Ventilové pole pro výuku Field of valves for teaching Richard Klein 1, Michal Hammerschmiedt 2 Úvod V dnešní době, která je zaměřena čistě na zisk, je jako nejdůležitější kritérium všech aktivit, které se v rámci hodnocení úspěchů berou až na prvním místě. Z tohoto důvodu se šetří na všech možných místech od počtu zaměstnanců ve firmě, výkon přístrojů a přepočtena cena jednoho výtoku, ušetření energií atd. Z těchto důvodů je ekonomičtější pro více reaktorů mít jednu měřící jednotku. Snížením nákladů, které umožňují nové systémy a informační technologie, má stále více hardwarové a softwarové podpory. Jelikož automatizace založena na řídicích jednotkách, které jsou založeny na počítačových programech, je v dnešní době velmi mnoho, není složité vytvořit řídící jednotku s plánováním, přizpůsobování se změnám parametrů, změně parametrů atd. Protože je počet programů je na trhu se softwary určenými k vytváření řídících aplikací a programu řízení dostatek a téměř všechny mají i dlouholetý vývoj, je výběr softwaru opět podřízen ceně, která se může pohybovat od programů zadarmo za freewary až po statisíce u zahraničních softwarů s téměř nekonečnou podporou různých hardwarů a dalších programů. Díky dlouhodobému působení na trhu jsou placené verze spolehlivé a vyzkoušené mnohými uživateli. U volně stažitelných softwaru je zpravidla problém s podporou dalších periférií, které nevyužívají opensoursová řešení. Právě možnost cíleného řízení umožňuje, aby jednotlivé části systému byly využívány jen ve správnou dobu, a právě díky tomu se méně opotřebovávají, Menší opotřebení zvýši životnost senzorů a v tomto důsledku i náklady na obnovu senzorového vybavení v porovnání s měřící aparaturou, která používá všechny senzory při každém měření. Při této situaci je nevýhoda pořizovací ceny, protože se musí zkonstruovat ventilové pole, U více měřených rozdílných vzorků se rentabilita rapidně zvyšuje. 1 Ing. Richard Klein., e-mail: richard.klein@mendelu.cz, ústav zemědělské potravinářské a environmentální techniky, Agronomická fakulta, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, ČR, tel. +420 545 132 358 2 Ing. Michal Hammerschmiedt, e-mail: michal.hammerschmiedt@mendelu.cz, ústav zemědělské potravinářské a environmentální techniky, Agronomická fakulta, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, ČR, tel. +420 545 132 358
Využité prostředky Control Web Takový program, který splňuje skoro veškerá kritéria a navíc je v českém jazyce je ControlWeb. Jak je popisuje výrobce tento program je nástavbou SCADA systému a umožňuje další rozšíření o nové funkční celky, další výhodou je i poměrně dlouhá existence produktu a to 15 let. Control Web 2000 také přinesl možnost provozování aplikací v operačním systému Windows CE. Aplikace lze pohodlně vyvíjet na stolním PC s vývojovou verzí systému a poté z nich vygenerovat runtime pro veškeré platformy a používané procesory systému Windows CE. V jednom prostředí a stejným způsobem lze tedy na jedné straně vytvářet rozsáhlé aplikace pro clustery Windows Advanced Server i Windows Mobile a na straně druhé aplikace pro mobilní telefony a malé vestavěné počítače. Control Web vždy byl a dodnes je cenově atraktivní, proto je používán nejen v rozsáhlých aplikacích ve velkých firmách, ale i v malých a vestavěných aplikacích a také ve školách, ve vědě a výzkumu. Struktura typických aplikací se v poslední době podstatně změnila. Postupně ubývá zakázek, ve kterých je požadováno jen prosté operátorské pracoviště s vizualizací a případným sběrem dat. Požadavek rozhraní pro webové klienty je již samozřejmostí. Většina současných systémů je zapojena, často bezdrátově, do počítačových sítí, obvyklá je spolupráce s nějakým databázovým informačním systémem. Také se často systémy skládají z více částí, které spolu musejí komunikovat. Stále větší výhodou se tak stává to, že i malý vestavný systém je vybaven veškerými komunikačními kanály a jeho programové vybavení dokáže pracovat se všemi současnými standardy výměny dat. (Moravské přístroje a.s., 2010) Požadavky na prvky ventilového pole Požadavky na ventilové pole jsou kladeny obecné požadavky, jako jsou spolehlivost, přesné rozvedení požadovaného vzorku k následnému vyhodnocení pomocí senzorů. Senzory, které jsou napojeny na ventilové pole, využívají technologii IR paprsku nebo se jedná o standardní elektrochemické senzory. Z tohoto důvodu se mezi požadavky na ventilové pole také zařadila prodloužena životnost u elektrochemických senzorů. I když každý elektrochemický senzor má svou danou životnost v počtu provozních hodin, pokud vyřadíme díky ventilovému poli daný senzor u testů, u kterých nevyžadujeme měření dané veličin/chemické sloučeniny a nezatěžujeme senzor zpracováním chemické sloučeniny, pak se opotřebovává senzor pomaleji, než kdybychom při každém měření senzor využívali.
