Get Adobe Flash player

Cikkek – Pneumatika

Cégünk egyedileg tervezett és prémium elemekbõl felépített hidraulikus tápegységei kiváló eredményeket mutatnak az energiahatékonyság területén. Az iparban elõtérbe kerültek a környezetbarát technológiák, így a legújabb fejlesztéseink is erre irányulnak. A tápegységek elõnyei az optimálisan bevitt villamos teljesítmény, az energiatakarékos üzemmód és a zajszegény mûködés.  Cikkünkben a különbözõ típusú tápegységek felépítését és felhasználási területeit mutatjuk be.

Our hydraulic power packs, which are designed individually and consist of only premium components, produce excellent results in terms of energy efficiency. Environmentally friendly technologies are becoming increasingly important in all areas of industry, and this approach characterizes our latest developments, as well. The advantages of hydraulic power units include optimal electrical power intake, energy-saving mode and low noise operation. In this article we present the structure and applications of various types of power units.

A digitális jelekkel vezérelt pneumatikus szelepszigetek alkalmazása az ipari automatizálásban széleskörűen elterjedt. A cikkünkben egy PROFIBUS kapcsolattal rendelkező szelepszigetet mutatunk be. Az eszközök bemutatása után egy gyakorlati alkalmazáson keresztül írjuk le a szelepsziget konfigurálását és a PLC programozás lépéseit.Pneumatic valve terminals controlled by digital lines are widely used in industrial automation. In this article we present a valve terminal with PROFIBUS connection. After the presentation of the devices we describe the configuration of the valve terminal and steps of the PLC programming.Mit den digitalen Signalen steuerte pneumatische Ventilinseln sind in der industriellen Automatisierung weitverbreitet. Wir stellen in unserem Artikel eine Ventilinsel mit PROFIBUS Verbindung vor. Nach der Vorstellung des Gerätes wir beschreiben die Konfiguration der Ventilinsel und die Schritte der PLC-Programmierung.

Szelepsziget

A pneumatikus szelepszigetek kompakt kialakításban több szelepet tartalmaznak, amelyeket hagyományosan digitális jelekkel lehet vezérelni. A modernebb szelepszigetek megrendelhetők több féle ipari terepi buszrendszer kapcsolattal is. Ebben a cikkben a FESTO CVP10-GE –es PROFIBUS-DP kapcsolattal rendelkező szelepsziget kerül bemutatása (1. ábra).

 

1. ábra. FESTO CPV10-GE szelepsziget

A CVP-10-es moduláris szelepsziget 2-8 pneumatikus szelepet tartalmazhat. Moduláris kialakítás miatt szabadon kiválasztható a szelepek, a pneumatikus csatlakozók és a buszrendszer típusa is. A bemutatásra kerülő eszköz öt darab
5/2-es szeleppel van felszerelve és PROFIBUS-DP terepi buszrendszerhez csatlakoztatható. A modul további CPI ki- és bementi egységgel bővíthető, így egy terepi buszrendszer csatoló használatával akár komplett vezérlési feladatok is elvégezhetők.

PROFIBUS-DP

A PROFIBUS az ipari automatizálásban alkalmazott nyílt terepi buszrendszer szabvány. Egyetlen buszkábelen képes összeköttetést biztosítani a vezérlő, vagy ellenőrző rendszerek és a decentralizált eszközök (érzékelő és beavatkozó) között a terepi szinten. E mellett konzisztens adatcserét biztosít a magasabb szintű kommunikációs rendszerek között.

A PROFIBUS két változata van használatban:
–    A PORFIBUS DP (Decentralized Peripherals) gyártásautomatizálási alkalmazásokban használt, a központosított vezérlő egységek és terepi érzékelő, beavatkozó egységek összeköttetésére.
–    A PROFIBUS PA (Process Automation) változatot folyamatirányító rendszereknél alkalmazzák, ahol a terepi mérőberendezések összeköttetését biztosítja. Robbanásveszélyes környezetben is használható.

Egy PROFIBUS hálózatra egy vagy több master csatlakoztatható, amely a slave eszközökkel tartja a kapcsolatot. A PROFIBUS slave bármilyen periféria eszköz lehet (ki-/bementi eszköz, szelep, hálózati hajtásrendszer, vagy más mérőberendezés), amely információt gyűjt és továbbítja azt a master-nek.

