Issuu on Google+

P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

PAR miesięcznik naukowo-techniczny

9 771427 91230 6

02

2/2014 ISSN 1427-9126 Indeks 339512 Cena 10,00 zł w tym 8 % VAT

www.par.pl

Temat Numeru

rozmowa par

rynek i technologie

Czujniki i przetworniki pomiarowe

Andrzej Soldaty, prezes zarządu firmy Festo Polska

Technika zaworowa w pneumatyce

18

38

52


90 %

System Szybkiej Wymiany SWS

szybsza wymiana chwytaka

Głowica Obrotowa

SRH-plus

Standardowa klasa ochrony

IP 67

PGN-plus Nr

1

2-palczasty Chwytak Równoległy

z prowadzeniem wielozębnym

Państwa zautomatyzowany system załadunkowy. Czas wykorzystać cały potencjał. www.pl.schunk.com/wykorzystujemy-potencjaly Jens Lehmann, Ambasador Marki rodzinnej firmy SCHUNK

AnzSynergie_PGNplus_SRH_SWS-I_PL_0413.indd 1

19.06.13 08:07


Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ i odkryj trzeci wymiar papieru PAR+ to bezpłatna aplikacja mobilna na systemy iOS oraz Android, dzięki której Czytelnicy miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” uzyskują bezpośredni dostęp do dodatkowych treści powiązanych z wybranymi publikacjami. PAR jest pierwszym miesięcznikiem naukowo-technicznym w Polsce, który oferuje swoim odbiorcom to unikatowe rozwiązanie. Dzięki PAR+można jednym dotknięciem palca obejrzeć film lub animację powiązaną z artykułem, przejść na stronę internetową lub do galerii zdjęć z wydarzenia opisanego w relacji prasowej, przeczytać rozszerzoną wersję artykułu, przejrzeć i pobrać specyfikację produktu opisywanego w artykule, skomentować artykuł na Facebooku, i wiele, wiele więcej. Więcej informacji na par.pl/plus

Pobierz i uruchom bezpłatną aplikację PAR+

2

Skieruj kamerę telefonu lub tabletu na stronę artykułu oznaczonego ikoną PAR+

3

Na wyświetlaczu urządzenia pojawi się sześcian z logo PAR+ oraz przyciski prowadzące do dodatkowych treści

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

FACEBOOK

VIDEO


Spis treści      

Temat numeru

Przemysłowe przetworniki ciśnienia Ciśnienie jest jedną z najważniejszych wielkości fizycznych, bez udziału której wiele procesów, czy to głównych, czy też

18

pomocniczych z punktu widzenia danej aplikacji, nie mogłoby zostać zrealizowanych. Aby móc je wykorzystywać w jak najlepszy sposób, powinno się monitorować jego wartość. W tym celu stosuje się m.in. elektroniczne przetworniki ciśnienia.

Wydarzenia

Temat numeru

  6

Aktualności

Czujniki i przetworniki pomiarowe

16

60 lat doświadczenia w pomiarach temperatury – jubileusz CZAH-POMIAR

65

Kalendarium

28

Enkoder 2.0

31

SMARTSENS – analityczne czujniki z zabudowanym przetwornikiem

32

Zwiększony zasięg i precyzja działania

Nowości

34

Pomiar w obróbce cieplnej

10

Nowe produkty

36

Urządzenia WObit do pomiaru siły

60

Nowoczesność i bezpieczeństwo

37

Innowacyjne rdzenie pomiarowe

62

Duża siła, mały rozmiar – elektrosiłowniki ETH firmy PARKER

63

IP65 z każdej strony obudowy

Automatyka 42

System ramienia nośnego dla stanowisk człowiek–maszyna

46

Siłownik DSBC z inteligentną amortyzacją PPS

48

Przetwornice częstotliwości DANFOSS VLT – sposób na mądre oszczędzanie w systemach automatyki

Rynek i technologie

Zawory w układach pneumatycznych W wielu gałęziach przemysłu, m.in. w górnictwie, budownictwie, kolejnictwie, motoryzacji, farmacji, obróbce skrawaniem, urządzenia pneumatyczne wciąż odgrywają istotną rolę. Obecnie, dzięki powszechności i dostępności urządzeń stanowiących źródła energii pneumatycznej oraz rozwojowi wiedzy w zakresie sterowania tą energią, pneumatyka jest stosowana chętnie i praktycznie w każdej gałęzi przemysłu.

4

52


38 Rozmowa PAR

Budujemy konkurencyjność naszych klientów Wywiad z Andrzejem Soldatym, prezesem zarządu firmy Festo Polska.

Robotyka

106

Izolowany przekształtnik podwyższający DC/DC o wysokim współczynniku wzmocnienia napięcia

mgr inż. Adam Krupa – Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Automatyki i Elektroniki

forum młodych

112

66

Równoległy algorytm analizy sygnału na podstawie niewielkiej liczby próbek

mgr inż. Piotr Kardasz – Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka

118

Architektura układu sterującego robotem mobilnym w systemie SOMRS

dr Grzegorz Terlikowski*, mgr Waldemar Bartyna** *Instytut Informatyki, Uniwersytet Przyrodniczo-Humanistyczny, Siedlce, **Instytut Podstaw Informatyki, Polska Akademia Nauk, Warszawa

50

SCHUNK liderem systemów wymiany narzędzi

Konstrukcja robota turniejowego Mirror startującego w zawodach Mini Sumo

Nauka 70

Advanced Trajectory Planning for Production Energy Estimation

Prof. Ralf Stetter, PhD Eng.*, Prof. Andreas Paczynski, PhD Eng.*, Piotr Witczak, MSc*, Benjamin Staiger** *Hochschule Ravensburg-Weingarten, **Kirchner Konstruktionen GmbH

78

The Self in the Machine

Karolina Zawieska, MSc*, **, Brian R. Duffy, PhD** * Industrial Research Institute for Automation and Measurements PIAP, Warsaw, ** SMARTlab at University College Dublin (UCD), Dublin

83

Odczyt kodów felg samochodowych w procesie produkcyjnym

mgr inż. Jacek Dunaj – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

92

Akwizycja obrazów RGB-D: czujniki

mgr inż. Maciej Stefańczyk, dr inż. Tomasz Kornuta – Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej, Politechnika Warszawska

100

Skaner do digitalizacji taśm filmowych

Bartosz Piekarczyk*, dr inż. Mariusz Sosnowski** *MUFI Kompania Muzyczno Filmowa, **Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zakład Zautomatyzowanych Systemów Wytwarzania i Inżynierii Jakości

128

Indeks firm

130

Prenumerata

P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

Miesięcznik naukowo-techniczny Pomiary Automatyka Robotyka

PAR miesięcznik naukowo-techniczny

2/2014 ISSN 1427-9126 Indeks 339512 Cena 10,00 zł w tym 8 % VAT

www.par.pl

Rok 18 (2014) nr 2 (204) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

Na okładce: bezkontaktowy enkoder indukcyjny firmy Turck

9 771427 91230 6

02

TEMAT NUMERU

ROZMOWA PAR

RYNEK I TECHNOLOGIE

Czujniki i przetworniki pomiarowe

Andrzej Soldaty, prezes zarządu firmy Festo Polska

Technika zaworowa w pneumatyce

18

38

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

52

5


Nagroda dla Pepperl+Fuchs

DACPOL z szerszą ofertą i wyróżnieniem Firma Dacpol rozszerzyła asortyment o oprawy typu high bay, służące do oświetlenia obiektów przemysłowych i znajdujących zastosowanie w takich pomieszczeniach, jak hale produkcyjne, warsztaty, magazyny, laboratoria, pomieszczenia handlowe, parkingi podziemne, garaże czy stacje paliw. Oprawy występują w wersjach z wymiennymi kloszami o różnym kącie rozproszenia światła lub jako lampy wykorzystujące zwarte moduły LED. Jednocześnie Dacpol został oficjalnym dystrybutorem produktów holenderskiej firmy Victron Energy, specjalizującej się w produkcji urządzeń do przetwarzania energii elektrycznej, m.in. inwerterów sinus, prostowników, przetwornic itp. W ostatnim czasie firma Dacpol została po raz kolejny wyróżniona w rankingu Diamenty Forbesa 2014, który prezentuje firmy najszybciej zwiększające swoją wartość w ciągu ostatnich trzech lat działalności.

REKLAMA

Nowe wykazy norm zharmonizowanych

6

W listopadzie, w Dzienniku Urzędowym Unii Europejskiej, ogłoszono nowe wykazy norm zharmonizowanych z dyrektywami: maszynową, niskonapięciową, dźwigową i ATEX. Wykaz do dyrektywy ATEX 94/9/WE został opublikowany 5 listopada 2013 r. w Dzienniku Urzędowym UE (2013/C 319/08). Trzy normy zostały opublikowane po raz pierwszy. Wykaz do dyrektywy dźwigowej 95/16/WE został ogłoszony 8 listopada 2013 r. w Dzienniku Urzędowym UE (2013/C 323/01). Jedna z norm została opublikowana po raz pierwszy. 28 listopada opublikowano dwa wykazy: do dyrektywy niskonapięciowej 2006/95/WE (LVD) w Dzienniku Urzędowym UE 2013/C 348/03) i do dyrektywy maszynowej 2006/42/ WE (MD). Ten drugi dzieli normy na opracowane przez CEN i przez CENELEC, przy czym normy opracowane przez CEN zostały podzielone na trzy typy: A, B i C.

Fot. Pepperl+Fuchs, Dacpol, Danfoss, igus

Po otrzymaniu szeregu nagród międzynarodowych, m.in. Hermes Awards i Automation Award, dwuwymiarowy skaner laserowy 2-D Pepperl+Fuchs został doceniony również na ostatnich, odbywających się corocznie, Targach Hydrauliki, Automatyki i Pneumatyki w Sosnowcu. Model R2000 to najnowocześniejszy skaner laserowy dostępny na rynku. Wyjątkowa wydajność pomiaru, kąt skanowania wynoszący 360° oraz interaktywny wyświetlacz na powierzchni optycznej sprawiają, że ten skaner 2D zapewnia imponujące rezultaty w wielu zastosowaniach, takich jak logistyka, przeładunek materiałów czy automatyzacja budynków.


Darmowe e-szkolenia firmy DANFOSS

Fot. Pepperl+Fuchs, Dacpol, Danfoss, igus

Ekonomiczna automatyzacja dzięki drylin E Danfoss, producent napędów oraz systemów chłodnictwa i klimatyzacji, przygotował pięć darmowych szkoleń elektronicznych, które pozwalają zapoznać się z możliwościami przetwornic częstotliwości z rodziny VLT. Tematy szkoleń to: Smart Logic Controller, zamknięta pętla sterowania (Closed loop control), alarmy i ostrzeżenia, podstawy programowania oraz podstawowe rozwiązywanie problemów. Nowe szkolenia mają szybko przeprowadzić kursantów przez podstawowe ustawienia, rodzaje sterowania i rozwiązywania problemów. Pokażą, jak skonfigurować napęd VLT i zbudować najbardziej efektywny system. W ramach szkoleń kursanci nauczą się, czym są przetwornice częstotliwości, do czego służą i jak można je wykorzystać, a także zapoznają się z metodami uruchamiania systemu z zamkniętą pętlą sterowania oraz z używaniem automatycznego dostrajania zamkniętej pętli. Będą też mogli dowiedzieć się, jak prowadzić wsparcie techniczne lub sprzedaż napędów oraz poznają listę alarmów, informacji diagnostycznych i ostrzeżeń, wyświetlanych przez przetwornice VLT. Lekcje programowania będą okazją do zorientowania się, jak wygląda interfejs programistyczny i wprowadzanie programu z panelu sterowania lokalnego. Omówione zostaną także narzędzia przydatne przy rozwiązywaniu problemów z przetwornicami.

Na rynku widoczny jest coraz silniejszy trend poszukiwania ekonomicznych alternatyw dla drogich produktów high-endowych. Firma igus wkroczyła na to pole z produktami drylin E poszerzając ofertę czujników krańcowych i silników DC, przeznaczonych do stosowania w aplikacjach, w których niezwykle ważny jest koszt, a bardzo precyzyjne ruchy nie są wymagane. Nowości firmy z zakresu technologii napędu zostały zaprezentowane na targach SPS IPC Drives 2013. Użytkownik ma do wyboru szereg bezsmarownych i bezobsługowych jednostek napędowych, od małych osi śrubowych stosowanych w technologii medycznej, po duże osie pasa zębatego w przemyśle budowy maszyn. Mechaniczne czujniki krańcowe w wariancie niskokosztowym są montowane w rowkach osi liniowych za pomocą odpowiednich uchwytów. Lekka oprawa z tworzywa sztucznego i niewielka konstrukcja przyczyniają się do redukcji ilości wymaganego miejsca i masy urządzenia. Silniki prądu stałego można uruchomić za pomocą akumulatora lub prostego zasilacza i zmienić ich kierunek przez przebiegunowanie napięcia.

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

7


Wydarzenia      AKTUALNOŚCI

SCHNEIDER ELECTRIC przejął INVENSYS Schneider Electric uzyskał akceptację wszystkich stron porozumienia oraz odpowiednich urzędów i zgodnie z wcześniejszymi zapowiedziami przejął firmę Invensys. Dzięki połączeniu technologii, innowacyjności i potencjału rozwoju przedsiębiorstw nowe systemy, aplikacje i technologie będą mogły być szybciej wprowadzane na rynek. Przejęcie Invensys przez Schneider Electric prowadzi do powstania globalnego koncernu, specjalizującego się w dziedzinie automatyzacji dla przemysłu oraz dysponującego bardziej zrównoważoną siecią punktów i placówek we wszystkich regionach. Schneider Electric wzmacnia dodatkowo obecność w Ameryce Północnej i na rynkach wschodzących. 

Firma Conrad otworzyła nowy obszar zabezpieczony przed elektrycznością statyczną (EPA) w swoim głównym magazynie i centrum dystrybucyjnym w Wernberg, w Niemczech. Strefa EPA firmy Conrad może pomieścić do 10 tys. linii produktowych. Została przetestowana przez TÜV NORD CERT, jednego z wiodących globalnych dostawców usług technicznych. Certyfikowanie nowego obszaru EPA oraz zapewnienie pełnego zakresu odpowiedniej obsługi związanej z produktami czułymi na wyładowania elektrostatyczne, zgodnie z wymaganiami normy DIN EN 61340-5-1, stanowi pierwszy tego typu przykład w sektorze dystrybucji komponentów. Uruchomienie strefy bezpiecznej obsługi oznacza, że firma Conrad może zapewnić najwyższe standardy jakości, a także właściwe przechowywanie i prawidłowe postępowanie ze wszystkimi czułymi na wyładowania elektrostatyczne komponentami, które dostarczane są klientom z branży inżynierii projektowej na całym świecie. Ustanowienie obszaru EPA jest najnowszą inicjatywą w ramach programu firmy Conrad, zakładającego wdrażanie innowacyjnych usług, idealnie dopełniających szybko rozbudowywany asortyment produktów, które spełniają potrzeby klientów B2B w zakresie badań, rozbudowy, prototypowania, a także konserwacji, naprawy i remontów. 

ENDRESS+HAUSER ma nowego szefa Dyrektorem generalnym firmy Endress+Hauser został Matthias Altendorf (na zdjęciu). Zastąpił on na tym stanowisku Klausa Endressa, który pełnił tę funkcję przez 19 lat. Od 1 stycznia Klaus Endress dołączył do rady nadzorczej firmy, zajmując miejsce Klausa Riemenschneidera, który przeszedł na emeryturę po 43 latach pracy w firmie. Matthias Altendorf pracował dotychczas jako dyrektor zarządzający centrum kompetencyjnego inżynierii pomiarów poziomu i ciśnienia, zlokalizowanego w Maulburgu w Niemczech. Ma 46 lat i jest trzecim dyrektorem generalnym w historii firmy, od czasu jej powstania w 1953 r., a jednocześnie pierwszą osobą na tym stanowisku, która nie pochodzi z rodziny Endressów. Grupa Endress+Hauser specjalizuje się w przyrządach pomiarowych dla automatyki procesowej. Zatrudnia ponad 10 tys. osób na całym świecie, a wartość jej sprzedaży netto w 2012 r. wyniosła 1,7 mld USD.

Ethernet i OPC UA podstawą oferty GE IP

Katalog przepływomierzy i mierników

General Electric Intelligent Platforms, producent urządzeń automatyki przemysłowej, planuje uczynić otwarte standardy, takie jak przemysłowy Ethernet oraz OPC Unified Architecture, podstawowymi technologiami stosowanymi w jej produktach. Pozwoli to zaoferować bardziej modułowe rozwiązania, które będzie można łatwiej integrować z innymi podsystemami. Powinny one być też prostsze w obsłudze, a przy okazji bardziej wydajne oraz jeszcze bezpieczniejsze i bardziej niezawodne niż dotychczas. Obsługa OPC UA ma zostać wprowadzona do systemów Mark VIe, PACSystems i Proficy Cimplicity HMI/SCADA. Wspierany ma być nie tylko klasyczny Ethernet, ale również interfejsy komunikacyjne PROFINET i Foundation Fieldbus. 

Działająca na rynku od 45 lat firma Fluid Components International (FCI) przygotowała nowy katalog przepływomierzy i mierników poziomu, zawierający nie tylko produkty i ich opisy, ale też informacje na temat sposobów ich zastosowania i przykładowych aplikacji. Oprócz mierników poziomu i przepływomierzy można w nim znaleźć także mierniki temperatury, które usprawniają kontrolę procesów. Katalog zawiera również bogatą, stworzoną przez lata bibliotekę pytań często zadawanych przez klientów i inżynierów instalujących przepływomierze. Jest dostępny bezpłatnie w na płycie CD, jak również na stronie internetowej firmy.

Fot. Conrad, GE, Schneider Electric, Endress+Hauser, FCI, LE-BI, ASTOR

CONRAD uruchomił nową strefę EPA

Conne

8

130xxx Au


Fot. Conrad, GE, Schneider Electric, Endress+Hauser, FCI, LE-BI, ASTOR

Lean & Kaizen Management Forum ju�� w kwietniu

Karnawałowe zawody na śniegu z firmą ASTOR

W dniach 23–25 kwietnia 2014 r. odbędzie się druga edycja Lean & Kaizen Management Forum. Spotkanie będzie okazją do poznania rozwiązań funkcjonujących w różnych zakładach. Prelekcje poprowadzą prelegenci–praktycy, którzy zdobywali doświadczenie w takich firmach, jak CEDC, Beiersdorf, Pollena, TRW, BSH, BGŻ. Uczestnicy będą mogli obserwować na żywo procesy produkcyjne w zakładach Hyundai, Radegast i VW. Będzie także okazja do dyskusji z innymi praktykami podczas specjalistycznych paneli i w kuluarach. Wśród pięciu głównych elementów kultury ciągłego doskonalenia wymienia się: promocję kreatywności, właściwie dobrane narzędzia, redukcję kosztów, mierzenie efektów i statystykę oraz tworzenie procesów. W jakie pułapki można wpaść, gdy zacznie dominować tylko jeden element i straci się z oczu najważniejszy cel, czyli optymalizację? Jakie pułapki czekają na managerów, którzy nie znajdą własnego „złotego środka” wdrażania kultury ciągłego doskonalenia? Na te i inne pytania organizatorzy i paneliści będą szukali odpowiedzi podczas tegorocznej konferencji. Na hasło PAR – 5% rabatu. Więcej informacji na stronie organizatora Lean Experience Business Institute: www.le-bi.pl.

Już po raz czwarty z rzędu firma ASTOR zaprasza wszystkich pasjonatów „białego szaleństwa” na zawody narciarskosnowboardowe ASTOR Winter Cup 2014, które odbędą się 9 marca 2014 r. na stacji narciarskiej Czorsztyn-Ski. Spotkanie to będzie doskonałą okazją do integracji przedstawicieli wszystkich branż przemysłu i ich rodzin. Podobnie jak w ubiegłych latach, zawody będą miały charakter profesjonalny i zostaną przeprowadzone zgodnie z narciarskim regulaminem. Czwarta edycja będzie wyjątkowa. Zgodnie z nową formułą zawodów organizator zapewnia Puchar Prezesa ASTOR dla najlepszego zawodnika i zawodniczki w zawodach narciarskich dla dorosłych, reprezentujących pracowników branży automatyki przemysłowej i ich rodziny (z wyłączeniem firmy ASTOR). Przewidziane jest przeprowadzenie dwóch przejazdów slalomu gigant w konkurencjach: narciarskiej i snowboardowej. Zawody będą rozgrywane w różnych grupach wiekowych, a dla najlepszych przewidziane są nagrody i puchary. Formularz rejestracji na zawody i regulamin imprezy jest dostępny na stronie www.astor.com.pl/wintercup.

Dział powstaje we współpracy z portalem

REKLAMA

Connecting Global Competence

Nowy sektor wystawienniczy: profesjonalna robotyka serwisowa

ZOPTYMALIZUJ SWOJĄ PRODUKCJĘ Informacje: Biuro Targów Monachijskich w Polsce | Warszawa tel. +48 22 620 4415 info@targiwmonachium.pl

130xxx Aut14_Anz_AV_205x140_PARMeasAutoRob_PL.indd 1

6. Międzynarodowe Targi Automatyki i Mechatroniki 3.– 6. czerwca 2014 r. | Messe München www.automatica-munich.com

08.01.14 10:59


Nowości     Nowe produkty

Zdalne bramy komunikacyjne Netbiter EC250 Urządzenia Netbiter EasyConnect to małe i solidne zdalne bramy komunikacyjne, zaprojektowane tak, aby uzyskać szybki podgląd on-line urządzeń oraz instalacji użytkownika. Bramy te są przeznaczone do zastosowań przemysłowych oraz umożliwiają dostęp bezprzewodowy poprzez GSM/GPRS lub przez Ethernet. Automatyczna integracja danych z systemem Netbiter Argos zapewnia

proste zarządzanie wszystkimi urządzeniami z najodleglejszych miejsc. Wszędzie tam, gdzie znajduje się sprzęt lub instalacja, wystarczy podłączyć je do bramy EasyConnect i automatycznie otrzymuje się dostęp do ich danych poprzez system Netbiter Argos. Netbitery mogą łączyć się z innymi urządzeniami przez szeregowy port RS-232/485 (Modbus RTU), Modbus TCP, SNMP lub Ethernet/IP.

Dodatkowo istnieją gotowe wyspy I/O produkowane przez firmę Netbiter. Dane z Netbiter Argos można oglądać w przeglądarce WWW, a także uzyskać dostęp do nich poprzez e-mail lub SMS. Bramy Netbiter EasyConnect oferują unikalną technologię bezpiecznego dostępu do sprzętu znajdującego się

„za” zaporami systemowymi. Bramy te mogą komunikować się przez 3G/ GSM/GPRS lub Ethernet, eliminując potrzebę znajomości publicznych lub stałych adresów IP, tuneli VPN czy wykupowania drogich kart SIM M2M.

wersjach, które różnią się od siebie typem procesora, systemem operacyjnym – Linux Debian 7, Windows Embedded Standard 7 lub brakiem systemu, oraz ilością pamięci DOM i RAM. Modułowość i szeroka gama modeli sprawiają, że DA-682A jest bardzo elastyczną platformą, którą łatwo „skroić” pod daną aplikację. Najważniejsze cechy DA-682A to: procesory Intel Core drugiej generacji, bezwentylatorowa konstrukcja, wbudo-

wana pamięć DDR3, SDRAM i przemysłowa DOM, 6 × Gigabit Ethernet, 2 × PCI – sloty na moduły rozszerzeń, 1 × złącze Compact Flash do rozszerzenia pamięci masowej, 4 × USB 2.0, możliwość bootowania, montaż w szafie RACK 19", wys. 2U, zasilanie 100/240 V AC i preinstalowany Windows Embedded Standard 7 lub Linux.

ELMARK Automatyka Sp. z o.o. www.elmark.com.pl

Firma Moxa oferuje nowy komputer przemysłowy, montowalny w szafie RACK 19’’ – DA-682A, oparty na procesorach w architekturze x86, drugiej generacji Intel Core (Sandy Bridge) – Intel Celeron 827E, 1,4 GHz; Intel Celeron 847E, 1,1 GHz; Intel Core i7-2610UE, 1,5 GHz.

W zależności od zainstalowanego systemu dostępne jest 1 GB lub 2 GB pamięci DDR3. W standardzie USB 2. są cztery porty USB. Komputer ma zintegrowaną kartę graficzną, wbudowaną w chipset Intel 915GME, a do podłączenia monitora udostępniony jest interfejs VGA. DA-682A ma dwa sloty na karty rozszerzeń, toteż liczbę i rodzaj interfejsów można rozszerzyć. Komputer występuje w dziewięciu

ELMARK Automatyka Sp. z o.o. www.elmark.com.pl

REKLAMA

Ręczny miernik parametrów środowiskowych Firma Rotronic oferuje nowy miernik wilgotności, temperatury i stężenia CO2 o nazwie CP11. Wykonany w formie ręcznego urządzenia pomiarowego pozwala szybko określić wspomniane parametry w poszczególnych pomieszczeniach podczas ich użytkowania. Ma to istotne znaczenie w przypadku eksploatacji wnętrz, które nie są wyposażone w automatyczną regulację ilości dostarczanego

10

Promocja

powietrza, pozwalając właściwie ustawić liczbę wymian powietrza, stosownie do ilości osób standardowo zajmujących pomieszczenie. Urządzenie dostarczane jest z fabrycznym certyfikatem kalibracji. Zakresy pomiaru wynoszą: temperatura: –20…+60 °C, wilgotność: 0…100 % RH, CO2: 0…5000 ppm. B&L International Sp. z o.o. e-mail: info@bil.com.pl www.bil.com.pl

Fot. Elmark Automatyka, Eldar, B&L, Harting Polska, Peltron

Komputer przemysłowy DA-682A


Złącze M12 d-kodowane w technologii preLink Technologia preLink, stosowana do budowy sieci danych w środowiskach przemysłowych, jest już dostępna w interfejsie M12, oprócz dotychczas dostępnego interfejsu RJ45, stosowanego w okablowaniu przemysłowym, centrach danych oraz obiektach biurowych. Nowa, kompaktowa konstrukcja złącza oferuje rozwiązanie montażu złącza dla sieci Fast Ethernet lub PROFINET. Standard M12 jest powszechnie

używany w środowiskach przemysłowych. Szczególnie dobrze sprawdza się w łączeniu maszyn czy komputerów przemysłowych. W przypadku tego typu aplikacji preLink umożliwia współpracę z istniejącymi trasami kablowymi, pozwala na ich łatwe i szybkie rozbudowanie, jak również podniesienie stopnia ochrony z IP20 do IP65/67. Aby zwiększyć obszar zastosowań złącza preLink M12, konieczne było zmniej-

szenie wymiarów złącza. Dzięki temu nowe rozwiązanie pozwala na zastosowanie złącza preLink M12 w miejscach dotychczas nieosiągalnych. Równocześnie liczba elementów złącza została zredukowana do minimum, co umożliwia prosty i szybki montaż obiektowy. PreLink M12 d-kodowane są przeznaczone do transmisji danych do 100 Mbit/s (Fast Ethernet), a także stanowią

ważny element okablowania, zgodny z wytycznymi PROFINET. Złącza te są w 100 proc. zgodne ze standardem M12 normy IEC 61076-2-109. HARTING Polska Sp. z o.o. ul. Duńska 9, 54-427 Wrocław tel. 71 352 81 71, fax 71 350 42 13 e-mail: pl@HARTING.com www.HARTING.pl

Fot. Elmark Automatyka, Eldar, B&L, Harting Polska, Peltron

Bateryjny, cyfrowy manometr z wyświetlaczem LCD typu MC

Seria MC to seria cyfrowych manometrów do pomiaru ciśnienia lub podciśnienia, wykona-

nych na bazie przetwornika serii PX. Manometry cyfrowe MC są wyposażone we wskaźnik LCD 3,5 cyfry

i własne zasilanie bateryjne. Wyświetlenie wyniku pomiarów jest chwilowe i następuje dopiero po naciśnięciu przycisku POMIAR. Po upływie około 10 s manometr samoczynnie się wyłącza. Manometry MC mogą być stosowane zamiast tradycyjnych manometrów – wszędzie tam, gdzie wymagana jest wyższa dokładność oraz precyzyjny odczyt pomiaru. Konieczny

jest jedynie swobodny dostęp, umożliwiający włączenie manometru. Występuje on również w wersji pomiaru różnicy ciśnienia jako MCD. Zakres pomiarowy wynosi od 50 mbar do 1000 bar.

Peltron TPH Sp. z o.o. tel. 22 615 63 56 fax 22 615 70 78 e-mail: peltron@home.pl www.peltron.pl

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

11


Nowości     Nowe produkty

Czujniki fotoelektryczne E71 NanoView Eaton zaprezentował nową, uniwersalną serię czujników fotoelektrycznych E71 NanoView, opracowaną w celu zapewnienia optymalnej jakości i wydajności pomiarów w aplikacjach o ograniczonej przestrzeni. Nowe czujniki mają długość poniżej 38 mm i głębokość 13 mm, wymagają więc jedynie minimalnej przestrzeni montażowej. Ich zaletą jest także mnogość trybów pracy, która gwarantuje szeroki zakres ich zastosowań. Do najważniejszych wersji i trybów funkcjonowania należy zaliczyć: czujniki refleksyjne z polaryzacją (2,5 m), czujniki barierowe (1,5–6 m), czujniki odbiciowe (350 mm) i czujniki

do wykrywania obiektów przezroczystych. Czujniki NanoView mają plastikową obudowę z tworzywa ABS o stopniu ochrony IP66, co pozwala na użytkowanie ich w wymagających środowiskach. Dwie diody LED na górze urządzenia zapewniają

dobrze widoczne wskazania trybu pracy i wyjścia. Wszystkie moduły są przystosowane do pracy pod napięciem od 10 V DC do 30 V DC i mają certyfikaty dopuszczające je do użytkowania na całym świecie. Omawiane sensory są w stanie wykrywać

przezroczyste obiekty, takie jak butelki plastikowe, przedmioty szklane oraz folie. Gwarantują wysoki poziom niezawodności, nawet w wymagających aplikacjach, takich jak detekcja butelek w różnych kolorach i o różnych grubościach. Potencjometr znajdujący się bezpośrednio na urządzeniu pozwala użytkownikowi dostosować częstotliwość czujnika do specyficznych wymagań aplikacji. Dobrze widoczna czerwona wiązka LED ułatwia ustawienie bariery świetlnej. Wszystkie modele mają przełącznik trybu pracy jasno/ciemno. Wersje ze stałą ostrością wiązki i ogniskową 100 mm idealnie nadają się do wykrywania małych obiektów.

REKLAMA

Pro to nowa rodzina regulatorów temperatury firmy WEST, przeznaczonych do wymagających aplikacji. Regulator Pro-16 jest jedynym regulatorem w obudowie 48 mm × 48 mm × 118 mm, wyposażonym w sześć wyjść, dwa wejścia cyfrowe i wejście zdalnego ustawiania wartości progowej. Obsługuje komunikację za pomocą RS-485 oraz kontrolę z użyciem oprogramowania Blue Control. Pro-16 ma wiele zintegrowanych funkcji. Jest wyposażony w dwa regulatory PID, zapewniające kontrolę w szerokim zakresie wartości zadanych. Umożliwia też niezależną regulację urządzenia grzewczego i chłodzącego. Dodatkowe wejście analogowe pozwala na pomiar prądu urządzenia grzewczego lub zdalne przesyłanie wartości zadanych. Funkcja „Start-up” może być użyta do zwiększenia żywotności zaawan-

12

sowanych urządzeń grzewczych. Self-tuning zapewnia automatyczne i optymalne dopasowanie charakterystyki regulatora PID do wartości zadanych za pomocą jednego przycisku, bez ryzyka przeregulowania. Wysokiej klasy czytelny wyświetlacz dwusegmentowy gwarantuje łatwy odczyt trybu pracy i statusu I/O. Bardziej złożoną parametryzację regulatora WEST Pro-16 można przeprowadzić za pomocą oprogramowania BlueControl, które umożliwia także symulację użytych funkcji. 

Fot: Eaton Electric, Eltron, Balluff, Elmark Automatyka

Regulator temperatury WEST Pro-16


Moduły sieciowe z funkcją mastera IO-Link

Nowe moduły do sieci DeviceNet i EtherCAT firmy Balluff, z funkcją mastera IO-Link, wspomagają optymalizację układów systemów sterowania. IO-Link zapewnia nie tylko swobodę instalacji, lecz gwarantuje również proste okablowanie, precyzyjną diagnostykę i centralną parametryzację. Można w ten sposób skuteczniej zapobiegać awariom systemu,

a w razie ich wystąpienia szybciej go ponownie uruchomić. Użytkownicy zyskują czas, oszczędzają koszty i zapewniają lepszą jakość procesów dzięki inteligentnej technologii połączeń. Moduły master IO-Link do sieci DeviceNet mają cztery dowolnie konfigurowalne porty IO-Link. Moduły DeviceNet firmy Balluff mają wyświetlacz, który znacznie ułatwia obsługę. Za jego pomocą można ustawić adres modułu oraz sprawdzać wersje oprogramowania i sprzętową modułu. Tak jak wszystkie moduły firmy Balluff bazujące na sieci Ethernet, również moduł EtherCAT ma zintegrowany Web serwer.

Urządzenia ioLogik E1200 to seria przemysłowych, pasywnych modułów I/O, wyposażonych w różną liczbę wejść/wyjść. Komunikacja z nimi odbywa się za pomocą protokołu Modbus TCP lub za pośrednictwem darmowego oprogramowania firmy Moxa – Active OPC Server. Każdy moduł z tej serii jest przeznaczony do montażu na szynie DIN. Model ioLogik E1261 W-T firmy Moxa cechuje się bardzo szerokim zakresem temperatury, w której może pracować: od –40 °C do +85 °C. Jest wyposażony w 12 konfigurowalnych wejść/wyjść, pięć

wejść analogowych oraz trzy wejścia RTD, czyli na czujniki temperaturowe. Kolejnym elementem, który odróżnia go od pozostałych modeli z serii E1200 jest inna, szersza obudowa oraz wbudowany interfejs szeregowy. Firma Moxa udostępnia biblioteki programistyczne dla większości systemów operacyjnych, dzięki czemu napisanie aplikacji do sterowania/odczytu jest wyjątkowo proste i przyjemne. Przykładowym zastosowaniem ioLogik E1261 W-T może być budowa stacji meteo mierzącej temperaturę, ciśnienie, wilgotność, a także inne parametry, odczytywane z czujników pracujących w trybach 0–10 V lub 4–20 mA. Moduł ten znajdzie zastosowanie także w automatyce budynkowej, zdecentralizowanych systemach sterowania i zdalnych systemach monitorowania.

REKLAMA

Fot: Eaton Electric, Eltron, Balluff, Elmark Automatyka

Moduł Moxa ioLogik E1261 W-T

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

13


Nowości     Nowe produkty

Karta PCIE-1760 z wyjściami przekaźnikowymi PCIE-1760 to karta z ośmioma wyjściami przekaźnikowymi oraz ośmioma izolowanymi wejściami cyfrowymi na magistrali PCI Express 1.0 firmy Advantech. Wyjścia przekaźnikowe mogą służyć do sterowania w trybie „on/off” lub jako przełączniki małej mocy w zakresie napięć stałych 30 V DC, do 2 A oraz przemiennych 125 V AC, przy prądzie 1 A. Wejścia cyfrowe wyposażono w optoizolację do 2500 V DC, dzięki czemu można je wykorzystywać w aplikacjach zagrożonych przepięciami. Uzupełnieniem

karty są dwa izolowane wyjścia PWM o regulowanym czasie wypełnienia. Mogą one pracować jako otwarty kolektor w zakresie napięć 5–40 V DC lub generować sygnał TTL (bez izolacji). Dwa wejścia licznikowe mogą zliczać sygnał z częstotliwością do 1 kHz. Wraz ze sprzętem dostarczany jest szeroki pakiet bibliotek z funkcjami w takich środowiskach, jak: Visual Studio Net, Visual C++, Visual Basic, Delphi, LabView pod systemami Windows XP/ Vista/7. PCIE-1760 zapewnia również ochronę ESD w przypadku występowania wyładowań elektrostatycznych do 2000 V DC.

Wymienna czasza igubal Firma igus oferuje wymienną czaszę kulistą igubal, która dzięki elementom łożyskowym, wykonanym z wysokosprawnych tworzyw sztucznych, może zastąpić problematyczne łożyska kulkowe szybko i niedrogo. Wąską, wymienną czaszę kulistą można szybko zamontować zamiast łożyska kulkowego, dokładnie w miejscu istniejącej metalowej oprawy. Dzięki jednolitym wielkościom czasza może być montowana niezależnie od producenta łożysk i stosowana np. w łożyskach kołnierzowych z dwoma i czterema otworami oraz łożyskach stojakowych. Czasza wyróżnia

się dużą wytrzymałością zmęczeniową i elastycznością, a także bezobsługową pracą, bez konieczności smarowania. Czasza może być wykonana z dziewięciu różnych materiałów iglidur, od ekonomicznego i odpornego na zużycie standardowego materiału iglidur J4, aż po odporne na działanie wysokiej temperatury lub zgodne z wymogami FDA materiały iglidur X bądź iglidur A350.

REKLAMA

Bezwentylatorowe komputery panelowe HT2000 firmy ASEM gwarantują bardzo dobrą jakość obrazu i wykonania, w połączeniu z szybkością przetwarzania danych i korzystną ceną. Komputery są dostępne w dziewięciu wielkościach ekranu (od 10,4² do 21,5²) i wyposażone w pięcioprzewodowe matryce dotykowe LCD TFT z podświetleniem LED. Wybrane modele są dostępne z dodatkową szklaną warstwą zabezpieczającą oraz funkcją multitouch. Rodzina HT2000 jest zgodna z nowym standardem ASEM, zapewniającym swobodną możliwość wymiany i mechaniczną kompatybilność komputerom panelowym, panelom operatorskim i monitorom przemysłowym producenta. Nowy standard to

14

zunifikowane otwory montażowe urządzeń, fronty dostępne w trzech wariantach wykończenia (aluminium, aluminium True Flat, Stainless Steel True Flat), galwanicznie izolowane zasilacze oraz zintegrowane interfejsy USB. Wersje bezdyskowe HT2000 mogą pracować w temperaturze 0–50 °C, modele z HDD: 5–45 °C. Standardowy stopień ochrony komputerów wynosi IP65, a w modelach ze stalowym frontem True Flat i specjalną folią zabezpieczającą – IP66K. Unikalną cechą jest technologia ASEM Ubiquity – bezpieczny, zdalny dostęp do systemów i urządzeń działających w sieciach Ethernet i szeregowych, realizowany w systemach Windows CE oraz innych 32- i 64-bitowych.

Fot. Elmark Automatyka, igus, Sabur, Lumel, ABB

Komputery panelowe ASEM


Miernik parametrów sieci trójfazowej na szynę N43 Firma Lumel wprowadziła do oferty nowy miernik, przeznaczony do pomiarów bezpośrednich (do 63 A) i pośrednich, w sieciach trójfazowych lub czteroprzewodowych w układach symetrycznych i niesymetrycznych. Miernik wykonuje takie pomiary, jak wartość skuteczna napięcia i prądu, moc czynna, bierna i pozorna, energia czynna i bierna, współczynnik mocy, częstotliwość, THD i strażnik mocy. Urządzenie ma programowalne przekładnie prądowe i napięciowe, a jego wskazania uwzględniają wartości zaprogramowanych przekładni. Użytkownik może dowolnie konfigurować strony czy

ekrany. Zaletą miernika jest też podświetlany wyświetlacz LCD oraz trzy programowalne wyjścia alarmowe i jedno wyjście impulsowe w wykonaniu standardowym, jak również wyjście impulsowe do kontroli trójfazowej energii czynnej. Komunikacja cyfrowa odbywa się przez interfejs RS-485 z protokołem MODBUS i przez USB do konfiguracji przy użyciu bezpłatnego oprogramowania eCon, a zaimplementowana funkcja umożliwia aktualizację oprogramowania. Modułowa obudowa na szynę typu S jest zgodna z normą PN-EN 62208 (miernik ma szerokość sześciu modułów). Wymiary urządzenia to: 105 mm × 110 mm × 60 mm.

Razem możemy ruszyć z realizacją Twoich pomysłów! Parker oferuje niezrównaną gamę produktów automatyki elektromechanicznej do kontroli ruchu. Nieważne, czego szukasz, by zwiększyć wydajność produkcji lub procesu, Parker Hannifin to Twój pierwszy wybór w przypadku szerokiej gamy napędów AC i DC o wysokiej wydajności oraz systemów serwo i krokowych. To także dostawca szerokiej gamy precyzyjnych i przemysłowych rozwiązań mechanicznego pozycjonowania.

ABB wprowadziła nową rodzinę robotów IRB 6700. Robot siódmej generacji, spośród dużych robotów ABB, został wyposażony w liczne ulepszenia i jest bardziej wydajny niż jego poprzednik. Uproszczona została również jego konserwacja, dzięki czemu najbardziej wydajny robot w swojej klasie (150–300 kg udźwigu) może pochwalić się najniższymi kosztami utrzymania. Wyposażenie robota 6700 w Lean ID przyczyniło się do ułatwienia programowania i symulacji. Robot zajmuje mniej przestrzeni montażowej, wydłużony też został czas pomiędzy przeglądami. IRB 6700 cechuje nie tylko dokładność i wydajność, ale także solidność silników i kompaktowych przekładni. Firma ABB stworzyła robota o tak sztywnej konstrukcji, jak to tylko możliwe, aby przygotować Dział powstaje we współpracy z portalem

go do ciężkich warunków pracy oraz zwiększyć poziom ochrony robota. Procedury serwisowe dla urządzenia zostały skrócone, a czas pomiędzy przeglądami wydłużony. Dostęp do silników został ułatwiony, a dokumentacja techniczna dotycząca prac konserwacyjnych robota została przygotowana w sposób bardziej przystępny oraz łatwiejszy do odczytania i zrozumienia, głównie za sprawą grafik oraz symulacji 3D. Na nową rodzinę robotów IRB 6700 składają się cztery warianty, o udźwigu 150–235 kg oraz zasięgu 2,65–3,20 m. Cztery kolejne warianty robota zostaną dodane do oferty w ciągu około 18 miesięcy, by sprostać wymaganiom klientów odnośnie zwiększonego udźwigu (do 300 kg). Wszystkie produkty Lokalnej Jednostki Robotyki ABB są w pełni wspierane globalnie, zarówno w zakresie sprzedaży, jak i usług serwisowych (ponad 100 lokalizacji w 53 krajach).

Ta bogata oferta umożliwia naszym klientom opracowanie kompletnego rozwiązania przy użyciu produktów z jednego źródła dostaw, jakim jest Parker. Produkty Parkera pracują na wielu platformach komunikacyjnych i można je łatwo dostosować do specyficznych zastosowań.

REKLAMA

Fot. Elmark Automatyka, igus, Sabur, Lumel, ABB

Rodzina robotów ABB

Parker Hannifin Sales Poland Sp. z o.o. ul. Równoległa 8, 02-235 Warszawa tel. 22 573 24 00, fax. 22 573 24 03 e-mail: warszawa@parker.com www.parker.com, www.parker.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

15


Wydarzenia      Sekcja Wydarzenia      

60 lat doświadczenia w pomiarach temperatury Jubileusz CZAH-POMIAR

uczestnikiem rynku w zakresie produkcji czujników temperatury oraz aparatury kontrolno-pomiarowej. Okrągła rocznica to doskonała okazja do podsumowania dotychczasowych działań i jednocześnie idealny moment do wyznaczania nowych celów w ramach dalszego rozwoju firmy.

16

Promocja

Początki istnienia CZAH-POMIAR sięgają 1954 r., kiedy to zainicjowano powstanie nowej firmy, w  konsekwencji czego powstały Centralne Zakłady Automatyzacji Hutnictwa CZAH. W  wyniku prywatyzacji kontynuację działalności produkcyjnej w  2000 r. przejęła nowa firma, CZAH-POMIAR Sp. z o.o., zatrudniając wykwalifikowaną kadrę poprzedniego zakładu. – Szczególnie udany w  historii spółki był okres ostatnich pięciu lat – twierdzi Mieczysław Kochański, prezes firmy CZAH-POMIAR. To czas wielu przemian i  strategicznych decyzji. Dlatego też można zaliczyć go do najbardziej dynamicznych pięciu lat w  historii firmy. Warto choćby wspomnieć, że wielkość produkcji w  tym okresie została podwojona.

Uznanie pracowników i ekspertów Jubileusz, jak podkreśla prezes Mieczysław Kochański,­ to święto wszystkich pracowników, którzy swoja działalnością zawodową przyczynili się do lepszego funkcjonowania spółki. To właśnie wykwalifikowana załoga firmy stanowi o jej obecnym potencjale. Firma systematycznie się rozwija i  co roku tworzy nowe miejsca pracy. Jest jak najbardziej wiarygodnym i  sprawdzonym pracodawcą. Wszystkie dotychczasowe działania firmy znalazły uznanie, czego potwierdzeniem są nagrody środowisk branżowych, jak np. kilkakrotnie przyznane tytuły: „Przedsiębiorstwo Fair Play” (w  2012 r. Złota Statuetka), „Gazela Biznesu” itp. – Przyznane nagrody świadczą o uczciwych praktykach, stosowanych

Fot. CZAH-POMIAR

CZAH-POMIAR jest ważnym


w naszej firmie oraz o ciągłym rozwoju i  stabilności finansowej – dodaje prezes CZAH-POMIAR.

Laboratorium Pomiarów Temperatury Jednym z  najważniejszych sukcesów firmy jest rozwój Akredytowanego Laboratorium Pomiarów Temperatury CZAH-POMIAR – prężnie rozwijającego się oddziału spółki. W  listopadzie 2013 r., po pozytywnej ocenie Polskiego Centrum Akredytacji, nastąpiło rozszerzenie zakresu akredytacji laboratorium o  wzorcowanie kontrolnych czujników termoelektrycznych typu S, R i  B oraz kontrolnych czujników termometrów rezystancyjnych SPRT metodą punktów stałych (w komórkach punktów stałych), a  także o  wzorcowanie metodą porównawczą przemysłowych czujników termometrów rezystancyjnych (IPRT). Kompleksowa usługa wzorcowania kontrolnych czujników temperatury, wykonana w  Laboratorium Pomiarów Temperatury spółki CZAH-POMIAR, to wymierne korzyści dla klientów. Firma oferuje atrakcyjne ceny i krótkie terminy realizacji usług. Wyposażenie pracowni oparte zostało na urządzeniach takich renomowanych firm, jak FLUKE Calibration (Hart Scientific), Isotech, ASL, Tinsley, Agilent oraz ITR. Opracowanie i  wdrożenie wspomaganego komputerowo innowacyjnego systemu do wzorcowania czujników temperatury metodą punktów stałych było możliwe dzięki środkom unijnym z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Śląskiego na lata 2007–2013.

produkcyjnej wykorzystuje się nowoczesne i  precyzyjne urządzenia renomowanych firm oraz stosuje wysokiej jakości materiały wielu uznanych producentów światowych. Jubileusz jest więc dla firmy momentem, w  którym historia doskonale współgra z  nowoczesnym spojrzeniem w  przyszłość, i  to z  perspektywą ukierunkowaną na nowe cele firmy: podnoszenie jakości w  zakresie produkowanych wyrobów i  świadczonych usług,

Fot. CZAH-POMIAR

CZAH-POMIAR Sp. z o.o. 40-241 Katowice, ul. Porcelanowa 25 tel. 32 607 31 50 - 79 e-mail: czah@czah.pl www.czah.pl www.czujnikitemperatury.com.pl

REKLAMA

CZAH – POMIAR Sp. z o.o. CZAH-POMIAR o.o. 40-241 25 40-241Katowice, Katowice,ul. ul.Porcelanowa Porcelanowa 25 tel.: 70 tel.:32 32 607 607 31 70 www.laboratorium-pomiarowe.pl www.laboratorium-pomiarowe.pl e-mail: e-mail:laboratorium@czah.pl laboratorium@czah.pl

KONKURENCYJNE CENY, KRÓTKIE TERMINY REALIZACJI, WZORCOWANIE NA ŚWIATOWYM POZIOMIE USŁUGI W ZAKRESIE AKREDYTACJI: WZORCOWANIE METODĄ PUNKTÓW STAŁYCH DŁUGICH PLATYNOWYCH CZUJNIKÓW TERMOMETRÓW REZYSTANCYJNYCH 25 Ω (SPRT), W KOMÓRKACH PUNKTÓW STAŁYCH

•punktu potrójnego rtęci, Hg (-38,8344 °C), •punktu potrójnego wody, H2O (0,01 °C), •topnienia galu, Ga (29,7646 °C),

CZUJNIKÓW TERMOELEKTRYCZNYCH TYPU S (PTRH10-PT) ORAZ R (PTRH13-PT) W KOMÓRKACH PUNKTÓW STAŁYCH:

•krzepnięcia cynku, Zn (419,527 °C), •krzepnięcia aluminium, Al (660,323 °C), •krzepnięcia miedzi, Cu (1084,62 °C)

CZUJNIKÓW TERMOELEKTRYCZNYCH TYPU B (PTRH30-PTRH6), W KOMÓRKACH PUNKTÓW STAŁYCH

•krzepnięcia aluminium, Al (660,323 °C), •krzepnięcia miedzi, Cu (1084,62 °C) oraz topnienia palladu, Pd (1553,5 °C) metodą drutową

Oferta produktowa CZAH-POMIAR nieustannie poszerza swoją ofertę produktową, czego dowodem są wprowadzone już w  2013 r. kontrolne czujniki termoelektryczne (z metali szlachetnych typu S i R) i kontrolne czujniki rezystancyjne (SSPRT). Produkty CZAH-POMIAR to przede wszystkim czujniki do pomiaru temperatury, charakteryzujące się różną konstrukcją (rezystancyjne, termoelektryczne) i różnym przeznaczeniem (pomiarowe, regulacyjne i  zabezpieczające). Firma wykonuje czujniki w  wersji standardowej oraz czujniki na specjalne zamówienie klienta. W  technologii

rozwój eksportu, pozyskiwanie nowych rynków zbytu oraz zwiększenie konkurencyjności, poprzez wdrażanie nowych technologii i rozwiązań technicznych.

WZORCOWANIE METODĄ PORÓWNAWCZĄ

termometrów elektrycznych i elektronicznych (także w siedzibie klienta)

pirometrów, kamer termowizyjnych, skanerów liniowych

platynowych czujników termometrów rezystancyjnych

czujników termoelektrycznych (termoelementów; termopar) z metali szlachetnych,

wskaźników temperatury (także w siedzibie klienta),

czujników termoelektrycznych (termoelementów; termopar) z metali nieszlachetnych,

symulatorów (kalibratorów) temperatury.

"Opracowanie i wdrożenie wspomaganego komputerowo innowacyjnego systemu do wzorcowania czujników temperatury „Opracowanie i wdrożenie wspomaganego komputerowo innowacyjnego systemu do wzorcowania czujników temperatury metodą punktów stałych metodą punktówwstałych w firmie CZAH z o.o." nr UDA-RPSL-01.02.03-00-015/10-02 firmie CZAH-POMIAR Sp.- zPomiar o.o.” nr Sp. UDA-RPSL-01.02.03-00-015/10-02 Projekt przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego „Wdrożenie w spółcewspółfinansowany CZAH-POMIAR półautomatycznej linii technologicznej do produkcji czujników płaszczowych oraz stanowiska do wzorcowania pirometrów” nr UDA-RPSL-01.02.04-00-D88/11-00 w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Śląskiego na lata 2007 - 2013 Projekty współfinansowane przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Śląskiego na lata 2007–2013

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

17


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Ciśnienie jest jedną z najważniejszych wielkości fizycznych, bez udziału której wiele procesów, czy to głównych, czy też pomocniczych z punktu widzenia danej aplikacji, nie mogłoby zostać zrealizowanych. Aby móc je wykorzystywać w jak najlepszy sposób, powinno się monitorować jego wartość. W tym celu stosuje się m.in. elektroniczne przetworniki ciśnienia.

Fot. 1. Przykład typowych przemysłowych przetworników ciśnienia (Baumer, seria PB)

Przemysłowe przetworniki ciśnienia Omawianie elektronicznych przetworników ciśnienia rozpoczniemy od podstaw, zatem napiszemy kilka słów o mierzonej przez nie wielkości i spróbujemy pokazać, czemu jest ona tak istotna z technicznego punktu widzenia, a następnie przedstawimy zasadę działania i cechy najczęściej stosowanych przetworników ciśnienia. Nie zabraknie również wskazówek dotyczących ich doboru oraz przykładów produktów dostępnych obecnie na rynku.

Ciśnienie i jego przemysłowe zastosowanie

Zasadniczy podział ciśnienia uwarunkowany jest układem odniesienia, względem którego jest ono mierzone. Jeśli referencję stanowi próżnia, to przyjmuje ono nazwę ciśnienia absolutnego pa (bezwzględnego), a jeśli ciśnienie otoczenia (czyli ciśnienie atmosferyczne pat), to, w zależności od tego, czy mierzone ciśnienie jest od niego wyższe, czy niższe, nazywamy je odpowiednio

ciśnieniem manometrycznym pm (nadciśnieniem) lub ciśnieniem wakuometrycznym pw (podciśnieniem). Obydwa te ciśnienia można też nazwać bardziej ogólnie ciśnieniami względnymi. Z kolei ciśnienie zmierzone względem innego ciśnienia (niebędącego ciśnieniem atmosferycznym ani próżnią) nosi nazwę ciśnienia różnicowego Dp. Podział ten został zilustrowany na rys. 1.

Rys. 1. Rodzaje ciśnień w zależności od układu odniesienia

Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal [Pa], choć w zastosowaniach technicznych często spotyka się jednostkę bar, pochodzącą z układu CGS (1 bar = 105 Pa).

18

Fot. Baumer

Ciśnieniem nazywamy wielkość skalarną, która charakteryzuje stan naprężenia w danym punkcie ośrodka. Wyraża się je jako stosunek siły DF działającej prostopadle na element powierzchni DS do wielkości tej powierzchni, co przedstawia poniższy wzór:


Wymienione wyżej rodzaje ciśnienia stanowią jedno z kryteriów podziału przyrządów służących do ich pomiaru. W ten sposób wyróżnić możemy manometry (do pomiaru nadciśnienia oraz ciśnienia absolutnego), wakuometry (mierzące podciśnienie), ich połączenie, czyli manowakuometry, barometry (do mierzenia ciśnienia atmosferycznego) oraz ciśnieniomierze różnicowe. Według tego klucza można nadawać nazwy niemal każdemu urządzeniu mierzącemu ciśnienie, niezależnie od tego, w jaki sposób przekształca ono mierzoną wartość na wynik. W ogólnym rozumieniu podane nazwy odnoszą się jednak raczej do prostych przyrządów działających w oparciu o mechaniczną zamianę przemieszczenia elementu podatnego (np. rurki Bourdona, mieszka sprężystego), wywołanego przyłożonym do niego ciśnieniem na ruch wskazówki współpracującej z odpowiednio wyskalowaną tarczą. Ciśnienie w procesach przemysłowych wykorzystuje się powszechnie. Pierwsze, co przychodzi na myśl, to jego zastosowanie jako źródła energii. Instalacje sprężonego powietrza stanowią stały obraz w fabrykach, gdzie zasilają różnego rodzaju napędy (w tym siłowniki), chwytaki, czy też wkrętaki pneumatyczne. Podobnie jest z hydrauliką siłową, która w ogólnym ujęciu służy do realizacji zbliżonych celów, ale w sytuacji, gdy potrzebne są większe siły. Odpowiednie ciśnienie w tych przypadkach warunkuje poprawność działania osprzętu, służącego do realizacji czynności pomocniczych z punktu widzenia danego procesu i pewnie, gdyby nie liczne zalety płynące z wykorzystania tak zasilanych przyrządów, z powodzeniem można byłoby je zastąpić innymi. Istnieje jednak wiele procesów, w których ciśnienie jest najważniejszym lub jednym z ważniejszych czynników i od którego zależy powodzenie całej operacji. Przykładem mogą być działania wytwórcze, w których niezbędne reakcje chemiczne zachodzą w określonych warunkach, w tym przy odpowiednim ciśnieniu. Kolejna sprawa, to badania wyrobów, które w przyszłości będą pracować pod ciśnieniem (np. armatury wysokociśnieniowej). Jeśli dodamy do tego fakt, że istnieje szereg wielkości, które można z ciśnieniem powiązać funkcyjnie (np. parametry przepływu medium, poziom płynu w zbiorniku wynikający z ciśnienia hydrostatycznego na jego dnie), to okaże się, że ciśnienie jest jednym z najczęściej monitorowanych parametrów. Wszystkie podane tu przykłady stanowią instalacje zamknięte. Obecność ciśnienia wewnątrz takich instalacji może w pewnych sytuacjach stwarzać zagrożenia, ponieważ wraz z jego wzrostem wzrastają w nich naprężenia, a dodatkowo akumuluje się coraz więcej energii, co może doprowadzić do eksplozji. Oznacza to, że czasem, ze względów bezpieczeństwa, ciśnienie powinno się kontrolować również tam, gdzie stanowi ono jedynie nieistotny dla przebiegu procesu „efekt uboczny”.

Czujniki do siłowników pneumatycznych odporne na zakłócenia elektromagnetyczne

 Montaż zabudowany w rowku typu T  Konektory M12 pokryte warstwą przeciwadhezyjną  Osłona przewodu wykonana z PTFE

W nowoczesnych aplikacjach sam pomiar i wizualizacja określonej wartości przy użyciu najprostszych urządzeń wskazówkowych nie wystarczy do realizacji złożonych algorytmów. Aby móc w pełni korzystać z możliwości, które dają obecnie stosowane w automatyce sterowniki, należy im dostarczyć sygnały wejściowe informujące o tym, co się dzieje w kontrolowanym przez nie procesie. Wykorzystuje się do tego celu m.in. przetworniki pomiarowe, które zamieniają daną wielkość fizyczną na zrozumiały dla sterownika sygnał w jednym z ogólnie przyjętych standardów. Przemysłowe „wcielenia” takich przetworników stanowią zazwyczaj kompaktowe rozwiązania.

