is pla-ced. The board is powered by a third Li-Pol battery connec-

Fig. 1. Pin connection diagram – current efficiency increase of H-bridge [1]

Rys. 1. Schemat połączenie pinów mostka H w celu zwiększenia wydajności prądowej [1]


ted in place of an external power supply. Built-in stabilizers ensure the availability of the most basic and desired volta-ges of 5 V and 3.3 V. Information on the current position of the robot is collected from sensors and can be display-ed on a computer screen thanks to a module FT232 RL built into the board and a USB cable connected to the computer. In addition, for construction purposes, a PCB (Printed Circuit Board) was designed and created. Two H-bridges and gyroscope have been placed on the PCB.

Accelerometer allows measurement of the static accele-ration – gravitational and dynamic – as well as the instan-taneous accelerations occurring during engine operations. This accelerometer that measures the acceleration of gra-vity vector R due to proper scaling in the output gives si-gnals that are components of Rx, Ry, Rz of given vector R to relevant x, y, z axes.

Moreover, thanks to information obtained about the components of vector R, by using simple mathematical equations we have the ability to accurately determine the angular position of the robot relevant to the desired axis.

The equations follow:

arccos Rxx

Rθ =

arccos Ryy

Rθ = (1)

arccos Rzz

Rθ =

Tab. 1. H-bridge pin connectionTab. 1. Mostek H – połączenie pinów

Pin number Connection

2 – 14 OUTPUT 1 – OUTPUT 4

3 – 13 OUTPUT 2 – OUTPUT 3

5 – 12 INPUT 1 – INPUT 4

6 – 11 ENABLE A – ENABLE B

7 – 10 INPUT 2 – INPUT 3

Fig. 2. Allocation of an angle composition of vector R (gravita-tional acceleration)

Rys. 2. Rozkład wektora przyspieszenia grawitacyjnego R na składowe Rx, Ry i Rz

Fig. 3. Wiring diagram of accelerometer via I2C [2]Rys. 3. Diagram podłączenia akcelerometru przez magistralę I2C [2]

The accelerator is powered by a voltage of 3.3 V. The sensor is highly sensitive to interference and that is why it is necessary to use appropriate filtering and a stable sup-ply voltage. The information from the sensors are transmit-ted to the controller via the I2C Accelerometer pins SDA and SCL must be connected via external resistors R10K aka “pull up” [2].

The robot is also equipped with a gyroscope, by means of which we can determine the rotational speed of the who-le structure. This gyroscope is an analog biaxial module LP550AL made by STMicroelectronics [3]. The measure-ment takes place relative to the x axis with a sensitivity of ±500 degrees/s at a four-enhancing signal. Just like the ac-celerometer this module is supplied by a voltage of 3.3 V.

2.1. SensorsThe robot uses two sensors – analog gyroscope and digi-tal accelerometer. The gyroscope outputs analog signal, which represents separately angular accelerations in eve-ry axis (that is x, y and z axis). This signal is converted from analog form to digital form using ADC built in the Arduino. Its resolution is 10-bit and results in 1024 possi-

All the major pins of these components were placed on PCB for easy connection. In addition, there are pins sup-porting the accelerometer that are used for transmission and reception of both data and power. Information about the angular position of the robot is supplied by accelerome-ter ADLX345 from Analog Devices. This is a digital three- -axis module. The robot was used for sensitivity of ±2g.

166

Nauka

ble readings. Accelerometer readings on the other hand are used to calculate current angular position of the robot with use of common atan2 function. The signal from it is already transmitted in digital form, so there is no need for conversion. For practical use only one of the readings from gyroscope is needed (angular acceleration on x-axis) and two readings from accelerometer (x and y axis).

2.2. Drives controlTwo drives are controlled with help of dual H-bridges (coupled together to withstand higher current). H-bridge is supplied with PWM (Pulse-Width Modulation) signal pro-duced on Arduino. PWM simulates analog signal with use of digital outputted values form range 0 to 255. The higher the values, the more power drives receive form H-bridge. During tests there has been noticeable level-value, from which the drives would start to operate (PWM at the level of around 100). Presumably it is an effected by poor quali-ty of used drives and gearboxes [4].

3. Programming platform

This balancing robot uses Arduino platform and benefits from all of its advantages. The Arduino language originates from Wire language and is in fact based on C/C++ lan-guages, which makes it easy to use and learn, but it is also powerful and universal. Many already prepared libraries are available, resulting in quick implementation and enabling focusing on the main matter of the project without dwel-ling into too many details. In the same time, it leaves the opportunity to improve the code with basic C commands.

4. PID regulation and signal filteringTo help with continuous keeping upward position a PID regulator has been implemented. The difference between desired position, which was 0 degrees from vertical axis laid through the center of the robot and its actual posi-tion calculated from accelerometer readings, is an error used by PID components. The proportional element pro-duces the output proportionally to the error and alone is not sufficient to successfully balance around 0 point. The robot oscillates from one side to another, immediately fal-ling down. It has to be supported with derivative term

functioning as a damper. Derivative term reacts to sudden changes and corrects the output. Integral term sums series of last errors and also influences the output. This output is being represented as PWM value and sent to H-bridges mentioned above.

Fig. 4. Signal with Kalman FilterRys. 4. Sygnał po przejściu przez filtr Kalmana

Fig. 6. Signal from the gyroscopeRys. 6. Sygnał z żyroskopu

Fig. 5. Signal without using Kalman FilterRys. 5. Sygnał bez użycia filtra Kalmana

The signal from accelerometer is distorted by vibra-tions of the body and rapid changes of directions caused by drives. It results in noise in readings, which has nega-tive influence on angle calculation and of course balancing of the robot. It has been compensated with implementa-tion of the Kalman filter. It is a widely used and admired tool and it possesses a very good effect on maintain stabi-lity of the robot [5].

One way easily recognize advantages of the applied Kal-man filter comparing with the signals obtained with the Kalman filter (fig. 4), without the Kalman filter (fig. 5), as well as the signal obtained from the gyroscope (fig. 6).

5. Communication with LabVIEW

Arduino board communicates with LabVIEW via standard USB cable. Basic variables used in the code can be pre-sented (plotted) on-screen in real time. The data is sent using serial.write() command in form of packets of bytes. It is superior to serial.print, as it doesn’t clog the buffer


and therefore doesn’t cause delays. On the LabVIEW side the code has been prepared on basis of LIFA (LabVIEW Interface for Arduino). It supports user with ready to use VI’s, with help of which communication can be implemen-ted with little effort. Sending variables form Labview to Arduino board, like PID parameters, is also possible and enables fluent and dynamic regulation.

6. Conclusion

This article presents the results of research aimed on the development of two-wheel balancing robot prototype. All components of the robot and the impact of certain ele-ments on the stability of the structure have been presen-ted. Some of them, such as the appropriate choice of para-meters of PID regulators, are essential elements for the stability of the whole structure and that is the correct set-tings are an important element in the design. The use of the control program filter made by Kalman significantly improves the timing of information obtained by the sen-sors and enables the realization of synchronous stability by the engines. This allows the robot to maintain balan-ce in spite of external disturbances affecting both the sen-sors and the entire structure. The created robot represents one of the solutions that can be applied by combining the mechanical structure of the inverted pendulum with con-trol elements in order to study the influence of the many parameters affecting the model.

Bibliography

1. Dual full-bridge driver, STMicroelectronics, L298 Data Sheet, January 2000.

2. Digital Accelerometer, Analog Devices, ADXL345 Data Sheet Rev C, 05/2011.

3. MEMS motion sensor dual axis pitch and yaw ±500°/s analog gyroscope, STMicroelectronics, LPY550ALData Sheet Doc ID 15808 Rev 1, June 2009.

4. [http://arduino.cc/it/Tutorial/PWM], Hirzel T., Arduino – PWM.

5. Kedzierski J., Kalman filter used in a simple sensory system, 2007, (in Polish).

Budowa i sterowanie dwukołowego robota balansującego

Streszczenie: Naszym celem było zaprojektowanie i wykonanie dwukołowego robota balansującego razem z systemem stero-wania. Jest to urządzenie mechatroniczne łączące w sobie ele-menty mechaniczne, elektryczne oraz elektroniczne, takie jak sil-niki, akumulatory, czujniki. Robot wykorzystuje odczyty z dwóch sensorów, analogowego żyroskopu oraz cyfrowego akcelerome-tru do wyznaczenia swojego położenia kątowego i utrzymania równowagi w pozycji pionowej. Dwa silniki prądu stałego z za-mocowanymi przekładniami i kołami służą do poruszania całą konstrukcją robota po płaskich powierzchniach. Robot zasilany jest z niezależnego źródła energii w postaci trzech akumulato-

Krzysztof Lorenc, Eng.

A graduate of the Faculty of Mechanical Engineering Mechatronics Technical University of Lodz. Interests associated with automation, robotics and mecha-nics.e-mail: [email protected]

Adam Białkowski, Eng.

A graduate of the Faculty of Mechanical Engineering Mechatronics Technical University of Lodz. Passionate about new technologies and solutions, and in particular those deriving from various, seemingly unrelated to each other tech-nological areas.


Prof. Jan Awrejcewicz, DSc, PhD

He was born in Telesze, Poland on August 26, 1952. He received the MSc and PhD degrees in the field of Mechanics from the Technical Univer-sity of Lodz in 1977 and 1981, respec-tively. He received also his bachelor’s degree in Philosophy in 1978 from the University of Lodz, and DSc. degree in Mechanics from Technical Univer-sity of Lodz in 1990. He is an author or co-author of 538 publications in scientific journals and confer-ence proceedings, monographs (37), text books (2), edited vol-umes (4), conference proceedings (11), journal special issues (12), and other books (8) and other short communications and unpublished reports (238). He is now the Head of Department of Automatics and Biomechanics, and the Head of PhD School on ‘Mechanics’ associated with the Faculty of Mechanical Engi-neering of the Technical University of Lodz. In 1994 he earned the title of Professor from the President of Poland, Lech Wałęsa, and in 1996 he obtained the golden cross of merit from the next President of Poland, Aleksander Kwaśniewski. He is a contrib-utor to 50 different research journals and to 300 conferences. During his scientific travel he visited 60 different countries. His papers and research cover various disciplines of mathematics, mechanics, biomechanics, automatics, physics and computer oriented sciences.e-mail: [email protected]

rów. System stabilizacji wykorzystuje regulator PID do kontroli ru-chu w celu minimalizacji odchylenia od zadanej pozycji pionowej. Robot komunikuje się w sposób bezprzewodowy z komputerem, przesyłając informacje o aktualnej pozycji kątowej do programu LabVIEW. W programie tym informacje z czujników mogą być wyświetlone w czasie rzeczywistym na wykresie w celu zobrazo-wania dynamicznych zmian aktualnych wartości sygnałów przy-spieszenia kół, prędkości kątowej czy obliczonego kąta położe-nia robota. Dodatkowe oprogramowanie służy do doboru para-metrów PID oraz umożliwia analizę wpływu dobory parametrów regulatora na stabilność całej konstrukcji robota.

Słowa kluczowe: robot balansujący, odwrócone wahadło

168

Nauka

Identification of an electrically driven manipulator using the differential filters

Leszek CedroFaculty of Mechatronics and Machinery Design, Kielce University of Technology

Abstract: The paper presents an example of solving the parameter identification problem in case of robot with three degrees of freedom has been also presented. The identification has been performed with the use of elaborated differential filters. The applied identifica-tion method does not require differential equations solving but only determining the appropriate derivatives. Identification method and its generalizations using the object inverse model require informa-tion on time derivatives of the input and output signals [1, 2]. The required derivative order depends on the order of differential equ-ations describing the object.

Keywords: differential filters, identification

1. Introduction

The rapid developments in computer hardware and softwa-re and, consequently, the common use of computers to con-trol processes have aroused wide interest in mathematical modeling, control processes and, accordingly, control sys-tem identification.

The method of identification applied in the analysis in-volves fine-tuning of the inverse model. The method can be used only for such values of the input signals that are deter-mined from the measurement data. Identifying a dynamic system by means of the input error method (fig. 1) requires looking for a model that generates the same input as the object. Only in the case of model reversibility is such a pro-cedure possible. This reversibility is true for linear minimum-phase models and a certain class of non-linear models whe-re the input is determined basing on the output data [1, 2].

Let us assume, for instance, that the object is described by means of a differential equation:

( ) ( 1)( , ,..., , )n nf ϕ ϕ ϕ θ τ− = (1)

where f is a certain known function. Thus, the identification error is defined as: ˆe τ τ= − ,

( ) ( 1) ˆˆ ( , ,..., , )n nx f y y y θ−= . (2)

A drawback of this method is that derivative estimates need to be determined. An advantage, on the other hand, is that it is not necessary to solve the differential equations describing the model at each step of iteration.

The fundamental problem related to the implementation of the input error method and its generalization is the ne-

cessity to determine the estimates of signal derivatives. This is achieved by applying differential filters [3].

2. Differential filters

Let us assume that the differential filter of the k-th order is a series connection of a low-pass filter with boundary frequ-ency gΩ and a difference quotient of the k-th order (fig. 2).

Fig. 1. A block diagram of the process of estimation of the inver-se model parameters

Rys. 1. Schemat blokowy procesu estymacji parametrów modelu odwrotnego

Fig. 2. Block diagram of the differential filterRys. 2. Schemat blokowy filtru różniczkującego

The low-pass filter will be responsible firstly for reducing the signal spectrum and secondly for correcting the characteri-stics of the difference quotient in the range of low frequen-cies. Thus, the filter will be called a low-pass correction fil-ter. The desired transfer function of the low-pass filter is:

kor

( ) ( ) for( )

0 for .k k g

kg

H HH ∇Ω Ω Ω ≤ ΩΩ = Ω > Ω

(3)

As a result, the transfer function of the series connection of the difference quotient and the low-pass filter in the ran-ge of low frequencies will be equal to the transfer function of an ideal differential filter.


The transfer function of the low-pass filter for gΩ ≤ Ω is equal to

kor

2

3

( ) ( )/ ( )/sin 1/2(1 cos ) 2

/( 2sin sin(2 )) 3.

k k kH H Hkkk

∇Ω = Ω Ω =

Ω Ω == Ω − Ω =Ω − Ω + Ω =

(4)

The filter impulse response is the inverse Fourier trans-form of its frequency characteristic, thus:

kor kor1( ) ( )2

g

g

j nk kh n H e d

π

ΩΩ

−Ω

= Ω Ω∫ . (5)

Unfortunately, integral (5) cannot be expressed by me-ans of the analytic functions. It needs to be determined using some approximation. By expanding function kor ( )kH Ω into a Taylor series around the value 0Ω = , we obtain:

24

24

kor

24

1 ( ) 16

( ) 1 ( ) 212

1 ( ) 3.4

k

O k

H O k

O k

Ω+ + Ω =

ΩΩ = + + Ω =

Ω

+ + Ω =

(6)

The four-term approximation of the expansion appe-ars to be fairly sufficient. The inverse Fourier transform of the function obtained by rejecting the terms of the hi-gher orders is equal to:

3

2 2 2

3kor

2 2 2

3

2 2 2

12 cos( )6(61 (2 cos( )

12( )(121 (2 cos( )

4(4

g g

g

g gk

g g

g g

g g

n nn

n nnh n

n n

n nn

n n

π

π

π

Ω Ω + Ω Ω += Ω Ω +

(7)

Assume that the impulse response of the low-pass dif-ferential filter is:

kor Harris1( ) ( ) ( )dk kk

h n h n W nχ

= , (8)

where Harris( )W n is Harris window described by the follo-wing equation:

Harris( ) 0,36 0,49cos( / )0,14cos(2 / ) 0,01cos(3 / ).

W n n Mn M n M

ππ π

= + ++ +

(9)

The parameter kχ should be selected in sum a way that the slope of the characteristic of the filter being designed at point 0=Ω is the same as that of the ideal differential equation, thus:

0!( ) ( ) |

k k

dk kk kk jH H∇ Ω=

∂Ω Ω =

∂Ω ∆. (10)

3. A mathematical model of a robot manipulator

In the next sections, the following problems will be solved: first, we will derive the equations for the DC motors, then, we will define the kinetic and potential energy of the sys-tem, and finally, we will symbolically derive the robot dynamic equations, using the second order Lagrange equ-ations.

Fig. 3. An electrically-driven manipulatorRys. 3. Manipulator z napędem elektrycznym

Let 1 2 3[ ]ϕ ϕ ϕ ϕ= denote the vector of joint variables acting as generalized coordinates, mj – the mass, lj – the arm length,

jcl – the distance from the centre of gravity and Sj – the motor of the link j.

Using typical equivalent diagrams of DC motors ava-ilable in the literature, e.g. Ref. [4], and the second Kir-choff law, we can write the following electrical equation of the DC motor:

j j j jz R L eU U U E= + + , for 1,2,3j = (11)

where jzU is the voltage supplied to the rotor.

Since an open-loop system may be difficult to control, it is essential that the identification be performed for a clo-sed-loop system with properly selected PD controllers. Let us assume that the equations of the controllers have the following form:

( ( ) ( )) ( )j j j jz p z j d jU K t t K tϕ ϕ ϕ= − − , (12)

where: jpK ,

jdK – the parameters of the controllers, ( )jz tϕ

– the control signals, ( )j tϕ – the variables describing the position of the manipulator arms.

The voltage drops across the rotor winding resistance and inductance are:

170

Nauka

( )j j jR w wU R i t= , (13)

and

( )jw

L j j

di tU L

dt= , (14)

where jwR is the equivalent rotor winding resistance, jL

is the equivalent rotor winding inductance, and jwi is the

current flowing through the rotor windings.The electromotive inductance force is

( )j je e jE k tϕ= , (15)

where jek is an electromotive constant.

Substituting the subsequent components to eq. (11), we obtain:

( )

( ) ( )

[ ( ) ( )] ( )

j

j j j

j j j

wj w w e j

p z j d j

di tL R i t k t

dtK t t K t

ϕ

ϕ ϕ ϕ

+ + =

= − −

, for 1,2,3j = (16)

The rotor torque is:

( )j j js m wM k i t= , (17)

where jmk is a mechanical constant.

Let us define the manipulator kinetic and potential ener-gy. The following geometrical relations take place:

22 2 1cos( ( ))cos( ( ))c cx l t tϕ ϕ=

33 2 2 1 2

3 1

cos( ( ))cos( ( )) cos( ( )( ))cos( ( ))

c cx l t t l tt tϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ= + +

+

22 2 1cos( ( ))sin( ( ))c cy l t tϕ ϕ=

33 2 2 1 2

3 1

cos( ( ))sin( ( )) cos( ( )( ))sin( ( ))

c cy l t t l tt tϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ= + +

+ (18)

22 1 2sin( ( ))c cz l l tϕ= +

33 1 2 2 2 3sin( ( )) sin( ( ) ( ))c cz l l t l t tϕ ϕ ϕ= + + +

The velocity of the centre of gravity of the second arm of the manipulator is:

,22

22

222 ccc zyxv ++=

.23

23

233 ccc zyxv ++= (19)

Thus, the kinetic energy of the system is:

1 2 3E E E E= + + , (20)

21 1

1( )

2cJ tE ϕ

=

, 2

)(2

222

222

2tJvmE c ϕ+=

2 2

3 3 3 33

( )2 2

cm v J tE ϕ= +

,

2

12j j

cj

m lJ = ,

2j

jc

ll = ,

where cjJ are moments of inertia of the robot arms assu-med for a uniform beam.

The potential energy of the system is:

1 2 3U U U U= + + , (21)

11 1 cU m gl= ,

22 2 1 2( sin( ( )))cU m g l l tϕ= + ,

33 3 1 2 2 2 3( sin( ( )) sin( ( ) ( ))cU m g l l t l t tϕ ϕ ϕ= + + +

Where g is the acceleration of gravity.