A slave-ek passzív állomások, mivel nincs közvetlen hozzáférési jogosultságuk a hálózathoz. Csak a megkapott csomagokat igazolhatják vissza és a master-től kapott kérésre küldhetnek válasz üzenetet.

Fontos megjegyezni, hogy a PROFIBUS hálózaton a slave állomások egyforma prioritással rendelkeznek és minden hálózati kommunikációt a master eszközök kezdeményeznek. Több master is kapcsolódhat a hálózathoz, de egy időben csak egy master birtokolja a kommunikációs jogot. Az aktív master kiválasztása vezérjel továbbító eljárással történik. Ezen az eljáráson kívül nem történik kommunikáció a master-ek között. [1,2]

A PROFUBUS hálózat RS-485-ös soros buszrendszert alkalmaz, amely lehetővé teszi, hogy egyetlen csavart érpáron keresztül összeköthetők legyenek az eszközök. Ezzel a kábelezési megoldással egyszerűen és viszonylag alacsony költséggel összeköthetőek a decentralizált terepi eszközök.
Hálózat kialakítása

A fent bemutatott FESTO CVP10-GE szelepszigetet PROFIBUS-DP hálózaton egy SIEMES S7 313C-2D PLC-vel kapcsoltuk össze.

A kábelezési munkák után, minden periféria eszköznek be kell állítani egy egyedi busz címet. Ezt a szelepszigeten a lecsavarozható védő fedél alatt található DIP kapcsolóval lehet beállítani. Az 1-7-es jelű kapcsolókon kettes számrendszerben kell megadni a megfelelő címet.

Ahhoz, hogy a PLC programból el tudjuk érni a hálózatra csatlakoztatott eszközöket, össze kell állítni a hardver konfigurációt. Ezt a SIEMENS STEP 7 PLC programozó szoftver HW konfiguráció részében végezhetjük el. A legtöbb SIEMENS eszköz az itt található katalógusból kiválasztható és beilleszthető a konfigurációba, viszont a más gyártótól származó eszközök listáját automatikusan nem tartalmazza a katalógus. A gyártók honlapjáról letölthető az eszköz paramétereit tartalmazó leíró fájl (GSD fájl). A FESTO honlapjáról letöltött GDS fájl egyszerűen importálható és ez után a katalógus “PROFIBUS-DPAdditional Field DevicesValves“ pontja alatt megtalálható a “Festo CPV-DI02” eszköz (2. ábra). Ezt ráhúzva a PROFIBUS-DP hálózatra beilleszthető a konfigurációba. A megjelenő ablakban az előzőleg a DIP kapcsolón beállított hálózati címet itt is meg kell adni.

 

2. ábra. Hardware konfiguráció
Mivel nekünk csak digitális kimeneteként működő szelepeink vannak, így elegendő, ha a 16 kimenettel rendelkező alap modul szerepel az eszköz bővítő egységei közül.

Az alsó konfigurációs ablakban leolvasható, hogy milyen címen érhetők el a digitális kimenetek. Esetünkben ez a Q1 és Q2-es kimenti bájt.[3]

PLC program készítés

A szelepek kimeneti memóriacímének ismeretében már készíthetünk PLC programot a vezérléshez. Hagyományosan használhatunk létradiagramos programozási nyelvet, amellyel az öntartó kapcsolásokkal felépített tároló lánc segítségével a sorrendi vezérlési feladatok megoldhatók. Ebben a részben egy alternatív programozási megoldást mutatunk be.

Az S7 300-as PLC-k programozásakor felhasználhatók a beépített standard függvényblokkok, amelyek egy-egy speciális feladatot oldanak meg. Az SFB 32 (DRUM) függvényblokk egy programkapcsolót valósít meg, amely maximum 16 előre meghatározott lépésprogram szerint működteti a kimeneteket. A lépések közötti váltás történhet kézi léptetéssel, a lépésekhez rendelt feltételek teljesülésével, vagy időzítve.