 Łatwy montaż z góry na wcisk  Krótka obudowa (25 mm) dla różnych typów siłowników

REKLAMA

Fot. Baumer

Przetworniki ciśnienia i ich podział

ifm electronic sp. z o.o. ul. Kościuszki 175, 40-524 Katowice tel.: +48 32 608 74 54 faks: +48 32 608 74 55 e-mail: info.pl@ifm.com Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014 19 www: www.ifm.com/pl


Fot. 2. Przetwornik ciśnienia ze zintegrowanym wskaźnikiem cyfrowym i przyciskami (Turck PS500)

W jednej niewielkiej obudowie, zwykle o kształcie cylindrycznym (patrz fot. 1), znajduje się wszystko, co jest potrzebne, aby sterownik otrzymał gotowy sygnał pomiarowy. Wszystkie działania, które zachodzą w niej „po drodze”, można podzielić na dwa etapy. Pierwszy z nich odbywa się w tzw. bloku czujnika, gdzie następuje zamiana mierzonej wielkości na wielkość łatwą do obróbki, zazwyczaj elektryczną (w przypadku przetworników ciśnienia podstawą do tej zamiany jest przeważnie odkształcenie elementu sprężystego w postaci membrany czy mieszka, spowodowane przyłożeniem do niego mierzonego ciśnienia). Sposób dalszej przemiany tego odkształcenia stanowi jedno z kryteriów podziału omawianych czujników, który zostanie przedstawiony w dalszej części artykułu. Otrzymany na ich wyjściu sygnał elektryczny jest zazwyczaj słaby i trafia do bloku normalizacji, gdzie realizowane są przekształcenia mające na celu dostosowanie go do jednego lub większej liczby standardów interfejsów komunikacyjnych stosowanych w automatyce przemysłowej. Jest on tam wzmacniany, filtrowany i linearyzowany. Często również kompensowane są w nim wpływy

20

parametrów środowiskowych (głównie temperatury) i innych zakłóceń oraz przekształcany jest on na postać cyfrową. Dzięki zastosowaniu układów mikroprocesorowych niektóre przetworniki realizują dodatkowe funkcje, jak np. autokalibrację, przechowywanie informacji o największej/najmniejszej wartości ciśnienia otrzymanej w procesie, możliwość ustawiania trybu pracy dwustanowej i poziomu ciśnienia, przy którym następuje przełączenie, możliwość wyboru zakresu pomiarowego, standardu sygnału wyjściowego itp. Czasem na zewnątrz obudowy znajdują się przyciski ułatwiające programowanie czujnika. Spotyka się na niej także wyświetlacz informujący o stanie urządzenia i mierzonej wartości ciśnienia (fot. 2). Może on stanowić jej integralną część, ale może też być dodatkowym akcesorium. Pojawiają się również takie rozwiązania, które na pierwszy rzut oka wyglądają, jak tradycyjny manometr, jednak za tarczą ze wskazówką kryją układ elektronicznego przetwarzania z wyjściem sygnałowym. W przypadku tak popularnej wielkości, jaką jest ciśnienie, dość naturalne wydaje się oczekiwanie dużej liczby rozwiązań jej zamiany na łatwą do

obróbki wielkość elektryczną. I tak jest w istocie. Ze względu na sposób przetwarzania można wyróżnić w pierwszej kolejności przetworniki piezorezystancyjne i pojemnościowe, choć zdarzają się też czujniki piezoelektryczne, magnetyczne, potencjometryczne, tensometryczne, optyczne i inne. Wspólną cechą tych przetworników jest to, że podstawą ich działania jest wspomniane już wcześniej odkształcenie membrany, spowodowane przyłożonym ciśnieniem. Należy jednak wspomnieć, że spotykane są również przetworniki mierzące inne skutki występowania ciśnienia, np. zmiany określonej właściwości medium pod jego wpływem. Zaliczają się do nich m.in. czujniki rezonansowe, termiczne i jonizujące. Przedstawiony w tym miejscu podział zamieszczono na rys. 2, natomiast dokładniejszy opis wymienionych tam przetworników znajduje się poniżej. Przetworniki piezorezystancyjne są obecnie najczęściej spotykanymi przetwornikami ciśnienia. O ich popularności decyduje wysoka trwałość, małe wymiary, szeroki zakres ciśnień możliwych do zmierzenia, a dodatkowo ich wytworzenie jest tańsze niż wyprodukowanie np. również dość rozpowszechnionych przetworników pojemnościowych. W krzemowej membranie omawianych przetworników znajdują się piezorezystory, które po przyłożeniu ciśnienia odkształcają się wraz z nią, w wyniku czego zmienia się ich rezystancja. Zmiany te są proporcjonalne do zmian ciśnienia i są tym większe, im rezystory znajdują się dalej od środka membrany. Dlatego, aby uzyskać jak najwyższą czułość, umieszcza się je przeważnie blisko krawędzi. Z kolei w celu otrzymania większego zakresu pomiarowego zwiększa się grubość membrany. Piezorezystory wykonywane są z krzemu domieszkowanego lub polikrystalicznego, przy czym drugi z wymienionych ma lepszą stabilność czasową i temperaturową. W najprostszym przypadku cztery takie elementy łączy się w mostek Wheatstone’a. Dwa z nich umieszcza się równolegle do kierunku naprężenia, dwa prostopadle. Dzięki temu, po podaniu ciśnienia, jedne piezorezystory są rozciągane i następuje w nich wzrost rezystancji, a w pozostałych, w wyniku ściskania, jej spadek. ma to na celu zminimalizowanie wpływu błędów przy jednoczesnym otrzymaniu jak najwyższej wartości sygnału wyjściowego. Sygnał ten osiąga zwykle wartości rzędu kilkudziesięciu

Fot. Turck

Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE


miliwoltów, zatem dodatkowo należy go wzmocnić i dopasować zakres jego zmian do odpowiedniego standardu. Ponieważ piezorezystory stanowią integralną część membrany i mają taki sam współczynnik rozszerzalności cieplnej, jak ona, nie powstają w nich dodatkowe naprężenia w wyniku zmiany temperatury, które mogłyby fałszować wynik pomiaru. Tak czy inaczej, parametry wyjściowe elementu odkształcanego zależą od temperatury, dlatego stosuje się kompensację jej wpływu. W standardowym przypadku wystarczy do tego wykorzystać prostą drabinkę rezystorową, przy szerszym zakresie temperatury potrzebne są bardziej złożone układy. Oprócz rozwiązań z czterema piezorezystorami spotyka się też takie, w których jest tylko jeden. Konstrukcja z pojedynczym piezorezystorem pozwala uniknąć kłopotów związanych z koniecznością ścisłego dopasowania parametrów rezystorów wchodzących w skład mostka Wheatstone’a, a dodatkowo upraszcza sposób kalibracji i kompensacji wpływu temperatury. Przetworniki pojemnościowe stanowią kolejną cieszącą się uznaniem grupę przyrządów do pomiaru ciśnienia. Główną ich część tworzy specjalny kondensator, w którym jedną z okładek jest metalowa (lub kwarcowa metalizowana) membrana, a drugą sztywna płytka krzemowa, otrzymywana w wyniku mokrego trawienia. Mierzone ciśnienie oddziałuje bezpośrednio na membranę, powodując – podobnie,

jak w poprzednim przypadku – jej uginanie się. W efekcie następuje zmiana odległości między okładkami, a zatem i zmiana pojemności utworzonego z nich kondensatora, która jest wykrywana za pomocą zrównoważonego lub niezrównoważonego układu mostkowego. Zaletą tych przetworników, w odniesieniu do piezorezystancyjnych, jest mniejsza wrażliwość na zmiany temperatury oraz większa stabilność w czasie. Nadają się one zarówno do pomiaru wysokiej próżni, jak i ciśnień rzędu 100 MPa. Charakteryzują się dokładnościami rzędu 0,1 proc. wskazania. Jako ciekawostkę warto dodać, że pierwotnie przetworniki pojemnościowe wykorzystywane były w pracach badawczych do pomiaru niskiej próżni. W przetwornikach piezoelektrycznych wykorzystuje się zjawisko pojawiania się ładunku elektrycznego na krysztale amorficznym (np. kwarcu) w wyniku wystąpienia w nim naprężeń. Ładunek ten, w przeciwieństwie do rezystancji czy pojemności w wymienionych wcześniej czujnikach, nie utrzymuje się przez cały czas trwania odkształceń. Pojawia się tylko przy zmianie ich stanu i szybko przepływa do układu przetwarzania sygnału. Oznacza to, że pomiar ciśnienia statycznego tego typu czujnikami nie jest możliwy. Nadają się one za to bardzo dobrze do

PRZETWORNIKI CIŚNIENIA

mierzące odkształcenie

mierzące inne skutki występowania ciśnienia

piezorezystancyjne rezonansowe pojemnościowe termiczne piezoelektryczne jonizujące magnetyczne

Fot. Turck

tensometryczne optyczne

Rys. 2. Klasyfikacja przetworników ciśnienia ze względu na sposób działania

REKLAMA

potencjometryczne

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

21


pomiarów ciśnienia o odpowiednio wysokiej dynamice. Są to właściwie najszybsze przetworniki ciśnienia spośród dostępnych na rynku (osiągają częstotliwości powyżej 100 kHz, podczas gdy inne właściwie nie przekraczają 1 kHz). Na ich korzyść przemawia też brak ruchomych elementów, niewielkie wymiary, mała histereza, a łatwość przetworzenia ciśnienia na napięcie elektryczne w ich przypadku pozwala na osiągnięcie wysokiej precyzji pomiaru. Przetworniki magnetyczne to bardziej ogólna nazwa dla grupy przyrządów opierających się w swoim działaniu na zjawiskach magnetycznych. Zaliczyć do nich można m.in. przetworniki indukcyjne i reluktancyjne. Zmiany w mierzonym ciśnieniu powodują

w ich układach elektrycznych zmiany odpowiednio induktancji lub reluktancji. W pierwszym przypadku realizowane jest to przy użyciu transformatorowego czujnika przemieszczeń liniowych LVDT, zatem poprzez trzy cewki nawinięte na izolowany cylinder i znajdujący się wewnątrz rdzeń, który w tym rozwiązaniu jest połączony z membraną. Do środkowej cewki podaje się prąd przemienny. Jeśli rdzeń jest usytuowany symetrycznie względem tej cewki, na pozostałych dwóch cewkach indukują się takie same napięcia i napięcie wyjściowe wynosi zero (cewki są połączone szeregowo). Po przyłożeniu ciśnienia rdzeń się przesuwa w kierunku jednej ze skrajnych cewek, powodując wzrost jej napięcia i spadek napięcia w drugiej

Fot. 3. Przetwornik ciśnienia Keller serii PR-41

Tab. 1. Parametry wybranych przetworników do pomiaru ciśnienia względnego

Seria

Zakres pomiarowy (ciśnienie względne)

Dokładność

Sygnały wyjściowe

Stopień ochrony

Inne

Aplisens

PC-28

od –1–0 bar do 0–1000 bar

0,3 %, 0,2 % lub 0,1% (błąd podstawowy)

4–20 mA, 0–10 V, Modbus, HART

IP65, IP66, IP67, IP68

dostępne wykonania zgodne z ATEX, IECEx, PZH, SIL1, DNV oraz wersje do ciśnień absolutnych do 60 bar

Baumer

PBCN

od –1–0 bar do 0–40 bar

0,5 % zakresu

4–20 mA, 0–10 V

IP65, IP67

przetwornik pojemnościowy, do mediów agresywnych, dostępne wersje do ciśnień absolutnych

JUMO

Wtrans p

od –1–0 bar do 0-600 bar

0,5–0,7 % zakresu

0-20 mA, 4–20 mA, 0–10 V, Modbus RS-485

IP66, IP67

transmisja radiowa 868,4 MHz, dostępne wersje do ciśnień absolutnych

Keller

PR-41

od ±30 mbar do ±300 mbar

0,1–0,2 % zakresu,

4–20 mA, 0–10 V, RS-485

IP40, IP67

przetwornik pojemnościowy, rozdzielczość 1 ubar, dostępny z ATEX

Keller

21C

od 0–2 bar do 0-100 bar

1 % zakresu

ratiometryczny 0,5–4,5 V

IP65, IP67

zakres temperatur –40–125°C

PCB Piezotronics

118A02

0–1370 bar

2 % zakresu

brak danych

brak danych

piezoelektryczny, pomiar ciśnień dynamicznych temperatury –240 °C do 204 °C

Turck

PS-500

od –1–0 bar do 0-600 bar

0,5 % zakresu

PNP, NPN, IO-Link

IP67

wyświetlacz, obrotowa obudowa

WIKA

MHC-1

od 0–60 bar do 0-1000 bar

0,5 % lub 1 % zakresu

CANopen, J1939

IP69K

WIKA

PSD-30

od –1–0 bar do 0-600 bar

1 % zakresu

4–20 mA, 0–10 V, PNP, NPN

IP65, IP67

CL1

od 0–10 do 0–500 bar

0,2 lub 0,5 (klasa dokładności)

4–20 mA

IP40 lub IP67

Producent

ZEPWN 1

1

Obejmuje liniowość, histerezę, powtarzalność i błąd zera (chyba że napisano inaczej)

22

wyświetlacz, dostępne wersje mierzące ciśnienie absolutne do 25 bar tensometryczny

Fot. Keller, Jumo

erii

Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE


cewce, więc na ich wspólnym wyjściu pojawia się napięcie różnicowe, które po przekształceniach stanowi sygnał wyjściowy z przetwornika. Przyrządy tego typu są wrażliwe na wibracje, pola magnetyczne, a dodatkowo mają skłonność do zużycia mechanicznego. Charakteryzują się one dokładnością rzędu 0,5 proc. zakresu i mogą mierzyć ciśnienia do kilkudziesięciu megapaskali. Podobnymi właściwościami metrologicznymi można opisać drugie z wyróżnionych czujników magnetycznych, tj. reluktancyjne. Zmiany ciśnienia w tych przetwornikach powodują zmianę szerokości szczeliny w ich magnetowodach, w wyniku czego następuje zmiana wartości strumienia magnetycznego. Osiągają one duże wartości sygnałów wyjściowych, dzięki czemu uzyskują wysoką rozdzielczość. Są niestety wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne i na zmiany temperatury. Przetworniki potencjometryczne są dość specyficznymi przyrządami, ponieważ ich zasada działania łączy w sobie rozwiązanie spotykane w tradycyjnych mechanicznych czujnikach mających wskazówkę z elektronicznym przetwarzaniem sygnału pomiarowego. W tego typu czujnikach ciśnienie podawane jest do rurki Bourdona lub mieszka sprężystego, który pod jego wpływem ulega odkształceniu, wywołując przemieszczenie połączonej z nim dźwigni, która – w odróżnieniu od tradycyjnych przyrządów – nie steruje wskazówką, a potencjometrem, zatem zmiana ciśnienia

powoduje zmianę rezystancji mierzonej za pomocą mostka Wheatstone’a. Zastosowanie tak dużej liczby elementów mechanicznych nie wpływa korzystnie na niezawodność i parametry metrologiczne tych przetworników. Luzy i tarcie w połączeniach części ruchomych wywołują histerezę. Do tego dochodzą błędy temperaturowe spowodowane różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej poszczególnych elementów. Nawet bez uwzględniania tych czynników, dokładność przetworników potencjometrycznych jest niska i waha się w przedziale 0,5–1 proc. pełnego zakresu. Z drugiej strony, jeżeli w określonej aplikacji nie jest wymagana wysoka dokładność, to decydując się na to rozwiązanie, otrzymujemy prosty przyrząd w przystępnej cenie, który może mieć niewielkie wymiary, a dodatkowo zapewnia na tyle mocny sygnał wyjściowy, że nie potrzebuje już wzmocnienia. Obecność mechaniki znanej z klasycznych rozwiązań sprawia, że dość łatwe jest dodanie w tych przetwornikach, oprócz elektrycznego sygnału wyjściowego, tarczy ze wskazówką umożliwiającą dokonanie odczytu takiego, jak ze zwykłego manometru. Zakres pomiarowy najczęściej nie przekracza kilkudziesięciu megapaskali. Tak jak w przetwornikach piezorezystancyjnych, tak i w przetwornikach tensometrycznych mierzy się zmianę rezystancji wywołaną odkształceniem elementów połączonych z membraną, na którą oddziałuje

REKLAMA

Fot. Keller, Jumo

Fot. 4. Przetwornik ciśnienia JUMO Wtrans p z transmisją radiową

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

23


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Tab. 2. Parametry wybranych przetworników do pomiaru ciśnienia różnicowego

Seria

Zakres pomiarowy (ciśnienie różnicowe)

Dokładność

Sygnały wyjściowe

Stopień ochrony

Inne

APR-2000

od 0–70 mbar do 0-70 bar

0,1 % (błąd podstawowy)

4–20 mA, HART

IP65, IP66, IP67

dostępne wykonania zgodne z ATEX, PZH

JUMO

dTRANS p20 DELTA

od –10–10 mbar do –1–100 bar

0,1 % zakresu (w temperaturze 20 °C)

4–20 mA, HART

IP67

wyświetlacz, dostępne wykonania zgodne z ATEX

Keller

PD-39

od 0–3 bar do 0–300 bar

0,05 % zakresu

4–20 mA, 0–10 V, RS-485 (Modbus)

IP65

składa się z dwóch przetworników ciśnienia absolutnego

Labom

CI130

od 0–100 mbar do 0–16 bar

0,20 % zakresu

4–20 mA, HART

IP67

wykonanie zgodne z ATEX, wyświetlacz

WIKA

DPT-10

od 0–10 mbar do 0–40 bar

0,15 % zakresu

4–20 mA, HART, Fieldbus, PROFIBUS

IP66, IP67

wykonanie zgodne z ATEX, wyświetlacz

CL2

od 0–100 bar do 0–640 bar

0,5 lub 1 (klasa dokładności)

0–20 mA, 4–20 mA

IP40 lub IP67

tensometryczny

Producent

Aplisens

ZEPWN

Obejmuje liniowość, histerezę, powtarzalność i błąd zera (chyba, że napisano inaczej)

mierzone ciśnienie. Przetworniki tego typu charakteryzują się bardzo dużą rozpiętością mierzonych ciśnień, przekraczającą 1000 MPa. Ich dokładność jest na poziomie 0,25 proc. W przetwornikach optycznych do membrany dołączana jest przesłona, ograniczająca ilość światła docierającego z jego źródła (diody LED) do fotodetektora. Po przyłożeniu do membrany ciśnienia następuje jej ugięcie i przesunięcie przesłony, zatem zmiana ilości światła rejestrowanego przez fotodetektor. Intensywność światła emitowanego przez diodę LED zmniejsza się z upływem czasu. Aby zapobiec

cowego

Fot. 5. Przetwornik ciśnienia różnicowego Keller serii PD-39

24

dodatkowym błędom pomiaru z tym związanym, w przetwornikach optycznych montuje się fotodiodę odniesienia, mierzącą intensywność fragmentu wiązki, który nigdy nie jest przysłaniany, zatem jest ona w stanie wykryć obniżenie tej intensywności spowodowane starzeniem się źródła światła, czy też jego zabrudzeniem. Przetworniki optyczne są niewrażliwe na zmiany temperatury. Co więcej, ze względu na fakt, że ruch elementu wymagany do zarejestrowania zmiany ciśnienia jest niewielki (poniżej 0,5 mm), czujniki te charakteryzują się bardzo małą histerezą i wysoką powtarzalnością wskazań. Spotyka się rozwiązania o zakresie pomiarowym do kilkuset megapskali i dokładności 0,1 proc. pełnego zakresu. Wśród przetworników mierzących inne skutki występowania ciśnienia niż odkształcenia zwykle spotyka się takie, które są związane ze zmianą gęstości medium pod jego wpływem. W przetwornikach rezonansowych występują elementy, których częstotliwość rezonansowa zależy od tej gęstości. Przetworniki termiczne z kolei mierzą zmianę przewodności cieplnej medium, również wynikającą z jego gęstości. Warto jeszcze wspomnieć o przetwornikach jonizujących, w których dokonywany jest pomiar przepływu naładowanych cząsteczek gazów. Przepływ ten również jest związany z gęstością.

Kryteria doboru przetworników ciśnienia Powszechność stosowania przetworników ciśnienia sprawia, że ich wybór jest bardzo duży i możliwe jest znalezienie odpowiedniego przyrządu do niemal każdej aplikacji. Nie zawsze jednak jest to łatwe, ponieważ przetworniki ciśnienia charakteryzują się sporą liczbą parametrów opisujących ich właściwości i czasami, poza rodzajem mierzonego ciśnienia oraz charakterem jego zmian (tzn. czy ciśnienie jest statyczne, czy dynamiczne), trzeba rozważyć jeszcze wiele innych aspektów związanych z ich pracą. Na pewno należy sobie odpowiedzieć na pytanie dotyczące wartości ciśnień przewidywanych w danej instalacji, dzięki czemu będzie można zawęzić zakres poszukiwań do przetworników o określonym zakresie pomiarowym. W kręgu właściwości metrologicznych istotne również mogą się okazać inne parametry, w tym związane z dokładnością pomiaru (np. liniowość, histereza, powtarzalność). Kolejna sprawa to rodzaj medium występującego w instalacji i jego temperatura. Może się przykładowo okazać, że jest to jakaś agresywna, lepka czy też zanieczyszczona substancja, która spowodowałaby przedwczesne zniszczenie „zwykłego” czujnika. Aby do tego nie dopuścić, należy zainstalować przetwornik, w którym elementy mające kontakt z medium wykonane są

Fot. Keller, WIKA

1

1


Fot. Keller, WIKA

z odpowiednich materiałów (producenci często informują wprost, że dany wyrób przeznaczony jest do pracy z takimi substancjami, a zastosowanie wysokiej jakości stali nierdzewnej jest właściwie standardem w automatyce przemysłowej). Instalacje, w których skład wchodzą omawiane przetworniki, często pracują w ciężkich warunkach (a dodatkowo nierzadko zdarza się, że w planowanych odstępach czasu czujniki są myte pod wysokim ciśnieniem). Dlatego, oprócz parametrów charakteryzujących mierzone medium, powinno się uwzględnić aspekty związane z otoczeniem, w którym będą się znajdować. Zaliczyć można do nich zakres temperatury pracy, stopień ochrony IP czy też materiał obudowy. Nie bez znaczenia są kwestie podłączenia przetwornika, a zatem jego napięcie zasilające (i dopuszczalny zakres jego zmian), dostępne standardy interfejsów komunikacyjnych (od prostych analogowych sygnałów 0-10 V i 4-20 mA, po bardziej zaawansowane, jak PROFIBUS, CANopen) oraz rodzaj przyłącza procesowego (zewnętrzny lub wewnętrzny gwint metryczny bądź calowy, kołnierz, wykonania specjalne, np. TriClamp czy Aseptoflex dla przemysłu spożywczego). Niezależnie od tego, czy dany czujnik jest właściwy z punktu widzenia realizacji procesu, w którym ma brać udział, może on podlegać różnym dodatkowym prawnym czy branżowym obostrzeniom (dotyczy to zwłaszcza sytuacji, w których zastosowany czujnik

miejscu. Jako przykład takiego miejsca podać można strefy zagrożone wybuchem (konieczny certyfikat ATEX gwarantujący iskrobezpieczeństwo) lub branżę spożywczą (np. certyfikat PZH).

Przegląd produktów dostępnych na rynku

Fot. 6. Przetwornik ciśnienia WIKA serii PSA-31 do zastosowań higienicznych

mógłby stwarzać zagrożenie dla zdrowia, życia lub środowiska naturalnego). Spełnienie tych wymagań powinno zostać potwierdzone przez przejście wszystkich przewidzianych do tego celu badań i poświadczone certyfikatami, których posiadanie warunkuje ich dopuszczenie do pracy w określonym

Choć oczywiście zasada działania czujnika determinuje pewne jego cechy, to z praktycznego punktu widzenia jest ona zwykle sprawą drugorzędną (można napisać, że jest to pochodna właściwości, których potrzebujemy i tak naprawdę wiedza na jej temat, jeśli tylko producent dobrze opisał inne interesujące nas cechy wyrobu, w większości przypadków nie jest potrzebna, aby dokonać trafnego wyboru). Dobierając przyrząd pomiarowy w pierwszej kolejności zwracamy uwagę na rodzaj ciśnienia, które można przy jego użyciu zmierzyć, dlatego właśnie na stronach internetowych czy też w kartach katalogowych przetworników często spotykamy się z ich podziałem ze względu na przeznaczenie i taką też klasyfikację zastosujemy, aby przedstawić przegląd produktów obecnie dostępnych na rynku. Zgodnie z tym, zostaną one pogrupowane na przetworniki do pomiaru ciśnienia względnego (nadciśnienia i podciśnienia), przetworniki do pomiaru ciśnienia różnicowego oraz przetworniki do pomiaru ciśnienia absolutnego (nazwy wakuometr, manometr itd. nie są raczej stosowane w odniesieniu do przetworników elektronicznych).

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

25


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Tab. 3. Parametry wybranych przetworników do pomiaru ciśnienia bezwzględnego Typ

Zakres pomiarowy (ciśnienie absolutne)

Dokładność

PC-50

od 0–400 mbar do 0-60 bar

Labom

seria CI4

Turck

Producent

Aplisens

WIKA

ZEPWN 1

Sygnały wyjściowe

Stopień ochrony

Inne

0,16 % (błąd podstawowy)

4–20 mA, 0–20 mA, 0–10 V, HART

IP54

dostępne wersje do ciśnień względnych do 1000 bar

od 0–1 bar do 0–16 bar

0,1 % zakresu

4–20 mA, HART

IP65, IP67, IP69K

wyświetlacz, dostępne wersje do pomiaru ciśnienia względnego do 400 bar

PT-1

od 0–1 bar do 0–25 bar

0,6 % zakresu

4–20 mA, 0–10 V

IP67

zakres temperatury pracy: –40–125 °C, dostępne wersje do pomiaru ciśnień względnych do 600 bar

PSA-31

od 0–1 bar do 0–25 bar

1 % zakresu

4–20 mA, 0–10 V, PNP, NPN, IO-Link

IP65, IP67

do zastosowań „higienicznych”, wyświetlacz, dostępne wersje do pomiaru ciśnień względnych w zakresie do 25 bar

CL1A

do 100 MPa

0,2 lub 0,5 (klasa dokładności)

4–20 mA

IP40 lub IP67

tensometryczny

1

Obejmuje liniowość, histerezę, powtarzalność i błąd zera (chyba że napisano inaczej)

Najczęściej zachodzi potrzeba pomiaru ciśnienia względnego (zwłaszcza nadciśnienia), stąd też służące do tego przetworniki stanowią najliczniejszą grupę. Celki pomiarowe tego typu przetworników są tak konstruowane, aby z jednej strony elementu sprężystego można było doprowadzić ciśnienie atmosferyczne, z drugiej natomiast ciśnienie mierzone. W tab. 1 podano parametry wybranych czujników, służących do pomiaru ciśnienia manometrycznego i wakuometrycznego. Skupiono się w niej przede wszystkim na właściwościach metrologicznych tych przyrządów oraz na standardach ich sygnałów wyjściowych. Jeśli posiadają one jakieś „dodatkowe” cechy (np. praca w szerszym zakresie temperatury itd.), podano je w kolumnie „Inne”. Jeśli zastosowany w danym przetworniku czujnik nie jest piezorezystancyjny, w kolumnie tej podano również jego rodzaj. Należy zwrócić uwagę na to, że wymienione przyrządy w ramach danej serii są zwykle dostępne w wielu wersjach. Różnice nie dotyczą tylko wymienionych w tab. 1 zakresów pomiarowych czy stopnia ochrony i sygnałów wyjściowych, ale również fizycznych cech zewnętrznych, pozwalających na pracę w określonych warunkach (wykonania przeciwwybuchowe, wykonania „higieniczne”, wykonania do pracy z mediami agresywnymi). Ponadto w granicach jednej serii przyrządów mogą pojawiać się też warianty umożliwiające pomiar

26

ciśnienia absolutnego (bardzo dobrym przykładem takiej różnorodności jest seria przetworników Aplisens PC-28). Na fot. 3 i 4 zamieszczono fotografie przedstawiające przetworniki wybrane spośród wymienionych w tab. 1. Pewnego uzupełnienia opisu zamieszczonego w tab. 1 wymaga przetwornik JUMO Wtrans p. Jest to przyrząd podzielony na dwa moduły – nadajnik i odbiornik. W nadajniku umieszczony jest czujnik ciśnienia oraz układy umożliwiające wysłanie z niego drogą radiową sygnału pomiarowego do odległego maksymalnie o 300 m (w terenie otwartym) odbiornika. W odbiorniku następuje przetworzenie otrzymanego sygnału na sygnał w wybranym standardzie wykorzystywanym w automatyce. Może on współpracować z 16 nadajnikami. Komora pomiarowa przetworników do pomiaru ciśnienia różnicowego charakteryzuje się podobną budową, jak celki do pomiaru ciśnienia względnego, jednak – ze względu na konieczność doprowadzenia do niej ciśnień pochodzących z dwóch miejsc – przetworniki te mają obudowy z dwoma przyłączami procesowymi. Można również spotkać rozwiązanie alternatywne, w którym ciśnienie różnicowe wyznaczane jest na podstawie wyników z dwóch czujników ciśnienia absolutnego (np. Keller PD 39 – fot. 5). Tab. 2 opisuje właściwości przykładowych przetworników ciśnienia różnicowego.

W ostatnich z prezentowanych tutaj rodzaju przetworników, przetwornikach ciśnienia absolutnego, celka pomiarowa jest zamknięta i wytworzona jest wewnątrz niej próżnia, stanowiąca układ odniesienia dla mierzonego ciśnienia. Parametry przykładowych przetworników przedstawia tab. 3.

Podsumowanie Oferta obecnie dostępnych elektronicznych przetworników ciśnienia jest na tyle różnorodna, że możliwe jest dobranie gotowego przyrządu, pozwalającego na zautomatyzowanie pomiarów tej wielkości w praktycznie każdym procesie przemysłowym, a przedstawiony w ramach artykułu przegląd powinno się traktować jedynie jako „próbkę” tego, co można znaleźć na rynku. Nie wyczerpuje on kwestii związanych z rozpiętością cech tych zaawansowanych technologicznie i coraz optymalniej działających przyrządów, niemniej jednak wskazuje pewne panujące tendencje. Pomimo iż przetworniki stają się coraz lepsze, należy pamiętać, że w ich stosowaniu istnieją i zawsze będą istniały pewne ograniczenia.

Marcin Kamiński Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Firma Turck wprowadziła pierwszy na świecie bezkontaktowy enkoder indukcyjny o najwyższej rozdzielczości pomiarowej. Dzięki bardzo dużej trwałości i szczelności stanowi on korzystne rozwiązanie dla wielu trudnych aplikacji.

Enkoder 2.0

Eksploatacja mechaniczna konwencjonalnych enkoderów Wszystkie wcześniej wymienione zalety nie kompensują podstawowej wady tych urządzeń. Są one bezpośrednio łączone z wałem maszyny, w efekcie czego zużywają się mechanicznie. Przyśpieszonej eksploatacji ulegają sprężyste części urządzenia, uszczelnienia oraz sam enkoder. Ten sam problem dotyczy rozwiązań potencjometrycznych. Sami producenci tych urządzeń nie ukrywają, że potencjometr ulega

28

Promocja

zużyciu mechanicznemu. Ponadto uzyskanie w tym typie enkodera wysokiej rozdzielczości można osiągnąć jedynie kosztem wytrzymałości obudowy. Bardzo częstym problemem enkoderów jest odpowiednie uszczelnienie ich obudowy. Po pewnym okresie pracy stają się kruche, podatne na pęknięcia i przecieki. Ciągłe obciążenie ze strony wału obrotowego powoduje w końcu pękanie. Dostanie się do środka obudowy wody i zanieczyszczeń uszkadza wrażliwe obwody czujnika, co powoduje błędne wyniki pomiarów. Z systemami magnetycznymi wiążą się problemy całkowicie odmiennej natury. Wcześniej opisywane wady nie występują, a obciążalność mechaniczna urządzeń jest wyjątkowo duża. Zasada działania enkoderów tego typu opiera się na magnesie obrotowym, który generuje pole magnetyczne. W ten sposób tworzona jest krzywa cos/sin, odwzorowująca wartości obrotów. Enkodery magnetyczne są bezstykowymi urządzeniami pomiarowymi. Ich podstawowymi wadami są: wrażliwość na zakłócenia elektryczne i magnetyczne oraz brak tolerancji przesunięcia elementu pozycjonującego, co wymaga precyzyjnego montażu samego enkodera. Natomiast jego rozdzielczość zależy od maksymalnej prędkości wałka.

Enkodery z indukcyjnym obwodem rezonansowym Dla użytkowników, którzy nie mogą zaakceptować wad rozwiązań optycznych, potencjometrycznych czy magnetycznych w swoich aplikacjach, firma Turck oferuje enkodery zupełnie nowej kategorii, działające w oparciu o metodę indukcyjnego obwodu rezonansowego. Już od około dwóch lat podobna technologia jest z powodzeniem stosowana w czujnikach pomiaru przemieszczenia liniowego i kątowego. Enkoder indukcyjny serii RI360 łączy w sobie zalety wszystkich wyżej wymienionych urządzeń, eliminując równocześnie wszystkie ich wady. Nie podlega on zużyciu mechanicznemu, a jednocześnie gwarantuje wysoką rozdzielczość. Ponadto może pracować przy dużych prędkościach i jest niewrażliwy na wibracje oraz pola magnetyczne, a jego obudowa jest wykonana w stopniu ochrony IP69K.

Pełne uszczelnienie elektroniki Dzięki opartej na obwodzie rezonansowym metodzie pomiaru i zastosowaniu osobnego elementu pozycyjnego, niezwiązanego mechanicznie z główną obudową czujnika, stało się możliwe zastosowanie całkowicie uszczelnionej, niedużej obudowy, bez dodatkowych uszczelek. Eliminuje to możliwość dostania się do elektroniki wody i pyłu.

Fot. Turck

Światowy rynek enkoderów jest podzielony między zwolenników wykonań optycznych i potencjometrycznych oraz entuzjastów wykonań magnetycznych. Enkodery optyczne występują w wersjach absolutnych i inkrementalnych. Mierzą one kąt i obrót dzięki przeniesieniu ruchu obrotowego wału na koło pomiarowe, które wykonane jest zazwyczaj ze szkła lub tworzywa sztucznego. Wewnątrz czujnika jest ono skanowane przez układ optyczny. Zaletami enkoderów optycznych są wysoka rozdzielczość pomiarowa, możliwość pomiaru przy dużych prędkościach oraz odporność na oddziaływanie pól magnetycznych. Z drugiej strony uzyskanie dużej rozdzielczości wymaga koła pomiarowego znacznych rozmiarów, co skutkuje dużymi gabarytami obudowy urządzenia.


Całkowite uszczelnienie: czujnik (po lewej) i element pozycjonujący (po prawej) są całkowicie uszczelnione i zabezpieczone przed oddziaływaniem wody

Bezkontaktowa zasada pomiaru pozwala również na kompensację wibracji i przesunięć, aż do 4 mm. Ponadto pola magnetyczne nie mają żadnego wpływu na proces pomiaru, bo element pozycjonujący opiera się na systemie cewek indukcyjnych, a nie na magnesie.

Fot. Turck

Przykładowe wdrożenie Jeden z pierwszych klientów korzystających z enkoderów indukcyjnych, elektrownia słoneczna w Hiszpanii, wykorzystywał tradycyjne enkodery do kontroli ustawienia luster w odpowiedniej pozycji względem centralnej wieży. Osiągnięto jednak granice możliwości konwencjonalnych rozwiązań. W odległości 1 km od wieży centralnej wymagana rozdzielczość, umożliwiająca poprawne ustawienie luster i odbicie światła we właściwym kierunku, wynosiła 1 miliradian, czyli około 0,06°. Okazało się, że enkodery magnetyczne nie oferują takiej dokładności, a rozwiązania optyczne nie są w stanie sprostać wymagającemu klimatowi pustynnemu, którego gorące dni i zimne noce sprzyjają kondensacji wody, destrukcyjnie wpływającej na niedostatecznie uszczelnione urządzenia. Woda, oddziałując na obwody elektroniczne i elementy optyczne, powodowała notoryczne awarie enkoderów optycznych.

Niewymagający obsługi enkoder serii RI zapewnił w tej aplikacji duże oszczędności. Na terenie elektrowni słonecznej pracuje około 20 tys. enkoderów. Wcześniej, w każdym roku, ze względu na awarie lub zużycie, wymieniano około jedną trzecią tych urządzeń. Przy cenie 100 EUR za nowy enkoder wartość samego sprzętu wynosiła prawie 700 tys. EUR. Doliczając do tego koszty

obsługi serwisowej oraz straty energii, całkowity koszt, jaki ponoszono przy stosowaniu konwencjonalnych enkoderów, daje ponad 1 mln  EUR.

Wszechstronna ochrona: aluminiowy pierścień otacza element pozycjonujący, umieszczony między ścianką skrzyni biegów a czujnikiem zamontowanym na wale

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

29


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Uniwersalna koncepcja montażu i bezkontaktowy pomiar zapewniają różne możliwości instalacji, z których można wybrać optymalną i najbezpieczniejszą

Uniwersalny enkoder – 100 urządzeń w jednym Stosując nowy enkoder firmy Turck użytkownik już nigdy nie będzie musiał wybierać między rozdzielczością a wytrzymałością. Wszystkie używane dotychczas i zwiększające awaryjność rozwiązania, w postaci podwójnych łożysk czy układów sprężynowych, stały się zbędne. Oprócz odporności na zużycie mechaniczne oraz zakłócenia, użytkownik zyskuje urządzenie, którego parametryzacji można dokonać na tak wiele sposobów, że może zastąpić praktycznie każdy inny enkoder. Również sposób montażu odpowiada koncepcji uniwersalności. Pierścienie adaptera umożliwiają instalację elementu pozycyjnego na różnych rozmiarach wałka. W rezultacie użytkownik może pozwolić sobie na posiadanie w magazynie tylko jednego typu enkodera, który można zastosować w różnych aplikacjach na wałkach o średnicy do 20 mm. W ofercie jest także wersja z IO-Link. Dzięki temu użytkownik ma możliwość ustawienia charakterystyki enkodera oraz jego parametrów za pomocą tego interfejsu. W ten sposób można zdalnie parametryzować zarówno enkodery inkrementalne, jak i absolutne jedno- czy wieloobrotowe. Dla trybu

30

jednoobrotowego rozdzielczość można ustawić do maks. 18 bitów i to nawet przy najwyższej prędkości obrotowej. Użytkownik może również skonfigurować sygnał wyjściowy zgodnie z indywidualnymi wymaganiami, np. SSI, kod Grey’a, sygnał binarny o długości 24, 25 lub 26 bitów itp. W przygotowaniu są również wersje z Modbus RTU oraz zgodne ze specyfikacją e1, dotyczącą urządzeń przeznaczonych do stosowania w pojazdach i charakteryzujących się wyjściem napięciowym od 0,5 V do 4,5 V. Sposób montażu odpowiada uniwersalnością parametryzacji. Adaptery umożliwiają zastosowanie urządzenia na wałkach i w otworach o średnicy do 20 mm. Czujnik ma okrągłą obudowę z otworem w środku, dzięki czemu może być instalowany w osi, tuż za otworem centralnym, z elementem montażowym montowanym zaraz za lub przed nim – zależnie od warunków aplikacji. Jednakże dopiero wymagania stawiane przez klientów rynku sektora budowy maszyn pokazują, jak wszechstronnym i niepowtarzalnym produktem jest enkoder firmy Turck. Wymagania są tutaj całkowicie różne niż w przypadku elektrowni, gdzie pomiary wykonywane

były wolno i wykorzystywano jedynie urządzenia jednoobrotowe o wysokiej rozdzielczości. Maszyny CNC wymagają enkoderów wieloobrotowych o zakresie pomiarowym do 25 000 rpm. Taka prędkość nie stanowi żadnego problemu dla enkodera RI360P-QR24. W odróżnieniu od innych rozwiązań dostępnych na rynku enkodery indukcyjne nie mają ograniczenia maksymalnej prędkości pracy.

Nieograniczony potencjał Możliwości nowego enkodera indukcyjnego firmy Turck są tak duże, jak możliwości jego konfiguracji. Jest on szczególnie warty uwagi w przypadku aplikacji na urządzeniach mobilnych, w sektorze przemysłowym energii odnawialnych, w maszynach pakujących, obrabiarkach, systemach logistycznych czy zakładach przemysłowych. Nowy enkoder indukcyjny jest na tyle uniwersalny, że stanowi doskonałe rozwiązanie dla praktycznie każdego rynku oraz każdej aplikacji i to z wymiernym zyskiem dla użytkownika. TURCK Sp. z o.o. tel. 77 443 48 00 e-mail: poland@turck.com www.turck.pl


SMARTSENS – analityczne czujniki z zabudowanym przetwornikiem

KROHNE wprowadza na rynek linię cyfrowych urządzeń do analizy fizykochemicznej cieczy, wykorzystujących technologię integracji czujnika pomiarowego z przetwornikiem.

W  przypadku analitycznych pomiarów procesowych klasyczna konfiguracja punktu pomiarowego obejmuje trzy oddzielne elementy, które tworzą zasadniczy tor pomiarowy: sondę pomiarową, odpowiedni przetwornik oraz łączący je kabel.

Fot. Turck, Krohne

Problem sygnału analogowego Potencjalne problemy, wynikające z wyżej opisanej konfiguracji, dobrze ilustruje przykład pomiaru wartości pH, podczas którego analogowy sygnał pomiarowy sondy – tworzony w  obwodach o  wysokiej impedancji i  charakteryzujący się bardzo dużą wrażliwością na zakłócenia – jest przesyłany podwójnie ekranowanym kablem do przetwornika, gdzie poddawany jest konwersji na postać cyfrową i  dalszej obróbce. Trudności związane z niezakłóconą transmisją sygnału analogowego z sondy do przetwornika próbowano rozwiązać w różny sposób. Stosowano np. specjalne konstrukcje kabli, obwodów przetwornika lub złączy, takich jak: Sixplug, VP, Top68 i  innych. Częściowe rozwiązanie problemu przyniosła koncepcja indukcyjnej bezkontaktowej transmisji sygnału, dzięki której rozwiązano problem wysokiej impedancji i  wrażliwości sygnału na zakłócenia. Ta koncepcja Promocja

oznaczała jednak konieczność wyposażenia zarówno sondy, jak i  złącza kablowego w  dodatkowe procesory, pamięć i  inne podzespoły elektroniczne, co podniosło ogólny stopień komplikacji układu. Ponieważ skumulowane ryzyko błędu zostało ograniczone w  niewielkim stopniu, nie rozwiązano ostatecznie problemu bezpieczeństwa funkcjonalnego.

Bezpieczeństwo funkcjonalne Z  punktu widzenia norm bezpieczeństwa funkcjonalnego, zarówno normy podstawowej EN 61508, jak i  normy sektorowej dla przemysłu procesowego EN 61511, w  łańcuchu pomiarowym od sondy do systemu sterowania procesem przemysłowym, przetwornik pomiarowy stanowi jedno z głównych potencjalnych źródeł błędu pomiarowego. Na te problemy w pierwszej kolejności składają się błędy w instalacji przetwornika, jego okablowaniu lub konfiguracji oraz błędy związane z  podzespołami elektronicznymi. W  celu podniesienia bezpieczeństwa funkcjonalnego całego punktu pomiarowego, projektanci KROHNE zdecydowali się na miniaturyzację przetwornika i zabudowanie go w głowicy sondy pomiarowej.

Kalibracja Sondy analityczne, użytkowane w  warunkach zmiennej temperatury, wilgotności, obecności zanieczyszczeń oraz innych oddziaływań ze strony medium lub środowiska, wymagają regularnego czyszczenia, regeneracji, kalibracji i  –  ostatecznie – wymiany. W  przypadku tradycyjnych rozwiązań analogowych kalibracja całego układu pomiarowego, składającego się z sondy, przetwornika i kabla, musi zostać wykonana w miejscu jego pracy. Tego rodzaju kalibracji polowej może towarzyszyć szereg

utrudnień. Są one związane przede wszystkim z oddaloną lokalizacją punktu pomiarowego, jego niedostępnością lub niekorzystnymi czynnikami pogodowymi, w obecności których należy przeprowadzić wymagane czynności obsługowe (w tym kalibrację). Cyfrowe czujniki SMARTSENS umożliwiają wykonanie pełnej obsługi w znacznie korzystniejszych, w pełni kontrolowanych warunkach – np. w zakładowym laboratorium. Kalibracja laboratoryjna jest wykonywana z  czujnikiem podłączonym do komputera PC poprzez interfejs Hart/USB. Interfejs ten zarówno zasila czujnik, jak i umożliwia dwukierunkową komunikację w  standardzie Hart 7. Zainstalowane na komputerze PC oprogramowanie użytkownika, Pactware (FDT/DTM), czyni proces kalibracji bardzo prostym i efektywnym. Po zakończeniu kalibracji czujnik, wraz z  zapamiętanymi danymi kalibracyjnymi, jest ponownie instalowany w punkcie pomiarowym. Podstawowymi zaletami kalibracji laboratoryjnej są: wysoki poziom dokładności, powtarzalności i  odtwarzalności wyników oraz zwiększenie okresu użytkowania czujnika o 200–400 proc.

Podsumowanie Czujniki serii SMARTSENS nie wymagają zewnętrznych przetworników pomiarowych – ich przetworniki są zintegrowane z  sondami pomiarowymi. Zasilane z pętli prądowej oferują wyjściowy sygnał prądowy 4…20 mA z komunikacją cyfrową w  standardzie Hart 7, umożliwiając ich bezpośrednie podłączenie do systemu sterowania procesem. Dysponują zestawem  zintegrowanych komunikatów statusowych według NAMUR NE107 i są wyposażone w uniwersalne przyłącze wtykowe typu VarioPin. Dopuszczenie do obszarów zagrożonych wybuchem obejmuje Strefę 0. Czujniki przeznaczone są także do stosowania w aplikacjach higienicznych. 

Bogdan Szutowski KROHNE Polska Sp. z o.o.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

31


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

Detekcja niejednorodnych i ciemnych materiałów to częsty problem, z którym spotykają się automatycy, zwłaszcza gdy tłem jest połyskliwy, silnie odbijający światło element, np. część silnika lub metalowa osłona. Rozwiązaniem są czujniki F25 i F55.

W przypadku konieczności wykrywania obiektu z niewielkiej odległości (do kilkunastu centymetrów) bez trudu można można dobrać odpowiedni czujnik odbiciowy z eliminacją wpływu tła (BGS). Problem zaczyna się wtedy, gdy detekcja ma odbywać się z większej odległości, czyli ponad 0,5 m, a  wykrywany element ma niewielkie wymiary. Błyszczące i dominujące swoim odbiciem tło, np. blacha czy obudowa wykonana ze stali nierdzewnej lub aluminium, uniemożliwia prawidłowe działanie czujnika. W takich aplikacjach skutecznym rozwiązaniem jest nowy, laserowy czujnik odbiciowy z  eliminacją wpływu tła FT55RL2H firmy Sensopart. Już sam jego zasięg, który wynosi 1 m, jest imponujący, ale jego podstawową zaletą jest znikoma histereza wykrywania obiektów jasnych i ciemnych,

Rys. 1. Histereza czujnika FT55RL2H, w zależności od jego zasięgu

32

Promocja

w zakresie do 0,6 m. Parametr ten został zobrazowany na rys. 1. Praktycznym przykładem zastosowania czujnika FT55RL2H jest detekcja obecności czarnej podkładki w bloku obudowy silnika, z odległości 0,6 m. Wcześniej stosowane rozwiązanie o zasięgu 0,2 m narażało czujniki na częste uszkodzenia mechaniczne. Instalacja czujnika FT55RL2H w  dalszej odległości pozwoliła na swobodny dostęp do całego bloku oraz na wygodną obsługę w trakcie czynności montażowych. Innymi problemami, z  którymi często muszą się zmierzyć automatycy w  swojej codziennej pracy, są: precyzyjne pozycjonowanie lub detekcja drobnych elementów, krawędzi, wycięć czy otworów w  szybkich procesach. Istnieją liczne przykłady tzw. trudnych aplikacji, które udało się rozwiązać

dzięki zastosowaniu FR55RLO oraz FR25RLO – niezwykle precyzyjnych i szybkich laserowych czujników refleksyjnych z autokolimacją: • jednoczesna detekcja obecności materiału w kilku gniazdach wtryskarki, • precyzyjna detekcja zapełnienia stosu, np. arkuszy blachy, • pozycjonowanie obiektów przez otwory technologiczne o  średnicy nawet poniżej 1 mm, • detekcja zerwania cienkiego drutu lub innego materiału w  procesie szybkiego przewijania, • detekcja transportowanych płaskich detali, • pozycjonowanie obiektu, bez względu na odległość i kierunek przecięcia wiązki nadawczo-odbiorczej. Zasadę pracy czujników z  autokolimacją obrazuje rys. 2. Dzięki takiej

Fot. 1. Detekcja obecności czarnej podkładki na tle metalowej, błyszczącej obudowy

Fot. SELS

Zwiększony zasięg i precyzja działania


Fot. SELS

Rys. 2. Wiązka wychodząca z nadajnika przechodzi przez lustro weneckie, wiązka powracająca po odbiciu od lustra wraca do odbiornika. Obie wiązki biegną tym samym torem, obiekt jest wykrywany w wytyczonej linii detekcji

konstrukcji reflektor może być umieszczony tuż przy czujniku, czyli jego zasięg jest pozbawiony strefy martwej – zaczyna się od 0 mm. Czujniki są praktycznie niewrażliwe na obecność materiałów połyskliwych, występujących w  pobliżu linii wiązki czujnika. Pozwalają one wykryć obiekty o  średnicy już od 0,2 mm. Mniejszy czujnik FT25RLO, przy zastosowaniu odpowiednich materiałów refleksyjnych, ma zasięg do 4 m, a  jego atutem jest

wysoka częstotliwość przełączania – 10 kHz. Większy czujnik FT55RLO pozwala uzyskać zasięg aż do 12 m. Celem wielu aplikacji jest pomiar odległości w  połączeniu z  informacją logiczną, np. na temat spełniania wymogów dotyczących tolerancji odległości. Oczywiście taką informację można uzyskać przez obróbkę sygnału analogowego, ale w  wielu sytuacjach nie znajduje to ekonomicznego uzasadnienia, dlatego najlepszym rozwiązaniem w  takich przypadkach jest miniaturowy czujnik pomiaru odległości FT25RA (34 mm  × 20 mm × 12 mm) na światło LED. Oprócz liniowego wyjścia analogowego 1…10 V DC o  rozdzielczości 20 µm ma on również niezależnie programowalne wyjście cyfrowe typu okno. Oferowany jest w  dwóch wersjach: na strefy działania do 80 mm oraz do 200 mm. Czujniki FT25RA są powszechnie stosowane do kontroli: zwisu podczas przewijania, grubości warstwy nawinięcia, monitoringu i pozycjonowania pracy robotów, wysokości stosu w procesie pakowania oraz wielu innych.

Fot. 2. Miniaturowe czujniki pomiaru odległości FT25RA

W  wielu aplikacjach jeden czujnik FT25RA zastępuje dwa lub trzy inne, upraszczając automatykę procesu i obniżając koszty.

Krzysztof Gajewski SELS Sp. z o.o. sp. k.

REKLAMA

Polski producent czujników zbliżeniowych oraz dystrybutor produktów renomowanych firm z 30-letnim doświadczeniem w dziedzinie automatyki przemysłowej

 czujniki indukcyjne standardowe oraz w miniaturowych obudowach, na podwyższone temperatury, o wydłużonych strefach działania, dedykowane do pracy w przemyśle spożywczym IP69K (Certyfikat Ecolab)  czujniki pojemnościowe, magnetyczne, ultradźwiękowe  czujniki optyczne na światło LED oraz laserowe (koloru, kontrastu i luminescencyjne)  światłowody i wzmacniacze współpracujące ze światłowodami szklanymi i plastikowymi  czujniki i systemy wizyjne  bariery i kurtyny bezpieczeństwa o wysokiej niezawodności działania  wykonania specjalne na zlecenie Klienta

SELS sp. z o.o. sp. k., ul. Malawskiego 5A, 02-641 Warszawa, +48 22 848 08 42, www.sels.pl, e-mail: sels@sels.pl


Temat numeru      czujniki i przetworniki pomiarowe

Fot. Guenther

Piece próżniowe Seco/Warwick jako przykład stosowania termopar firmy Guenther

Pomiar w obróbce cieplnej Firma Guenther od 1968 r. produkuje termopary i termometry oporowe, stosowane w niemal wszystkich gałęziach przemysłu. Główna siedziba firmy znajduje się w miejscowości Schwaig w pobliżu Norymbergi w południowych Niemczech, a produkcja aktualnie odbywa się już w czterech zakładach.

Głównym kierunkiem działalności firmy Guenther jest produkcja czujników temperatury dla urządzeń do obróbki cieplnej. Wieloletnie doświadczenie w  tej dziedzinie pozwoliło firmie stać się wiodącym producentem w branży, a rozwój możliwości produkcyjnych umożliwił produkcję praktycznie dowolnych wykonań, zgodnych z wymaganiami klienta.

34

Guenther produkuje również termopary płaszczowe w  izolacji mineralnej o  standardowych wymiarach i  najwyższej dokładności pomiarowej. Umożliwia to bardzo szybkie dostarczanie wielu wariantów produktów. System zarządzania jakością oraz własne laboratorium wzorcujące umożliwiają zapewnienie najwyższej jakości produktów. Firma oferuje klientom również możliwość zakupu lub wymiany metali szlachetnych, a także prowadzenie konta metali szlachetnych.

Zastosowanie termopar w piecach do obróbki cieplnej Termopary do monitorowania temperatury w piecu komorowym W  celu zaspokojenia rosnących potrzeb klientów firma Guenther produkuje termopary podwójne oraz z otworem referencyjnym. W  zależności od specyfikacji (np. SAT) istnieje możliwość wyprodukowania termopar zbudowanych z  dwóch różnych termoelementów w  jednej osłonie lub płaszczu ochronnym. Dla umożliwienia osiągnięcia jak najkrótszych czasów reakcji produkowane są termopary do

pomiarów w  komorach pieca z  najmniejszych możliwych średnic płaszczy i  rur ochronnych. Wszystkie termopary tego typu, także z osłonami ceramicznymi, mogą być próżnioszczelne.

Termopary wsadowe do badania rozkładów temperatur w piecu Termopary wsadowe są wykorzystywane do pomiaru rozkładu temperatury (np. Temperature Uniformity Survey – TUS) na powierzchni lub wewnątrz elementu. W  większości przypadków do tych pomiarów stosuje się termopary płaszczowe z izolacją mineralną bez rury ochronnej, wykonane z  jednej szarży produkcyjnej. Zapewniają one elastyczność oraz możliwość umieszczenia w konkretnym miejscu, w którym wymagany jest pomiar. Podstawowe materiały stosowane w  produkcji firmy Guenther są dostarczane przez wiodących niemieckich producentów, zawsze najlepszej klasy dokładności, zgodnie z  wymaganiami normy PN-EN 60584. Ponadto normy i  wytyczne branżowe, takie jak AMS  2750 lub CQI  9, określają specjalne, dodatkowe wymagania dotyczące jakości termoelementów. Precyzują

Promocja

GBI_PAR_2


one bardziej rygorystyczne wymagania odnośnie dopuszczalnych odchyłek, niż te określone w  normie PN-EN 60854 dla wymagań klasy 1. Firma Guenther ma w  swoich magazynach duże ilości materiałów o lepszych parametrach niż wymagane dla klasy 1. W celu zwiększenia szybkości odpowiedzi czujnika, wykonywania pomiarów jednorazowych oraz przedłużenia termopar, stosuje się także przewody termoparowe w izolacji z włókna szklanego lub włókna ceramicznego.

Fot. Guenther

Hartowanie z nagrzewaniem w kąpielach solnych i azotowanie Do pomiaru w  kąpielach solnych zazwyczaj stosowane są termopary kątowe. Ta konstrukcja gwarantuje połączenie z  przewodem kompensacyjnym poza obszarem, gdzie występują agresywne ciecze lub opary. W  zależności od składu soli i temperatury pracy rura ochronna termopary wykonana jest z czystego żelaza, SL 25 lub tytanu. Firma Guenther posiada w  magazynie rury ochronne o  różnych wymiarach, wykonane z  ponad 40 różnych metali oraz kompozytów.

Podgrzewanie, hartowanie, wyżarzanie Warunki oraz aplikacje temperatury podgrzewania i  odpuszczania w  piecach nie są uznawane za ekstremalne. Guenther od ponad czterech dekad produkuje czujniki temperatury odpowiednie do tego typu aplikacji.

płaszczowych, montowanych w  elektrycznie izolowanej osłonie, podłączonych bezpośrednio do złącza, bądź z  przewodami przyłączeniowymi. Systemy stosowane w próżni są poddawane testom szczelności oraz testom napięcia przebicia do 500 V.

Laboratorium wzorcujące Akcesoria i przedłużki termoparowe Przyłącza procesowe, takie jak złączki zaciskowe, kołnierze, śrubunki, gniazda, wtyczki, a  także przewody kompensacyjne i inne akcesoria, są zawsze dostępne od ręki w  magazynie firmy Guenther. Dodatkowo firma wykonuje indywidualnie skonstruowane i  dostosowane do wymagań przedłużki wielokanałowe, w  wykonaniu gazoszczelnym lub/i próżnioszczelnym. Zazwyczaj mają one złącza z obu stron i – w zależności od potrzeb – pasujące do istniejących przepustów.

Firma Guenther jest członkiem stowarzyszenia DKD – Deutscher Kalibrierdienst (German Calibration Service). W laboratorium wzorcującym firma jest w  stanie przeprowadzać kontrole metrologiczne przy użyciu pieców laboratoryjnych i  wzorców, wystawiając certyfikaty wzorcowania (3.1) zgodnie z  wymaganiami normy PN-EN 10204 i  wytycznymi DAkkS. Specjaliści firmy Guenther, w  oparciu o  wieloletnie doświadczenie, chętnie pomogą w  doborze odpowiednich produktów do praktycznie dowolnej aplikacji.

Systemy wielotermoparowe Do monitorowania temperatury przy powlekaniu plazmowym wykorzystywane są termopary wieloparowe. Składają się one z kilku osłoniętych termopar

Guenther Polska Sp. z o.o. e-mail: biuro@guenther.com.pl www.guenther.com.pl

REKLAMA

Na tej konferencji nie może Państwa zabraknąć!

VI EDYCJA KONFERENCJI

PROGRAMY OSZCZĘDZANIA ENERGII I MEDIÓW W PRZEMYŚLE I ZARZĄDZANIU NIERUCHOMOŚCIAMI 5-6 marca 2014 r., Hotel Sheraton, Kraków

WIZYTA W INTELIGENTNYM BUDYNKU I LABORATORIUM PRODUKCYJNYM - ASTOR TECHNOLOGY PARK, 6 marca 2014 r., Kraków Zagadnienia omawiane podczas konferencji: • Systemy ciągłego doskonalenia w programach edukacyjnych dla pracowników mających na celu zmianę zachowań na proekologiczne • Jakie rozwiązania przyczyniły się do sukcesu w naszym zakładzie • Zarządzanie kosztami mediów według filozofii Lean • Zaawansowane systemy pomiarowe – Smart Metering i określenie opłacalności danych rozwiązań • Odzysk ciepła lub chłodu z procesów technologicznych • Rozwiązania mające na celu optymalizację zużycia energii i kosztów operacyjnych budynków • BMS (Building Management System) – zastosowanie otwartego systemu, bazującego na najnowszych rozwiązaniach technicznych z wykorzystaniem standardowych protokołów komunikacyjnych • Oszczędności w zużyciu energii elektrycznej uzyskane po wdrożeniu projektu OZE • Audyt energetyczny • Sprawdzone technologie odzysku i oszczędzania energii Sponsor Koktajlu: Partner:

Patroni medialni:

Sponsor: Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

Osoby zainteresowane udziałem w konferencji prosimy o kontakt: +48 22 458 66 10

GBI_PAR_205x145_media.indd 1

35

gbip.com.pl

15.01.2014 15:49


Temat numeru      CZUJNIKI I PRZETWORNIKI POMIAROWE

W wielu układach automatyki, np. zbiornikach magazynujących surowce, systemach dozujących czy platformach najazdowych, zachodzi potrzeba wykonywania pomiarów wagowych. Urządzeniami do pomiaru sił ściskających, rozciągających i naprężeń są czujniki tensometryczne. WObit dysponuje bogatą ofertą czujników siły firmy Emysyst oraz urządzeniami pomiarowymi własnej produkcji.

Urządzenia WObit do pomiaru siły Tensometry charakteryzują się dużą czułością i dokładnością pomiarów, przy zachowaniu małych wymiarów. Są odporne na drgania i  wstrząsy, mogą pracować w wysokiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu, a także być umieszczane na zakrzywionych powierzchniach.

kompensacyjny kompensuje wpływy czynników ubocznych, a  szczególnie temperatury i  wilgoci. W  zależności od konstrukcji elementu nośnego (obudowy) tensometr może służyć do pomiaru małych sił w  zakresie pojedynczych niutonów lub ogromnych sił liczonych w dziesiątkach kiloniutonów.

Jak działa tensometr? Zasada działania tensometru oporowego opiera się na właściwości fizycznej materiału oporowego, polegającej na zmianie jego oporności elektrycznej wraz ze zmianą jego długości. Drut oporowy lub folia są mocowane za pomocą specjalnego kleju na elemencie odkształcającym się pod wpływem działających sił lub momentów. Materiał oporowy czujnika ulega identycznym odkształceniom, jak element, na którym czujnik został zamontowany. Tensometry w  technice pomiarowej pracują najczęściej w  układzie tzw. mostka Wheatstone’a. Mostek ten składa się z  czterech gałęzi utworzonych z  czterech elementów: zwykle jest to tensometr o  oporności R1, tensometr kompensacyjny o  oporności R2 oraz dwa oporniki R3 i  R4. Tensometr

36

Promocja

Urządzenia pomiarowe Do współpracy z  czujnikami tensometrycznymi, w  zależności od aplikacji, WObit proponuje dwa rozwiązania: wskaźnik MD150T lub moduł ADT42. MD150T pozwala na bezpośrednie wyświetlanie mierzonej siły na sześciopozycyjnym wyświetlaczu. Wynik może zostać przeskalowany na dowolną jednostkę siły lub masy. Urządzenie ma także możliwość rejestrowania wartości maksymalnej. Wskaźnik MD150T jest wyposażony w  złącze USB, współpracujące z  aplikacją MD150T-PC, która służy do zapisu wyników pomiarów do pliku lub do przedstawiania ich na wykresie. MDT150T ma też interfejs RS-485 Modbus RTU, przydatny do komunikacji z urządzeniami przemysłowymi. Gdy nie jest konieczne miejscowe wyświetlanie

wyników, natomiast istotne jest zebranie sygnałów pomiarowych z  kilku czujników, optymalnym rozwiązaniem jest uniwersalny czterokanałowy moduł ADT42. Urządzenie jest wyposażone w dwa wyjścia tranzystorowe z  konfigurowalnymi progami zadziałania oraz w  dwa optoizolowane wejścia (w  tym jedno tarujące). Wbudowane tryby pracy pozwalają zastosować moduł np. w  aplikacjach dozujących, z pominięciem dodatkowych kontrolerów sterujących. Mierzone wartości mogą być konwertowane na sygnał analogowy w  standardzie 0–10 V lub 4­–20 mA. Dostęp do urządzenia może odbywać się także przez magistralę RS-485, z użyciem protokołu Modbus RTU. Dzięki możliwości sumowania pomiarów z  wybranych kanałów ADT42 może być wykorzystany w wieloczujnikowych systemach wagowych. 

PPH WObit E. K. J. Ober s.c. Dęborzyce 16, 62-045 Pniewy tel. 61 222 74 22, fax 61 222 74 39 e-mail: wobit@wobit.com.pl www.wobit.com.pl


Nowa generacja czujników fotoelektrycznych, z rdzeniem do pomiaru odległości, to klucz do rozwiązania wielu typowych problemów, z jakimi codziennie spotykają się projektanci maszyn i instalacji.

Innowacyjne rdzenie pomiarowe Nowe czujniki fotoelektryczne firmy Pepperl+Fuchs sprawdzą się niezależnie od tego, czy muszą zmierzyć się z problemem zmiany oświetlenia, silnych odbić czy też innych obiektów zakłócających na pierwszym planie bądź w tle. Dzięki najnowocześniejszej technologii pomiarowej są zabezpieczone przed nieprawidłowym przełączaniem, cechują się zwiększonym zakresem możliwych zastosowań i zapewniają użytkownikowi przewagę technologiczną pod względem wydajności i elastyczności. Omawiane produkty zostały zaprojektowane z myślą o metodach detekcji, opartych na optycznej technologii wielopikselowej (MPT) i technologii impulsowej (PRT). Pierwsza z nich jest używana głównie przy mniejszych odległościach, natomiast technologia impulsowa (PRT) dotyczy głównie czujników o średnim i dużym zasięgu – do kilkuset metrów. Układy elektroniczne w czujnikach do wykrywania obiektów wykorzystują informacje związane z odle-

Fot. WObit, Pepperl+Fuchs

Technologia wielopikselowa (MPT) Technologia MPT wykorzystuje przetestowaną i sprawdzoną zasadę triangulacji i łączy ją z funkcjami pomiarowymi czujników odległości. Obiekty docelowe są wyraźnie odróżniane od tła, a regulowane tryby działania umożliwiają niezawodne tłumienie obiektów występujących na pierwszym planie lub w tle. Promocja

głością. W połączeniu z inteligentnymi metodami obliczeniowymi czujniki te zapewniają niespotykaną do tej pory jakość oraz wydajność detekcji obiektów i pomiaru odległości. Nowe technologie zostały wykorzystane w prostych, standardowych czujnikach. Zapewniają one imponującą elastyczność i uniwersalność – konfigurowalny rdzeń pomiarowy umożliwia użycie jednego urządzenia do różnych zadań. Nawet niewielkie czujniki MPT z serii MLV41-8-H i RL31-*-H mogą być konfigurowalne przez użytkowników pod kątem czterech różnych trybów pracy: tłumienia tła, oceny tła, pracy w trybie okna i histerezy. Umożliwiają wykrywanie i pomiar w odległościach 20–800 mm i są wyposażone w interfejs IO-Link. W czujnikach o średnim i dużym zasięgu technologia umożliwia urządzeniom uzyskiwanie bardzo dużej dokładności i największego zasięgu wykrywania. Model VDM28 jest czujnikiem łączącym w sobie dokładność, niewrażliwość na oświetlenie zewnętrzne oraz dużą odporność na wpływ warunków otoczenia. W zależności od modelu, zakresy pomiarowe wynoszą 8–15 m dla czujników odbiciowych i do 50 m dla czujników refleksyjnych. Nowym produktem, wykorzystującym technologię PRT, jest skaner laserowy R2000. Zapewnia on pełną widoczność w zakresie 360°. Nadaje się idealnie jako czujnik mobilny

w automatycznych pojazdach sterowanych, gdzie może pełnić funkcję elementu zapobiegającego kolizjom lub umożliwiającego nawigację w obszarach logistycznych. Oprócz tych konwencjonalnych zastosowań szeroki kąt roboczy i wysoka rozdzielczość umożliwiają używanie tego modelu w wielu innowacyjnych rozwiązaniach, takich jak automatyka budynkowa czy nadzór.