Using the expressions for the kinetic and potential ener-gy, we obtain two second-order Lagrange equations:

js

j j j

d E E U Mdt ϕ ϕ ϕ

∂ ∂ ∂− + =

∂ ∂ ∂, for 1, 2,3j = . (22)

After substitution and simplification of all the variables, we have a system of three equations (where:

( )j j tϕ ϕ= , )(tjj ϕϕ = , ( )j j tϕ ϕ= , ( )j j tϕ ϕ= ):

1

2 2 2 21 1 1 3 3 2 2 3 2 2

3 2 3 3 2 2 2 3

23 2 3 1 2 2 3 2

3 3 3 2 3 2 2 3 2

1 3 3 2 2 3

1 (( (2 3( ( 4 )) 3 (

4 )cos(2 ) 3 (8 cos( )cos( )

cos(2( )))) 12 ( ( 4 )sin(2 )

( sin(2( )) 4 sin(2 )))

24 (2 cos( ) cos(

m

R l m l m l m m l mk

m l m l

l L l m m

l m l l

L l m l l

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ

+ + + + + +

+ + + +

+ + − + +

+ + + + +

− +

1 1

2 3 2

23 3 1 1 1 2 2

3 2 3 3 3 2 3 2 2

23 2 3 3 1 2 2 3 2

3 2 3 3 1 3 3 2 2 2

3 3 2 3

)sin(

) ) 6 (4 2 ( (

4 )cos(2 ) ( cos(2( )) 4 cos(2

))) 2 (2 cos( ) cos(

)sin( ) 2 (2 cos( )cos(

) cos(2( )))

e mk k L l m

m l m l l

l m R l l

L l m l

l

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ

+ +

+ + − +

+ + + + +

+ − + +

+ + − +

+ + +

2 23 2 1 2 2

3 2 3 3 3 2 3 2 2

3 1 3 3 3 2 3 2 2

23 3 1 2 2 3 2

3 3 3 2 3 2 2 3 2

1 3 3 2

( ( (

4 )sin(2 ) ( sin(2( )) 4 sin(2

))) 4 ( cos(2( )) 2 cos(2

)) ) ( ( 4 )sin(2 )

( sin(2( )) 4 sin(2 )))

2 (2 cos(

R l m

m l m l l

L l m l l

L l m m

l m l l

L l m l

ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ

+ − +

+ + + + +

+ − + + +

+ − + +

+ + + + +

−

1

2 3 2 3 2

2 2 23 3 1 1 1 2 2 3 2

22 3 3 2 2 3 3 3 2

23 1

) cos( ))sin(

) ) 2 ( 3 ( 4 )cos( )

12 cos( )cos( ) 3 cos(

) ) ) z

l

L l m l m m

l l m l m

U

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ

+ + +

+ + + + +

+ + +

+ =


2

2 21 2 2 2 3 2 3 3 3 2

23 2 2 3 2 2 2 3 2

3 3 3 2 3 2 2 3 2

2 3 3 3 2 3 2 2 3 3

22 2 2 3

1 (3 ( ( ( 4 )sin(2 ) ( sin(2(

)) 4 sin(2 ))) 2 ( ( 4 )cos(2 )

( cos(2( )) 4 cos(2 )))

2 ( cos(2( )) 2 cos(2 ))

6 ( ( 4 )s

m

R l m m l m lk

l L l m m

l m l l

L l m l l

L l m m

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

+ + +

+ + + + + +

+ + + + +

+ + + + +

+ +

2 3 3 3 2

3 2 2 3 1 1 2 2 2

23 2 3 3 2 3 2 2 2 2

2 2 22 3 2 2 3 3 2 2 3 3 2 3

3 3 3 3 2 2 3 2 2 2 2

2

in(2 ) ( sin(2(

)) 4 sin(2 ))) 2(6 ( (

2 )cos( ) cos( )) 4

12 3 3

6 sin( ) ( ( cos( ) 4

3

l m l

l gR l m

m l m l m R

l m R l m R l m R

l m l R L g l

l

ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

+ +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + −

+ + + +

+

2 23 2 2 2 2 3 2

23 3 2 3 2 3 3 2 3 3

2 23 2 3 2 3 2 2 2 2 2 2 3 2

2 22 3 3 2 2 3 3 3

33 3 3 2 2 3 2 2 3

)) 6 (2 ( ( 2 )sin( )

sin( ) 2 ( cos( )

sin( )( ))) 4 12

3 3

6 cos( )( sin( )

e mk k gL l m m

l m l l m L

R L l L m l L m

L l m L l m

l m gL l L

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

+ + − + +

− + − +

+ + + + +

+ + +

+ − −

2

2 2 2

2 3 2 2 2 3

(2

2 )))) z

l R

R L L U

ϕ

ϕ ϕ ϕ

+ +

+ + + =

(23)

3 3

3

3 3 3 2 3 3

23 3 2 2 3 3 3 3 3

21 3 2 2 3 2 3 2 3

3 3 2 3 2 2 3 2

3 2 2 2 3 3 2 3

1 (6( cos( ) )

(6 ( sin( ) cos( ) )

3 ( (2 cos( ) cos( ))sin( )

( cos(2( )) 2 cos(2 ))

(2 cos( )cos( ) cos(2( )))

e mm

gl m R k kk

l m l R L

R l l

L l l

L l l

ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

+ + +

+ + +

+ + + + +

+ + + + +

+ + + +

3

3

3 2 2 3 2 3 2 3 1 1

3 3 2 3 2 3 2 2 3

2 3 2 3 3 3 3 3 2 3

2 3 2 3 2 3 2 3 3

)

6 (2 cos( ) cos( ))sin( )

3 ( 2 cos( )) 6 ( sin( )

2 sin( ) ) 4 ( 6 ( sin( )

sin( ) ) 3( 2 cos( )) 4 ))) z

L l l

R l l L g

l l R L g

l l l l U

ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ

+

+ + + + +

+ + − + −

+ + + − + +

+ + + =

4. Simulation of the manipulator model

This section discusses the results of a simulation of clo-sed-loop equations including a robot model with PD con-trollers (fig. 4). The collected data will then be used in the identification algorithm.

First, the pre-determined signal was defined: ][

321 zzz ϕϕϕ . The signal was assumed to be a properly de-layed step function (each arm with a different delay) pas-sing through an additional low-pass filter with a bounda-ry frequency sradg /025.0=Ω . The filtering was responsi-ble for limiting the signal spectrum.

The responses are not satisfactory from the point of view of regulation. The aim of the study was to generate signals to be used in the identification process. It is advisa-ble that the pre-determined signals and the controller pa-

rameters be carefully selected so that the signals provide sufficient information about the object dynamics.

5. Identification

Let us recall that the robot mass and arm length are the unk-nown parameters denoted as ],,,,,[ 321321 lllmmm=θ .The method used for the parameter identification is repre-sented graphically in Figure 1. It is assumed that the measurement data concerning the trajectories of the gene-ralized variables and the necessary input signals are ava-ilable. The estimate of the input signals, fτ , is determi-ned basing on the current estimates of the object para-meters 1 2 3 1 2 3

ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ[ , , , , , ]m m m l l lθ = . These equations have the same structure as eq. (23); yet, the unknown parameters θ , are replaced by the estimates θ , the generalized varia-bles are replaced by variables filtered through a low-pass filter, and their derivatives (which are not measured) are replaced by their estimates obtained by using relevant dif-ferentiating filters. Let us assume that the boundary fre-quency of the differentiating filters is: Wg = 0.2 rad/s. The identification requires determining the estimates of the parameters responsible for the quality factor minimization.

2

0

1ˆ ˆ( ) ( )T

f fJ dtT

θ τ τ= −∫ , (24)

where fτ is an input signal filtered with a low-pass filter.The identification procedure is commenced for the follo-wing initial values: θ = [99.2, 151.7, 49.9, 0.49, 1.01, 0.75]. The final values of the parameters are determined after 24 iterations of the minimization algorithm. The estima-tes θ = [108.462, 150.44, 49.6122, 0.491266, 1.00157, 0.70392] slightly depart from the real values of the para-meters, θ = [100, 150, 50, 0.5, 1, 0.7].

6. Identification and measurement noise

In this point we will examine how far the elaborated fil-ters eliminate the measurement and quantization noise [5, 6]. We will also examine the influence of the measu-rement and quantization noise on the result of identifica-

Fig. 4. Responses of 1ϕ , 2ϕ , 3ϕ

Rys. 4. Sygnały wyjściowe 1ϕ , 2ϕ , 3ϕ

172

Nauka

tion process with the use of finite elements differentiation method and elaborated filters.

The signal processing theory comprises activities aimed on selection of substantial information on the examined phenomena and elimination of redundant information. It is commonly known that the measured signals contain com-ponents resulting from the disturbances. In our case the qu-antization noise value is connected directly with the num-ber of bits of the n-bit A/D converter [7, 8].

Using the same identification method and elaborated filters following parameters have been obtained for the no-isy signal (n=20) θ = [108.827, 150.446, 49.6164, 0.490419, 1.00154, 0.703882], (n=16) θ = [112.219, 150.266, 49.8673, 0.480005, 1.0005, 0.701312], (n=14) θ = [122.175, 147.789, 52.3693, 0.435243, 0.991148, 0.676069].

Using the finite elements method following parameters have been obtained for the noisy signal (n=20) θ =[2.22592×106, –609 462, 313 468, –0.000121342, 0.0149072, 0.000171592].

Comparing the obtained results we can state that the differential filters eliminate the measurement noise in a ma-jor degree and the parameters determined in the identifica-tion process are close to the actual ones. Traditional diffe-rentiation does not ensure noise elimination and the iden-tified parameters differ significantly from the actual ones.

Using the elaborated filters in identification methods we obtain well determined parameters in case of quantization on the level of 16-bit cards.

7. Conclusions

In contrast to the conventional output error method, which involves comparing and estimating input signals, the input error method is considerably faster. The identification pro-cedure does not require solving a series of differential equ-ations in each iteration of the algorithm minimizing the quality factor.

It should be noted that the spectrum of the pre-deter-mined signals is limited. In spite of the fact that the robot system is a non-linear system, the following relationship is obtained for the filtered signals: ˆ ,f fτ τ≅ if θθ =ˆ . As the slight differences are due to the system non-linearity and quantization errors, the equation can be solved approxi-mately.

Elaborated differential filters have low-pass character. This feature enables removing of high-frequency compo-nents of the signal, for example the noise. Differential fil-ters ensure determining of appropriate derivatives of signal with errors far more less than simple differentiation me-thods, what plays particularly important role in the iden-tification process. In various calculations which have been performed, proper operation of the method for more com-plicated mechanical systems and for systems of greater number of identified parameters has been stated.

Bibliography

1. Cedro L., Janecki D., Model parameter identification with nonlinear parameterization applied to a manipula-tor model, Monographic series of publications – “Com-

puter science in the age of XXI century”, Radom 2011, ISBN 978-83-7789-006-6, ISBN 978-83-7351-324-2.

2. Cedro L., Janecki D., Differential filters and the iden-tification of a manipulator using Mathematica softwa-re, XXXIV. Seminar ASR ‘2009 Instruments and Con-trol, Ostrava, ISBN 978-80-248-1953-2.

3. Janecki D., Cedro L., Differential Filters With Applica-tion To System Identification, 7th European Conferen-ce of Young Research and Science Workers in Trans-port and Telecommunications TRANSCOM 2007, Żili-na, Slovakia, 115.

4. Kowal J., Fundamentals of control engineering, Vol. II, 2004, UWND, Kraków.

5. Mocak J., Janiga I.I, Rievaj M., Bustin D., The Use of Fractional Differentiation or Integration for Signal Improvement, “Measurement Science Review”, 2007, Vol. 7, Section 1, No. 5.

6. Rabiner L.R., Gold B., Theory and Application of Digi-tal Signal Processing, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ, 1975.

7. Lyons R.G., An introduction to digital signal proces-sing (in Polish), WKiŁ, Warsaw 1999.

8. Pintelon R., Schoukens J., Real-Time Integration and Differentiation of Analog Signals by Means of Digital Filtering, “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, Vol. 39, No. 6. December 1990.

Identyfikacja manipulatora z napędem elektrycznym z użyciem

filtrów różniczkujących

Streszczenie: Artykuł przedstawia przykład identyfikacji para-metrów manipulatora o trzech stopniach swobody. W identyfika-cji wykorzystano opracowane filtry różniczkujące. Zastosowano metodę identyfikacji, która nie wymaga rozwiązywania układu równań różniczkowych tylko użycia zróżniczkowanych sygna-łów. Metoda identyfikacji wykorzystuje model odwrotny oraz sy-gnały wejściowe i wyjściowe. Wymagany rząd użytych sygna-łów zależy od równań różniczkowych opisujących obiekt.

Słowa kluczowe: filtry różniczkujące, identyfikacja

Leszek Cedro, PhD

A graduate of the Kielce University of Technology (Faculty of Mechatro-nics and Machine Building). Rece-ived his doctor’s degree in 2007 pre-senting a thesis on Identification of hydraulic drive systems using diffe-rentiating filters. Now employed as an assistant professor at the Centre for Laser Technologies of Metals, which is a joint unit of the Kielce University of Technology and the Polish Aca-demy of Sciences. His research inte-rests include control theory and iden-tification methods.e-mail: [email protected]


Transfer wartości wzorca w pomiarach przepływu gazu ziemnego

Orest E. Seredyuk*, Vitalij V. Malisevich*, Zygmunt L. Warsza***Iwano-Frankowski Narodowy Techniczny Uniwersytet Nafty i Gazu (IFNTUNG), Ukraina

**Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Abstract: Omówiono podstawy teoretyczne i przedstawiono nie-konwencjonalne rozwiązanie transferu, czyli urządzenia do prze-kazywania wartości miar etalonu krajowego lub wtórnych wzorców odniesienia z państwowego systemu kontroli przyrządów pomiaro-wych do systemu sprawdzań przyrządów do pomiarów przepływu gazu ziemnego. Uwzględnia on rodzaj medium roboczego i zmiany jego parametrów. Sprawdzono eksperymentalnie działania modelu takiego transferu opartego na zwężce Lavala z zastosowaniem dzwonowego stanowiska kalibracyjnego do wytworzenia roboczej wzorcowej wartości przepływu. Oszacowano niepewności skła-dowe pomiarów przepływu za pomocą transferu.

Słowa kluczowe: pomiary przepływu gazu ziemnego, transfer wartości wzorcowej, stanowisko dzwonowe, niepewność

1. Wprowadzenie

Wysoka cena gazu ziemnego spowodowała, że w wielu krajach, a w tym i na Ukrainie prowadzi się prace badawcze i studialne dotyczące oszczędnego wykorzystywania i racjonalnego gospo-darowania gazem i energią uzyskiwaną z jego spalania [1]. Zaproponowano szereg rozwiązań organizacyjnych umożliwia-jących zminimalizowanie zużycia, zmniejszenie strat techno-logicznych w sieci dystrybucyjnej oraz zracjonalizowanie roz-liczenia. Realizacja tych działań wymaga stworzenia jednoli-tego systemu nadzoru metrologicznego nad pomiarami prze-pływu i zużycia gazu. W tym celu konieczne jest:– opracowanie metody oraz koncepcji i konstrukcji urzą-

dzenia, zwanego dalej transferem, do przekazywania i re-produkcji wartości miary wzorca przepływu dla kalibracji i sprawdzania gazomierzy,

– wybór i zakup lub budowa odpowiednich precyzyjnych urządzeń pomiarowych,

– opracowanie przepisów i dokumentacji instruktażowej oma-wiającej kolejne czynności tworzenia i przekazywania war-tości tej miary.Poniżej przedstawiono rozwiązanie i wyniki badań takiego

transferu dla systemu sprawdzań gazomierzy, opracowanego i zweryfikowanego eksperymentalnie w Ivano-Frankowskim Naro-dowym Technicznym Uniwersytecie Nafty i Gazu na Ukrainie [4].

2. Analiza stanu zagadnienia i cel pracy

W pracy [1] dokonano analizy stanu obowiązujących na Ukra-inie i w Federacji Rosyjskiej ram prawnych dotyczących pomia-rów przepływu gazu ziemnego. W przepisach ukraińskich doty-czących metrologii przepływu gazu i weryfikacji działania kra-jowego systemu pomiarów gazu naturalnego przyjęte są do sto-sowania w praktyce rozwiązania po części nie spójne z państwo-

wym systemem sprawdzań narzędzi pomiarowych. Aby uzy-skać spójność pomiarów należy ustalić metodykę i urządze-nia do przekazywania wartości miary przepływu gazu od eta-lonu krajowego [2] do systemu sprawdzań przyrządów stosowa-nych w dystrybucji i rozliczeniach zużycia gazu ziemnego, czyli zapewnić spójność pomiarów (trasabilność miary [17]). Trans-fery są niezbędne do wzorcowania wyspecjalizowanych stano-wisk do kalibracji przyrządów do pomiaru przepływu zużycia gazu ziemnego, czyli gazomierzy i również dla weryfikacji kali-bratorów do sprawdzaniu działania gazomierzy w warunkach pracy u użytkownika bez demontażu [9–11]. Powinny też być one przenośne. Jest to zadanie ważne we wszystkich krajach, a w szczególności w tak rozległych przestrzennie jak Ukraina i Federacja Rosyjska.

W konstrukcji stanowisk do sprawdzania i wzorcowania ga-zomierzy wykorzystuje się urządzenia dzwonowe, przepływo-mierze wirnikowe, turbinowe, z dyszami krytycznymi i inne. Na przykład, jedno z takich stanowisk, opracowane przez Ogólno-rosyjski Instytut Badań Przepływu w Kazaniu, oparte jest na dyszach krytycznych i roboczym wzorcu miary masowego prze-pływu medium gazowego [5].

Kalibrację i sprawdzanie gazomierzy wykonuje się zwykle przy przepływie powietrza jako medium roboczym. Natomiast dość rzadko w stanowiskach kalibracyjnych wykorzystuje się bezpośrednio przepływ gazu ziemnego jako medium robocze-go. Przykładem są tu stanowiska tłokowe [6]. Szczególnie dużo uwagi poświęca się obecnie doskonaleniu metody porównywa-nia wzorców przepływu dla powietrza [7] i gazu ziemnego [8] z przeliczaniem charakterystyki kalibracyjnej wzorca robocze-go otrzymanej dla powietrza, na jego charakterystykę dla gazu ziemnego o znanych parametrach. W tym też celu używa się wirnikowych lub turbinowych liczników przepływu i przelicza-nia wyników badań według procedury “korekta liczby Reynold-sa”. Utrudnieniem w stosowaniu metody jest konieczność indy-widualnych przeliczeń dla każdego rodzaju i typoszeregu wy-miarów wzorca.

Celem pracy było opracowanie koncepcji oraz wykona-nie, uruchomienie i sprawdzenie poprawności działania mode-lu transferu do przekazywania wartości miary wzorcowej dla pomiarów przepływu gazu ziemnego opartego na przetworni-ku o zmiennej różnicy ciśnień. Transfer o tej zasadzie nie był opracowany na Ukrainie. Natomiast w NIST (USA) zbudowa-no stanowiska wzorcowe typu PVTt z pomiarem spadku ciśnie-nia zwężkami krytycznymi [18–20]. Dodatkowo wymaga się, by transfer ten nadawał się do przenoszenia i do współpracy z do-tychczas stosowanymi stanowiskami kalibracyjnymi gazomie-rzy z pomiarem przepływu powietrza jako medium roboczego. Do oceny właściwości metrologicznych takiego transferu nie-zbędne jest też oszacowanie niepewności pomiarów dla okre-ślonych warunków jego pracy.

174

NAukA

3. Istota metody

Cechą charakterystyczną proponowanego rozwiązania trans-feru do przekazywania wartości miary wzorca przepływu gazu jest jego poprawne działanie dla gazowego medium roboczego o różnych parametrach, w szczególności dla powie-trza i gazu ziemnego. Transfer ten ma umożliwić precyzyj-ne określenie przepływu medium roboczego i prowadzenie porównań z wzorcami pierwotnymi i kontrolnymi. Działanie transferu opiera się na zweryfikowanych teoretycznie i eks-perymentalnie modelach matematycznych opisu pomiarów przepływu medium gazowego. Powinien on spełniać wyma-gania metrologiczne, takie jak: dopuszczalne wartości nie-usuwalnego błędu systematycznego (lub niepewności typu B), niestabilności (powtarzalności) wskazań i statystycznej standardowej niepewności typu A wyników pomiaru. Dla uzyskania założeń spełniających wymagania normy między-państwowej [12], zbliżonej do normy UE, wybrano do reali-zacji koncepcję transferu z zastosowaniem przepływomierzy różnicy ciśnień. Zawiera ona wzory do wyznaczania i obli-czania błędów składowych pomiaru, które zostaną uwzględ-nione przy oszacowaniu niepewności transferu.

Transfer, który wykorzystuje pomiar spadku ciśnienia na elemencie spiętrzającym przepływ (zwężka pomiarowa) po-winien realizować następujące algorytmy [12]:dla masowego przepływu gazu

(1)

dla objętościowego natężenia przepływu medium w warun-kach roboczych

( )0,52

42 /

41V ch dCq d K K P= ∆−

pe r

b (2)

dla objętościowego przepływu przeliczonego na znamiono-we warunki pomiaru

0,5

24

1 1 124 1

SC ch d

SS

T Pq C d K K PT P K

= -

pe D

br (3)

gdzie: C – współczynnik wpływu zwężenia przepływu zwęż-ki wzorcowej transferu, ε – współczynnik rozprężenia gazu [12] obliczany jako

( )

1

4 81 0,351 0,256 0,93 [1 1 ]kP

P = - + + - -

De b b (4)

gdzie: b = d/D – względna średnica otworu wzorcowego urzą-dzenia zwężającego transferu (d i D – odpowiednio średnica otworu zwężki wzorcowej transferu i średnica wewnętrzna przewodu pomiarowego przetwornika różnicy ciśnień przy absolutnej temperaturze gazu T); DP, P – spadek ciśnie-nia na zwężce transferu i ciśnienie absolutne przed zwęż-ką transferu; TS i PS – odpowiednio temperatura i ciśnie-nie gazu przyjęte dla standardowych warunków pomiaru (TS = 293,15 K, PS = 101,325 kPa), r i rS - gęstości gazu ziemnego w roboczych i standardowych warunkach pomia-ru; k – współczynnik adiabaty gazu; Kch, Kd – współczyn-niki korekcyjne uwzględniające odpowiednio chropowatość wewnętrznej powierzchni rury pomiarowej i stępienie kra-

wędzi otworu wejściowego; K – współczynnik ściśliwości gazu ziemnego.