Esetünkben a szelepsziget 5/2-es monostabil szelepeire négy munkahenger van kötve. Ezek működtetéséhez a Q1 és Q2 bájtok minden második bitjét kell használnunk (Q1.2, Q1.4, Q1.6, Q2.0). Mivel a szelepszigethez nincs bemeneti modul csatlakoztatva, a vezérlést időzítve oldjuk meg. A demonstrációs célú feladat legyen az, hogy a munkahengereket egymás után külső pozícióba vezéreljük, majd vissza.

A 3. ábrán az SFB 32 függvényblokk részlete látható az OB 1 fő szervező modulba beillesztve. Az időzített működés a DRUM_EN bemenet magas szintjével engedélyezhető. Ha ez a jel alacsony szintű, a következő lépésre csak a JOG bementettel jutathatjuk el. Az utolsó lépés számát a LST_STEP bemeneten adhatjuk meg. Most ezt 9-re állítottuk. Az utolsó lépés után a RESET bemenet magas szintjére áll vissza a kapcsoló az első lépésre. Az EVENT1…16 bemenetek segítségével lehet lépésenként megadni a továbblépés feltételét. A véghelyzet érzékelők jeleinek hiányában most mi nem tudjuk ezt a funkciót használni. Az OUT0…15 kimeneteken a munkahengerek címét adtuk meg. [4]

 

3. ábra. SFB 32 függvényblokk

Minden függvényblokkhoz tartozik egy adatmodul, amelyben a belső állapotait tárolja. Ehhez a blokkhoz a DB32 adatmodult hoztuk létre. A programkapcsoló további paraméterei itt állíthatók be. Az OUT_VAL kétdimenziós tömbben a kimenetek értékét adhatjuk meg lépésenként. Az S_MASK kétdimenziós tömbben az összes lépés minden bitjére egy bináris maszkot adhatunk meg. Ha ez a maszk 0 egy adott lépés bitjére, akkor ez a kimeneti bit az előző lépésben felvett értéket kapja ebben a lépésben is. Ha ez a maszk 1, akkor az OUT_VAL paraméterben beállított értéket veszi fel. Az időzítési funkció eléréséhez két paramétert kell beállítanunk. Az első a DTBP paraméter, amellyel ezredmásodpercekben adható meg az időalap. A második az S_PRESE tömb amely segítségével lépésenként lehet beállítani a lépések időzítési értékét. Az értékeket az időalapnak megfelelően kell megadni.

A PROFIBUS-os szelepsziget alkalmazásával költséghatékonyan lehet a nagyobb távolságban elhelyezett pneumatikus eszközök összeköttetését biztosítani. A programkapcsoló függvényblokk használatával a hagyományos sorrendi vezérlési feladatok könnyen megvalósíthatók, még a PLC programozásban nem annyira jártas szakembereknek is.

[1]    PROFIBUS wiki, http://en.wikipedia.org/wiki/Profibus
[2]    PROFIBUS, http://www.profibus.com
[3]    CPV valve terminal with field bus direct connection, Festo AG, 2007
[4]    System Software for S7-300/400 System and Standard Functions Reference Manual, Siemens AG, 2006
[5]    Gábor Kátai-Urbán, Iván Lajtai. Control of distributed devices on PROFIBUS network, Proceedings of the 1st Regional Conference – Mechatronics in Practice and Education, 2011

Kátai-Urbán Gábor
Kecskeméti Főiskola, GAMF Kar Informatikai Tanszék

Napjaink energiaiparában egyre nagyobb jelentőséget kap a biztonság, amelynek következtében a gyártókkal szemben támasztott követelmények is fokozódnak. A SIL (Safety Integrity Level) különböző szintjeivel kapcsolatos megbízhatósági elvárások komoly feladatok elé állítják még a legnagyobb vállalatok mérnökeit is. A Norgren mint a világ egyik legnagyobb mágnesszelep-gyártója, követve az energiaipari technológiák fejlődését, olyan megoldásokat kínál, amelyek megállják a helyüket akár a legszigorúbb előírásokkal szemben is.Nowdays safety plays a more and more important role in the energy industry and as a result of this requirements for producers have become higher as well. Expectations of reliability regarding the different levels of SIL (Safety integrity level) mean a challange even for  engineers of the biggest companies. Norgren as a leading solenoid valve manufacturer which follows the development of the technologies in the energy sector provides solutions complying even with the strictest rules.