Technologia impulsowa (PRT) Technologia impulsowa to innowacyjna metoda, umożliwiająca dokładny pomiar odległości w zakresie od kilku centymetrów do kilkuset metrów, przy użyciu pomiaru bezpośredniego. Technologia PRT jest rozwinięciem techniki pomiaru czasu propagacji impulsów i mierzy rzeczywisty czas propagacji światła.

Nowe rozwiązania technologiczne umożliwiają użycie techniki PRT w ogromnej liczbie innych produktów i zastosowań, których pierwsze przykłady zostaną przedstawione pod koniec roku.

Pepperl+Fuchs ul. Marsa 56B, 04-242 Warszawa tel. 22 256 97 70, fax 22 256 97 73 e-mail: info@pl.pepperl-fuchs.com www.pepperl-fuchs.pl/a-distance-ahead

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

37


Rozmowa PAR      

Wywiad z Andrzejem Soldatym, prezesem zarządu firmy Festo Polska.

Produkty Festo są obecne w Polsce od 40 lat, a  od ponad 20 lat firma ma polski oddział. Czy może Pan przybliżyć nam jej początki w Niemczech i na polskim rynku? Firma Festo powstała w  1925 roku w  Niemczech i  początkowo specjalizowała się w  wytwarzaniu urządzeń do obróbki drewna. Założona została przez Gottlieba Stolla i Alberta Fezera, a  ze zbitki pierwszych sylab tych nazwisk powstała nazwa Festo. Po krótkim czasie nastąpiła koncentracja działalności w  rodzinie Stollów, a  działalność firmy skupiła się na automatyzacji produkowanych urządzeń. Ten obszar działalności zapoczątkował rozwój

38

dużego działu, którego wielkość szybko przerosła pozostałą część firmy. Przez kolejne lata rozwój ukierunkowany był na dążenie do tworzenia i  oferowania optymalnych rozwiązań dla automatyzacji, przede wszystkim z  wykorzystaniem pneumatyki. Pierwszy opracowany przez Festo przemysłowy siłownik pneumatyczny wszedł do produkcji seryjnej w 1955 roku i stosowany był do szybkiego dociskania przedmiotów obrabianych. Rok później powstał katalog z ofertą siłowników, zaworów i akcesoriów, a pneumatyka trafiła do kolejnych sektorów gospodarki. Wraz z rozwojem w  obszarze napędów pneumatycznych i  rosnącymi wymaganiami w  zakresie sterowania ruchem powstała gama zaworów, akcesoriów i  zespołów przygotowania powietrza. Wprowadzając pneumatykę do przemysłu równolegle organizowaliśmy warsztaty dla klientów, na których nowa technologia była prezentowana i  wyjaśniana. Z  biegiem lat firma rozwinęła z  tych warszta-

Dostarczacie Państwo rozwiązania z zakresu automatyki dla wielu branż. Które gałęzie przemysłu ocenia Pan jako najbardziej perspektywiczne dla takich firm, jak Festo?

Fot. Festo

Budujemy konkurencyjność naszych klientów

tów nową i  bardzo prężną gałąź działalności – Festo Didactic, dział zajmujący się szkoleniami dla klientów. W  kolejnych dekadach program produktowy był poszerzany zarówno w zakresie samych komponentów, osiągając obecnie liczbę 30 tysięcy pozycji katalogowych, jak i  w  zakresie nowej kategorii: zintegrowanych zespołów i  jednostek funkcjonalnych. W  latach 90. ubiegłego wieku Festo wprowadziło do światowej techniki nowatorskie rozwiązanie, stanowiące obecnie standard w automatyzacji – wyspę zaworową. Dalszy rozwój nastąpił w  obszarze systemów mechatronicznych, integrujących informatykę, elektrotechnikę i pneumatykę. Dzięki połączeniu mikroprocesorów, siłowników i  zaworów firmie Festo udało się stworzyć inteligentną pneumatykę. Wprowadzona do sprzedaży szeroka gama napędów elektrycznych uzupełniła ofertę komponentową pneumatyki i rozszerzyła możliwości tworzenia rozwiązań zgodnych z potrzebami klientów. Ewolucja ta doprowadziła nas do czasów obecnych, gdy z pierwotnego działu w lokalnej firmie, zajmującego się automatyzacją maszyn do obróbki drewna, powstał światowy koncern zatrudniający 16,2 tysięcy pracowników i mający obroty na poziomie 2,24 miliarda euro rocznie. W  Polsce obecni jesteśmy od ponad 40 lat. Pierwotnie było to związane z  potrzebami użytkowników maszyn i  urządzeń importowanych głównie z  Niemiec, które wyposażone były w urządzenia Festo. W ten sposób powstało zaplecze informacyjne i  serwisowe na potrzeby utrzymania ruchu. Stworzono wówczas biuro informacji technicznej, które prowadziło doradztwo i  promocję rozwiązań firmy, natomiast w  1989 roku powstała samodzielna spółka ze 100-procentowym udziałem kapitału zagranicznego pod nazwą Festo Sp. z  o.o. Obecnie Festo Sp. z  o.o. zatrudnia ponad 100 pracowników etatowych. Nasza spółka wprowadza na polski rynek komponenty i rozwiązania Festo poprzez doradztwo techniczne, organizację obsługi logistycznej i handlowej, ale również prowadzi działalność projektową i wytwórczą zaawansowanych zespołów i systemów automatyzacji.


Fot. Festo

Niewątpliwie wszędzie tam, gdzie stosowanie automatyzacji procesów produkcyjnych daje ich właścicielom wymierne korzyści, tam tworzy się potencjał dla firm dostarczających rozwiązania automatyzacji. Dotyczy to praktycznie wszystkich branż przemysłowych, ale istnieją branże szczególnie podatne na automatyzację z  racji powtarzalności operacji i procesów produkcyjnych, stosowanych technologii, czy też potrzeb jakości, niezawodności oraz bezpieczeństwa. Przykładem jest przemysł samochodowy, w którym każdy nowy projekt inwestycyjny, już na etapie koncepcji, ma jasno zdefiniowane założenia automatyzacji, wynikające między innymi z potrzeb technologii produkcji, potrzeb zarządzania procesami czy wymagań związanych z  samym produktem. Biorąc pod uwagę fakt, że opracowanie i  wdrożenie nowego projektu w  przemyśle samochodowym trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu miesięcy, założenia automatyzacji muszą uwzględniać trendy w  tym obszarze i przewidywać poziom techniki adekwatny do czasu, w którym projekt zostanie wdrożony do produkcji. Tak więc branża samochodowa istotnie stymuluje rozwój takich firm jak Festo, stawiając wymagania wyprzedzające obecny poziom techniki. Podobnie oddziałują na rozwój automatyzacji przełomowe zmiany w innych branżach: elektronicznej, opakowaniowej czy produkcji żywności. Przyszłością są dla nas również nowe potrzeby automatyzacji procesów ciągłych oraz potrzeby nowych branż, związanych z biotechnologią i farmacją czy rolnictwem. Kto w  Polsce należy do największych odbiorców Państwa produktów i  rozwiązań i  w  jakich obszarach znajdują one najczęściej zastosowanie? Baza aktywnych klientów Festo Polska obejmuje kilka tysięcy firm. Należą do nich producenci maszyn i urządzeń, firmy opracowujące i  kompletujące systemy automatyzacji linii produkcyjnych i  procesów ciągłych oraz użytkownicy wykonujący modernizację własnych urządzeń produkcyjnych czy też kupujący części zamienne. Wielkość potencjału dla automatyzacji u  użytkowników wynika bezpośrednio z  wielkości zainstalowanego wyposażenia technicznego, potrzeb utrzymania ruchu oraz modernizacji maszyn i  urządzeń. Dlatego naj-

większymi odbiorcami produktów i rozwiązań Festo w  tym segmencie są duże firmy produkcyjne, w szczególności wchodzące w skład dużych koncernów międzynarodowych. Mam na myśli producentów samochodów i  części dla przemysłu motoryzacyjnego, producentów sprzętu gospodarstwa domowego i sprzętu elektronicznego, producentów żywności, chemii gospodarczej czy lekarstw. Koncerny te są powiązane z  Festo współpracą na poziomie międzynarodowym, a  lokalnie Festo Sp. z  o.o. zapewnia wymagany poziom obsługi. Inaczej wygląda sytuacja kształtowania potencjału w segmencie wytwórców maszyn czy linii produkcyjnych. Tu mamy do czynienia głównie z rodzimymi firmami, które w  większości opracowują i realizują indywidualne projekty, a  ich zapotrzebowanie na produkty Festo podlega silnym fluktuacjom, wynikającym z harmonogramu realizacyjnego kolejnych zamówień. Asortyment takich urządzeń jest bardzo szeroki.

jące i  kompletujące systemy automatyzacji procesów ciągłych w  obiektach gospodarki wodno-ściekowej, energetyki czy przemysłu chemicznego. Tu  zapotrzebowanie wynika z  cyklu inwestycyjnego, dlatego w  tym segmencie przeważają klienci, u  których w  ubiegłych latach pojawiały się duże skoki zapotrzebowania na produkty Festo, na przykład przy realizacji kolejnych instalacji okołoblokowych w elektrowniach. Działalność firmy Festo w dużym stopniu koncentruje się dziś na układach pneumatycznych. Z czego wynikła decyzja o koncentracji właśnie na pneumatyce i w jakim kierunku będzie postępował jej rozwój? Naszą specjalnością jest technika wykonywania składających się na procesy produkcyjne przemieszczeń i  sterowanie nimi. Układy budowane w oparciu o  siłowniki i  zawory pneumatyczne, wprowadzone przez Festo do przemysłu w latach 50. ubiegłego stulecia, stanowiły nowy środek wykonywania

Wzrost obecności krajowych producentów maszyn i urządzeń na innych rynkach i potrzeba stałej poprawy konkurencyjności zwiększają potencjał automatyzacji. Najbardziej powszechne, ze względu na aplikacje komponentów i rozwiązań Festo, są urządzenia montażowe i  pakujące. W  ostatnich latach zwiększa się również obecność producentów urządzeń seryjnych, którzy wchodzą ze swoimi produktami na rynki światowe. Liczba takich firm w  segmencie producentów maszyn stanowi obecnie niewielki ułamek, ale tworzą one największy potencjał automatyzacji. Część z nich wchodzi w skład międzynarodowych konsorcjów, w  których wypracowywane są określone standardy automatyzacji z  wykorzystaniem programu Festo. Inne funkcjonują samodzielnie i z nimi lokalnie opracowujemy innowacyjne aplikacje, na przykład w liniach do produkcji żywności czy urządzeniach pakujących. Tradycyjnym partnerem Festo w  Polsce są również firmy opracowu-

operacji przemieszczeń liniowych i mocowań, w  porównaniu ze stosowanymi układami mechanicznymi. W  miejsce różnego rodzaju zespołów cięgien, suwaków, dźwigni i śrub, służących do transmisji siły do punktu w  maszynie, w którym ma być wykonane określone przemieszczenie liniowe, zastosowano lokalnie instalowane siłowniki pneumatyczne, które wykonywały wymagane ruchy po podaniu sprężonego powietrza przez elastyczne przewody połączone z  zaworami przełączającymi. Tym samym uzyskano możliwość prostego tworzenia dowolnych konfiguracji kinematycznych urządzeń, podyktowanych wymaganiami procesu produkcyjnego, bez ograniczeń geometrycznych występujących w  układach mechanicznych. Na bazie tej idei Festo rozwinęło przez lata kompleksowy program napędów pneumatycznych służących do wykonywania przemieszczeń

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

39


Andrzej Soldaty jest absolwentem Wydziału Mechanicznego Politechniki Rzeszowskiej i Krakowskiej. Ukończył studia podyplomowe z zakresu Automatyki Przemysłowej na Wydziale Mechaniki Precyzyjnej Politechniki Warszawskiej. W latach 1983–1990 pracował w  OBR Automatyzacji Przemysłu Chemicznego Chemoautomatyka, gdzie jako kierownik Działu Robotyzacji prowadził m.in. projekty wdrożeniowe pierwszych aplikacji manipulatorów i robotów w zakładach przemysłu chemicznego. W  1991 r. rozpoczął pracę w  Festo, początkowo jako inżynier sprzedaży i kierownik regionu. Uczestniczył bezpośrednio w licznych projektach dotyczących opracowywania i  aplikacji rozwiązań Festo w  przemyśle. W  2002 r. został delegowany do centrali firmy w  Wiedniu, gdzie prowadził projekty dla przemysłu samochodowego na terenie Europy Wschodniej. W 2005 r. powołany na stanowisko Sales Managera Festo w Polsce, a od 2010 r. – General Manager Festo w Polsce.

liniowych i  wahadłowych oraz szeroką gamę komponentów sterujących doprowadzeniem sprężonego powietrza do siłowników. Rozwiązania napędów pneumatycznych znalazły powszechne zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu – wszędzie tam, gdzie dla realizacji procesów produkcyjnych wymagane są operacje przemieszczenia, chwytania, nacisku czy zacisku. Czynnikiem decydującym o  powszechności stosowania pneumatyki jest możliwość zrealizowania powyższych operacji w  prosty i  skutecz-

40

ny sposób. Napędy pneumatyczne bezpośrednio realizują przemieszczenia liniowe, nie wymagając, tak jak przy stosowaniu napędów elektrycznych, układów zamieniających ruch obrotowy na liniowy. Są też odporne na przeciążenia, szybkie i łatwe do wbudowania w  konstrukcje maszyn i  urządzeń. Rozwój tej gałęzi techniki w  kolejnych dziesięcioleciach był silnie wspierany przez wprowadzenie elektroniki do sterowania i  diagnostyki układów pneumatycznych. Uzyskano dzięki temu możliwość optymalnego wykonywania przemieszczeń w odniesieniu do wykorzystania energii przekazywanej przez sprężone powietrze. Niewątpliwie trend rozwoju układów pneumatycznych w kierunku optymalizacji wykorzystania energii będzie silnie widoczny w kolejnych latach. Inny widoczny trend dotyczy tworzenia układów realizacji przemieszczeń w  oparciu o  kombinacje zespołów pneumatycznych i  elektrycznych. Wykorzystanie unikalnych cech poszczególnych zespołów pozwala budować optymalne rozwiązania o  charakterze hybrydowym. Festo bardzo dużo inwestuje i  rozwija program napędów elektrycznych jako drugi filar dla naszej kluczowej kompetencji, którą – jak już wspomniałem – jest technika wykonywania przemieszczeń i  sterowań. Dlatego w  naszej wizji przyszłości nie koncentrujemy się wyłącznie na pneumatyce, lecz na programie komponentów, pozwalających tworzyć układy hybrydowe dla powyższych operacji. Z  wymagań optymalizacji rozwiązań wynika również trend wielowymiarowości funkcjonalnej komponentów. Oczekuje się, że pojedynczy element wykonawczy będzie mógł realizować bardziej skomplikowane funkcje niż ruchy prostoliniowe. Wiąże się to między innymi z  wprowadzaniem do układów wykonawczych nowych materiałów, zaawansowanej sensoryki i  funkcji diagnostyczno-kontrolnych. Źródłem inspiracji dla takich rozwiązań jest natura, dlatego Festo prowadzi intensywne prace w  obszarze bioniki, prezentując rozwiązania, które istotnie wyprzedzają obecny stan techniki. Nasza wizja wykracza poza najbliższe lata i zakładamy, że przyszłość będą tworzyć rozwiązania intuicyjne oraz inteligentne. Odnosząc to stwierdzenie do programu produktowego Festo można się spodziewać, że rozwinie się on w kierunku elementów wykonawczych, które będą czuć i reagować na bodźce.

Jak ocenia Pan potencjał Polski w zakresie automatyki przemysłowej? Co jest największą bolączką naszego kraju w tej dziedzinie? Potencjał automatyzacji na poziomie kraju jest tworzony przez następujące czynniki: zapotrzebowanie użytkowników maszyn i  urządzeń dotyczące MRO (Maintenance, Repair, Operations), zapotrzebowanie producentów maszyn i  urządzeń dotyczące wyposa��enia dla inwestycji krajowych oraz zapotrzebowanie producentów–eksporterów maszyn i  urządzeń. Dla każdego z  tych czynników można zidentyfikować szereg uwarunkowań wzrostu. Przykładowo lepsza koniunktura w  gospodarce i  wzrost produkcji przemysłowej wymagają od użytkowników większej produktywności maszyn i  urządzeń, a  tym samym zwiększają potencjał MRO, poprawiają klimat inwestycyjny oraz zapotrzebowanie na nowe maszyny i urządzenia, generując potencjał na automatyzację u  ich producentów, podobnie jak w  przypadku wzrostu eksportu. Różnica między aktualnym poziomem automatyzacji maszyn i urządzeń użytkowanych oraz wytwarzanych w  kraju a  poziomem oferowanym przez liderów tej dziedziny techniki, to kolejne źródło potencjału, stymulowane między innymi przez potrzebę wzrostu wydajności, bezpieczeństwa i optymalizację wykorzystania energii. Wzrost obecności krajowych producentów maszyn i urządzeń na innych rynkach i potrzeba stałej poprawy konkurencyjności zwiększają potencjał automatyzacji. Wpływ rynkowych zmian i trendów w zakresie technologii jest również oczywisty. Bazując na powyższym modelu kształtowania krajowego potencjału na automatyzację można łatwo wykazać przyczyny różnic w  potencjale poszczególnych krajów. Dotychczas Polska w  tym rankingu nie plasowała się wysoko, przede wszystkim z  racji stosunkowo słabego potencjału generowanego przez producentów maszyn i  urządzeń. Obserwujemy jednak korzystne zmiany, rośnie konkurencyjność polskiej gospodarki, zwłaszcza w sektorach istotnych z punktu widzenia zapotrzebowania na automatyzację, na przykład w  przemyśle motoryzacyjnym. Polska jest jednym z najbardziej atrakcyjnych krajów dla inwestorów zagranicznych, stąd realizowane i zapowiadane kolejne duże projekty. Istotne jest jednak, by rosnące zapotrzebowanie inwestycyjne mogło być

Fot. Festo

Rozmowa PAR      


zrealizowane przez krajowych producentów maszyn i  urządzeń. Wymaga to odpowiedniego zaplecza realizacyjnego, zwłaszcza w  obszarze opracowania i  wdrożenia rozwiązań. I  tu olbrzymią rolę odgrywać będzie właściwe przygotowanie naszej kadry technicznej do praktycznego rozwiązywania zadań, przez właściwą edukację zawodową oraz stworzenie warunków do wykorzystania kreatywności studentów i  absolwentów w  praktycznych przedsięwzięciach.

Fot. Festo

Jaka jest specyfika polskiego rynku w  przypadku sektorów, w  których działa firma Festo? Co odróżnia nas od innych rynków? Odnosząc się do ostatnio poruszanej kwestii rozwoju kompetencji dla wdrażania automatyzacji, można doszukać się istotnych różnic między Polską a  wiodącymi w  tej dziedzinie krajami. Problemem jest właściwe wykorzystanie potencjału intelektualnego naszej kadry technicznej, absolwentów i  studentów uczelni oraz szkół technicznych do kreatywnego, efektywnego wdrażania automatyzacji w  polskim przemyśle. Przyczyną są na pewno niskie nakłady na innowacyjność, plasujące Polskę na odległych miejscach w  rankingu krajów europejskich. Inną przyczyną jest brak praktycznego przygotowania absolwentów uczelni i  szkół technicznych poprzez właściwe praktyki, staże i  obcowanie z  najnowszym poziomem techniki w  procesie edukacji. I  tu powinniśmy sięgać do najlepszych praktyk z  innych krajów, a  liderzy automatyzacji obecni na polskim rynku skutecznie mogą wspierać ten proces. Szereg inicjatyw podejmowanych przez firmy z tego sektora w kontaktach z  krajowymi strukturami edukacyjnymi potwierdza skuteczność tej koncepcji. W jaki sposób i w jakim kierunku planujecie Państwo rozwijać działalność w Polsce w najbliższych latach? Na co będzie kładziony największy nacisk? Odpowiedź na to pytanie zawarta jest w naszym przesłaniu do klientów: „We are the engineers of productivity”. Misją Festo jest zapewnianie konkurencyjności naszych klientów w zakresie ich produktów i  procesów produkcyjnych. Odbywa się to poprzez rozpoznanie potrzeb klienta i  wypracowanie optymalnych rozwiązań na bazie standardowego programu produkcyjnego Festo, jak i zespołów i kompo-

nentów specjalizowanych. W tym celu rozwijamy kompetencje naszego zespołu sprzedażowego i doradców technicznych. Rozwijamy nasz zespół projektowy, który realizuje kompleksowe projekty aplikacyjne. Rozbudowujemy lokalne moce wytwórcze na potrzeby produkcji specjalizowanych modułów i zespołów funkcjonalnych do automatyzacji operacji i  procesów produkcyjnych. Szczególny nacisk w dalszym rozwoju naszej firmy w Polsce będziemy kładli na efektywne wykorzystanie najnowszych rozwiązań Festo w  przemysłowych aplikacjach u naszych klientów. Firma Festo bardzo prężnie działa w  ostatnich latach w  zakresie oferowania rozwiązań systemowych. Jak kształtuje się zapotrzebowanie na tego typu usługi na polskim rynku? Oferta Festo w zakresie rozwiązań systemowych jest częścią odpowiedzi na pytanie „Why Festo?”. Filarami tej odpowiedzi są budowane dla klientów wartości dotyczące bezpieczeństwa, wydajności, łatwości aplikacji, kompetencji. Te wszystkie elementy są doskonale widoczne w naszych rozwiązaniach systemowych, budowanych na bazie najwyższego poziomu kompetencji w  zakresie automatyzacji, stworzonych w oparciu o szczegółową analizę stanu obecnego i oczekiwanego, a tym samym skonfigurowanych według zasady „podłącz i  uruchom”, zoptymalizowanych i  sprawdzonych pod kątem funkcjonalnym oraz zapewniających spełnienie wymagań formalno-prawnych przy eksploatacji. Z satysfakcją odnotowujemy, że coraz więcej klientów krajowych, analizując portfel wartości dostarczanych w  ofercie rozwiązań systemowych Festo, widzi konkretne korzyści dla siebie i korzysta z naszej oferty w tym zakresie. W  ten sposób baza klientów – odbiorców systemów Festo, dotychczas oparta na dużych firmach międzynarodowych, szybko rośnie. W  ramach firmy funkcjonuje dział Festo Didactic, zajmujący się szkoleniami dla klientów. W  jakim zakresie polscy odbiorcy korzystają z tego typu szkoleń i ze wsparcia technicznego? Będąc światowym liderem w  dziedzinie automatyzacji, prowadzimy w Polsce w ramach Festo Didactic szeroko rozwiniętą działalność dydaktyczną w zakresie edukacji zawodowej oraz szkoleń i doradztwa dla kadry inżynie-

ryjno-technicznej. Działalność ta stwarza dla firm w Polsce możliwość połączenia teorii z praktyką w profesjonalnych szkoleniach i  warsztatach Festo Didactic. Głównym założeniem naszego programu szkoleń i  doradztwa jest wykorzystanie siły i potencjału technologii klientów, które są oparte na rozwiązaniach inżynierskich firmy Festo. Tematyka szkoleń, tworzona pod potrzeby naszych klientów stosujących najnowocześniejsze rozwiązania technologiczne, jest obecnie dostępna w  Polsce dla wszystkich zainteresowanych rozwojem swoich kompetencji. Poprzez szkolenia pomagamy naszym klientom wypracować odpowiedź na wszystkie codzienne problemy techniczne występujące w przemyśle, a tym samym pomagamy w sprawnej realizacji planów produkcyjnych. Kursy organizowane są zarówno w formie otwartej w naszych ośrodkach dydaktycznych w Jankach koło Warszawy i w Gliwicach, jak również bezpośrednio u klienta. Jaki był dla branży ostatni rok i  jak ocenia Pan perspektywy roku 2014? W ubiegłym roku można było wyróżnić dwie fazy wzrostu w obszarze zapotrzebowania na automatyzację. Pierwsze półrocze to okres niewielkiego wzrostu w  porównaniu z  rokiem poprzednim, natomiast drugie półrocze to zdecydowanie większa dynamika wzrostu. Wpływ na to miało niewątpliwie ożywienie gospodarcze widoczne w zmianach wskaźników makroekonomicznych – przykładowo wskaźnik PMI od połowy roku utrzymywał się wyraźnie powyżej poziomu 50 punktów, czyli granicy świadczącej o  rozwoju gospodarki. Cały rok 2013 przyniósł Festo w  Polsce wzrost sprzedaży na poziomie dwucyfrowym, niewiele niższym niż w  ostatnich latach. Obecne prognozy na 2014 rok są bardzo obiecujące. Oprócz oceny sytuacji przez pryzmat wskaźników makroekonomicznych, analizujemy plany rozwojowe poszczególnych klientów i w większości uzyskujemy optymistyczny obraz. Życzymy naszym klientom i sobie, żeby te prognozy w  pełni się realizowały i  żeby rok 2014 przyniósł kolejne sukcesy i satysfakcję z partnerskiej współpracy.

Rozmawiała Urszula Chojnacka

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

PAR

41


Automatyka      ZARZĄDZANIE PRODUKCJĄ, UTRZYMANIE RUCHU

Firma Rittal ma w ofercie nowoczesny system ramion nośnych, przeznaczony do montażu paneli operatorskich. Do zalet systemu należą estetyczny wygląd, uniwersalna konstrukcja, łatwość montażu oraz dostępność wersji o dużym dopuszczalnym obciążeniu maksymalnym.

Systemy ramienia nośnego sprawdziły się jako ergonomiczne połączenie między maszyną, urządzeniem obsługowym i  operatorem, jednak stawiane im wymagania stale rosną. To, czego obecnie dokonano na linii między

człowiekiem a  maszyną, ukazuje rozwój platformy systemu ramion nośnych firmy Rittal. Nowy, kompleksowy system modułowy to jednolite rozwiązanie obejmujące potrzebne funkcje, sposób montażu i  projektowania, oferowane

w  jednorodnej stylistyce i  sprawdzające się z wszelkimi obciążeniami o masie do 180 kg. Systemy ramienia nośnego umożliwiają łatwe i  precyzyjne obracanie oraz podnoszenie i  nachylanie paneli

Fot. RITTAL

System ramienia nośnego dla stanowisk człowiek–maszyna

REKLAMA

Szafy Szafysterownicze sterownicze od odXS XSdo doXXL. XXL. ENCLOSURES ENCLOSURES ENCLOSURES ENCLOSURES

ss_poln_420x108_2-seitig.indd ss_poln_420x108_2-seitig.indd 1 1

POWER POWER POWER DISTRIBUTION POWER DISTRIBUTION DISTRIBUTION DISTRIBUTION

CLIMATE CLIMATE CLIMATE CLIMATE CONTROL CONTROL CONTROL CONTROL

25.01.2012 25.01.2012 11:21:23 11:21:23 ss_poln_420x108 ss_p


TE ROL NTROL ROL CONTROL

Fot. RITTAL

Łatwa regulacja jest możliwa również bez demontażu systemu

operatorskich. Dzięki temu operator maszyny ma zawsze najlepszy podgląd i kontrolę nad maszyną lub systemem. Jednak do prawdziwie efektywnego rozwiązania potrzeba czegoś więcej niż niemęcząca i bezpieczna praca. Do typowych wymagań konstruktorów maszyn i urządzeń odnośnie systemów ramienia nośnego należą m.in. indywidualna zabudowa, estetyczna forma, jednolity design w  szerokim zakresie dopuszczalnych obciążeń, szybki montaż, łatwe ustawienie kompletnego systemu oraz wszechstronne możliwości wprowadzania kabli.

Jeden system do trzech stopni obciążenia Nowy system ramienia nośnego może być obecnie wykonany w  trzech stopniach obciążenia: 60 kg, 120 kg lub 180 kg (w  odniesieniu do wysięgnika o  długości 1 m) i  w  jednolitym systemie funkcji, montażu i  projektowania. System ten obejmuje i  w  przyszłości zastąpi dotychczasowe systemy CP-L i  CP-XL. – Dzięki temu Rittal ma unikalną pozycję na rynku. W tradycyjnych rozwiązaniach przedziały obciążeń rozciągają się nawet na siedem różnych systemów ramienia nośnego, które

ITITINFRASTRUCTURE INFRASTRUCTURE IT INFRASTRUCTURE IT INFRASTRUCTURE

12 1:21:23 11:21:23 ss_poln_420x108_2-seitig.indd ss_poln_420x108_2-seitig.indd 2 2

ponadto rzadko są wzajemnie kompatybilne, czy to pod względem stylistycznym, czy też łączenia lub funkcjonalności. Z tego wynikają takie problemy, jak duża liczba różnych komponentów i konieczność ciągłych konsultacji – objaśnia Stefan Körner, Product Management Enclosures w Rittal.

Indywidualne rozwiązania z modułów Nowy modułowy system ramienia nośnego Rittal zawiera wiele sprytnych rozwiązań, począwszy od ramienia nośnego, przez zarządzanie okablowaniem, aż

SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE SOFTWARE &&SERVICES SERVICES & SERVICES & SERVICES Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

43

www.rittal.pl www.rittal.pl

25.01.2012 25.01.2012 11:21:24 11:21:24


Automatyka      ZARZĄDZANIE PRODUKCJĄ, UTRZYMANIE RUCHU

po serwis i doposażenie. Składające się z profilu nośnego, przegubu pośredniego i kątowników ramię nośne może być zamontowane zarówno na górze, na maszynie, jak i na bocznej ścianie. Do montażu służą mocowania do ścian lub podłoża w  dwóch różnych wymiarach oraz elastyczne przeguby nakładane i  ścienne, z rozgałęzieniem poziomym. Ponadto adaptery systemowe zapewniają dopasowanie do odpowiednich przekrojów innych profili ramion nośnych tego systemu, np. gdy ma zostać przyjęte większe obciążenie. W ten sposób system można optymalnie dopasować do potrzeb użytkownika. Jeżeli potrzebne są długie wysięgniki o dużej stabilności, np. profil nośny 180 zamknięty, to za pomocą adaptera systemowego 180/120 można zastosować w  części pionowej odpowiednio mniejszy profil nośny. Aby uzyskać żądany udźwig i zasięg dla danej aplikacji, dostępne są profile nośne o różnych przekrojach i długościach: 250 mm, 500 mm, 1000 mm i  2000 mm (wersja zamknięta). Wszystkie są wyprodukowane z  owalnego profilu aluminiowego – także do obciążeń do 180 kg. Większość ramion nośnych na rynku jest wyposażonych w czworokątny profil rurowy. Nowa geometria profilu nie tylko jest atrakcyjna pod względem wizualnym, lecz również gwarantuje znacznie większą stabilność pod względem występujących obciążeń

44

Promocja

zginających i  skręcających. Ponadto konstrukcja gwarantuje minimalizację charakterystyki drgań oraz wygodniejszą obsługę, w  związku z  mniejszymi siłami potrzebnymi do manipulowania. Jeżeli do danego zastosowania wymagana jest specjalna długość, wykraczająca poza wymiary standardowe, istnieje możliwość skracania profili według potrzeb. Późniejsze nacinanie gwintów nie jest potrzebne.

Otwarty profil do szybkiej instalacji okablowania Profile nośne są również dostępne w  wariancie otwartym, o  geometrii w  układzie X. To rozwiązanie jest przeznaczone dla długości 500 mm, 1000 mm i 2000 mm i daje użytkownikowi do dyspozycji dwa osobne kanały kablowe w  jednym profilu. Dzięki temu istnieje możliwość osobnego układania przewodów sterujących i zasilających, w  celu uniknięcia niepożądanych zakłóceń. Zdejmowane pokrywy elementów kątowych, połączeń i  przegubów zapewniają łatwy dostęp do przewodów. Dzięki otwartemu profilowi, który jest zamykany listwą z  tworzywa sztucznego z  zachowaniem stopnia ochrony IP54 i wymagań estetycznych, w  każdej chwili można szybko i  łatwo zainstalować przewody, nawet z konfekcjonowanymi wtykami DVI lub

Elastyczne możliwości wprowadzania i przeprowadzania kabli

VGA. Jest to możliwe również później, bez konieczności demontowania profilu nośnego czy obróbki mechanicznej. Całkowita przelotowość wprowadzania i  przeprowadzania przewodów sprawdza się właśnie w  przypadku serwisu lub rozbudowy elementów sterujących w  obudowie urządzenia operatorskiego. Elementy kątowe charakteryzują się jeszcze jednym przydatnym szczegółem: dzięki odpowiednim wykrojom w pokrywach można np. szybko i łatwo zainstalować na ramieniu nośnym kolumny sygnalizacyjne – bez wiercenia i frezowania. To, że system modułowy został zaprojektowany tak, aby był przyjazny w  użytkowaniu, podkreślają dwie inne czynności, które w  przeciwieństwie do tradycyjnych systemów są możliwe całkowicie bez demontażu systemu ramienia nośnego: ustawianie już zainstalowanych ramion nośnych, a  następnie ograniczenie kąta obrotu. Podczas regulacji użytkownik po prostu zdejmuje osłonę elementów połączeniowych ramienia i ma dostęp do obu śrub regulujących.

RITTAL Sp. z o.o. ul. Domaniewska 49, 02-672 Warszawa tel. 22 310 06 00, fax 22 310 06 16 www.rittal.pl

Fot. RITTAL

W ramieniu nośnym wygodnie mieszczą się wszystkie przewody, w tym przewody pneumatyczne


Chcesz zredukować swoje koszty? Polegasz na niezawodnych rozwiązaniach? Oferujemy odpowiednią technologię oraz kompetencje.

Wystarczy zeskanować kod QR i zawsze będziesz miał dostęp do najnowszej wiedzy dzięki aplikacji Festo Automation.

Bezpieczeństwo | Prostota | Efektywność | Kompetencje

Festo Sp. z o.o.

Nowy siłownik znormalizowany DSBC z amortyzacją PPS Inteligentny i wydajny system amortyzacji PPS w położeniach końcowych w sposób optymalny dostosowuje się do zmian obciążeń i prędkości. Oszczędzany jest czas instalacji i zwiększana jest elastyczność stosowania przy jednoczesnym podniesieniu niezawodności procesu. A przede wszystkim zwiększana jest Twoja produktywność.

Janki k/Warszawy ul. Mszczonowska 7 05-090 Raszyn Contact Center Tel. +48 22 711 41 00 Fax +48 22 711 41 02 www.festo.pl


Automatyka      NAPĘDY I UKŁADY WYKONAWCZE

Wariant siłownika ze szpilkami ściągającymi DSBG

Siłownik pneumatyczny DSBC

Firma Festo oferuje serię siłowników znormalizowanych DSBC z samonastawną amortyzacją PPS dostępną w standardzie.

Siłowniki serii  DSBC gwarantują konstruktorom i  użytkownikom końcowym amortyzację pneumatyczną zachowującą wszystkie swoje zalety, ale pozbawioną trudności w zakresie instalacji i bez dodatkowych kosztów, związanych z  uruchomieniem czy eksploatacją napędu. Siłownik znormalizowany DSBC z systemem amortyzacji PPS to gotowe rozwiązanie do wielu zastosowań. Pracuje on automatycznie i w bezpieczny, kontrolowany sposób wytraca energię na końcu skoku, stosownie do prędkości, z jaką siłownik się porusza, oraz do

46

Promocja

obciążenia, jakie przenosi. Dzięki temu łatwiej jest spełnić wymagania norm bezpieczeństwa i  sporządzić instrukcje instalacji, zgodne z  Dyrektywą Maszynową. Sercem systemu amortyzacji PPS firmy Festo jest innowacyjna konstrukcja tłoka z nakładką amortyzującą. Znajdują się w  niej specjalne kanaliki o  przekroju półokrągłym i w kształcie litery V, biegnące przez całą długość lub tylko jej część. Taka konfiguracja umożliwia wypychanie pewnej objętości powietrza, proporcjonalnej do inercji tłoka w  momencie jego wsuwania się, do zamkniętej komory w pokrywie końcowej. W ten sposób uzyskiwane jest płynne i powtarzalne zwalnianie ruchu na końcu skoku.

Oszczędność czasu Samonastawna amortyzacja PPS firmy Festo oznacza brak konieczności wielokrotnego korygowania ustawień, wymaganego zazwyczaj podczas regulowania amortyzacji standardowych siłowników pneumatycznych. System

amortyzacji w  siłownikach znormalizowanych DSBC ułatwia uruchomienie i  oszczędza czas. Amortyzacja w  położeniach końcowych jest dynamiczna i  zarazem łagodna, a  ręczna regulacja nie jest wymagana. Stosowanie siłowników nowej serii DSBC przynosi korzyści również projektantom. Mają oni do wyboru dużą liczbę modułowych wariantów, umożliwiających dostosowanie konfiguracji do specyficznych środowisk pracy i zastosowań, przy jednoczesnym zachowaniu efektywności ekonomicznej. Seria siłowników DSBC to następca sprawdzonych produktów DNC oraz DNCB. Dzięki wymiarom zgodnym z  wymogami ISO  15552 siłowniki DSBC mogą bez problemu zastąpić starsze produkty – z  wykorzystaniem znacznie bardziej uproszczonego procesu doboru komponentów. Siłowniki DSBC są dostępne w siedmiu średnicach tłoka (do 125 mm) i ze skokami do 2,8 m. Szeroki zakres wariantów uszczelnień,

Fot. Festo

Siłownik DSBC z inteligentną amortyzacją PPS


w  dostawie powietrza, a  także wersję do pracy w obszarach zagrożonych wybuchem, zgodną z ATEX 2G, wraz z odpowiednią dokumentacją.

Niższe koszty Strategia wspólnych części, stosowana przez Festo, pozwala obniżyć koszty logistyki i produkcji, w wyniku czego klient uzyskuje krótszy czas realizacji serii produkcyjnej oraz konkurencyjne ceny. W  magazynach Festo znajduje się też duża liczba siłowników o  standardowych skokach, które mogą być dostarczone następnego dnia. Siłowniki o  skoku niestandardowym są dostępne na zamówienie. Minimalizacja kosztów jest możliwa dzięki zastosowaniu opatentowanej konstrukcji tłoka, w  której zastosowano innowacyjną technikę trójstopniowego formowania. Nowy tłok stanowi konstrukcyjnie jeden element, który składa się z uszczelnień, pierścienia prowadzącego oraz magnesu dla sygnalizacji położenia tłoka.

Siłownik pneumatyczny DSBC z czujnikiem SMT 8M A

Fot. Festo

Konstrukcje i warianty P

Elastyczne tłumienie

M…

Tłoczysko z gwintem specjalnym

PPV

Regulowana amortyzacja pneumatyczna

...E

Tłoczysko wydłużone

PPS

Nowość: automatyczna amortyzacja pneumatyczna

C

Z głowicą zaciskową

E...

Blokada położenia końcowego

A

Do współpracy z czujnikami zbliżeniowymi

Q

Kwadratowe tłoczysko

T

Tłoczysko dwustronne

R3

Wysoka odporność na korozję

T1/T4

Uszczelnienia odporne na temperatury do 120/150 °C

A2

Ochrona przed zapyleniem z zastosowaniem uszczelnień ze zgarniaczem

T3

Niskie temperatury do –40 °C

A3

Odpowiedni do pracy bezsmarowej

U

Mała prędkość

EX4

Do strefy zagrożonej wybuchem

L

Małe tarcie

P2

…L

Tłoczysko z wydłużoną częścią gwintowaną

Nowość: wersja z mieszkiem osłonowym na tłoczysku

F

Gwint wewnętrzny w tłoczysku

D3

Nowość: profil z rowkami dla czujników na trzech bokach

zoptymalizowanych pod kątem specyficznych zastosowań, obejmuje twarde pierścienie zgarniające chroniące przed pyłem, uszczelnienia do pracy bezsmarowej w  środowiskach, w  których np. tłoczyska są myte, uszczelnienia przeznaczone do pracy w temperaturach do –40 °C lub odporne na wysokie temperatury do  +150 °C, a  także uszczelnienia kwasoodporne.

Opcjonalne warianty udostępniają kwadratowe tłoczysko stanowiące zabezpieczenie przed obrotem, opcje uszczelnień przeznaczone do eksploatacji przy małych stałych prędkościach bez efektu ruchu skokowego lub dla uzyskania bardzo niskiego tarcia, głowicę zaciskową i  blokadę położeń końcowych zapobiegające ruchom siłownika nawet w  przypadku przerwy

Więcej informacji na temat siłowników DSBC można znaleźć na stronie internetowej www.festo.pl.

Festo Sp. z o.o. Janki k. Warszawy ul. Mszczonowska 7, 05-090 Raszyn tel. 22 711 41 00, fax 22 711 41 02

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

www.festo.pl

47


Automatyka      NAPĘDY I UKŁADY WYKONAWCZE

Ceny energii rosną od lat, stąd coraz większe zainteresowanie możliwościami oszczędzania energii w systemach automatyki w przemyśle i handlu. Dzięki temu, mimo rosnących cen, użytkownicy mogą utrzymać koszty produkcji na stałym poziomie lub nawet je obniżyć.

Dołączane z zewnątrz filtry generują dodatkowe koszty i straty, które należy uwzględnić w kalkulacji opłacalności danego wdrożenia. Dlatego najkorzystniejszym rozwiązaniem są zazwyczaj przetwornice ze zintegrowanymi filtrami

Przetwornice częstotliwości DANFOSS VLT Sposób na mądre oszczędzanie w systemach automatyki

Napędy elektryczne kluczem do obniżenia kosztów W  technologii budowy maszyn niezwykle ważnym obszarem w  zwiększaniu energooszczędności są napędy elektryczne. Są one obecnie najbardziej efektywnym rozwiązaniem,

pozwalającym szybko i  w  istotnym stopniu zredukować zużycie energii. Regulacja prędkości obrotowej w silnikach elektrycznych może np. energetycznie zoptymalizować eksploatację kompresorów w  systemach chłodniczych, wentylatorów w  układach klima­tyzacji, pomp w  gospodarce wodno-ściekowej i  wielu innych napędów używanych w  przemyśle. Centralny Związek Przemysłu Elektrotechnicznego i  Elektrycznego w  Niemczech (ZVEI) przewiduje, w  samym tylko przemyśle, możliwość

Prawidłowy dobór komponentów napędu elektrycznego to redukcja kosztów zużycia energii

48

Promocja

zaoszczędzenia powyżej 15 proc. zużycia prądu w przypadku systemów napędzanych silnikami elektrycznymi. Jednak niezależnie od tego, jakie środki podejmą użytkownicy, muszą je zawsze sprawdzić przed wdrożeniem, by oszacować opłacalność takiej inicjatywy.

Rola filtrów Z  uwagi na zasadę działania przetwornice częstotliwości wytwarzają zakłócenia elektromagnetyczne. Aby ograniczyć zakłócenia, dla każdej przetwornicy częstotliwości producent oferuje odpowiednie filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMV/RFI). Filtry te mogą być wbudowane w urządzeniu lub zewnętrznie podłączane od strony zasilania. Możliwe jest też jednoczesne zastosowanie wbudowanych filtrów wewnętrznych i  zewnętrznych. Od strony silnika są ponadto instalowane filtry sinusoidalne bądź filtry du/dt. Napięcie wyjściowe przetwornicy częstotliwości jest sygnałem modulowanym, składającym się z impulsów o wysokiej częstotliwości. W  efekcie napięcie wyjściowe traci postać sinusoidalną.

Fot. Danfoss Poland

Producenci maszyn i  urządzeń zyskują przewagę nad konkurencją, konstruując urządzenia o  mniejszym zużyciu energii, a  tym samym generujących niższe koszty eksploatacji.


MAKING MODERN LIVING POSSIBLE

W zależności od długości kabla i izolacji silnika napięcie to może stwarzać zagrożenie uszkodzenia izolacji uzwojeń silnika. Jest to problematyczne przede wszystkim w przypadku starszych silników. Filtry silnikowe ograniczają szybkość narastania napięcia na zaciskach uzwojeń i ograniczają amplitudę napięć szczytowych. Tym samym chronią izolację uzwojeń przed przebiciem. Niewątpliwą zaletą przetwornic częstotliwości z  zewnętrznym opcjonalnym filtrem jest cena przetwornicy – ubogie wyposażenie w standardzie przekłada się na niższy koszt zakupu. Urządzenia są tańsze i często mniejsze niż te z wbudowanymi filtrami. Poważną wadą jest jednak potrzeba wygospodarowania dodatkowego miejsca w szafie rozdzielczej na montaż filtru. Większa szafa i koszt montażu to wydatki, których można uniknąć, stosując rozwiązania ze zintegrowanymi filtrami.

Bądź innowacyjny w automatyce napędowej, zaufaj ekspertom Danfoss i produktom marki VLT® AutomationDrive Przetwornica częstotliwości VLT® to efektywny i oszczędny układ sterowania napędem elektrycznym. VLT® to najlepsza kontrola silnika elektrycznego maszyny w każdym obszarze zastosowań. Danfoss Drives jest światowym liderem w produkcji elektronicznie regulowanych napędów, a nasi eksperci służą Klientom fachowym doradztwem w ponad 100 krajach.

Rzetelne obliczanie strat W  świetle oceny sprawności układu napędowego najważniejsze są informacje dotyczące strat cieplnych danego urządzenia. Naturalnie i  w  tym przypadku należy poddać analizie profil czasowy poziomu obciążenia układu w  stosunku do parametrów znamionowych. Ponieważ użytkownicy i konstruktorzy właśnie na tej podstawie ustalają m.in. zapotrzebowanie na wentylację danej szafy rozdzielczej, informacje te mogą być uważane za bardziej rzetelne przy ostatecznej ocenie sprawności układu. Należy jednak zaznaczyć, że wszystkie filtry zewnętrzne generują dodatkowe straty, które nie są uwzględnione we współczynniku sprawności samej przetwornicy. Dotyczy to zarówno filtrów zakłóceń elektromagnetycznych (filtry EMV/RFI), jak również filtrów silnikowych: sinusoidalnych i  du/dt, instalowanych od strony silnika. Te dodatkowe straty należy uwzględnić przy projektowaniu wentylacji szafy rozdzielczej. W  przypadku przetwornic z fabrycznie wbudowanymi filtrami ich straty są już zwykle ujęte w danych katalogowych urządzenia.

to rok w historii

Podsumowanie

kiedy Danfoss, jako pierwsza firma na świecie, rozpoczął masową produkcję przetwornic częstotliwości o nazwie VLT®

Przy porównywaniu współczynników sprawności dwóch przetwornic częstotliwości należy mieć na uwadze, czy obie mają wbudowane filtry i  czy – odnośnie filtrów EMV/RFI – spełniają te same normy ograniczania zakłóceń. Natomiast próba zaoszczędzenia na samych filtrach, poprzez zrezygnowanie z nich lub zamontowanie produktów o  gorszych parametrach, prowadzi zazwyczaj w konsekwencji do dodatkowych kosztów, związanych właśnie z rosnącymi stratami energii i koniecznością montażu mocniejszych urządzeń chłodzących. Aby uzyskać więcej informacji na temat prawidłowego doboru komponentów napędu elektrycznego dla zapewnienia redukcji kosztów zużycia energii, warto odwiedzić stronę: www.danfoss.pl/napedy (dział „Nowości”) oraz skorzystać z oprogramowania VLT HVAC Energy Box.

www.danfoss.pl/napedy THE REAL DRIVE

ul. Chrzanowska 5 05-825 Grodzisk Mazowiecki tel. 22 755 06 68 e-mail: info@danfoss.pl www.danfoss.pl/napedy

REKLAMA

Fot. Danfoss Poland

Danfoss Poland Sp. z o.o.

Danfoss Poland Sp. z o.o. ul. Chrzanowska 5, 05-825 Grodzisk Mazowiecki Telefon: (48 22) 755 06Robotyka  nr 68 . telefax: (48 22) 755 07 01 Pomiary Automatyka 2/2014 49 vlt@danfoss.pl


Robotyka      roboty przemysłowe i manipulatory

SCHUNK liderem systemów wymiany narzędzi Wzrost udziału robotów w procesach

do automatyzacji procesów

Oferta firmy SCHUNK w zakresie akcesoriów do robotów obejmuje chwytaki pneumatyczne i serwoelektryczne, przepusty obrotowe, kompensatory błędu położenia, jednostki antykolizyjne, wrzeciona pneumatyczne i systemy wymiany narzędzi. Szczególnie te ostatnie przechodzą intensywny rozwój konstrukcyjny, związany z komplikacją zadań technologicznych, wykonywanych przez roboty. Roboty w coraz większym zakresie uczestniczą w procesach montażu, obróbki i pomiarów oraz wykonują coraz więcej operacji w jednym gnieździe technologicznym. Pociąga to za sobą konieczność zmiany oprzyrządowania podczas procesu produkcyjnego.

produkcyjnych, oferuje szeroką

Dostępne narzędzia

produkcyjnych, połączony ze wzrostem komplikacji procesów technologicznych wykonywanych przez roboty, wymusza rozwój oprzyrządowania, pozwalający na realizację postawionych zadań. Firma SCHUNK, lider w zakresie produkcji komponentów

paletę produktów do wyposażenia robotów przemysłowych i laboratoryjnych, umożliwiających tworzenie aplikacji standardowych i nietypowych.

Firma SCHUNK ma w ofercie bardzo szeroki wachlarz standardowych i wyspecjalizowanych systemów wymiany narzędzi. Do podstawowych produktów tego typu można zaliczyć: • Sprzęgi miniaturowe typu MWS 20 (rys. 1) o maksymalnym obciążeniu 0,5 kg i 0,5 Nm, zawierające do sześciu przepustów pneumatycznych i  elektrycznych. Mają zastosowanie

Rys. 4. Złącze SWS-L z modułami sygnałów sterujących, przepustami wysokonapięciowymi i prądowymi

w aplikacjach laboratoryjnych i małego montażu; • Sprzęgi manualne typu HWS 040 – HWS 125 (rys. 2) o udźwigu w zakresie 8–54 kg i momentach 50–320 Nm, zawierające do sześciu

Rys. 1. Złącze MWS

50

Promocja

Rys. 2. Złącze HWS

Fot. SCHUNK

Rys. 3. Złącze SWS składa się z głowicy montowanej na robocie i adaptera od strony narzędzia. Na zdjęciu widoczne są przepusty pneumatyczne i elektryczne


Rys. 5. Złącze ze zintegrowanymi zaworami sterującymi (poz. 3 na rysunku)

przepustów pneumatycznych oraz do 26-pinowych przepustów elektrycznych o obciążalności 3 A przy 50 V. Stosuje się je do szybkiego i prostego przezbrojenia robota podczas przerw technologicznych, związanych z przestawieniem linii produkcyjnej; • Złącza typu SWS (rys. 3), SWS-L (rys. 4) oraz SWS-I, zawierające zintegrowane zawory pneumatyczne (rys. 5). Złącza te są przeznaczone do zastosowań przemysłowych, gdzie podczas procesów produkcyjnych konieczna jest automatyczna wymiana narzędzi i oprzyrządowania robota. Charakteryzują się one możliwością przenoszenia dużych obciążeń, tj. do 455 kg i 3800 Nm dla systemu SWS oraz do 1500 kg i 13750 Nm dla systemów SWS-L.

wysokonapięciowych i światłowodowych, przepustów dla sygnałów sterujących i wizyjnych, serwomodułów (rys. 6), złączy USB i przepustów transmisji danych. Moduły transmisji danych spełniają standardy protokołów CAN, PROFIBUS, Ethernet (rys. 7), PROFINET (rys. 8) oraz CC-Link. Firma SCHUNK ma w ofercie także specjalnie konstrukcje złączy z otworami przelotowymi o średnicach do 160 mm i złącza z przepustami obrotowymi do przenoszenia napędu. Dzięki dużemu doświadczeniu

w zakresie projektowania i wykonania złączy do robotów firma SCHUNK jest w stanie opracować i wykonać konstrukcje pod specjalne, niestandardowe aplikacje klienta (rys. 9). Temat wyposażania robotów w złącza wymiany narzędzi i osprzętu jest bardzo obszerny i wymaga indywidualnego podejścia do potrzeb produkcyjnych klienta. Osoby zainteresowane zapraszane są do bezpośredniego kontaktu z doradcami technicznymi firmy SCHUNK. SCHUNK Intec Sp. z o.o. ul. Puławska 40A, 05-500 Piaseczno tel. 22 726 25 05, www.schunk.com www.pl.schunk.com

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

Modułowa budowa

Fot. SCHUNK

Modułowa konstrukcja złączy typu SWS zapewnia możliwość optymalnego doboru złącza do aplikacji robota. Składa się ona ze złącza bazowego SWS i modułów rozszerzających, umożliwiających zabudowę zaworów sterujących, przepustów pneumatycznych, hydraulicznych, próżniowych, wysokoprądowych,

Rys. 6. Serwomoduł z przepustami zasilającymi i sterującymi do napędów serwoelektrycznych

Rys. 7. Moduł EtherNet/IP

Rys. 8. Moduł PROFINET

Rys. 9. Specjalistyczne złącze, zbudowane na bazie standardowych modułów, dostosowane do aplikacji klienta

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

51


rynek i technologie      technika zaworowa w pneumatyce

Zawory w układach pneumatycznych W wielu gałęziach przemysłu, m.in. w górnictwie,

ELEMENTY WYKONAWCZE

OBIEKT STEROWANIA

budownictwie, kolejnictwie, motoryzacji, farmacji, obróbce skrawaniem, urządzenia

LEGENDA ELEMENTY STERUJĄCE

ZASILANIE SPRĘŻONYM POWIETRZEM

pneumatyczne wciąż odgrywają istotną rolę. Obecnie, dzięki powszechności i dostępności

SYGNAŁ STERUJĄCY ELEMENTY PRZETWARZAJĄCE INFORMACJE

DZIAŁANIE MECHANICZNE

urządzeń stanowiących źródła energii pneumatycznej oraz

ELEMENTY WEJŚCIOWE

INFORMACJE Z ZEWNĄTRZ

rozwojowi wiedzy w zakresie sterowania tą energią, pneumatyka jest stosowana

ELEMENTY PRZYGOTOWANIA SPRĘŻONEGO POWIETRZA

URZĄDZENIA WYTWARZAJĄCE SPRĘŻONE POWIETRZE

chętnie i praktycznie w każdej

Na rynku jest wielu producentów oraz dostawców pneumatyki, zarówno tej prostej, jak i bardzo zaawansowanej. W ofertach handlowych można znaleźć nie tylko elementy składowe układów pneumatycznych, ale także gotowe rozwiązania całych podsystemów. Obecnie inżynier, chcący posłużyć się w projektowanym urządzeniu techniką sprężonego powietrza, nie tyle projektuje podzespół pneumatyczny, co dobiera go spośród znormalizowanych lub dostępnych w asortymencie handlowym. Odnosi się to zarówno do urządzeń wytwarzających sprężone powietrze (sprężarki), elementów magazynowania (zbiorniki), przenoszenia (przewody, złączki) i sterowania (zawory) oraz odbiorników (silniki, siłowniki). Wybrane parametry robocze tych elementów, cechy funkcjonalne, przeznaczenie, zasady eksploatacji są znormalizowane.

52

Napęd pneumatyczny to z definicji napęd mechanizmów maszyn i urządzeń, realizowany za pomocą energii sprężonego gazu, przy czym zazwyczaj tym gazem jest powietrze. Stosuje się go w maszynach i urządzeniach technologicznych, głównie do realizacji przesuwów mechanizmów oraz wywoływania określonego nacisku statycznego. Napęd pneumatyczny jest realizowany za pomocą siłowników (zazwyczaj o ruchu prostoliniowym) lub silników pneumatycznych (o ruchu wirującym). Różnorodność zastosowań techniki sprężonego powietrza wynika przede wszystkim z zalet urządzeń z napędem pneumatycznym. Do istotnych korzyści należy zaliczyć: ogólną dostępność powietrza oraz jego niski koszt; możliwość uzyskiwania dużego zakresu ciśnień (nawet do 300 bar, standardowo 4–12 bar) i natężeń przepływu sprężonego powie-

trza (nawet ponad 8000 l/min, standardowo 0–1500 l/min); wytwarzanie nadciśnienia lub podciśnienia w układach pneumatycznych; prostą instalację – brak przewodów powrotnych czynnika, odpowietrzenie i odprowadzenie zużytego czynnika z układu następuje do otoczenia; bezpieczeństwo i czystość tego typu napędu; dużą szybkość działania, uzyskiwanie bardzo dużych prędkości ruchu; łatwość kontrolowania i zabezpieczenia układów przed przeciążeniami; łatwość uzyskania ruchu prostoliniowo-zwrotnego; możliwość uzyskiwania szerokiego zakresu generowanych sił i momentów w przetwornikach energii sprężonego powietrza – siłownikach i silnikach. Naturalną tendencją rozwojową było zaimplementowanie do techniki napędu i sterowania pneumatycznego elektrotechniki (sterowanie elektropneumatyczne), a następnie elektroniki, co

Fot. Baumer

Rys. 1. Schemat blokowy układu pneumatycznego

gałęzi przemysłu.


umożliwia stosunkowo łatwą budowę układów pneumatycznych programowalnych (PLC lub CNC), a dziedzinę tę nazwano pneumoniką. Jako podstawowe grupy elementów pneumatycznych układów napędu i sterowania można wymienić: • elementy wykonawcze (siłowniki i silniki pneumatyczne), • elementy sterujące pracą członów wykonawczych (m.in. zawory rozdzielające, zawory zwrotne, dławiące, reduktory ciśnienia), • elementy przetwarzające informację (zawory logiczne rozdzielające, opóźniające, progowe, sekwencyjne, wyspy zaworowe, sterowniki pneumatyczne), • elementy wejściowe (przyciski, dźwignie, łączniki drogowe), • elementy przygotowania sprężonego powietrza (filtry, reduktory, smarownice, elementy kontrolne, osuszacze), • elementy wytwarzania sprężonego powietrza (sprężarki), • elementy do magazynowania sprężonego powietrza (zbiorniki), • przewody zasilające i sterujące, złącza oraz przyłącza. Podstawowe grupy elementów pneumatyki przedstawiono na schemacie blokowym układu pneumatycznego (rys. 1 [1]). Należy zauważyć, że istnieje naturalne ograniczenie transportowania powietrza przez przewody na odległość do około 1 km, co wynika ze spadku ciśnienia, m.in. na skutek zjawiska tarcia powietrza o ścianki przewodu.

Jednak dzięki zjawisku ściśliwości powietrza (około 2000 razy większa niż oleju hydraulicznego) można je łatwo magazynować w zbiornikach. Generowana siła w elementach napędowych przyjmuje wartości do kilkunastu kN, przy stosowanym ciśnieniu powietrza w pneumatyce technicznej nieprzekraczającym wartości 10 bar (1 MPa). Cechą wspólną układów hydraulicznych i pneumatycznych jest proste sterowanie zarówno siłą lub momentem obrotowym – przez regulację ciśnienia (p), jak i prędkością liniową siłowników lub prędkością obrotową silników – przez regulację natężenia przepływu (Q). Do ustalania wartości ciśnienia stosowane są zawory redukcyjne, do ustawienia przepływu (wydajności objętościowej lub masowej) – zawory dławiące. W zadaniach inżynierskich przyjmuje się, że czynnik roboczy, jakim jest sprężone powietrze, w ustalonych warunkach pracy maszyny jest praktycznie nieczuły na wahania temperatury otoczenia, a zmiany temperatury powietrza są istotne jedynie z punktu widzenia skraplania się pary w powietrzu, czyli „punktu rosy”. W pneumatyce, do opisu zasad działania poszczególnych elementów, jak i całych układów, stosuje się znormalizowany zapis symboliczny, zawarty w normach PN-ISO 1219-1 1991 oraz PN-ISO 1219-2:1998.  Terminologia techniki napędu i sterowania pneumatycznego była usystematyzowana międzynarodową normą ISO 5598 z 1985 r. Jej

odpowiednikiem w języku polskim była norma PN-M-73001:1991. Norma ta została wycofana bez zastąpienia, lecz nadal w literaturze pojawiają się definicje powołujące się na to opracowanie. Dobór elementów układu pneumatycznego musi być poparty obliczeniami w zakresie wymaganych ciśnień oraz przepływów. Wartości ciśnienia w przypadku układów pneumatycznych podawane są najczęściej w barach. Przepływ (strumień powietrza) podawany jest w litrach na minutę. Ważne jest zwrócenie uwagi na warunki odniesienia podawanego przepływu. W praktyce można spotkać się z tzw. warunkami normalnymi. Za takie w Europie uznaję się temperaturę powietrza 0 °C, ciśnienie otoczenia 1 bar i wilgotność względną 0 %. Wówczas przepływ podawany jest w Nl/min, tj. normalny litr na minutę. W przypadku znacząco odmiennych warunków pracy należy dokonać przeliczenia parametrów roboczych. Analizując dane zawarte w katalogach producentów pneumatyki technicznej należy zawsze sprawdzić warunki, dla których podane są parametry techniczne elementów. W materiałach katalogowych producenci podają przeważnie wartość przepływu przy ciśnieniu zasilania 6 bar. Zestawiając układ pneumatyczny pracujący w innych warunkach należy pamiętać o sprawdzeniu i ewentualnej korekcie tych parametrów. Kolejną istotną czynnością w procesie obliczeń i/lub doboru składowych układu jest określenie minimalnej średnicy wewnętrznej przewodów i przyłączy pneumatycznych,

Fot. Baumer

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

53


rynek i technologie      technika zaworowa w pneumatyce

którymi ma być doprowadzane i odprowadzane sprężone powietrze, zarówno do, jak i z elementów odbiorczych. Do określenia odpowiednich przekrojów konieczna jest znajomość maksymalnej rzeczywistej wartości przepływu przez te elementy i dopuszczalne spadki ciśnienia na ich wyjściach. W przypadku przewodów pneumatycznych na ogół przyjmuje się, że straty ciśnienia nie powinny przekraczać 5–10 proc. wartości ciśnienia roboczego w układzie. Zwykle przyjmuje się, że prędkość przepływu sprężonego powietrza przez przewody powinna mieścić się w granicach 10–40 m/s. W celu określenia strat ciśnienia na zaworze należy znać odpowiednie dane

charakteryzujące opór przepływu czynnika roboczego przez ten zawór. W tym celu niektórzy producenci zamieszczają w katalogach współczynniki K v zaworów (tzw. współczynnik wymiarowy zaworu) lub objętościowe natężenia przepływu powietrza przez zawory w określonych warunkach. Najczęściej spotykanym parametrem jest nominalne natężenie przepływu, tj. wartość objętościowego natężenia przepływu Q przy ustalonym ciśnieniu na wlocie zaworu (najczęściej 6 bar) i stracie ciśnienia na zaworze równej Dp  =  10  N/cm2 (1 bar). Współczynnik wymiarowy zaworu K  v umożliwia syntetyczne ujęcie oporów przepływu określonych zaworów. Uwzględnia on średnicę

nominalną zaworu, kształt kanałów zaworu oraz chropowatość ścianek kanałów przepływowych, a więc wszystkie podstawowe parametry mające wpływ na przepływ czynnika przez zawór. Współczynnik wymiarowy zaworu K v umożliwia bezpośrednie porównanie teoretycznie identycznych zaworów o tych samych parametrach podstawowych (ciśnienie, natężenie przepływu). Zamieszczanie go nie stało się jednak standardem, toteż nie zawsze jest on umieszczany w materiałach katalogowych. Pojęcie zaworu pneumatycznego definiuje norma PN-M-73702:1974. Wynika z niej, że pojęcie zaworu pneumatycznego jest bardzo szerokie i obejmuje

Tab. 1. Oznaczenie sterowania zaworami i przykłady realizacji Opis

Symbol graficzny

Opis

Sterowanie ręczne (ogólne)

Sterowanie przyciskiem wciskanym

Sterowanie za pomocą dźwigni

Sterowanie za pomocą pedału

Sterowanie za pomocą cewki

Popychacz mechaniczny

Sterowanie za pomocą rolki

Sterowanie za pomocą rolki łamanej

Sterowanie pneumatyczne przez wzrost lub spadek ciśnienia

Sterowanie elektropneumatyczne

54

Przykład realizacji

Sprężyna zwrotna

Sterowanie piezoelektrycznie

Przykład realizacji

Stosowana w zaworach monostabilnych, uwidoczniona jedynie na schemacie

Fot. Prema, Parker, ARA Pneumatik, Pneumat System, Festo, Bibus Menos

Symbol graficzny


Tab. 2. Symbole zaworów sterujących ciśnieniem, przepływem, realizujących funkcje oraz przykłady ich realizacji Symbol graficzny

Nazwa

Przykład

Symbol graficzny

Nazwa

PneumatSystem DN8

Festo SE/SEU Zawór szybkiego spustu

Zawór bezpieczeństwa

Festo OS

Festo LR Zawór alternatywy

Zawór redukcyjny

Festo GRO

Festo ZK

Zawór dławiący nastawny

Zawór koniunkcji

Festo H, HA, HB

Festo VD-3 Zawór sekwencyjny

Zawór zwrotny

Festo VLK

Festo GRxA

Przekaźnik czasowy (zawór opóźniający)

Zawór dławiącozwrotny

Festo QH

Fot. Prema, Parker, ARA Pneumatik, Pneumat System, Festo, Bibus Menos

Zawór odcinający

z jednej strony rozwiązania konstrukcyjne zaworów, z drugiej ich różnorodne przeznaczenie i pełnione funkcje w układach pneumatyki. Rozdzielacz (zawór rozdzielający) definiuje się jako element sterujący kierunkiem przepływu strumienia sprężonego powietrza, umożliwiający łączenie lub rozdzielanie dochodzących do niego dróg przepływu. Obecnie rozdzielacze spełniają dodatkowe funkcje sterowania i regulacji. Ze względu na pełnione przez nie funkcje można dokonać następującego podziału:

Przykład

2

NOT1

1

3

Zawór negacji (NOT)

Camozzi 2LT-SB4-B

10

• rozdzielacze zwykłe (konwencjonalne), służące do sterowania kierunkiem przepływu, • rozdzielacze spełniające rolę zaworów sterujących natężeniem przepływu, • rozdzielacze spełniające rolę zaworów sterujących ciśnieniem, • serworozdzielacze, będące elektrycznie sterowanymi wzmacniaczami pneumatycznymi, które umożliwiają realizację układów regulacji. Rozdzielacze zwykłe w układzie pneumatycznym pełnią rolę prostych

sterowników, służą do uruchamiania i zatrzymywania silnika lub siłownika pneumatycznego – zależnie od typu – w jednym lub w dwóch kierunkach ruchu. Opis rozdzielaczy pozostałych trzech grup wymaga znajomości podstaw automatyki i teorii sterowania. Wchodzą one np. w zakres techniki pneumatycznego i elektropneumatycznego sterowania proporcjonalnego. Dla każdej z tych grup można rozpatrywać różne rodzaje sterowania – manualne, mechaniczne, pneumatyczne, elektryczne lub mieszane (tab. 1).