Wszystkie występujące w (1)–(3) parametry i współczyn-niki obarczone są niepewnościami wynikającymi z ich naj-większego dopuszczalnego błędu. Największe ich wartości występują dla współczynników C i e [12]. Nawet jeśli za-niedba się niepewność względnej średnicy b otworu zwężki wzorcowej transferu i liczby Reinoldsa Re, to niepewność współczynnika wypływu C dla wartości b od 0,2 do 0,6 zmie-nia się w zakresie (0,4 ... 0,5). Tak dużych niepewności nie można zaakceptować przy tworzeniu wzorca jednostki prze-pływu gazu. Dlatego też w celu określenia zakresu zmian wartości występującego w (1)–(3) iloczynu współczynników Ce, nazwanego dalej współczynnikiem wzorcowania Kwz. do-konano jego numerycznej symulacji. W obliczeniach e wy-korzystano wzór (4), a dla C – następującą zależność [12]:

gdzie ReD – liczba Reynoldsa dla średnicy D; M1 i M2 – para-metry o wartościach:

0 819000ReD

,A

= b (6)

2

12

1LM =- b

(7)

dla D < 0,07112 m (8)

oraz M2 = 0 gdy D ³ 0,07112 m (9)

Przy kątowym sposobie odbioru ciśnienia parametry L1 i L2 są równe zero [12].

Z modelu matematycznego opisanego przez wzory (1)–(5) wynika, że zmiana rodzaju medium roboczego i jego parame-trów wpływa na wartość liczby Reynoldsa ReD i na współ-czynnik adiabaty k. Wychodząc z (2) otrzymuje się

( )

4

2

4 1Re , ,

2 /V

wz Dch d

qK C f k

d K K P-

= = =Db

e bp r

(10)

Współczynnik kalibracji Kwz poddano modelowaniu nu-merycznemu jako funkcję liczby ReD i k przy założeniu, że średnica rury D > 0,071 m i współczynnik DP/P=0,2. Wy-niki pokazano na rys. 1.

Na rys. 1 przedstawiony jest wpływ liczby ReD, adiaba-tycznego współczynnika k i względnej średnicy b otworu przysłony na wartość współczynnika kalibracji Kwz. Pomimo że te wpływy opisuje ogólnie (10) [12], to wyniki symulacji numerycznej pozwoliły określić zakresy parametrów, w któ-rych współczynnik Kwz mało się zmienia. Wykryto, że dla liczby ReD od 105 do 108 najmniejsza zmiana wartości współ-

(5)


czynnika Kwz = 0,089%, występuje dla b = 0,1, a największa 2,41% – dla b = 0,74 (rys. 1a). Niemal taki sam wpływ na wartość Kwz ma zmiana adiabatycznego współczynnika k, gdyż w zakresie ReD od 105 do 108 współczynnik Kwz zmie-nia się o ok. 1,75 % dla całego zakresu zmian k z 1,2 do 1,66 (rys. 1b). Przybliżone podobieństwo postaci krzywych z rys. 1b świadczy o wpływie rodzaju medium roboczego na współczynnik Kwz i o możliwości zbadania tego wpływu by ocenić błędy systematyczne i wprowadzić dla nich popraw-ki. Wyniki symulacji pokazują również, że zmiany współ-czynnika Kwz zmniejszają się przy mniejszych wartościach b. Stosując zależności (4)–(5) jako udoskonalone modele ma-tematyczne w porównaniu z zalecanymi w przepisach RD 50-213-80, zidentyfikowano obszary iloczynu Ce o małych zmianach nieprzekraczających 0,017 % i 0,37 % dla zakre-su liczby Reynoldsa ReD od 106 do 108 oraz odpowiednio dla b = 0,1 i b = 0,5623. Wykazano więc, że iloczyn C e º Kwz można stosować do opisu transferu miary wzorca przepływu gazu i wprowadzać poprawki dla wartości współczynnika Kwz uwzględniające wpływ wartości parametrów ReD, b i k. Dzię-ki temu zwiększy się dokładność wzorca miary przepływu.

Z wyników modelowania współczynnika kalibracji Kwz wy-nika, że dla transferu jako urządzenia do przekazywania mia-ry wzorca objętościowego natężenia przepływu gazu ziem-nego, realizowanego w oparciu o pomiary spadku ciśnienia, powinno się stosować algorytm [13]:

24

24 1

wz kwz

K K Pq dπρD

= ⋅- b

(11)

gdzie: qwz – objętościowe natężenie przepływu w warunkach roboczych transferu, Kk – wynikowy współczynnik popraw-kowy wyników pomiaru dla jego pracy przy gazie ziemnym.

4. Stanowisko pomiarowe i wyniki badań transferu

Dokonano aprobaty, czyli sprawdzenia poprawności działa-nia oraz kalibracji wykonanego prototypu transferu służą-cego do przeniesienia miary wzorca przepływu gazu. Pod-czas kalibracji jego współczynnik Kwz wyznacza się ekspe-rymentalnie przy użyciu pomiarowego stanowiska dzwono-wego [14], zaś współczynnik Kk oblicza się według metody podanej w [13] na podstawie parametrów pracy transferu dla przepływu gazu ziemnego.

Wygląd zestawu aparatury do realizacji przekazywania wartości wzorcowych przepływu i objętości gazu przedstawia rys. 2, a schemat opisujący jego działanie podano na rys. 3.

Transfer zawiera znormalizowaną zwężkę pomiarową o średniej średnicy otworu d = 56,00 mm. Po obu stronach zwężki zastosowano dwa proste odcinki rur o nominalnej śred-nicy DN = 100 mm i o długości po 20 DN. Mierzy się ciśnienie i temperaturę przepływającego gazu oraz różnicę ciśnień na zwężce. Do przetwarzania sygnałów służy elektroniczny prze-licznik typu OE-22DM (wyprodukowany w Iwano-Frankow-sku), do którego podłączone są: przetwornik ciśnienia, róż-nicy ciśnień i temperatury firmy Fisher Rosemount model 3095 z przetwornikiem temperatury TSP-1288. Do wzorcowa-

Rys. 2. Widok stanowiska pomiarowego do badania transferu wartości wzorcowej dla pomiaru przepływu gazu ziem-nego z wykorzystaniem metody ze zwężką o zmiennym spadku ciśnienia. 1 – dzwonowe stanowisko wzorcowe do kalibrowania transferu przy przepływie powietrza, 2 – elektroniczny przelicznik dla gazu ziemnego, 3 – przetwornik ciśnienia i spadku ciśnienia na zwężce pomiarowej, 4 – przetwornik temperatury medium robo-czego, 5 – zwężka do pomiaru przepływu, 6 – prostoli-niowy odcinek rurociągu przed zwężką

Fig. 2. View of the stand for testing the transfer of standard flow value of the natural gas measured by differential pres-sure nozzle as primary sensor of type LFE (laminar flow element). 1 – bell type standard equipment for calibra-tion transfer in air flow, 2 – electronic converter of data signals for natural gass, 3 – transmitter of pressure and differential pressure on the measuring nozzle, 4 – tem-perature sensor of working medium, 5 – flow measuring nozzle, 6 – linear part of the pipe before nozzle

Rys. 1. Wyniki modelowania współczynnika Cε w funkcji liczby Reynoldsa Re; a) dla k2 = 1,43; β1 = 0,1; β2 = 0,5623; β3 = 0,74; b) dla β2 = 0,5623; k1 = 1,2; k2 = 1,43; k3 = 1,66

Fig. 1. Results of the simulation of coefficient Сε as function of Reynolds number Re; a) for k2 = 1,43; β1 = 0,1; β2 = 0,5623; β3 = 0,74; b) for β2 = 0,5623; k1 = 1,2; k2 = 1,43; k3 = 1,66

а)

b)

176

NAukA

nia transferu jako roboczego wzorca przepływu użyto stano-wiska dzwonowego typu RKDU-0,44 (produkcji Iwano-Fran-kowskiej fabryki Prompribor) [14] z dopuszczalnym względ-nym błędem granicznym przekazywania miary objętości gazu ±0,16 % w zakresie przepływu (10 ... 1000) m3/h.

Wzorcowe wartości przepływu uzyskuje się przez pomiar zmian w czasie objętości gazu wypływającego z przestrze-ni pomiarowej urządzenia dzwonowego. W tym celu wyko-nuje się kolejno poniższe czynności.

Przy zamkniętym zaworze 15 w przewodzie wylotowym 14, otwiera się zawór 13 w przewodzie wlotowym 12 i ze źró-dła 11 napełnia się gazem przestrzeń pod dzwonem 6 znaj-dującym się w zbiorniku pierścieniowym 4 i uszczelnionym cieczą 5. Po dotarciu dzwonu do wymaganego górnego poło-żenia zawór 13 zamyka się i dostarczanie gazu ustaje. Dzwon 6 staje się zawieszony stacjonarnie. Następnie w urządze-niu nastawczym 16 zadaje się wymagane natężenie wypły-wu gazu i otwiera się zawór 15. Dzwon 6 pod własnym cię-żarem zaczyna opadać i wypiera zgromadzony pod nim gaz, który przepływa przez zwężkę transferu 1 zaopatrzoną z obu stron w prostoliniowe odcinki przewodów 2 i 3. Czujnikiem przesunięcia dzwonu 6 jest fotolinijka 8 połączona z nim linką 7. Impulsy z fotodetektora 9 zlicza się elektronicznym przyrządem pomiarowym BS1-1. Kontrolują one wypływa-jącą objętość gazu, zaś chronometr KE (2–1) mierzy czas od początku wypływu. W pamięci elektronicznego przelicznika 10 gromadzi się informację o kolejnych wartościach tych da-nych oraz o parametrach medium roboczego i parametrach środowiska pracy wzorca roboczego i transferu. Cykl wzor-cowania kończy się, gdy dzwon 6 osiągnie najniższą krańco-wą pozycję i zamyka się zawór 15. Oprzyrządowanie trans-feru zawiera też przetwornik parametrów jakości medium roboczego Q (5 –1) do wyznaczeniu współczynnika adiaba-ty (używany dla gazu).

Na podstawie zależności (11) dokonuje się obliczeń współ-czynnika kalibracji Kwz

4

2

12

4

Vwz

KP

qK

pK d

βπ

ρ

-=

D

(12)

gdzie: qV – natężenie objętościowego przepływu powietrza w EP podczas kalibracji za pomocą wzorca roboczego, rP – gęstość powietrza przed zwężką w czasie kalibracji.

Wartość współczynnika Kk przy kalibracji transferu powietrzem przyjmuje się równy 1. Przy wyznaczaniu współczynnika kalibracji Kwz cykl wzorcowania powtarza się dla kilku wartości przepływów zadanych na stanowisku dzwonowym. Na podstawie (12) oblicza się współczynnik kalibracji Kwz jako funkcję liczby Reynoldsa Re posługując się wzorami: qpE =VPE/t (13)

V PE

PE wz wz

wz PE PE

p T Zq qp T Z

= (14)

wz S SP PS

S wz wz

p T Zp T Z

=r r (15)

4Re V PD

P

qDπ

=r

m (16)

gdzie: VPE, qPE – objętość i przepływ objętościowy powietrza w warunkach pracy wytworzone przez wzorzec roboczy; τ – czas trwania przepływu danej objętości gazu; pPE, TPE, ZPE – odpowiednio ciśnienie absolutne, temperatura i współczynnik ściśliwości powietrza w warunkach pracy wzorca roboczego; pwz, Twz, Zwz – odpowiednio ciśnienie absolutne, temperatura i współczynnik ściśliwości powietrza w warunkach eksploatacyjnych transferu; psρ , ZS – wartości gęstości i współczynnika ściśliwości powietrza w warunkach znamionowych; μP – współczynnik lepkości dynamicznej powietrza w warunkach pracy transferu.

Aby podwyższyć dokładność pomiarów przeprowadzano indywidualną kalibrację wieloparametrowego przetwornika dostosowaną do warunków pracy transferu. W tab. 1 przed-stawione są wyliczone średnie wartości parametrów –qEi,

–Rei, –Kei dla każdej i-tej wartości przepływu gazu przez transfer przy wielokrotnym powtarzaniu wyznaczania współczynni-ka kalibracji Kwz oraz wyniki teoretycznych wartości tego współczynnika dla warunków eksperymentu. Błąd względ-ny wyznacza się z ich różnicy

wz i wzt ii

wzt i100%K

K KK

δ -= ⋅ (17)

gdzie: wz iK , wzt iK – średnie wartości współczynnika kali-bracji otrzymane doświadczalnie i obliczone teoretycznie na podstawie wyników n pomiarów dla każdego i-tego przepły-wu – punkty na rys. 4.

Otrzymane wyniki wykazują, że błąd systematyczny dKi wzrasta wraz z maleniem liczby Re. Wyniki te dotyczą zakresu stosunkowo małych liczb Re (0,4·105 ... 1,2·105) określonych przez parametry techniczne pracy wzorca ro-boczego RKDU-0,44, a zwłaszcza przez małe wartości ci-śnienia roboczego nieprzekraczające 5 kPa. Jednakże ten zakres liczby Re jest dopuszczalny dla zastosowań pomia-rowych przetworników przepływu gazu z wykorzystaniem różnicy ciśnień, ponieważ wg [12] dopuszczalna dla nich wartość Remin = 5000.

Rys. 3. Układ wzorcowania transferu wzorca przepływu gazu na stanowisk dzwonowym (objaśnienia w tekście)

Fig. 3. Scheme of calibration of the gas flow transfer standard with use the bell stand (explanation in text)


Rozbieżność między wynikami teoretycznymi i ekspe-rymentalnie wyznaczonym współczynnikiem kalibracji dla zmian liczby Re z 38 420 do 123 790 przebiega w przedzia-le od 1,25 % do 0,31 %. Brak przecięcia się krzywych na rys. 4 wskazuje na obecność systematycznego błędu meto-dy między obliczoną, a doświadczalnie ustaloną wartością współczynnika Kwz.

Natomiast zmniejszanie się błędu wraz z rosnącą liczbą Re wskazuje na prawidłowe podejście do określania współ-czynnika kalibracji transferu. Błąd systematyczny można zredukować przez indywidualną kalibrację. Wówczas zwięk-szy się dokładność wzorca w pomiarach objętości i przepły-wu objętościowego gazu oraz przy realizacji transferu prze-pływu. Na przykład krajowy etalon Ukrainy realizuje od-wzorowanie i pomiary powietrza o parametrach w zakresie odpowiadającym warunkom eksploatacyjnym z nieusuwal-nym błędem systematycznym 5·10-4 i ze standardową nie-pewnością typu A równą 1·10-3 [2]. Można więc na drodze eksperymentalnej wyznaczyć iloczyn Ce (czyli współczynnik wzorcowania transferu) bardziej precyzyjnie niż z niepewno-ścią 0,5 % wynikającą z obliczeń wg (4) i (5).

Po szeregowym podłączeniu omówionego transferu wzor-ca przepływu do innych typów urządzeń do pomiaru prze-pływu i objętości medium gazowego, w tym liczników tur-binowych i rotorowych, realizuje się przeniesienie do nich wartości objętości i przepływu od wzorca państwowego lub wzorca wtórnego. Ponadto, połączenie szeregowe dwóch ta-kich transferów umożliwia realizację procedury ich porów-nania.

5. Parametry metrologiczne transferu

Przy tworzeniu modelu metrologicznego należy uwzględnić dokładność wszystkich składników zależności (11) opisującej działanie transferu w rzeczywistych warunkach pracy pod-czas pomiarów. Podczas obliczania całkowitej niepewności pomiaru przepływu gazu naturalnego za pomocą transfe-ru wyznacza się stopień oddziaływania każdego z parame-trów przez pochodne cząstkowe i zakłada się brak korela-cji między nimi, tj.:

2 2 2

222

( ) ( ) ( )( )

( ) ( ) ( )

wz k Bwz k

B B

q q qu K u K u dK K d

u qq q qu D u p uD p

ρρ

∂ ∂ ∂ ⋅ + ⋅ + ⋅ + ∂ ∂ ∂ =

∂ ∂ ∂ + ⋅ + ⋅ D + ⋅ ∂ ∂D ∂

(18)

gdzie: wz

qK∂

∂,

k

qK∂

∂, q

d∂∂

, qD

∂∂

, qp

∂∂D

, qρ

∂∂

– współczynniki wpływu do obliczenia odpowiednio nie-pewności parametrów Kwz, Kk, d, D, Δp, r, uKwz, uKk, uB(d ), uB(D ), uB(Dp ), u( r) – standardowe niepewności wyznaczenia współczynników Kwz, Kk pomiaru parametrów d, D, Δp oraz obliczenia gęstości gazu naturalnego ρ.

Do oszacowania niepewności transferu stosuje się nastę-pujące oszacowania wartości parametrów geometrycznych eksperymentalnie wykonanego transferu i wartości wielko-ści wejściowych w warunkach jego pracy na gazie ziemnym: –d = 43 mm; –D = 100 mm; D–pmax = 2,5 kPa; –rS = 0,705 kg/m3; –p = 380 kPa; T = 278 K.

Najpierw ocenia się liczbowe wartości wszystkich niepew-ności składowych występujących w (18). Wykorzystując wy-niki badań z [15] i metodę wyznaczania współczynnika ka-libracji Kwz za pomocą wzorca realizowanego przez stanowi-sko dzwonowe, przyjmuje się wartość niepewności u(Kwz) = 1,310 10-3. Obliczania wartości Kwz = Ce dokonuje się przez wyznaczenie z zależności (4) i (5) wartości współ-czynników ( )Re ,DC f β= , [ ]2 1, ,( / )f k p pε β= . Uwzględniając, że iloczyn Ce dla transferu wyznacza się doświadczalnie [13], zaś wartości liczby Re charakteryzują przepływy powietrza na stanowisku wzorcowym o znanej wartości współczynni-ka b (określonej przez geometryczne wymiary transferu), można doświadczalnie otrzymać aproksymowane zależności

vp (Re )DK C f= e = dla danej wartości wskaźnika adiabaty k i powietrza jako środowiska pracy. Rzeczywistą wartość współczynnika kalibracji transferu dla przepływu gazu ziem-nego uzyskuje się wykorzystując eksperymentalnie uzyska-ną wartość dla powietrza i koryguje się je następująco:

wzg wz kK K K= ⋅ (19)

gdzie: Kwzg – rzeczywista wartość współczynnika Kwz dla pra-cy przy gazie ziemnym.

Współczynnik korekcyjny Kk uwzględnia wpływ rodza-ju środowiska pracy dla rzeczywistych wartości wskaźnika adiabaty i stosunku ciśnień Δp/p oraz e wg (4).

Uwzględniając nieliniowość przy aproksymacji zależności (Re )wz DK f= oraz brak takiej zależności dla obliczenia

współczynnika korekcyjnego Kk, przy szacowaniu niepew-ności u(Kk), wyznacza się minimalne i maksymalne warto-

0,5900,6000,6100,6200,630

35 55 75 95 115 Re*103

K WZ

Rys. 4. Charakterystyka wzorcowania transferu wartości wzorca przepływu gazu –•– dane eksperymentalne, –o– dane wyznaczone teoretycznie

Fig. 4. Calibration function of the transfer of the gas flow rate standard –•– experimental data, –o– theoretical data

Tab. 1. Wyniki wzorcowania i wyznaczone teoretycznie dane transferu wzorca przepływu gazu

Tab. 1. Results of calibration and theoretically calculated data of the gas flow standard transfer

Nr badanegoprzepływu

–qEi

m3/h–Rei

–Kwz–Kwzt i

dKi

%

1 154,01 38420 0,6190 0,6113 1,25

2 197,43 49190 0,6172 0,6097 1,21

3 269,34 67040 0,6135 0,6075 0,99

4 335,98 83480 0,6099 0,6054 0,73

5 401,54 99420 0,6068 0,6034 0,57

6 464,31 114990 0,6041 0,6012 0,47

7 499,29 123790 0,6017 0,5998 0,31

178

NAukA

ści Kwz, które mogą wystąpić podczas pracy transferu. Ko-rzystając z wyników symulacji iloczynu Ce można ograni-czyć zmiany wskaźnika adiabaty do zakresu 1,3–1,43 (obej-muje on wartości dla powietrza i gazu ziemnego przy ciśnie-niu do 0,5 MPa i temperaturze 283 ±10 K), jak również za-kres liczb 106–108 dla strefy akceptowanej stabilności czyn-nika C. Dlatego też występujące w rzeczywistości wartości współczynnika Kwz znajdują się w przedziale 0,5667–0,5692 odpowiadającym zakresowi zmian współczynnika korygują-cego Kk. Wartości krańcowe oblicza się jako:

minmin 0,99779wz

kwz

KKK

= = , maxmax 1,00220wz

kwz

KKK

= =

gdzie wzK – średnia wartość z zakresu obliczonych wartości współczynnika Cε.