Tavaly májusban megjelent cikkünkben már részletesen foglalkoztunk a SIL, SIS, PFD, ESD témakörökkel, mint az energetikai technológiák tervezésének alapvető biztonsági tényezőivel. Jelenlegi cikkünk, az előző folytatásaként kívánja közelebbről bemutatni a szakterülethez  kapcsolódó termékkínálatot és azok műszaki hátterét.

Mi is az a SIL?

Kockázatelemzés eredményeként, egy adott technológiai rendszerrel szemben biztonsági követelményt határozunk meg. Alapja, egy adott funkció nem teljesülésének következménye és az ezzel szembe állítható társadalmi kockázattűrő képesség. Ezen tényezők figyelembevételével a kockázatelemzési eljárás eredményeként veszélyességi valószínűséget határozunk meg, ami a technológiai rendszer megbízhatóságára utal. A tervező az elemzés figyelembevételével dönt a beépítendő egységek elvárt megbízhatóságáról. Ezek alapján minden betervezésre kerülő elemet egy működési biztonsági valószínűséghez rendel. Ezt az angol „Safety Integrity Level” kifejezés alapján SIL-ként rövidítjük. Ez a besorolás a termékek teljes életciklusára vetített biztonsági követelményeket határozza meg. Négy SIL szintet különböztetünk meg, mint SIL1, SIL2, SIL3 és SIL4. Mindegyik szint meghatároz egy megengedett meghibásodási valószínűséget, ami értelemszerűen SIL1-től SIL4-ig csökken. Az következő táblázat az egyes szintekhez tartozó éves megengedett meghibásodási valószínűségeket mutatja.

 

Mi a feladata és hogyan működik az ESD rendszer?

Az ESD az angol „emergency shut-down” kifejezésből származó rövidítés, ami elsősorban az olaj, gáz és vegyipari alkalmazások esetén használt főszelepek, kritikus helyzetben szükségessé váló vészműködtetésére utal. Az ESD-szelep a fo folyamatleállító szelep, amely a rendszer közegét vezérli – például gőzt, gázokat, folyadékot  stb. – egyszeres működéssel, rugó által biztosított alaphelyzettel. Ennek működtetése az esetek többségében pneumatikus módon történik. Pneumatikus alkalmazáskor a közeg vezérlését mágnesszelepek végzik, így meghatározva a főszelep pozícióját. Tekintettel arra, hogy ezek az elemek jelentik az utolsó védelmet az üzemi meghibásodás ellen, magas szintű megbízhatósággal kell rendelkezniük. Abban az esetben, amikor a technológiai rendszerben elhelyezett érzékelők veszélyes vagy kockázatos eseményt észlelnek (pl. csőtörés következtében kialakult gázszivárgás), alapvető fontosságú, hogy az ESD szelepet a vezérlő mágnesszelepek megbízhatóan működtessék. Vészhelyzetben a vezérlő szelepnek ki kell ürítenie a levegőt a hajtóműből, így biztosítva az ESD-szelep biztonságos alaphelyzetbe való visszatérését (hiba esetén zárás/nyitás). A meghibásodások és/vagy a téves leállítások költséges procedúrák. Így a megbízhatóságot – a biztonság és a rendelkezésre állás tekintetében – rendszeres időközönként ellenőrizni kell a szokásos karbantartások között anélkül, hogy a rendszer működését ezzel megszakítanánk. Az IEC61508 szabvány alapján a biztonsági leállító szelepnek és irányító rendszerének teljesítenie kell azon követelményeket, amelyeket átfogó biztonsági értékelés részeként a védelmi szabványok határoznak meg. A szelep, a hajtómű és különösen a mágnesszelep leggyakoribb meghibásodásai, például az, hogy nem kapcsol, hibásan mozog, mágnestekercs hiba, levegőszivárgás stb. okozza a veszélyes helyzet kialakulásának többségét. A meghibásodó ESD-szelep kihat a teljes SIL-szint integritására. A kockázatelemzés elkészítésekor a szakemberek, a hibás működés esetén várható következmények mérlegelésével meghatározzák az ESD-vezérlőelemmel szemben támasztott biztonsági elvárásokat. Az elvárt megbízhatósági szint számszerűsítésével (veszélyességi valószínűség) az alkalmazás SIL besorolást kap. Az utóbbi évek tapasztalata azt mutatja, hogy az olaj, gáz és vegyipari ESD alkalmazások többsége egyre gyakrabban SIL4-es besorolást igényel. Cégünk mint a világ egyik legnagyobb szelepgyártója, megfelelve a SIL-el kapcsolatos piaci igényeknek olyan megoldásokat kínál, amelyek képesek teljesíteni az előzőekben bemutatott magas szintű biztonsági elvárásokat.