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

55


rynek i technologie      technika zaworowa w pneumatyce

Producent

Festo

Bosch Rexroth

Camozzi

Prema

SMC

Oznaczenie zaworu producenta

JMEBH

Seria 581

Seria 9

22.1355.5238x

EVS7

Przepływ nominalny [l/min] Qn przy p = 6 bar i przy Dp = 1 bar

2300

2700

1610

2170

1470

Temperatura otoczenia [°C]

–5…50

–15…50

0…60

0…65

0…60

Ciśnienie robocze [bar]

2…10

1,5…10

2…10

1,5…10

1…10

Przyłącze

G 3/8

G 3/8

G 3/8

G 3/8

G 3/8

Materiał

aluminium

aluminium

aluminium

aluminium

aluminium

Przepływem powietrza sterują zawory rozdzielające. Zawór rozdzielający jest przedstawiany jako zespół kwadratów, przy czym poszczególne kwadraty określają położenie elementu sterującego (stan zaworu rozdzielającego) (rys. 2). Liczba przyłączy w kwadracie wskazuje, ile dróg zawiera zawór rozdzielający. Linie wskazują połączenie między przyłączami, a strzałki – kierunek przepływu powietrza. Wylot powietrza do atmosfery oznacza się za pomocą trójkąta. Jeżeli wylot jest zabudowany na stałe w elemencie i nie ma możliwości przyłączenia do wylotu odpowietrznika, filtra, tłumika, wówczas trójkąt rysuje się bezpośrednio przy kwadracie, bez wykazywania przyłącza. Dla zabezpieczenia prawidłowego montowania zaworów w układach pneumatycznych podstawowe przyłącza oznacza się dużymi literami lub cyframi w następujący sposób: A, B (2, 4) – przyłącza robocze P (1) – przyłącze zasilające R, S (3, 5) – przyłącze odpowietrzające X, Y, Z (12, 14, 16) – przyłącza sterujące Potocznie w praktycznej pneumatyce technicznej przez wielkość zaworu rozumie się wymiar gwintów przyłączeniowych, znajdujących się w korpusie zaworu, lub niekiedy w płytach

56

przyłączeniowych, na których może być zamontowany zawór. To samo dotyczy zaworów zestawianych w wyspy zaworowe. Wielkość ta jest identyfikowana bezpośrednio z wielkością natężenia przepływu czynnika roboczego przez zawór rozdzielający. Najbardziej typowe w pneumatyce są gwinty calowe rurowe od G1/8² do G2², a w przypadku zaworów o małych wymiarach spotyka się r��wnież gwinty metryczne od M3 do M6. W niektórych materiałach katalogowych dodatkowo podawana jest wartość DN (średnica nominalna). Oznacza ona wewnętrzną średnicę otworu, przez który następuje przepływ sprężonego powietrza. Oprócz tzw. rozdzielaczy, w szerokiej grupie zaworów pneumatycznych występują elementy spełniające dodatkowe funkcje, m.in. zawory bezpieczeństwa (ang. safety valve), regulatory ciśnienia (ang. pressure reducing valve), zawory zwrotne (kierunkowe) (ang. check

valve), dławiące (ang. nozzle, throttle valve), dławiące-zwrotne (ang. one-way flow control valve), odcinające (ang. shutoff valve), szybkiego spustu (ang. quick exhaust valve), przełączniki obiegu (ang. shuttle valve), zawory podwójnego sygnału (ang. two pressure valve), sekwencyjne, czyli kolejności działania (ang. sequence valve) oraz przekaźniki czasowe (ang. time delay valve). Znajdą one zastosowanie zarówno w torach roboczych, jak i sterowania układów pneumatycznych. Ze względu na sposób sterowania, a ściślej metody uzyskiwania poszczególnych położeń głównego elementu sterującego, rozróżnia się rozdzielacze sterowane bezpośrednio (jednostopniowe) oraz rozdzielacze sterowane pośrednio (dwustopniowe), wyposażone we własny układ wspomagania. W przypadku rozdzielaczy pneumatycznych sterowanych elektromagnetycz-

połączenia między przyłączami

Rys. 2. Symbolika stosowana w schematach funkcjonalnych rozdzielaczy

kierunek przepływu powietrza 2(A)

oznaczenie rodzaju zewnętrznego sterowania 1(P) odcięcie przepływu

przyłącze

3(R) wylot powietrza do atmosfery

Fot. Festo, Bosch Rexroth, Bibus Menos, Prema, SMC, CKD, ARA Pneumatik

Tab. 3. Przykładowe zawory 5/2, wykonane zgodnie ISO 5599-1 wielkość 2, przeznaczone do montowania na płytach zaworowych, sterowane elektromagnetycznie obustronnie, bistabilne


nie (elektropneumatyka) istnieje możliwość zainstalowania na zaworze kilku różnych rodzajów cewek, w zależności od ich zasilania i mocy. Można spotkać odmiany cewek zaworów rozdzielających z napięciami 12 V, 24 V, (rzadko 48 V), 115 V oraz 230 V i odpowiednim prądem przemiennym AC lub prądem stałym DC. Moce cewek zaczynają sie od około 2 W i są ograniczone do mocy około 20 W. Zawory o niskich parametrach roboczych – małych wielkościach przepływu oraz do niskich ciśnień – mogą być sterowane bezpośrednio cewkami, jednak rozdzielacze elektropneumatyczne są w większości sterowane pośrednio przez cewkę, co wynika z konieczności stosowania elektromagnesów o dużych mocach cewek, koniecznych do wytworzenia siły potrzebnej do pokonania oporów ruchu elementu rozdzielającego i ciśnienia medium ro-

boczego. Sterowanie pośrednie zaworami rozdzielającymi jest realizowane za pomocą dodatkowego zaworu pomocniczego, nazywanego często „pilotem”, który po przesterowaniu sygnałem elektrycznym z użyciem energii czynnika roboczego przesterowuje zawór podstawowy. Powszechnie wśród zaworów sterowanych pośrednio spotyka się piloty występujące jako dodatkowe, wymienne elementy sterowania zaworu głównego. Mogą być wyposażone w dodatkową funkcję ręcznego przesterowania realizowanego np. za pomocą śrubokręta. Idea odłączania pilota od zaworu głównego zaowocowała powstaniem standardu CNOMO, co umożliwiło zestawianie zaworów głównych z różnymi rodzajami zaworów sterujących (pilotów). W zaworach tych można stosować (uwzględniając różnice w zasilaniu i mocy) dodatkowo dwa rodzaje cewek – zgodną z ISO o wymia-

rach 30 mm × 38 mm (typ MC) i połączeniem elektrycznym według ISO 4400 (DIN 43650) oraz z mniejszą o wymiarach 22 mm × 27 mm (typ MB). Ogromna liczba dostępnych rozwiązań konstrukcyjnych pneumatycznych elementów wykonawczych i zaworów umożliwia praktycznie zestawianie układu pneumatycznego z elementów zunifikowanych, np. standardowe rozmiary siłowników oraz ich systemów mocowania, zawory wykonane zgodnie z normą ISO 5599-1 i 2. Takie podejście przy projektowaniu umożliwia geometryczną zamienność elementów, niezależnie od ich producenta. Pomimo zgodności z wymaganiami normy ISO 5599, parametry pneumatyczne zaworów nie są identyczne (tab. 3), dlatego nie można mówić nawet w tym przypadku o pełnej zamienności części. Do obowiązków osoby dokonującej

Tab. 4. Zestawienie przykładowych zaworów pneumatycznych Producent

Nazwa Typ Dystrybutor

Fot. Festo, Bosch Rexroth, Bibus Menos, Prema, SMC, CKD, ARA Pneumatik

Materiał wykonania Cecha

Camozzi

CKD

Festo

Hoerbiger

Elektropneumatyczny zawór 5/2, bistabilny

Elektropneumatyczny zawór 5/3, monostabilny

Elektropneumatyczny zawór 5/3, monostabilny

Piezoelektropneumatyczny zawór 5/3, monostabilny

E521-11-10-K10 Seria E

4KA230-08-M1-B Seria 4K

VUVG-L14-P53U-ZT-G181R8L

PS13108-616A Seria S9 1/8”

Bibus Menos

Bibus Menos

Festo

ARA Pneumatik

aluminium, technopolimer

aluminium, polimer

aluminium, HNBR, NBR

Aluminium, mosiądz, tworzywo NBR, ARCAP

Do montażu indywidualnego i wyspowego

Niski pobór mocy, bardzo dużą żywotność – min. 50 milionów cykl

Do montażu indywidualnego lub na bloku, energooszczędny, niskie przecieki konstrukcyjne

Iskrobezpieczne i dopuszczone do pracy w obszarach zagrożonych wybuchem

1…7 bar

2…7 bar

–0,9…10 bar

2,5…8 bar

0…50 °C

–5…50 °C

–5…50 °C

–10…60 °C

200 Nl/min

960 l/min

650 l/min

500 l/min

IP50

IP65

IP65

IP43

niewymagane

niewymagane

niewymagane

niewymagane

Parametry Zakres ciśnienia roboczego Zakres temperatury pracy Maksymalny przepływ Stopień ochrony Smarowanie

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

57


Rys. 3. Schemat geometrii przyłącza NAMUR, gdzie F to otwory montażowe, T – otwory do sterowania siłownikiem, M – otwory do montażu kołka ustalającego oraz przykład realizacji

ewentualnej wymiany podzespołu należy sprawdzenie i potwierdzenie ich parametrów pneumatycznych. Kolejną unifikację wprowadzoną w pneumatyce stanowi typ przyłącza NAMUR, występujący w różnych wielkościach, w zależności od natężenia przepływu. Przyłącza typu NAMUR, zgodne ze standardem VDI/VDE 3845 zostały zaprojektowane specjalnie do bezpośredniego łączenia zaworów z elementami wykonawczymi. Umożliwia to kompaktową budowę układów wykonawczych, eliminację przewodów i złączek

między zaworem i elementem wykonawczym i podnosi tym samym sprawność oraz niezawodność całego układu. Polski rynek pneumatyki technicznej, w tym zaworów pneumatycznych, jest dobrze rozwinięty. Do rzadkości należą przypadki braku elementów występujących w ofertach handlowych producentów. Niemniej należy zauważyć, że oprócz producentów pneumatyki dysponujących własnym zapleczem handlowym (m.in. Prema, Parker, Festo, Bosch Rexroth), elementy te są rozprowadzane innymi kanałami dystrybucji, np. przez

erunek dla tych, którzy budują organizacje najwyższej światowej klasy

przedstawicieli handlowych (m.in. Bibus Menos, Rektus, ARA Pneumatik). Elementami niedocenianymi i często traktowanymi zdawkowo w pneumatyce są tłumiki hałasu (tab. 5). Tłumiki hałasu są elementami niezbędnymi do wyeliminowania lub redukcji charakterystycznych dźwięków sprężonego powietrza przy wypływie do atmosfery. Powinny być montowane np. w gniazdach wylotowych powietrza rozdzielaczy typu 3/2, 5/2 lub 5/3 (oznaczone R, S lub 3, 5) i gniazdach wylotowych wysp zaworowych. Występują w standardowych rozmiarach przyłączy: M5, G1/8, G1/4, G3/8, G1/2, G3/4, G1. Materiały katalogowe zawierająa zwykle informacje o natężeniu przepływu przez tłumik przy ciśnieniu 6 bar i bezpośrednim wypływie do atmosfery oraz emitowanym przy tym poziomie hałasu. Określony jest on standardowo za pomocą fonometru, umieszczonego w trakcie pomiaru w odległości 1 m od badanego obiektu, a sam pomiar trwa 10 s. Dobierając odpowiedni tłumik należy dążyć do uzyskania jak najmniejszego hałasu przy minimalnym oporze wypływu powietrza do atmosfery. Poprawnie zaprojektowany układ pneumatyczny jest rezultatem odpowiedniego doboru wszystkich składowych elementów wchodzących w jego skład i działa według ustalonego programu pracy. Na finalny projekt takiego układu składają się przede wszystkim cyklogram pracy, schemat funkcjo-

Tab. 5. Zestawienie przykładowych tłumików hałasu firmy Camozzi wraz z podstawowymi parametrami pracy dla rozmiaru przyłącza G1/2 Model

Maksymalne ciśnienie pracy bar Natężenie przepływu Nl/min Hałas db (A) Wysokość mm

58

2901

2921

2931

2938

10

10

10

10

3400

6800

6800

8534

86

87

87

86

17,5

43,5

42

77

Fot. Bibus Menos

rynek i technologie      technika zaworowa w pneumatyce

I


Fot. Bibus Menos

nalny oraz lista dobranych elementów układu. Projektant układu pneumatycznego z jednej strony ma uproszczone zadanie, ponieważ nie musi projektować elementów składowych układu pneumatycznego, a jedynie dokonać ich poprawnego doboru. Z drugiej strony zostają mu narzucone ograniczenia w postaci gotowych handlowych elementów o określonych parametrach pracy. Niektórzy producenci, oprócz typowych danych podzespołów pneumatycznych, dostarczają procedury ich doboru, a nawet oprogramowania CAE wspomagające proces projektowania układów. Aplikacje te nie tylko wspomagają rysowanie schematów funkcjonalnych, ale i umożliwiają przetestowanie pracy układu w postaci prowadzenia komputerowych symulacji ich działania. Do tej grupy aplikacji należą m.in. Festo FluidSim i D&C Scheme Editor. Należy zauważyć, że projektant nadal jest osobą odpowiedzialną za projekt i nie może zrzucić odpowiedzialności na narzędzia, którymi się posługuje. O ile to możliwe, powinny być stosowane elementy standardowe, zunifikowane, gwarantujące redukcję kosztów projektu i uproszczenie późniejszego serwisowania układu pneumatycznego. Oczywiście

nie wszystkie projekty można zrealizować w taki sposób. Wówczas różnorodność dostępnych rozwiązań przychodzi projektantowi z pomocą, umożliwiając zrealizowanie projektu w sposób najlepiej dostosowany do wymagań. Dziś powszechnie korzysta się ze stron internetowych producentów lub dostawców – zamieszczona tam oferta jest aktualna i bardzo szeroka. Oprócz katalogów z danymi często można się natknąć na pliki CAD tych elementów, które pozwalają uszczegółowić i zweryfikować wirtualny model projektowanej maszyny, a także przewidzieć ich poprawny montaż w maszynie. Oszczędna, przejrzysta, łatwa w montażu i serwisie instalacja pneumatyczna, to jedno z podstawowych żądań zarówno współczesnych producentów, jak i odbiorców maszyn i urządzeń. dr inż. Piotr Pawełko PAR

Bibliografia:    1. Niezgoda J., Pomierski W., Sterowanie pneumatyczne ćwiczenia laboratoryjne, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1998.

   2. Szenajch W., Napęd i sterowanie pneumatyczne, WNT, Warszawa 1992.    3. Szenajch W., Przyrządy uchwyty i sterowanie pneumatyczne, WNT, Warszawa 1983.    4. Węsierski Ł., Podstawy pneumatyki. AGH, Kraków, 1990.    5. www.boschrexroth.pl.    6. www.camozzi.com.    7. www.ckd.co.jp.    8. www.clippard.com.    9. www.desouttertools.com. 10. www.festo.com. 11. www.flomatic.pl. 12. www.fujitools.com. 13. www.hoerbiger.com. 14. www.parker.com. 15. www.pneumax.it. 16. www.prema.pl. 17. www.smc.eu. 18. www.arapneumatik.pl. 19. www.bibusmenos.pl. 20. www.hafner.pl. 21. www.phu-nova.eu 22. www.pneumat.com.pl. 23. www.pneumatig.eu. 24. www.pneumat.com.pl. 25. www.rectus.pl. 26. www.zalco.com.

REKLAMA

wylot z Warszawy

1 - 3 kwietnia 2014 r.

Bolonia, Włochy

II TOC Lean Sigma MTM Transformation & KAIZEN Benchmark Tour Ducati, Lamborghini proces produkcji w zakładach

- konferencja z podziałem na panele dla firm produkcyjnych i usługowych - zwiedzanie zakładów Ducati i Lamborghini - dla chętnych zwiedzanie Muzeum Ferrari

na żywo

7% rabatu dla prenumeratorów PAR

Innowacyjne wydarzenie poświęcone najefektywniejszym tel.: 22 59 696 80 20 i najbardziej przełomowym metodom systemowych usprawnień Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014 dla branży produkcyjnej i usługowej: TOC, Lean, Sigma więcej na www.langas.pl


Nowości      Prezentacja firmowa

Elektroniczny wyłącznik ochronny ESS20

Elektroniczny wyłącznik ochronny ESS20 17 PLUS

Elektroniczny bezpiecznik samoczynny ESX10

Nowoczesność i bezpieczeństwo i E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH ponownie pojawi się na targach Automaticon w Warszawie.

Oprócz standardowych produktów firm Bedia (czujniki poziomu oraz temperatury) i E-T-A (zabezpieczenia prądowe obwodów oraz urządzeń elektrycznych) spółka El-Cab zaprezentuje po raz pierwszy pojemnościowe sondy poziomu dedykowane do przemysłu oraz elektroniczne wyłączniki ochronne.

Zabezpieczenia prądowe obwodów 24 V DC Bezpieczeństwo eksploatacji i dyspozycyjność urządzeń produkcyjnych zależą w bardzo dużym stopniu od tego, czy zastosowane komponenty będą ze sobą perfekcyjnie współdziałać w sytuacjach krytycznych. Efektywny rozdział prądu oraz selektywne zabezpieczenia obwodów prądowych DC przy napięciu 24 V mają bardzo duże znaczenie w trakcie eksploatacji. Nie należy jednak zapominać o dążeniu do redukcji kosztów montażu i okablowania komponentów. Firma E-T-A, specjalizuje się w produkcji wyłączników ochronnych do urządzeń stosowanych w instalacjach przemysłowych. Mając na względzie aspekty techniczne i kosztowe, opracowała kompleksową koncep-

60

Promocja

cję wyłączników, zapewniającą klientowi możliwość uzyskania od jednego dostawcy, optymalnego zabezpieczenia elektrycznego i rozdziału prądu w obwodach 24 V DC. Skoncentrowano się przy tym na urządzeniach do automatyzacji, mających zastosowanie w: • kompleksowych instalacjach spawalniczych, używanych w przemyśle motoryzacyjnym do produkcji surowych konstrukcji, • instalacjach przenośnikowych, • zakładach produkcyjnych przemysłu chemicznego, • systemach zabezpieczeń elektrowni, • przemyśle ciężkim, • szafach sterowniczych obrabiarek i maszyn pakujących. Wspólnie z konstruktorami i projektantami systemów elektrycznych opracowywane są optymalne rozwiązania, umożliwiające kompleksowy rozdział prądu oraz zabezpieczenie elektryczne układów stałoprądowych o napięciu 24 V. Oprócz automatycznych wyłączników z wyzwalaczem termiczno-magnetycznym, również elektroniczne wyłączniki ochronne mogą stanowić uniwersalne rozwiązanie zabezpieczające.

Bezpieczeństwo ma najwyższy priorytet W przypadku skomplikowanych procesów, realizowanych przez maszyny i instalacje, istotne znaczenie ma niezawodność i ciągłość zasilania wszystkich komponentów, w celu zapewnienia ich sprawnego funkcjonowania. Jednak gdy nastąpi przeciążenie zasilacza impulsowego o napięciu 24 V DC i ograniczenie dopływu energii, cały system przestaje działać. Aby zapobiec takiej niebezpiecznej sytuacji, stosuje się np. elektroniczny wyłącznik ochronny ESS20, którego zadaniem jest zabezpieczanie odbiorników zasilanych napięciem 24 V DC. Zintegrowany ogranicznik prądowy wyłącznika ESS20, ograniczający prąd przeciążeniowy do wartości (typowo) 1,8 × Iznam (prąd znamionowy), zapobiega krótkotrwałym zanikom napięcia, w przypadku zwarcia lub przeciążenia w obwodzie obciążenia. Selektywne zabezpieczenie wszystkich komponentów automatyki zasilanych napięciem 24 V DC, takich jak np. czujniki elektroniczne, łączniki magistrali polowych, sterowniki PLC oraz układy sterowania napędów, uzyskuje się również w niekorzystnych warunkach obciążenia. Nawet jeśli przewód obciążeniowy jest bardzo długi albo ma niewielki przekrój, urządzenie działa skutecznie, gdyż wyłącza przepływ prądu po upływie 3–5 s, już przy obciążeniu rzędu 1,1 × Iznam. Ta ważna cecha znalazła już wyraz w wielu przepisach wykonawczych, dotyczących instalacji elektrycznych.

Fot. El-Cab

Firma El-Cab, generalny przedstawiciel firm BEDIA Motorentechnik

M

ELPro a ta ELul. O 62Tel.


Fot. El-Cab

Pojemnościowe sondy poziomu CLS 40/45

Czujniki temperatury

Inteligentne czujniki poziomu ITS60

Innowacyjne rozwiązania i zmotywowany zespół

Produkty firmy BEDIA nie zawierają ruchomych części ani elementów wymagających regulacji. Są odporne na zakłócenia mechaniczne, a zaprojektowano je z myślą o wyjątkowo niezawodnej eksploatacji. Od wielu lat firma BEDIA jest uważana za godnego zaufania, solidnego partnera największych producentów maszyn rolniczych i budowlanych, sprężarek, silników, napędów oraz pojazdów technicznych. Na targach będzie można również zapoznać się z produktami ściśle dedykowanymi dla przemysłu. Pojemnościowe punktowe sondy poziomu, takie jak NR150, NR160 czy też najnowszy produkt NR260 z zastoso-

waniem do agresywnego medium, stanowią udane uzupełnienie oferty firmy Bedia. Wysokie oczekiwania klientów z całego świata motywują pracowników firmy do ciągłego udoskonalania produktów i procesów, a stabilne, wieloletnie relacje z klientami dowodzą ich zadowolenia i wysokiej jakości produktów.

BEDIA to innowacyjne przedsiębiorstwo, które opracowuje, wytwarza i dystrybuuje dobrze przemyślane rozwiązania do pomiaru poziomów napełnienia i temperatury w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych. Firma oferuje produkty dostosowane do indywidualnych potrzeb klientów, zarówno dla krótkich, jak i bardzo długich serii, łącząc w swojej działalności sprawdzone technologie z nowymi koncepcjami produktów. Dowodem jej kompetencji i elastycznego podejścia jest opracowanie wielu rozwiązań, spełniających oczekiwanie poszczególnych klientów.

El-Cab Sp. z o.o. ul. Obornicka 37, Bolechowo-Osiedle 62-005 Owińska tel. 61 8118 600, fax. 61 8112 066 www.el-cab.com.pl www.e-t-a.de/e, www.bedia.com

REKLAMA

MIĘDZYNARODOWE TARGI AUTOMATYKI I POMIARÓW AUTOMATICON 25-28.03.2014

Zapraszamy na stoisko firmy EL-CAB (hala 1, stoisko A13)

• • • • • •

CLS - pojemnościowe, punktowe sondy poziomu medium ITS 60 - inteligentne, analogowe czujniki poziomu paliwa ITS 65 - inteligentne, analogowe czujniki poziomu oraz temperatury oleju czujniki, przełączniki temperatury (mechaniczne, elektroniczne) pojemnościowe sondy poziomu do zastosowań w przemyśle reduktory napięcia DC/DC www.bedia.com

termiczne, termiczno-magnetyczne, magnetyczne oraz hydraulicznomagnetyczne zabezpieczenia obwodów i urządzeń elektrycznych przekaźniki, elektroniczne przekaźniki zabezpieczające samochodowe bezpieczniki automatyczne elektroniczne zabezpieczenia obwodów oraz urządzeń przemysłowych inteligentne systemy rozdziału prądu i zabezpieczeń obwodów oraz urządzeń www.e-t-a.de/e

• • • •

EL-CAB - partner handlowy firm BEDIA i E-T-A Producent wiązek elektrycznych, tablic elektrycznych dla różnych pojazdów i urządzeń a także szaf sterowniczych oraz modułów dla pojazdów i układów elektronicznych. EL-CAB Sp. z o.o. ul. Obornicka 37, Bolechowo-Osiedle 62-005 Owińska Tel. +48 61 8118 600, Fax. +48 61 8112 066

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

61

el-cab

www.el-cab.com.pl


Nowości      SIŁOWNIKI

Dobrze znana seria elektrosiłowników ET firmy Parker, powszechnie używana w tysiącach różnych aplikacji, została zmodernizowana i wzmocniona. Wraz z nowymi elektrosiłownikami ETH został wprowadzony nowy standard gęstości mocy i żywotności elektromechanicznych napędów liniowych.

Duża siła, mały rozmiar

Zalety siłowników elektrycznych serii ETH Nowe siłowniki cechują się przede wszystkim bezkonkurencyjną gęstością mocy, co pozwala uzyskać dużą siłę przy małych rozmiarach urządzenia. Są wyposażone w  czujniki położenia, a  kable czujników mogą zostać ukryte w  rowkach profilu. Urządzenia są zoptymalizowane do bezpiecznej obsługi i prostego czyszczenia, a  ponadto cechują się długą żywotnością. Zredukowane koszty obsługi uzyskano dzięki umieszczonym w  profilu otworom smarującym. Łatwo je też

Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

Elektrosiłowniki ETH firmy PARKER

Żadne siłowniki elektryczne dostępne na rynku nie mogą równać się z nowymi elektrosiłownikami ETH oferowanymi przez firmę Parker.

Zobacz więcej

zamieniać dzięki zgodności kształtu flanszy z normami pneumatycznymi ISO (DIN ISO 15552:2005-12). Zintegrowany element przeciwdziałający obrotowi tłoczyska, zredukowana emisja hałasu oraz możliwość otrzymania kompletnego zestawu w  postaci: kontrolera, silnika i przekładni, zgodnych z ETH, to kolejne zalety nowej serii produktów.

Ponadto elektrosiłowniki ETH mogą zastępować aplikacje pneumatyczne i hydrauliczne, zapewniając dodatkowo oszczędność energii. Więcej informacji na temat omawianych produktów można znaleźć na stronie www.parker-eme.com/eth lub u specjalistów firmy Parker. PARKER Hannifin Sales Poland Sp. z o.o. ul. Równoległa 8, 02-235 Warszawa

Zastosowanie elektrosiłowników ETH Nowe elektrosiłowniki znajdują zastosowanie głównie w takich aplikacjach, jak: • automatyka przemysłowa, • badania, • maszyny pakujące, • formowanie materiału, • aplikacje z kontrolą siły.

tel. 22 573 24 00 e-mail: warszawa@parker.com www.parker.com, www.parker.pl

Automaticon 2014 Zapraszamy do współpracy i odwiedzenia naszego stanowiska – hala 1, stoisko A1.

Parametry elektrosiłowników firmy Parker serii ETH Charakterystyka produktu

ETH032

ETH050

ETH080

ETH100 *

skok śruby [mm]

5/10/16

5/10/20

5/10/32

10/20

maks. skok [mm]

do 1000

do 1200

do 1600

do 2000

maks. prędkość [mm/s]

do 1067

do 1333

do 1707

do 666

do 12

do 15

do 15

do 10

do 3700

do 9300

do 25 100

do 56 000

maks. przyspieszenie [m/s2] maks. obciążenie osiowe/siła pchająca [N] powtarzalność (wg ISO 230-2) [mm] * nowość

62

Promocja

±0,03

±0,05


KOMPUTERY PRZEMYSŁOWE      Nowości

Firma Advantech rozbudowała ofertę o nową serię komputerów, oznaczonych jako SPC (Stationary Panel PC). Pierwszym komputerem z tej serii, który pojawił się w sprzedaży, jest SPC-1840WP.

Przykład wizualizacji z SPC-1840WP

IP65 z każdej strony obudowy Model SPC-1840WP został wyposażony w  wyświetlacz 18,5² (proporcje 16:9), pracujący w natywnej rozdzielczości WXGA (1366 × 768 pikseli). Producent nie zapomniał o ekranie dotykowym multi-touch – został on wykonany w technologii PCT (Projected Capacitive Touch), której cechą charakterystyczną są bardzo duża odporność mechaniczna (klasa twardości 7H) oraz duża czułość. Rozwiązanie to sprawia, że obsługa komputera jest możliwa nawet w rękawiczkach o grubości do 1 mm.

Fot. Parker, Elmark Automatyka

Obudowa i interfejsy SPC jest przeznaczony do pracy w lokalizacjach, w których sprzęt jest narażony na częsty kontakt z wodą. Bezpieczna praca komputera w takim środowisku jest możliwa dzięki klasie szczelności IP65 z każdej strony obudowy. Aby mieć pewność, że woda i  kurz nie zakłócą pracy SPC -1840WP, producent zastosował przemysłowe złącza M12. Dodatkową zaletą złącz M12 jest to, że nie ma możliwości przypadkowego wyciągnięcia wtyczki. Z tyłu obudowy są wyprowadzone następujące interfejsy: USB 2.0, RS-232, 2 × Ethernet 10/100/1000Base-T oraz złącze zasilania DC. Szczelna konstrukcja sprawia, że w  odróżnieniu od komputerów z  serii PPC, IPPC oraz TPC, nie jest wymagana zabudowa panelowa. Mała masa oraz otwory montażowe w  standardzie VESA 100 powodują, że komputery SPC świetnie nadają się do pracy na różnego rodzaju wysięgnikach/ ramienicach. Promocja

Domyślnie SPC-1840WP nie jest wyposażony w moduł komunikacji bezprzewodowej. W  razie konieczności komputer można jednak szybko rozbudować, korzystając z wolnego gniazda na pełnowymiarową kartę miniPCIe i wyprowadzonego na obudowę złącza antenowego SMA.

Kluczowe podzespoły Advantech SPC-1840WP pracuje pod kontrolą energooszczędnego procesora AMD G-series T56N 1,65 GHz. Moc obliczeniowa procesora w połączeniu z 4 GB preinstalowanej pamięci RAM gwarantują, że komputer zapewnia wydajność niezbędną do obsługi większości aplikacji, służących do wizualizacji procesów przemysłowych. Dużą zaletą procesora T56N jest wbudowana wydajna karta graficzna Radeon HD 6320, obsługująca m.in. DirectX 11, OpenGL 4.1 i akcelerator dekodowania wideo UVD 2. Aby zachować szczelność, w obudowie nie ma otworów wentylacyjnych, a wymiana ciepła odbywa się w sposób pasywny, przez obudowę. Dzięki temu, że najważniejsze

podzespoły komputera pochodzą od firmy AMD, Advantech deklaruje wsparcie dla wszystkich najpopularniejszych systemów operacyjnych z rodziny Microsoft Windows, czyli XP, WES2009, 7, WES7, 8, oraz dla systemu Linux. System operacyjny można zainstalować na 2,5² dysku, wyposażonym w interfejs SATA. Może to być klasyczny mechaniczny dysk magnetyczny lub nowoczesny dysk SSD. Aby zainstalować dysk twardy, nie trzeba rozkręcać całej obudowy (nie ma ryzyka rozszczelnienia obudowy). Szybka wymiana lub dołożenie dodatkowego dysku są możliwe dzięki demontowanej klapce z tyłu obudowy.

Dodatkowe funkcje Wszystkie produkowane przez firmę Advantech komputery, wyposażone w ekrany panoramiczne, mają tzw. Smart I-Key Utility – dwa przyciski oznaczone nazwami „inteligent” oraz „home”. Znajdują się one za szybą, toteż są niewrażliwe na wodę i zabrudzenia. Producent dostarcza do ich obsługi specjalne oprogramowanie GLTool. Stanowi ono pasek narzędziowy, podobny do paska z systemów Mac OS X. Pozwala na szybkie i  wygodnie uruchamianie oprogramowania, regulację jasności podświetlenia ekranu oraz diagnostykę komputera. Przycisk „home” ma dodatkową funkcję – jego dłuższe przytrzymanie włącza lub wyłącza ekran dotykowy. Kamil Grzeszczak

Tył obudowy, widoczne przemysłowe złącza M12

ELMARK Automatyka Sp. z o.o. www.elmark.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

63


młodzi

innowacyjni

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP ogłasza

VI Ogólnopolski Konkurs na

inżynierskie, magisterskie i doktorskie w dziedzinach Automatyka Robotyka Pomiary Zgłoszenie należy przesłać na adres konkurs@piap.pl do dnia 23 lutego 2014 r. Regulamin konkursu i formularz zgłoszeniowy są dostępne na stronie www.piap.pl Autorzy najlepszych prac otrzymają nagrody pieniężne lub wyróżnienia w kategorii prac doktorskich:

I nagroda 3500 zł

II nagroda 2500 zł

w kategorii prac magisterskich:

I nagroda 3000 zł

II nagroda 2000 zł

w kategorii prac inżynierskich:

I nagroda 2500 zł

II nagroda 1500 zł

Wyniki konkursu zostaną ogłoszone podczas Konferencji AUTOMATION w Warszawie, w dniu 26 marca 2014 r. Patronat Komitet Automatyki i Robotyki Polskiej Akademii Nauk Komitet Metrologii i Aparatury Naukowej Polskiej Akademii Nauk Polska Izba Gospodarcza Zaawansowanych Technologii Polskie Stowarzyszenie Pomiarów Automatyki i Robotyki POLSPAR

Patronat medialny Miesięcznik PAR Pomiary Automatyka Robotyka Organizator konkursu

www.piap.pl

Informacji udzielają: Małgorzata Kaliczyńska: mkaliczynska@piap.pl, tel. 22 8740 146

Bożena Kalinowska: bkalinowska@piap.pl, tel. 22 8740 015


Kalendarium PAR      Wydarzenia

Targi | Konferencje | Kongresy | Sympozja | Wystawy Publikujemy w środkowym miesiącu kwartału

Luty 2014

12–14 marca 2014, Warszawa, POLSKA

25–27 lutego 2014, Norymberga, NIEMCY

• III Międzynarodowe Targi Techniki Kryminalistycznej CrimeLab

• embedded world Targi & Konferencja

Kontakt:

Kontakt:

MT Targi Sp. z o.o.

Przedstawicielstwo Targów Norymberskich w Polsce

tel. 22 529 39 00, fax 22 529 39 36

ul. Kwiatkowskiego 1/29, 03-984 Warszawa

www.crimelab.pl

tel. 22 828 27 34 www.embedded-world.de

18–20 marca 2014, Kielce, POLSKA

• Międzynarodowe Targi Innowacji Energetycznych InEnerg

• XVII Międzynarodowe Targi Energetyki i Elektrotechniki ENEX • XII Targi Odnawialnych Źródeł Energii ENEX – Nowa Energia • XV Międzynarodowe Targi Ochrony Środowiska i Gospodarki Odpadami EKOTECH

Kontakt:

Kontakt:

REECO Poland Sp. z o.o.

Targi Kielce Sp. z o.o.

ul. Bartycka 22B/21A, 00-716 Warszawa

ul. Zakładowa 1, 25-672 Kielce

tel. 22 266 02 16, fax 22 379 89 60

tel. 41 365 12 22, fax 41 345 62 61

www.reeco.eu

e-mail: biuro@targikielce.pl

10–14 marca 2014, Hanower, NIEMCY

25–28 marca 2014, Warszawa, POLSKA

• CeBIT – Światowe Targi Technologii Informatycznych, Telekomunikacji, Oprogramowania oraz Usług

• XX Międzynarodowe Targi Automatyki i Pomiarów AUTOMATICON AUTOMATYKA POMIARY ELEKTRONIKA

Kontakt:

Kontakt:

Targi Hanowerskie s.c.

Biuro Targów AUTOMATICON

Przedstawicielstwo Deutsche Messe AG w Polsce

Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

ul. Ostrobramska 101, 04-041 Warszawa

tel. 22 863 82 52, 874 03 02, fax 22 874 01 49

tel. 22 465 66 22

e-mail: targi@automaticon.pl

Marzec 2014 04–06 marca 2014, Wrocław, POLSKA

fax 22 465 66 23 e-mail: info@targihanowerskie.com.pl

26–28 marca 2014, Warszawa, POLSKA

http://www.messe.de

• XVIII Konferencja Naukowo-Techniczna Automatyzacja – Nowości i Perspektywy AUTOMATION 2014

11–15 marca 2014, Düsseldorf, NIEMCY

Kontakt:

• Międzynarodowe Targi Technologii i Automatyzacji Produkcji METAV 2014

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Kontakt:

tel. 22 874 02 05, 874 01 62

A.S. Messe Consulting Sp. z o.o.

fax 22 874 02 20, 874 02 21

Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa

Przedstawicielstwo targów Messe Düsseldorf GmbH ul. Kazachska 1/57, 02-999 Warszawa

26–28 marca 2014, Kielce, POLSKA

tel. 22 642 24 99, 855 24 90

• XVI Międzynarodowe Targi Analityki i Technik Pomiarowych EuroLab

• STOM-LASER – Targi Laserów i Technologii Laserowych • WIRTOPROCESY – Targi Wirtualizacji Procesów • SPAWALNICTWO – IX Międzynarodowe Targi Technologii i Urządzeń dla Spawalnictwa • EXPO-SURFACE – V Targi Technologii Antykorozyjnych oraz Ochrony Powierzchni • PNEUMATICON – VII Targi Pneumatyki, Hydrauliki, Napędów i Sterowań

Kontakt:

Kontakt:

MT Targi Sp. z o.o.

Targi Kielce Sp. z o.o.

tel. 22 529 39 00, fax 22 529 39 36

ul. Zakładowa 1, 25-672 Kielce

e-mail: lab@mttargi.pl

tel. 41 365 12 22, fax 41 345 62 61

www.targieurolab.pl

e-mail: biuro@targikielce.pl

fax 22 855 47 88 e-mail: promocja@as-messe.pl www.as-messe.pl

12–14 marca 2014, Warszawa, POLSKA

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2 /2014

65


Forum młodych      

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Konstrukcja robota turniejowego Mirror startującego w zawodach Mini Sumo Tymoteusz Cejrowski, Mateusz Paczyński, Dawid Machala Studenckie Koło Automatyków SKALP, Politechnika Gdańska

Streszczenie: W artykule zaprezentowano projekt budowy robota turniejowego, startującego w zawodach Mini Sumo. Omówiono założenia dyscypliny Mini Sumo oraz konstrukcję mechaniczną, algorytmy sterujące i elektronikę zawartą w robocie. Słowa kluczowe: robotyka turniejowa, Mini Sumo, elektronika

DOI: 10.14313/PAR_204/66

1. Wprowadzenie Ostatnia dekada przyniosła znaczące spopularyzowanie robotyki amatorskiej. O ile dawniej odległa wydawała się myśl, iż nie tylko studenci, ale także uczniowie szkół średnich z sukcesami będą mogli stawać w szranki na zawodach robotów, o tyle dzisiaj, na podstawie wielu różnych kursów internetowych, poradników i dyskusji na forach internetowych każdy chętny może skonstruować własnego, w pełni autonomicznego robota. Wielu studentów zajmujących się automatyką i robotyką swoje pierwsze kroki stawia właśnie na tym polu. Najlepiej obrazuje to fakt, iż w okresie od października do czerwca roku akademickiego 2013/2014 odbywa się ponad 15 dużych turniejów w różnych miastach i regionach kraju. W 2013 r., w wyniku wspólnej inicjatywy organizatorów największych zawodów robotyki, powstała Polska Unia Robotyki Turniejowej (PURT), której celem statutowym jest dalsze propagowanie i popularyzowanie robotyki w Polsce. Zawodnicy mają okazję rywalizować w ogólnym rankingu, który jest tworzony na podstawie pojedynczych osiągnięć z poszczególnych zawodów. W trakcie opisywanych zawodów bez wątpienia rzucą się w oczy konstrukcje walczące na czarno-białej planszy. Te niepozorne, 10-centymetrowe roboty startują w popularnej konkurencji Mini Sumo. Ich masa nie może przekraczać 500 g, a całość musi się zmieścić na kwadracie o wymiarach 10 cm × 10 cm. Zadaniem robota jest wypchnięcie przeciwnika poza okrągłą planszę o średnicy 77 cm. Dokonuje on tego autonomicznie, czyli na podstawie zaimplementowanych wcześniej algorytmów sterujących, bez stałej kontroli człowieka. Konstrukcja robota nie może zawierać urządzeń aktywnie zakłóca-

66

jących układy sterowania przeciwnika, zabronione jest także emitowanie gazów, cieczy czy też stosowanie miotaczy płomieni. Najprościej ujmując należy wypchnąć przeciwnika, a nie dążyć do jego zniszczenia. Stosowane są dwa podstawowe sposoby rozpoczęcia walki. Dotychczas najczęściej roboty były ręcznie odpalane przyciskiem na znak sędziego. Metoda ta jest jednak niedoskonała, gdyż wymaga synchronizacji ruchów zawodników w celu eliminacji przedwczesnego startu jednego z robotów. Drugim, bardziej zaawansowanym i postulowanym rozwiązaniem jest start na sygnał wysyłany przez sędziego za pomocą pilota na podczerwień. Niezależnie od metody startu, roboty muszą w końcu rozpocząć walkę. Przegrywa ten, który jako pierwszy dotknie podłoża znajdującego się poza ringiem. Zwycięzca pojedynku jest wyłaniany po odniesieniu dwóch zwycięstw, co minimalizuje ryzyko przypadkowych wygranych. Przeciętna walka nie trwa dłużej niż 5–6 s. Wynika to ze stosowania coraz szybszych konstrukcji i doskonalszych algorytmów sterowania. W artykule przedstawiona została konstrukcja robota Mini Sumo o nazwie Mirror, który poszczycić się może wieloma zwycięstwami w kraju i poza granicami, włącznie z zajęciem 3. miejsca na organizowanych co roku mistrzostwach Europy w Wiedniu.

2. Mechanika W przypadku robotów Line Follower oraz Micro Mouse konstrukcja mechaniczna ma mniejsze znaczenie, natomiast w walkach robotów typu Mini Sumo dobra konstrukcja mechaniczna jest podstawą. Ostatnie lata pozwoliły zaobserwować intensywne zmiany w wyglądzie robotów, przypominające de facto wyścig zbrojeń. W początkowej fazie rozwoju robotyki turniejowej stosowane były proste konstrukcje, w których jako napęd wykorzystywano serwomechanizmy. Następnie dominowały konstrukcje wyposażone w specjalne klapki, w pierwszej fazie podniesione, by spełnić nałożone na wymiary wymagania (10 cm długości, 10 cm szerokości, dowolna wysokość). W chwili rozpoczęcia walki klapki opadały na ring i poruszały się pod niewielkim kątem, co ułatwiało podważenie robota przeciwnika, a następnie wypchnięcie go. Kolejny etap rozwoju nastąpił, gdy


w robotach zaczęto stosować szybkie silniki, umożliwiające uzyskanie prędkości ponad 1 m/s. Szybki atak, zanim klapki przeciwnika zdążyły opaść, oznaczał niemal pewną wygraną z bezbronnym przeciwnikiem. Wyjściem z tej sytuacji było zastosowanie klinów i widoczne zaostrzenie konstrukcji z jednej strony. W taki klin wyposażony jest robot Mirror.

Rys. 1. Rezultaty zastosowania klinu na przykładzie robota Mirror podważającego robota Enova Fig. 1. Results of using a wedge on example of Mirror lifting other robot - Enova

Podczas kontaktu dwóch robotów istotny jest materiał, z którego wykonane są koła, gdyż muszą one zapewnić całej konstrukcji odpowiednią przyczepność. Jednocześnie zakazane jest stosowanie kół, które powodowałyby przylepienie się robota do podłoża. Przyjmuje się, że robot położony na kartce papieru i podniesiony nie może pociągnąć za sobą kartki. W robocie Mirror zastosowano silikon formierski o twardości 16 punktów w skali Shore’a, który dodatkowo zmiękczono. Ważną kwestią jest utrzymanie należytej czystości kół – wykonane z lepkich materiałów bardzo szybko się brudzą i tracą swoje właściwości. W celu zapewnienia optymalnej przyczepności robot jest czyszczony po każdej walce. W robocie Mirror zastosowano dwa silniki prądu stałego marki Pololu – jedne z najpowszechniej stosowanych napędów w robotyce turniejowej. Wyposażone w przekładnię 30:1 pozwalają uzyskać prędkość obrotową równą 1000 obr./min i moment obrotowy o wartości 0,65 kg·cm (0,065 Nm) przy napięciu zasilania 6 V. W przypadku cięższych robotów, których masa jest bliska maksymalnej dopuszczalnej, jest to z pewnością wartość niewystarczająca. Stosuje się wówczas tzw. przewoltowywanie silników, które polega na podaniu napięcia zasilającego wyższego niż maksymalna wartość dopuszczalna. Zwiększa to jego osiągi, ale zarazem powoduje szybsze zużywanie się przekładni i szczotek w silniku. W przypadku konstrukcji Mirror postawiono na zmniejszenie masy robota, co umożliwia optymalne wykorzystanie mocy silnika. Jego masa wynosi 300 g, co – jak pokazuje doświadczenie – nie przekreśla szans na wygraną z cięższymi przeciwnikami.

3. Program Wraz z opisywanym wyścigiem zbrojeń pod względem budowy mechanicznej, znacząco rozwinęły się także algorytmy sterujące. Jeszcze około trzy lata temu robot musiał jedynie odnaleźć przeciwnika i, nie tracąc go z zasięgu czujników, wypchnąć z maty. Roboty ustawiane były naprzeciw siebie, co dawało pewną przewagę zawodnikowi, który stawiał robota jako drugi. Postanowiono więc, że roboty powinny być kładzione względem siebie tyłem, co daje wiele możliwości wyboru strategii walki, w zależności od typu przeciwnika. Istnieje np. możliwość bezpośredniego ataku, doprowadzenia do odwrócenia się robota i poczekania, aż zbliży się przeciwnik. Można też podejmować próby okrążenia wroga. Zaimplementowanie możliwości wyboru taktyki walki znacząco zwiększa szanse na wygraną w walkach z różnorodnymi konstrukcjami, umieszczono ją więc w robocie Mirror. W przypadku opisywanego projektu zastosowano też algorytm zapobiegający utracie przyczepności kół (będący odpowiednikiem samochodowego ABS) oraz regulator PID sterujący prędkością silników. Przy programowaniu kod Mirrora niemal w całości napisano w języku C, ze wstawkami asseblerowymi. Wykorzystano środowisko Eclipse z wgranymi dodatkowymi bibliotekami, pozwalającymi na wydajną obsługę mikrokontrolerów. Opracowany program umożliwia szybką zmianę parametrów robota, bez konieczności stosowania programatora.

4. Elektronika Mirror wyposażony jest w dwa typy czujników stosowanych w trakcie walk. Pierwszym rodzajem są czujniki służące do wykrycia krawędzi ringu. Zastosowano do tego celu dwie pary czujników odbiciowych KTIR0711S, zbudowanych z fotorezystorów i diod IR. W opisywanej konstrukcji sparowano je i umieszczono na przedzie robota. Powstała w ten sposób nadmiarowość sprzętowa jest wykorzystywana do eliminacji ryzyka, że robot zinterpretuje rysy na ringu bądź zabrudzenia jako brzeg maty, na której toczy się walka. Gwarantuje to poprawne wykonywanie algorytmów sterujących nawet na uszkodzonym polu walki. Drugim rodzajem czujników są czujniki odległości, wykorzystywane do zlokalizowania przeciwnika na macie. W robocie Mirror zastosowano sześć czujników GP2Y0D340K firmy Sharp. Przemawia za nimi szereg zalet. Jedną z głównych są niewielkie wymiary elementu, które pozwalają na umieszczenie wielu czujników bez zwiększania wysokości robota. Jest to szczególnie cenne w kontekście projektowania konstrukcji, która musi spełniać ściśle określone kryteria wielkościowe. Kolejną zaletą zastosowanych czujników jest duży zasięg. Pozwalają one na wykrycie i obserwację obiektu z odległości ponad 40 cm, co – uwzględniając wielkość ringu – jest bardzo dobrym wynikiem. Czujnik wysyła ponadto skupioną wiązkę promieniowania podczerwonego, co umożliwia wykrycie obiektów czarnych oraz matowych i pozwala na

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

67


Forum młodych      

niemal pewne odnalezienie przeciwnika, niezależnie od stosowanych przez niego technik maskujących. W konstrukcji zastosowano podział płytki drukowanej z elektroniką na dwie części. Pierwsza z nich zawiera opisywane wcześniej czujniki oraz stabilizator napięcia. Na drugiej umieszczono całą elektronikę sterującą – procesor, sterowniki silników i elementy komunikacji z użytkownikiem.

Rys. 2. Widok płytki drukowanej z układem sterowania opartym na mikrokontrolerze ATmega128 Fig. 2. A view of PCB with control system based on ATmega128 microcontroller

Główną jednostką obliczeniową robota jest procesor ATmega128. Zdecydowano się na ten procesor ze względu na dużą liczbę urządzeń peryferyjnych możliwych do podłączenia oraz stosunkowo łatwe programowanie mikrokontrolerów. Wybór ma jednak pewne wady – przede wszystkim szybkość pracy struktury jest niewystarczająca do obsługi bardziej skomplikowanych algorytmów predykcyjnych lokalizujących przeciwnika.

Mikrokontroler taktowany jest za pomocą zewnętrznego rezonatora kwarcowego o częstotliwości pracy wynoszącej 16 MHz, co jest wartością zadowalającą w większości zastosowań. Procesor wyposażony jest w sześć kanałów PWM, które wykorzystano do wysterowania sterownika silników. Sterownikiem jest popularny w robotyce turniejowej dwukanałowy układ TB6612 firmy Toshiba. Standardowo umożliwia on ciągły pobór prądu o wartości 1,2 A na kanał. W celu zwiększenia tej wartości zastosowano połączenie odpowiednich wyprowadzeń sterownika w układy mostka, co pozwoliło na podwojenie wydajności. Wiązało się to oczywiście z zastosowaniem dwóch mostków w konstrukcji robota. Bardzo ważnym etapem projektowania robota było wybranie odpowiedniego źródła zasilania. Musi ono gwarantować zasilanie nie tylko całej opisanej elektroniki, ale też dwóch pobierających dużo prądu silników. Wybrano akumulator typu lipol firmy Dualsky o pojemności 300 mAh i napięciu pracy 7,4 V. Ma on wysoką gęstość energetyczną i może pracować pod wielkim obciążeniem prądowym, co jest szczególnie ważne w przypadku robota Mini Sumo. Mankamentem jest niewielka pojemność akumulatora – każdy z silników pracujący pod pełnym obciążeniem pobiera prąd 1,6 A, co przy uwzględnieniu obciążenia spowodowanego pracą elektroniki może doprowadzić do pobierania przez cały układ prądu 3,5 A. Przy takim poborze bateria starcza na około 5 min walk, dlatego należy często sprawdzać stopień naładowania baterii. Zaniedbanie tej czynności może doprowadzić do rozładowania i trwałego uszkodzenia pakietu. Konsekwencją rozładowania się akumulatora byłoby też przegranie walki. Ostatnim elementem elektronicznej układanki jest część odpowiadająca za komunikację z użytkownikiem. W skład modułu wchodzą trzy elementy: wyświetlacz o rozdzielczości 84 × 48, uzyskany z telefonu Nokia 5110, panel ledowy i moduł bluetooth. Moduł wyświetlacza pełni funkcję interfejsu graficznego, który umożliwia

Studenckie Koło Automatyków SKALP Studenckie Koło Automatyków SKALP działające przy Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej za cele statutowe uznaje popularyzację robotyki i nowoczesnych technologii. Jego członkowie zajmują się szkoleniami z zakresu budowy robotów turniejowych i warsztatami z Lego Mindstorms dla uczniów liceów oraz organizują jedno z największych wydarzeń związanych z robotyką w  Polsce – Trójmiejski Turniej Robotów. Pod opieką dra Stanisława Raczyńskiego SKALP prowadzi też prace badawcze związane z projektem autonomicznego robota, wykrywającego nieszczelności w instalacjach pneumatycznych. Przynależność do Polskiej Unii Robotyki Turniejowej świadczy o wysokim poziomie organizowanych przez SKALP zawodów. Członkowie koła zdobyli także pierwsze i trzecie miej-

68

sce w kategorii Mini Sumo w Mistrzostwach Europy RobotChallenge. Do koła przynależą także zwycięzcy programu GE Foundation Scholar Leaders Program.

Dane kontaktowe: Studenckie Koło Automatyków SKALP Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej Katedra Systemów Automatyki, p. 550 EA www.skalppg.pl Prezes: Marta Pazderska marta.pazderska@skalppg.pl, prezes.skalp@gmail.com tel. 721 270 255


Bibliografia 1. Kardaś M., Mikrokontrolery AVR Język C Podstawy programowania Wydawnictwo Atnel, Szczecin 2011. 2. Atmel Corporation: ATmega128 Datasheet, 2011. 3. [www.forbot.pl] - Forbot – portal internetowy poświęcony robotyce amatorskiej.

Construction of tournament robot Mirror taking part in Mini Sumo competition Abstract: The article presents a project of tournament robot which participates in Mini Sumo competitions. The article explains rules of Mini Sumo competition and describes mechanical design, control algorithms and electronics used in the robot. Rys. 3. Interfejs graficzny pozwalający na wybór strategii walki Fig. 3. Graphical interface used to choose a strategy for a fight

Keywords: tournament robotics, Mini Sumo, electronics

Artykuł recenzowany, nadesłany 17.01.2014 r., przyjęty do druku 03.02.2014 r.

wybór strategii walki robota, ustawianie czasu oczekiwania przed rozpoczęciem walką i wybór maksymalnej prędkości robota. Wyświetlane są na nim także informacje o stanie naładowania baterii. Panel led wykorzystywany jest do wyświetlania stanów poszczególnych czujników robota. Pozwala to na upewnienie się, że robot znajdujący się na miejscu startu wykrywa przeciwnika, umożliwia proste dobranie progu czułości czujników podłoża bez użycia programatora. Najważniejszą zaletą jest jednak ułatwienie analizy przebiegu walki. Zapalone diody informują, które czujniki wykrywają przeciwnika, ułatwiają późniejszą poprawę algorytmów sterujących. Komunikacja za pomocą modułu bluetooth jest obecnie implementowana, docelowo będzie wykorzystywana do przesyłania wartości odczytów ze wszystkich czujników do komputera w celu dalszej analizy. Zastosowanie własnoręcznie skonstruowanego członu komunikacji z użytkownikiem zaoszczędziło wiele pracy, ułatwiło programowanie i sterowanie robotem.

5. Podsumowanie W artykule zaprezentowano rozwiązania projektowe, zastosowane przy budowie robota Mirror. Konstrukcja może zostać uznana za udaną, ponieważ od momentu powstania, robot wielokrotnie zdobywał miejsca na podium, zarówno na turniejach i zawodach w Polsce, jak i za granicą. Zastosowanie elementów ułatwiających analizę zachowań robota podczas walki umożliwiło optymalizację kodu i dostosowanie algorytmów sterujących do pojedynków z różnorodnymi przeciwnikami. Projekt jest wciąż rozwijany, trwają prace nad implementacją modułu bluetooth do komunikacji między robotem a komputerem.

Tymoteusz Cejrowski Student II roku kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej. Członek Koła Naukowego SKALP. Zainteresowania: robotyka, programowanie, elektronika, grafika komputerowa. e-mail: tymoteusz.cejrowski@gmail.com

Mateusz Paczyński Student III roku kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej. Członek Koła Naukowego SKALP. Zainteresowania: robotyka, elektronika, programowanie, chemia, gra na pianinie. Konstruktor robota Mirror. e-mail: matpaczy@gmail.com Dawid Machala Student III roku kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej. Członek Koła Naukowego SKALP. Zainteresowania: robotyka, elektronika, programowanie, cyfrowe przetwarzanie sygnałów. e-mail: machala.dawid@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

69


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Advanced Trajectory Planning for Production Energy Estimation Ralf Stetter*, Andreas Paczynski*, Piotr Witczak*, Benjamin Staiger** *Hochschule Ravensburg-Weingarten **Kirchner Konstruktionen GmbH

Abstract: This paper is based on a current research project and describes advanced trajectory planning methods which aim to contribute to the estimation of the energy consumption in the production of goods. The energy a product requires during its operation is the object of many activities in research and development nowadays. However, the energy necessary for the production of goods is very often not analyzed in so much detail. The energy consumption in a product production and disposal is determined very early in its development process by designers and engineers, for example by selection of raw materials, explicit and implicit requirements concerning the manufacturing and assembly processes or by decisions concerning the product architecture. Today, developers and engineers dispose of manifold design and simulation tools which can help to predict the energy consumption during a product operation relatively accurately. In contrast, tools with the objective to predict the energy consumption in production and disposal are unavailable, apart from the first material databases such as Eco Materials Adviser in Autodesk. Transportation processes are the important aspects of production. Product components and unfinished products have to be transported from the receipt of goods to stock and then to the manufacturing or assembling station during all phases of the manufacturing and assembling processes. The energy consumption estimation of these logistic process is only possible if probable and sensible routes of movements are used as a basis. This paper aims to present an approach to apply trajectory planning methods in order to develop such routes and consequently to be able to estimate the energy consumption. Keywords: fuzzy logic, energy consumption prediction, production DOI: 10.14313/PAR_204/70

he energy necessary for the production of goods, e.g. the energy for raw material generation, for casting or for milling can very often not be analyzed in depth in early stages of product development processes, because today the common tools of product development, such as geometry generating tools as CAD (computer aided design), do not dispose of any possibility to support desi-

70

gners and engineers in this endeavor. The importance of the energy for production becomes apparent for instance in the field of passenger cars. In this field even conservative studies (4) get to the conclusion that about 20 % of the total energy caused by a product is needed for the production and about 10 % for the disposal. The energy consumption in production and disposal is determined very early in the product development process by designers and engineers, for example by selection of raw materials, explicit and implicit requirements concerning the manufacturing and assembly processes or by decisions concerning the product architecture.