Zakłada się też, że wartość tego współczynnika w zakre-sie jego zmian ma rozkład równomierny. Wówczas standar-dową niepewność pomiaru u(Kk) wyznacza się jako typu B:

3max min( ) 1,2704 10

12k k

kK Ku K --

= = ⋅ (20)

Według [4] wynik pomiaru średnicy otworu przetworni-ka pomiarowego (zwężki lub kryzy) nie powinien różnić się od średniej o więcej niż ±0,05 %, a wynik pomiaru średni-cy wewnętrznej rury przepływomierza o zmiennym spadku ciśnienia – nie więcej niż ±0,3 %. Dlatego też, niepewności standardowe uB(d), uB(D) dla pomiarów średnicy otworu zwężki d = 43 mm i średnicy wewnętrznej rury D = 100 mm można wyznaczyć metodą typu B dla trójkątnego rozkła-du wartości, powszechnie stosowanego dla pomiaru linio-wych wymiarów obiektów cylindrycznych:

62 0,05( ) 8,8 10

100 24Bdu d -⋅ ⋅

= = ⋅ m

42 0,3( ) 1,22 10

100 24BDu D -⋅ ⋅

= = ⋅ m (21)

Szacunkowa wartość niepewności uB(Δp) dla pomiaru różnicy ciśnień na transferze z zastosowaniem miernika ci-śnienia o klasie dokładności 0,1 (d(Δp) = ±0,1 %) i zakresie pomiarowym 2,5 kPa będzie:

( ) max2( ) 0,833100 36B

p pu p δ⋅ D ⋅ DD = = Pa (22)

Całkowita niepewność u(r) pomiaru gęstości gazu w wa-runkach pracy określa się na podstawie pomiarów pośred-nich przy braku korelacji między wartościami parametrów użytych do obliczania gęstości gazu.

S

SS

p Tp T K

ρ ρ= ⋅⋅

(23)

Całkowita niepewność w warunkach pracy na stanowi-sku u(r) = 2,212 × 10-3 kg/m3 [15].

Występujące w (18) współczynniki wpływu dla każde-go z parametrów oblicza się z (11) jako pochodne cząstko-we. Otrzymane zależności i ich oszacowania liczbowe po-dano w tab. 2.

Dla wybranych wartości parametrów podanych w tabe-li 2, obliczona z (11) wartość przepływu gazu w warunkach roboczych

q = 0,0353 m3/s (127,08 m3/h) (24)

Tab. 2. Niepewności parametrów transferu i ich współczynniki wpływuTab. 2. Uncertainties of standard transfer parameters and their influence coefficients

Parametry Niepewności parametru Współczynniki wpływu

wzK = 0,56795 u(Kwz) = 1,310 10-32 2

ˆ 24 4

wz

ˆ 2 6,199 104

eq E d D pK D d

π -∂= ⋅ ⋅ = ⋅

∂ -

D

r m3/s;

kK = 0,99999 u(Kk) = 1,2704·10-32 2

wz 24 4

2 3,508 104k

q K d D pK D d

-∂= ⋅ ⋅ = ⋅

∂ -

p D

r m3/s;

d = 43 mm uB(d ) = 8,8·10-6 m2 4

wz4 44 4

21 1,6892

kq K K dD d pd D dD d

∂ D= + = ∂ - -

p

rm2/s

D = 100 mm uB(D ) = 1,22·10-4 m2 4

wz4 44 4

212

kq K K d D D pD D dD d

πρ

∂ D= ⋅ - ∂ - -

=2,469·10-2 m2/s

pD =2,5 kPа uB(Dp ) = 0,833 Pa2 2

6wz k4 4

1 7,016 104 2

q K K d Dp pD d

-∂= ⋅ ⋅ = ⋅

∂ -

p

D rD m4·s/kg

ρ = 2,827 kg/m3 u( r) = 2,212·10-3 2 2

3wz34 4

6,203 104 2

kq K K d D pD d

-∂= - ⋅ ⋅ = ⋅

∂ -

p D

r r m6/(s·kg)


Po podstawieniu do (18) obliczonych niepewności stan-dardowych i odpowiadających im wartości współczynników wpływu z tab. 2 otrzymuje się wartość standardowej nie-pewności pomiaru przepływu gazu ziemnego

u (q) = 9449 × 10-5 m3/s

a względna standardowa niepewność całkowita

( ) ( ) 100 0,267%.u qu q

qδ = ⋅ = ±

(24)

Rozszerzoną niepewność pomiaru q za pomocą transfe-ru oblicza się dla przyjętego poziomu ufności, np. P = 0,95 mnożąc wynik (25) przez współczynnik rozszerzenia k0 = 2, tj.

( ) ( )0 0,53 %rU q k u qδ= = ± . (25)

6. Wnioski

Opracowano metodę przekazywania wartości miary wzorca przepływu gazu ziemnego. Można ją stosować przy zmianach zarówno parametrów roboczych badanego gazu, jak i jego rodzaju. Dodatkową jej zaletą jest możliwość zapewnie-nia spójności pomiarów przy przejściu z objętościowego do masowego przepływu gazu z pominięciem wytycznych [16].

Proponowana koncepcja pozwala udoskonalić znane pro-cedury, jak również rozwiązać zadanie techniczne realiza-cji nowej struktury systemu sprawdzań przyrządów do po-miaru natężenia przepływu objętości i masy gazu ziemne-go, który można utworzyć przy zastosowaniu jednego pań-stwowego lub pierwotnego wzorca przepływu objętości gazu.

Opracowano urządzenie – transfer do przekazywania wartości wzorca przepływu gazu ziemnego z zastosowaniem przepływomierzy o zmiennym spadku ciśnienia i przetesto-wano jego działanie. Dzięki temu możliwe jest stworzenie no-wego typu standardowego wyposażenia pomiarowego (trans-fery i wzorce robocze) dla systemu sprawdzań gazomierzy wraz z uwzględnieniem optymalnego ich projektowania.

Na podstawie badań modelu tego transferu dokonano też aprobaty jego funkcjonowania. Pozytywne wyniki badań uzasadniły wystąpienie o przyznanie patentu Ukrainy [13].

Przedstawiona koncepcja budowy transferów wartości wzorca przepływu w oparciu o śledzenie ich charakterystyk metrologicznych spełnia też wymagania przepisów krajów SNP, w tym standardu Ukrainy [2].

Koncepcja ta może również znaleźć praktyczne zastoso-wanie w badaniach związanych z budową jednolitego eu-ropejskiego wzorca metra sześciennego gazu ziemnego [8].

Dokonano oszacowania niepewności pomiaru przepływu gazu z wykorzystaniem zaproponowanego transferu. Wyka-zano, że rozszerzona niepewność przepływu gazu ziemnego nie powinna przekroczyć ±0,53 %. Jest to w pełni do za-akceptowania dla tego typu wzorcowych urządzeń pomia-rowych.

Ogromnymi zaletami prezentowanego transferu w stosun-ku do podobnych przyrządów pomiarowych będzie wysoka niezawodność ze względu na brak części ruchomych w prze-tworniku pomiarowym, przenośność, a także możliwość bez-pośredniego pozyskiwania miary objętościowego przepływu powietrza od etalonu państwowego lub wzorca kontrolne-

go i możliwość pracy zarówno z powietrzem, jak i z gazem ziemnym jako medium roboczym.

Publikacja ta, poza zapoznaniem Czytelnika z oryginal-nym ukraińskim opracowaniem transferu wzorca przepływu gazu, może być pomocna w doskonaleniu systemu nadzoru metrologicznego systemu sprawdzań gazomierzy w Polsce [3] oraz w jego porównaniach międzynarodowych w ramach Unii Europejskiej i z innymi krajami ościennymi.

Bibliografia

1. Pіstun E.P., Chehovsky S.A., Seredyuk O.E., Goncharuk M.І., Naukowe podstawy stworzenia prawnej i technicznej bazy kontroli racjonalnego wykorzystania gazu ziemnego [Наукові основи створення нормативної та технічної бази контролю раціонального використання природного газу]. „Наука та інновації” 2005. Т.1, 1, 150-166 (w języku ukraińskim).

2. Метрологія. Державна повірочна схема для засобів ви-мірювання об’єму та об’ємної витрати газу, (Ukraiń-ska norma państwowa schematu sprawdzania objęto-ści i przepływu gazu) ДСТУ 3383: 2007.– (obowiązu-je od 2007.07.01), Держспоживстандарт України, 2007. – ІІІ, 9 с.

3. PN-EN ISO 5167, Pomiary strumienia płynu za po-mocą zwężek pomiarowych wbudowanych w całkowicie wypełnione rurociągi o przekroju kołowym. Części 1 do 4 : 2005.

4. ДСТУ ГОСТ 8.586.2:2009(ISO 5167-2:2003, NEQ). Метрологія. Вимірювання витрати та кількості рі-дини й газу із застосуванням стандартних звужуваль-них пристроїв. Частина 2. Діафрагми. Технічні вимо-ги. – (obowiązuje od 2010.04.01). Держспоживстандарт України, 2011. – ІV, 43 с.

5. Gerasimov A.P., Iwanow V., Krasavin V.M. et all, The Area of Application of Laval Nozzles in Flow-Rate Mea-surement Technique. [Zakres zastosowania dysz Lavala w technice pomiarów przepływu] „Measurement Techni-ques” (Springer), 2005 Vol. 48, No 4, 381–387. Trans-lated from: Izmieritel’naja Tekhnika 2005, 4, 48–52.

6. Kolpak B.D., Kruk O.P., Seredyuk O.E. et all, Metrolo-gical certification of a piston flowmeter for natural gas flows/ Metrologiczna certyfikacja tłokowego stanowiska do pomiarów przepływu gazu ziemnego/. Measurement Techniques, 1995, vol. 38, no. 11, 1249–1253. Translated from “Izmieritel’naja Tekhnika”, 1995. 11. 28 -30.

7. Petryshyn І.S., Seredyuk O.E.: Технічне забезпечення звіряння еталонів об’єму та витрати газу, Вимірювальна та обчислювальна техніка в техно-логічних процесах. 2001. 1. 49-51 (w języku ukraińskim).

8. Dopheide D., Mickan B., Kramer R. et all, The International World Reference Value for High Pressure Natural Gas Flow. Metrologіya ta vimіryuvalna tehnіka (Metrologіya 2006: Prace naukowe V Międzynarodowej Konferencji naukowo-technicznej Tom 1. Charków, 2006. Іnstitut Metrologії, 15-25.

9. Seredyuk O., Vitvitskiy L., Vinnichuk A., Warsza Z., Metoda wyznaczenia parametrów metrologicznych gazomierza domowego, „Gaz Woda i Technika Sanitarna”, 9/2011, 7–10.

180

NAukA

10. Seredyuk O., Vynnychuk A., Vitvitskiy L., Warsza Z., Budowa, analiza i ocena niepewności pomiarów zestawu kalibracyjnego do sprawdzania gazomierzy u użytkownika. „Pomiary Automatyka Kontrola”, 2012, 1 (vol. 58), 9–14.

11. Seredyuk O., Vynnychuk A., Vitvitskiy L., Warsza Z., Wyznaczanie parametrów metrologicznych gazomierza domowego bez jego demontażu, „Polski Instalator” 11/2011, 44–51.

12. Norma GSOEI. Pomiar natężenia przepływu i objętości cieczy i gazów za pomocą wzorcowych urządzeń zwężających. Część 2. Membrany. Techniczne wymagania (ISO 5167-2:2003): Standard 8.586.2 – 2005 r. [wprowadzony 01.01.2008]. M.: Standartinform, 2007. – IV, 38. (Interstate Standard).

13. Seredyuk O.E., Crook І.S., Rudko V.P. et all, Pat. nr 25 208 U Ukraina, IPC (2006) G01F25/00. Wzorzec przekazywania jednostki objętości masy i zużycia gazu ziemnego [Еталон передавання одиниці об’єму, маси та витрати природного газу] u 2007 04218; zgłoszenie 16,04.07, wyd. 25.07.07, Bull. No 11.

14. Brodin I.S., Seredyuk O.E.: Improved functional al-gorithm and design for Bell-type flowmeters. [Popra-wa algorytmu pracy i konstrukcji dzwonowego stano-wiska do pomiarów przepływu] Measurement Techni-ques (Springer), 1989, vol. 32, no 5, 437–440 Transla-ted from „Izmieritel’naja Technika” 1989. 5. 24–26

15. Seredyuk O.E., Аналіз невизначеності вимірювань при передаванні одиниці витрати природного газу / О.Є. Середюк, Л.А. Витвицька // Методи та прилади контролю якості. – 2006. 17. 58–62.

16. Norma GSOEI. Podstawowy standard państwowy i schemat sprawdzań za pomocą pomiaru przepływu masowego gazu w zakresie od 4 ‧ 2/10 ... 2,5 ‧ 102 kg/GOST 8.369–79. – [Wprowadzony 01.01.1981]. Moskwa: Изд-во стандартов (Wydawnictwo Norm), 1980.

17. Piotrowski J., Kostyrko K., Wzorcowanie aparatury pomiarowej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.

18. Wright J.D., What is the “best” transfer standard for gas flow? [www.cstl.nist.gov].

19. Wright J.D., Laboratory Primary Standards in Flow Measurement. Practical Guides for Measurement and Control. 2nd edition, Spitzer D.W. (ed.), The Instrumentation, Systems and Automation Society, Research Triangle Park, North Carolina, 2001, 731–760.

20. Wright J.D., Johnson A.N., Moldover M.R., Design and Uncertainty Analysis for a PVTt Gas Flow Standard, NIST J. of Res., 2003.

Transfer of standard values for measurement of natural gas rate

Abstract: The methodological study and technical solution for creation the transmission of standard values of the natural gas consumption using variable differential pressure flow meters were proposed and justified. The possibility of transferring of the standard gas flow rate values for natural gas consumption measurements taken from the State standard (etalon) or from the second level reference standards in the State verification system with taking

to consideration changes of gas parameters and type of working medium (air or natural gas) were conducted. The experimental verification of the designed transfer unit model based on Laval type nozzle and the bell calibration stand to create the working standard was held. Uncertainty and its components for measurement of the natural gas flow by this transfer are estimated.

Keywords: standard of gas flow, natural gas, transfer, bell type calibration stand, uncertainty

Prof. dr hab. inż. Orest E. Seredyuk

Uzyskał stopień kandydata nauk technicz-nych w 1990 r. i doktora nauk technicznych (habilitacja) w 2009 roku, profesor Katedry „Metody i narzędzia kontroli jakości i cer-tyfikacji produktów” w Iwano-Frankowskim Narodowym Uniwersytecie Technicznym Nafty i Gazu (IFNTUNG), Ukraina.Tematyka naukowa: opracowanie i badania urządzeń kalibracyjnych do pomiaru prze-pływu i objętości powietrza i gazu ziem-nego oraz metrologiczne właściwości liczników i przepływomierzy gazu ziemnego. Autor ponad 150 publikacji naukowych, w tym 30 patentów i 2 przewodników.e-mail: [email protected]

mgr inż. Vitalij V. Malisevich

Inżynier fizyk o specjalności „Przyrządy i systemy badań nieniszczących” w 2008 r. ukończył studia i zdobył dyplom specjalisty (inżyniera) w Ivano-Frankowskim Naro-dowym Uniwersytecie Technicznym Nafty i Gazu (IFTUNG) na Ukrainie. Aspirant na studiach doktoranckich w Katedrze „Metody i przyrządy kontroli jakości i certyfikacji pro-dukcji” tej uczelni.Kierunek badań naukowych: przyrządy do diagnostyki i kontroli stanu technicznego liczników i mier-ników przepływu gazu, badania metrologiczne gazomierzy. Autor 15 publikacji naukowych.e-mail: [email protected]

doc. dr inż. Zygmunt L. Warsza

Ukończył Miernictwo Elektryczne na Politechnice Warszawskiej 1959, dok-torat 1967, docent 1970. Praca: Instytut Elektrotechniki 1958–63 (i 1994–95), Politechnika Warszawska 1960–70; zorganizował i prowadził: Wydział Transportu Politechniki Świętokrzy-skiej (dziekan 1970–76), Ośrodek Apara-tury Pomiarowej IMGW 1978–82, Zakład Automatyzacji i Techniki Pomiarowej Insty-tutu Chemii Przemysłowej 1983–91. Doradca Ministra Edukacji Narodowej 1992–94. W latach 1983–92 i 1994–2002 wykładał na Politechnice Radomskiej metrologię i diagnostykę techniczną. Obecnie: w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Specjalista z kilku dziedzin pomiarowych. Autor ok. 170 publikacji, 2 monografii, wielu prac badawczych, konstrukcyjnych i patentów, promotor 2 doktorantów.e-mail: [email protected]


Magnetowizja słabych pól magnetycznych w systemach zapewnienia

bezpieczeństwa publicznegoMichał Nowicki*, Roman Szewczyk**

*Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska**Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W artykule przedstawiono zastosowanie pomiaru magnetowizyjnego do pasywnego wykrywania obiektów niebez-piecznych. Zbudowano układ pomiarowy do badania rozkładu wektorów indukcji pola magnetycznego. Przeprowadzono pomiary zaburzeń pola ziemskiego powodowanego przez przedmioty ferro-magnetyczne. Wykazano możliwość wykrycia wybranych obiektów niebezpiecznych i określenia ich położenia.

Słowa kluczowe: magnetowizja, czujniki magnetorezystancyjne, obrazowanie magnetyczne

1. Wprowadzenie

Magnetowizja polega na pomiarze rozkładu wartości indukcji pola magnetycznego w określonej płaszczyźnie lub w prze-strzeni i przedstawieniu go za pomocą obrazu 2D (dla płasz-czyzny) lub 3D (dla przestrzeni). Nazwa pochodzi od analo-gii z termowizją, ponieważ kolor w obrazie magnetowizyjnym odpowiada wartości indukcji pola magnetycznego lub warto-ści natężenia pola magnetycznego w danym punkcie. Istnie-je również możliwość uzyskania obrazu monochromatyczne-go, w postaci izolinii. Najprostszym urządzeniem do obrazo-wania jest dwuwymiarowy układ skanujący XY, przemiesz-czający po meandrującej ścieżce w określonym, zazwyczaj prostokątnym obszarze, czujnik hallotronowy lub magneto-rezystancyjny [4].

Możliwe jest również zbudowanie (metodami typowymi dla produkcji układów scalonych) układu dwuwymiarowe-go z czujnikami rozmieszczonymi w określonej liczbie rzę-dów i kolumn, na wzór matrycy CCD. Układ taki nie musi być ruchomy, ma jednak określony na stałe, ograniczony ob-szar pomiarowy [7].

Najodpowiedniejszymi czujnikami na potrzeby magne-towizji są cienkowarstwowe czujniki magnetorezystancyjne. Charakteryzują się one zarówno wysoką czułością, jak i nie-wielkimi wymiarami – typowo 1 mm × 1 mm [3]. Rozdziel-czość uzyskiwanych obrazów zależy bezpośrednio od liczby wyznaczonych punktów pomiarowych. W przypadku układu XY z pojedynczym czujnikiem decydującym ograniczeniem wpływającym na czas pomiaru jest liczba linii, wzdłuż któ-rych porusza się czujnik. Możliwe jest uzyskanie obrazu „tele-wizyjnego”, tj. sygnału ciągłego (lub znacznej liczby punktów pomiarowych) wzdłuż ograniczonej liczby linii skanowania.

Dotychczasowe badania nad magnetowizją skupiały się na możliwości pomiaru naprężeń w materiałach ferromagne-

tycznych, w odniesieniu do magnetosprężystego efektu Vil-lariego [5]. Przez pomiar natężenia pól magnetycznych przy powierzchni obciążanych próbek uzyskiwano dobrą korela-cję uzyskanych obrazów magnetowizyjnych z rozkładem na-prężeń wewnątrz badanych elementów. Pozwoliło to na nie-niszczące badania procesów zmęczeniowych w warunkach cyklicznego obciążenia w zakresie wysokiej częstotliwości. W przypadku wykorzystania efektu Villariego nie stosowa-no zewnętrznych źródeł pola magnetycznego [6].

Następnym obiecującym zastosowaniem magnetowizji są badania nieniszczące materiałów ferromagnetycznych, w szczególności stali. W takim przypadku rozkład natęże-nia pola magnetycznego może być wykorzystany do bada-nia właściwości materiału. Uzyskiwano dobrą korelację mię-dzy rozkładem ziaren w próbce a obrazem magnetowizyjnym tuż przy jej powierzchni [8]. Istnieje również możliwość wy-konania mapy domen magnetycznych i współczynnika strat mocy oraz wykrycia zakłóceń struktury krystalicznej, mi-kropęknięć i naprężeń powstałych przy obróbce. Najważ-niejszą zaletą magnetowizji jest możliwość badania elemen-tów (również pokrytych powłokami) w trakcie produkcji, bez specjalistycznych przygotowań próbek do badań nisz-czących. Pozwala to na szybkie wykrycie elementów o nie-pożądanych właściwościach.

W artykule przedstawiono próbę zastosowania pomiaru magnetowizyjnego do opracowania metody pasywnego wy-krywania metalowych obiektów niebezpiecznych. Uzyskanie obrazów magnetowizyjnych nieznanych obiektów z większej odległości i o większej powierzchni wymagało opracowania nowych metod pomiaru i przetwarzania wyników.

Zastosowanie pasywnego systemu magnetowizyjnego jest o tyle istotne, że aktywne systemy wykrywaczy metalu mogą sprowokować reakcję specjalnie do tego celu konstru-owanych zapalników – szczególnie w przypadku nowszych generacji min lądowych, reagujących na obecność aktyw-nych wykrywaczy, co stanowi bezpośrednie zagrożenie dla sapera [1, 2].