A SIL 3-as és SIL 4-es szelepek

 

A cégcsoportunk kimagasló minőségű rozsdamentes vezérlőszelep sorozatai már több mint 50 éve szolgálják az olaj, gáz és vegyipari technológiákat. A Maxseal szelepek tradicionális alkalmazása a tengereken és óceánokon elhelyezett “off-shore” olajfúró állomások, ahol a tengervíz magas só és páratartalma miatt a szelepek fokozott igénybevételnek vannak kitéve. Ilyen körülmények között a hagyományos mágnesszelepek gyorsan korrodálódnak és működtető mágnesük is hamar tönkremegy. Ezen piaci igényre válaszolva cégcsoportunk olyan mágnesszelepet fejlesztett, amelynek kivitelezése egyedülálló a világon. A szelep teste és mágnesháza is kiváló minőségű rozsdamentes acélból (316SS, 316L) készül, amely hosszútávon ellenáll az tengervíz roncsoló hatásának. Ezen alkalmazások úgyszintén megtalálhatók „on-shore” technológiákban is, ahol a szeleppel szemben támasztott követelmények eltérnek az „off-shore” alkalmazástól. Itt a fő igénybevételt a kültéri beépítés esetén fellépő nedvesség és szélsőséges hőmérséklet jelenti. A Maxseal szelepek referenciái megtalálhatók a világ legnagyobb olajvállalatainál mind „on-shore” és „off-shore” alkalmazásban. A szelepek megfelelnek az olaj, gáz és vegyiparban szükséges bizonylati elvárásoknak, mint ATEX, GOST-R, GOST-K, IEC-Ex, CSA, UL&Inmetro. Valamennyi szelep rendelkezik SIL 3-as redundáns elrendezésben pedig SIL 4-es bizonylattal, ami bizonyítja a termék megbízhatóságát és hosszú élettartamát. Minden egyoldali működésű szelep legfontosabb biztonsági eleme a rugó. Ez az egyszerű, de nélkülözhetetlen elem gondoskodik arról, hogy a szelep alaphelyzete bármilyen hiba (levegő kimaradás, áramkimaradás) esetén is biztosítva legyen. Minden Maxseal szelep olyan növelt erejű (50 N rugóerő még a legkisebb szelepeknél is) rugót és egyedi technológiájú mágnestekercset tartalmaz, amelyek együtt képesek biztosítani a SIL 3-as biztonsági szintet.

 

A mágnesek egyedi konstrukciójának köszönhetően minden működtető tekercs szigetelése „Class H” besorolású. Csak példaként említve, az ICO3 sorozat 24 V-os működtető tekercsének felülete maximum 10 C°-ot melegszik, ami az alacsony energia felvételnek és rozsdamentes acélborításnak köszönhető. A konstrukció megbízhatóságát bizonyítja, hogy 20 éve nem történt visszajelzés mágnestekercs meghibásodásról. A szelepcsalád másik fő tulajdonsága a szélsőségesen alacsony környezeti hőmérsékletnek való ellenállás, aminek megengedett alsó határa a –60 C ° is elérheti. Ilyen hőmérsékleten használt szelepeink az egyedi kialakításon túl speciális tömítéssel, növelt rugóerővel, speciális zsírozással vannak ellátva. A szelepek megbízhatóságának biztosítása érdekében a gyártás utolsó fázisaként minden legyártatott darabot tesztelnek. Az ellenőrzés három fő része a nyomás, funkció és villamos próba. Ez utóbbinak része az ún. feszültség toleranciamérés, ahol a működtető feszültségtől való százalékos eltérés hatását vizsgálják. A gyártó 12,5%-os feszültségesés esetén is garantálja a hibátlan működést, ami egy 24 V-os tekercsnél
21 V-ot jelent. Ennek megfelelőségét a tesztelés során 25%-os feszültségesésig vizsgálják. A magas feszültségtolerancia érték lehetővé teszi a szelepek nagyobb távolságból történő vezérlését, ami nagy előnyt jelenthet a vezérlőrendszer telepítésekor. Funkcióvizsgálat során a csatlakozási pontok közötti átváltást és a szelepek univerzális beköthetőségét vizsgálják. A Maxseal sorozat minden típusa univerzálisan beköthető, ami lehetővé teszi mind az alaphelyzet zárt és nyitott bekötést is. Ennek köszönhetően leegyszerűsödik a felhasználók tartalék képzése és csökkenthetők a raktározási költségek. A szelepek széles választékában (2/2, 3/2, 5/2) olyan direkt működésű szelep is megtalálható, ami 0-414 baros nyomástartománnyal rendelkezik. A következő táblázat a cégcsoportunk szelepcsaládját mutatja, azok főbb műszaki paramétereivel:

 

 

SIL 4-es szelepek

A cégcsoporthoz tartozó Herion név több mint 70 éves múltra tekint vissza a pneumatika és fluidtechnika területén. Termékei megtalálhatók az összes iparágban, a általános rendeltetésű vezérlőszelepektől az egyedi gyártású és egyedi igényt kiszolgáló speciális szelepekig, szeleptömbökig.  Termékeink kimagasló minőségükkel és megbízhatóságukkal már a világ legnagyobb vállalatainál bizonyítottak. A következőkben az olaj, gáz és vegyiparban alkalmazott SIL4-es bizonylattal rendelkező szelepek áttekintő táblázata látható (jobb oldalon fent).

Az ESD megoldások műszaki háttere

A cikk elején már tárgyalt ESD alkalmazások, pneumatikusan működtetett ESD főszelepek estén olyan vezérléstechnikai megoldást igényelnek, amelynek SIL besorolása elérheti a SIL4 szintet is.  Ennek megvalósítására cégünk olyan redundáns szelepkonfigurációkat alkotott, amely megfelel ennek az elvárásnak. Az ilyen rendszer lényege, hogy több vezérlőszelep sorban vagy párhuzamosan (hajtómű nyitása és zárása) történő bekötése esetén az ESD főszelep működtetésének levegő (pneumatikus hajtómű esetén) ellátása illetve annak leszellőztetése, bármely szelep meghibásodása esetén is biztosítva van.  A különböző szelepkombinációkat a következő ábra szemlélteti (jobb oldalon lent).
Cégünk fejlesztései úttörő jelentőségűek  az ESD-rendszerek tekintetében. 1997 júniusában az első mágnesszelep-gyártók voltak, amelyek elnyerték a TÜV jóváhagyást a DIN 19251 AK7-hez (az IEC 61508 előfutára; AK 7 ekvivalens a SIL4-el) – miután számos szelepet teszteltek egy 5 éves időszak alatt, üzemi körülmények között, meghibásodás nélkül. Ahogy az IEC 61508 vált a Nemzetközi Szabvánnyá, természetes lépés volt a cégcsoportunk számára, hogy megpályázzák és megszerezzék a TÜV jóváhagyását az IEC 61508-hoz a 24011 (lásd feljebb) szelepszéria számára. Egy másik esemény, amellyel a cégcsoportunk szintén világelső lett: 2001-ben TÜV jóváhagyást nyert, SIL 4-es biztonsági szinttel. Az ESD rendszerek üzemeltetéséhez kapcsolódó további tulajdonsága, hogy 5 éves időszakig karbantartásmentes és karbantartáskor nincs szükség a folyamat megszakítására. Ez utóbbit a képen látható lakatolható bypass-szelep biztosítja. Az ESD szelepblokkok  kínálata jól illeszkedik a működtetni kívánt hajtóművek légfogyasztásához, így választékában megtalálhatóak a kisebb és a relatív nagy átfolyással rendelkező termékek.

 

 


Amennyiben kérdése merülne fel a cikk témájával kapcsolatban, forduljon hozzánk bizalommal a +3612849000 telefonszámon vagy az info@norgren.hu e-mail címen.

Jarábik Gábor
IMI International Kft. Norgren Division