1. Introduction Today, developers and engineers dispose of manifold design and simulation tools which can help to predict the energy consumption during operation relatively accurately. For instance, the energy consumption of a car under development expressed in liter per 100 km can be predicted with an accuracy of 0.1 liters years before this specific car will be built. Frequently, large expenditures are invested only to achieve relatively small improvements of the energy consumption in operation. In the area of the motor vehicles for example measures such as the start-stop-systems or hybrid systems are applied which can achieve improvements of the energy efficiency in the one-digit percent area. In contrast, tools with the objective to predict the energy consumption in production and disposal are not available, apart from the first material databases such as Eco Materials Adviser in Autodesk. Moreover, initial investigations in the research project showed that the available databases deviate for identical materials and weights up to orders of magnitude from one another. Very probably, a conscious view of the energy consumption in the production can lead to clear energy savings. This statement cannot be quantified in the moment for this area; however an analogy concerning systems for costs prognosis can underline the potential. In this area the conscious consideration of costs during design led in the past to cost savings up to 70 % without restricting the functionality of the components and products (see for example (7)). Energy saving potential in the production in a similar


order of magnitude could lead to improvements in the two-digit percent area of the entire energy balance of a product; improvements of this dimension can hardly today be reached in the energy consumption in the operation. Today designers and developers must more or less “blindly” decide because it is in today’s industrial reality impossible to predict the energy consumption in the production. It is hypothesized that intelligent tools and procedures can shift the knowledge concerning production energy consumption into earlier phases and massively can increase the improvement potential (fig. 1).

knowlede concerning energy consumpon in producon

100%

objecve 50% costs of changes possibilies to reduce the energy consumpon 0% concepon

design

producon

t

*) PEEPS: producon energy efficiency prognosis system

Fig. 1. Early evaluation of production energy consumption Rys. 1. Wczesna ocena zapotrzebowania procesu produkcyjnego na energię

In this representation, which is based on similar representations in the area of early determination of product properties (compare Stetter&Bernard (1)), it is clearly recognizable that in the early phases of the product development the energy consumption can be influenced in a far more reaching manner by product changes and this in connection with considerably smaller change costs. The energy consumption in productions has several origins (fig. 2). The primary shaping, the forming, joining and surface treatment are addressed in other sub-projects of this research endeavor. This paper is focusing on transport and logistics. This investigation is aiming at an early estimation of the energy needed for transporting product components and unfinished as well as finished product throughout the company’s buildings. The vision behind this work is an information system which will automatically generate probable transportation trajectories on the basis of probable production layouts and will therefore be able to estimate the energy necessary for these transportation processes. The product designers can then very early generate multiple variants of the product and especially its architecture. The designer can then compare the energy consumption of the different variants and can choose the most energy efficient – the most sustainable – solution in a very early phase of product development.

2. State of the art To the state of the research belong the numerous research activities in the area of eco design. Tischner et al. (16) offer a good overview. In these activities, the energy consumption plays usually a central role and in the frame of the Life Cycle Assessment (LCA) also the production is considered as a part of the life cycle. In this scientific area especially the international standard ISO 14031 is to be mentioned, which supports a comprehensive judgment of the sustainability. Notable are the works of Herrmann et al. (8) which connect the methodologies of the life cycle assessment, multi criterion analysis and environment achievement indicators. In the last years, frequently the also so-called “exergie” as a central measurement means for sustainability moved into the center of interest (5). Current works also show first integrations of sustainability considerations and tools also into CAD systems, however solely an integration is achieved by means of integrating check lists. A current project at the TU Chemnitz aims on the IT support of energy sensitive product development, however here the main focus is on the aspects product data management (PDM) and Enterprise Resource Planning (ERP) (13). Prior works, which also need to be considered, concern the integration of information about the energy consumption in the first production steps of the raw materials. The CAD systems Autodesk Inventor and Solidworks expansions offer which should permit to estimate the resource consumption already in the design phase. The current version of Autodesk Inventor 2012 offers the expansion Eco Material Adviser, which by means of an Internet based database can amongst others provide information concerning the materials, the raw material fabrication procedure, the energy consumption, the CO2 emission and the water consumption. The database is operated in collaboration with Granta design and includes information to 3,000 materials and selected fabrication procedures. Next to Inventor 2012, also the current version of offers Solidworks an expansion “Sustainability” which provides information concerning the CO2 emission and the energy consumption, to the air load and to the water load. The expansion “Sustainability” offers in addition the possibility to find automatically materials, which combine more favorable environmental characteristics with similar mechanical and/or physical characteristics. Both systems do only consider the final weight of the part, decisive aspects of the product geometry and product origin are not analyzed in these systems. This paper is focusing on advanced trajectory planning methods which aim to contribute to the estimation of the energy consumption in the production of goods. The state of the art of trajectory planning needs to include both theoretical analyses of the problem and the development of algorithms for finding effective solutions for planning globally optimal paths. Research in trajectory planning dates back to the pioneering work done by Dubins (6). Dubins considered the problem of a particle moving in a plane with a constant velocity, and with a constraint Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

71


Nauka     

producon energy consumpon primary shaping

forming

joining

surface treatment

transport/ logiscs

Fig. 2. Origins of production energy consumption Rys. 2. Obszary zużycia energii w procesie produkcyjnym

on its minimum radius of curvature. He proved that the optimal trajectories are made up of arcs of circles with minimum radius of curvature and segments of straight lines. Reeds and Shepp (12) took this work a step further and derived another set of finite shortest path configurations for vehicles that move both forward and backward. Using this finite family of curves, it is rather simple to design an algorithm to find the shortest path between any two configurations. But, the presence of obstacles and the fact that a mobile vehicle needs a continuous path to be able to follow it accurately made such a solution impractical. Finding shortest paths with continuous curvature came to be known as the generalized offline path planning problem for car-like robots. It is a difficult task even with the absence of obstacles and remained an open problem for a number of years until it was proved to be NP-Hard by Reif and Wang (14). A few attempts that used probabilistic methods and randomized algorithms were used to develop algorithms for the generalized path planning problem. Probabilistic path planners (PPP) are guaranteed to solve a problem for which a solution exists within infinite time. That is, as the running time of the algorithm goes to infinity, the probability of solving it converges to one. In some cases, a guaranteed probability value of reaching the optimal solution is given for reasonable (polynomial) running times. Just as in the case of PPP, randomized path planners (RPP) can also be proven to have a guaranteed probability of reaching an optimal solution in polynomial time. The differences in the two methods arise from the technique used to solve the problem. PPP algorithms use iterative procedures that perform neighborhood walks to find an optimal solution, while RPP algorithms use random walks through the solution space to find an optimal solution (10). PPP algorithms are typically broken down into two or more stages. The first stage checks if the problem is solvable (a decision problem). If the problem is found to be solvable, the second stage finds an approximate solution, which is then optimized by the third stage that uses an iterative search method. A good example of a PPP is given by Laumond et al. (9). RPP algorithms are somewhat similar to PPP in the sense that this method also involves two or more search stages. RPPs typically use randomized heuristics such as

72

simulated annealing and genetic algorithms. Bessiere et al. (2) have developed one such technique that has two stages (search and explore). The search stage finds if it is possible to “simply” reach the goal. The explore stage collects information about the environment and optimizes the path found in the search stage by using landmarks placed all over the environment. Exploration of the environment is done with the help of a genetic algorithm. Many deterministic approaches make certain assumptions to help simplify the problem down to a more tractable one. This has allowed the use of simple and efficient heuristic type solutions to tackle practical problems at considerably low running times. The most popular of these assumptions is to assume that an admissible trajectory can be obtained from a discontinuous collision free path made up of straight-line segments and circular arcs of bounded curvature. A well tried and tested method that was first introduced by Perez and Wesley (11) is the visibility graph search method. This method reduces the obstacle map along with the start and goal points down to a graph structure where the visibility of each node (vertices of obstacles) with respect to other nodes in the graph is computed. The shortest path is built by connecting visible nodes beginning from the start node and ending with the goal node (10). There has also been a substantial amount of work in the areas of multi-robot path planning, path planning among moving obstacles and trailer path planning. The presented state of the art presents a solid basis; however, in literature no attempts for trajectory generation with the objective of energy estimation in early stages of product development are present.

3. Framework This section starts with a short description of the situation of an engineer who is planning the geometry of components and the architecture of a new product. The energy consumption during the production of the product is amongst others dependent on the transportation processes. In order to estimate the energy for these transportation processes the first main information are the distances to be covered between the different stations where manufacturing, assembling or surface treatment processes


ENTERPRISE RESOURCE PLANNING e.g. SAP producon energy efficiency prognosc system

CONNECTOR e.g. cenit DESC DIGITAL MANUFACTURING & PRODUCTION e.g. Delmia

probable manufacturing layout

prognosis kernel

probable obstacles probable manufacturing mission list

Fig. 3. Prognosis kernel Rys. 3. Jądro system prognostycznego

are performed. Consequently, the engineer would need to plan the whole manufacturing, assembling and surface treatment process. For products which are not completely new (which is the case for more than 90 % of all products) these processes are captured in the enterprise resource planning (ERP) systems such as SAP and can be used for the sake of the estimation. The next step would be a mapping of the stations during the process to physical locations in order to be able to measure the distances between the stations. Again, for products which are not completely new these locations are available in the layout planning tools which are usually part of the digital manufacturing and production systems such as DELMIA. Today these tools are connected in the IT infrastructure of many companies by certain connectors such as DESC. A component of a production energy efficiency prognosis system could get this kind of information from the interfaces of a digital manufacturing and production system and could transfer them into a form useable by other components of this system (fig. 3). As state above, one important entity of information is the list of manufacturing, assembling and surface treatment processes which can be referred to as mission list. Essentially a mission list (ML) is a vector with as many elements as necessary operations:

ML = [PSPi ]i = 0 ; for i = 1,..., n i=n

(1)

with PSPi production steps with a respective specific ID and n the necessary number of such production steps. The next entity is the assignment of production steps to production stations. This assignment can be done in a 2 × n assignment matrix (AM):

i=n

AM = PSPi PSTi  i = 0 ; for i = 1,..., n

(2)

with PSPi production steps with a respective specific ID and PSTi production stations with a respective specific ID. As stated above, a further important entity of information is the arrangement of the production station captured in a production layout. Here only a probable layout can be hypothesized up front during prognosis. A proba-

ble production layout matrix (PPLM) is a n × m matrix using an appropriate grid. i, j = n,m

PPLM = PPSTij  i, j= 0 ; for i = 1,..., n and j = 1,..., m (3) with PPSTij diagonal elements which describe probable production stations with their respective ID. For the trajectory generation also information about obstacles in the production environment are necessary. These can also be generated from information in the digital manufacturing and production system and formulated in an obstacle matrix. An obstacle matrix (OM) is a n × m matrix using an appropriate grid.

i, j = n,m

OM = OPij  i, j= 0 ; for i = 1,..., n and j = 1,..., m

(4)

with OPij diagonal elements which describe probable obstacles. Here a value of “0” denotes “no obstacle” at this position of the grid and “1” denotes “obstacle present” at this position of the grid. Additionally regions of danger respectively security around obstacles can be indicated in this matrix. The inner security zone is denoted with a value of “0.5” in the matrix and is characterized by a rather high risk to damage the obstacle or the vehicles if unwanted influences such as slippery floors occur. In the outer security zone damages are unlikely even if such conditions would be present. This zone is denoted with a value of “0.25” in the obstacle matrix. In this stage of the process no dynamic obstacles are considered as they are also not captured in the digital manufacturing and production system. With the listed information a second section of a production energy efficiency prognosis system could generate probable trajectories and a third section of this system could than estimate the energy consumption for instance based on the traveled distance, probable velocities and probable rolling friction, probable air drag, probable inclination and probable acceleration (fig. 4). The result of these steps is an estimation of the probable energy consumption in production – in the final vision of the project all intermediate steps are carried out automatically be the production energy efficiency prognoPomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

73


Nauka     

probable manufacturing layout

producon energy efficiency prognosc system

probable obstacles

probable manufacturing mission list

trajectory kernel CAD system e.g. CREO 2.0

probable trajectories esmaon kernel

probable energy consumpon Fig. 4. Trajectory kernel and estimation kernel Rys. 4. Jądro trajektorii i jądro oceny

y

v1 A

sis system and thus allowing the engineer to test several product component and product architecture alternatives. On this basis he may consciously decide for the most sustainable alternative with the smallest energy consumption possible; this decision possibility is currently not available to engineer in industrial practice. One important element of the whole system is the trajectory kernel. Two alternatives for the automatic generation of sensible trajectories are described in the next two sections – a basic trajectory kernel based on refined ideas of dubins vehicles and an enhanced trajectory kernel.

C

D

v2 B

x

Fig. 5. Basic trajectory kernel – motion primitives Rys. 5. Podstawowe jądro trajektorii – prymitywy ruchu

4. Basic Trajectory Kernel A trajectory kernel is a function block (a software component) which can be used for the realization of several functionalities (15). It allows calculating the minimum time to realize a certain transportation task but also minimum distances which are usually desirable from the viewpoint of energy efficiency. Consequently, in this project and in prior work (15) a concept of a very basic trajectory kernel which still delivers relatively good trajectories was developed. For autonomous vehicles trajectories need to be generated in a two-dimensional plane. A trajectory can be described as a parametric curve (3):

r v p = p(u )

(5)

The trajectory is completely defined only when the motion law is provided:

u = u(t )

(6)

Here the function u(t) is a function which derivatives are velocity, acceleration and jerk. This trajectory kernel generates such parametric curve and the respective function and is based on the use of the simple geometric shapes circle and tangential line (motion primitives – fig. 5).

74

Such simple geometric shapes – also called motion primitives – were applied multiple times in research and industry (compare e.g. the so-called Dubins vehicles (6). For the basic trajectory kernel additionally some sensible simplifications are made: –– The vehicle starts form an operation at stand-still and is then accelerated with constant acceleration to a predetermined optimal velocity (usually in the range of 80 % of the maximum velocity). –– The radius of the basic shape “circle” is always determined by the velocity of the vehicle. The friction contact of a wheel to the floor only allows the transfer of a certain amount of centrifugal forces. In this kernel a given friction parameter is used in order to determine an appropriate circle radius for a certain speed (fig. 6). –– Acceleration and deceleration are only realized on the straight tangential lines. In this way the smallest circles possible can be used, as the friction contact in curves is not additionally loaded by inertia forces resulting from acceleration and deceleration. –– For the acceleration and deceleration on the straight line a trapezoidal trajectory was applied (compare Biagiotti&Melchiorri (3)). This profile is a very common method to obtain trajectories with a continuous velo-


acceleration [m/s2], velocity [m/s], distance [m]

1.2

acceleration velocity distance

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

t0

t1

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t8

-0.2 -0.4 -1

0

1

2

3

4

time [s]

5

6

7

8

9

Fig. 6. Basic trajectory kernel – acceleration and deceleration Rys. 6. Podstawowe jądro trajektorii – przyspieszanie i zwalnianie

city profile and is the simplest possibility which can be practically realized (fig. 6). Jumps in the acceleration occur and lead to interruptions on the vehicle and its load. This problem will be addressed in the next section – enhanced trajectory kernel. The trajectory kernel also has to take obstacles from the obstacle matrix into consideration. Here also the motion primitive circle is used in order to design a sensible detour trajectory (fig. 7). The detour trajectory is based on circle segments and the radius of this circle segments is again depending on the velocity of the vehicle. Deceleration and acceleration are not realized during this part of the motion in order to prevent additional load on the friction contact. Around the obstacles an inner security zone (indicated by 0.5 in the obstacle matrix and an outer security zone (indicated by 0.25 in the obstacle matrix) is visible. The detour trajectory may touch the outer security zone; more dangerous trajectories would be possible but are not considered in this early phase of trajectory planning. For the operation of the basic trajectory kernel the initial position and velocity vector and the desired position and velocity vector needs to be given. Usually the

initial point will be the current position and the desired position will be the location where some kind of an activity has to be executed. Additionally values such as maximum total acceleration and maximum speed need to be given. The application of the trajectory kernel can deliver the following results: –– a table of position and velocity vectors with a line showing a given time interval (e.g. 50 ms), –– the position of the motion primitives circle and line, –– the minimum time needed to perform the mission under the given conditions (maximum velocity and maximum acceleration) and –– the prerequisites for determining the energy consumption. Figure 8 summarizes the main considerations of the simplified trajectory kernel.

Fig. 8. Basic trajectory kernel – main considerations Rys. 8. Podstawowe jądro trajektorii – podstawy analizy

The trajectory kernel can then also be used to create alternative trajectories using different leading criteria e. g. time or energy consumption. Today a large number of algorithms for trajectory synthesis are available – a good overview is given by Biagiotti&Melchiorri (3). The distinctive quality of the presented basic trajectory kernel in comparison to the numerous other trajectory generation algorithms are the straight-forward strategy for avoiding unnecessary acceleration and deceleration (acceleration and deceleration only on the tangential lines), the possibility to set different priorities i.e. optimization criteria (time/energy/production space) and the use of basic shape combination. These characteristics and strategies which consider the physical properties of autonomous vehicles largely reduce degrees of freedom and allow fast calculations but still deliver a sensible trajectory. Due to the analytical nature of the approach a safe behavior of the vehicle can be guaranteed.

5. Enhanced Trajectory Kernel

Fig. 7. Basic trajectory kernel – obstacles Rys. 7. Podstawowe jądro trajektorii – przeszkody

As stated above, the main problem of the basic trajectory kernel can be the interruptions of the vehicle and its load due to the jumps in the acceleration profile (infinite jerk). In the case of vehicles it is sensible to consider the two components path acceleration (resulting from acceleraPomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

75


Nauka     

tion and deceleration) and normal acceleration (resulting from the curvature of the path). The effect to the vehicle and its load is the same; it is therefore desirable to have smooth changes of the resulting acceleration vector (continuous total acceleration strategy). Figure 9 shows the approach for the enhanced trajectory kernel.

6. Summary

Fig. 9. Enhanced trajectory kernel Rys. 9. Zaawansowane jądro trajektorii

Aknowledgements

Two main points characterize the considerations: firstly it is now necessary also to consider the acceleration or deceleration in the initial and desired position – i.e. to know the rotation of the velocity vector at the beginning and the end. Secondly at all instances of the trajectory where a change from a circle to a line of vice versa is necessary a smoothing sections has to be integrated. Elaborate investigations have show that an e-function is an appropriate solution to realize such smoothing sections (fig. 9). Another possible approach would be, for instance, the clotoid function, which was applied for rail tracks for the sake of smoothing between curves and straights. The clotoid function is the curve defined by parametric equations: t

x(t) = a π ∫ cos

y(t) = a π ∫ sin

0

t

0

s2 π ds 2

(7)

s2 π ds 2

(8)

However, these functions are very complicated and require solving an integral and were therefore not chosen for a quick trajectory kernel. To conclude, the continuous total acceleration strategy of the enhanced trajectory kernel applied in order to achieve fewer interruptions on the vehicle and on transported goods. The changes of the trajectory are minor and can be applied for instance only during operation but can be ignored for rough mission planning, for collisions forecast and preliminary avoidance and other activities in the preparation a single or multiple missions of autonomous vehicles.

76

The earlier a product development engineer can estimate the energy the product he/she is developing will cause in production the better this engineer can make conscious decisions concerning product architecture and product geometry which can lead to reduced energy consumption in production. A large scale project at the University Ravensburg-Weingarten is aiming to support engineers in this estimation. One important aspect is the energy needed for transporting goods (products and their components as well as tools and other items) in the manufacturing and assembling factories. The research described in this paper aims to develop probable and sensible routes of movements as a basis for an energy consumption estimation of these logistic processes. In order to do so a framework was developed and the application of an exemplary trajectory kernel was explained. Further steps will include other algorithms for trajectory development and comparisons with realistic data from producing companies. The results of these research steps will result in one building block for a production energy estimation system (PEEPS).

This project is supported by a grant from the European Regional Development Fond and the Ministry of Science, Research and the Arts of Baden-Württemberg, Germany (further information can be found under: www.rwb-efre. baden-wuerttemberg.de).

Bibliography 1. Bernard R., Stetter R., Early Determination of Product Properties, [in:] HUBKA, V. (Hrsg.); et al. Proceedings of ICED 97, Tampere. Zürich: Edition Heurista, 1997, S. 2/675–2/680. 2. Bessiere P., Ahuactzin J.M., Talbi E.G., Mazer E., The ariadne’s clew algorithm: Global planning with local methods, IEEE Intelligent Robots and Systems Conference, 1993. 3. Biagiotti L., Melchiorri C., Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots, Spinger, Berlin 2008. 4. Brake M., Die Ökobilanz der Abwrackprämie ist negativ. Telepolis Wochenschau, 10.03.2009, 2009. 5. Coatana E., Kuuva M., Nordlund H., Makkonen P.E., Saarelainen T., An uniform environmental metric based on exergy for early design evaluation, „International Journal of Environmentally Conscious Design and Manufacturing”, Vol. 13, No. 2, 2007. 6. Dubins L.E., On curves of minimal length with a constraint on average curvature, and the prescribed initial and terminal positions and tangents, „American Journal of Mathematics”, 79(3): 497–516, 1957. 7. Ehrlenspiel K., Kiewert A., Lindemann U., Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren. Springer, 2007. 8. Hermann B.G., Kroeze C., Jawjit W., Assessing environmental performance by combining life cycle as-


sessment, multi-criteria analysis and environmental performance indicators, „Journal of Cleaner Production”, Vol. 15, 1787–1796, 2007. 9. Laumond J.P., Jacobs P.E., Michel T., Murray R.M., A motion planner for non-holonomic mobile robots, “IEEE Transactions on Robotics and Automation”, 1994. 10. Pasha A., Path planning for nonholonomic vehicles and its application to radiation environments, Report, University of Florida, 2003. 11. Perez T.L., Wesley M.A., An algorithm for planning collision free-paths among polyhedral obstacles, Communications of the ACM, 1979. 12. Reeds J.A., Shepp R.A., Optimal paths for a car that goes both forward and backward, „Pacific Journal of Mathematics”, 1991, 145(2): 367–393. 13. Reichel T., Rünger G., Steger D., Xu H., IT-Untersüttzung zur energiesensitiven Produkt­entwicklung, Chemnitzer Informatik-Berichte, 2010. 14. Reif J., Wang H., The complexity of the two dimensional curvature constrained shortest path problem. Robotics: The Algorithmic Perspective: The Third Workshop on the Algorithmic foundations of Robotics, Natick (MA), 1998. 15. Seybold L., Pieczynski A., Paczynski A., Krokowicz J., Stetter R., Development of a trajectory kernel for autonomous vehicles, Proceedings of the 9th Workshop on Advanced Control and Diagnosis, 2011. 16. Tischner U., Schmincke E., Rubik F., Was ist EcoDesign, Ein Handbuch für ökologische und ökonomische Gestaltung. form Praxis, 2000.

Zaawansowane metody planowania trajektorii w estymacji zużycia energii w procesach produkcyjnych Streszczenie: W artykule omówiono wyniki obecnie realizowanego projektu badawczego i przedstawiono zaawansowane metody planowania trajektorii, które mają przyczynić się do szacowania zużycia energii podczas produkcji towarów. Ilość energii, jaka jest wymagana do wytworzenia produktu jest obecnie przedmiotem wielu rozważań i prac badawczo-rozwojowych. Jednakże, bardzo często nie można porównać dogłębności analiz energii koniecznej do produkcji wyrobów. Zużycie energii w produkcji i sprzedaży ustalane jest bardzo wcześnie w procesie rozwoju produktu przez projektantów i inżynierów, np. przez dobór surowców, jawnych i ukrytych wymagań dotyczących procesów produkcyjnych i montażowych, lub przez decyzje dotyczące konfiguracji produktowej. Aktualnie deweloperzy i inżynierowie dysponują różnorodnymi narzędziami projektowymi i symulacyjnymi, które mogą pomóc stosunkowo dokładnie przewidzieć zużycie energii podczas pracy. Narzędzia, których celem jest przewidywanie zużycia energii w produkcji i sprzedaży nie są dostępne, z wyjątkiem pierwszych baz materiałowych, takich jak Eco Materials Adviser (firmy Autodesk). Procesy transportu są ważnym aspektem produkcji. We wszystkich fazach procesów produkcji oraz montażu, komponenty pro-

duktu oraz niedokończone produkty muszą być transportowane od odbioru towarów do magazynu, i następnie do miejsca produkcji lub składowania. Oszacowanie zużycia energii w procesach logistycznych jest możliwe tylko wtedy, gdy jako podstawę można wziąć prawdopodobne i sensowne trasy ruchu. Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie nowego sposobu planowania trajektorii w celu wskazania optymalnych tras, a w konsekwencji oszacowania zużycia energii. Słowa kluczowe: logika rozmyta, predykcja zużycia energii, produkcja Artykuł recenzowany, nadesłany 24.06.2013 r., przyjęty do druku 10.01.2014 r.

Prof. Ralf Stetter, PhD Eng He is professor for design and development in automotive technology, vice dean of the department of mechanical engineering and head of the Computer Aided Design Laboratory at the Hochschule Ravensburg-Weingarten, Germany and project manager at the steinbeis transfer center “automotive systems”. e-mail: stetter@hs-weingarten.de Prof. Andreas Paczynski, PhD Eng He is professor for Mechatronics Engineering at the department of Technology and Management at the Hochschule Ravensburg-Weingarten in Weingarten, Germany. He is engaged in area of the high dynamic mechatronic drives. e-mail: paczynski@hs-weingarten.de

Piotr Witczak, MSc Received B.Sc and M.Sc degrees from the University of Zielona Gora, Zielona Gora, Poland in 2010 and 2012 respectively. Currently he pursues Ph.D on the University of Zielona Gora. He is currently working as a Research Fellow on University of Applied Sciences Ravensburg-Weingarten, Weingarten, Germany. His research interests include fault tolerant control, efficient model predictive control, LPV systems and performance in unmanned ground and air vehicles. e-mail: P.Witczak@weit.uz.zgora.pl Benjamin Staiger Dipl. Wirtschaftsinformatiker (FH) is responsible for innovation, IT and administration at Kirchner Konstruktionen GmbH in automotive technology. He is CEO of UReality, a company for mobile software solutions with focus on augmented reality. e-mail: bstaiger@kirchner-kon.de

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

77


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

The Self in the Machine Karolina Zawieska*, **, Brian R. Duffy** * Industrial Research Institute for Automation and Measurements PIAP, Warsaw ** SMARTlab at University College Dublin (UCD), Dublin

Abstract: Social human-robot interaction (HRI) has been widely recognised as one of the major challenges for robotics. This social aspect includes designing robots that embraces various humanlike characteristics regarding robot appearance and behaviour. Few HRI studies, however, address the core goal of human social interaction, i.e. the development of the self. This paper argues that social robots can constitute an illusion or an extension of the human self and should be developed as such. The concept of the self and its meanings for HRI research are here discussed from the symbolic interactionism perspective. Keywords: human-robot Interaction, self, self-extension,

symbolic interactionism

DOI: 10.14313/PAR_204/78

1. Introduction As technology advances, social robots are embracing more and more humanlike qualities. Hence, the old question of what makes humans human gains a renewed focus. Amongst the various human characteristics that vary between different individuals and cultures, the self is a crucial trait inherent to all human beings that distinguish us from other living creatures. Thus, in order to fully embrace aspects of simulated human nature and reinforce more sophisticated human-machine interaction, social robotics need to address the concept of the self. So far, several attempts have been made to equip robots with a form of selfawareness, however, the social nature of the self and the way it arises out of embodied social interaction still needs to be addressed in greater detail.

2. The Human Self Symbolic interactionism is one of the major sociological perspectives developed over the 20th century. It focuses on human social interaction seen as a process actively constructed and modified by individuals where the key element is the ability to give meanings to objects around them and communicate with others using symbols. Symbolic interactionist research focuses on a micro-level, however, inter-

78

action has been always analysed in a wider context: The main goal of human social interactions is to create and maintain the concept of the self as well as develop social structures based on a shared understanding of a given social and cultural reality. Depending on the approach developed within symbolic interactionism, the degree to which humans are influenced by or independent from social forces and other external and internal factors varies (for a detailed discussion on divergences between major theoretical and methodological assumptions see [36]). The central concept, however, remains unchanged: The notion of the self. There is a large variety of theories analysing different components and functions of the self. The major assumption of symbolic interactionism is that the self “emerges in the social processes and is subject to change and modification throughout the individual’s life course” [18]. In other words, people develop self-conceptions and derive the feelings about themselves based on how others perceive them or how they imagine they appear to others. The key element in developing the self is the human reflexive ability, i.e. the ability to perceive the self as an object and interact with ourselves. Also, the development of the self requires the ability to use symbols and communicate with others where language is of crucial importance Hence, the self and the social reality are being actively constructed and reconstructed within a given social and cultural framework. The majority of studies focus on how the self is constructed rather than what the content of the self is: “However defined, self refers to activity, to reflexive activity, and not to an object, thing, or essence” [33]. As society changes, the concept of self evolves too. The conceptions of self that were once anchored in stable spatial, institutional and temporal contexts are now anchored in impulses and multidimensional contexts, in particular those shaped by information technology. Due to the pace and multiplicitous modes of life, proliferation of communication technologies and growing instability and ephemerality of social structures necessary to anchor the self, identities and the self become fragmented, “saturated” and incoherent [12, 13, 31]. For the purposes of this work, it is important to emphasize that the self is what distinguishes the human from non-human agents and the ultimate goal of social interaction is to enable humans to fully develop the conception of


self. Although interactionists acknowledge the importance of biological predispositions that give people the potential to become human, they argue that people “develop into distinctively human beings as they take part in social interaction” [31]. Thus, social interaction is of crucial importance for human growth and survival not only as a biological entity but above all a human being. From this perspective, the study of social interaction between humans and robots addresses the essence of human nature.

3. The Robotic Self From early stages, the notion of a robot was seen as a self-aware machine. In Capek’s “R.U.R.” play from which the term ‘robot’ comes, one of the robots named Radius is given a larger brain. As a result, the robot becomes selfaware and decides to refuse to work for humans [29]. As stated above, the sense of self is seen as a distinctive human trait, hence it is not surprising that the very first robots (as well as sculptures, dolls and anthropomorphic puppets that become “alive” in myths, literature and works of art) become self-aware. In Capek’s play, self-awareness is seen mostly as the result of the human brain activity and such an approach is present in many scientific studies [30]. Interactionists also recognise the importance of cognitive components (in addition to affective components [32]) in developing the concept of the self, however, they see both the conceptions of self and mind as social products [18, 36]. From the social robotics perspective, it is important to emphasize the embodied nature of the self. Symbolic interactionism typically focuses on language and communication as the main sources of the self. However, recent studies point at the awareness of the body and bodily sensations as an anchor for self-reflexivity [28]. There is no consensus on Cartesian dualism and many researchers see the self and the body as identical: “So, if the self is that which perceives, thinks, and acts, then the self is, above all, an embodied self” [4]. Social robotics constitutes a unique chance to study the concept of the self through embodiment and embodied social interaction. As embodied cognition aims to reinforce stronger integration between control system and the physical body of the robot, it inevitably develops the robots awareness of its body (even if only on an elemental level), hence constitutes the basis for development of the artificial self, reinforced by the development of social capabilities in machines. However, a variety of HRI studies focus on the degree and modes of anthropomorphism in robots, with only a few considering the self as a distinctive human trait and the ultimate goal of social interaction. Anthropomorphism is usually seen as the human tendency to perceive robots as humanlike in response to an (often limited) number of visual, audio or tactile stimuli provided by machines. The concept of anthropomorphism often remains weakly defined, or weakly managed. Obviously, only some human traits can be simulated in robots and it is a misconception to think that results from human-human interactions can be directly applied to human-robot interaction [6, 39]. Given the complexity and constructive nature of the

self, simulating the self in robots is a particularly difficult challenge that, however, should not be desisted.

4. Artificial Self-Awareness Several researchers have included the self in their research in order to design robots that not only resemble human appearance and behaviour but are also defined as “selfaware” (self-reflexivity is the key element of the self). A common way to study such a phenomena is to create robots capable of visually recognising themselves in a mirror [25, 34] (such an idea has been inspired by the “mirror test” performed on chimpanzees [11]). On the other hand, it has also been argued that such a capacity is not enough for achieving self-awareness and the ability to attend to robot internal states is required [27]. Internal states or representations may include simulated emotions, beliefs and intentions and processes such as sensation, perception, conception, simulation, action, planning and thought. In such a case, a robot can be aware of its environments (external awareness) and of itself (internal awareness) [27]. Other researchers distinguish between internal and external attributes (language and processing capabilities, and physical features respectively). Awareness of such attributes contributes to robot identity seen as the ability to distinguish itself from other systems and environments [8]. The capacity to sense robot’s own internal states and react accordingly is also seen as indispensable for robots to “detect and deal with operational abnormalities”, i.e. to be self-aware [22]. Others define a self-aware system as a system that is “aware of itself thus able to monitor its own capabilities and limitations” [3]. In general, the common goal for creating self-aware robots is to enable them to better adapt to unpredictable environments and re-plan their behaviour [3, 27]. Whereas a few researchers have argued that “it is simplistic to define self-awareness as the ability to understand one’s own limitations, monitor one’s self, and detect and recover from faults” [23] and self-awareness needs to be “at least partially defined in terms of one’s awareness of others” [23]. One approach is to develop self-recognition in robots in order to endow robots with a capacity to learn about the concepts of “self” and “other” seen as useful in social interactions [15]. According to Hinds et al. [19] people may feel a sense of shared social identity with robots where the sense of shared identity is stronger with humanlike robots compared to machine-like robots. Some robots have been endowed with an artificial identity because of its importance for communication and emotional interaction with children [16], where identity is seen as a key element in order for the robot to become a believable character. A few researchers explicitly addressed the human ability to take the intentional stance towards themselves and actively construct the self. They argued that robots should “construct themselves as people” [23], i.e. develop identities and beliefs along with evolving and maintaining social relationships in order to become “persons”, where personhood does not require consciousness [23]. They also emphasized the role of the body in constructing human and robotic identities. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

79


Nauka     

Since one of the primary goals for robotics is to create intelligent machines, artificial consciousness is often studied in relation to artificial intelligence (from the symbolic interactionist perspective too: “Rational conduct always involves a reflexive reference to self (...)” [24]). According to Minsky, humans possess only limited consciousness and its complexity should not be overestimated: “consciousness is actually easier to describe than most other aspects of mind” [26]. Also, Minsky views consciousness as preceding intelligence since “a certain degree of consciousness - in the sense of access to such records - is necessary for a person (or machine) to be intelligent. But even a large degree of such ‘consciousness’ would not by itself yield intelligence” [26]. On the contrary, others define the field of artificial consciousness as naturally emerging from AI research. Just like in AI and many other areas in robotics, it is possible to define consciousness in terms of weak and strong stance where the machine simulates or actually is conscious [5, 20]. For the purposes of this paper, it is important to emphasize that both artificial intelligence and artificial consciousness require embodiment and it is through the body and embodied social interactions that humans develop self-concepts. Intelligent robots that become or are selfaware, however, are sometimes feared as machines superior to humans in terms of intelligence but equal to them in terms of desire for independence or power that sooner or later lead machines to rebellion against their creators (for example, Radius from the “R.U.R.” play or HAL from 2001: A Space Odyssey – artificial intelligence embodied in the spacecraft). Thus, the goal to fully simulate or reproduce the human in the machine is severely challenged when it comes to creating autonomy in robots. HRI researchers often demonstrate a certain degree of understanding of the importance of the self and identity for social interaction between humans and robots and the potential for the study of the self embodied social agents have. However, like many other concepts that follow the human frame of reference, defining the concept of the self remains challenging. In social sciences, there is no one standard of the self, however, it is clear that the self and identity are not the same: “In general terms, self is now viewed as a set or series of identities” [37], for example social, legal, bodily and digital identity. Also, in order to understand the self and identities, wider social contexts must be considered: “Because the self emerges in and is reflective of society, the sociological approach to understanding the self and its parts (identities) means that we must also understand the society in which the self is acting” [32]. Artificial self-awareness is therefore an inevitable evolution from work to date on developing socially capable embodied machines/robots to be used in real world settings.

5. Extension of the Self It is interesting to note that several researchers emphasize the simulated nature of the self in robots, i.e. the fact that “a robot may not be truly self-aware even though it can have some characteristics of self-awareness” [27]. Some

80

researchers notice that it is be difficult to predict whether machines could be conscious but “if a robot looks and appears to act human, it may be hard to resist treating it as a fully conscious person” [23]. This stands in contrast to approaches with many other human features, for example emotions or intelligence, that are often seen as possible to be not only imitated but also reproduced in robots. Such an approach towards self-awareness and consciousness constitutes a good basis for seeing humanlike robots as an extension of the human, in the sense where they simulate human traits (including the human self) rather than being artificial humans. The idea that technology is an extension of the human being is not new. Social robots in particular reflect the anthropomorphic perspective that humans inevitably apply to all areas of their lives. As technology advances, the variety and complexity of human characteristics being simulated in robots increases. Telepresence robots are designed not only to simulate but also to extend the actions and sensations of the human operator in order to convey information to our sense of sight, hearing and touch [2]. From the symbolic interactionist perspective, material objects and symbolic meanings associated with them can serve as an extension of human identity, i.e. identity has boundaries that extend beyond the human body [7]. In particular, consumer identity is directly related to things, where “consumers use key possessions to extend, expand and strengthen their sense of self” [1]. By adopting a similar approach, people can extend not only their physical abilities but also their selves into machines, especially into humanlike robots that clearly evoke anthropomorphic projections. Some HRI researchers have also argued that people extend their self into robots and in general, into the objects they can control and personalise [17]. The control aspect is of crucial importance for the human perception of robots: as long as people exert control over machines they can extend their bodies and selves into robots, without the robot necessarily being anthropomorphic in appearance (for example, some Mars rover operators report they “look through their [the Rovers’] eyes” and “put [themselves] in the Rover’s head” [38]). As robot autonomy increases (or an illusion of autonomy), a distinction between an extension of the human and an independent agent becomes problematic. Telepresence robots, especially humanoids, literally extend the human body. If we agree that the body and the self are indivisible, then we can assume that the extension of the body leads to the extension of the self. Thus, creating humanlike self and identity in the machine requires an active engagement with users and their imagination and the correct degree of anthropomorphism in robot design.

6. Illusion of the Self The goal for social robotics is to create robots that can socially engage as much as possible. Given the fact that sociality is fundamentally a human trait, such a goal requires the use of the anthropomorphic form in robot design which may vary from abstract to realistic. Human


likeness can be achieved via purposefully anthropomorphic hardware and software design as well as via exploiting the human tendency to project human traits onto inanimate objects, either deliberately or not. Thus, social robots generate, to varying degrees, an illusion of human qualities rather than reproduce them, where the self and identity is no exception. In order to embrace the relational nature of the human self, it is important to study it in the context of social interaction. Several studies addressed the topic of robots seen as relational artefacts and applied an interactionist perspective to social robotics [21, 35]. However, interactions between humans and robots are usually highly controlled, short-duration and limited to a single or small group of participants. As a result, robots are viewed as isolated objects and problem-solving is formal and narrowly defined leading to oversimplification of social interaction and related concepts (Forsythe [10] argued that such thinking is typical of AI researchers and it leads them to “delete the social”). Hence, the challenge lies not only in simulating the human being as a physical and psychological entity but also in incorporating robots into real and long-term social contexts characterised by large margins for interpretations and negotiation of meanings. Among all human traits simulated in robots, the self constitutes a key quality the illusion of which can help contribute to a perception of life in machines: “Maybe this is what we mean by artificial life, a perceived notion of consciousness artificially attained through anthropomorphism” [9].

7. Conclusions The human self is fundamentally relational, i.e. developed in the course of social interaction. Social robotics and HRI research constitute a unique chance to better understand this aspect of the human nature: We can either simulate the self and identity in robots or let humans extend their own selves to the machine as well as redefine their selfconcepts via the process of social interaction with anthropomorphic machines., In any case, the self in robots and their social characteristics are inevitably imitations or extensions of real human traits that make robots humanlike rather than human. Understanding the concept of the self is particularly challenging in the context of current western culture, where identities are becoming more and more fragmented and blurred. Nevertheless, individuals are seen as fully responsible for their selves: “We are not what we are, but what we make of ourselves” [14]. Also, as virtual and augmented reality technologies continue to advance, the relationship between the body and identity is being continuously redefined. Thus, on one hand, social robots imitate human traits and challenge the confines of human nature. On the other hand, the embodied nature of robots and human-robot interaction can help verify our fuzzy conceptions of identity and anchor them in embodied social experiences. Perhaps paradoxically, it is the machine that can then help the human understand what the very core of being human actually is.

Bibliography 1. Ahuvia A.C., Beyond the Extended Self: Loved Objects and Consumers’ Identity Narratives. Journal of consumer research, 2005. 32(1): 171–184. 2. Bar-Cohen Y., Haptic Interfaces, in Automation, Miniature Robotics and Sensors for Nondestructive Evaluation and Testing, A.S.f.N. Testing, Editor 2000. 3. Birlo M., Tapus A., The Crucial Role of Robot SelfAwareness in HRI, in Proceedings of the 6th International Conference on Human-Robot Interaction 2011, ACM: Lausanne, Switzerland. 115–116. 4. Cassam Q., The Embodied Self, in The Oxford Handbook of The Self, S. Gallagher, Editor 2011, Oxford Unviersity Press. 5. Chella A., Manzotti R., Artificial Intelligence and Consciousness. AI and Consciousness: Theoretical Foundations and Current Approaches, 2007. 6. Dautenhahn K., Methodology & Themes of Human-Robot Interaction: A Growing Research Field. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2007. 4(1): 103– 108. 7. Dittmar H., Material and Consumer Identities [in:] Handbook of Identity Theory and Research, Schwartz S., Luyckx K., Vignoles V.L., Eds. 2011, Springer. 8. Duffy B.R., Social Empowerment Of Autonomous Mobile Robotics. in 1st International Conference on Autonomous Minirobots for Research and Edutainment 2001. Paderborn, Germany. 9. Duffy, B.R., Anthropomorphism and Robotics, in The Society for the Study of Artificial Intelligence and the Simulation of Behaviour 2002: England. 10. Forsythe D.E., Studying Those Who Study Us: An Anthropologist in the World of Artificial Intelligence. Writing Science 2002: Stanford University Press. 11. Gallup G.G., Chimpanzees: Self-Recognition. Science, 1970. 167(3914): 86–87. 12. Gergen K.J., The Saturated Self: Dilemmas of Identity in Contemporary Life 1992: Basic books. 13. Gergen K.J., Technology and the Self: From the Essential to the Sublime. Constructing the Self in a Mediated Age, 1996: 127–140. 14. Giddens A., Modernity and Self-identity: Self and Society in the Late Modern Age 1991: Stanford University Press. 15. Gold, K. and B. Scassellati. Learning About the Self and Others Through Contingency. in AAAI Spring Symposium on Developmental Robotics. 2005. 16. Goris K., Saldien J., Vanderborght B., Lefeber D., Probo, an intelligent huggable robot for HRI studies with children, in Human-Robot Interaction, Chugo D., Editor 2010. 17. Groom V., L. Takayama P. Ochi and C. Nass, I am my robot: the impact of robot-building and robot form on operators, in Proceedings of the 4th ACM/IEEE International Conference on Human Robot Interaction2009, ACM: California, USA. 31–36. 18. Herman N.J., Reynolds L.T., Symbolic Interaction: An Introduction to Social Psychology 1994: AltaMira Press. 19. Hinds, P.J., Roberts T.L., Jones H., Whose job is it anyPomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

81


Nauka     

way? A study of human-robot interaction in a collaborative task. Human-Computer Interaction, 2004. 19(1): 151–181. 20. Holland, O., Machine consciousness 2003: Imprint Academic. 21. Jones R.A., Relationalism through Social Robotics. Journal for the Theory of Social Behaviour, 2013. 22. Lim W.Y. Self-Awareness in Mobile Robots. in RoboticsDL tentative. 1992. International Society for Optics and Photonics. 23. MacDorman K.F., Cowley S.J., Long-term relationships as a benchmark for robot personhood. in The 15th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, 2006. IEEE. 24. Mead G., Mind, Self, and Society: From the Standpoint of a Social Behaviorist (Works of George Herbert Mead, Vol. 1) 1967: University Of Chicago Press. 25. Michel P., Gold K., Scassellati B., Motion-Based Robotic Self-Recognition. in Proceedings. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2004. IEEE. 26. Minsky M.L., Conscious machines. in Machinery of Consciousness. 1991. 27. Novianto R., Williams M.A., The Role of Attention in Robot Self-Awareness. 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication. 2009. IEEE. 28. Pagis, M., Embodied Self-Reflexivity. Social Psychology Quarterly, 2009. 72(3): 265–283. 29. Richardson, L., The Modern Robot and the Postmodern Cyborg: The Post-Human as an Image of Anxiety. Emergence: A Journal of Undergraduate Literary Criticism and Creative Research, 2012. 3. 30. Ross, J.A., The Self: From Soul to Brain. Journal of Consciousness Studies, 2003. 10(2): 67-85. 31. Sandstrom, K., D. Martin and G. Fine, Symbolic Interactionism at the End of the Century, in Hanbook of Social Theory, G. Ritzer and B. Smart, Editors. 2001, SAGE Publications Ltd: London. 217–232. 32. Stets J.E., Burke P.J., A Sociological Approach to Self and Identity, in Handbook of Self and Identity, Leary M.R., Tangney J.P., Editors. 2005, The Guilford Press. 33. Stryker S., Symbolic Interaction as an Approach to Family Research [in:] Symbolic Interaction: A Reader in Social Psychology, Manis J.G. Meltzer B.N., Editors. 1978, ALLYN AND BACON, INC. 34. Takeno, J., T. Takiguchi and A. Mizunaga, A Study of Self-Awarness in Robots. International Journal of Machine Consciousness, 2013. 5(2): 145–164. 35. Turkle S., A Nascent Robotics Culture: New Complicities for Companionship, in AAAI Technical Report Series 2006. 36. Turner, J.H., The Structure of Sociological Theory 2003: Wadsworth Thomson Learning. 37. Turner, J.H., Symbolic Interactionist Theories of Identity, in Contemporary Sociological Theory, J.H. Turner, Editor 2012, SAGE Publications, Inc. 38. Vertesi, J., “Seeing like a rover”: embodied experience on the Mars exploration rover mission, in CHI ‘08 Extend-

82

ed Abstracts on Human Factors in Computing Systems 2008, ACM: Florence, Italy. 2523–2532. 39. Zawieska K., Duffy B.R., Sprońska A., Understanding anthropomorphisation in social robotics. Pomiary Automatyka Robotyka, 2012(11): 78–82.

Jaźń maszyny Streszczenie: Interakcja społeczna między ludźmi i robotami stanowi jedno z głównych wyzwań dla współczesnej robotyki. Aspekt społeczny interakcji między ludźmi i maszynami zawiera budowanie robotów, które posiadają cechy naśladujące cechy ludzkie w kontekście wyglądu i zachowania robota. Mimo to, niewiele prac skupia się na głównym celu ludzkich interakcji społecznych z robotami, tzn. na rozwinięciu jaźni w maszynie. Autorzy niniejszej pracy twierdzą, że roboty mogą stanowić rozszerzenie ludzkiej jaźni i jako takie powinny być rozwijane. Pojęcie jaźni oraz jego znaczenie dla badań w dziedzinie HumanRobot Interaction (HRI) omawiane są w pespektywy interakcjonizmu symbolicznego. Słowa kluczowe: interakcja człowieka-robot, jaźń, rozszerzenie jaźni, interakcjonizm symboliczny Artykuł recenzowany, nadesłany 06.11.2013 r., przyjęty do druku 21.01.2014 r.

Karolina Zawieska, MSc Karolina is a PhD student at SMARTlab in University College Dublin (UCD). She holds a Bachelor of Arts in Sociology from La Sapienza University of Rome and a Master of Arts in Applied Social Sciences from the University of Warsaw. Her PhD research explores anthropomorphism in machines: to what extent and why do people perceive robots as humanlike and “alive“? She is a researcher at the Industrial Research Institute for Automation and Measurements PIAP in Warsaw, Poland. e-mail: kzawieska@piap.pl Brian R. Duffy, PhD Brian runs the Haptics & Robotics/ HCI Research Group for SMARTlab in University College Dublin (UCD). He is also a senior engineer at SAP and has been actively involved in research in many international academic and non-academic institutions throughout Europe in the fields of robotics, artificial intelligence and haptics. Previously, he conducted postdoctoral research at University College Dublin, directed the Anthropos Group at Media Lab Europe, and undertook research for GMD, Germany and INSA de Lyon, France. He has a Masters of Engineering Science, a Bachelor of Science in Production Engineering, is a member of the IEEE, a Chartered Engineer, and holds the Eur. Ing qualification. e-mail: b.duffy@ucd.ie


Odczyt kodów felg samochodowych w procesie produkcyjnym Jacek Dunaj Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W artykule przedstawiono sposób realizacji odczytu kodów felg samochodowych. Opracowane stanowisko zostało wdrożone przez pracowników Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP w zakładach firmy ATS Stahlschmidt & Maiworm w Stalowej Woli. W artykule omówiono zastosowane algorytmy identyfikacji kodów oraz przedstawiono problemy, jakie napotkano podczas realizacji tej pracy. Słowa kluczowe: FelgenCode, laserowy czujnik pomiaru odległości, metoda najmniejszych kwadratów DOI: 10.14313/PAR_204/83

1. Wprowadzenie W 2008 r. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP uruchomił w fabryce firmy ATS Stahlschmidt & Maiworm w Stalowej Woli (należącej obecnie do grupy Uniwheels) stanowisko do odczytu kodów felg samochodowych. Od tego czasu oprogramowanie stanowiska było kilkakrotnie modernizowane, co uczyniło je jedną z ciekawszych aplikacji przemysłowych wykonanych przez Instytut.

a gotowe odlewy trafiają na wspólne transportery, dużym utrudnieniem była ich identyfikacja przed dalszą obróbką. Dla rozwiązania tego problemu każde koło jest odlewane wraz z dodatkowym kodem cyfrowym FelgenCode firmy Numtec Interstahl opracowanym specjalnie dla znakowania felg (rys. 1). Kod ten, usuwany na końcu procesu technologicznego, ma stałe wymiary i określony format. W chwili przekazywania stanowiska do eksploatacji stosowano 12-bitowy kod w wersji V1.3 (rys. 2a), umożliwiający znakowanie odlewów numerami od 0 do 4095. W 2009 r. rozpoczęto stosowanie 14-bitowego kodu w wersji V3.0 (rys. 2b), który pozwala na oznaczanie numerami od 5000 do 21 383. Od wprowadzenia kodu V3.0 obydwa sposoby znakowania są w bieżącej produkcji stosowane równolegle. Kody w wersjach V1.3 i V3.0 mają wiele cech wspólnych. W obu przypadkach dwa skrajne karby od lewej strony: szeroki i wąski są karbami referencyjnymi wyznaczającymi początek pola kodowego. W wersji V1.3 kodu wewnątrz pola znajduje się kolejny szeroki karb referencyjny, w wersji V3.0 kodu występują dwa takie karby. W obu przypadkach pole kodowe jest zakończone pojedynczym szerokim karbem referencyjnym. Karby referencyjne są tymi elementami, które zawsze występują w polu kodowym, niezależnie od numeru przypisanego danej feldze. Wąski karb lub brak wąskiego karbu w miejscach oznaczonych na rys. 2 cyframi od 0 do 13 oraz S1, S2 i S3 określają wartości „1” lub „0” danego bitu kodu lub odpowiedniej sumy kontrolnej. Wszystkie karby i odstępy między karbami (lub odstępy między miejscami, w których karby mogą wystąpić) mają ściśle określoną szerokość i wysokość mierzoną względem powierzchni bocznej odlewu.

2. Układ sterująco-pomiarowy urządzenia

Rys. 1. Odlew felgi samochodowej z kodem FelgenCode V1.3 firmy Numtec Fig. 1. Car’s wheels casting with Numtec’s FelgenCode ver. V1.3

Zakłady ATS w Stalowej Woli produkują aluminiowe felgi do samochodów znanych europejskich marek. Ponieważ w fabryce jest kilkadziesiąt stanowisk odlewniczych,

Początkowo rozważana była budowa stanowiska na bazie systemu wizyjnego wykorzystującego tzw. kamerę linijkową oraz specjalizowany program NeuroCheck stoso-

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

83


Nauka     

wany we wcześniejszych aplikacjach. Po wykonaniu szeregu testów koncepcję tę zarzucono ze względu na szacowany wysoki koszt takiego rozwiązania oraz obawy, że urządzenie wizyjne może być zbyt delikatne, jak na agresywne warunki pracy w pobliżu odlewni. Zdecydowano się na zastosowanie laserowego czujnika pomiaru odległości. Idea jego stosowania polega na zamocowaniu sondy pomiarowej na obrotowym ramieniu (rys. 4) i przemieszczaniu jej ze stałą prędkością kątową i w stałej odległości od powierzchni bocznej felgi. Urządzenie najpierw obraca ramieniem, aby wykryć pole kodowe, a następnie usta-

wia sondę za jego końcem i powtórnie przemieszcza ją od ostatniego do pierwszego karbu referencyjnego. Podczas tego ruchu wartości kolejnych pomiarów są na bieżąco przesyłane interfejsem RS-232 do komputera PC, gdzie są zapamiętywane, a po zakończeniu skanowania – poddane analizie. Układ sterująco-pomiarowy urządzenia (rys. 3) składa się z następujących elementów: –– laserowej głowicy pomiarowej ZX-LD100 firmy Omron o zasięgu od 100 do 140 milimetrów podłączonej do wzmacniacza ZX-LDA41. Wzmacniacz posiada prądowe

Rys. 2. Kody FelgenCode firmy Numtec w wersjach V1.3 i V3.0 do znakowania felg samochodowych w procesie produkcji Fig. 2. Format of Numtec’s FelgenCode ver 1.2 and 3.0 for marking car’s wheels during manufacturing process

Rys. 3. Układ sterująco-pomiarowy urządzenia Fig. 3. Scheme of control and measurement system

84


Rys. 4. Zespół ramienia z głowicą pomiarową Fig. 4. Arm unit with laser distance sensor

Rys. 5. Stanowisko odczytu kodów felg w działaniu Fig. 5. Car’s wheels codes scanning station

wyjście analogowe, sprzężone z wejściem analogowym mikrokontrolera AVR ATmega88. –– sterownika przemysłowego Siemens S7-200 sterującego dwoma silnikami krokowymi do poruszania ramieniem, na którym zamocowano głowicę pomiarową. Jeden z tych silników przemieszcza głowicę wzdłuż promienia felgi, drugi powoduje jej ruch nad powierzchnią felgi (rys. 4). Dodatkowo S7-200 steruje ruchem transportera do przemieszczania felg oraz barierami zabezpieczającymi. –– komputera przemysłowego PC firmy Advantech pracującego pod kontrolą systemu operacyjnego Windows XP Home Edition i wyposażonym w standardowy interfejs szeregowy RS-232 oraz dodatkową kartę WE-WY dwustanowych firmy Wasco. Osadzona na tym komputerze aplikacja identyfikuje kody felg oraz obsługuje bazy danych i arkusze kalkulacyjne związane z wykonywanym zadaniem.

cie tego ruchu program mikrokontrolera AVR ATmega88 identyfikuje położenie pola kodowego felgi i przekazuje tę informację do sterownika S7-200. Sterownik ustawia ramię z czujnikiem w pozycji za ostatnim karbem referencyjnym kodu i rozpoczyna jego obrót nad kodem felgi z prędkością równą 0,1 obrotu na sekundę. Ruch ten jest sygnalizowany dwustanowym sygnałem sterującym do mikrokontrolera i komputera przemysłowego PC. W trakcie jego wykonywania program mikrokontrolera AVR ATmega88 odczytuje informację z wyjścia analogowego wzmacniacza ZX-LDA41, koduje ją, a następnie transmituje do komputera PC, gdzie jest ona zapamiętywana do dalszej analizy. Samą analizę kodu felgi aplikacja komputera PC wykonuje bezpośrednio po zakończeniu skanowania, a następnie za pomocą dwóch sygnałów WY do sterownika S7-200 wydaje polecenie powtórnego odczytu (w razie jego niepowodzenia), bądź przemieszczenia felgi poza stanowisko skanujące. Kolejny odczyt może być poprzedzony mechaniczną próbą poprawienia pozycjonowania. Należy nadmienić, że w jednym z wcześniejszych wariantów stanowiska odczyt i transmisję danych ze wzmacniacza realizował dodatkowy moduł ZX-SF11 firmy Omron. Niestety, protokół transmisyjny zaimplementowany w tym urządzeniu działał w trybie pytanie – odpowiedź, a sam komunikat był bardzo rozbudowany, czego skutkiem była niską przepustowość kanału transmisyjnego sięgająca zaledwie ok. 120 pomiarów na cały skanowany kod. Przejęcie zadań modułu ZX-SF11 przez mikrokontroler AVR ATmega88 i opracowanie własnego, prostszego protokołu transmisyjnego zwiększyło liczbę przekazywanych pomiarów do ponad 5500 na kod.

3. Zasada działania urządzenia Sterownik Siemens S7-200 sterując transporterem przemieszcza odlew do wnętrza stanowiska i przy pomocy pneumatycznego zespołu pozycjonującego ustawia felgę współosiowo z zespołem ramienia głowicy pomiarowej (rys. 5). Następnie głowica jest przemieszczana w kierunku powierzchni felgi w taki sposób, aby znalazła się wewnątrz swojego zakresu pomiarowego. Z zestawem pomiarowym firmy Omron bezpośrednio współpracuje mikrokontroler AVR ATmega88, który sygnalizuje sterownikowi S7-200 osiągnięcie przez czujnik laserowy pozycji roboczej. W tym momencie układ sterowania uruchamia ruch ramienia z głowicą nad powierzchnią felgi z prędkością równą 0,8 obrotu na sekundę. W trak-

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

85


Nauka     

4. Idea odczytu kodu felgi realizowana przez aplikację komputera PC Odczyt kodu felgi polega na wyznaczeniu bazowej odległości sondy od powierzchni felgi i odniesieniu wszystkich zapamiętanych pomiarów do wyznaczonej bazy. Następnie wyniki pomiarów zostają przekształcone na ciąg zer i jedynek w taki sposób, że jeśli różnica wartości bazowej i wartości danego pomiaru jest większa niż określona część wysokości karbu kodu, to danemu pomiarowi zostaje przypisana wartość „1”, w przeciwnym razie wartość „0”. Grupy kolejnych „1” i „0” wyznaczają obecność kolejnych karbów kodu i szczelin między karbami (rys. 6).

Rys. 6. Idea analizy kodu felgi Fig. 6. How car’s wheels codes are analyzed

Podstawowym zadaniem stanowiska jest identyfikacja kodów felg o średnicach od 15 do 20 cali. Przy stałej prędkości kątowej ramienia z głowicą pomiarową większa średnica odlewu oznacza większą prędkość liniową głowicy względem pola kodowego, a więc mniejszą gęstość pomiarów na jednostkę długości. Samo ramię nie obraca się z jednakową prędkością w całym zakresie pomiarowym, ponieważ na początku i na końcu tego ruchu występują zmiany prędkości związane z rozpędzaniem i hamowaniem. Ponadto stanowisko odczytu pracuje na początku linii technologicznej, gdzie jeszcze nie obrobione odlewy nie są idealnie symetryczne, więc można je tylko zgrubnie pozycjonować względem osi obrotu ramienia. Należy nadmienić, że oprogramowanie stanowiska odczytu nie dysponuje żadną informacją czy aktualnie skanowana felga ma kod w wersji V1.3 czy w wersji V3.0. Oznacza to, że aplikacja komputera PC równolegle musi realizować algorytmy identyfikujące obydwa rodzaje kodów. Kryteria identyfikacji są jednak na tyle dokładne, że eliminują przypadek zasygnalizowania przez program prawidłowego odczytu kodu w wersji, która nie dotyczy danej felgi. Z tymi problemami musiała poradzić sobie aplikacja komputera PC do identyfikacji kodów felg. Dlatego rozbudowano ją o kilka funkcji umożliwiających testowanie skuteczności odczytu przy różnych wariantach usta-

86

wień. Ich realizacja umożliwia m.in. rejestrację do plików wyników pomiarów wykonanych podczas skanowania felg a następnie wykorzystania ich do testowania aplikacji w trybie off-line. Aplikację napisano w języku C++ i uruchomiono przy pomocy oprogramowania Microsoft Visual Studio .NET 2003.

5. Selekcja pomiarów Analiza kodu felgi, niezależnie od metody jego identyfikacji, rozpoczyna się od weryfikacji i selekcji pomiarów przesłanych przez mikrokontroler AVR ATmega88 do komputera PC. Poprawne skanowanie dostarcza ok. 5500 wyników pomiarów do analizy. Jeśli ich liczba jest mniejsza niż 1200, to przyjmuje się, że podczas skanowania wystąpił błąd i na podstawie wykonanego skanowana kodu nie da się zidentyfikować. Następnie odrzuca się: –– ok. 2 % wyników pomiarów zarejestrowanych na początku zakresu pomiarowego, –– ok. 25 % wyników pomiarów zarejestrowanych na końcu zakresu pomiarowego – jeśli dalsza część analizy będzie dotyczyć FelgenCode w wersji V1.3, –– ok. 5 % wyników pomiarów zarejestrowanych na końcu zakresu pomiarowego – jeśli dalsza część analizy będzie dotyczyć FelgenCode w wersji V3.0. Zakresy te ustalono doświadczalnie. Różnica liczby odrzucanych pomiarów z końca zakresu pomiarowego w przypadku wersji V1.3 i V3.0 wynika m.in. z tego, że pole kodowe w wersji V3.0 jest o 25 mm dłuższe, a zakres ruchu sondy jest w obu przypadkach jednakowy. W wyniku odrzucenia części skrajnych pomiarów można przyjąć, że pozostałe z nich zarejestrowano podczas ruchu głowicy ze stałą prędkością, a więc poza obszarem, gdzie ramię z głowicą jest rozpędzane i hamowane. Aby wyznaczyć bazę odniesienia, czyli średnią odległość głowicy pomiarowej od powierzchni felgi, należy wykorzystać wyniki tych pomiarów, które zarejestrowano podczas ruchu głowicy poza polem kodowym, a więc w położeniach: –– na lewo od skrajnego lewego szerokiego karbu referencyjnego, –– na prawo od skrajnego prawego szerokiego karbu referencyjnego. Ponieważ dokładne położenie karbów referencyjnych na tym etapie analizy nie jest znane, toteż do wyznaczenia bazy odniesienia bierze się pod uwagę: –– ok. 15 % początkowych pomiarów ze zbioru pomiarów przyjętych do dalszej analizy, –– ok. 20 % końcowych pomiarów ze zbioru pomiarów przyjętych do dalszej analizy – jeśli identyfikowany ma być kod FelgenCode w wersji V1.3, –– ok. 30 % końcowych pomiarów ze zbioru pomiarów przyjętych do dalszej analizy – jeśli identyfikowany ma być kod FelgenCode w wersji V3.0, Zakresy te także ustalono doświadczalnie i tak je dobrano, aby zachowując pewien margines bezpieczeństwa z dalszej analizy wyłączyć wszystkie pomiary wykonane bezpośrednio nad polem kodowym felgi.