2. Metodyka i przedmiot badań

W celu wykonania badań został zbudowany i przetestowa-ny układ skanujący XY z pojedynczym, trójosiowym czujni-kiem magnetorezystancyjnym Honeywell HMR2300, przed-stawiony schematycznie na rys. 1.

W układzie tym dokonano pomiaru rozkładu wektorów in-dukcji pola magnetycznego w płaszczyźnie pomiarowej oraz rozkład ten przetworzono na obraz magnetowizyjny.

182

NAukA

Zastosowanie czujnika trójosiowego umożliwiło uzy-skanie obrazów indukcji pola magnetycznego w układzie trzech osi XYZ, dzięki czemu uzyskano informację o war-tości indukcji pola magnetycznego i jej kierunku w odnie-sieniu do każdego punktu pomiarowego. Pomimo że in-dukcja pola magnetycznego jest wielkością wektorową, to jednak w dotychczasowych systemach magnetowizyjnych było to pomijane.

Podczas pomiarów nie stosowano dodatkowych pól ma-gnesujących, a mierzono jedynie zaburzenia tła, tj. głównie naturalnego ziemskiego pola magnetycznego. Układ skanu-jący przemieszczał czujnik wzdłuż równoległych linii o za-danym odstępie, wyznaczając płaszczyznę pomiarową. Do badań przyjęto obszar 200 mm × 200 mm, na którym po-prowadzono 11 równoległych linii pomiarowych. Na każ-dej linii znajdowało się 100 punktów pomiarowych. Para-metry te dobrano w zależności od pożądanej rozdzielczości i czasu pomiaru. Uzyskane wyniki przeliczano w programie MATLAB, przyporządkowując je do poszczególnych linii pomiarowych. Następnie interpolowano wyniki uzyskanej macierzy 100 × 10 do 100 × 100 punktów, co pozwalało na uzyskanie wyraźnego obrazu.

P1 – na wysokości x nad badanym obiektem oraz P2 – na wysokości x + h, gdzie:x – znana w przybliżeniu odległość między obiektem

a płaszczyzną pomiarową 1,h – znana odległość między płaszczyzną pomiarową P1

a płaszczyzną pomiarową P2.Rozkład linii indukcji pola magnetycznego w pobliżu

obiektu ferromagnetycznego umieszczonego w ziemskim polu magnetycznym jest zbliżony do rozkładu pola magne-su sztabkowego. W szczególności, indukcja pola magnetycz-nego magnesu może być opisywana jako pole dipola ma-gnetycznego scharakteryzowanego przez magnetyczny mo-ment dipolowy m . Indukcja pola magnetycznego na osi magnesu, w próżni, w odległości x od jego środka jest wy-rażona zależnością:

0

3 31

2B m C

x x= =

m

p

(1)

przy czym:m – magnetyczny moment dipolowy,

70 12,5664 10 V s

A m− ⋅

= ⋅⋅

m – przenikalność magnetyczna próżni,

0

2C m=

m

p

– stała zastępcza indukcji.

Ponieważ wartość indukcji magnetycznej zmniejsza się proporcjonalnie do sześcianu odległości od źródła, to jeśli h ≈ x, zakłócenie 1B

wywołane przez obiekt w pierwszej

płaszczyźnie pomiarowej będzie do ośmiu razy większe niż 2B

w drugiej płaszczyźnie.Jeśli natomiast inne źródła pola magnetycznego znaj-

dują się w odległości y >> x od pierwszej płaszczyzny po-miarowej, to ich wpływ TB

na wartość indukcji magne-

tycznej w płaszczyznach P1 i P2 będzie podobny. A więc:

1 1 1P TB B B= +

(2)

2 2 2P TB B B= +

(3)

Przy założeniu:

1 2T TB B≅

1 2B B>

To:

1 2 1P PB B B− ≈

(4)

przy czym:1PB

– wynik pomiaru w płaszczyźnie P1,2PB

– wynik pomiaru w płaszczyźnie P2.1 2,T TB B

– wartości indukcji pola magnetycznego tła w płasz-czyźnie P1, P2.

Można więc uzyskać zgrubny obraz magnetowizyjny próbki znajdującej się w niewielkiej odległości poprzez od-jęcie wyniku pomiaru w płaszczyźnie 2 od wyniku w płasz-czyźnie 1. Pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy podaje wartość bezwzględną różnicy wartości indukcji pola ma-gnetycznego między płaszczyznami pomiarowymi.

Podobną metodą skompensowania wpływu tła na wynik pomiaru jest pomiar gradientowy, stosowany w astrofizyce i geologii (np. w gradiometrach grawitacyjnych). W ogól-

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego: 1 – czujnik magnetore-zystancyjny HMR 2300, 2 – obiekt badany, 3, 4 – silniki krokowe, 5, 6 – sterowniki silników, 7 – generator trajek-torii MI 3.8.9, 8 – zasilacz, 9 – komputer PC

Fig. 1. Diagram of the measuring system: 1 – magnetoresistive sensor HMR 2300, 2 – object studied, 3, 4 – stepper mo-tors, 5, 6 – motor controllers, 7 – MI 3.8.9 trajectory gen-erator, 8 – power supply, 9 – PC computer

Ponieważ czujnik magnetorezystancyjny mierzy jedy-nie wartość trzech składowych wektora indukcji magne-tycznej w punkcie, w którym się fizycznie znajduje, poja-wia się problem oddzielenia od tła zakłócenia generowa-nego przez interesujący nas obiekt. Najprostszym rozwią-zaniem w warunkach laboratoryjnych jest pomiar różni-cowy poprzez wykonanie pomiaru bez badanego obiektu i odjęcie od niego wyniku pomiaru z obiektem. Metoda ta daje najlepsze wyniki, umożliwiając precyzyjne rozdziele-nie rozkładu indukcji magnetycznej tła i obiektu, co po-zwala na uzyskanie niskiego poziomu szumu w obrazie ma-gnetowizyjnym.

Zastosowanie tej metody jest możliwe tylko w okre-ślonych warunkach, tj. możliwości wykonania pomiarów z obiektem i bez w tej samej płaszczyźnie. Z tego wzglę-du opracowano metodę pomiaru różnicowego minimalizu-jącą wpływ tła na wynik pomiaru, a w tym zarówno ziem-skiego pola magnetycznego jak i innych, lecz oddalonych, jego źródeł.

W najprostszej formie pomiar różnicowy polega na wy-konaniu pomiaru w dwu płaszczyznach:


Rys. 2. Rozkład wektorów indukcji magnetycznej wzdłuż linii po-miarowych, obiekt 1

Fig. 2. Distribution of magnetic induction vectors along the mea-surement lines, object 1

Rys. 3. Obraz obiektu 2 – walca stalowego, pomiar pojedynczy, bez odejmowania tła

Fig. 3. Image of the object 2 – steel cylinder, single measure-ment, without background subtraction

Rys. 4. Obraz obiektu 2 – walca stalowego, pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy. Wpływ tła zminimalizowany

Fig. 4. Image of the object 2 – steel cylinder, biplane differential measurement. Influence of the background is minimized

Rys. 5. Pomiar różnicowy dwu-płaszczyznowy obiektu 2 (wa-lec stalowy). Obiekt obracany o kąt: a – 0°, b – 90°, c – 180°, d – 270° względem pola ziemskiego

Fig. 5. Biplane differential measurement of object 2 (steel cylinder). Object rotated by an angle: a – 0°, b – 90°, c – 180°, d – 270° relative to the Earth’s field

184

NAukA

ności polega on na pomiarze wartości natężenia pola ma-gnetycznego w różnych płaszczyznach i na tej podstawie wyznaczeniu gradientu pola. Zastosowanie tej metody daje również dobre wyniki. Pozwalają one odróżnić obszary do-datniego i ujemnego zaburzenia magnetycznego względem pola ziemskiego.

3. Wyniki badań

Pomiary zrealizowano na stanowisku opisanym w punk-cie 2. Do badań użyto następujących próbek ferromagne-tycznych:– Obiekt 1 – walec stalowy o średnicy 80 mm i wysokości

20 mm,– Obiekt 2 – walec stalowy o średnicy 71 mm i wysokości

35 mm,– Obiekt 1 – nóż stalowy składany o długości 120 mm (zło-

żony).Przyjęto odległość między płaszczyznami pomiarowy-

mi h = 50 mm.Na rys. 2 przedstawiono obraz trójwymiarowego roz-

kładu wektorów indukcji pola magnetycznego w punktach pomiarowych dla obiektu 1. Wartości absolutne uzyskano poprzez pomiar różnicowy w jednej płaszczyźnie z pomi-nięciem tła. Odległość obiektu od płaszczyzny pomiarowej wynosiła x = 50 mm.

Na rys. 3 podano obraz magnetowizyjny uzyskany przez jednorazowy pomiar w odległości 20 mm od obiektu 2. Dla tak małych odległości wpływ tła staje się pomijalny. Nale-ży podkreślić, że położenie próbki jest wyraźnie widoczne, co może być wykorzystane w systemach bezpieczeństwa.

Na rys. 4 przedstawiono obraz magnetowizyjny uzyska-ny przez pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy w odległo-ści 20 mm od obiektu 2. Wyraźnie widać zminimalizowa-nie wpływu tła na wynik pomiaru.

Na rys. 5 podano wynik pomiaru różnicowego w dwu płaszczyznach obiektu 2 w różnych położeniach kątowych względem płaszczyzny pomiarowej. Obiekt obracany był wokół osi prostopadłej do płaszczyzny pomiarowej, co po-zwalało na zobrazowanie wpływu położenia próbki wzglę-dem ziemskiego pola magnetycznego na uzyskany obraz.

Rys. 6. Pomiar gradientowy obiektu 1, bez usuwania wpływu tłaFig. 6. Gradient measurement of the object 1, without removing

the influence of the background field

Rys. 7. Pomiar różnicowy dwu-płaszczyznowy wartości wektora in-dukcji magnetycznej, obiekt 1; a) wartość wypadkowa wek-tora indukcji magnetycznej B, b) składowa Bx, c) składowa By, d) składowa Bz

Fig. 7. Biplane differential measurement of magnetic induction vec-tor, object 1; a) the value of the resultant magnetic induction vector B, b) Bx component, c) By component, d) Bz component


Rys. 8. Pomiar położenia obiektu 1; a) pomiar różnicowy dwu-płaszczyznowy, b) pomiar gradientowy, c) zdjęcie poło-żenia rzeczywistego

Fig. 8. Measurement of the object 1 position; a) biplane differ-ential measurement, b) gradient measurement. c) a pho-tograph of the actual position

Na rys. 6 przedstawiono wynik pomiaru gradientowe-go z pominięciem wpływu tła. Należy podkreślić, że wi-doczna jest wyraźna różnica między obszarami dodatnie-go i ujemnego zaburzenia magnetycznego.

Na rys. 7 przedstawiono obraz pomiaru różnicowego dwu-płaszczyznowego obiektu 1 (rys. 6a), oraz obrazy poszczegól-nych składowych wektora indukcji magnetycznej (Bx – 6b, By – 6c, Bz – 6d). Wyniki wskazują jednoznacznie, że na ob-razie magnetowizyjnym najłatwiej rozpoznać położenie próbki na płaszczyźnie (x,y) dla obrazu wartości wypadko-wej indukcji pola magnetycznego B

(rys. 6a) oraz składowej

zB

(rys.6d), prostopadłej do płaszczyzny pomiarowej.Na rys. 8 zaprezentowano porównanie wyników zasto-

sowania metody różnicowej dwupłaszczyznowej (rys. 7a) i gradientowej (rys. 7b) do ustalenia położenia obiektu 1 względem płaszczyzny pomiarowej (Odległość pomiaru 50 mm). Położenie rzeczywiste próbki pokazano na rysunku 7c. Obie metody pozwalają na znaczne zmniejszenie wpły-wu tła na wynik pomiaru, oraz ustalenie położenia próbki.

Na rys. 9 przedstawiono wyniki zastosowania opra-cowanej metody pomiarowej. Próbką poddaną badaniu był obiekt 3 – stalowy nóż składany. Odległość pierwszej płaszczyzny pomiarowej od obiektu wynosiła 50 mm. Za-stosowano pomiar różnicowy dwupłaszczyznowy – rys. 8a, pomiar gradientowy bez usuwania wpływu tła – rys. 8b. Zdjęcie rzeczywistego położenia próbki na siatce referen-cyjnej przedstawiono na rys. 8c. Uzyskano odczyty za-burzeń rzędu 12 µT wartości bezwzględnej (rys. 8a) oraz ±12 µT względem tła dla pomiaru gradientu (rys. 8b).

Na podstawie otrzymanych wyników można określić położenie i rozmiar obiektu.

4. Podsumowanie

W przedstawionej pracy opracowano stanowisko do badań magnetowizyjnych rozkładu wektorów indukcji magne-tycznej w płaszczyźnie. Opracowano także nową meto-dykę pomiaru, pozwalającą na zmniejszenie wpływu tła magnetycznego i efektywną wizualizację wyników. Opraco-wane metody wizualizacji pozwalają uzyskać obraz warto-ści wektora indukcji magnetycznej, jej gradientu lub war-tości i kierunku wektora indukcji magnetycznej w poszcze-gólnych punktach pomiarowych.

Uzyskano wyniki, które wskazują, że istnieje możli-wość określenia położenia i rozróżnienia obiektów niebez-piecznych. Otwiera to drogę do wykorzystania magnetowi-zji w systemach zapewnienia bezpieczeństwa publicznego, w szczególności przy wykrywaniu obiektów niebezpiecznych z użyciem robotów policyjnych i saperskich. System tego typu może też znaleźć zastosowanie w badaniach nieniszczą-cych, wykrywaniu wad strukturalnych wewnątrz elementów.

Podziękowania

Praca współfinansowana ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu O ROB0015 1/ID15/1.

Bibliografia

1. Guelle D., Smith A., Lewis A., Bloodworth T., Metal detector handbook for humanitarian demining, Office for

186

NAukA

Official Publications of the European Communities, 2003.

2. Billings S.D., Pasion C., Walker S., Beran L., Magnetic Models of Unexploded Ordnance, “IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing”, 44 (2006) 2115.

3. Tumański S., Cienkowarstwowe czujniki magnetorezy-stancyjne, Oficyna Wydawnicza Politechniki.

4. Tumański S., Magnetovision in AccessScience, McGraw-Hill Companies, 2000, [www.accessscience.com].

5. Kaleta J., Zebracki J., Application of the Villari effect in a fatigue examination of nickel, “Fatigue Fracture Eng. Mater. Struc.”, 19:1435–1443, 1996.

6. Mohd Ali B.B., Moses A.J., A grain detection system for grain-oriented electrical steels, “IEEE Trans. Mag-netism”, 25:4421–4426, 1989.

7. Pfützner H., Computer mapping of grain structure in coated silicon iron, “J. Magnetism Magnet. Mater.”, 19:27–30, 1980.

8. Tumanski S., Stabrowski M., The magnetovision meth-od as a tool to investigate the quality of electrical steel, “Meas. Sci. Technol.”, 9:488–495, 1998.

Magnetovision of weak magnetic fields in public security systems

Abstract: Paper presents an application of magnetovision for passive detection of dangerous objects. Measurement system was constructed to study the magnetic field vector distributions. The measurements of the Earth’s field disturbances caused by ferromagnetic objects were conducted. The ability to detect se-lected dangerous objects and determine their location was de-monstrated.

Keywords: magnetovision, magnetoresistive sensors, magne-tic imaging

Rys. 9. Pomiar położenia przedmiotu niebezpiecznego; a) po-miar różnicowy dwupłaszczyznowy, b) pomiar gradien-towy bez oddzielenia wpływu tła, c) zdjęcie położenia rzeczywistego

Fig. 9. Measurement of the dangerous object position; a) Biplane differential measurement, b) gradient mea-surement without background separation, c) a photo-graph of the actual position

mgr inż. Michał Nowicki

Od lutego 2012 r. doktorant w Instytucie Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki Warszawskiej. W pracy naukowej zajmuje się badaniami roz-kładu pól magnetycznych.e-mail: [email protected]

prof. nzw. dr hab. inż. Roman Szewczyk

Od 2000 r. pracownik Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów oraz Instytutu Metrologii i Inżynierii Biome-dycznej Politechniki Warszawskiej. Zaangażowany w prace związane z modelowaniem zjawisk magnetome-chanicznych, opracowaniem sensorów mechatronicznych, miernictwem elek-trycznym oraz prognozowaniem rozwoju technologii (technological foresight).e-mail: [email protected]


Niekonwencjonalne metody analizy błędów pomiaru różnicy temperatury

czujnikami platynowymiTadeusz Goszczyński

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W artykule przedstawiono metody wyznaczania błędu pomiaru różnicy temperatury dla par czujników platyno-wych. Szczególnie dotyczy to ciepłomierzy składanych, w których taka para jest poddawana procesowi legalizacji. Przedstawione sposoby analizy, chociaż same nie są dopuszczone przez odpo-wiednie normy, mogą być zastosowane jako pomocnicze. Takie zastosowanie tych metod w procesie legalizacji ciepłomierzy może znacznie skrócić czas wykonywania tej procedury i zmniejszyć jej koszt.

Słowa kluczowe: pary platynowych czujników temperatury, błąd maksymalny, niepewność, metoda Monte Carlo

1. Wprowadzenie

Ciepłomierze są przyrządami służącymi do rozliczeń finanso-wych między dostawcami ciepła i jego odbiorcami. W związ-ku z tym powinny być poddawane legalizacji na specjalnych stanowiskach spełniających wymagania normy [1]. Ciepło-mierze składane zawierają trzy elementy: parę czujników temperatury, wodomierz oraz przelicznik – każdy z nich jest legalizowany oddzielnie.

W artykule przedstawiono metodę obliczania błędu po-miaru różnicy temperatury wody zasilania i powrotu przez parę czujników temperatury. Ponieważ charakterystyka czuj-nika platynowego jest określona równaniem drugiego stop-nia, w każdym punkcie charakterystyki dla wartości oby-dwu jej parametrów zmienianych ze skokiem 0,1 °C wylicza się dwie wartości temperatury i ich różnicę, którą porównuje się z wartością różnicy wyliczonej dla parametrów czujników zgodnych z normą. Następnie wyznacza się błąd maksymalny z wszystkich obliczonych w ten sposób, w pełnym znamio-nowym zakresie pomiarowym legalizowanego ciepłomierza.

Metoda obliczeniowa przedstawiona w artykule pozwala na zmniejszenie liczby punktów obliczeniowych przez okre-ślenie położenia obszarów, w których może występować po-szukiwany błąd maksymalny. Natomiast zastosowanie meto-dy Monte Carlo umożliwia symulowanie charakterystyk dla różnych wartości parametrów czujników. Podstawowy cel jej zastosowania to utworzenie reprezentatywnego zestawu pró-bek możliwych wartości wyjściowych i zbadanie ich rozkładu częstotliwości. Dla dużej liczby próbek ten rozkład często-tliwości umożliwia przedstawienie w postaci liczbowej funk-cji rozkładu prawdopodobieństwa dla wartości wyjściowych. Zestaw próbek możliwych wartości wyjściowych uzyskuje się przez zastosowanie modelu dla sposobu ich pomiaru do pró-bek możliwych wartości wejściowych. W przypadku platy-nowych czujników temperatury badanie ich charakterystyk jest symulowane przez wytwarzanie próbek możliwych war-tości współczynników ich charakterystyki temperaturowej.

2. Charakterystyka

Obydwa czujniki każdej pary w procesie legalizacji są zanurza-ne w łaźniach termostatycznych i mierzone są ich rezystancje w trzech różnych punktach charakterystyki temperaturowej, zgodnie z wymaganiami normy [1]. Pozwala to na obliczenie parametrów charakterystyki każdego czujnika, co następnie umożliwia obliczenie charakterystyki pomiaru różnicy tempe-ratury w funkcji dwóch zmiennych: temperatury wody zasila-nia i temperatury wody powrotu. Postępując zgodnie z wyma-ganiami normy należy następnie wyznaczyć maksymalny błąd tej charakterystyki w odniesieniu do charakterystyki wzorco-wej wyznaczonej na podstawie parametrów platynowych czuj-ników temperatury określonych w normie.

3. Analiza błędu

W wymaganych normą [1] obliczeniach należy dla trzech róż-nych wartości temperatury wody w łaźni pomierzyć rezy-stancję każdego czujnika, a następnie podstawić te warto-ści do standardowego równania czujnika platynowego budu-jąc układ trzech równań z trzema niewiadomymi R0x, Ax i Bx i wyznaczyć je dla każdego czujnika.

Następnie w każdym badanym punkcie charakterysty-ki temperatury wody: na zasilaniu t1 i na powrocie t2 obli-czyć wartości rezystancji badanych czujników pary: czujni-ka 1 i czujnika 2.

( )21 01 1 1 1 11tR R At B t= + + (1)

( )22 02 2 2 2 21tR R A t B t= + + (2)

Przelicznik ciepłomierza w trakcie pracy mierzy tylko te rezystancje czujników i na ich podstawie stosując wartości stałych równania zgodnych z normą [2]: R0, A i B oblicza wartości temperatury.