6. Wyznaczanie baz odniesienia W pierwszych próbach odczytu kodu felgi bazę odniesienia obliczano jako średnią arytmetyczną ze wszystkich początkowych i końcowych pomiarów. Rozwiązanie to jest akceptowalne jedynie przy założeniu, że odlew pozostaje idealnie symetryczny i podczas skanowania został tak ustawiony, że jego oś symetrii dokładnie pokrywa się z osią obrotu ramienia z głowicą pomiarową. W praktyce warunki te rzadko są spełnione. Dlatego ostatecznie przyjęto koncepcję wykorzystania w algorytmie odczytu kodu dwóch zmiennych baz odniesienia, których wartości w poszczególnych punktach pomiarowych aplikacja wylicza przyjmując jako argument numer pomiaru. Pierwsza baza odniesienia, określana jako baza wyznaczona metodą czterech stref, ma kształt 4-elementowej linii schodkowej. Jej poszczególne poziomy są obliczane w następujący sposób: –– poziom pierwszy to średnia arytmetyczna ze wszystkich początkowych pomiarów przyjętych do dalszej analizy, –– poziom drugi to suma poziomu pierwszego plus 1/3 różnicy między poziomami pierwszym a czwartym, –– poziom trzeci to suma poziomu pierwszego plus 2/3 różnicy między poziomami pierwszym a czwartym, –– poziom czwarty to średnia arytmetyczna ze wszystkich końcowych pomiarów przyjętych do dalszej analizy. Jeśli zbiór pomiarów przyjętych do dalszej analizy zawiera n elementów, to zmiana poziomu bazy odniesienia następuje po n/4, n/2 i 3n/4 pomiarach. Druga baza odniesienia, określana jako baza wyznaczona metodą najmniejszych kwadratów, ma kształt prostej o równaniu: f (x ) = a ⋅ x + b

k

k

Q(a,b) = ∑ (Yi − f (xi )) = ∑ (Yi − a ⋅ X i − b) i =1

2

Funkcja Q(a,b) przyjmuje wartość minimalną wtedy, gdy jej pochodne liczone względem parametrów a i b są równe 0, tzn. ( , ) da

2

i =1

i

i

Pochodne te tworzą układ dwóch równań z dwiema niewiadomymi a i b: k

a ⋅ ∑ Xi + k ⋅ b =

i =1

k

k

i =1

i =1

a ⋅ ∑ X i2 + b ⋅∑ X i =

k

∑Y

i

i =1

k

∑X i =1

i

⋅Yi

Rozwiązaniem tego układu jest:

a=

k  k   k  k ⋅ ∑ X i ⋅Yi −  ∑ X i  ⋅  ∑Yi   i =1   i =1  i =1 k

 k  k ⋅ ∑ X −  ∑ Xi   i =1  i =1

∑Y

b=

i =1

2

2 i

k

i

k

− a ⋅ ∑ Xi k

i =1

Wyznaczając następujące współczynniki:

A =

k

∑X i =1

i

B=

k

∑Y i =1

otrzymuje się:

i =1

gdzie: k – to liczba pomiarów, na podstawie których program wyznacza bazę (suma liczby początkowych i liczby końcowych pomiarów ze zbioru pomiarów przyjętych do dalszej analizy). Yi – to wartość pomiaru w punkcie Xi, Xi – to i-ty punkt pomiarowy. W obliczeniach numerycznych za wartość współrzędnych Xi aplikacja przyjmuje numery punktów, które wykorzystano do wyznaczania bazy odniesienia. Numeracja obejmuje wszystkie pomiary wykorzystywane do odczytu

k

Aby wyznaczyć optymalne współczynniki a, b prostej posłużono się metodą najmniejszych kwadratów. Polega ona na minimalizacji sumy kwadratów różnic między rzeczywistymi pomiarami odczytanymi w kolejnych punktach a ich wartościami teoretycznymi w tych punktach, obliczonymi przy pomocy funkcji f(x):

kodu, a więc także te, które wykonano nad polem kodowym felgi, i których wartości nie są uwzględniane przy wyznaczaniu bazy odniesienia.

a=

C =

i

k

∑X i =1

2 i

D=

k

∑X i =1

i

⋅Yi

k ⋅D − A⋅B 2 k ⋅ C − (A)

b=

B −a ⋅A k

7. Binaryzacja pomiarów Kolejnym etapem algorytmu identyfikacji kodu jest binaryzacja pomiarów, czyli zastąpienie tablicy wartości kolejnych pomiarów tablicą, której elementy mają wartość albo zero albo jeden (dalej tablica ta będzie określana jako Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

87


Nauka     

BitowyObrazKodu[]). Wykonanie binaryzacji polega na wyznaczeniu dla każdego punktu pomiarowego, czyli dla każdego elementu tablicy pomiarów, różnicy między odczytaną wartością pomiaru a wartością bazy odniesienia w tym punkcie. Różnica ta określa wysokość „nierówności” felgi w danym punkcie względem jej powierzchni bocznej. Tak obliczoną różnicę aplikacja porównuje z parametrem opisującym wysokość karbu. Jeśli różnica jest większa niż wartość tego parametru, to danemu pomiarowi zostaje przypisana wartość „1”, w przeciwnym przypadku – wartość „0”. Binaryzacja pomiarów oraz dalsza analiza jest wykonywana dwukrotnie – dla bazy odniesienia wyznaczonej metodą czterech stref i dla bazy wyznaczonej metodą najmniejszych kwadratów. Początkowo za wartość parametru odniesienia przyjmowano połowę wysokości karbu. Rozwiązanie to dobrze sprawdzało się w przypadku kodów, których szczeliny między karbami znajdowały się na poziomie bocznej powierzchni felgi. Ale nie dotyczyło to wszystkich felg, ponieważ w wyniku zużycia form odlewniczych niektóre pola kodowe miały szczeliny „zarysowane” niewiele poniżej wierzchołków karbów. Dlatego identyfikacja kodu felgi jest wykonywana dwuetapowo. Pierwsza próba jest realizowana przy stałej wartości parametru odniesienia równej połowie wysokości karbu. Jeśli próba nie da rezultatu, wartość tego parametru jest zmieniana w pętli programowej od 10 % do 90 % wysokości karbu. Taka dwuetapowa identyfikacja pozwala skrócić czas analizy – przy parametrze odniesienia równym 50 % wysokości karbu prawidłowa identyfikacja kodu ma miejsce w większości przypadków i nie ma potrzeby wykonywania drugiego etapu.

–– eliminacji stref „zer” – jeżeli element tablicy o indeksie [i-1] jest równy „1”, a element [i] jest równy „0”, to aplikacja sprawdza jak szeroka jest strefa w której kolejne elementy tablicy mają wartość „0”. Jeśli szerokość strefy nie przekracza wartości programowego parametru MaksymalnaSzerokoscZaklocenia, to przyjmuje się, że wyniki pomiarów wykonanych w tym przedziale mogą być niewiarygodne, a więc nie odpowiadają pomiarom wykonanym nad szczeliną kodu. Dlatego aplikacja odrzuca je, zmieniając na „1” wartości wszystkich elementów tablicy BitowyObrazKodu[] należących do tego przedziału. Doświadczalnie ustalono, że optymalną wartością parametru MaksymalnaSzerokoscZaklocenia jest 8. Sposób filtracji dobrano doświadczalnie na podstawie analizy wyników pomiarów zarejestrowanych podczas skanowania kilku tysięcy odlewów. W wyniku przeprowadzonej filtracji grupy „zer” i „jedynek” w tablicy BitowyObrazKodu[] powinny już odpowiadać odpowiednim elementom pola kodowego felgi. Dla zaostrzenia kryteriów identyfikacji przyjęto założenie określające minimalną szerokość strefy „jedynek” i „zer” pozwalających uznać dany fragment tablicy za obraz szerokiego karbu, wąskiego karbu, szczeliny lub miejsca gdzie brak wąskiego karbu oznacza, że odpowiedni bit kodu ma wartość „0”. Jeśli szerokość strefy jest mniejsza niż jej dopuszczalna wartość minimalna, to aplikacja uznaje, że dotychczasowa analiza nie doprowadzi do prawidłowej identyfikacji kodu i próbuje odczytać go inną metodą.

8. Filtrowanie pomiarów

9. Identyfikacja położenia pola kodowego i ustalenie gęstości pomiarów

W wyniku binaryzacji pomiarów do dalszej analizy aplikacja wykorzystuje tablicę BitowyObrazKodu[] o elementach równych albo „0” albo „1”. Teoretycznie grupy „zer” i „ jedynek” w tej tablicy powinny odpowiadać szczelinom i karbom pola kodowego felgi (rys. 6). Ale w praktyce zawartość tablicy musi być poddana jeszcze kilku modyfikacjom. Formy odlewnicze ulegają naturalnemu zużyciu, w wyniku czego elementy pola kodowego różnią się wymiarami od formatu narzuconego przez firmę Numtec. Ponadto w procesie technologicznym formy są okresowo pokrywane dodatkowym środkiem ułatwiającym wyjmowanie odlewów. Środek ten powoduje zmianę chropowatości powierzchni felgi, a w konsekwencji fluktuacje wskazań sondy pomiarowej. Dodatkowym czynnikiem mającym wpływ na te fluktuacje są drgania układu pomiarowego lokalnie zakłócające odczyty. Dlatego informacja zawarta w tablicy BitowyObrazKodu[] musi zostać dodatkowo przefiltrowana. Filtrowanie polega na: –– eliminacji pojedynczych „ jedynek” – jeżeli element tablicy o indeksie [i] jest równy „1” a elementy [i-1] i [i+1] są równe „0”, to aplikacja zmienia wartość elementu o indeksie [i] na „0”;

Identyfikacja położenia pola kodowego wewnątrz tablicy BitowyObrazKodu[] polega na ustaleniu wartości indeksów dwóch elementów tej tablicy, z których pierwszy jest początkiem skrajnego lewego szerokiego karbu referencyjnego, a drugi – końcem skrajnego prawego szerokiego karbu referencyjnego. Jeśli tablica ta jest n-elementowa, to zwiększając w pętli programowej indeks od 0 do (n-1) należy określić: –– minimalną wartość indeksu imin, dla którego element BitowyObrazKodu[imin – 1] ma wartość „0”, a element BitowyObrazKodu[imin] – wartość „1” (początek skrajnego lewego karbu referencyjnego), –– maksymalną wartość indeksu imax, dla którego element BitowyObrazKodu[imax] ma wartość „1”, a element BitowyObrazKodu[imax + 1] – wartość „0” (koniec skrajnego prawego karbu referencyjnego). Mając wyznaczone położenie pola kodowego, można ustalić gęstość pomiarów, tzn. liczbę wykonanych pomiarów na milimetr długości pola kodowego. Jest ona równa: –– [(i max – i min + 1)/106] – dla kodu FelgenCode w wersji V1.3, –– [(i max – i min + 1)/131] – dla kodu FelgenCode w wersji V3.0.

88


Liczby 106 i 131 są szerokością danego pola kodowego wyrażoną w milimetrach. Ponieważ szerokości karbów i szczelin (wyrażone w milimetrach) zostały ściśle określone przez firmę Numtec (rys. 2), toteż znając gęstość pomiarów można określić: –– średnie wartości szerokości tych elementów wyrażone w liczbie pomiarów, –– orientacyjne położenie początków i środków karbów wewnątrz tablicy BitowyObrazKodu[] określone przez odpowiednie wartości indeksów tej tablicy. ––

10. Identyfikacja wystąpienia poszczególnych karbów kodu

Obecność karbu lub jego brak oznacza, że odpowiadający mu bit kodu ma wartość odpowiednio „1” lub „0”. Aplikacja komputerowa identyfikuje wystąpienie karbu lub jego brak przy pomocy dwóch metod:

Metoda 1

Metoda polega na zwiększaniu indeksu i wskazującego kolejne elementy tablicy BitowyObrazKodu[i], a następnie rejestrowaniu, czy dla aktualnej wartości tego indeksu nastąpiła zmiana taka, że: jest równy 0, BitowyObrazKodu[i–1] BitowyObrazKodu[i] jest równy 1. Jest to poszukiwanie „zbocza narastającego”, będącego początkiem karbu. Jeśli aplikacja wykryje taką zmianę, to na podstawie wartości indeksu oraz wymiarów pola kodowego ustalane jest, któremu bitowi kodu może odpowiadać wykryty karb. Metoda ta jest jednak mało skuteczna w przypadku felg wykonanych za pomocą zużytych form odlewniczych, których kody mają taką wartość, że odpowiadające im karby bezpośrednio sąsiadują ze sobą. W takich przypadkach karby często oddziela od siebie szczelina niepełnowymiarowa, ale wąskie „zarysowanie”, którego obraz w tablicy BitowyObrazKodu[] zostaje dodatkowo zatarty wskutek eliminacji stref „zer” podczas filtrowania.

łej prędkości obrotu ramienia z głowicą pomiarową oraz dokładności, z jaką wyznaczono położenie pola kodowego.

11. Wiarygodność i skuteczność odczytu Przedstawione sposoby identyfikacji kodu felgi wymagają zrealizowania dużej liczby programowych iteracji wykonywanych ze zmieniającymi się wartościami różnych parametrów. Naturalnym pytaniem jest, czy przy pewnych kombinacjach parametrów aplikacja może sygnalizować prawidłowy odczyt, mimo że zidentyfikowany kod nie odpowiada temu, jaki faktycznie znajduje się na powierzchni odlewu. Odpowiedź jest twierdząca, ale takie przypadki są skutecznie eliminowane na drodze dodatkowej weryfikacji: –– format FelgenCode w wersjach V1.3 i V3.0 definiuje dodatkowe elementy pola kodowego, które nie są ani karbami referencyjnymi ani nie odpowiadają poszczególnym bitom samego kodu, ale określają sumę kontrolną wyznaczaną na podstawie wartości tych bitów (jest ona różnie liczona w zależności od wersji kodu), –– w trakcie uruchamiania stanowiska użytkownicy zasugerowali wprowadzenie możliwości tworzenia zbioru numerów felg produkowanych podczas danej zmiany (zwykle dotyczyło to ok. 15 rodzajów). Jeśli odczytany numer felgi nie należy do tego zbioru, to mimo prawidłowego odczytu taka felga jest traktowana jako odlew bez zidentyfikowanego kodu. Oprogramowanie mikrokontrolera AVR ATmega88 od chwili uruchomienia i włączenia stanowiska do linii technologicznej dobrze radziło sobie z wykrywaniem początków pól kodowych odlewów i nie wymagało dodatko-

Metoda 2

Metoda polega na wyznaczeniu takich wartości indeksów tablicy BitowyObrazKodu[], które teoretycznie wskazują na elementy odpowiadające pomiarom wykonanym w pobliżu środka karbu lub środka miejsca, gdzie na polu kodowym karb może wystąpić. Po wyznaczeniu takiego indeksu i pozostaje tylko odczytać wartość elementu BitowyObrazKodu[i] („0” lub „1”) oraz zweryfikować szerokość strefy „zer” lub „jedynek” wokół niego. Skuteczność tej metody w znacznym stopniu zależy od utrzymania sta-

Rys. 7. Okienko dialogowe do definiowania kombinacji sygnałów dwustanowych do współpracy z linią technologiczną Fig. 7. Dialog box for defining combinations of output signals for controlling process Line

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

89


Nauka     

wych poprawek, nawet po wprowadzeniu FelgenCode w wersji V3.0. Podobnie było z programem sterownika Siemens S7-200. Kilkakrotnym modyfikacjom poddawano aplikację komputera PC identyfikującą wartość kodu. Niektóre z modyfikacji były wykonywane jako dodatkowe zlecenia (obsługa kodów w wersji V3.0, sporządzanie statystyk produkcji, blokowanie dostępu do niektórych funkcji przy pomocy hasła itd.), zawsze jednak „przy okazji” doskonalono algorytmy odczytu. Także Dział Utrzymania Ruchu Zakładów ATS dążył do poprawiania jakości kodów odlewanych na powierzchni felg Rys. 8. Okienko dialogowe do obsługi bazy danych felg Fig. 8. Dialog box for car’s wheels data base operate i wymusił, że na stanowisko odczytu rzadziej trafiają felgi z nadlewkami utrudniającymi ich pozycjonowanie względem osi obrotu ramienia z głowicą pomiarową. usuwać felgi z asortymentu felg produkowanych podczas danej zmiany produkcyjnej. Podczas kolejnej modernizacji użytkownicy, wykorzystując własne obserwacje, poprawili sposób mechanicznego Ustawienia wykonane za pomocą okienek dialogopozycjonowania odlewów w trakcie wykonywania pomiawych (rys. 7 i 8) można zapamiętywać w tekstowej bazie rów. Wszystko to doprowadziło do uzyskania skutecznodanych. Sposób sterowania układem wyboru wykrojści odczytu oscylującej w granicach 99 %. nika na podstawie informacji zapamiętanych w plikach tekstowych pozwala uniknąć modyfikacji samej aplikacji w miarę zmiany asortymentu produkcji felg, ponieważ 12. Współpraca stanowiska odczytu stosowne zmiany należy wprowadzać tylko do odpowiedz linią technologiczną nich baz danych. Dodatkowego omówienia wymaga sposób generowa13. Inne funkcje realizowane nia sygnałów o wykrytym kodzie felgi do urządzenia zewnętrznego, w tym przypadku do układu wyboru przez aplikację wykrojnika. W tym celu wykorzystano sześć wyjść dwustanowych z karty WE-WY komputera PC, przy czym Stanowisko identyfikacji kodów felg zamontowano na jedypięć z nich przekazuje informację o wyborze wykrojnika, nym transporterze między odlewnią a dalszą częścią linii a szósty jest sygnałem potwierdzającym (jest to rozwiątechnologicznej. Są więc na nim skanowane wszystkie zanie mocno nadmiarowe, ponieważ kontrakt na budowę wyprodukowane odlewy za wyjątkiem tych, które uprzedstanowiska przewidywał sterowanie wyborem tylko cztenio nie przeszły testów związanych z badaniem ich strukrech wykrojników). tury promieniami rentgenowskimi. Miejsce to jest dobrym Aplikacja komputera PC pozwala na zdefiniowanie do punktem do zbierania informacji o statystyce produkcji 30 kombinacji tych sygnałów wyjściowych oraz dodatkopod warunkiem, że skaner działa niezawodnie, a niezawodwych dwóch kombinacji, które sygnalizują błąd skanoność tę operatorzy mogą łatwo zweryfikować. wania i przejazd bez wyboru wykrojnika. Kombinacje te Aplikacja już od pierwszej wersji umożliwiała niezamożna przeglądać, edytować i zapamiętywać w tekstoleżną rejestrację w bazie danych MS Access oraz w pliku wej bazie danych za pomocą (rys. 7) okna dialogowego: tekstowym odczytanych kodów felg oraz kodów błędów Inne okienko dialogowe (rys. 8) pozwala przyporządkoskanowania. Celem tej rejestracji było zbieranie informawać feldze o wskazanym kodzie numer kombinacji sygnacji na temat najczęściej występujących błędów odczytu łów wyboru wykrojnika oraz dodatkowy komunikat dla ich eliminowania z realizowanego algorytmu. Z czasem tekstowy, który jest wyświetlany po wykryciu danej felgi okazało się, że funkcja ta może służyć jako wskaźnik (rys. 9). Korzystając z tego okienka można też włączać lub poprawnego działania samego stanowiska. Pogorszenie

90


2. Głuszkowski T., Arkusze kalkulacyjne – przykłady zastosowań, tricki, kruczki, Wydawnictwo Broker, Łódź 1993. 3.  Microsoft Visual C++ 6.0 MFC Library Refe re n ce , Microsoft Press 1998. 4. Bates J., Tompkins T., Poznaj Visual C++, Wydawnictwo MIKOM, 1999. 5. Petzold Ch., Programowanie Windows, Wydawnictwo RM, Warszawa 1999.

Rys. 9. Główne okno aplikacji do odczytu kodów felg Fig. 9. Main dialog box of PC application for scanning car’s wheels codes

skuteczności skanowania wskazuje, że stanowisko wymaga przeglądu mechaniki, oczyszczenia głowicy pomiarowej lub, że pojawiają się felgi o nieczytelnym kodzie. Dlatego przy okazji kolejnej modernizacji oprogramowania dołączono funkcję prezentacji aktualnej statystyki błędów skanowania w głównym oknie dialogowym aplikacji (rys. 9). W ramach kolejnej modernizacji zrealizowano funkcję umożliwiającą zliczanie wszystkich felg zidentyfikowanych na stanowisku podczas 8-godzinnej zmiany z podziałem na poszczególne numery. Podczas każdej zmiany aplikacja rejestruje wszystkie skanowane felgi, a po jej zakończeniu tworzone jest końcowe zestawienie – ile felg oznaczonych danym kodem zidentyfikowano poprawnie oraz na ilu felgach kod nie został prawidłowo odczytany. Statystykę tę aplikacja zapisuje w postaci arkusza kalkulacyjnego w formacie MS Excel oraz pliku tekstowego na dysku twardym lokalnego komputera. Pliki te, oznaczone nazwą nawiązującą do daty i numeru zmiany produkcyjnej, są dostępne w lokalnej sieci LAN. Aplikacja komputera PC stanowiska umożliwia także rejestrowanie i przeglądanie informacji dotyczącej pomiarów laserowym czujnikiem odległości oraz badanie skuteczności algorytmów odczytu kodu felgi w zależności od różnych czynników zewnętrznych.

Bibliografia 1. Linnik J.W., Metoda najmniejszych kwadratów i teoria opracowywania informacji, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1962.

Scanning and decoding car’s wheels codes during production process Abstract: This article presents station for scanning codes of car’s wheels, which was built by Industrial Research Institute for Automation and Measurements PIAP for ATS plant in Stalowa Wola. It includes information about algorithms used for identification and discusses some problems during realization of this work. Keywords: FelgenCode, laser distance sensor, least square method, PC computer application Artykuł recenzowany, nadesłany 13.12.2013, przyjęty do druku 28.01.2014.

mgr inż. Jacek Dunaj W 1980 r. ukończył studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, od 1985 r. jest zatrudniony w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Specjalizuje się w programowaniu różnego rodzaju sprzętu: mikroprocesorów, kontrolerów, sterowników i robotów przemysłowych, systemów wizyjnych a także komputerów PC programowanych w języku asemblera i C/C++ w środowisku różnych systemów operacyjnych. Współautor oprogramowania dla kilku urządzeń opracowanych w PIAP, a także wielu wdrożeń przemysłowych, w szczególności wymagających współpracy ze sobą kilku różnych urządzeń automatyki i wykorzystania oprogramowania biurowego (baz danych, arkuszy kalkulacyjnych). e-mail: jdunaj@piap.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

91


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Akwizycja obrazów RGB-D: czujniki Tomasz Kornuta, Maciej Stefańczyk Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej, Politechnika Warszawska

Streszczenie: Dwuczęściowy artykuł poświęcono czujnikom umożliwiającym akwizycję obrazów RGB-D. W pierwszej części uwagę skupiono na metodach akwizycji, w kolejnej części dokonano przeglądu czujników, zarówno dostępnych obecnie, jak i tych, które dopiero w najbliższym czasie pojawią się na rynku. Słowa kluczowe: mapa głębi, chmura punktów, obraz RGB-D, czujnik RGB-D

a) Videre STOC-9cm

b) Point Grey Research Bumblebee 2

c) Focus Robotics nDepth

d) Surveyor SVS

DOI: 10.14313/PAR_204/92

osnąca rola trójwymiarowej wizji komputerowej w robotyce związana jest z rozwojem oraz upowszechnianiem czujników umożliwiających akwizycję obrazów RGB-D. Poniższe opracowanie jest drugą częścią artykułu dotyczącego czujników tego rodzaju. W poprzedniej części omówiono podstawowe rodzaje reprezentacji głębi oraz zdefiniowano obraz RGB-D za pomocą czterech kanałów: trzy kanały kolorowe oraz kanał przechowujący odległości poszczególnych elementów sceny od kamery, zwany mapą głębi. Teoretycznie mapę głębi można zbudować korzystając z dowolnego punktowego czujnika pomiaru odległości – przez zamontowanie go na głowicy uchylno-obrotowej (przegląd takich czujników m.in. w [17]), jednak taka akwizycja danych byłaby bardzo czasochłonna. W niniejszym artykule skupiono uwagę na rozwiązaniach, które mogą działać poprawnie w czasie rzeczywistym, a więc mogą być montowane na poruszającym się pojeździe lub robocie. W przypadku takich zastosowań można wymienić trzy główne metody pozyskiwania głębi: stereowizję, zastosowanie światła strukturalnego oraz pomiar czasu lotu wiązki. Podstawy fizyczne tych metod omówiono dokładnie w pierwszej części artykułu [25]. W drugiej części są omówione dostępne na rynku rozwiązania sprzętowe. Czujniki sklasyfikowano wg metody ich działania oraz omówiono ich parametry. Poza samymi urządzeniami zaprezentowano także wybrane komercyjne systemy pomiarowe wykorzystujące opisywane technologie.

1. Stereowizja Działanie stereowizji jest analogią do sposobu postrzegania otoczenia przez człowieka. Głębia obliczana jest na podstawie niezgodności obrazów pochodzących z lewej i prawej

92

Rys. 1. Popularne czujniki zwracające obrazy RGB-D wykorzystujące stereowizję Fig. 1. Popular RGB-D sensors based on the stereo vision principle

kamery. Zaletą tej metody jest brak dodatkowych urządzeń (np. projektorów), natomiast wadą jest konieczność kalibracji kamer, ograniczona dokładność oraz duży koszt obliczeniowy. Z tego powodu szereg firm oferuje stereopary złożone z dwóch skalibrowanych ze sobą kamer oraz zoptymalizowane biblioteki przeprowadzające obliczenia związane z ekstrakcją mapy głębi. Dostępne są też produkty wyposażone dodatkowo w wyspecjalizowany układ, przeprowadzający odpowiednie obliczenia, tym samym odciążający procesor komputera. Firma Videre Design [14] oferuje rodzinę stereopar STOC (rys. 1a) o różnym rozstawie kamer. Na rynku dostępne są wersje z rozstawem osi optycznych 6–30 cm, istnieje też wersja z płynną regulacją odległości. Rozstaw ten wpływa na odległość od czujnika, w której obliczana jest mapa niezgodności, dzięki czemu klient może dobrać czujnik do własnych potrzeb. Obliczenia związane z pozyskaniem mapy głębi realizowane są na zintegrowanym procesorze. STOC przesyła obraz RGB-D z rozdzielczością 640 px × 480 px z maksymalną częstotliwością 30 Hz. Równie popularnym producentem stereopar jest firma Point Grey Research [7], oferująca m.in. czujnik Bumblebee 2 (rys. 1b). Czujnik ten jest drugą generacją popularnej stereopary Bumblebee, zwraca obrazy o rozdzielczości 640 px × 480 px z częstotliwością 48 Hz lub 1024 px × 768 px


Rys. 2. Czujniki zwracające obrazy RGB-D bazujące na technologii opracowanej przez PrimeSense Fig. 2. The PrimeSense technology-based RGB-D sensors

z częstotliwością 20 Hz. W obu przypadkach mapa głębi wyliczana jest za pomocą oprogramowania na komputerze. Firma oferuje trzy zestawy soczewek o różnych ogniskowych, co umożliwia zmianę pola widzenia (w nawiasie podano kąt widzenia w poziomie): 2,5 mm (100°), 3,8 mm (65°), 6 mm (43°). Dodatkowo, Bumblebee 2 umożliwia zewnętrzne wyzwalanie akwizycji obrazów. Na rys. 1c pokazano kamerę stereowizyjną nDepth firmy Focus Robotics [1]. Czujnik ten zwraca obrazy RGB-D z częstotliwością do 30 Hz z maksymalną rozdzielczością 752 px × 480 px (WVGA). Czujnik określa głębię skwantyzowaną do 92 poziomów. Razem z czujnikiem firma oferuje nDepth Vision Processor, dedykowany układ FPGA instalowany w komputerze w slocie PCI. Tańszą alternatywą dla powyższych trzech stereopar jest czujnik SVS (rys. 1d) (ang. Stereo Vision System) firmy Surveyor Corporation [11]. Układ składa sie z dwóch kamer Blackfin dostarczających obrazy z rozdzielczością 1280 px × 1024 px, 640 px × 480 px, 320 px × 240 px lub 160 px × 120 px. Minusem czujnika jest brak dedykowanego układu obliczeniowego, odpowiedzialnego za rektyfikację obrazu oraz wyliczanie map niezgodności i głębi. Konstrukcje bazujące na dwóch kamerach są najpopularniejsze, ale są inne możliwości. Istnieją rozwiązania, w których są zastosowane jednocześnie trzy kamery [18, 19] lub takie, które mogą sterować rozstawem kamer [23]. Przykładem komercyjnego rozwiązania pierwszego typu jest czujnik Bumblebee XB3 (rys. 3). Ma on trzy kamery, z których każda charakteryzuje się rozdzielczością 1,3 Mpx. Urządzenie jest dostępne z dwoma różnymi rozstawami kamer: szerszy, umożliwiający otrzymanie głębi z większą precyzją przy większych odległościach, oraz węższy, który lepiej sprawdza się dla bliższych obiektów. Czujnik ten zwraca obrazy o rozdzielczości 1280 px × 960 px z częstotliwością 15 Hz. Obecnie na rynku dostępne są dwie wersje czujnika z obiektywami o ogniskowych 3,8 mm oraz 6 mm, dzięki czemu kąt widzenia w poziomie wynosi odpowiednio 66° i 43°. Warto zwrócić uwagę na nowy czujnik PlayStation Camera firmy Sony (rys. 4), który pojawił sie na rynku pod

Rys. 3. Bumblebee XB3 firmy Point Grey Research Fig. 3. The Bumblebee XB3 sensor offered by Point Grey Research

Rys. 4. PlayStation Camera firmy Sony Fig. 4. Sony PlayStation Camera

koniec listopada 2013 r. wraz z premierą nowej konsoli do gier PlayStation 4. Produkt ten jest następcą kamery PlayStation Eye oraz stanowi odpowiedź firmy Sony na konkurencyjne czujniki Kinect, oferowane jako kontrolery ruchu dla konsoli Xbox 360 przez firmę Microsoft. PlayStation Camera ma dwie kamery zwracające obrazy o rozdzielczości 1280 px × 800 px z częstotliwością do 60 Hz. Brak jest informacji dotyczących algorytmu do obliczania głębi, jej jakości oraz obecności dedykowanego układu obliczeniowego na samym czujniku. Wiadomo, że zakres działania czujnika wynosi od 30 cm do (teoretycznie) nieskończoności, natomiast szerokość pola widzenia w poziomie wynosi 85°. Niewątpliwą zaletą tego czujnika jest wynikająca ze skali produkcji niska cena.

2. Światło strukturalne Największym komercyjnym sukcesem produktów wykorzystujących światło strukturalne jest niewątpliwie Kinect firmy Microsoft (rys. 2b). W ciągu pierwszych 60 dni sprzedano ponad 8 milionów egzemplarzy, a liczba obecnie wykorzystywanych na całym świecie urządzeń przekracza 20 milionów sztuk. Jest to efekt niskiej ceny, dzięki której niemal każde laboratorium badawcze mogło się w tego typu czujniki zaopatrzyć. Niską cenę czujnik Kinect zawdzięcza masowej produkcji – został wyprodukowany jako kontroler do gier, i jako taki ma zdecydowanie większy rynek zbytu niż tradycyjne, wyspecjalizowane czujniki. Światło strukturalne zostało także użyte do wyznaczania mapy głębi przez czujniki Carmine firmy PrimeSense (rys. 2a) oraz Xtion firmy Asus (rys. 2c). W istocie stosowaną w nich technologię opracowała ta sama firma – PrimeSense. Idea polega na projekcji znanego wzorca strukturalnego za pomocą rzutnika w bliskiej podczerwieni IR (ang. Infrared) oraz rejestracji zniekształconej siatki za pomocą kamery działającej w tym samym paśmie. Deformacja wzorca jest stosowana do wyznaczenia obrazu głębi o rozdzielczości 300 × 200 punktów, programowo interpolowanej do rozdzielczości kolorowej kamery wizyjnej zamontowanej w czujniku (640 × 480). Mapa głębi generowana jest z częstotliwością 30 Hz, a zakres Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

93


Nauka     

działania zależy od kalibracji układu. Poza projektorem oraz kamerami czujniki te są wyposażone w macierz czterech mikrofonów kierunkowych oraz akcelerometr. Czujniki Carmine mają pole widzenia 57,5° × 45° oraz zakres akwizycji mapy głębi zależny od wersji: Carmine 1.08 ma zakres 0,8–3,5 m, natomiast zakres dla wersji 1.09 to 0,35–1,4 m. W przypadku czujników Kinect oraz Xtion zakres ten wynosi 0,6–4 m. W odróżnieniu od Carmine oraz Xtion, czujnik Kinect ma napęd umożliwiający sterowanie pochyleniem głowicy.

Rys. 6. Wybrane czujniki z rodziny ATOS firmy GOM Fig. 6. Selected sensors from the ATOS family offered by the GOM company

Rys. 5. Czujnik Geomagic Scan3D BLUE firmy SMARTTECH Fig. 5. Geomagic3D Blue sensor from SMARTTECH

Na rys. 5 pokazano czujnik Geomagic Scan3D BLUE firmy SMARTTECH [9]. W odróżnieniu od technologii opracowanej przez PrimeSense, Scan3D BLUE tworzy mapę głębi na podstawie analizy odkształceń sekwencji kolejno wyświetlanych wzorców (prążków Graya). Urządzenie wykorzystuje światło widzialne – projektor wyświetla wzorce za pomocą niebieskich diod LED. Czas jednokrotnego skanowania sceny waha się w przedziale 1–5 s. Ponieważ w trakcie analizy całej sekwencji scena nie powinna się zmieniać, czujnik ten nie nadaje się do zastosowań w systemach czasu rzeczywistego, natomiast doskonale sprawdza się w aplikacjach fotogrametrycznych (np. kontrola jakości produktów). W zależności od detektora (firma oferuje czujniki o rozdzielczości 2 Mpx, 5 Mpx lub 10 Mpx) oraz od odległości kamery od analizowanej sceny, pojedynczy skan tworzy chmurę złożoną z 2–10 milionów punktów, a pole pomiaru wynosi od 150 mm × 200 mm do 1200 mm × 1600 mm. Na rys. 6 pokazano wybrane czujniki z rodziny ATOS firmy GOM [4]. Zasada działania bazuje na stereowizji z wykorzystaniem dodatkowego projektora oświetlającego scenę za pomocą sekwencji wzorców (warto dodać, że nie jest to pierwsze rozwiązanie łączące wizję wielokamerową ze światłem strukturalnym [16]). Podobnie jak w Scan3D BLUE, w najnowszych swoich produktach firma GOM postanowiła również wykorzystać światło niebieskie. Według danych producenta, w porównaniu do technologii opartej na świetle białym, stosowanej w starszych wersjach produktów z rodziny ATOS, wykorzystanie światła niebieskiego dało znaczną poprawę rozpoznawania powierzchni odblaskowych (ok. 40 % więcej szczegółów). Podstawowym produktem z tej rodziny jest ATOS Core (rys. 6a). Dostępnych jest osiem modeli ATOS Core, różniących się głównie rozstawem kamer, co wpływa na wielkość pola pomiarowego (od 45 mm × 30 mm do 500 mm × 380 mm) oraz maksymalną odległość obiektu od czujnika (od 170 mm do 440 mm).

94

W przypadku czujników ATOS Compact Scan firma oferuje dwa modele (2M oraz 5M), różniące się rozdzielczością zainstalowanych kamer (2 × 2 Mpx lub 2 × 5 MPx). W każdym z modeli wyróżniono trzy konfiguracje (SO, 300, 500) różniące się rozstawami kamer (rys. 6b i rys. 6c). W zależności od modelu oraz konfiguracji czujnik może wyznaczyć głębię w zakresie 35–1200 mm. ATOS Triple Scan są najbardziej zaawansowanymi produktami z rodziny ATOS. W zależności od modelu są wyposażone w kamery o rozdzielczości 5 Mpx, 8 Mpx oraz 12 Mpx, pole pomiarowe o maksymalnym rozmiarze 2000 mm × 1500 mm oraz mogą wyznaczyć głębię w zakresie 490–2000 mm. Producent wraz z czujnikami dostarcza oprogramowanie (GOM Scan software), umożliwiające m.in. aproksymację zeskanowanej powierzchni za pomocą trójkątów, a także analizę i pomiary powierzchni.

Rys. 7. Czujnik Structure firmy Occipital Fig. 7. The Structure sensor offered by Occipital

Czujnik Structure (rys. 7) firmy Occipital [10] generuje obraz RGB-D o rozdzielczości 640 px × 480 px z częstotliwością 30 Hz, działa w zakresie 0,4–3,5 m, pole widzenia 58° × 45°. Jego charakterystyka jest bardzo podobna do czujników bazujących na technologii PrimeSense, natomiast różni się tym, że jest reklamowany jako pierwszy czujnik RGB-D dla urządzeń mobilnych – czujnik jest przystosowany głównie do pracy z tabletami z rodziny iPad firmy Apple. Co ciekawe, finansowanie na ten projekt firma Occipital zdobyła na portalu KickStarter1, zbiórka funduszy zakończyła się 1

www.kickstarter.com/projects/occipital/structuresensor-capture-the-world-in-3d


w październiku 2013 r., a pierwsze komercyjne wersje czujnika mają być rozsyłane w marcu 2014 r. Implikacją stosowania światła strukturalnego we wszystkich wymienionych tu czujnikach jest ich problematyczne działanie w obszarach silnie oświetlonych zewnętrznym źródłem światła, np. w świetle dziennym. Czujniki te mogą być stosowane głównie w pomieszczeniach (ang. Indoor Environment). Mimo tego ograniczenia oraz znacząco słabszych parametrów od np. SR3000 (w przypadku czujników działających w czasie rzeczywistym), pojawienie się technologii PrimeSense oraz czujnika Kinect wywołało bardzo duże zainteresowanie, a w konsekwencji postęp na polu trójwymiarowej percepcji komputerowej. Rozwój ten nie byłby możliwy bez odpowiednich narzędzi programistycznych, jak np. PCL (ang. Point Cloud Library) [24], których powstanie zbiegło się z opracowaniem czujnika Kinect.

3. Pomiar czasu lotu wiązki Trzecim sposobem wyznaczania głębi jest pomiar czasu lotu wiązki. Jednym z najpopularniejszych czujników wykorzystywanych w robotyce mobilnej jest czujnik LMS111 firmy SICK (rys. 8a). Jego zaletami są szeroki kąt widzenia w poziomie 270°, zasięg do 30 m oraz rozdzielczość kątowa 0,25°/0,5° dla częstotliwości pomiaru równej odpowiednio 25 Hz/50 Hz. Należy podkreślić, że poza głębią danego punktu czujnik określa również intensywność światła powracającego do sensora po odbiciu od obiektu (ang. Reflectance) oraz odległość tzw. drugiego odbicia, dzięki czemu możliwe jest m.in. wykrycie obiektów znajdujących się za szkłem. Podobne parametry cechują czujnik UTM-30LX firmy Hokuyo (rys. 8b). Ma zakres działania 0,1–60 m (choć producent gwarantuje poprawne odczyty dla odległości nie większych od 30 m), kąt poziomego widzenia równy 270°, rozdzielczość 0,25° oraz częstotliwość pracy równa 40 Hz. Czujnik rotoScan ROD4 plus (rys. 8c) firmy Leutze Electronic [5] pracuje z częstotliwością 25 Hz, ma kąt poziomego widzenia równy 190° oraz zasięg do 65 m.

mobilnych lidary najczęściej umieszczane są na głowicach uchylnych lub uchylno-obrotowych. Przykładami eksperymentalnych konstrukcji tego typu są głowice zamontowane na robotach Elektron [26] oraz Pioneer [21]. Obecnie na rynku dostępne są też głowice komercyjne. Jednym z producentów jest Fraunhofer IAIS [2]. Firma ta oferuje kilka typów głowic, zarówno dla lidarów SICK, jak i Hokuyo. Wraz z głowicami w ofercie znajduje się interfejs programowy do obsługi obrotnic z podłączonymi do nich czujnikami. Na rys. 9a pokazano głowicę uchylną 3DLS z zamontowanym lidarem firmy SICK. Powstały układ pomiarowy ma zasięg 10 m oraz kąty widzenia w poziomie i w pionie równe odpowiednio 180° oraz 124°. Czas akwizycji całego skanu, w zależności od rozdzielczości, wynosi od 3,2 s (1°) do maksymalnie 26,64s (0,25°). Rozwiązanie to nie nadaje się do aplikacji czasu rzeczywistego.

Rys. 9. Komercyjne głowice Fraunhofer IAIS Fig. 9. Commercial pan-tilt units from Fraunhofer IAIS

Wady tej pozbawione są rozwiązania firmy Velodyne [13]. Czujnik HLD-64E (rys. 10) ma 64 diody laserowe, dzięki czemu oferuje pełny kąt widzenia w poziomie (360°), kąt widzenia w pionie równy 26,8° oraz zwraca ponad milion punktów na sekundę z częstotliwością odświeżania 5–15 Hz. Zasięg pracy czujnika to 70 m z dokładnością ±2 cm. Velodyne oferuje też mniejszy i tańszy czujnik HDL-32E, który generuje chmurę złożoną z maksymalnie 700 tys. punktów. Z uwagi na swoje cechy, wymienione czujniki często stosowane są razem. Przykładowo, autonomiczny samochód Junior miał czujnik Velodyne zamontowany na dachu, dwa lidary firmy SICK zamontowane na bokach samochodu, dwa lidary IBEO ALASCA XT zamontowane w przednim

Rys. 8. Popularne lidary tworzące planarne chmury punktów Fig. 8. Common sensors generating planar clouds of points

Oczywistym minusem wymienionych czujników jest akwizycja głębi tylko w jednej płaszczyźnie. Do otrzymania dwuwymiarowej mapy głębi niezbędne jest montowanie ich np. na obrotowych głowicach. Przykładem komercyjnie dostępnego robota usługowego, wyposażonego w skaner laserowy umieszczony na głowicy uchylnej zintegrowanej z jego korpusem, jest robot PR2 [15]. W przypadku robotów

Rys. 10. Czujnik HDL-64E firmy Velodyne Fig. 10. The HDL-64E sensor offered by Velodyne

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

95


Nauka     

zderzaku oraz pięć radarów dalekiego zasięgu BOSCH LRR2 zamontowanych na masce samochodu [22]. Zasadę ToF wykorzystują również czujniki rodziny SwissRanger firmy Mesa Imaging [6]. Podobnie jak produkty firmy SICK, czujniki SwissRanger, wraz ze współrzędną kartezjańską każdego punktu, generują też informację dotyczącą intensywności odbitego światła dochodzącego do sensora (obraz w odcieniach szarości). Czujnik SR3000 (rys. 11a) ma pole widzenia o zakresie kątowym równym 47,5° na 39,6° oraz zasięg działania do 7,5 m. Natomiast czujnik SR4000 (rys. 11b) ma sensor o rozdzielczości równej 176 px × 144 px i jest oferowany w dwóch wersjach – ze standardowymi oraz szerokokątnymi obiektywami. W zależności od wersji pole widzenia w zakresie kątowym poziomym i pionowym wynosi odpowiednio 43,6° i 34,6° lub 69° i 56°. Obie wersje mogą pracować z różnymi maksymalnymi zasięgami działania: 5 m lub 10 m. Odpowiednio do zasięgu, odczyty zwracane są z częstotliwością 15 Hz lub 30 Hz.

do poprzednika, ma niższą rozdzielczość (160 px × 120 px), zaletą natomiast jest ponad dwukrotnie wyższa częstotliwość pracy (90 Hz). Konstrukcja referencyjna cechuje się zasięgiem do 2 m (ograniczonym przez moc diody IR) oraz szerokim polem widzenia (90° w poziomie oraz 68° w pionie), dzięki czemu może on być idealnym czujnikiem do integracji z chwytakiem robota usługowego. Kolejnym czujnikiem działającym na tej zasadzie jest SpectroScan 3D firmy Spectrolab (rys. 13). Czujnik ten ma sensor o rozdzielczości 256 px × 128 px, pole widzenia o rozmiarze 60° w poziomie i 30° w pionie oraz zasięg równy 20 m. Niestety, w porównaniu do poprzednich czujników, charakteryzuje się stosunkowo niską częstotliwością pracy (5–6 Hz).

Rys. 13. Czujnik SpectroScan 3D firmy Spectrolab Fig. 13. SpectroScan 3D sensor offered by Spectrolab

Rys. 11. Czujniki firmy Mesa Imaging zwracające głębię z dodatkową informacją dot. intensywności (I-D) Fig. 11. Sensors from Mesa Imaging acquiring depth images with additional intensity information (I-D)

Zasada pomiaru czasu lotu wiązki jest stosowana w czujnikach CamCube firmy PMD Technologies (rys. 12a). Mają one matrycę o rozdzielczości 204 px × 204 px, umożliwiającą obserwację pola widzenia o wymiarach 40,0° × 40,0° oraz zasięg 7 m. Dla maksymalnej rozdzielczości czujnik pracuje z częstotliwością do 40 Hz. Analogicznie do czujników z rodziny SwissRanger, CamCube tworzy również obraz intensywności. Niestety, ten popularny czujnik został wycofany z produkcji. Firma specjalizuje się w produkcji matryc ToF PhotonICs 19k-S3 oraz ich referencyjnej konstrukcji – CamBoard Nano (rys. 12b). Sensor ten, w porównaniu

W listopadzie 2013 r. rozpoczęto sprzedaż następnej generacji konsoli Xbox, razem z którą dystrybuowana jest nowa generacja czujnika Kinect (rys. 14a). Poza widoczną w obudowie kamerą kolorową (obraz RGB w rozdzielczości Full HD), czujnik ma również pracującą w podczerwieni kamerę ToF (rys. 14b), generującą mapę głębi wraz z obrazem intensywności w rozdzielczości 512 px × 424 px. Czujnik ten jest pierwszym na świecie zintegrowanym urządzeniem zwracającym obrazy RGB-I-D. W porównaniu z poprzednikiem, nowy Kinect może pracować z taką samą częstotliwością (30 Hz) oraz szerszym polem widzenia, co poprawi rozpoznawanie postury oraz ruchów graczy w małych pomieszczeniach.

a) Nowy czujnik Kinect w obudowie

b) Elementy nowego czujnika Kinect związane z akwizycją obrazu RGB-I-D [3]

Rys. 12. Produkty firmy PMD Technologies zwracające mapę głębi z dodatkową informacją dot. intensywności (I-D) Fig. 12. Sensors acquiring depth maps with additional intensity information (I-D) from PMD Technologies

96

Rys. 14. Czujnik Kinect drugiej generacji (Xbox One) firmy Microsoft Fig. 14. Second generation of the Microsoft Kinect sensor (Xbox One)


Kąt widzenia w pionie [°]

Kąt widzenia w poziomie [°]

Odległość dla dokładności 20 mm [m]

Dokładność dla zasięgu maks. [mm]

Zasięg maksymalny [m]

Zasięg minimalny [m]

Częstotliwość pomiarowa [Hz]

Rozdzielczość [px × px]

Tab. 1. Zestawienie parametrów wybranych czujników Tab. 1. List of parameters of selected sensors

Stereowizja

Rozstaw kamer [cm]

Przetwarzanie

Videre STOC

640 × 480

30

0,23 1

4 8,7

100 100

1,7 3,9

73

53

6 30

FPGA OnBoard

PointGrey Bumblebee 2

640 × 480

48

0,1 0,3

4 7

100 100

1,9 3,2

97 43

72 32

12

Programowo

PointGrey Bumblebee XB3

1280 × 960

16

0,1 0,3

7 12

100 100

3,7 6,3

97 43

72 32

12 + 24

Programowo

Focus Robotics nDepth

752 × 480

30

0,9 0,5

10 5,3

700 400

1,7 1,3

31 57

19 36

6

FPGA PCI

Surveyor SVS

1280 × 1024

15

82

61

10,75

Programowo

Sony PS 4 Camera

1280 × 800

60

Długość fali [nm]

Dodatkowe informacje

0,3

85

Oświetlenie strukturalne PrimeSense

640 × 480

30

0,8 0,35

3,5 1,4

Microsoft Kinect (X360)

640 × 480

30

0,6

4

Occipital Structure

640 × 480 320 × 240

30 60

0,4

3,5+

20

3,5

† †

57

45

NIR 827

Obraz RGB

57,5

43,5

NIR 827

Obraz RGB

58

45

NIR 827

Obraz RGB

Długość fali [nm]

Dodatkowe informacje Obraz I

ToF SICK LMS100/LMS111

1081 × 1 541 × 1

25 50

0,05

18

30

270

nd.

IR 905

Hokuyo UTM-30LX

1081 × 1

40

0,1

10 30

30 50

270

nd.

IR 905

Leutze ROD4 plus

528 × 1

25

0

65

190

nd.

IR 905

Fraunhofer 3DLS (LMS200)

721 × 501 181 × 125

0,0375 0,3125

0,1

10

180

124

IR 905

Velodyne HDL-64E

6250 × 64‡ 3125 × 64‡ 2083 × 64‡

5 10 15

0,9

120

360

26,8

IR 905

SwissRanger SR3000

176 × 144

25

0,1

7,5

3

47,5

39,6

NIR 850

Obraz I

SwissRanger SR4000

176 × 144

30 15

0,1 0,1

5 10

5 5

43,6 69

34,6 56

NIR 850

Obraz I

PMD CamCube 2,0

200 × 200

40

0,1

7,5

NIR 850

Obraz I

PMD CamBoard Nano

160 × 120

90

0,1

2

Spectrolab SpectroScan 3D

256 × 128

5–6

0,1

Microsoft Kinect (XBO)

512 × 424

30

0,8

15

10

2

Obraz I

90

68

NIR 850

Obraz I

20

60

30

IR 1550

Obraz I

4

70

60

IR

Obraz RGB 1920 × 1080 + obraz I

Oznaczenia: n.d. – nie dotyczy (np. w przypadku kąta widzenia w pionie czujników planarnych); † błąd estymacji głębi czujnika mniejszy od ±20 mm w całym zakresie pomiarowym; ‡ 16 dolnych linii czujników Velodyne ma czterokrotnie mniejszą rozdzielczość (odpowiednio 1532, 781 oraz 521); wszystkie pola puste oznaczają brak danych.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

97


Nauka     

4. Podsumowanie Czujniki dostarczające informacje o głębi pełnią coraz istotniejszą rolę w pomiarach, automatyce i robotyce. Zakres ich zastosowań obejmuje zagadnienia od kontroli poprawności wykonania elementu, przez budowę trójwymiarowych modeli obiektów, pomiary w geodezji i kartografii, inspekcje stanu dróg, autostrad i mostów, aż po telewizory i kontrolery do konsol. Celem dwuczęściowego artykułu był przegląd czujników do akwizycji obrazów RGB-D. W pierwszej części omówiono metody akwizycji obrazów, zawężając wybór do metod stosowanych w aplikacjach czasu rzeczywistego – do stereowizji, metody światła strukturalnego oraz pomiaru czasu lotu wiązki. Natomiast w drugiej części przedstawiono przegląd czujników bazujących na tych metodach. Parametry omówionych czujników zestawiono w tab. 1. Mimo starań, przegląd ten nie jest i nie może być pełny. Wynika to przede wszystkim z nieustannego postępu na tym polu, jak i z faktu, że niektóre z rozwiązań nie są dostępne komercyjnie, a inne są dostępne tylko w wyspecjalizowanych produktach. Przykładem wyspecjalizowanych produktów jest np. system pomiarowy MX8 (rys. 15a) firmy Trimble, który składa się z zestawu czujników (kamera, skaner laserowy, GNSS, czujnik IMU). Wraz z komputerem integrującym dane ze wszystkich czujników MX8 przeznaczony jest do zbierania danych przestrzennych z pokładu poruszającego się pojazdu, np. podczas inspekcji stanu dróg, autostrad, mostów etc. Podobne rozwiązania oferuje firma RIEGL w postaci systemu pomiarowego VMX-250 (rys. 15b).

a) Trimble MX8 zamontowany na dachu samochodu [8]

b) Czujnik VMX-250 firmy Riegl na dachu pociągu [12]

Rys. 15. Komercyjne laserowe systemy pomiarowe 3D Fig. 15. Commercial 3D laser measurement systems

Czujniki RGB-D stosowane są również w robotach usługowych. Na rys. 16a pokazano głowę robota PR2 firmy Willow Garage, w konstrukcji której zastosowano metodę uzyskiwania mapy głębi za pomocą stereopary oraz oświetlania sceny światłem strukturalnym. Podczas pracy projektor wyświetla (pseudo) losowe wzorce, dzięki czemu stereowizja wyznacza gęstą mapę głębi. Rozwiązanie to zostało przez autorów nazwane stereowizją z projekcją tekstury (ang. Projective Texture Stereo) [15, 20]. Na rys. 16b pokazano wnętrze tzw. aktywnej głowy (ang. Active Head) robota Velma [27], skonstruowanego

98

a) Aktywna stereopara robota

b) Aktywna głowa robota Velma

PR2 [15]

Rys. 16. Aktywne głowy robotów wyposażone w czujniki RGB-D Fig. 16. Robotic active heads equipped with the RGB-D sensors

w Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej Politechniki Warszawskiej. Poza parą kolorowych kamer o wysokiej rozdzielczości (kamery Black Fly firmy Point Grey zwracające obrazy o rozdzielczości 1280 px × 1024 px) głowę wyposażono w dwa czujniki Kinect pierwszej generacji zamocowane w sposób, który pozwala na uzyskanie głębi dla kąta widzenia poziomego równego około 87° oraz kąta widzenia pionowego równego 57,5°. Układ wizyjny zamontowany na głowicy uchylno-obrotowej ma dodatkową jednostkę inercyjną, której zadaniem jest poprawa pozycjonowania całej głowy. Podsumowując przegląd czujników RGB-D można stwierdzić, że przyszłość należy do czujników wykorzystujących pomiar czasu lotu wiązki. Sugeruje to nie tyle liczba różnych czujników dostępnych na rynku, co raczej fakt, że firmy pokroju Microsoft czy Samsung rozwijają własne produkty bazujące na tych technologiach. Dodatkowo, czujniki ToF mają przewagę nad stereowizją czy światłem strukturalnym (praca na zewnątrz, zakres, częstotliwość, obraz intensywności etc.), natomiast ich główną wadą jest wysoka cena. Jednak komercjalizacja kamer ToF oraz ich produkcja na masową skalę (stosowane w sterowanych gestami telewizorach typu F8000 HD TV firmy Samsung oraz w nowych kontrolerach do gier typu Kinect firmy Microsoft) spowoduje znaczne obniżenie ich ceny, a w konsekwencji popularyzację. W 2014 r. czeka nas najprawdopodobniej rewolucja na tym polu, która być może dorówna tej z 2010 r., kiedy na rynku pojawił się czujnik Kinect pierwszej generacji.

Zaproszenie Osoby zainteresowane tematyką poruszaną w artykule zapraszamy do udziału w sesji specjalnej Percepcja robotów z wykorzystaniem obrazów RGB-D, organizowanej w ramach 13. Krajowej Konferencji Robotyki, która odbędzie się w Kudowie Zdrój w dniach 2–6 lipca 2014 r. www.kkr13.pwr.wroc.pl

Podziękowania Praca finansowana ze środków grantu Dziekana Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych nr 504M/1031/0044.


Bibliografia 1. [www.focusrobotics.com], Focus Robotics. 2. [www.3d-scanner.net], Fraunhofer IAIS. 3. [www.wired.com/gadgetlab/2013/05/xboxone-development-photos], From green light to boot-up: Behind the scenes of xbox one’s development. 4. [www.gom.com/metrology-systems/3dscanner.html], Gom. 5. [www.leuze.com], Leutze electronic. 6. [www.mesa-imaging.ch], MESA Imaging. 7. [www.ptgrey.com/products/stereo.asp], Point Grey Research, Inc. 8. [www.riegl.com], RIEGL Laser Measurement Systems. 9. [www.smarttech3d.com], SMARTTECH 3D. 10. [http://structure.io], Structure sensor. 11. [www.surveyor.com], Surveyor corporation. 12. [www.trimble.com], Trimble. 13. [http://velodynelidar.com/lidar/lidar.aspx], Velodyne. 14. [www.videredesign.com], Videre Design. 15. [www.willowgarage.com/pages/pr2/overview], Willow Garage – PR2 robot overview. 16. Hamdan H.M., Hemayed E.E., Farag A.A., Fast 3d object reconstruction using trinocular vision and structured light, Proc. of SPIE, Intelligent Robots and Computer Vision XVII: Algorithms, Techniques, and Active Vision, Boston, 1998, 444–454. 17. Kamiński M., Przemysłowe bezdotykowe czujniki odległości w pomiarach wielkości geometrycznych, „Pomiary Automatyka Robotyka”, vol. 17, nr 3, 2013, 32–40. 18. Kim M.Y., Cho H., An active trinocular vision system of sensing indoor navigation environment for mobile robots, “Sensors and Actuators A: Physical”, vol. 125, no. 2, 2006, 192–209. 19. Kitamura Y., Yachida M., Three-dimensional data acquisition by trinocular vision, “Advanced Robotics”, vol. 4, no. 1, 1989, 29–42. 20. Konolige K., Projected texture stereo, International Conference on Robotics and Automation, IEEE, 2010, 148–155. 21. Majek K., Pełka M., Będkowski J., Cader M., Masłowski A., Projekt autonomicznego robota inspekcyjnego, „Pomiary Automatyka Robotyka”, vol. 17, nr 2, 2013, 278–282. 22. Montemerlo M., Becker J., Bhat S., Dahlkamp H., Dolgov D., Ettinger S., Haehnel D., Hilden T., Hoffmann G., Huhnke B., Johnston D., Klumpp S., Langer D., Levandowski A., Levinson J., Marcil J., Orenstein D., Paefgen J., Penny I., Petrovskaya A., Pflueger M., Stanek G., Stavens D., Vogt A., Thrun S., Junior: The stanford entry in the urban challenge, „Journal of Field Robotics”, vol. 25. no. 9, 2008, 569–597. 23. Okutomi M., Kanade T., A multiple-baseline stereo, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 15(4), 1993, 353–363. 24. Rusu R.B., Cousins S., 3D is here: Point Cloud Library (PCL), International Conference on Robotics and Automation, Shanghai, China, 2011.

25. Stefańczyk M., Kornuta T., Akwizycja obrazów RGBD: metody, „Pomiary Automatyka Robotyka”, vol. 18, nr 1, 2014, 82–91. DOI: 10.14313/PAR_203/82 26. Szynkiewicz W., Chojecki R., Rydzewski A., Majchrowski M., Trojanek P., Modułowy robot mobilny elektron, [w:] Tchoń K. red., Postępy Robotyki: Sterowanie, percepcja i komunikacja, wol. 1, 265–274. WKiŁ, Warszawa 2006. 27. Walęcki M., Stefańczyk M., Kornuta T., Control system of the active head of a service robot exemplified on visual servoing, 9th Workshop on Robot Motion and Control, 2013, 48–53.

Acquisition of RGB-D images: sensors Abstract: The paper constitutes the second part of the article devoted to RGB-D sensors. In the first part the attention was focused on the methods of acquisition, whereas in the following, second part we present an overview of currently available commercial sensors. Keywords: depth map, point cloud, RGB-D image, RGB-D sensor Artykuł recenzowany, nadesłany 02.11.2013 r., przyjęty do druku 20.12.2013 r.

dr inż. Tomasz Kornuta Absolwent Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. W 2003 r. uzyskał tytuł inżyniera, w 2005 r. tytuł magistra inżyniera, a w 2013 r. stopień doktora nauk technicznych. Od 2008 r. pracuje w Instytucie Automatyki i Informatyki Stosowanej, od 2009 r. pełni funkcję kierownika Laboratorium Podstaw Robotyki. Zainteresowania naukowe – metody programowania robotów, wykorzystanie informacji wizyjnej w robotyce, w szczególności aktywna wizja oraz rozpoznawanie obrazów RGB-D. Autor/współautor ponad trzydziestu publikacji dotyczących powyższych tematów. Recenzent krajowych oraz międzynarodowych konferencji robotycznych (KKR, IEEE mmAR, IEEE ICAR, IFAC SYROCO) oraz czasopism (Sensor Review, International Journal of Advanced Robotics). Członek IEEE RAS. e-mail: tkornuta@ia.pw.edu.pl mgr inż. Maciej Stefańczyk Absolwent Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej. W 2010 r. uzyskał tytuł inżyniera, w 2011 r. tytuł magistra inżyniera, obydwa z wyróżnieniem. W 2011 r. rozpoczął pracę nad doktoratem na temat zastosowania aktywnej wizji wraz z systemami opartymi na bazie wiedzy w systemie sterowania robotów. Główne zainteresowania naukowe – zastosowanie informacji wizyjnej w robotyce oraz w systemach rozrywki komputerowej. e-mail: stefanczyk.maciek@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

99


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Skaner do digitalizacji taśm filmowych Bartosz Piekarczyk*, Mariusz Sosnowski** *MUFI Kompania Muzyczno Filmowa **Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, Zakład Zautomatyzowanych Systemów Wytwarzania i Inżynierii Jakości

Streszczenie: W artykule przedstawiono budowę, układ sterowania i oprogramowanie sterujące zautomatyzowanym systemem do skanowania taśm filmowych. Interfejs sterowania oraz oprogramowanie opracowano w Zakładzie Zautomatyzowanych Systemów Wytwarzania i Inżynierii Jakości Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, przy udziale doświadczonego pracownika z branży filmowej. Celem zbudowanego układu sterowania i oprogramowania jest prowadzenie automatycznego skanowania klatek filmowych i kopiowania ich do komputera w celu digitalizacji pojedynczych kadrów oraz poprawienia jakości filmów. Słowa kluczowe: zrobotyzowany skaner, kadr, taśma celuloidowa, silnik krokowy, mikroprocesor DOI: 10.14313/PAR_204/100

1. Wprowadzenie Współczesna kinematografia rozwija się bardzo szybko, a w ostatnim czasie rozwój tej dziedziny nauki wyraźnie przyspieszył. Choć w historii filmu było kilka momentów przełomowych, które zmieniły sposób przekazywania ruchomych obrazów publiczności, jak np. wprowadzenie dźwięku, później koloru czy różnych formatów ekranów (np. ekran panoramiczny), co wywoływało wielki zachwyt wśród ówczesnych widzów, to jednak współczesnym odbiorcom filmu nie wystarcza. Wzrost potrzeb współczesnego widza, łaknącego coraz większych wrażeń wymusił zastosowanie m.in. technologii cyfrowej, zarówno przy efektach inscenizacyjnych jak i przy rejestracji obrazu HD (ang. High Definition). A największym osiągnięciem ostatnich lat są filmy trójwymiarowe 3D. Do chwili opracowania technologii zapisu informacji na nośnikach cyfrowych, podstawowym nośnikiem filmowym była światłoczuła błona fotograficzna o różnych szerokościach, np. 8 mm, 16 mm, 35 mm. Stosuje się ją w mniejszym stopniu do dziś w kinie i telewizji, przy czym zazwyczaj każdy utwór audiowizualny ma swoją cyfrową kopie. Oczywiście są filmy, których jedyna kopia znajduje się na taśmie filmowej, których bez dostępu do projektora filmowego nie można odtworzyć. Ale to nie jedyny problem – z czasem bezcenne nagrania na taśmach celuloido-

100

Rys. 1. Digitalizator filmów analogowych; a) wygląd obudowy, b) skaner z taśmą celuloidową Fig. 1. Analog video digitizer; a) the appearance of the case, b) scanner with celluloid tape

wych tracą na jakości. Czas niszczy nośnik filmu w sposób nieodwracalny i nagrania przepadają. Przegranie materiału do postaci cyfrowej zatrzymuje ten proces, jakość pozostaje taka sama jak w oryginale, dodatkowo cyfrowe nagrania można łatwiej odtwarzać nie tylko na odtwarzaczach DVD ale też na komputerach, telefonach itd. [1]. W Zakładzie Zautomatyzowanych Systemów Wytwarzania i Inżynierii Jakości Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie, przy udziale doświadczonego technika z branży filmowej zaprojektowano i zbudowano układ sterowania zrobotyzowanym skanerem do filmów zapisanych na taśmie celuloidowej, które są poddawane cyfrowej rekonstrukcji. Zautomatyzowany skaner nie ma jeszcze ultradźwiękowego systemu do usuwania kurzu ani systemu do naprawy odkształceń taśm, ale spełnia podstawowe cele w zakresie praktycznych zastosowań środków automatyki w kinematografii.


Zbudowany układ sterowania i oprogramowania umożliwia prowadzenie automatycznego skanowania klatek filmowych i kopiowania ich do komputera, gdzie jest realizowana digitalizacja pojedynczych kadrów i poprawa jakości filmów.

składa się z komputera centralnego z zainstalowanym programem do obsługi automatyki oraz programem do obsługi skanera zakupionym wraz z urządzeniem.

2. Konstrukcja digitalizatora taśm filmowych Cechą digitalizatora będącego przedmiotem analizy jest proste rozwiązanie mechaniczne (rys. 1). Stanowisko ma jednolitą konstrukcję w postaci skrzynki o wymiarach 1250 mm × 370 mm × 400 mm. Skrzynka wykonana jest z duraluminiowej konstrukcji, którą oddziela płyta czołowa. Na czołowej części płyty znajdują się: szpula z nawiniętym filmem do skanowania, rolki pociągowe do filmów z perforacją, skaner fotograficzny firmy Nikon oraz pusta szpula, na którą nawijany jest zeskanowany film. Obracające się talerze, na których montuje się szpule z filmem oraz elementy pociągowe i naciągowe przytwierdzone są do płyty za pomocą łożysk kulkowych. Na tylnej części płyty, znajdują się: zasilacz elektryczny, układy sterowania, mechanizmy napędowe wraz z silnikami krokowymi, które za pomocą pasków zębatych przenoszą ruch obrotowy do sąsiednich rolek (rys. 2).

Rys. 3. Schemat blokowy układu sterowania Fig. 3. A block diagram of the control system

Rys. 2. Digitalizator filmów analogowych; a) wygląd mechanizmów napędowych, b) napęd krokowy Fig. 2. Analog video digitizer; a) the appearance of the drive mechanisms, b) stepper drive

3. Układ sterowania digitalizatorem Dla opracowanej konstrukcji zautomatyzowanego stanowiska opracowano układ sterujący, który steruje i nadzoruje pracą urządzenia. Ideę sterowania zautomatyzowanym skanerem przedstawiono na rys. 3. Układ sterowania

Program do obsługi automatyki steruje pracą układu mikroprocesorowego, do którego podłączone są moduły wykonawcze silników krokowych odpowiedzialne za dokładne przemieszczanie się kolejnych kadrów skanowanego filmu, silnika prądu stałego odpowiedzialnego za prawidłowy naciąg skanowanego filmu jak również moduł elektromagnesu (hamulca), który podczas skanowania unieruchamia film. Nad prawidłową pracą wszystkich aktuatorów czuwa zainstalowany program, który wysyła i odczytuje sygnały sterujące do/z modułów wykonawczych. Zadaniem tego programu jest również wymiana sygnałów sterujących z programem do obsługi skanera. Cały układ sterowania opiera się na odpowiedniej liczbie modułów wykonawczych (sterowników) sprzęgniętych ze sobą równolegle. Głównym założeniem układu sterowania jest odpowiednia kolejność działań poszczególnych modułów wykonawczych oraz skanera filmowego. Kolejność i czas działania modułów wykonawczych jest uzależniony od właściwości, a przede wszystkim od szerokości skanowanego filmu. Wszystkie elementy modułów wykonawczych, poza skanerem filmowym, umieszczone są w tylniej części płyty szafy sterowniczej. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

101


Nauka     

3.1. Centralny komputer sterujący Do prawidłowej pracy zautomatyzowanym digitalizatorem filmowym w centralnym komputerze sterującym zainstalowano trzy programy (rys. 4).

Rys. 5. Układ mikroprocesora Fig. 5. Microprocessor

Rys. 4. Centralny komputer sterujący Fig. 4. The central control computer

3.3. Moduły silników krokowych

Do budowy modułów silników krokowych wykorzystano monolityczny układ scalony L298 firmy STMicroelectronics (rys. 6).

Do zakupionego programu do obsługi skanera filmowego należało opracować elastyczny program do sterowania modułami wykonawczymi, kontroli nad kolejnymi etapami pracy skanera filmowego oraz wymianą sygnałów sterujących. Problem sterowania z zewnątrz programem do skanowania filmów rozwiązano przez utworzenie dodatkowego interfejsu komunikacyjnego ExternalApp. Interfejs umożliwił obsługę wirtualnych przycisków w programie skanera oraz stałą wymianę sygnałów sterujących do/z programu do obsługi automatyki.

3.2. Układ mikroprocesora

Układ mikroprocesora jest najważniejszą częścią sterującą aktuatorami. Układ oparto na 8-bitowym mikroprocesorze ATmega32 firmy Atmel (rys. 5). Dzięki architekturze RISC, mikroprocesor z częstotliwością 16 MHZ wykonuje stabilnie zaimplementowany w pamięci program. Zaprogramowany mikroprocesor odczytuje rozkazy wysyłane przez komputer sterujący i za pośrednictwem modułu zabezpieczeń steruje modułami wykonawczymi. Każdy z modułów po wykonaniu określonej sekwencji działania zwraca sygnał zwrotny, który następnie jest wysyłany przez mikroprocesor do programu obsługi automatyki. Układ mikroprocesora czuwa nad poprawną wymianą sygnałów sterujących między programem do obsługi automatyki a modułami wykonawczymi. Zadaniem układu mikroprocesorowego jest również określona sekwencja ruchów aktuatorów [2].

102

Rys. 6. Układ sterowania silnikiem krokowym Fig. 6. Stepper motor control system

Układ scalony jest podwójnym mostkiem typu H do sterowania silnikami krokowymi, który współpracując z układem L297 umożliwia płynną zmianę prędko-


ści, kierunku oraz zmianę trybu pracy silnika krokowego (praca cało-krokowa i pół-krokowa). Największą zaletą układu L298 jest duży przedział napięć zasilania silników (do 50 V) oraz wysokie dopuszczalne maksymalne prądy przypadające na uzwojenie silnika – kanał (2 A ciągłego oraz aż 3 A chwilowego poboru prądu). Moduł silnika krokowego umożliwia regulację prądu silnika. Przy tak dużych wartościach chwilowych prądu konieczne jest stosowanie osobnego zabezpieczenia w postaci szybkich diod Schottky’ego. Moduł silników krokowych umożliwia sterowanie silnikiem krokowymi bipolarnym (4-przewodowym). Ze względu na określone przemieszczenie kątowe wynikające z perforacji filmów analogowych zastosowano silnik firmy AIRPAX 9036. Silnik charakteryzuje się napięciem zasilania 5 V, rezystancją 9,1 W przypadającą na jedno uzwojenie oraz nietypowym elementarnym skokiem wynoszącym 7,5°, koniecznym do realizacji prawidłowej pracy skanera [4]. Ponieważ działanie zautomatyzowanego skanera polega na dokładnym wprowadzeniu kolejnego kadru do skanera filmowego, a po zeskanowaniu wyprowadzeniu go na zewnątrz skanera filmowego, konieczne było zastosowanie podwójnych modułów sterowania silnikami krokowymi.

3.4. Moduł silnika DC i elektromagnesu

Kolejnymi modułami, które podlegają sterowaniu i kontroli przez układ mikroprocesorowy to moduł silnika prądu stałego i elektromagnesu. Zasadę działania moduł silnika DC przedstawiono na rys. 7. Rys. 8. Napęd silnika DC Fig. 8. DC motor driver

3.5. Skaner filmowy

Rys. 7. Moduł silnik DC Fig. 7. Module DC motor

Sterowanie tym modułem odbywa się za pomocą pojedynczego tranzystora polowego typu MOSFET, który umożliwia nie tylko regulowanie impulsowe prędkości silnika prądu stałego, ale również obsługiwanie silnika bezpośrednio z układów mikroprocesorowych. Zadaniem modułu silnika DC jest zwijanie zeskanowanej części filmu na talerz oraz odpowiedni naciąg filmu za pomocą odpowiednio skonstruowanego sprzęgła (rys. 8).

Urządzeniem odpowiedzialnym za zeskanowanie pojedynczej klatki filmu jest skaner filmowy firmy NICON COOLSCAN 5000 ED (rys. 9). W zakupionym urządzeniu oryginalna obudowa została zdemontowana, a urządzenie skanujące zamocowano w centralnym miejscu czołowej płyty zautomatyzowanego digitalizatora tak aby znajdował się w osi przemieszczającego się filmu. Skaner filmowy jest stosowany przez profesjonalnych fotografów, którzy wymagają zarówno jakości, jak i szybkości. Urządzenie charakteryzuje się rzeczywistą rozdzielczością optyczną 4000 dpi i 16-bitową konwersją analogowo-cyfrową. Skaner filmowy oferuje nadzwyczajną jakość w połączeniu z niesamowitą szybkością skanowania pojedynczych kadr filmu wynoszącą maksymalnie do 20 s na klatkę. Funkcje, jakość i szybkość oferowane przez skaner filmowy czynią z niego idealne rozwiązanie dla osób profesjonalnie zajmujących się obrazami cyfrowymi. Skaner filmowy jest wyposażony w wysokiej jakości 2-liniowy przetwornik CCD oraz nowym zaawansowany algorytmem przetwarzania obrazu dla kolorowych filmów negatywowych [5]. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

103


Nauka     

Rys. 9. Skaner filmowy Fig. 9. Scanner

4. Oprogramowanie W zaprojektowanym i wykonanym układzie sterowania zautomatyzowanym digitalizatorem zaimplementowano program sterujący automatyką opracowany w środowisku programistycznym Delphi 7.0. Przed uruchomieniem programu sterującego automatyką, użytkownik wprowadza dane dotyczące szerokości skanowanej klatki filmowej, a następnie włącza zasilanie wszystkich modułów wykonawczych. Wygląd głównego okna programu do automatyki dostępnego dla użytkownika zamieszczono na rys. 10. Operator komunikuje się z programem za pomocą odpowiednich pól edycyjnych i przycisków, w których np. wprowadza liczbę kolejnych klatek filmu przeznaczonych do skanowania, pauzuje lub kontynuuje proces skanowania itd. Jednocześnie, podczas pracy, program komunikuje się nie tylko z układem mikroprocesora, ale również wy-

Rys. 10. Ekran główny programu automatyki Fig. 10. The main screen of the control program

104

Rys. 11. Główny algorytm programu automatyki skanera Fig. 11. The main algorithm of the automatic scanner

syła lub odbiera komendy sterujące do programu skanera. Koncepcję programu automatyki oparto na głównym algorytmie sterującym (rys. 11). Po uruchomieniu programu automatyki, główny algorytm sterowania prosi o włączenie skanera filmowego w celu kalibracji i dokonania procedur bazowania a następnie oczekuje na polecenie operatora. Operator wprowadza szerokość skanowanego filmu oraz liczbę wykonanych odczytów (zeskanowań) kadrów. Po naciśnięciu przycisku START następuje zautomatyzowany proces skanowania klatek filmu [3]. Równolegle z głównym programem automatyki skanera działa program Scan Image Enhancer odpowiedzialny za poprawną prace urządzenia skanującego klatki filmowe. Program ten służy do sterowania skanerami firmy Nikon za pośrednictwem komputera oraz wyświetlania podglądu zdjęć i modyfikowania ustawień skanera przed skanowaniem. Zapewnia to użytkownikowi kontrolę nad zaawansowanymi funkcjami obsługiwanymi przez skanery do filmów. Oprogramowanie skanera Scan Image Enhancer umożliwia wielokrotne skanowanie (tzw. multisampling) oraz szybki autofokus czy korekcję graficzną zeskanowanych klatek filmu. Dzięki wbudowanej technologii obróbki obrazu Digital ICE4 Advanced(TM) skaner filmowy pozwala osiągnąć wysoką jakość, przy zachowaniu umiarkowanej prędkości skanowania [5]. Przykład zeskanowanej klatki filmu przed obróbką programową i po digitalizacji przedstawiono na rys. 12.


parentnych, „Postęp Nauki i Techniki”, nr 4, 2010, 33–42. 2. Bączek Ł., Głowacz Z., Sterowanie prędkością silnika krokowego z zastosowaniem mikrokontrolera ATmega8, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa”, vol. 49, nr 10, 2011, 5–10. 3. Altinatas A., A Graphical User Interface for Programming Stepper Motors Used at Different Kinds of Applications, “Mathematical and Computational Applications”, vol. 14, nr 2, 2009, 139–146. 4. [www.electricosamperex.com]. 5. [www.nikon.com].

Scanner to digitize cinema tapes

Rys. 12. Przykładowa klatka filmu; a) przed zeskanowaniem, b) po digitalizacji Fig. 12. An example of a frame of the movie; a) before you scan, b) after digitization

Abstract: This paper presents the design, control system and automated system control software to scan frame of film. Control interface and software developed at the Department of Automated Manufacturing Systems Engineering and Quality Technology of West Pomeranian University of Technology in Szczecin, with the participation of experienced staff from the film industry. The purpose-built control system and the software is running automatically scan film frames and copy them to your computer to digitize a single frame, and improve the quality of films. Keywords: robotic scanner, frame, celluloid tape, stepper motor, a microprocessor Artykuł recenzowany, nadesłany 22.11.2013 r., przyjęty do druku 15.12.2013 r.

5. Podsumowanie Zaprojektowane i zbudowane zrobotyzowane stanowisko (przy pomocy doświadczonego technika specjalisty od urządzeń filmowych) służy do digitalizacji starych, zniszczonych filmów celuloidowych. Można je również wykorzystać do montażu filmu, łącząc z innymi rodzinnymi pamiątkami (nagrania wideo, audio, fotografie, slajdy, dokumenty). Zautomatyzowany skaner do digitalizacji taśm filmowych umożliwia w szybkim czasie przeprowadzenie konwersji filmu z analogowej na cyfrową z poprawą jakości jego odbioru. Prezentowana koncepcja budowy zrobotyzowanego stanowiska i układu sterowania do digitalizacji filmów stwarza szerokie możliwości rozbudowy o kolejne moduły w celu poprawienia np. zakurzonych, zabrudzonych i połamanych mechanicznie taśm filmowych. Zastosowanie automatyki pozwala osiągnąć wysoką jakość, przy zachowaniu umiarkowanej ceny zabiegu profesjonalnych urządzeń do digitalizacji filmów analogowych. Obecnie skaner pracuje w prywatnym zakładzie filmowym, gdzie operator podejmuje próby ratowania starych archiwalnych filmów o Szczecinie, spełniając podstawowe cele w zakresie praktycznych zastosowań środków automatyki w kinematografii.

Bibliografia 1. Lis R., Montusiewicz J., Zastosowanie technologii cyfrowych do poprawy jakości fotograficznych materiałów trans-

Bartosz Piekarczyk Absolwent Technikum Budowy Fortepianów w Kaliszu oraz Camerimage Film School w Toruniu. Absolwent Wyższej Szkoły Techniczno-Ekonomicznej w Szczecinie, kierunek Edukacja Techniczno-Ekonomiczna. Producent filmowy – reklamy, filmy dokumentalne, fabularne. Autor projektu „Stary Cyfrowy Szczecin”. e-mail: bp@mufi.pl dr inż. Mariusz Sosnowski Pracuje w Zakładzie Zautomatyzowanych Systemów Wytwarzania i Inżynierii Jakości na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Głównym kierunkiem prowadzonych prac badawczych są zagadnienia elastycznej automatyzacja procesów produkcyjnych, robotyka, systemy sterowania, komputerowe wspomaganie projektowania jak również systemy sztucznej inteligencji i elektronika. e-mail: mariusz.sosnowski@zut.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

105


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Izolowany przekształtnik podwyższający DC/DC o wysokim współczynniku wzmocnienia napięcia Adam Krupa Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Automatyki i Elektroniki

Streszczenie: Uzyskanie wymaganego poziomu napięcia wyjściowego przy niskich napięciach wejściowych sprawia, że tranzystory przekształtnika podwyższającego DC/DC przełączają prądy o znacznych wartościach, co wiąże się ze zwiększeniem strat energii. Aby uzyskać sprawność przekształtnika powyżej 90 % w szerokim zakresie przetwarzanej mocy wejściowej przy „twardym” przełączaniu łączników półprzewodnikowych należy podzielić znaczny prąd wejściowy na kilka mniejszych pętli prądowych. Zmniejszy to straty przewodzenia tranzystorów, które stanowią przeważającą część strat energii w tego typu układach. Zastosowanie transformatorów równoważących pozwoli zachować równomierny rozpływ prądu wejściowego, a transformatorów izolujących – separację galwaniczną oraz wzmocnienie napięcia zależne od ich przekładni. Słowa kluczowe: przekształtnik DC/DC, współczynnik wzmocnienia napięcia, izolacja galwaniczna, transformator wyrównawczy DOI: 10.14313/PAR_204/106

1. Wprowadzenie W wielu układach elektrycznych zasilanych ze źródła prądu stałego o niskiej wartości napięcia niezbędnym stopniem przetwarzania mocy jest przekształtnik podwyższający DC/DC, który ma zapewnić napięcie kilku- czy nawet kilkunastokrotnie większe. Napięcie to następnie musi być przekształcone na formę użyteczną dla zasilanego urządzenia lub danej sieci energetycznej [1]. Przekształtnik podwyższający DC/DC jest podstawowym elementem systemu konwersji energii pochodzącej z niskonapięciowych źródeł prądu, a jednocześnie jest jego najsłabszym ogniwem. Efektywność przekształtnika determinuje wykorzystanie źródła mocy, a jego wielkość i masa mają decydujący wpływ na ogólne koszty i wielkość systemu. Zadaniem konstruktora jest zaprojektowanie i wykonanie urządzenia charakteryzującego się wysoką sprawnością, niezawodnością oraz modułową budową. W artykule zostaną przedstawione rozwiązania umożliwiające uzyskanie wysokiego współczynnika wzmocnienia napięcia w układzie przekształtnikowym. Zaprezentowana przetwornica, dzięki zastosowaniu metody podziału

106

prądu wejściowego oraz nowoczesnych elementów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory z niską rezystancją dren-źródło i diod z węgliku krzemu (SiC) ma sprawność bliską 93 % mimo „twardego” przełączania tranzystorów przekształtnika. Rozważania teoretyczne zostaną skonfrontowane z pomiarami laboratoryjnymi.

2. Izolowany przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie Jednym z podstawowych kryteriów podziału przekształtników podwyższających DC/DC jest obecność w ich strukturze izolacji galwanicznej [2]. Zgodnie ze standardami sieci elektrycznych, które obowiązują w niektórych krajach, izolacja galwaniczna systemu może być konieczna lub nie. Realizuje się ją za pomocą transformatorów wysokiej lub niskiej częstotliwości. Transformator sieciowy (50 Hz/60 Hz) nie jest często używany ze względu na wysoką cenę i niską wydajność energetyczną. Ze względów bezpieczeństwa większość podłączonych do sieci systemów odnawialnych źródeł energii, takich jak np. panele fotowoltaiczne ma transformator izolujący między poszczególnymi etapami konwersji energii. Jest ona realizowana przez transformator wysokiej częstotliwości, który oddziela poszczególne stopnie mocy. Przetwornice impulsowe DC/DC z izolacją mogą uzyskać znaczne wzmocnienie napięcia dzięki przekładni [3]. Niestety, duże wartości przekładni komplikują konstrukcję transformatora. Zdaje się panować powszechne błędne przekonanie, że wysoka przekładnia transformatora izolującego jest niezbędna w uzyskaniu wysokiego wzmocnienia napięcia. Częściowo równoległe połączenie dwóch lub większej liczby pojedynczych przetwornic podwyższających prowadzi do obniżenia przekładni użytych transformatorów. Równomierny rozpływ prądów w takich układach zapewniają transformatory równoważące [4, 5]. Dzięki zastosowaniu takiej konstrukcji układy izolowanych przekształtników podwyższających DC/DC mogą osiągać sprawności powyżej 90 % mimo „twardego” przełączania łączników półprzewodnikowych.

2.1. Schemat i zasada działania

Schemat quasi-równoległego przekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie jest widoczny na rys. 1. Prąd wejściowy iin ulega równoległemu podziałowi na dwa mniej-


Rys. 1. Schemat elektryczny quasi-równoległego przekształtnika DC/DC Fig. 1. Electrical scheme of serial-parallel DC/DC converter

sze prądy iL1, iL2. Transformatory równoważące T1, T2 umożliwiają równy rozpływ tych prądów przepływających przez dławiki wejściowe L2 oraz L1 na dwa mniejsze prądy (tj. iT11 i iT12). W rezultacie obie pary tranzystorów przekształtnika (S1, S4 i S2, S3) przewodzą tylko połowę prądu wejściowego. Transformatory T3, T4 zapewniają izolację galwaniczną oraz są kolejnym, po falowniku prądu, elementem wzmacniającym napięcie wejściowe – dzieje się to za sprawą ich przekładni. Dla obu transformatorów przekładnia jest identyczna i wynosi n. Połączone szeregowo strony wtórne transformatorów izolujących zasilają wyjściowy układ pół-mostka diodowego D1, D2 oraz podwajacza napięcia C1, C2. Napięcie wyjściowe transformatora jest zatem zwiększone dwukrotnie. W tej topologii wejściowe stopnie mocy sterowane są tymi samymi sygnałami sterującymi z tą samą sekwen-

cją przełączania faz dla odpowiednich przełączników. Diody oraz filtry wyjściowe są wspólne dla obu pół-mostków wejściowych. Istnieją trzy podstawowe tryby pracy przetwornicy. W tych przedziałach czasu, energia jest magazynowana w cewkach wejściowych, lub przekazywana do obciążenia. Teoretyczne przebiegi czasowe quasi-równoległego izolowanego przekształtnika DC/DC przedstawiono na rys. 2. Długość każdego trybu pracy zależy od wypełnienia D. Określa on szerokość impulsu sterującego tranzystorem (od 0,5 do 1). Dla źródła prądu stałego (Vi szeregowo z L1 i L2) zasilającego przekształtnik wartość wypełnienia powinna być większa niż 50 %. Zapewni to poprawną pracę przetwornicy.

2.2. Współczynnik wzmocnienia napięcia

Napięcie wejściowe Vi można zdefiniować jako spadek napięcia na przewodzącym dławiku, np. L1 zsumowanym z napięciem na jednym z uzwojeń transformatora wyrównawczego v1 di Vi = v 1 + L1 L1 (1) dt Wyznaczając różniczkę prądu płynącego przez dławik L1 otrzymuje się: di L1 Vin − v 1 (2) = dt L1 Napięcie na obu uzwojeniach transformatora wyrównawczego jest identyczne (3), ponieważ wartości indukcyjności uzwojeń pierwotnego i wtórnego są takie same

Komentarz do przebiegów z rys. 2:

Rys. 2. Teoretyczne przebiegi czasowe napięć i prądów przekształtnika Fig. 2. Theoretical waveforms of partial parallel isolated DC/DC step-up converter

(t1) – tranzystory S1, S4 są wyłączone; tranzystory S2 i S3 są w stanie przewodzenia, napięcie pierwotne transformatora VT3 wzrasta do ustalonej wartości, dioda D1 zaczyna przewodzić, prąd wejściowy osiąga wartość maksymalną; (t1 – t2) – tranzystory S1 i S4 są wyłączone, S2 i S3 przewodzą, prąd wejściowy iin i prąd dławika IL1 maleje IL2, rośnie; (t2) – tranzystory S2 i S3 są w stanie przewodzenia, S1 i S4 zaczynają przewodzić , prąd wejściowy osiąga wartość minimalną, prąd każdego tranzystora jest równy jednej czwartej prądu wejściowego; (t2-t3) – wszystkie tranzystory są w stanie przewodzenia, po stronie pierwotnej transformatora T3 napięcie spada do zera, prąd wejściowy iin wzrasta; (t3) – analogiczny do (t1), tranzystory S2 i S3 są wyłączone; tranzystory S1 i S4 są w stanie przewodzenia; (t3 – t4) – podobny do (t1 – t2) z tym, że prądy iin i iL2 maleją, a IL1 rośnie. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

107


Nauka     

L1 = L2 a prądy przez nie płynące (stanowiące ¼ prądu wejściowego) mają jednakowe wartości iT11 = iT12.

v 1 = L11

diT 11 di = v 2 = L12 T 12 dt dt

(3)

Można założyć, że v1 = v2 = v ponieważ n = 1 oraz diT11/dt = diT12/dt, zatem:

2v = 0

v =0

(4)

Napięcie po stronie pierwotnej transformatora T3 można zdefiniować jako różnicę napięcia na jednym z kondensatorów podwajacza vC1 sprowadzonym na stronę pierwotną i sumy napięć na indukcyjności dławika L1 oraz uzwojenia transformatora wyrównawczego.

vT2 =

v C1 di di − v + LT 1 T 11 = v + LT 1 T 12 n dt dt

(8)

Z zależności (8) wynika:

v C1 v = 2v ⇒ v = C 1 n 2n

(9)

Uwzględniając powyższe oraz podstawiając zależność (9) do (1) otrzymuje się:

diin Vi − v 1 v = = (Vin − C 1 ) dt L1 L1 2n

(10)

Aby obliczyć współczynnik wzmocnienia napięcia należy rozpatrzyć dwa warianty podobwodu z dławikiem L1 w interwałach czasowych przewodzenia tranzystora DT oraz (T – DT).

Vi DT = L1

(Vin −

v C1 ) 2n (T − DT )

L1

(11)

Po uproszczeniu wyrażenia otrzymuje się:

Vi D = (Vin −

v C1 )(1 − D) 2n

(12)

Ponieważ suma napięć na kondensatorach C1 oraz C2 jest równa napięciu wyjściowemu Vo, można zapisać

Vi D = (Vin −

Vo )(1 − D) 4n

(13)

Z powyższego równania można wyznaczyć zależność na współczynnik wzmocnienia napięcia w przekształtniku

108

B=

Vo 4n = Vi (1 − D)

(14)

Teoretycznie wypełnienie dla falowników prądu zmienia się w zakresie (0,51–0,99). W niniejszym artykule procentowy zakres regulacji przyjęto jako (53,9 %–73,5 %).

3. Badania laboratoryjne quasi-równoległego przekształtnika podwyższającego DC/DC Został opracowany prototyp quasi-równoległego izolowanego przekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie, w celu potwierdzenia założeń teoretycznych. Układ zasilania symulujący niskonapięciowe źródło energii stanowił zasilacz MAGNA-POWER ELECTRONICS XR-50-100.

3.1. Elementy przekształtnika

Sygnały sterujące tranzystorami o stałej częstotliwości 19,53 kHz były generowane w układzie programowalnym serii Cyclone III. W celu optymalizacji układu sterowania, sygnał wyjściowy drivera TC4221 podawany był na obwód wspomagający proces wyłączania tranzystorów MOSFET, składający się z równolegle połączonych: kondensatora Cs (10 nF), diody Schottky’ego Dg (BAS16) oraz rezystora Rg (10 Ω). Izolację galwaniczną obwodu sterowania zapewniały szybkie transoptory HCPL2400 z wyjściem cyfrowym. Ponieważ diody prostownicze były umieszczone równolegle z kondensatorami wyjściowymi, ich napięcia blokowania muszą być większe od wymaganego napięcia wyjściowego. W wyjściowym prostowniku zastosowano diody Schottky’ego z węgliku krzemu (SiC), ponieważ ich prąd odzyskiwania zdolności zaworowych jest pomijalnie mały, a więc wyłączają się szybciej niż konwencjonalne diody krzemowe (Si) o podobnym zakresie prądu i napięcia. Dzięki zastosowaniu tranzystorów MOSFET IRFP4468 o niskiej rezystancji dren-źródło RDS(on), straty przewodzenia łączników quasi-równolegle połączonych pół-mostków były stosunkowo małe, nawet przy prądach rzędu dziesiątek amperów [6]. Rezystancja przewodzenia tranzystorów mocy typu MOSFET zwiększa się wykładniczo wraz ze wzrostem napięcia przebicia (15) [7]. .5 to 2.7 RDS( on ) ∝ V( 2BR (15) )DSS Każda możliwość redukcji napięcia pracy tranzystora pozwoli obniżyć straty przewodzenia, a tym samym zwiększyć sprawność przekształtnika.

3.2. Pomiary wielkości elektrycznych

Pomiary charakterystyk czasowych przekształtnika były realizowane za pomocą oscyloskopu Tektronix TDS3014 Do pomiaru sprawności, mocy wejściowych i wyjściowych zastosowano analizator mocy HIOKI 3390. Sondy napięciowe i prądowe w oby tych urządzeniach były stosownie kalibrowane przed każdą serią pomiarów. Na rys. 3 i 4 zaprezentowano przebiegi napięć i prądów przekształtnika mierzone przy 18 V napięcia wejściowego i rezystancji obciążenia równej 118 Ω przy wypełnieniu D = 59,7 %. Na obu oscylogramach na pierwszych dwóch kanałach występują sygnały sterujące obu par tranzystorów (S1, S4 oraz S2, S3) – ułatwi to analizę pracy układu.


Tab. 1. Elementy użyte do budowy przekształtnika Tab. 1. Converter components Element

Symbol

Typ

Specyfikacja

Tranzystor mocy

S1-S2

IRFP4468

2 mΩ/100 V

Dioda wyjściowa

D1-D2

SDP20S120

20 A/1200 V

Dławik wejściowy

L1

DEHF

12 uH/180 A

Transformator wyrównawczy

T1

TI-T63-4-4

n = 1

Transformator izolujący

T2

TI-T87-6-12

n = 2

Kondensator wyjściowy

C1-C2

PIL0636

2 × 30 uF/450 V

Rys. 3. Przebiegi czasowe napięć sterujących VGS1,3 – (1), (2); prądu wejściowego iin – (3); napięcia na tranzystorze VDS1 –(4) Fig. 3. Waveforms of driving voltages VGS1,3 – (1), (2); input current iin – (3); transistor voltage VDS1 – (4)

Fig. 4. Przebiegi czasowe napięć sterujących VGS1,3 – (1), (2); prąd diody wyjściowej iD1 – (3); napięcie strony pierwotnej transformatora VT3 – (4) Fig. 4. Waveforms of driving voltages VGS1,3 – (1), (2); diode D1 current iD1 – (3); primary side transformer voltage VT3 – (4)

Rys. 5. Charakterystyka sprawności ŋ w funkcji mocy wyjściowej przekształtnika Po dla różnych wartości rezystancji obciążenia Ro = 97,8 Ω; 108,8 Ω; 118 Ω Fig. 5. Efficiency ŋ versus output power of the converter for different load resistances Ro = 97,8 Ω; 108,8 Ω; 118 Ω

Na rys. 3 zaprezentowano przebieg prądu oraz napięcia na tranzystorze S1. Indukcyjność filtrów wejściowych L1, L2 zapewnia ciągły prąd w przekształtniku, którego fragment widoczny jest w przebiegu prądu tranzystora w czasie jego samodzielnego przewodzenia (czas t 3-t4, rys. 2). Na oscylogramie widoczne są również interwały czasowe, w których załączane są wszystkie tranzystory przekształtnika (t0–t1; t2–t3, rys. 2), prąd wejściowy ulega równemu podziałowi na 4 tranzystory. Widoczne na przebiegu napięcia oscylacje są związane z ładowaniem się pojemności tranzystora, który ma wejść w stan przewodzenia. Dopóki prąd w indukcyjności rozproszenia nie wzrośnie do wartości ½ prądu zasilającego, jego nadwyżka ładuje pojemności wyłączonych tranzystorów do znacznej niebezpiecznej wartości. Drgania obwodu są wytworzone przez obwód rezonansowy składający się z indukcyjności rozproszenia transformatora izolacyjnego i sumy pojemności wyłączonych tranzystorów. Jest to zjawisko niekorzystne z dwóch podwodów. Powoduje to zagrożenie dla tranzystora, którego maksymalne napięcie dren-źródło może zostać przekroczone. Dodatkowo, oscylacje zwiększają straty wyłączania tranzystora. Dzięki dobraniu łączników o bezpiecznym zakresie napięcia blokowania (100 V) oraz stosunkowo niedużej częstotliwości sterowania jak na ten typ układów (poniżej 20 kHz), tranzystor pozostaje w bezpiecznym dla niego zakresie pracy, a straty przełączania mimo komutacji „twardej” nie są znaczące. Na rys. 4 zaprezentowano przebieg prądu na diodzie ID1 oraz napięcia na transformatorze izolującym VT3. Omawiane powyżej przepięcie na tranzystorze widoczne jest również w napięciu strony pierwotnej transformatora. To niekorzystne zjawisko przyczyni się do zwiększenia strat w transformatorze. Prąd diody ma prawidłowy przebieg – jest pozbawiony pasożytniczych oscylacji. Widoczne (rys. 5, 6) charakterystyki sprawności oraz współczynnika wzmocnienia napięcia w funkcji mocy wejściowej i zmiennym napięciu wejściowym przekształtnika zostały wykreślone dla trzech wariantów rezystancji Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

109


Nauka     

Rys. 6. Charakterystyka współczynnika wzmocnienia napięcia B w funkcji mocy wyjściowej przekształtnika Po dla różnych wartości rezystancji obciążenia Ro = 97,8 Ω; 108,8 Ω; 118 Ω Fig. 6. Input voltage gain B versus output power Po of the converter for different load resistances Ro = 97,8 Ω; 108,8 Ω; 118 Ω

obciążenia przy stałym wypełnieniu równym D = 53,9 %. Największą sprawność wynoszącą ŋ = 92,97 % osiągnięto dla rezystancji 108,8 Ω i dla mocy wyjściowej równej 800 W. Na podstawie charakterystyk można stwierdzić, że przekształtnik zachowuje sprawność powyżej 92 % w zakresie mocy od około 300 W do 1700 W. Na rys. 6 przedstawiono charakterystykę zmian współczynnika wzmocnienia osiągającego maksymalnie 17 dla mocy wyjściowej 1840 W i sprawności 91,85 % przy rezystancji obciążenia równej 118 Ω. Dla wszystkich wartości rezystancji obciążenia przekształtnik pozwala na zwiększenie wejściowego napięcia DC co najmniej 16,6-krotnie. Wzmocnienie w szerokim zakresie mocy wyjściowej utrzymuje w przybliżeniu stałą wartość, co przy stałym wypełnieniu D jest pożądaną cechą badanego przekształtnika. Regulacji napięcia wyjściowego przy stałym napięciu wejściowym i zmiennym prądzie obciążenia należy dokonywać przez zmienię wypełnienia D w taki sposób, aby utrzymać stałe napięcie na wyjściu. Taki typ sterowania stosuje się m.in. w układach fotowoltaicznych, gdzie należy utrzymywać układ w punkcie pracy maksymalnej [8]. W celu sprawdzenia wydajności urządzenia oraz parametrów pracy przy różnych napięciach zasilających przeprowadzono serię pomiarów dla trzech różnych napięć wejściowych dla zmiennego współczynnika wypełnienia D. Charakterystyki widoczne na rys. 6 przedstawiają zmiany prądu wyjściowego Io w funkcji wypełnienia dla trzech wartości napięcia wejściowego. Zwiększając wypełnienie D od 53,9 % można zaobserwować wzrost prądu, który jest efektem dłuższego czasu załączenia wszystkich tranzystorów mostka. Im mniejsze napięcie wejściowe, tym mniejszy prąd a więc i sumaryczna moc dostarczana ze źródła. Zakres regulacji dla napięcia 24 V ogranicza prąd przekraczający wydajność prądową źródła zasilania występujący dla wypełnienia powyżej 64 %. Widoczne na rys. 7 charakterystyki sprawności ŋ w funkcji napięcia wyjściowego Vo dają obraz jakości przetwarzania mocy przekształtnika w warunkach pracy do których byłby predestynowany. Zwiększając wypełnienie D możemy

110

Rys. 7. Charakterystyka prądu wejściowego iin w funkcji wypełnienia D dla różnych wartości napięcia wejściowego Vin = 12 V; 18 V; 24 V przy stałej wartości rezystancji obciążenia 118 Ω Fig. 7. Input current iin versus duty cycle D for different input voltages Vin = 12 V; 18 V; 24 V for fixed load resistance Ro = 118 Ω

Rys. 8. Charakterystyka sprawności ŋ w funkcji napięcia wyjściowego Vo dla różnych wartości napięcia wejściowego Vin = 12 V; 18 V; 24 V przy stałej wartości rezystancji obciążenia 118Ω i zmiennego wypełnienia D Fig. 8. Efficiency ŋ versus output voltage Vo for different input voltages Vin = 12 V; 18 V; 24 V for fixed load resistance Ro = 118 Ω and variable D

uzyskać napięcie z zakresu 330 V niezbędnego do konwersji napięcia stałego na 1-fazowe napięcie zmienne nawet przy napięciu 12 V. Jednocześnie dla tego wariantu sprawności jest dalej bliska 90 % co jest bardzo dobrym rezultatem. Im większa wartość napięcia wejściowego 15,18 V tym mniejsze wartości wypełnienia są niezbędne do uzyskania pożądanego napięcia. Dla 18 V układ uzyska wartości napięć niezbędnych do współpracy przekształtnika DC/DC z falownikiem już dla niewielkich zmian współczynnika wypełnienia. Należy odnotować, że sprawności dla tego napięcia w całym zakresie regulacji nie spada poniżej 91,8%. Największą wartość wzmocnienia równą 24,75 zanotowano dla 15 V napięcia wejściowego, napięcie wyjściowe wyniosło 371,28 V. Sprawność dla tego punktu pracy wyniosła 90,7 %. Na rys. 9 zaprezentowano przykładowy punkt pracy przekształtnika przy napięciu 18 V i wypełnieniu D = 59,8 % oraz rezystancji obciążenia 118 Ω. Dostarczenie przez przekształtnik 1 kW energii na wyjście przy niskim napięciu wejściowym odbywa się dla sprawności


Rys. 9. Przykładowy punkt pracy przekształtnika UDC1, IDC1, P1 – wielkości wejściowe; UDC2, IDC2, P2 – wielkości wyjściowe; ŋ – sprawność Fig. 9. An example of the operating point of the converter UDC1, IDC1, P1 – input; UDC2, IDC2, P2 – output; ŋ – efficiency

92,36 % mimo znacznego prądu wejściowego wynoszącego 60,72 A. Wzmocnienie napięcia wyniosło 19,22. Uzyskane napięcie wyjściowe 346,57 V jest wystarczające do pracy 1-fazowego falownika DC/AC współpracującego z siecią.

4. Podsumowanie Zaprezentowany w artykule quasi-równoległy izolowany przekształtnik podwyższający DC/DC został poddany gruntownej analizie oraz badaniom. Założenia teoretyczne znalazły odzwierciedlenie w badaniach laboratoryjnych. Badany układ umożliwia co najmniej 16-krotne zwiększenie napięcia wejściowego. Natomiast wartości tego współczynnika przekraczające 20 nie powodują drastycznego spadku sprawności, która praktycznie dla wszystkich prób pomiarowych nie była mniejsza niż 90 %. Uzyskanie napięcia 330 V i więcej niezbędnego do przekazania energii niskonapięciowego źródła do sieci, było możliwe nawet dla 12 V napięcia wejściowego. Zastosowane nowoczesne elementy półprzewodnikowe oraz metoda dzielenia prądu wejściowego za pomocą transformatorów wyrównawczych pozwoliła uzyskać maksymalną sprawność układu 92,97 % i maksymalne odnotowane wzmocnienie napięcia 24,75.

5. Tomaszuk A., Krupa A., High Efficiency High Step-up DC-DC Converters – Review, Bulletin of The Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, vol. 59, no. 4/2011. 6. Dawidziuk J., Wysokosprawne przekształtniki podwyższające DC/DC mocy w systemach fotowoltaicznych, „Przegląd Elektrotechniczny” nr 4b/2012, 35–40. 7. Mohan N., Power Electronics – First Course on, ed. Minneapolis, USA: MNPERE, 2009, ISBN 978-09715292-8-1. 8. Subudhi B., Pradhan R., A Comparative Study on Maximum Power Point Tracking Techniques for Photovoltaic Power Systems, Sustainable Energy, IEEE Transactions on (vol. 4, issue 1) 89–98. Praca wykonana w ramach projektu W/WE/11/13.

Isolated step-up DC/DC converter with high input voltage gain Abstract: Obtaining a desired level of output voltage at low input voltages makes the transistors of DC/DC boost converter switch currents of considerable value, which is associated with an increase in energy losses. In order to achieve converter efficiency greater than 90 % in a broad range of input power processed at the “hard” switching of semiconductor switches significant input current should be divided into several smaller current loops. This will reduce the conduction losses of transistors which are the vast majority of energy loss in this type of systems. The use of balancing transformers will keep the equal input current distribution and isolation transformers ensure galvanic isolation and voltage gain dependent on their turns ratio. Keywords: DC/DC converter, high voltage gain, galvanic isolation, balancing transformer Artykuł recenzowany, nadesłany 21.11.2013 r., przyjęty do druku 02.12.2013 r.

Bibliografia 1. Blaabjerg F., Kjaer S.B., Pedersen J.K., A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules, Transactions on Industry Applications, IEEE 2005, 1292–1306. 2. Tomaszuk A., Krupa A., Step-up DC-DC converters for photovoltaic applications – theory and performance, “Przegląd Elektrotechniczny”, nr 9/2013. 3. Quan Li, Wolfs P., A review of the single phase photovoltaic module integrated converter topologies with three different dc link configurations, “IEEE Trans. Power Electron.”, vol. 23, no. 3/2008, 1320–1333. 4. Nymand M., Andersen M.A.E., A new very-high-efficiency R4 converter for high-power fuel cell applications, Proc. PEDS, Taipei, Taiwan, 2009, 997–1001.

mgr inż. Adam Krupa Urodzony w Białymstoku. Otrzymał tytuł magistra inżyniera w dziedzinie elektrotechniki na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej. Obecnie na studiach doktoranckich. Jego zainteresowania badawcze – modelowanie przekształtników DC/DC, projektowanie elementów magnetycznych, wysokoczęstotliwościowa konwersja energii. e-mail: a.krupa@we.pb.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

111


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Równoległy algorytm analizy sygnału na podstawie niewielkiej liczby próbek Piotr Kardasz Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka

Streszczenie: W artykule przedstawiono równoległy algorytm estymacji parametrów składowych sinusoidalnych złożonego sygnału. Proponowany algorytm umożliwia rozpoznanie składowych sygnału również w warunkach, gdy dysponujemy ograniczoną liczbą losowo pobranych próbek tego sygnału. Zbadany został czas pracy zaproponowanego algorytmu w funkcji liczby równocześnie uruchomionych wątków. Do testowania zostały zastosowane komputery o różnej liczbie rdzeni procesora, obsługiwanych wątków oraz zmiennoprzecinkowych jednostek wykonawczych. Wyniki eksperymentu pokazują, że proponowany algorytm może pracować efektywnie, nawet jeśli liczba wątków obliczeniowych przekracza liczbę jednostek wykonawczych procesora, na którym pracuje. W artykule zostały również zarysowane kierunki dalszych badań nad udoskonaleniem przedstawionego algorytmu. Słowa kluczowe: algorytm równoległy, identyfikacja sygnału DOI: 10.14313/PAR_204/112

1. Wprowadzenie Klasyczne algorytmy analizy i przetwarzania sygnałów jednowymiarowych przedstawionych w postaci dyskretnej, oparte są na wykorzystaniu jednej z popularnych transformat, takich jak transformata Fouriera, kosinusowa lub falkowa [1]. Metody te mogą być stosowane tylko wtedy, gdy jest dostępny pełny zestaw próbek analizowanego sygnału, pobranych z częstotliwością próbkowania równą lub wyższą niż wynikająca z twierdzenia Kotielnikowa-Shannona. Warunek ten nie zawsze może być spełniony. Na skutek uszkodzeń nośnika, na którym zapisany jest sygnał, zakłóceń zewnętrznych bądź przerw w torze transmisyjnym możemy dysponować tylko częścią próbek, niezbędnych do analizy badanego sygnału. Istnieją również przypadki, w których pobranie pełnej liczby próbek badanego sygnału jest ze względów technicznych niemożliwe, bądź też zbyt kosztowne [4]. Można wtedy zastosować intensywnie rozwijającą się w ostatnich latach metodę analizy i transmisji sygnału, określaną jako Compressed Sensing [2, 3]. Polega ona na przygotowaniu niewielkiej liczby próbek sygnału i rekonstrukcji tego sygnału na ich podstawie. Jedna z najprostszych metod

112

tego rodzaju polega na losowym odrzuceniu części próbek [2] i rekonstrukcji sygnału na podstawie pozostałych. Rekonstrukcja sygnału na podstawie tego rodzaju danych jest możliwa za pomocą różnego rodzaju algorytmów. Stosowane są w tym celu metody typu basis pursuit [3]. Możliwe są również inne podejścia, takie jak algorytmy ewolucyjne [5–7, 10] i inne metody poszukiwania składowych rekonstruowanego sygnału [11]. Wszystkie te algorytmy charakteryzują się jednak wysoką złożonością obliczeniową, a co za tym idzie, narzucają wysokie wymagania na moc obliczeniową sprzętu, na którym są wykonywane. Jeśli jest ona zbyt niska, obliczenia wykonują się zbyt wolno, w szczególności nie mogą być wykonywane w czasie rzeczywistym. Klasyczne procedury obliczeniowe są wykonywane szeregowo, instrukcja po instrukcji, w jednym wątku. Współczesny sprzęt komputerowy jest jednak wyposażony w wielordzeniowe mikroprocesory. Każdy z tych rdzeni jest ma kilka jednostek arytmetyczno-logicznych, mogących wykonywać operacje stałoprzecinkowe lub zmiennoprzecinkowe. Umożliwia to równoległą pracę wielu wątków obliczeniowych na tym samym procesorze. Algorytmy, które mogą wykorzystać możliwości pracy wielowątkowej, mogą dzięki temu pracować szybciej, w pełni wykorzystując możliwości CPU. Procesory graficzne (GPU) dysponują jeszcze większą (nawet ponad 2000) liczbą zmiennoprzecinkowych jednostek obliczeniowych, które mogą zostać użyte do obliczeń dzięki zastosowaniu bibliotek takich jak OpenCL, CUDA lub DirectCompute [8]. Wykorzystanie możliwości równoległego wykonywania obliczeń mogłoby pozwolić na znaczne przyspieszenie pracy algorytmów analizy sygnałów. Innym sposobem uzyskania wyników obliczeń w krótkim czasie jest zastosowanie programowalnych układów logicznych (FPGA) [9], które poza tym, że stwarzają możliwość zaimplementowania równoległych algorytmów obliczeniowych, pozwalają także na dostosowanie możliwości projektowanych jednostek obliczeniowych do konkretnych potrzeb danego algorytmu. W większości przypadków algorytmów równoległych nie jest możliwe równoległe wykonanie całej pracy. Część zadań takiego algorytmu, na przykład przygotowanie danych i zebranie końcowych wyników obliczeń, musi być wykonana w pojedynczym wątku. Nie jest również na ogół możliwe doskonale równomierne rozdzielenie obli-


czeń pomiędzy wątki, wskutek czego o czasie pracy całego algorytmu będzie decydował ten wątek, który najpóźniej zakończy obliczenia. W tej sytuacji zwiększanie liczby wątków nie skraca w sposób proporcjonalny czasu obliczeń. Zakładając, że mamy do dyspozycji nieograniczoną liczbę jednostek wykonawczych, wraz ze wzrostem liczby wątków czas ten będzie dążył asymptotycznie do pewnej niezerowej minimalnej wartości, wyznaczonej przez te elementy algorytmu, które muszą zostać wykonane w jednym wątku, oraz minimalny czas obliczeń dla pojedynczego wątku. Ponieważ rzeczywiste procesory dysponują skończoną liczbą jednostek wykonawczych, zwiększenie liczby wątków powyżej liczby tych jednostek nie pozwoli na dalsze przyspieszenie pracy algorytmu, przeciwnie – czas zużyty na przełączanie wątków spowoduje wzrost całkowitego czasu obliczeń.

2. Cel i zakres badań Jednowątkowe algorytmy [10, 11] rozpoznawania składowych sinusoidalnych sygnału na podstawie niewielkiej liczby jego próbek pracują długo ze względu na ich dużą złożoność obliczeniową. Celem badań było więc opracowanie i przetestowanie, na bazie istniejącego algorytmu jednowątkowego [11], równoległego algorytmu rozpoznawania składowych sinusoidalnych złożonego sygnału na podstawie jego losowo pobranych próbek i określenie, na podstawie wyników pomiarów, czy jest możliwe przeniesienie tego algorytmu do środowisk o dużej liczbie równolegle wykonywanych wątków, takich jak procesory GPU i układy FPGA. Algorytm tego rodzaju powinien pozwolić na uruchomienie go przy zadanej przez użytkownika liczbie wątków. Algorytm taki został opracowany i uruchomiony. Zbadany został czas wykonania opracowanego algorytmu na komputerach z procesorami o różnej liczbie i strukturze rdzeni w funkcji liczby przetwarzanych równolegle wątków. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów została określona możliwość przeniesienia badanego do środowisk o dużej liczbie jednostek wykonawczych, takich jak procesory GPU i układy FPGA oraz możliwości i kierunki dalszego rozwoju tego algorytmu.

3. Badany algorytm

Oznacza to, że iloczyn takich funkcji zawiera niezerową składową stałą wtedy i tylko wtedy, gdy częstotliwości obu przebiegów sinusoidalnych są sobie równe; w przeciwnym przypadku składowa ta jest zerowa. Jeśli więc scałkujemy taki sygnał, otrzymamy dla a ¹ b funkcję okresową:

∫ sin( at ) ⋅ sin(bt )dt

∫ sin( at ) ⋅ sin( at )dt

=

sin( 2at ) t − +C 2 2a

(4)

Jeśli więc sygnał badany ma postać sinusoidalną o amplitudzie A: f(t) = A sin(at) (5) zaś sygnał testujący ma tę samą częstotliwość, lecz jednostkową amplitudę, możemy na podstawie iloczynu tych sygnałów określić amplitudę sygnału badanego. Ponieważ: t2

∫ A sin(at ) ⋅ sin(at )dt = t1

A(t 2 − t 1 ) A sin( 2at 2 ) A sin( 2at 1 ) − + 2 2a 2a

(6) więc t2

A=

2∫ Asin(at ) ⋅ sin(at )dt t1

(t2 − t1 ) −

1 1 sin(2at 2 ) + sin(2at1 ) a a

(7)

Jeśli t2 – t1 >> 2/a, można określić w przybliżeniu t2

A≈

2 ∫ A sin( at ) ⋅ sin( at )dt t1

(t 2 − t 1 )

(8)

n2

A≈

2 ∑ A sin( anT ) ⋅ sin( anT ) n = n1

(n2 − n1 )

(9)

cos(a − b )t cos(a + b )t − 2 2

(1)

Jeśli badany sygnał jest funkcją sinusoidalną przesuniętą w fazie w stosunku do funkcji testującej, możemy rozłożyć go na składową sinusoidalną i kosinusoidalną

1 cos( 2at ) − 2 2

(2)

redukuje się do

(3)

a dla sygnałów dyskretnych:

Podstawą do opracowania proponowanego algorytmu [11] stało się spostrzeżenie, że iloczyn dwóch funkcji sinusoidalnych, który można przedstawić w postaci sin( at ) ⋅ sin(bt ) =

sin( a − b )t sin( a + b )t − +C 2(a − b ) 2(a + b )

ale dla a = b funkcja ta będzie niemalejąca:

3.1. Podstawy teoretyczne

=

sin( at ) ⋅ sin( at ) =

w przypadku, gdy a = b.

sin( at + ϕ ) = sin at cos ϕ + cos at sin ϕ

(10)

i oszacować amplitudy niezależnie dla obu składowych, po czym korzystając ze wzorów: Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

113


Nauka     

A=

Asin 2 + Acos 2

ϕ = arctg

(11)

Asin Acos

(12)

określić amplitudę i fazę badanego sygnału. Jeśli z jakiejś przyczyny mamy do dyspozycji tylko część próbek badanego sygnału, równanie (9) przyjmie postać:

A≈

2∑ Pn sin( anT ) N

N

(13)

gdzie N jest liczbą posiadanych próbek, a Pn jest wartością n-tej posiadanej próbki. Możemy więc nadal oszacować amplitudę badanego sygnału, choć z mniejszą dokładnością. Na podstawie powyższych spostrzeżeń został opracowany, uruchomiony i przetestowany jednowątkowy algorytm [11], umożliwiający identyfikację parametrów składowych sinusoidalnych złożonego sygnału. Algorytm ten był w stanie odnaleźć, z dokładnością rzędu kilku procent, siedem z ośmiu składowych sygnału na podstawie 128 próbek pobranych losowo spośród pełnego zestawu 2048 próbek. Wyniki te są porównywalne z wynikami działania algorytmu ewolucyjnego [10], przy znacznie większej szybkości obliczeń.

3.2. Idea i działanie algorytmu

Czas pracy algorytmu opisanego w [11], mimo że o rząd wielkości krótszy, niż w przypadku algorytmu ewolucyjnego [10], okazał się jednak zbyt długi, aby można go było zastosować w praktyce, np. w celu analizy sygnałów akustycznych. Analiza zestawu 2048 próbek, co dla częstotliwości próbkowania 44 100 Hz stanowi 46,44 ms sygnału, trwała kilkadziesiąt sekund, czyli około tysiąckrotnie dłużej niż czas trwania sygnału. W tej sytuacji powstała idea opracowania wielowątkowej wersji tego algorytmu. Tak, jak i jednowątkowa jego wersja [11], algorytm dokonuje mnożenia badanego sygnału przez sygnały testowe postaci oraz

Fsin = sin( 2πft )

(14)

Fcos = cos( 2πft )

(15)

i na podstawie wyników tych mnożeń, zgodnie ze wzorami (11), (12) i (13), oblicza amplitudę i fazę dla każdej z testowanych częstotliwości. Następnie poszukiwane są wartości maksymalne amplitudy w funkcji badanej częstotliwości. Odnalezione maksima traktowane są jako estymaty składowych badanego sygnału. Częstotliwość sygnałów testowych zmienia się z krokiem 1 Hz. Mnożenie przez każdy z sygnałów testowych może być dokonane niezależnie od pozostałych. Dzięki temu algorytm może być przygotowany w postaci wielowątkowej.

114

W szczególności, gdybyśmy dysponowali sprzętem mogącym obsługiwać tyle wątków, ile jest sygnałów testowych, wszystkie mnożenia mogłyby być wykonywane równolegle, co mogłoby skrócić obliczenia tyle razy, ile jest sygnałów testowych. W przypadku badanego algorytmu mamy do czynienia z 2048 sygnałów testowych, więc w idealnym przypadku można przyspieszyć obliczenia 2·103-krotnie – wystarczająco, aby algorytm pracował w czasie rzeczywistym, pod warunkiem, że dysponujemy odpowiednią liczbą jednostek obliczeniowych. Warunek ten spełniają nowoczesne karty graficzne oraz układy wykorzystujące logikę programowalną (FPGA). Opracowanie algorytmów dla tych środowisk jest jednak czasochłonne i wymaga zastosowania odpowiednich narzędzi (języki HDL, środowiska OpenCL lub CUDA [8, 9]). Celowym więc wydawało się – przed przystąpieniem do opracowania programu dla wymienionych środowisk – przetestowanie możliwości algorytmu równoległego w klasycznym środowisku PC. Współczesne procesory klasy x86 pozwalają na równoległą obsługę od 2 do 12 wątków. W rzeczywistych algorytmach równoległych czas obliczeń jest większy niż wynikałoby to z podzielenia czasu pracy algorytmu jednowątkowego przez liczbę wątków. Dzieje się tak dlatego, że część zadań realizowanych przez algorytm, np. przygotowanie danych i opracowanie wyników musi odbywać się w jednym wątku. Dodatkowo, jeśli wątków jest więcej niż jednostek obliczeniowych maszyny, na której wykonywany jest algorytm, potrzebny jest dodatkowy czas na przełączanie zadań. W przypadku badanego algorytmu, oprócz procesów przygotowujących dane, nie można wykonać równolegle części obliczeń, polegających na odnalezieniu maksimów wśród wyników mnożeń. Poza tym procedura odnajdująca te maksima musi czekać, aż zakończy się praca ostatniego z wątków wykonujących mnożenia. Algorytm został opracowany w środowisku uruchomieniowym Lazarus przy użyciu modułu MTProcs. Moduł ten pozwala na łatwą implementację algorytmów równoległych przez obsługę równoległego uruchomienia wielu instancji tej samej procedury. Liczba uruchamianych wątków zadawana jest przez użytkownika; każda z instancji procedury otrzymuje swój niepowtarzalny indeks, dzięki czemu może wykonać swoją część pracy niezależnie od innych instancji. W efekcie przetestowano czas pracy programu w funkcji liczby pracujących równolegle wątków. Czas pracy mierzony był za pomocą komponentu EpikTimer, korzystającego ze sprzętowych mechanizmów udostępnianych przez procesory klasy x86 – pozwalającego na pomiar czasu z mikrosekundową rozdzielczością. Oprócz czasu przeznaczonego na obliczenia, mierzony był także (w celach poglądowych i porównawczych) czas pracy całego programu oraz czas przeznaczony na wizualizację wyników.

4. Przebieg i wyniki badań Wstępny etap testów obejmował sprawdzenie, czy wyniki działania badanego algorytmu są równoważne z wynikami algorytmu jednowątkowego [11] oraz sprawdzenie, czy


Tab. 1. Parametry sygnału testowego Tab. 1. Parameters of the test signal Amplituda A

Częstotliwość f [Hz]

Faza φ[stopnie]

1

0,944

1992

92

2

0,471

1006

–101

3

0,350

1358

90

4

0,253

1759

162

5

0,129

1866

–128

6

0,129

1704

–13

7

0,073

503

104

8

0,068

411

126

Składowa

Tab. 2. Parametry komputerów użytych do testów Tab. 2. Parameters of the computers used for testing

Lp.

Procesor

Liczba rdzeni

Liczba wątków

Częstotliwość pracy [GHz]

Tab. 3. Czasy obliczeń w funkcji liczby wątków. Żółtym kolorem oznaczono minimalny czas obliczeń dla każdego z zestawów testowych Tab. 3. Computation time as a function of the number of threads. Yellow indicates the minimum calculation time for each of tested computers

Liczba wątków

zestaw danych testowych ma wpływ na czas pracy algorytmu. Badany algorytm okazał się, zgodnie z założeniami, równoważny algorytmowi jednowątkowemu, dając te same wyniki, a postać danych testowych nie miała wpływu na czas pracy algorytmu. W tej sytuacji do dalszych pomiarów parametry sygnału testowego zostały wylosowane przy użyciu generatora liczb pseudolosowych (tab. 1). Pomiary czasu pracy badanego algorytmu zostały wykonane na komputerach, których parametry zostały przedstawione w tab. 2.

Czas obliczeń [s] dla poszczególnych komputerów 1

2

3

4

5

6

1

18,34

20,06

19,99

15,34

21,17

21,47

2

9,75

10,76

10,05

7,75

10,63

11,08

3

6,77

6,91

6,78

6,11

7,22

12,29

4

5,46

5,22

5,27

4,71

5,52

11,04

5

5,86

7,82

8,10

5,90

4,70

12,72

6

4,88

7,19

7,36

5,34

4,03

11,59

7

4,70

5,97

6,29

5,36

4,28

11,51

8

4,62

5,42

5,40

4,77

4,25

11,18

9

5,35

6,51

7,20

5,40

3,76

11,51

10

5,15

5,93

6,69

5,11

3,73

11,28

11

4,92

5,91

6,21

5,22

3,80

11,59

12

4,74

5,81

5,62

4,78

3,58

11,40

13

4,70

6,39

7,31

5,09

4,15

11,40

14

4,56

5,93

6,48

5,01

4,06

11,14

15

4,52

5,87

6,06

4.89

3,69

11,44

16

4,59

5,81

5,61

4,80

3,78

11,38

20

4,73

5,80

5,67

4,82

3,35

11,22

1

AMD FX-8320

8 (4 moduły)

8

4,2

2

AMD FX-8320 (tryb 4 rdzeni)

4

4

4,2

3

Intel i5

4

4

3,3

4

Intel i3

2

4

3,8

24

4,40

5,80

5,67

4,83

3,21

11,34

5

Intel i7

6

12

3,3

28

4,53

5,82

5,72

4,81

3,34

11,42

6

AMD A64x2

2

2

2,4

32

4,39

5,84

5,63

4,82

3,33

11,47

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

115


Nauka     

Liczba wątków

Tab. 4. Względna prędkość obliczeń w funkcji liczby wątków Tab. 4. Relative computation speed as a function of the number of threads Względna prędkość obliczeń (1 wątek = 100 %) dla poszczególnych komputerów [%] 1

2

3

4

5

6

1

100,0

100,0

100,0

100,0

100,0

100,0

2

188,1

186,4

198,9

197,9

199,2

193,8

3

270,9

290,3

294,8

251,1

293,2

174,7

4

297,7

384,3

379,3

325,7

383,5

194,5

5

319,5

256,5

246,8

260,0

450,4

168,8

6

375,8

279,0

271,6

287,3

525,3

185,2

7

390,2

336,0

317,8

286,2

494,6

186,5

8

397,0

370,1

370,2

321,6

498,1

192,0

9

342,8

308,1

277,6

284,1

563,0

186,5

10

356,1

338,3

298,8

300,2

567,6

190,3

11

372,8

339,4

312,9

293,9

557,1

185,2

12

386,9

345,3

355,7

320,9

591,3

188,3

13

390,2

313,9

273,5

301,4

510,1

188,3

14

402,2

338,3

308,5

306,2

521,4

192,7

15

405,8

341,7

329,9

313,7

573,7

187,7

16

399,6

345,3

356,3

319,6

560,1

188,7

20

387,7

345,9

352,6

318,3

631,9

191,4

24

416,8

345,9

352,6

317,6

659,5

189,3

28

404,9

344,7

349,5

318,9

633,8

188,0

32

417,8

343,5

355,1

318,3

635,7

187,2

116

Zestaw testowy nr 1 i 2 to komputer wyposażony w procesor AMD FX-8320 taktowany częstotliwością 4,2 GHz. Procesor ten składa się z czterech modułów, z których każdy zawiera dwie jednostki wykonawcze, widziane przez system operacyjny jako niezależne rdzenie. Jeden rdzeń może obsługiwać jeden wątek. Każdy moduł zawiera jedną jednostkę zmiennoprzecinkową, współużytkowaną przez oba rdzenie. Procesor ten można przełączyć w tryb pracy, w którym każdy modułów pracuje jako pojedynczy rdzeń, co teoretycznie powinno przyspieszyć obliczenia wykonywane przy niewielkiej liczbie wątków. Zestaw nr 3 zawiera procesor Intel I5-2500K pracujący z częstotliwością 3,3 GHz. Ma on cztery rdzenie, z których każdy obsługuje jeden wątek. Zestaw nr 4 zawiera procesor Intel i3. Procesor ten ma dwa rdzenie, z których każdy może obsłużyć dwa wątki. Podczas testów komputer pracował z częstotliwością 3,8 GHz. Komputer nr 5 to najszybsza z jednostek zastosowanych do testowania badanego algorytmu. Jego procesor, Intel i7-970 ma sześć rdzeni, z których każdy obsługuje dwa wątki. Ostatni z komputerów testowych nr 6, to maszyna z procesorem AMD Athlon 64x2, z dwoma rdzeniami i obsługującym dwa wątki. Zmierzone zostały czasy obliczeń dla różnej liczby wątków: od 1 do 16 oraz dla 20, 24, 28 i 32 wątków. Wyniki zostały przedstawione w tab. 3 i 4 oraz na rys. 1 i 2. Minimalny czas obliczeń dla każdego z zestawów został oznaczony żółtym kolorem. Pomiary czasów pracy badanego algorytmu były dokonywane w środowisku MS Windows. Jego procedury systemowe, wykonując się w tle, zajmują czas procesora, a co za tym idzie, wydłużają czas obliczeń. Wpływ tego zjawiska na wyniki pomiarów był istotny, różnice między dwoma uruchomieniami tego samego programu na tym samym komputerze sięgały kilku procent. W celu zminimalizowania wynikających stąd błędów pomiaru, procedura była uruchamiana 5 razy dla każdego zestawu i każdej liczby wątków, a zmierzone czasy zostały uśrednione.