Aby obliczyć błąd pary wynikający z różnicy parametrów rzeczywistych czujników i parametrów określonych w nor-mie należy podstawić obliczone wartości do równań z para-metrami wg normy:

( )21 0 1 11t M MR R At Bt= + + (3)

( )22 0 2 21t M MR R At Bt= + + (4)

i obliczyć, jak to wykonywane jest w przeliczniku ciepłomie-rza, jego pierwiastki: t1M i t2M.

Wtedy błąd względny może być obliczony z równania:

1 2( )M M

tt t te

t− − ∆

=∆

(5)

gdzie: 1 2t t t∆ = −

188

NAukA

Ponieważ obliczenia pierwiastków równań muszą być wykonywane dla każdego egzemplarza ciepłomierza w kil-ku milionach punktów charakterystyki ciepłomierza dla dwu zmiennych t1 i t2, ten sposób jest bardzo czasochłon-ny i kłopotliwy dla producenta ciepłomierzy.

4. Inne metody wykonywania obliczeń

Obliczenia błędu można znacznie uprościć, gdy wykonuje się je w odniesieniu do błędu liczonego dla rezystancyjnych charakterystyk czujników platynowych [3].

Wtedy różnica rezystancji obliczona dla badanych czuj-ników wynosi:

( ) ( )2 201 1 1 1 1 02 2 2 2 21 1spr R At B t R A t B t∆ = + + − + + (6)

a różnica rezystancji obliczona dla czujnika idealnego o parametrach zgodnych z normą:

( ) ( )2 20 1 1 0 2 21 1str R At Bt R At Bt∆ = + + − + + (7)

i błąd względny:

sp str

st

r re

r∆ − ∆

=∆

(8)

W tym przypadku nie trzeba obliczać pierwiastków rów-nań kwadratowych. Sposób taki nie jest jednak dopuszczo-ny do stosowania przy legalizacji ciepłomierzy, ze względu na niewielkie różnice w wartości błędu liczonego tą meto-dą i metodą opisaną powyżej dla błędu dla temperatury.

Metoda przedstawiona w artykule polega na wykorzy-staniu wzorów dotyczących błędu pomiaru ciepłomierza dla rezystancji czujników do określenia przestrzeni w polu cha-rakterystyki temperaturowej ciepłomierza, w której mogą wystąpić największe wartości błędu.

W tym celu oblicza się:

01 02 01 1 02 2

201 1 0 01 1 02 2

201 1 0 01 1 0

( ) ( )

( ) ( )

( )2 ( )

sp str r R R R A R A t

R A R A t R B R B t

R B R B t t R B R B t

∆ − ∆ = − + − +

− ∆ + − +

− ∆ + − ∆ (9)

gdzie: 1 2t t t∆ = − i 2t t= (10)

Dla uproszczenia wzoru zaproponowano zmienne 54321 ,,,, wwwww

01 02 1R R w− = ; 01 1 02 2 2R A R A w− = ; 01 1 0 3R A R A w− = ;

01 1 02 2 4R B R B w− = ; 01 1 0 5R B R B w− = (11)

i nową formę wzoru:

2 21 2 3 4 5 52sp str r w w t w t w t w t t w t∆ − ∆ = + + ∆ + + ∆ + ∆ (12)

oraz wzór na największy błąd względny:

r

rrrMPE

eeE

= (13)

gdzie Er to maksymalny dopuszczalny błąd względny według normy:

min3(0,5 )MPEtEt

∆= ± +

∆ (14)

a dla rezystancji można określić:

min3(0,5 )rMPEst

rEr

∆= ± +

∆ (15)

gdzie: Drmin= 0,385Dtmin po podstawieniu tych wartości uzy-skuje się:

( ) ( )2 2

1 2 3 4 5 52 2

min 0 1 1 0 2 2

2 2 2 2 4 26 1 1rrw w t w t w t w t t w ter R At Bt R At Bt

+ + ∆ + + ∆ + ∆=

∆ + + + − + + (16)

5. Określenie miejsc położenia największych błędów

Jak widać na wykresach przedstawionych na rys. 1 i 2 charakterystyki błędu mają charakter rowu lub garbu, zależnie od wartości parametrów czujników temperatu-ry wyższej i niższej ciepłomierza. Mają one jednak cha-

Rys. 1. Charakterystyka błędu pomiaru różnicy temperatury dla Δt = const

Fig. 1. Temperature difference error characteristic for Δt = const

Rys. 2. Charakterystyka błędu pomiaru różnicy temperatury dla t2 = const

Fig. 2. Temperature difference error characteristic for t2 = const


rakter jednostajnie rosnący lub opa-dający do nieskończoności, a więc nie mają określonego punktu ekstremum błędu w funkcji temperatury powro-tu i różnicy temperatury. Aby to jed-nak wykazać dla wybranych parame-trów tej funkcji błędu należy spraw-dzić, czy funkcja błędu względem tem-peratury powrotu przy różnicy tem-peratury t1 – t2 = const ma ekstre-mum oraz czy funkcja błędu wzglę-dem różnicy temperatury ma ekstre-mum dla t2 = const. W równaniu (16) określono zależność wartości stosun-ku błędu względnego pary czujników do maksymalnego błędu dopuszczal-nego określonego w normie [1] od dwu zmiennych. Te zmienne to temperatu-ra powrotu t2 i różnica temperatury Δt. W pracy [4] przedstawiono sposób wyznaczania punktów ekstremum dla tej funkcji. Należy w tym celu wzglę-dem każdej z tych dwu zmiennych kolejno wyznaczyć wzór na pochod-ną i przyrównać jej wartość do zera. Po wyznaczeniu pochodnej dla tem-peratury t2 należy więc dla każdej wybranej wartości Δt obliczyć war-tości t2, dla której występują ekstre-ma funkcji. Na przykład dla linii ogra-niczającej największe wartości Δt na 100 °C, po podstawieniu tej warto-ści do wzoru na pochodną, uzyska-my (jeśli delta będzie dodatnia) dwie wartości t2 dla dwóch punktów ekstre-mum funkcji. Jeżeli ekstremum istnie-je, to należy sprawdzić czy występuje ono na odcinku linii w polu pomiaro-wym, czy poza nim. Jeżeli poza nim, to błąd maksymalny ciepłomierza na tej linii znajduje się na jej przecięciu z linią ograniczającą pole pomiarowe. Wtedy wartość w punkcie przecięcia się linii ograniczających pole pomia-rowe należy obliczyć. Dlatego należy zbadać wszystkie punkty przecięć linii ograniczających zakres pomiarowy jako potencjalne miejsca maksymal-nego błędu. Podobnie należy postąpić dla pochodnej funkcji błędu względem różnicy temperatury, by obliczyć war-tości Δt w punktach ekstremum błę-du na liniach ograniczających wartość temperatury powrotu t2.

6. Obliczenie ekstremum funkcji

W celu określenia położenia ekstre-mum należy wyznaczyć pochodną względem temperatury:

, 4 2 5( ) 2

min 0 0 02 2

0 4 2 5 1 3 52 2

min 0 0 0

4 2( 2 )6 2

2 (2 2( 2 ) 2( ))(6 2 )

rr tw t w w te

r R A t R B t R B ttR B t w t w w t t w w t w t

r R A t R B t R B tt

+ + ∆= −

∆ + ∆ + ∆ + ∆∆ + + ∆ + + ∆ + ∆

∆ + ∆ + ∆ + ∆ (17)

Następnie przyrównać ją do zera i obliczyć pierwiastki równania:

24 min 0 0

4 0

4 (6 ) 18

w r R A t R B t deltw R B t

− ∆ + ∆ + ∆ ±=

∆ (18)

gdzie:

( )2 2 2

4 min 0 0

2 24 0 2 5 min 0 0 0 1 3 5

1 16 (6 )

16 (2 4 )(6 ) 4 ( )

del w r R A t R B t

w R B t w w t r R A t R B t R B t w w t w t

= ∆ + ∆ + ∆ −

∆ + ∆ ∆ + ∆ + ∆ − ∆ + ∆ + ∆

(19)Pochodna względem różnicy temperatury:

, 5 3 5( ) 2

min 0 0 02 2

5 3 5 1 2 4 0 0 02 2

min 0 0 0

4 2( 2 )6 2

(2 2( 2 ) 2( )( 2 2 )(6 2 )

rr tw t w w te

r R A t R B t R B ttw t w w t t w w t w t R A R Bt R B t


∆∆ + +

= −∆ + ∆ + ∆ + ∆

∆ + + ∆ + + + + + ∆∆ + ∆ + ∆ + ∆

(20)

i pierwiastki równania:

25 min 0 1 2 4

5 0 0 0 3 5

4 6 4 ( ) 22(2 ( 2 ) 2 ( 2 ))w r R B w w t w t delt

w R A R Bt R B w w t− ∆ + + + ±

∆ =+ − +

(21)

gdzie:

2 25 min 0 1 2 4 5 0 0

20 3 5 3 5 min 1 2 4 0 0

2 (4 6 4 ( )) 4(2 ( 2 )2 ( 2 ))(2( 2 )6 2( )( 2 ))del w r R B w w t w t w R A R BtR B w w t w w t r w w t w t R A R Bt

= ∆ − + + − + −

+ + ∆ − + + + (22)

Te równania mogą być następnie wykorzystane do wyznaczenia położenia punktów ekstremum na poziomych liniach ograniczających wartości różnicy tem-peratury wg równania (18) i pionowych wg równania (21), ograniczających war-tość temperatury t2 oraz na linii skośnej wyznaczonej wg normy [1] dla:

maxt t t∆ = − (23)

Podstawiając (23) do (16) uzyskujemy:2

4 5 2 3 4 max 5 max 1 2 max 4 max2

0 0 0 max min

2( ) 2( 2 2 ) 2( )( 2 ) 6rrs

w w t w w w t w t t w w t w teR B t R A R Bt t r

− ∆ + − + − + ∆ + + +=

− ∆ + + ∆ + ∆ (24)

pochodna:

, 5 3 5( ) 2

min 0 0 02 2

5 3 5 1 2 4 0 0 02 2

min 0 0 0

4 2( 2 )6 2

(2 2( 2 ) 2( )( 2 2 )(6 2 )

rrs tw t w w te

r R A t R B t R B ttw t w w t t w w t w t R A R Bt R B t


∆∆ + +

= −∆ + ∆ + ∆ + ∆

∆ + + ∆ + + + + + ∆∆ + ∆ + ∆ + ∆

(25)

a punkty ekstremum są:

4 min 5 min 0 1 2 max 4 max

4 5 0 0 max 0 2 3 4 max 5 max

2 6 2 6 4 ( ) 32(( )( 2 ) 2 ( 2 2 )

w r w r R B w w t w t deltw w R A R Bt R B w w w t w t− ∆ + ∆ − + + ±

∆ =− + + − + − +

(26)gdzie:

24 min 5 min 0 1 2 max 4 max

4 5 0 0 max

0 2 3 4 max 5 max min 2 3 4 max 5 max

1 2 max 4 max 0 0 max

3 (2 6 2 6 4 ( ))4(( )( 2 )2 ( 2 2 )) 12 ( 2 2 )2( )( 2 ))

del w r w r R B w w t w tw w R A R Bt

R B w w w t w t r w w w t w tw w t w t R A R Bt

= ∆ − ∆ + + + −− + +− + − + ⋅ ∆ − + − + −

+ + +

(27)

190

NAukA

Korzystając z powyższych wzorów wypro-wadzonych dla charakterystyk rezystancyj-nych czujników, można w prosty sposób wy-znaczyć przybliżone miejsca położenia maksy-malnych błędów dla charakterystyki tempera-turowej czujników tworzących parę. Natomiast aby spełnić wymagania normy [1] należy na-stępnie obliczyć błędy pomiaru różnicy tempe-ratury dla kolejnych punktów charakterysty-ki temperaturowej każdego czujnika tworzące-go parę z odstępem 0,1 °C w pobliżu wyzna-czonych miejsc ekstremum charakterystyk re-zystancyjnych.

W praktyce wystarcza obliczenie błędów w kilkunastu punktach zamiast w kilku mi-lionach punktów. Pozostaje natomiast do roz-wiązania problem udowodnienia, że ekstre-mum błędu nie występuje w zakresie pomia-rowym temperatury ciepłomierza. Dotąd ba-zujemy w tej dziedzinie na przytoczonych wy-kresach. W dalszej części artykułu zostanie przedstawiona metoda, która może być po-mocna w rozwiązaniu tego zagadnienia meto-dami statystycznymi.

7. Badanie niepewności pomiaru różnicy temperatury metodą Monte Carlo

W pracy [5] autorzy przedstawili porównanie wyników nie-pewności pomiaru różnicy temperatury liczonych meto-dą analityczną oraz stosując metodę Monte Carlo. W tej metodzie proces kalibracji pary czujników jest symulowany biorąc jednocześnie pod uwagę niepewności dla temperatu-ry w łaźni kalibracyjnej i pomiarów elektrycznych – rezy-stancji czujników.

Oznacza to, że wartości temperatury i rezystancji rów-nania

21 1 01

22 2 2 0

23 03 3

111

t t RRR t t R AR R Bt t

=

(28)

są zastępowane przez zestaw próbek możliwych wartości (t1, t2, t3) dla temperatury i (r1, r2, r3) dla rezystancji. Moż-liwe wartości temperatury są uzyskiwane przez zsumowa-nie odpowiedniej wartości wskazanej i wartości uzyskanych z funkcji rozkładu prawdopodobieństwa dla jednorodności i stabilności łaźni, czujnika wzorcowego temperatury i prze-wodnictwa ciepła: odpowiednio oznaczonych: THo, TS, TRS ,THC, i pomnożonych przez odpowiednie powiązane niepew-ności podane w tab. 1. Analogicznie uzyskuje się wartości dla możliwych wartości rezystancji. Równanie pomiaru dla czujnika wody zasilania przedstawione jest jako:

,in ,in HO, R,HO, ,in S, R,S, ,in HC, G,RS HC, R,HC

,in ,in T, R,T, ,in EM, G,EM

i i i i i i i i

i i i i i

t u u ur u u

ut r r r rr r r

= + + + += + +

(29)

gdzie i Î[1, 3] oznacza temperaturę kalibracji a ‘in’ ozna-cza „na zasilaniu”. Odczyty temperatury i rezystancji ozna-czone są jako ti,in i ri,in.

Pozostałe indeksy są opisane w tab. 1, na przykład uHo to niepewność spowodowana jednorodnością temperaturo-wą łaźni a r R,Ho,i,in to próbka dla prostokątnego rozkładu prawdopodobieństwa. Korelacja, wskazana jako ‘c’ jest re-alizowana przez branie tej samej próbki z odpowiedniego rozkładu prawdopodobieństwa. Każdy taki zestaw możli-wych wartości temperatury i rezystancji jest wtedy użyty do obliczenia zestawu możliwych wartości współczynników czujników platynowych uzyskanych przez odwrócenie ma-cierzy obydwu czujników. Te zestawy wartości są następ-nie użyte do symulowania możliwych wartości rezystancji obliczonej na podstawie rezystancji (mierzonej przez prze-licznik), także tu z uwzględnieniem wszystkich koniecznych niepewności. Następnie są one przeliczane na wartości tem-peratury z zastosowaniem standardowych współczynników z normy [2] oraz uwzględnieniem niepewności związanych z pomiarami elektrycznymi.

Różnica temperatury każdej takiej symulowanej pary dla wskazanych wartości temperatury dwu czujników jest przed-stawiana zgodnie z jej rozkładem częstotliwości jako wy-kres, który przy dużej liczbie próbek asymptotycznie dąży do charakterystyki funkcji dystrybucji prawdopodobieństwa dla różnicy temperatury. Autorzy uzyskali wyniki niepewno-ści zbliżone do obliczonych metodą analityczną dla liczności próbek M = 104. Stosując odpowiednie metody statystycz-ne można następnie wyznaczyć wartości oczekiwane, które dobrze oddają wartość różnicy temperatury oraz standar-

dowych odchyleń, które dobrze oddają nie-pewność związaną z tymi wartościami. Moż-na tą metodą także obliczyć położenie i sze-rokość wymaganego przedziału rozszerze-nia, przy czym dokument [6] zaleca stoso-wanie liczności próbek M = 106.

Tab. 1. Niepewności związane z pomiarem różnicy temperaturyTab. 1. Measurement uncertainties for temperature difference in baths

Opis Temperatura w łaźni PDF

20 °C 70 °C 120 °C

THo

Jednorodność łaźni

1,73 mK 1,73 mK 1,39 mK P, u

TS Stabilność łaźni 1,15 mK 1,15 mK 0,92 mK P, u

TRS

Norma – wymagania

4,30 mK 4,30 mK 6,90 mK N, c

THC

Przewodnictwo cieplne

1,44 mK 1,44 mK 1,15 mK P, c

RT

Napięcia generowane termicznie

0,23 mW 0.23 mW 0,37 mW P, u

REM

Pomiary elektryczne

0,56 mW 0,56 mW 0,92 mW N, c

PDF – Funkcja rozkładu prawdopodobieństwa: P – prostokątna, N – normalna, u – nieskorelowana, c – skorelowana


8. Podsumowanie

Przedstawione sposoby obliczania błędów i niepewności pomiarów różnicy temperatury, szczególnie w zastosowa-niu do ciepłomierzy pozwalają na znaczne skrócenie czasu wykonywania obliczeń w procesie ich legalizacji co ma duże znaczenie przy seryjnej produkcji. Przedstawiono też zale-ty metody Monte Carlo do sprawdzania poprawności wyni-ków rozwiązań analitycznych problemów fizycznych, szcze-gólnie tam gdzie istnieje konieczność stosowania pewnych aproksymacji funkcji. Metoda ta pozwala na symulowanie równoczesnego wzorcowania obydwu czujników połączonych w parę i przeznaczonych do pomiaru różnicy temperatury. W dalszych pracach planowane jest zastosowanie metody Monte Carlo do analizy położenia punktów charakterysty-ki dla maksymalnych błędów pomiaru różnicy temperatury w zastosowaniu do ciepłomierzy.

Bibliografia

1. European Standard BS EN 1434-5:2007 Heat meters. Ini-tial verification tests. 31.05.2007, London, United King-dom.

2. European Standard BS EN 60751 Industrial platinum resistance thermometer sensors. 15.03.1996, London, United Kingdom.

3. Korytkowski J., Goszczyński T., Jachczyk E., Kompu-terowy system pomiarowy do badania dokładności par czujników temperatury, „Pomiary Automatyka Roboty-ka”, 10/1997, 17–19.

4. Goszczynski T., Error Determination for Heat Meter Validation., “Heat Transfer Engineering”, Vol. 31, 1/2010, 83–89.

5. Tegeler E., Heyer D. Siebert B., Uncertainty of the cali-bration of paired temperature sensors for heat meters, Tempmeko 2007 Conf. [www.tempmeko2007.org].

6. Evaluation of measurement data – Suplement 1 to the „Guide to the expression of uncertainty in measurement” – Propagation of distributions using a Monte Carlo method, BIPM JCGM 101:2008.

Unconventional methods of measurement errors analysis for pairs of platinum temperature sensors

Abstract: Methods of measurement errors analysis for pairs of platinum temperature sensors are presented. The methods are especially actual for heat meters with a pair of temperature sen-sors which must be separately validated. Presented methods are not allowed for validation purposes but can be helpful in shorte-ning procedures of validation.

Keywords: pairs of platinum temperature sensors, maximum error value, measurement uncertainty, Monte Carlo Method

mgr inż. Tadeusz Goszczyński

Absolwent Wydziału Elektrycz-nego Politechniki Warszawskiej. Od 1971 r. pracuje w Przemy-słowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Autor ponad 30 publikacji w czasopismach technicznych i jednego podręcz-nika. Główny wykonawca trzech projektów celowych dotyczących zautomatyzowanych stanowisk pomiarowych. Autor 15 patentów, laureat Zespołowej Nagrody Pań-stwowej II st. oraz Mistrza Tech-niki – Warszawa 2002, NOT.e-mail: [email protected]

192

Nauka

Emisja zaburzeń przewodzonych zasilaczy impulsowych

Krzysztof TrzcinkaPrzemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: Artykuł prezentuje wyniki pomiarów emisji zabu-rzeń przewodzonych w obwodzie zasilania prototypu specjalizo-wanego zasilacza impulsowego przeznaczonego do ładowania baterii akumulatorów. Na początku artykułu opisano stanowisko i układ pomiarowy wraz z aparaturą. W dalszej części podane są wyniki pomiarów, po czym opisano sposób redukcji poziomu emi-towanych zaburzeń na przyłączu zasilania do poziomu akcepto-walnego przez normę [2].

Słowa kluczowe: kompatybilność elektromagnetyczna EMC, emisja zaburzeń przewodzonych, zasilacz impulsowy, ładowarka akumulatorów

1. Wprowadzenie

Przed wprowadzeniem urządzenia elektrycznego bądź elek-tronicznego do sprzedaży na obszarze Unii Europejskiej należy spełnić wymagania odpowiednich dyrektyw, jedną z nich jest Dyrektywa EMC 2004/108/WE dotycząca Kom-patybilności Elektromagnetycznej. Potwierdzeniem spełnie-nia Dyrektywy EMC 2004/108/WE jest zgodność urządze-nia z wymaganiami norm zharmonizowanych z tą dyrekty-wą. Urządzenie spełniające wymagania norm zharmonizo-wanych z Dyrektywą EMC jest rządzeniem kompatybilnym elektromagnetycznie, co oznacza, że urządzenie to nie jest wrażliwe na zaburzenia elektromagnetyczne oraz nie emitu-je zaburzeń elektromagnetycznych o takich poziomach, któ-re mogłyby zakłócać pracę innych urządzeń elektrycznych i elektronicznych pracujących w danym środowisku.

Zdolność urządzenia do emisji energii elektromagnetycz-nej nazywa się emisyjnością i jest charakteryzowana w dzie-dzinie częstotliwościowej poziomami emitowanych zaburzeń przewodzonych i zaburzeń promieniowanych.

Zwykle emitowane zaburzenia ze względu na zakres ich częstotliwości dzieli się na:– zaburzenia o małych częstotliwościach (odkształcenie

prądu zasilającego charakteryzowane zawartością harmo-nicznych oraz występowaniem wahań wartości skutecz-nej napięcia zasilającego), zwykle do 9 kHz;

– zaburzenia radioelektryczne o częstotliwościach powyżej 9 kHz, w tym do 30 MHz jako zaburzenia radioelek-tryczne przewodzone, powyżej 30 MHz jako zaburzenia radioelektryczne promieniowane. Wykaz ważniejszych norm dotyczących emisji zaburzeń:Normy ogólne emisji w środowiskach:

– mieszkalnych PN-EN 61000-6-3,– przemysłowych PN-EN 61000-6-4.

Typowe normy dla grupy wyrobów:– urządzenia informatyczne (ITE) PN-EN 55022,– urządzenia przemysłowe, medyczne i naukowe wielkiej

częstotliwości (PMN) PN-EN 55011,– wymagania dotyczące przyrządów powszechnego użyt-

ku, narzędzi elektrycznych i podobnych urządzeń PN-EN 55014-1.Zalecane metody pomiarów podane w normach podsta-

wowych:– wyposażenie pomiarowe PN-EN 55016-1-1,– wyposażenie pomocnicze PN-EN 55016-1-2,– metody pomiarów PN-EN 55016-2-1.

W artykule przedstawiono wyniki pomiarów emisji zabu-rzeń radioelektrycznych przewodzonych w zakresie częstotli-wości od 150 kHz do 30 MHz prototypu zasilacza impulsowe-go przeznaczonego do ładowania baterii akumulatorów. Pro-ducent nie określił środowiska elektromagnetycznego, w ja-kim będzie pracować badana ładowarka, dlatego przyjęto, że to urządzenie może być przeznaczone do pracy w środo-wisku mieszkalnym, czyli musi spełniać wymagania normy PN-EN 61000-6-3, tzn. badany zasilacz impulsowy musi speł-niać ostrzejsze wymagania dotyczące emisji zaburzeń prze-wodzonych. Dla zilustrowania na rys. 1 przedstawiono pozio-my dopuszczalne emitowanych zaburzeń przewodzonych na przyłączu zasilania dla urządzeń klasy A i B na przykładzie

Rys. 1. Dopuszczalne poziomy emitowanych zaburzeń dla urządzeń klasy A i B dla przyłącza zasilania według PN-EN 55022 [4]

Fig. 1. Limits for conducted disturbances at the mains ports of class A and B ITE [4]


normy dotyczącej urządzeń informatycznych [4]. Widać, że wymagania dotyczące emisji zaburzeń dla urządzeń klasy B (urządzenia przeznaczone do pracy w środowisku miesz-kalnym) są bardziej rygorystyczne w porównaniu z wyma-ganiami dla urządzeń klasy A (urządzenia przeznaczone do pracy w środowisku przemysłowym).

2. Stanowisko pomiarowe

Pomiary emisji zaburzeń przewodzonych wykonane zosta-ły na stanowisku pomiarowym, którego schemat przedsta-wiony jest na rys. 2. Stanowisko jest wyposażone w pozio-mą płaszczyznę ziemi odniesienia HGRP o wymiarach 4 m× 3 m i pionową płaszczyznę ziemi odniesienia VGRP o wymiarach 2 m× 2 m. Aranżacja stanowiska umożliwi-

rów z komputera z oprogramowaniem PMM Emmission Suite dostarczonego razem z miernikiem PMM 9010. Za-burzenia mierzy się jako napięcie zaburzeń niesymetrycz-nych między płaszczyzną ziemi odniesienia GRP a każ-dym przewodem przyłącza. Zmierzone wartości powinny spełniać wymagane poziomy dopuszczalne.

Po usytuowaniu badanego zasilacza na stanowisku po-miarowym, przed jego uruchomieniem wykonano pomiar poziomu tła zaburzeń, wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 4. Zmierzony poziom tła zaburzeń jest na niskim poziomie, jest o co najmniej 20 dBμV niższy od pozio-mu dopuszczalnego dla urządzeń w środowiskach miesz-kalnych dla detektora QP, co świadczy o tym, że stanowi-sko pomiarowe spełnia wymagania normy.

Rys. 2. Schemat stanowiska do pomiarów emisji zaburzeń prze-wodzonych

Fig. 2. Place of measurements for conducted disturbances

ła ustawienie badanych zasilaczy impulsowych na wysoko-ści 0,4 m nad HGRP oraz w odległości 0,8 m do VGRP (rys. 2). Obwód zasilania sieciowego od rozdzielnicy do pomiarowej sieci sztucznej typu LISN L3-32 jest wyko-nany kablem ekranowanym. Sieć sztuczna jest ustawiona na płaszczyźnie HGRP i połączona z nią taśmą o małej impedancji (stosunek długości do szerokości taśmy < 3).

3. Układ pomiarowy

Do pomiarów zaburzeń przewodzonych w przyłączu zasi-lania sieciowego dla ładowarki akumulatorów zastosowa-no sieć sztuczną LISN L3-32 firmy Narda (rys. 3). Kabel zasilania badanej ładowarki został przyłączony do wyj-ścia sztucznej sieci. Sieć sztuczna jest połączona z płasz-czyzną ziemi odniesienia HGRP przewodem taśmowym o małej impedancji. Wyjście pomiarowe RF sieci sztucz-nej jest połączone przewodem współosiowym z wejściem miernika zaburzeń PMM9010 firmy Narda.

Miernik zaburzeń może być połączony z siecią sztucz-ną dodatkowym kablem sterującym, co umożliwia wy-bór i identyfikację punktu pomiaru oraz obsługę pomia-

Rys. 3. Układ do pomiarów emisji zaburzeń przewodzonychFig. 3. Conducted disturbances measurements set-up

Rys. 4. Zmierzony poziom tła zaburzeń detektorem QPFig. 4. Measured ambient noise with the QP detector

4. Badany zasilacz

Urządzenie poddane badaniom emisji zaburzeń przewo-dzonych to prototyp zasilacza impulsowego specjalizo-wanego, przeznaczonego do pracy jako ładowarka bate-rii akumulatorów o napięciu 36 V, moc zasilacza wyno-si 200 W. Zakres napięć wejściowych zasilania wynosi od 110 V AC do 240 V AC, a długość kabla zasilającego to 2,5 m. Ładowarka akumulatorów jest rozbudowanym zasi-laczem impulsowym posiadającym układ kontroli napięcia na poszczególnych ogniwach akumulatora, wyposażonym w przyciski startu i zatrzymania procesu ładowania oraz

194

Nauka

wskaźnik poziomu naładowania akumulatora. Badania emisji przewodzonej wykonano przy zasilaniu typowym napięciu sieciowym 230 V AC, podczas ładowania aku-mulatora rozładowanego do poziomu 30 % jego pojemno-ści znamionowej oraz w stanie jałowym i tzw. stanie czu-wania. Stan jałowy występuje w sytuacji, gdy ładowarka dołączona jest do sieci zasilającej, a do jej wyjścia nie jest przyłączony akumulator; natomiast stan czuwania wystę-puje, gdy ładowarka przyłączona jest do sieci z przyłączo-nym akumulatorem do jej wyjścia, gdy ładowanie nie jest uruchomione, rozpoczęcie ładowania akumulatora nastę-puje po wciśnięciu odpowiedniego przycisku startu przez użytkownika. Wyniki pomiarów przedstawiono dla stanu jałowego i stanu pracy podczas ładowania akumulatora (rys. 5 a i b), nie przedstawiono wyników pomiarów dla stanu czuwania, ponieważ poziom emitowanych zaburzeń był bardzo zbliżony do wyników pomiarów w stanie jało-wym.

dowania akumulatora przekracza poziom dopuszczalny (rys. 5a i b).

Porównując na jednym wykresie zmierzone pozio-my emitowanych zaburzeń przewodzonych ładowarki dla stanu pracy jałowego i ładowania akumulatora (rys. 6) widać, że w stanie jałowym zaburzenia przewodzone, w pewnych przedziałach częstotliwościach mają wyższe wartości niż w przypadku, gdy ładowarka pracuje przy obciążeniu bliskim znamionowemu. Dla przedziału czę-stotliwości 870 kHz–1,05 MHz najbardziej widoczne jest przekroczenie zmierzonego poziomu emisji dla stanu jało-wego ponad zmierzony poziom emisji dla stanu ładowa-nia. Przy częstotliwości 890 kHz poziom emisji dla stanu jałowego jest wyższy o 9 dBμV niż dla stanu obciążenia. Maksymalny poziom emisji dla stanu jałowego jest dla częstotliwości 890 kHz i osiąga wartość 74 dBμV, nato-miast maksymalna wartość emisji podczas ładowania aku-mulatora jest dla częstotliwości 190 kHz i osiąga wartość 88,7 dBμV.

Emitowane poziomy zaburzeń przewodzonych przez ładowarkę znacząco przewyższają dopuszczalny poziom. Aby ładowarka mogła spełnić wymagania emisji zaburzeń przewodzonych dla środowiska mieszkalnego należy pod-jąć kroki w celu ograniczenia poziomu emisji zaburzeń.

Jednym ze sposobów zmniejszenia poziomu zaburzeń przewodzonych jest zastosowanie filtrów w obwodach, które emitują zbyt wysoki poziom zaburzeń. W przy-padku ładowarki akumulatorów zainstalowano wewnątrz obudowy filtr przeciwzakłóceniowy firmy Schaffner typu FN 343-03-05 [7] na przyłączu zasilania 230 V AC. Pod-czas wyboru filtru kierowano się tym, aby charaktery-styka tłumienia dla zaburzeń niesymetrycznych, poda-na w danych katalogowych [7] miała jak największe tłu-mienie w przedziale częstotliwości, w którym poziom za-burzeń przekracza dopuszczalne wartości emisji. Tłumie-nie zaburzeń niesymetrycznych według częstotliwościowej charakterystyki tłumienia filtru [7] wynosi około 40 dB przy 150 kHz i rośnie osiągając wartość powyżej 70 dB

Rys. 5. Zaburzenia przewodzone na przyłączu zasilania siecio-wego ładowarki: a) w stanie jałowym, b) podczas łado-wania rozładowanej baterii akumulatorów

Fig. 5. Conducted disturbances at the mains supply port of bat-tery charger: a) without battery, b) charging the battery

a)

b)

Rys. 6. Porównanie poziomów emisji zaburzeń przewodzonych w obwodzie zasilania 230 V AC dla ładowarki akumulato-rów dla stanów pracy jałowego i podczas ładowania ba-terii

Fig. 6. Compare conducted disturbances at the mains port for operating battery charger without battery and the battery is charging

5. Pomiary

Przed wykonaniem pomiarów właściwych zmierzono poziom tła zaburzeń po usytuowaniu niedziałającej łado-warki na stanowisku pomiarowym (rys. 4).

Zmierzony poziom emisji zaburzeń przewodzonych de-tektorem QP dla stanu pracy jałowego oraz podczas ła-


w przedziale częstotliwości 0,5–30 MHz. Przy doborze fil-tru należy również zwrócić uwagę na inne parametry, ta-kie jak:– napięcie zasilania,– prąd obciążenia,– zakres temperatury pracy,– wykonanie obudowy filtru.

Zainstalowanie filtru zgodnie z zasadami sztuki inży-nierskiej, oraz prawidłowy jego dobór pozwoliło osiągnąć pożądane rezultaty, zmniejszyć poziom emitowanych za-burzeń poniżej poziomu dopuszczalnego dla urządzeń mieszkalnych dla detektora QP. Na wykresach (rys. 7a i b) widać, że zmierzony poziom zaburzeń przewodzonych po zainstalowaniu filtru [7] jest niski, poniżej poziomu do-

mgr inż. Krzysztof Trzcinka

Absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej o specjal-ności Automatyzacja Przemysłu. Obecnie pracuje w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie na stanowisku kierownika Laboratorium Badań Urzą-dzeń Przemysłowych LBUP. Główne zainteresowania dotyczą kompatybil-ności elektromagnetycznej.e-mail: [email protected]

Rys. 7. Zaburzenia przewodzone w przewodzie zasilającym 230 V AC ładowarki akumulatorów po zainstalowaniu fil-tru Schaffner FN-345-3-05 pracującej a) w stanie jało-wym, b) podczas ładowaniu rozładowanej baterii akumu-latorów

Fig. 7. Conducted disturbances at the mains supply port of battery charger after used EMI filter a) without battery, b) charging the battery

puszczalnego i dla częstotliwości powyżej 500 kHz jest zbliżony do poziomu tła zaburzeń.

6. Wnioski

Z przedstawionych pomiarów wynika, że zasilacze impul-sowe nieobciążone mogą emitować wysoki poziom zabu-rzeń przewodzonych; poziom ten może być nawet wyż-szy od zaburzeń emitowanych podczas pracy przy dołą-

czonym obciążeniu znamionowym do wyjścia zasilacza. Zastosowanie prawidłowo dobranego i zainstalowanego fil-tru przeciwzakłóceniowego może być skutecznym środ-kiem na obniżenie poziomu emitowanych zaburzeń prze-wodzonych do wartości poniżej poziomu dopuszczalnego.

Bibliografia

1. Dyrektywa EMC 2004/108/WE.2. PN-EN 61000-6-3:2008 Kompatybilność elektromagne-

tyczna (EMC) – Część 6-3: Normy Ogólne – Norma emisji w środowiskach: mieszkalnym, handlowym i lekko uprzemysłowionym.

3. PN-EN 61000-6-4:2008 Kompatybilność elektromagne-tyczna (EMC) – Część 6-4: Normy Ogólne – Norma emisji w środowiskach przemysłowych.

4. PN-EN 55022:2011 Urządzenia Informatyczne – Cha-rakterystyki zaburzeń radioelektrycznych – Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru (oryg).

5. PN-EN 55011:2012 Urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne – Charakterystyki zaburzeń o częstotli-wości radiowej – Poziomy dopuszczalne i metody pomiaru.

6. PN-EN 55014-1:2012 Kompatybilność elektromagne-tyczna – Wymagania dotyczące przyrządów powszech-nego użytku, narzędzi elektrycznych i podobnych urzą-dzeń – Część 1: Emisja.

7. [www.schaffner.com/uploads/tx_w4products/ DS_FN343_20110616_web49.pdf] – Performance EMI filter.

Conducted disturbances of switching power supply

Abstract: This paper presents the results of conducted emission measurements disturbances at the mains port of switching po-wer supplies designed to charge the battery pack. At the begin-ning of this paper describes conducted disturbances measure-ments set-up. In the next are measurement results, and descri-bes methods reduce the level of disturbance at the mains port to an acceptable level by the standard [2].

Keywords: electromagnetic compatibility EMC, conducted emis-sion, switching power supplies, battery charger

a)

b)

196

Nauka

Układ kontroli procesu wtłaczania kół jezdnych lokomotyw i wagonów

Andrzej Bratek, Jan GoskaPrzemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W artykule przedstawiono urządzenie wdrożone w jednym z zakładów naprawy taboru kolejowego, przeznaczone do automatycznego pomiaru i rejestracji charakterystyk dyna-micznych zestawów kołowych, używanych w pojazdach kolejo-wych. Zastosowany zestaw czujników pomiarowych i przygoto-wane oprogramowanie zapewniają prostą obsługę podczas wyko-nywania pomiarów, jak również pozwalają na obiektywną ocenę badanych elementów. Część pomiarowa i część sterująca prze-biegiem pomiarów zrealizowane są na sterowniku PLC, natomiast archiwizacja danych odbywa się z wykorzystaniem komputera PC.

Słowa kluczowe: pojazdy kolejowe, zestaw kołowy, czujnik siły, czujnik przemieszczenia, sterownik PLC, system rejestracji pomiarów

1. Wprowadzenie

Rosnące wymagania stawiane przed taborem kolejowym, wynikające z dążenia do podnoszenia bezpieczeństwa, nieza-wodności, komfortu oraz zwiększania prędkości jazdy pojaz-dów szynowych, wymuszają konieczność prowadzenia lep-szej kontroli poszczególnych zespołów. Ważnymi zespołami pojazdów szynowych, mającymi bezpośredni wpływ na bez-pieczeństwo jazdy, są zestawy kołowe.

Na rys. 1 przedstawiono prasę do montażu zestawów kołowych wózków kolejowych. Proces montażu polega na wtłaczaniu z dużą siłą kół na czopy osi. Potwierdzenie ja-kości montażu wymaga wykonania pomiarów w trakcie jego przebiegu. Proces wtłaczania odbywa się przy wymuszeniu dużych sił, które mogą osiągać wartość nawet 3000 kN na drodze około 150 mm. Aby usprawnić monitorowanie proce-su, umożliwiając jednocześnie archiwizację wyników pomia-rów i wygenerowanie arkusza raportu po zakończeniu ope-racji, opracowany został dedykowany układ do pomiaru i re-jestracji parametrów tego procesu.

2. Proces wtłaczania zestawów kołowych

Koła zestawów jezdnych pojazdów kolejowych wtłaczane są na osie z zastosowaniem określonego wymaganiami norm pasowania. W czasie tego procesu następuje przemieszcze-nie względem siebie koła jezdnego i wciskanej osi, wywołane przyłożoną siłą nacisku. Wartość siły potrzebnej do wtła-czania elementów zestawu i sposób jej narastania w funk-cji przemieszczenia jest bardzo dobrą miarą jakości osadze-nia koła jezdnego na czopie osi pojazdu. Jakość wykonania wtłoczenia decyduje o trwałości połączenia tych elementów (osadzenia kół na osi), a tym samym o bezpieczeństwie ich eksploatacji.

W zależności od rodzaju zestawu wymagane są różne siły wtłaczania. Typ pojazdu, do którego przeznaczony jest zestaw, tj. lokomotywa lub wagon, jest pierwszym kryte-rium rozróżnienia, następnymi są jego cechy konstrukcyjne. Wymagania techniczne określają przedział i sposób nara-stania siły na drodze wtłaczania koła na oś, w formie przy-kładu jest to przedstawione na rys. 2. Jednostajne i miesz-czące się w określonym przedziale tolerancji narastanie siły w funkcji przemieszczenia daje pewność, że połączenie jest prawidłowe.

Po zakończeniu procesu wtłaczania nie ma już możliwości dokonania skutecznej oceny jakości uzyskanego połączenia. Dla dokumentowania tego procesu został zbudowany układ pomiaru i rejestracji siły w funkcji drogi, który w trakcie wy-konywania każdego zespolenia zestawu kołowego rejestruje parametry jego przebiegu i generuje raport.

Należy zauważyć, że w pojazdach kolejowych spoty-kanych w Polsce występuje parędziesiąt różnych zestawów jezdnych, które posiadają różne parametry wtłaczania, co stanowi dodatkową trudność przy kontroli i dokumentowa-niu procesu metodami tradycyjnymi.

Dla upewnienia się, że połączenie jest dobre wykonuje się tzw. próbę trwałości. Polega ona na przyłożeniu siły roz-łączającej wykonane połączenie o wartości niższej niż mi-

Rys. 1. Prasa o nacisku 6000 kN używana do wtłaczania zesta-wów kołowych

Fig. 1. The press machine of 6000 kN pressing capacity applied to force in wheelsets


nimalna siła wymagana do wtłaczania. Należy zauważyć, że ta próba również może się odbywać pod kontrolą pre-zentowanego tu układu – umożliwia on wyłączenie pom-py hydraulicznej po osiągnięciu siły określonej w wymaga-niach dla danego połączenia.

3. Budowa i zasada działania zestawu pomiarowego

Przedstawiany układ mierzy i rejestruje wartość siły w funkcji wartości przemieszcze-nia kół podczas proce-su wtłaczania na oś. Układ pomiaru i reje-stracji, przedstawiony schematycznie na rys. 3, zbudowany jest w oparciu o moduł ste-rownika przemysłowe-go i panel operatorski. Sterownik zapewnia obsługę bieżącej próby i przekazuje mierzone parametry do pane-lu operatorskiego. W pamięci sterownika w sposób trwały zapisa-ne są wymagania tech-niczne dotyczące pro-cesów wtłaczania dla wszystkich stosowa-nych obecnie zesta-wów kołowych.