Rys. 1. Czasy obliczeń w funkcji liczby wątków Fig. 1. Computation time as a function of the number of threads


Rys. 2. Względna prędkość obliczeń w funkcji liczby wątków Fig. 2. Relative computation speed as a function of the number of threads

Na rys. 1 i 2 można zauważyć charakterystyczne „ząbki”. Wynikają one ze spadków prędkości obliczeń, których przyczyną jest nierównomierny rozdział pracy na poszczególne wątki. W przypadku wykonywania pięciu wątków na czterordzeniowym procesorze (najbardziej zauważalne spowolnienie) jeden z rdzeni musiał wykonać szeregowo dwa wątki, mając do wykonania dwukrotnie większą liczbę operacji.

5. Podsumowanie Opracowany wielowątkowy algorytm estymacji parametrów składowych sinusoidalnych złożonego sygnału odznacza się dobrą skalowalnością. Czas przeznaczony na wykonanie procedur, które nie mogą zostać zrównoleglone, jest niewielki, a czas związany z przełączaniem danych pomijalnie mały. W tej sytuacji wydaje się być celowym opracowanie wersji tego algorytmu przystosowanej do pracy w środowiskach o większej liczbie jednostek wykonawczych, takich jak procesory GPU, a także opracowanie jego sprzętowej implementacji w układzie FPGA. Rozwiązania te, dzięki przyspieszeniu obliczeń, pozwolą być może na zastosowanie tego rodzaju algorytmu do rozwiązywania problemów praktycznych, takich jak wykrywanie anomalii i redukcja zakłóceń zawartych w sygnałach akustycznych.

Podziękowania Publikację sfinansowano w ramach pracy własnej W/WE/8/2013.

Bibliografia 1. Zieliński T.P., Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005. 2. Romberg J., Wakin M., Compressed Sensing: A Tutorial, IEEE Statistical Signal Processing Workshop, Madison, Wisconsin 2007.

3. Donoho D.L., Compressed Sensing, IEEE Transactions On Information Theory, Vol. 52, No. 4, April 2006, 1289–1306. 4. Hong S., Direct Spectrum Sensing from Compressed Measurements, Military Communications Conference, 2010, 1187–1192. 5. Arabas J., Wykłady z algorytmów ewolucyjnych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2001. 6. Goldberg D.E., Algorytmy genetyczne i ich zastosowania, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003. 7. Rutkowska D., Piliński M., Rutkowski L., Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne i systemy rozmyte, PWN, Warszawa, Łódź 1999. 8. Munshi A., Gaster B., Mattson T.G., OpenCL Programming Guide, Addison Wesley Pub Co. Inc., 2011. 9. Majewski J., Zbysiński P., Układy FPGA w przykładach, Wydawnictwo BTC, Warszawa 2007. 10. Kardasz P., Rekonstrukcja zaszumionego sygnału sinusoidalnego na podstawie niewielkiej liczby próbek za pomocą algorytmu ewolucyjnego. Pomiary Automatyka Robotyka, R. 17, nr 2/2013, 407–412. 11. Kardasz P., Algorytm identyfikacji składowych sinusoidalnych złożonego sygnału na podstawie jego losowo pobranych próbek. Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, nr 76, 2013, 197–203.

Parallel signal processing algorithm based on a small number of samples Abstract: The paper presents a parallel algorithm for parameter estimation of sinusoidal components of a complex signal. The proposed algorithm can identify the signal components when the number of available samples of the signal is limited. The proposed algorithm was tested on test computers equipped with different number of processor cores and floating point units. The experimental results show that the proposed algorithm can work efficiently even if the number of threads exceeds the number of processor cores. Directions for further research are outlined. Keywords: parallel algorithm, signal identification

Artykuł recenzowany, nadesłany 18.11.2013 r., przyjęty do druku 20.12.2013 r.

mgr inż. Piotr Kardasz Doktorant Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej. Zajmuje się badaniami związanymi z inteligentnymi algorytmami kompresji, rekonstrukcji i przetwarzania sygnałów. e-mail: pik@we.pb.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

117


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Architektura układu sterującego robotem mobilnym w systemie SOMRS Grzegorz Terlikowski*, Waldemar Bartyna** *Instytut Informatyki, Uniwersytet Przyrodniczo-Humanistyczny, Siedlce **Instytut Podstaw Informatyki, Polska Akademia Nauk, Warszawa

Streszczenie: Zaproponowano nowe podejście (architekturę) do budowy układu sterowania pojedynczym robotem mobilnym. Bazuje ono na paradygmacie SOA, w którym robot widziany jest jako zbiór świadczonych przez siebie usług. W informatyce paradygmat SOA jest uznanym i często stosowanym podejściem do projektowania rozproszonych systemów. W robotyce takim systemem jest niewątpliwie system wielorobotowy. Próba przeniesienia paradygmatu SOA w obszar robotyki ma na celu wykazanie przydatności tego podejścia w robotyce mobilnej. Zaproponowana architektura układu sterującego robotem mobilnym składa się z czterech warstw programowych. Najniższa warstwa, tj. warstwa kontroli urządzeń i agregacji danych, odpowiedzialna jest za kontrolę urządzeń (sensorów, manipulatorów itp.), w które wyposażony jest robot oraz za agregację, przetwarzanie i fuzję pozyskanych z nich danych. Funkcje kolejnej warstwy nawigacji, zwykle implementowane są przez system nawigacyjny robota, który umożliwia m.in. sprawne wyznaczanie i pokonywanie tras. Kontrolery wykonania usług rezydują w warstwie logiki wykonania usług i są odpowiedzialne za realizację poszczególnych usług świadczonych przez robota. W najwyższej warstwie, tj. warstwie zarządzania usługami, znajduje się Menadżer Usług, odpowiedzialny za komunikację systemu robota z pozostałymi komponentami systemu SOMRS oraz za zarządzanie wykonaniem usług na robocie. Na podstawie opracowanej architektury powstał prototyp systemu robota, który został zainstalowany na dwóch robotach typu Pioneer P3-DX. Eksperymenty z udziałem tych robotów pozwoliły na weryfikację przydatności opracowanej architektury w praktycznych zastosowaniach. Słowa kluczowe: SOA, architektura, usługa, menadżer usług, znaczniki, układ sterujący, mapa obiektowa, SLAM DOI: 10.14313/PAR_204/118

roponowana architektura układu sterującego robotem mobilnym powstała jako rezultat cząstkowy projektu o nazwie Robo-enT [1]. Celem tego projektu było opracowanie odpowiednich technologii informacyjnych potrzebnych do zrealizowania idei inteligentnego środowiska (ang. ambient intelligence) rozumianego jako SOMRS (ServiceOriented Multirobot System).

1. Wprowadzenie W ostatnim czasie, w środowiskach akademickich, można zauważyć rosnące zainteresowanie systemami wieloroboto-

118

wymi, gdzie inteligencja (planowanie i kontrola wykonania złożonych zadań) jest często przeniesiona „w górę” poza system pojedynczego robota. Obecnie w informatyce paradygmatem do tworzenia rozproszonych systemów (którym niewątpliwie jest system wielorobotowy) jest architektura zorientowana na usługi SOA (ang. Service Oriented Architecture). Paradygmat ten główny nacisk kładzie na definiowanie interfejsów, które ukrywają szczegóły implementacyjne oprogramowania (tzw. usług), dzięki czemu w łatwy sposób można integrować ze sobą różne heterogeniczne środowiska. SOA wnosi do istniejących systemów wielorobotowych nowe spojrzenie – pojedynczy robot (lub inne urządzenie) postrzegany jest jako zbiór usług, które może udostępniać innym komponentom systemu wielorobotowego i w ten sposób współdziałać przy wykonywaniu złożonych zadań. Podejście usługowe w robotyce jest coraz bardziej popularne, a paradygmat SOA doczekał się kilku znaczących rozszerzeń takich jak: OASIS Devices Profile for Web Services (DPWS) [9] i Service Oriented Device Architecture (SODA) [6]. Podejścia te odnoszą się do systemów budowanych z podłączonych do Internetu urządzeń. Proponowane podejście do budowy układu sterującego pojedynczym robotem mobilnym jest oparte na paradygmacie SOA. Pojedynczy robot jest tutaj częścią systemu wielorobotowego (SOMRS), w ramach którego świadczy usługi (wykonuje zadania).

2. Podstawowe założenia Podczas prac nad architekturą układu sterującego robotem mobilnym działającym w ramach systemu SOMRS wzięto pod uwagę następujące założenia: 1. Robot powinien być postrzegany przez system SOMRS nie jako inteligentne urządzenie (którym w istocie jest), lecz jako zbiór usług wykonywanych na żądanie. System pojedynczego robota nie powinien realizować z własnej inicjatywy złożonych zadań, lecz wykonywać swoje usługi tylko wtedy, gdy jest takie zapotrzebowanie w SOMRS. Dzięki takiemu podejściu, z punktu widzenia całego systemu SOMRS nie jest ważne, jakie urządzenie wykona daną usługę. W przypadku niektórych usług może to być zarówno robot mobilny, stacjo-


narny manipulator, czy też zespół czujników (np. dalmierzy laserowych). 2. System robota powinien zapewniać łatwe rozszerzanie go o możliwość świadczenia kolejnych usług. Każdy moduł sterujący wykonaniem danej usługi przez system robota powinien implementować zestaw wymaganych interfejsów programowych. Dzięki takiemu podejściu, do systemu robota można w stosunkowo łatwy sposób dodać kolejne typy usług, jak również je od niego odłączyć (np. by wykonać testy związane z zastąpieniem aktualnej usługi jej nowszą wersją). 3. Robot jako inteligentne, kognitywne i autonomiczne urządzenie powinien samodzielnie ocenić wykonywalność zadania oraz jego czasochłonność. Wykonanie zadania należy tutaj rozumieć jako realizację usługi w oparciu o parametry zawarte w treści zadania. Kontrola/monitorowanie wykonania zadania również leży w gestii systemu robota. System ten powinien planować wykonanie zleconego mu zadania oraz reagować na nieoczekiwane sytuacje związane z tym wykonaniem. Ponadto, powinien samodzielnie pozyskiwać informacje, które są mu potrzebne do realizacji zadań. Informacje te, mogą być uzyskiwane zarówno z sensorów (wyposażenie robota), jak również mogą być pobrane ze specjalnego komponentu systemu SOMRS, pełniącego funkcję repozytorium map obiektowych. 4. Projektant systemu robota może wykorzystać dowolne istniejące podejścia przy rozwiązywaniu dobrze znanych problemów takich jak przetwarzanie i fuzja danych z sensorów, planowanie tras, czy reaktywne omijanie przeszkód. W tym obszarze projektant systemu robota może wykorzystać dowolne istniejące rozwiązanie lub pokusić się o implementację własnych algorytmów. Z uwagi na taką ogólność proponowanej architektury, w pewnym sensie można ją postrzegać jako dopełnienie lub rozwinięcie istniejących architektur, a nie jako ich alternatywę.

Rys. 1. Architektura układu sterującego robotem w SOMRS Fig. 1. A robot control system architecture in SOMRS

Oprócz powyższych założeń, system robota (jako komponent systemu Robo-enT) musi wykorzystywać hierarchiczną obiektową reprezentację środowiska(wspólną dla wszystkich komponentów systemu) [7] oraz obsługiwać specjalne protokoły komunikacyjne [5].

3. Architektura układu sterującego robotem mobilnym Przedstawiona na rys. 1 architektura reprezentuje podejście do budowy układu sterującego robotem mobilnym od strony technologii informacyjnych, dlatego też podzielona została na warstwy programowe, ze względu na zaimplementowane w nich funkcjonalności. Podział ten, różni się od tradycyjnych podejść, gdzie warstwy są rozpatrywane w kontekście deliberatywności i reaktywności systemu robota. Patrząc w tradycyjny sposób, na proponowaną architekturę, granica deliberatywno-reaktywna wypada gdzieś po środku warstwy nawigacji. Ponadto, cechy deliberatywno-reaktywne mogą wykazywać niektóre moduły zlokalizowane w najniższej warstwie. Przedstawione na rys. 1 zbiory tzw. kontrolerów wykonania usług oraz modułów z warstwy kontroli urządzeń i agregacji danych, odnoszą się do prototypowego systemu. Zbiory te są ograniczone możliwościami konkretnego robota (wliczając w to jego niestandardowe wyposażenie), dla którego powstał prototyp (tutaj Pioneer P3-DX). Dla innego rodzaju robotów mogłyby być zupełnie inne. Powyżej grubej brązowej linii (rys. 1) znajdują się rozwiązania przeznaczone dla robotów mobilnych będących częścią systemu SOMRS. Rozwiązania te zostały zastosowane w prototypowym układzie sterującym robotem mobilnym i wydają się stanowić dobrą podstawę do budowy układów sterujących dla wszystkich robotów świadczących usługi w systemie SOMRS. Interesującym rozszerzeniem systemu robota jest implementacja kontrolera wykonania specjalnej usługi brokerskiej, który potrafiłby, oprócz sterowania lokalnym rob otem, koordynować też działania innego robota (nieustannie się z nim komunikując), realizując w ten sposób ścisłą współpracę obu urządzeń. Usługa brokerska byłaby widziana przez system SOMRS jako zwykła usługa. Dopuszczalne jest również wyposażenie systemu robota w umiejętność definiowania (w pewnych sytuacjach) zadań do realizacji przez system SOMRS. Dzięki temu robot mógłby np. zlecić systemowi SOMRS otworzenie drzwi (widzianych jako pewna usługa) w momencie, kiedy chciałby przez nie przejechać. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

119


Nauka     

4. Warstwa kontroli urządzeń i agregacji danych Warstwa ta zawiera moduły odpowiedzialne za kontrolowanie pracy sensorów, manipulatorów robota oraz za przetwarzanie i fuzję danych przez nie dostarczonych. Wraz z warstwą nawigacji jest ona najbardziej podatna na wykorzystanie w niej znanych rozwiązań(pkt 4 założeń).

4.1. Przetwarzanie obrazu i rozpoznawanie obiektów

Przykładowym komponentem tej warstwy jest moduł obsługujący kamerę. Jego zadaniem jest m.in. przetwarzanie obrazu w celu rozpoznania na nim obiektów. W prototypowym systemie obiekty są rozpoznawane pośrednio przez wykrycie i rozpoznanie przyklejonych do nich znaczników. Znaczniki znacznie upraszczają proces rozpoznawania obiektów, co pozwala skupić się na innych aspektach systemu. W testowym środowisku znaczniki mają postać prostokątnych naklejek. Każdy znacznik koduje identyfikator obiektu w formie graficznych bitów (rys. 2).

Rys. 2. Schemat znacznika Fig. 2. A schema of a marker

Pełny graficzny identyfikator składa się z dwóch sekcji: –– identyfikatora obiektu, który jednoznacznie identyfikuje dany obiekt w mapie obiektowej. Ustawiony ósmy graficzny bit oznacza, że obiekt jest obiektem statycznym, czyli takim, którego położenie nie zmienia się w czasie lub ta zmiana jest mało prawdopodobna. Przykładami takich obiektów są ściana i szafa. –– identyfikatora znacznika, który jest jego numerem na obiekcie. Każdy obiekt może mieć kilka (w prototypowym systemie do ośmiu) znaczników, które różnią się swoim położeniem na obiekcie (opisanym w mapie obiektowej). Dzięki odczytanemu identyfikatorowi prototypowy system robota może odwołać się do komponentu systemu SOMRS o nazwie Repozytorium, w celu pozyskania bardziej szczegółowych informacji na temat obiektu. Rozpoznanie znacznika jest równoznaczne z rozpoznaniem obiektu, do którego jest przyklejony. Oprócz identyfikatora, z przetworzonego obrazu są pozyskiwane informacje, które są wykorzystywane w procesie lokalizowania się robota (podrozdział 5.1). Do takich informacji należą: –– odległość obiektywu kamery od środka znacznika – obliczana na podstawie długości krawędzi pionowych znacz-

120

nika uzyskanych z przetworzonego obrazu oraz znajomości ich rzeczywistych wymiarów, –– odchylenie osi kamery od pozycji prostopadłej do płaszczyzny znacznika – obliczane na podstawie proporcji długości obu krawędzi bocznych znacznika wykrytego podczas przetwarzania obrazu, –– przesunięcie środka znacznika w stosunku do punktu przecięcia osi kamery z prosta prostopadłą do niej, przechodzącą przez środek tego znacznika – obliczane na podstawie umiejscowienia znacznika na zdjęciu oraz długości krawędzi poziomych znacznika. Należy pamiętać, że przedstawiony sposób rozpoznawania obiektów jest przykładowy i może zostać zupełnie inaczej zrealizowany w innej implementacji systemu.

4.2. Ekstrakcja cech środowiska z odczytów lasera

Innym komponentem warstwy kontroli urządzeń i agregacji danych w prototypowym systemie jest moduł odczytujący i przetwarzający dane z dalmierza laserowego. Dane pozyskane z tego urządzenia są przetwarzane, w celu wyszukania cech szczególnych otoczenia. Cechami szczególnymi są wykryte linie proste o pewnej długości i ich połączenia (pod kątem zbliżonym do prostego). Linie reprezentują krawędzie ścian i szaf, natomiast połączenia linii – ich kąty i rogi. Do wykrywania linii został wykorzystany znany ze statystyki algorytm regresji liniowej [11] (ang. Linear Regression). Cechy szczególne otoczenia są wykorzystywane przez system nawigacyjny robota w procesach lokalizowania się i budowy map otoczenia.

5. Warstwa nawigacji Główną funkcją modułów zlokalizowanych w tej warstwie jest sterowanie urządzeniami, w które wyposażony jest robot, z uwzględnieniem ograniczeń środowiska rzeczywistego. Takie sterowanie zwykle wymaga współpracy kilku urządzeń (głównie manipulatorów i sensorów). W przypadku robota mobilnego modułem, który nieodzownie wpisany jest w funkcjonalność tej warstwy jest system nawigacyjny. System ten, w celu sprawnego sterowania ruchem platformy robota wykorzystuje dane pozyskane z sensorów robota. Dzięki temu robot podczas przemieszczenia może sprawnie omijać napotkane przeszkody. Głównymi zadaniami realizowanymi przez każdy system nawigacyjny robota mobilnego są: –– lokalizowanie się – ustalenie bieżącej pozycji robota w wybranym układzie odniesienia, –– reprezentacja środowiska – polega na tworzeniu obrazu (mapy) otoczenia, ewentualnie na nanoszeniu zaobserwowanych zmian na posiadaną mapę, –– planowanie tras – wyznaczenie przejazdu od bieżącej pozycji robota do docelowej, –– realizacja trasy – podążanie robota po zaplanowanej trasie. W kontekście reaktywności i deliberatywności, system nawigacyjny w proponowanej architekturze można postrzegać jako klasyczny dwu- lub trójwarstwowy system robota mobilnego, który w warstwie deliberatyw-


nej realizuje m.in. takie wysokopoziomowe cele, jak planowanie tras, lokalizacja na podstawie obiektów, eksploracja środowiska w poszukiwaniu obiektów i pozycjonowanie się względem obiektów. Ponadto, w proponowanej architekturze system nawigacyjny robota można postrzegać jako zasób wykorzystywany do realizacji zadań w warstwie logiki wykonania usług. W porównaniu do istniejących rozwiązań, opisywany system nawigacyjny wnosi nowe elementy w postaci sposobu planowania tras na podstawie mapy obiektowej oraz lokalizowania się na podstawie rozpoznanych obiektów. Innym przykładowym modułem (niezaimplementowanym w prototypie systemu) zlokalizowanym w tej warstwie może być system sterujący ruchem ramienia (lub ramion) robota podczas chwytania przez nie jakiegoś przedmiotu. Wykonanie tej operacji również wymaga pewnej wiedzy o stanie środowiska, która powinna być uwzględniona przy operacji chwytania. Między ramieniem a chwytanym przedmiotem może zostać wykryta przeszkoda, którą ramię (często o wielu stopniach swobody) powinno ominąć. Chwytanie przedmiotu przy użyciu dwóch ramion o wielu stopniach swobody wymaga zaawansowanego (wyrafinowanego) systemu sterowania, który zapewnia ich synchronizację w czasie i koordynację w przestrzeni. Moduł sterujący ruchem ramienia/ramion można postrzegać jako system nawigacyjny tego ramienia/ramion.

drugi etap) tylko względem takich obiektów jest wiarygodne. W procesie pozycjonowania wykorzystywane są dane uzyskane w czasie przetwarzania obrazu, na którym wykryto znacznik (podrozdział 4.1). Celem pozycjonowania jest prostopadłe ustawienie kamery robota względem znacznika przy jednoczesnym zachowaniu minimalnej odległości od niego. Jest to niezbędne, aby otrzymać jak najdokładniejsze dane dotyczące pozycji robota względem wykrytego znacznika. Ze względu na trudności, związane z dokładnym określeniem pozycji robota względem znacznika, wynikające z odbić światła, niezbędne okazało się potwierdzenie pozycji znacznika na sekwencji dwóch kolejnych zdjęć. Zdjęcia te są wykonane w trakcie zbliżania się platformy robota do znacznika. Po zakończeniu etapu pozycjonowania system robota, na podstawie wiedzy o swojej pozycji względem znacznika oraz pozycji znacznika w mapie obiektowej (dane są dostępne w Repozytorium), oblicza zależność (przekształcenie) między własnym globalnym układem współrzędnych a układem współrzędnych pomieszczenia (elementu mapy obiektowej), w którym się znajduje i w którym został wykryty znacznik. Przekształcenie to jest wykorzystywane (podczas świadczenia usług przez robota) do odwzorowań położeń obiektów znanych z mapy obiektowej na położenia w układzie współrzędnych robota i odwrotnie.

5.1. Lokalizowanie się robota

5.2. Planowanie tras

Aby robot mógł sprawnie świadczyć usługi w swoim środowisku, musi być zlokalizowany. Innymi słowy musi być świadom swojego położenia względem jakiegoś umownego (znanego przez niego) układu odniesienia. Proces lokalizowania się robota jest zadaniem automatycznie realizowanym przez jego system, zaraz po uruchomieniu. W prototypowym systemie proces lokalizowania się przebiega na dwóch poziomach. Na niższym poziomie system nawigacyjny wykorzystuje dobrze znany z literatury SLAM (ang. Simultaneous Localization And Mapping) [4], aby korygować błędy układu odometrycznego, natomiast na wyższym poziomie wykorzystywane są położenia znaczników obiektów w mapie obiektowej. W procesie lokalizowania się opartym na SLAM, wykorzystywane są cechy środowiska (kąty ścian, rogi szaf itd.) wykryte i udostępnione przez moduł najniższej warstwy. Proces wizyjnej lokalizacji z wykorzystaniem map obiektowych składa się z następujących etapów: 1.  poszukiwanie obiektu statycznego (dokładnie jego znacznika) w środowisku, 2.  pozycjonowanie się względem znalezionego obiektu (jego znacznika), 3.  określenie przekształcenia między globalnym układem współrzędnych robota i układem współrzędnych lokalizacji (pomieszczenia), w której znaleziono obiekt. Etap poszukiwania obiektu statycznego, polega na sfotografowaniu tych obszarów środowiska, w obrębie których została wykryta (podczas przetwarzania danych z dalmierza laserowego) linia prosta. Wykrycie w skanie laserowym linii, potencjalnie oznacza wykrycie sygnatury ściany lub szafy, a więc obiektu statycznego. Pozycjonowanie (czyli

Planowanie tras również odbywa się na dwóch poziomach, przy użyciu dwóch reprezentacji środowiska. –– Na niższym poziomie system nawigacyjny wykorzystuje budowaną, przez wewnętrzny moduł kartograficzny, siatkę zajętości (ang. occupancy grid). Na jej podstawie wyznaczana jest lokalna trasa, np. od drzwi do drzwi tego samego pomieszczenia. Metodą służącą do wyznaczania trasy jest transformata dystansów [5] (ang. distance transform). –– Na wyższym poziomie wykorzystywana jest mapa obiektowa, umożliwiająca wyznaczenie globalnej trasy między różnymi pomieszczeniami. Do tego celu wykorzystywany jest hierarchiczny charakter map obiektowych oraz tzw. obiekty łączące (drzwi, przejścia). Obiekty łączące należą jednocześnie do kilku (zwykle dwóch) obiektów złożonych (pokoje, korytarze itp.). Elementami takiej trasy są kolejne obiekty łączące, przez które robot musi przejechać, aby się przemieścić między pomieszczeniem początkowym a docelowym. Obydwie metody wyznaczania trasy nawzajem się uzupełniają. W celu bezpiecznego podążania po wyznaczonej trasie system nawigacyjny robota wykorzystuje reaktywne zachowania w działaniu zbliżone do metodologii pól potencjałowych [3, 10] (ang. potential fields).

6. Warstwa logiki wykonania usług Warstwa ta zawiera moduły odpowiedzialne za realizację usług świadczonych przez robota i jest kluczowa dla prezentowanej architektury. Moduły te są implementowane w postaci tzw. kontrolerów wykonania usług, które Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

121


Nauka     

zawierają przepisy (ogólne plany) wykonania poszczególnych usług przez robota. Pojedynczy kontroler jest odpowiedzialny za wykonanie pojedynczego typu usługi. Do realizacji usługi wykorzystywane są funkcjonalności dostarczone przez moduły warstw niższych, tj. warstwy nawigacji i warstwy kontroli urządzeń i agregacji danych. Prototypowy system robota został zaimplementowany dla robota typu Pioneer P3-DX. Ograniczenia sprzętowe tych robotów pozwoliły na zaimplementowanie na nim jednej usługi fizycznej – move (przemieszczenie) oraz dwóch usług kognitywnych – search (wyszukiwanie) oraz update map (aktualizacja mapy). Poniższy opis będzie się koncentrował na sposobie realizacji tych właśnie usług.

6.1. Ogólny schemat wykonania usługi

W trakcie realizacji zleconego zadania (czyli realizacji usługi) kontroler wykonania usługi zajmuje się przeprowadzeniem systemu robota przez skończony zbiór jego stanów. Zmiana stanu następuje przez uruchomienie przez kontroler kolejnej funkcji realizującej pożądaną czynność (lub czynności) na danym etapie wykonania zadania. Działanie kontrolerów, podczas wykonywania zadania, można przedstawić w postaci automatów skończonych. Przedstawiony na rys. 3 automat jest ogólny dla wszystkich usług i składa się czterech stanów. W stanie Bezczynność kontroler wykonania usługi oczekuje na zadanie od Menadżera Usług (MU). Otrzymanie zadania, powoduje przejście do kolejnego stanu kontrolera, którym jest Przygotowanie. Na tym etapie kontroler przygotowuje się do rozpoczęcia właściwej (fizycznej) realizacji usługi. Przygotowanie zwykle obejmuje aktualizację odpowiedniego fragmentu lokalnej (utrzymywanej przez system robota) mapy obiektowej oraz tworzenie globalnych planów (np. przeszukiwania tras) na podstawie tej mapy. Aktualizacja mapy jest konieczna, aby system robota wykonywał usługę w oparciu o aktualną wiedzę o środowisku. W zależności od potrzeb i sytuacji kontroler może ponownie znaleźć się w tym stanie, np. aktualizując kolejny fragment mapy obiektowej, który jest mu potrzebny do dalszej (patrz H* – głęboka historia na rys. 3) realizacji usługi.

Rys. 3. Schemat przedstawiający ogólne wykonanie usług Fig. 3. A service realization schema

122

Przebieg Właściwej realizacji usług świadczonych przez robota jest indywidualny dla każdej z nich z osobna, dlatego na rys. 3 stan ten został przedstawiony jako stan złożony. Znaczy to, że jest on rozwijany przez konkretne kontrolery usług (tj. search, updateMap i move). Na etapie Realizacji, wykorzystywane są funkcje warstw niższych, które realizują poszczególne czynności robota i tym samym przyczyniają się do zmiany stanu jego systemu. Rezultat wykonania danej czynności, przez funkcje, która zakończyła swoje działanie (i powiadomiła o tym kontroler), jest analizowany przez kontroler w celu podjęcia decyzji, co do kolejnego stanu robota (tj. jaką funkcję wywołać). W przypadku, gdy wyniki realizacji czynności przez funkcje nie są zgodne z oczekiwaniami, kontroler usługi może posiadać alternatywne sposoby (plany) do osiągnięcia kolejnego pożądanego stanu. Może zostać wywołana funkcja, która poprzednio zawiodła (np. przy wyszukiwaniu obiektu), lecz tym razem z innymi wartościami jej argumentów. Gdy wszystkie sposoby na osiągnięcie kolejnego etapu wykonania zadania (pożądanego stanu) zawiodą, kontroler zaprzestaje realizować usługę. Wykonanie usługi może zostać również anulowane przez MU, który otrzymał takie zadanie od Agenta, lub też może upłynąć czas przeznaczony na jej realizacje. Agent jest specjalnym komponentem systemu SOMRS, zajmującym się wyszukiwaniem usług oraz zlecaniem im zadań do realizacji. Po zakończeniu fizycznej realizacji usługi, kontroler przechodzi w stan Kończenie, gdzie są wykonywane operacje kończące. Operacjami tymi są: (1) powiadomienie MU o rezultacie wykonania zadania (tylko jeśli nie było przez niego anulowane) (2) jeżeli w trakcie realizacji zadania zaobserwowano lub spowodowano zmiany w środowisku, kontroler powiadamia (za pośrednictwem MU) o tym Repozytorium. Po tych operacjach robot jako zasób jest zwalniany a MU może przekazać kolejne zadanie do realizacji do odpowiedniego kontrolera.

6.2. Wykonanie usługi search

Robot, realizując tę usługę, przeszukuje wskazany w zadaniu obszar lub zbiór obszarów w celu odnalezienia obiektu na podstawie jego nazwy, wartości atrybutów lub na podstawie relacji, w jakiej może on być z innym obiektem (lub obiektami). Realizacja zadania (rys. 4) kończy się w chwili odnalezienia wyszukiwanego przedmiotu lub przeszukania zadanego obszaru. Po zakończeniu wykonania usługi search, system robota wysyła do Agenta (zlecającego zadanie) wiadomość zawierającą rezultat wyszukiwania. Ze względu na zakres przeszukiwań można podzielić zadania realizowane przez tę usługę na dwie kategorie: przeszukiwa-


Rys. 4. Schemat przedstawiający wykonanie usługi search Fig. 4. Search service realization schema

mapy obiektowej znajduje się poszukiwany obiekt. Pojedyncze pomieszczenie jest przeszukiwane w oparciu o mapę w postaci siatki zajętości. System robota wykonuje zdjęcia wszystkim przeszkodom znajdującym się na tej mapie w celu odnalezienia zadanego obiektu. Po bezowocnym przeszukaniu pomieszczenia, robot nawiguje do kolejnego pomieszczenia, będącego następnym elementem wcześniej utworzonej listy.

6.3. Wykonanie usługi update Map nie obszaru wokół obiektu oraz przeszukiwanie całych lokalizacji (pomieszczeń). Realizacja usługi updateMap (rys. 5.) polega na aktualiPrzeszukiwanie obszaru wokół obiektu jest najmniej zacji wartości dynamicznych atrybutów obiektów (takich eksploracyjnym typem przeszukiwania. Zadania tego typu jak ich położenie, relacje) znajdujących się we wskazanej dotyczą przeważnie sprawdzenia tego, czy zadany obiekt w zadaniu lokalizacji lub zbiorze lokalizacji. znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie jakiegoś innego Usługę tę można postrzegać w pewnym sensie jako rozobiektu, np. czy pudło znajduje się przy szafie. W takim szerzenie usługi search. Również i w tym przypadku choprzykładowym zadaniu z mapy obiektowej odczytywane dzi o przeszukanie pewnego obszaru lub zbioru obszarów. jest położenie wspomnianej szafy, a następnie rozpoczyna Różnica w działaniu obu typów usług jest jednak zasadnisię proces nawigowania w kierunku tego położenia. Po cza. Usługa search kończy swoje działanie, gdy opisany osiągnięciu odpowiedniej odległości od szafy, system robota w zadaniu obiekt zostanie odnaleziony, niezależnie od tego, może (np. na podstawie kształtu szafy) zaplanować wyszuczy cały teren został dokładnie przeszukany. Natomiast kiwanie zadanego obiektu. W ten sposób może zostać usługa updateMap kończy swoje działanie dopiero wtedy, wyznaczonych kilka podobszarów do przeszukania (np. gdy zostanie przeszukany cały zadany obszar/zbiór obszajeden na każdą z widocznych ścian szafy). Po odnalezieniu rów. W trakcie wykonywania usługi updateMap są wyszuzadanego obiektu, robot względem niego się pozycjonuje, kiwane wszystkie obiekty a następnie są sprawdzane relacje, wykorzystując te same funkcje, co w procesie lokalizowaw których występują te obiekty z innymi obiektami. W pronia się (podrozdział 5.1). Pozycjonowanie jest uzasadnione totypowym systemie zostały zdefiniowane następujące krytym, że duża odległość i ostry kąt osi kamery w stosunku teria określania relacji obiektów przez system robota: do znacznika, mogą powodować znaczące błędy w określe–– isAdiacentTo – dwa obiekty są w relacji isAdiacentTo niu prawidłowego położenia znacznika (a zatem i obiektu) (przyleganie), jeśli odległość między tymi obiektami jest w globalnym układzie współrzędnych robota, i co za tym mniejsza od umownej wartości oraz obiekt będący pierwidzie, nieprawidłowe określenie relacji, w jakich znajduje się szym parametrem relacji jest dynamiczny, wyszukany obiekt z innymi obiektami. Prawidłowe określe–– isGluedWith – dwa obiekty są w relacji isGluedWith nie relacji jest kluczowe dla wykonania usługi search. (sklejenie), jeśli odległość między tymi obiektami jest Przeszukiwanie całych lokalizacji jest bardzo czamniejsza od umownej wartości oraz obydwa parametry sochłonnym przedsięwzięciem. Może się wiązać z przeszutej relacji są statyczne, kaniem zarówno pojedynczego, jak również zbioru pomieszczeń (np. należących do całego piętra). Robot wykonując tego typu zadanie tworzy plan składający się z listy pomieszczeń do przeszukania. Problem tworzenia takiej listy sprowadza się do klasycznego zagadnienia komiwojażera [2], które doczekało się wielu sposobów rozwiązania. Dobrym pomysłem wydaje się to, aby pierwszym elementem tej listy było pomieszRys. 5. Schemat przedstawiający wykonanie usługi update-Map czenie, wewnątrz którego wg Fig. 5. UpdateMap service realization schema Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

123


Nauka     

–– isOn – dwa obiekty są w relacji isOn (ułożenie), jeśli jeden leży na drugim, np. pudło leży na podłodze lub komputer na biurku, –– isIn – robot stwierdza wystąpienie tej relacji między dwoma obiektami, jeśli sam jest w tej relacji z obiektem będącym jej drugim argumentem. Inaczej, robot jest w relacji isIn (należenie) z lokalizacją, w której aktualnie się znajduje. Po wyszukaniu obiektu w tej lokalizacji robot wnioskuje, że taka relacja zachodzi też między wyszukanym obiektem i daną lokalizacją. Rys. 6. Schemat przedstawiający wykonanie usługi move Zbiór postrzeganych relacji jest Fig. 6. Move service realization schema ograniczony możliwościami związanymi z rozpoznawaniem obiektów i ich atrybutów oraz z możliwościami sprzętowymi 7. Warstwa zarządzania usługami robotów wykorzystanych w eksperymentach. Wyniki realizacji usługi updateMap ostatecznie trafiają Warstwa ta odpowiedzialna jest za zarządzanie usługami do komponentu Repozytorium. świadczonymi przez system robota. Ponadto zapewnia ona komunikację systemu robota z pozostałymi komponentami systemu SOMRS. To tutaj są odbierane wszystkie wiado6.4. Wykonanie usługi move mości wysyłane przez komponenty SOMRS do systemu Najciekawszą usługą zaimplementowaną w prototypowym robota. Komponentem implementującym funkcjonalność systemie jest usługa transportowa move. Sposób jej wykotej warstwy jest Menadżer Usług (MU). Reaguje on na nania został przedstawiony na rys. 6. zapytania systemu SOMRS związane z fazą aranżacji Pierwszym etapem fazy wykonania usługi move jest oraz fazą wykonania poszczególnych zadań. Zarządzanie nawigowanie do bieżącego położenia obiektu, którego usługami w przypadku robotów mobilnych, działających dotyczy zadanie. Położenie to jest znane z mapy obiekw dynamicznych środowiskach rzeczywistych, jest wyzwatowej. Po znalezieniu się robota w sąsiedztwie obiektu niem niebanalnym. W prototypowym systemie zostało to do przemieszczenia, następuje etap jego poszukiwania. zrealizowane w sposób opisany poniżej i jest to przykłaPrzeszukiwane jest tylko i wyłącznie sąsiedztwo położenia dowe rozwiązanie tego problemu. znanego z mapy obiektowej i nie musi zakończyć się sukcesem. Należy zauważyć, że obiekt do przemieszczenia jest obiek7.1. Rejestracja usług tem dynamicznym, tak więc jego położenie, które jest znane Aby dana usługa była widoczna na zewnątrz, system z mapy obiektowej nie musi być aktualne. W takim przyrobota musi ją zarejestrować w specjalnym komponenpadku usługa move zakończy się niepowodzeniem, a system cie systemu SOMRS o nazwie Rejestr Usług. Wpis rejeSOMRS będzie musiał zaaranżować i uruchomić usługę (lub stru zawiera adres usługi (adres IP robota i port, na usługi) poszukujące obiekt. Gdy to ”dodatkowe” poszukiktórym nasłuchuje MU w komunikacji z resztą systemu), wanie zakończy się sukcesem, SOMRS powtórnie zaaranzasięg (obszar świadczenia usługi przez urządzenie), żuje i rozpocznie wykonie usługi move. Usługa wyszukinazwę akcji (typ wykonywanej operacji) oraz jej ograwania może zostać zrealizowana przez to samo urządzenie, niczenia (np. wymiary lub masa obiektów w przypadku które zajmuje się transportem obiektów, ale system robota usługi move). Taki wpis do rejestru jest jednocześnie definie podejmuje tej decyzji samodzielnie. Takie kompetencje nicją interfejsu usługi i jest dostarczany przez kontroler ma tylko system SOMRS. wykonania tej usługi. Po wyszukaniu obiektu do przemieszczenia, robot dokładnie pozycjonuje się względem niego. Po tym eta7.2. Faza aranżacji – przyjmowanie zadań pie następuje chwycenie obiektu i jego transport (nawido realizacji gowanie) do położenia docelowego, gdzie następuje jego Zanim dojdzie do fizycznej realizacji jakiegokolwiek zadaodstawienie. nia (czyli świadczenia usługi) przez system robota musi Po odstawieniu obiektu kontroler wykonujący usługę nastąpić aranżacja tego zadania. Faza aranżacji jest etaprzemieszczenia powiadamia o tym warstwę wyższą, a ona pem negocjacyjnym, w czasie którego ustalane są warunki powiadamia system SOMRS. Sytuacje awaryjne związane wykonania zadania (m.in. końcowy czas jego realizacji). z wykonywaniem usług również są zgłaszane do SOMRS. W tej fazie zadanie wysłane przez Agenta jest odbierane

124


Rys. 7. Przyjmowanie zadań do realizacji przez system robota Fig. 7. Task scheduling in the robot control system

przez MU, a następnie przekazywane dalej do odpowiedniego kontrolera wykonania usługi. Wybór odpowiedniego kontrolera następuje na podstawie nazwy akcji, która jest parametrem zadania. Kontroler ten (niezależnie od tego, czy system robota świadczy w tym czasie jakąś usługę) jest odpowiedzialny za ocenę wykonalności zadania oraz za określenie przybliżonego względnego czasu, którego system robota będzie potrzebował na jego realizację. Każdy kontroler wykonania danej usługi ma własne algorytmy szacujące czas wykonania swojej usługi na podstawie parametrów otrzymanego zadania oraz ograniczeń środowiska. Odpowiedź kontrolera zawiera potwierdzenie wykonalności zadania oraz względny czas jego realizacji lub odmowę wykonania tego zadania. Gdy kontroler odpowie pomyślnie, MU wyszukuje w utrzymywanej przez siebie kolejce (chronologicznie posortowanych pod względem wykonania) zadań (rys. 7), szczeliny czasowej, w której „zmieści się” względny czas realizacji zadania wyliczony przez kontroler. Czas rozpoczęcia szczeliny czasowej nie może być jednak wcześniejszy niż zaaranżowany (spodziewany) czas odebrania żądania wykonania zadania, będący parametrem tego zadania. Nowemu dodanemu do kolejki zadaniu nadawany jest status zaaranżowane. Spodziewany czas rozpoczęcia wykonania zadania jest to zatem maksimum z czasów: zaaranżowany (spodziewany) czas odebrania żądania wykonania zadania i czasu rozpoczęcia wyszukanej wolnej szczeliny czasowej. Zaaranżowany (spodziewany) czas zakończenia realizacji wykonania zadania jest sumą spodziewanego czasu rozpoczęcia wykonania zadania i względnego czasu realizacji zadania. Odpowiedź wysyłana do Agenta zawiera informację, czy zadanie może być wykonane przez usługę na robocie i jeśli tak, to jaką wartość ma parametr spodziewany czas zakończenia wykonania tego zadania. MU może utrzymywać w kolejce wiele zadań, których realizacja czasowo nie nakłada się na siebie. Brak możliwości równoległego wykonania różnych zadań jest spowodowany tym, że wszystkie zaimplementowane usługi pra-

cują na tym samym zasobie, którym jest fizyczny robot. Nie można dopuścić więc do sytuacji, w której robot wykonuje kilka usług jednocześnie, gdyż kontrolery ich wykonania sterują m.in. ruchem platformy robota. Oczywisty jest fakt, ze robot fizycznie nie może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie, realizując dwa różne zadania. Pomyślna odpowiedź kontrolera usługi w fazie aranżacji zadania nie oznacza jeszcze, że będzie ono wykonane. Usługa zlecona robotowi musi zostać wybrana przez Agenta. W prototypowym systemie SOMRS wybór następuje na podstawie spodziewanego czasu zakończenia realizacji zadania przez usługę zwróconego w czasie fazy aranżacji zadania. W przypadku wybrania przez Agenta usługi świadczonej przez dany system robota (o wyborze lub rezygnacji system robota jest informowany), następuje oczekiwanie na wiadomość rozpoczynającą fazę wykonania zadania lub jego odwołania.

7.3. Faza wykonania – uruchamianie usług

Po odebraniu przez MU wiadomości dotyczącej wykonania przyjętego na etapie aranżacji zadania, może nastąpić fizyczna jego realizacja, czyli wykonanie usługi. Bezpośrednio po odebraniu tej wiadomości przez MU, skojarzone z nią zadanie zyskuje nowy status – do wykonania (rys. 8). Samo wykonanie tego zadania może, ale nie musi, rozpocząć się natychmiast. Żądanie wykonania zadania może zostać odebrane od Agenta przed czasem ustalonym w fazie aranżacji. Ta sytuacja może być spowodowana np. tym, że dany robot może wykonywać tylko część (pewne podzadanie) jakiegoś większego (złożonego) zadania podzielonego na etapy (podzadania) przez Menadżera Zadań (specjalny komponent systemu SOMRS). Etapy poprzedzające wykonanie danego zadania przez opisywany system robota mogą zakończyć się wcześniej niż to zostało ustalone na etapie aranżacji. Stąd Agent mógł wysłać żądanie wykonania podzadania do kolejnego systemu robota, ale nie może spodziewać się natychmiastowej jego reakcji. Agent musi wysłać do systemu robota żądanie wykonania danego zadania najpóźniej w czasie uzgodPomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

125


Nauka     

nionym w fazie aranżacji (w przeciwnym razie zadanie jest usuwane z kolejki przez MU). Najpóźniej realizacja zadania (ze statusem do wykonania) rozpocznie się w czasie ustalonym na etapie aranżacji, czyli w spodziewanym czasie rozpoczęcia wykonania zadania, ale może to nastąpić wcześniej (nawet natychmiast po otrzymaniu żądania wykonania zadania) – muszą być spełnione odpowiednie warunki. Wykonanie zadania o statusie do wykonania zostanie rozpoczęte tylko wtedy, gdy MU stwierdzi, że jego realizacja nie spowoduje kolizji z żadnym innym zadaniem znajdującym się w kolejce zadań – czyli zadaniem ze statusem realizowane, do wykonania, lub zaaranżowane. MU rozpatruje możliwość realizacji zadania z kolejki zadań bezpośrednio po trzech zdarzeniach: 1. Po odebraniu żądania wykonania zadania od Agenta i  nadaniu mu statusu do wykonania. Wówczas (jeśli robot w danej chwili nie realizuje żadnej usługi) to zadanie jest brane pod uwagę przez MU jako kandydat do natychmiastowego wykonania. 2. Po odwołaniu zaaranżowanego przez Agenta zadania, znajdującego się na początku kolejki, lub przekroczeniu czasu oczekiwania na żądanie jego wykonania. Może to spowodować powstanie szczeliny czasowej, umożliwiającej wcześniejszą realizację innego zadania, oczekującego na wykonanie (tj. ze statusem do wykonania). W tym przypadku MU przeszukuje całą kolejkę zadań w celu wyszukania takiego zadania. 3. Po zakończeniu realizacji bieżącego zadania przez kontroler usługi (czyli zwolnieniu zasobu, którym jest robot). W tej sytuacji MU, podobnie jak w drugim przypadku, wyszukuje zadanie, które może zostać w danej chwili wykonane. W prototypowym systemie została przyjęta zasada, że robot rozpocznie wykonanie danego zadania (ze statusem do wykonania), jeśli tylko pojawi się odpowiednia szczelina czasowa, która to umożliwi. Na rys. 8 został zilustrowany przypadek, w którym po odebraniu zadania wykonania Zadania IV, jest ono natychmiast realizowane. Dzieje się tak dlatego, że w danej chwili nie jest świadczona żadna usługa (robot jest bezczynny). Należy również zauważyć, że

Zadanie II zostało wcześniej anulowane, co mogło przyczynić się do rozpoczęcia realizacji Zadania III, gdyby miało status do wykonania. Faza wykonania zadania kończy się jego wykonaniem (pomyślnym lub nie) przez system robota lub w ostateczności odwołaniem tego wykonania przez Agenta.

8. Podsumowanie W artykule przedstawiono propozycję nowej architektury układu sterującego pojedynczym robotem mobilnym. Zadaniem tego robota jest świadczenie usług w wielorobotowym systemie SOMRS. Sama architektura wchodzi w skład technologii opracowanych na potrzeby projektu Robo-enT (będącego realizacją SOMRS) i zakłada podział systemu robota na cztery warstwy programowe (pkt 3 i rys. 1). Zwłaszcza funkcjonalności zlokalizowane w dwóch najwyższych warstwach, tj. w warstwie zarządzania usługami oraz w warstwie logiki wykonania usług, należy uznać za szczególne rozwiązania przeznaczone do budowy układu sterującego robotem mobilnym, będącym częścią systemu SOMRS. Na podstawie opracowanej architektury powstał prototypowy system robota, który został zainstalowany na dwóch fizycznych robotach typu Pioneer P3-DX. Z udziałem tych robotów zostały wykonane eksperymenty polegające na wyszukiwaniu w środowisku obiektu, którym było prostopadłościenne pudło, i jego transporcie we wskazane w zadaniu miejsce. Pudło było rozpoznawane dzięki przyklejonym do jego ścian znacznikom. Transport odbywał się między dwoma pomieszczeniami. Każde pomieszczenie było indywidualnym terenem świadczenia usług przez danego robota mobilnego. Innymi słowy żaden robot nie świadczył swoich usług w obu lokalizacjach (pomieszczeniach). W takich warunkach system SOMRS musiał dokonać aranżacji współpracy między wspomnianymi robotami mobilnymi. W tym celu zadanie transportu zostało podzielone na dwa podzadania. Jako punkt spotkania obu robotów i przekazania sobie pudła zostały wyznaczone drzwi, będące obiektem łączącym (wspólnym) obu pomieszczeń. Podobne eksperymenty wykonane w różnych pomieszczeniach kończyły się powodzeniem

Rys. 8. Odebranie żądania wykonania zadania i jego wcześniejsza realizacja Fig. 8. Conditions of earlier task execution

126


w ok. 70 % przypadków, co należy uznać za znaczący sukces. Główną przyczyną niepowodzeń były nieprawidłowe zachowania prototypowego systemu nawigacyjnego, który wymaga dalszych usprawnień. Zarówno opisana w tym artykule architektura układu sterującego pojedynczym robotem mobilnym, jak również cały system SOMRS są obecnie adoptowane i rozwijane w ramach projektu NCBR Nr PBS1/A3/8/2012 pt. RobREx – Autonomia dla robotów ratowniczo-eksploracyjnych. Niniejszy artykuł również jest efektem prac wykonanych nad tym projektem.

Bibliografia 1. Ambroszkiewicz S., Bartyna W., Terlikowski G., Faderewski M., Service Oriented MultiRobot System, Proc. The 3rd Israeli Conference on Robotics, 10–11 November, 2010, Herzlia, Israel. 2. Applegate D.L., Bixby R.E., Chvtal V., Cook W.J., The Traveling Salesman Problem: A Computational Study, Princeton University Press, 2009. 3. Arkin R.C., Towards the Unification of Navigational Planning and Reactive Control, AAAI Spring Symposium on Robot Navigation Working Notes, 1989, 1–5. 4. Bailey T., Nieto J., Nebot E., Consistency of the EKFSLAM algorithm, Proc. IEEE/RSJ Conf. on Intelligent Robots and Systems, Beijing, 2006, 3562–3567. 5. Bartyna W., Protokoły realizujące współdziałanie inteligentnych kognitywnych urządzeń w otwartych i heterogenicznych systemach opartych na SOA [w:] Inteligencja wokół nas: „Współdziałanie w systemach agentów softwareowych, mobilnych robotów oraz inteligentnych urządzeń”, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 2010, 87–132. 6. de Deugd S., Carroll R., Kelly K., Millett B., Ricker J., SODA: Service Oriented Device Architecture, IEEE Pervasive Computing, vol. 5, no. 3, 94–96, July-Sept. 2006, doi:10.1109/MPRV.2006.59. 7. Faderewski M., Reprezentacja środowiska robota [w:] Inteligencja wokół nas: „Współdziałanie w systemach agentów softwareowych, mobilnych robotów oraz inteligentnych urządzeń”, 13–43, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, 2010. 8. Jarvis R.A., Distance Transform Based Collision-Free Path Planning for Robot, Advanced Mobile Robots, World Scientific Publishing, 3-31, 1994. 9. Moritz G., Zeeb E., Pruter S., Golatowski F., Timmermann D., Stoll R., Devices Profile for Web Services and the REST, 584–591, 13–16 July 2010 Osaka. 10. Payton D., An Architecture for Reflexive Autonomous Vehicle Control, Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 1986. AAAI Spring Symposium on Robot Navigation Working Notes, 1–5. 11. Volkov S.N., Kaul B.V., Shelefontuk D.I., Optimal Method of Linear Regression in Laser Remote Sensing Appl. Opt. 41, 2002, 5078–5083.

Architecture of a control system for mobile robots in Service Oriented MultiRobot System Abstract: A new architecture of a control system of a mobile robot is proposed. It is based on the SOA paradigm (Service Oriented Architecture), in which the robot is seen as a set of services it provides. In Computer Science, the SOA paradigm is a valid and often used approach when designing distributed systems. A multirobot system is an example of such a system. The proposed architecture of a mobile robot control system consists of four software layers. The lowest layer, the device control and data aggregation layer, is responsible for the control of devices ( sensors, effectors, etc.), with which the robot is equipped, and for aggregation , processing and fusion of data gathered by these devices. Functions of the next layer, the navigation layer, are usually implemented by a robot navigation system which enables efficient determination of routes and robot movement. Service execution controllers reside in the service execution logic layer and are responsible for the realization of various services provided by the robot. The top layer, the service management layer, consists of Services Manager which is responsible for the communication between the robot control system and the other components of the SOMRS system as well as for the management of service realization. A prototype robot system was developed based on the proposed architecture. It was installed on two Pioneer P3–DX mobile robots. Experiments involving these robots allowed us to verify the usefulness of the developed architecture in practical applications. Keywords: SOA, architecture, service, service manager, marker, robot control system, object map

Artykuł recenzowany, nadesłany 21.11.2013 r., przyjęty do druku 20.12.2013 r.

dr Grzegorz Terlikowski Otrzymał stopień doktora nauk technicznych w zakresie Informatyki w 2012 r. w Instytucie Podstawi Informatyki PAN. Obecnie jest pracownikiem Instytutu Informatyki Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistycznego (znanego wcześniej jako Akademia Podlaska) w Siedlcach, z którym jest związany od 2006 r. Zainteresowania: systemy rozproszone, urządzenia mobilne. e-mail: g.terlikowski@gmail.com mgr Waldemar Bartyna Jest asystentem w Instytucie Podstaw Informatyki PAN oraz w Instytucie Informatyki UPH w Siedlcach. Jego główną dziedziną zainteresowań badawczych jest współdziałanie w ramach systemów wielorobotowych, a w szczególności architektura takich systemów i protokoły komunikacyjne. e-mail: wbartyna@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

127


Indeks firm      zestawienie reklam i materiałów promocyjnych

Automatyka-Pomiary-Sterowanie SA

tel. 85 74 83 400, 85 74 83 403 www.aps.pl

Balluff Sp. z o.o.

tel. 71 787 68 30 www.balluff.pl, www.leuze.pl

B&L International Sp. z o.o.

tel. 22 213 88 76 www.bil.com.pl

Biuro Targów Monachijskich w Polsce

tel. 22 620 44 15 www.targiwmonachium.pl

CZAH-POMIAR Sp. z o.o.

tel. 32 607 31 70 www.czah.pl

16–17, insert

Danfoss Poland Sp. z o.o.

tel. 22 755 07 00 www.danfoss.pl

48–49

Deutsche Messe AG, Hannover

tel.+49 511 89 0 www.messe.de

7

EL-CAB Sp. z o.o.

tel. 61 811 86 00 www.el-cab.com.pl

60–61

PPUH Eldar

128

tel. 77 442 04 04 www.eldar.biz

53

6

10

9

10

Elmark Automatyka Sp. z o.o.

tel. 22 541 84 65 www.elmark.com.pl

10, 12, 14, 63

ENKO-POMIAR Sp. z o.o.

tel. 32 232 01 52 www.enkopomiar.pl

13

Festo Sp. z o.o.

tel. 22 711 42 71 www.festo.pl

45–47

GBI Partners Sp. z o.o.

tel. 22 458 66 10 www.gbi.com.pl

35

Guenther Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 70 70 www.guenther.com.pl

HARTING Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 81 71 www.HARTING.pl

21, 34–35

11


ifm electronic Sp. z o.o.

KROHNE Polska Sp z o.o.

tel. 32 608 74 58 www.ifm.com

tel. 58 520 92 11 www.pl.krohne.com

19

11, 31

Langas Group

tel. 22 696 80 20 www.langas.pl

59

MT Targi Polska Sp. z o. o

tel. 22 529 39 00/50 www.mttargi.pl

27

MVM Sp. z o.o.

tel. 22 87 40 230

III okł.

Parker Hannifin Sales Poland Sp. z o.o.

tel. 22 573 24 00 www.parker.com

15, 62

PELTRON TPH Sp. z o.o

tel. 22 615 63 56 fax 22 615 70 78

11

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

tel. 22 874 00 00 www.piap.pl

64, III okł.

PEPPERL+FUCHS

tel. 22 256 97 70 www.pepperl-fuchs.pl

25, 37

Radwag Wagi Elektroniczne

tel. 48 384 88 00 www.radwag.pl

IV okł.

RITTAL Sp. z o.o.

tel. 22 310 06 12 www.rittal.pl

42–44

SCHUNK Intec Sp. z o.o.

tel. 22 726 25 00 www.schunk.com

II okł., 50�51

SELS sp. z o.o. spółka komandytowa

tel. 22 848 08 42 www.sels.pl

32–33

Turck Sp. z o.o.

tel. 77 443 48 00 www.turck.pl

I okł., 28–30

PPH WObit E.K.J. Ober s.c.

tel. 61 222 74 22 www.wobit.com.pl

23, 36

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 2/2014

129


REDAKCJA      

PRENUMERATA miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” Rok 18 (2014) nr 2 (204) ISSN 1427-9126, Indeks 339512 Redakcja Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 00 66, 22 874 02 02, 22 874 01 91 fax 22 874 02 02 e-mail: redakcja@par.pl www.par.pl Rada programowa dr inż. Mariusz Andrzejczak, Bumar Sp. z o.o. prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz, Katedra Automatyki i Biomechaniki, Politechnika Łódzka dr inż. Janusz Berdowski, Polskie Centrum Badań i Certyfikacji SA prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka, Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska dr inż. Stanisław Kaczanowski, prof. PIAP, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP dr Aleksandra Kolano-Burian, Instytut Metali Nieżelaznych prof. dr hab. inż. Andrzej Masłowski, Instytut Automatyki i Robotyki, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Tadeusz Missala, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP prof. dr hab. inż. Zdzisław Mrugalski, Instytut Mikromechaniki i Fotoniki, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Eugeniusz Ratajczyk, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska dr hab. inż. Waldemar Skomudek, prof. PO, Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki, Politechnika Opolska dr hab. inż. Roman Szewczyk, prof. PW, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska dr hab. inż. Andrzej Szosland, prof. PŁ, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzka prof. dr hab. inż. Eugeniusz Świtoński, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska prof. dr hab. inż. Krzysztof Tchoń, Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki, Politechnika Wrocławska doc. dr inż. Jan Tomasik, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska Redaktor naczelny dr inż. Jan Jabłkowski

Prenumeratę można zamówić pod następującymi adresami: Redakcja PAR Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 03 51 fax 22 874 02 02 na stronie www.par.pl/prenumerata Koszt prenumeraty STANDARD (dla firm, instytucji i osób fizycznych): yy roczna – 99,00 zł, yy dwuletnia – 176,00 zł. Koszt prenumeraty EDU (dla uczniów, studentów, nauczycieli i pracowników naukowych): yy roczna – 69,99 zł, yy 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: Zakład Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT ul. Ku Wiśle, 00-707 Warszawa tel. 22 840 30 86 lub 22 840 35 89 kolportaz@sigma-not.pl www.sigma-not.pl RUCH SA Oddział Krajowej Dystrybucji Prasy ul. Annopol 17a, 03-236 Warszawa

Zastępca redaktora naczelnego mgr Seweryn Ścibior, sscibior@par.pl

infolinia: 801 443 122

Sekretarz redakcji mgr Urszula Chojnacka

www.prenumerata.ruch.com.pl

Zespół redakcyjny dr inż. Jan Barczyk – robotyka dr inż. Jerzy Borzymiński prof. dr hab inż. Wojciech Grega – automatyka prof. dr hab. inż. Krzysztof Janiszowski dr inż. Małgorzata Kaliczyńska – redaktor merytoryczny/statystyczny mgr Anna Ładan – redaktor językowy prof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski – metrologia mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek mgr inż. Elżbieta Walczak

KOLPORTER Spółka z o.o. S.K.A.

Marketing mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek, jgorska@par.pl Paulina Siódmak, psiodmak@par.pl

tel./fax 22 817 20 12

Skład i redakcja techniczna Ewa Markowska, emarkowska@par.pl EDIT Sp. z o.o.

Centralny Dział Prenumeraty ul. Bakaliowa 3, 05-080 Izabelin-Mościska infolinia: 801 404 044 prenumerata.warszawa@kolporter.com.pl GARMOND PRESS SA ul. Nakielska 3, 01-106 Warszawa prenumerata.warszawa@garmondpress.pl www.garmondpress.pl Ceny prenumeraty przyjmowanej przez kolporterów wynoszą: yy roczna – 99,00 zł,

Wydawca Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa Miesięcznik PAR jest indeksowany w bazach BAZTECH oraz INDEX COPERNICUS (2,93). Punktacja MNiSW za publikacje naukowe w miesięczniku PAR wynosi 4 pkt (poz. 1643). 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

130

prenumerata@ruch.com.pl

yy I półrocze – 54,00 zł, II półrocze – 45,00 zł, yy 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.



PAR 2/2014