Do tych wymagań odniesiona jest sy-gnalizacja przekroczenia dopuszczalnych wartości sił wtłaczania podczas przebiegu procesu oraz wartości sił dla próby trwało-ści. Sterownik PLC przy określonych war-tościach siły, które przypisane są poddawa-nemu próbie zestawowi kołowemu, sygnali-zuje przekroczenie wartości granicznej, a po przewyższeniu jej o 20 %, zwalnia przekaź-nik wyłączenia pompy i przerywa proces.

Próba ilustrowana jest na bieżąco na ekra-nie panelu operatorskiego w postaci wykre-su zależności wartości siły wtłaczania od po-łożenia, a dokładnie w funkcji przemieszcze-nia względem siebie koła jezdnego i wciskanej osi. Prezentowane są również wartości liczbo-we tych parametrów. Po zakończeniu proce-su dane pomiarowe zapisywane są w pamię-ci zewnętrznej flash, dołączonej do interfej-su USB stanowiska. Zgromadzone w pamię-ci zewnętrznej wartości pomiarów mogą być przeniesione do komputera PC wyposażone-go w dedykowaną aplikację, która umożli-wia archiwizowanie danych procesu i wydru-kowanie raportu.

3.1. Czujniki pomiarowePomiar siły nacisku prasy hydraulicznej odbywa się me-todą pośrednią przez pomiar ciśnienia w cylindrze robo-czym siłownika, realizowany za pomocą czujnika ciśnienia z analogowym sygnałem wyjściowym. Zastosowany czuj-nik o zakresie pomiarowym 10 MPa, charakteryzujący się błędem dopuszczalnym 0,16 % i dopuszczalną przeciążal-

Rys. 2. Przykład wymagań dla procesu wtłaczania kół. Wykres siły wtłaczania w funkcji przemieszczania koła wzdłuż czopa osi zestawu kołowego

Fig. 2. An example of wheels forcing process specifications. The graph of force versus wheel’s displacement along a road axle pivot

Rys. 3. Układ pomiaru i rejestracji siły w funkcji przemieszczeniaFig. 3. Measurement and recording system of force as a function

of displacement

198

Nauka

nością 100 %, zapewnia pomiar sił w zakresie do 3500 kN z błędem nie przekraczającym 6,5 kN (z uwzględnieniem błędu przetwarzania analogowo-cyfrowego wejścia ste-rownika). Pomiar przemieszczenia odbywa się przy uży-ciu głowicy pomiarowej powiązanej z tłoczyskiem prasy, przesuwanej nad listwą magnetyczną. Głowica pomiaro-wa wraz z listwą magnetyczną stanowią dwutorowy czuj-nik impulsowy, określający względne przemieszczenie tło-czyska prasy obliczane w stosunku do miejsca rozpoczęcia procesu wtłaczania.

Zastosowana głowica i listwa magnetyczna zapewniają pomiar z błędem 0,1 mm. Sygnały pomiarowe siły i prze-mieszczenia są doprowadzone do wejść sterownika PLC układu przetwarzania pomiarów i rejestracji.

3.2. Sterownik PLCW układzie pomiarowym zastosowano sterownik PLC z zegarem RTC oraz panel operatorski z ekranem doty-kowym o przekątnej 7”, wyposażony w interfejs USB ze-wnętrznej pamięci flash. Urządzenia te, zestawione łączem szeregowym RS-422, komunikują się ze sobą wymieniając dane procesowe.

Sterownik udostępnia dwustanowe sygnały wejścia/wyjścia, szybkie wejścia impulsowe oraz analogowe sygna-ły wejścia z 12-bitowym przetwarzaniem a/c. Znajdują-ca się w zasobach układu pamięć flash umożliwia prowa-dzenie rejestracji pomiarów w trybie rzeczywistym, za-pewniając później łatwy do nich dostęp i możliwość prze-noszenia zebranych danych do archiwum systemu kontro-li jakości. Panel operatorski służy do konfiguracji parame-trów procesu wtłaczania i do wizualizacji jego przebiegu.

4. Przebieg próby

Przed przystąpieniem do obsługi procesu operator musi się zalogować do systemu (na panelu operatorskim), do-piero wtedy układ osiąga gotowość pracy. W następnym kroku powinien zdefiniować parametry procesu, w tym celu operator wskazuje rodzaj pracy stanowiska (możliwy jest wybór procesu wciskania lub przeprowadzenie próby trwałości) i przypisuje numer ewidencyjny do zestawu ko-łowego. Na koniec, w trybie wyboru z predefiniowanej li-sty zestawów, ustala dopuszczalne parametry obciążenia podczas wykonywania próby.

Początek próby wyzwalany jest przyciskiem umiesz-czonym na pulpicie operatorskim, dalej proces biegnie już w pełni automatycznie pod kontrolą sterownika, który steruje jej przebiegiem. Stopniowo narasta siła i koła co-raz głębiej są wciskane na oś zestawu. Jednocześnie na ekranie panelu operatorskiego wyświetlana jest charakte-rystyka siły nacisku pasowanego zestawu kołowego, przy-bierając wraz z napływem bieżących pomiarów pełniej-szą postać.

Cały proces trwa od kilkudziesięciu sekund do niepeł-nych dwóch minut. W tym czasie w pamięci sterownika rejestrowaniu podlega do trzystu par wartości pomiaru siły i położenia. Po zakończeniu próby operator może do-konać trwałego zapisu do zewnętrznej pamięci USB rapor-tu z zakończonej próby, na który składają się zarejestro-wane wartości pomiarów charakterystyki zestawu kołowe-go, parametry procesu zdefiniowane na wstępie przez ope-ratora oraz dane identyfikacyjne operatora procesu.

4.1. Funkcje sterownika Podstawowym zadaniem sterownika jest prowadzenie auto-matycznego nadzoru procesu produkcji zestawów kołowych. Służy temu sprawowanie ciągłej kontroli nad wielkością bie-żącego obciążenia zestawu kołowego oraz rejestracja warto-ści parametrów siły i przesunięcia przy zmianie obciążenia w układzie pomiarowym. Sterownik rozpoznaje działanie operatora i stan przebiegu procesu, sygnalizując to odpo-wiednio na pulpicie operatorskim stanowiska.

Do pomiaru przesunięcia wykorzystany został dwufa-zowy licznik impulsów z enkodera położenia, dołączonego do szybkich wejść dwustanowych. Zapewniło to osiągnię-cie rozdzielczości tego pomiaru wynoszącą 0,1 mm. Siła nacisku rozpoznawana jest na wejściu analogowym ste-rownika z rozdzielczością 875 N. Bazując na skanowaniu pomiarów w sterowniku z cyklem 20 ms, przeprowadza-ny jest zapis przebiegu procesu w postaci zestawu zsyn-chronizowanych ze sobą par parametrów siły i przesunię-cia, przy czym rejestrację kolejnego punktu pomiarowego generuje zmiana położenia o 0,5 mm lub zmiana wielko-ści siły o 8,75 kN. Na podstawie zapisanych punktów two-rzona jest charakterystykę zestawu, wyświetlana na ekra-nie panelu.

Program sterownika wyposażony został w funkcje, któ-re realizującą stosunkowo silnie rozbudowaną komunikację operatorską, obejmując:– logowanie do systemu,– wybór zestawów kołowych,– ustalanie wartości granicznych procesu,– prezentację wartości parametrów procesu w jednost-

kach fizycznych,– prezentację wykresu charakterystyki zestawu kołowe-

go,– prezentację maksymalnych wartości zarejestrowa-

nych podczas próby i dopuszczalnych wartości gra-nicznych,

– zapis raportu do pamięci zewnętrznej.

4.2. Archiwizacja i raportowanieWyniki pomiarów pasowania zestawów kołowych prze-noszone są w postaci plików raportowych do kompute-ra PC Działu Kontroli Jakości, gdzie podlegają archiwiza-cji. W plikach raportowych, poza zarejestrowanymi war-tościami pomiarów siły i przesunięcia, umieszcza się tak-że stempel czasu przeprowadzenia próby, dane identyfika-cyjne operatora obsługującego proces oraz metrykę próby, utworzoną przez opis przeprowadzonej próby, określenie typu zestawu kołowego i zestawienie odnoszących się doń wymagań technicznych.

Wraz z układem pomiarowym dostarczona jest apli-kacja przygotowana dla komputera PC pod systemem MS Windows, która umożliwia samoczynne wygenerowanie raportu z przeprowadzonych prób na podstawie danych pomiarowych pobranych ze sterownika PLC. Generowa-ny raport zawiera:– opis badanego wyrobu,– opis próby,– zmierzone wartości parametrów w punktach charakte-

rystycznych,– wykres charakterystyki.

Przykład charakterystyki otrzymanej w aplikacji przedstawiony jest na rys. 4.


Forma raportu jest dostosowana do wymagań użyt-kownika. Jego elementy związane z przeprowadzoną pró-bą, tzn. opis zestawu kołowego, wyniki pomiarów, war-tości wymagań technicznych oraz wykres charakterysty-ki generowane są samoczynnie. Operator określany jest w raporcie imiennie na podstawie przypisanego mu identyfi-katora. Natomiast informacje dotyczące zamówienia, we-dług którego przygotowuje się wyrób, oraz niektóre indy-widualne cechy zestawu wpisywane są ręcznie.

mgr inż. Andrzej Bratek

Specjalista badawczo-techniczny w Przemysłowym Instytucie Automa-tyki i Pomiarów PIAP. Główne obszary aktywności zawodowej: systemy auto-matycznego zbierania danych i stero-wania, automatyczne systemy pomia-rowe.e-mail: [email protected]

mgr inż. Jan Goska

Pracownik Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP na sta-nowisku starszego specjalisty badaw-czo-technicznego. Jest autorem i współ-autorem wielu projektów wdrożonych w warunkach przemysłowych. e-mail: [email protected]

Rys. 4. Przykładowa charakterystyka zestawu kołowego, przed-stawiająca zależność siły nacisku od przesunięcia koła podczas procesu wtłaczania, w widoku aplikacji generu-jącej raporty wyrobów

Fig. 4. An example of wheelset characteristic, showing force of pressure against wheel displacement in forcing process, in application used to obtain product reports

5. Podsumowanie

Opisany układ pomiarowy został zainstalowany w Zakła-dzie Taboru Kolejowego. Jest wykorzystywany do określe-nia charakterystyki wtłaczania zestawów kołowych, prze-znaczonych dla wagonów kolejowych i lokomotyw. Przy kompletowaniu układu uwzględniono trudne warunki pra-cy i obciążenie osób wykonujących próby. Zaproponowa-no urządzenie proste z punktu widzenia obsługi, pewne pod względem działania i dostarczające wysokiej jakości pomiarów. We wprowadzaniu tego typu rozwiązań barie-rę stanowi cena, dlatego dużą uwagę poświęcono koszto-wej stronie zestawienia układu, starając się ją minimali-zować. Osiągnięto to między innymi przez zastosowanie stosunkowo prostego sterownika PLC i graficznego pane-lu operatorskiego, które zapewniają pełną obsługę wyko-nywanych prób i wizualizację prób, a jednocześnie charak-teryzują się doskonałym stosunkiem ceny do oferowanych parametrów technicznych, oraz zlokalizowanie wszystkich funkcji związanych z archiwizowaniem danych i generowa-niem raportu w komputerze PC, który służy również do innych celów.

Bibliografia

1. Bratek A., Goska J., Pomiar i rejestracja charaktery-styk statycznych resorów i zderzaków kolejowych, Au-tomation 2006, X Konferencja Naukowo-Techniczna, Automatyzacja – Nowości i Perspektywy, Warszawa 2006, 546–552.

2. Bratek A., Goska J., Kostrzewa P., Wybrane zagad-nienia dotyczące opracowania i budowy stanowiska do sprawdzania przemysłowych czujników siły, Automa-tion 2007, XI Konferencja Naukowo-Techniczna, Au-tomatyzacja – Nowości i Perspektywy (CD), Warsza-wa 2007.

3. PN-K-91045:2002, Tabor kolejowy. Zestawy kołowe. Wymagania i metody badań, PKN, Warszawa 2002.

Testing installation of rail wheels forcing process

Abstract: In the paper we present an installation, put into use in one of the railway vehicles repair companies, to provide au-tomatic measurements and registering of dynamic characteri-stics of wheelsets used in rolling stock vehicles. The sensor set along with the applied software give ease of operation for me-asurement capture as well as an objective evaluation of tested elements. The measuring and controlling equipment solution is based on a PLC controller while a PC computer is used to archi-ve measurement results.

Keywords: railway vehicles, wheelset, force sensor, displace-ment sensor, PLC controller, data acquisition system

Indeks fIrm

200

Aaxeon Technologies Sp. z o.o. tel. 22 862 88 81www.aaxeon.pl 51

Astor Sp. zo.o. tel. 12 428 63 00www.astor.com.pl I okł., 44–47

AutomatykaOnLine tel. 46 857 73 72www.automatykaonline.pl 3

Automatyka-Pomiary-Sterowanie SAtel. 85 74 83 400, 85 74 83 403APS SA www.aps.pl

11

Beckhoff Automation Sp. z o.o. tel. 22 75 72 610www.beckhoff.pl 30–31

B&L International Sp. z o.o. tel. 22 213 88 76www.bil.com.pl 8

B&R Automatyka Przemysłowa Sp. z o.o. tel. 61 8460 500www.br-automation.com 42

Balluff Sp. z o.o. tel. 71 787 68 30www.balluff.pl www.leuze.pl 9, 15, 48–49

Elmark Automatyka Sp. z o.o. tel. 22 541 84 65www.elmark.com.pl 8, 9, 41, 62

Energoelektronika.pl tel. 22 70 35 290www.energoelektronika.pl 47

Expo Silesia Sp. z o.o. tel. 32 788 75 66www.exposilesia.pl 19

GBI Partners Sp. z o.o. tel. 22 458 66 10www.gbi.com.pl 14–15

Guenther Polska Sp. z o.o. tel. 71 352 70 70www.guenther.com.pl 57

GURU Control Systems tel. 22 831 10 42www.guru.com.pl 34–36

Pomiary Automatyka robotyka nr 12/2012 201

HARTING Polska Sp. z o.o. tel. 71 352 81 71www.harting.pl 7

JM elektronik Sp. z o.o. tel. 32 339 69 00www.jm.pl 40

Kontron East Europe Sp. z o.o. tel. 22 389 84 63www.kontron.pl IV okł.

Maritex PHP tel. 58 622 89 00www.maritex.com.pl 37

Parker Hannifin Sales Poland Sp. z o.o. tel. 22 573 24 00www.parker.com 60

CONSULTING PLUS Sp. z o.o. tel. 22 622 35 19www.staze.teklaplus.pl 58–59

Pro-face Poland tel. 22 465 66 62www.proface.pl 32–33

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

tel. 22 87 40 000www.piap.pl II, III okł.

PPH WObit E.K.J. Ober s.c. tel. 61 8350 800www.wobit.com.pl 43

SABUR Sp. z o.o. tel. 22 549 43 53www.sabur.com.pl 38–39

Schunk Intec Sp. z o.o. tel. 22 726 25 00www.schunk.com 17

Sterowniki.pl Sp. z o.o. tel. 22 499 88 39www.sterowniki.pl 45

Targi Lublin SA tel. 81 532 37 10www.targi.lublin.pl 16–17

Turck Sp. z o.o. tel. 77 443 48 00www.turck.pl 61

REDAKCJA

202

Rok 16 (2012) nr 12 (190)ISSN 1427-9126, Indeks 339512

RedakcjaAl. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawatel. 22 874 00 66, 22 874 02 02, 22 874 01 91fax 22 874 02 02e-mail: [email protected]

Rada programowadr inż. Mariusz Andrzejczak, Bumar Sp. z o.o.prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz, Katedra Automatyki i Biomechaniki, Politechnika Łódzkadr inż. Janusz Berdowski, Polskie Centrum Badań i Certyfikacji SAprof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka, Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląskadr inż. Stanisław Kaczanowski, prof. PIAP, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAPdr Aleksandra Kolano-Burian, Instytut Metali Nieżelaznychprof. dr hab. inż. Andrzej Masłowski, Instytut Automatyki i Robotyki, Politechnika Warszawskaprof. dr inż. Tadeusz Missala, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAPprof. dr hab. inż. Zdzisław Mrugalski, Instytut Mikromechaniki i Fotoniki, Politechnika Warszawskaprof. dr inż. Eugeniusz Ratajczyk, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawskadr hab. inż. Waldemar Skomudek, prof. PO, Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki, Politechnika Opolskadr hab. inż. Roman Szewczyk, prof. PW, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawskadr hab. inż. Andrzej Szosland, prof. PŁ, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzkaprof. dr hab. inż. Eugeniusz Świtoński, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląskaprof. dr hab. inż. Krzysztof Tchoń, Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki, Politechnika Wrocławskadoc. dr inż. Jan Tomasik, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska

Redaktor naczelnydr inż. Jan Jabłkowski

Zastępca redaktora naczelnegomgr Seweryn Ścibior, [email protected]

Zespół redakcyjnydr inż. Jan Barczyk – robotykadr inż. Jerzy Borzymińskiprof. dr hab inż. Wojciech Grega – automatykaprof. dr hab. inż. Krzysztof Janiszowskidr inż. Małgorzata Kaliczyńska – redaktor merytoryczny/statystycznymgr Anna Ładanprof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski – metrologiamgr inż. Jolanta Górska-Szkaradekmgr inż. Elżbieta Walczak

Marketingmgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek, [email protected] Sylwia Batorska, [email protected]

Skład i redakcja technicznaEwa Markowska, [email protected] Sp. z o.o.

Wydawca

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAPAl. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

Miesięcznik PAR jest indeksowany w bazach BAZTECH oraz INDEX COPERNICUS (4,12). Punktacja MNiSW za publikacje naukowe w miesięczniku PAR wynosi 5 pkt (poz. 1027).

Wersją pierwotną (referencyjną) jest wersja papierowa.

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za treść publikacji o charakterze reklamowym oraz zastrzega sobie prawo skracania i adiustacji tekstów.

© Wszelkie prawa zastrzeżone

PRENUMERATA miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka”

Prenumeratę można zamówić pod następującymi adresami:

Redakcja PARPrzemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAPAl. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawatel. 22 874 03 51fax 22 874 02 02na stronie www.par.pl/prenumerataKoszt prenumeraty STANDARD (dla firm, instytucji i osób fizycznych): y roczna – 99,00 zł, y dwuletnia – 176,00 zł.

Koszt prenumeraty EDU (dla uczniów, studentów, nauczycieli i pracowników naukowych): y roczna – 69,99 zł, y dwuletnia – 120,00 zł.

Prenumeratę pod ww. adresami rozpocząć można od dowolnego numeru, na dowolny okres. Koszt przesyłki pokrywa dostawca.

Prenumeratę można także zamówić u następujących kolporterów:

Zakładu Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOTul. Ku Wiśle, 00-707 Warszawatel. 22 840 30 86 lub 22 840 35 89kolportaż@sigma-not.plwww.sigma-not.pl

RUCH SAOddział Krajowej Dystrybucji Prasyul. Annnopol 17a, 03-236 Warszawainfolinia: 801 443 [email protected]

KOLPORTER Spółka z o.o. S.K.A.Centralny Dział Prenumeratyul. Bakaliowa 3, 05-080 Izabelin-Mościskainfolinia: 801 404 [email protected]

GARMOND PRESS SAul. Nakielska 3, 01-106 Warszawatel./fax 22 817 20 [email protected]

Ceny prenumeraty przyjmowanej przez kolporterów wynoszą: y roczna – 99,00 zł, y I półrocze – 54,00 zł, II półrocze – 45,00 zł, y I, II i IV kwartał – 27,00 zł, III kwartał – 18,00 zł.

Uwaga: Garmond Press SA przyjmuje prenumeratę tylko na okres roczny lub półroczny.

Wszystkie ceny są kwotami brutto.

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

XVII Konferencja Naukowo – TechnicznaAutomatyzacja – Nowości i Perspektywy

20-22 marca 2013 r. Warszawa

Informacje dotyczące zgłaszania referatów oraz udziału w konferencji dostępne są u organizatora:

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAPwww.piap.pl/automation

Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa e-mail: [email protected]

tel.: (22) 874 02 05, faks: (22) 874 02 20

Konferencja realizowana jest w ramach projektu „Naukowcy bliżej przemysłu”.Więcej informacji o projekcie:

naukowcyblizejprzemyslu.piap.pl

3

» Long time available for 7 years incl. extended lifecycle management» Licence-bundles for Microsoft Wind River and Linux OS

If it’s embedded, it ’s Kontron.

KTQM77/mITX

3 independentDisplaysPCIe 3.0, USB 3.0 3

Kontron East Europe Sp. z o.o.03-821 Warszawa, Polandul. Żupnicza 17Tel. +48 (22) 389 84 50Fax: +48 (22) 389 84 - [email protected]

» DVI-I, Dual DisplayPort, eDP & LVDS

» MULTIPURPOSE Feature Connector With 8085 microcontroller for customer-specific adaptations

» Solid CAPs For extended lifetime & MTBF

Wbudowana płyta główna Kontron Mini-ITX KTQM77/mITX bazująca na procesorach trzeciej generacji Intel® Core™ i3/i5/i7... i nie potrzebujesz nic więcej .

Dowiedz się więcej o ofercie firmy na stronie www.kontron.pl

PAR 12/2012

Documents

Transcript of PAR 12/2012