Na ventily a vývěva Přímo na jednotlivé ventily celé sestavy byly požadavky hlavně na úsporný provoz, dlouhou životnost a možnost řešení krizových situací manuálním uzavřením ventilu. Jako další parametry byly rozměry ventilu a cena ventilu. Specifikem ventilu byla práce při malém rozdílu tlaku, která jsou blízké atmosférickému tlaku. Vývěva měla stejná kritéria pro chemickou odolnost, ale navíc musí udržovat průtok média, v našem případe bioplynu, v celém systému. Senzory vyžadují pro svůj chod průtok minimálně 5 l/min maximálně však 10 l/min. Což v rámci všech senzorů dělá 5 19,5 l/min. Na ostatní materiál Ostatní materiál potřebný pro výrobu celého pole ventilů jsou parametry hlavně podřízení chemické odolnosti a ceně. Dále je nutné brát v úvahu i možnosti práce s materiálem jako jeho úpravy nebo v případě trubiček rozvodné sítě ohebnost a maximální úhel ohnutí. Chemická odolnost Odolnost polymerů vůči korozi je závislá především na chemickém složení. Nejlépe odolávají chemikáliím plasty typu PE, PP. S obsahem polárních skupin chemická odolnost klesá. Výjimkou jsou sloučeniny, kde se vodík zcela nebo částečně nahrazuje fluorem nebo chlorem (PTFE, PVC). Rovněž platí, čím vyšší stupeň zesítění polymerů je, tím více odolává chemikáliím. V opačném případě může docházet k bobtnání, až rozpouštění. Plasty odolávají nejméně těm chemikáliím, jež mají stejné nebo velice podobné chemické složení. Nepolární polymery odolávají dobře kyselinám, zásadám a polárním rozpouštědlům. Polární plasty odolávají nepolárním rozpouštědlům. (KSP, 2015) Sova, 2015
Na řízení ventilového pole Fyzické řízení jednotlivých ventilů není složitým problémem, protože se jedná o řízení binárního tvaru. Řízení celého ventilového pole je již založeno na požadavcích podle počtu měřících senzorů. Dalším prvkem ve ventilovém poli na řízení je vývěva, která se stará o průtok bioplynu systémem. Proto se v rámci řízení musí kalkulovat se spuštěním vývěvy, která ovšem musí zahájit čerpání bioplynu před spuštěním měření a po měření musí dostatečně propláchnout senzory vzduchem. Další prvky pole již byla jen elektronika, jako průmyslové zdroje, pojistky, pojistková pouzdra a kabeláž. U těchto položek rozhodovala hlavně cena a minimální požadavky na provozní spotřebu elektrické energie. Vybrané prvky Vzhledem ke specifickým požadavkům vyhovovaly jen některé produkty. Proto v následujících řádcích uvedu jen výčtem vybrané a použité důležité prvky. Ventily G1/8, NC, nerezová ocel ANSI 32, manuálně/elektromagneticky ovládaný, 24 V DC, 6W open, 0-3 bar, těsnění FPM Vývěva s průtokem 5 30 l/min, 230 V AC, 50 Hz, NMP 830KNE Průmyslový spínaný zdroj 230 VAC / 24 VDC 240 W Control Web IO 4 + reléové výstupy Využití prvků Control Web IO reléové výstupy Modul reléových výstupů má 8 relé s mezními hodnotami, pro napětí 230 V AC je maximální zátěž 3A a při napětí 30 V DC je maximální zátěž taktéž 3A. Tyto relé jsou velice odolná, proto se u nich očekává mechanická odolnost okolo 100 000 sepnutí a elektrická životnost je přes 20 000 00 sepnutí. Mezní rychlost spínání je dána limity použitých relé a v tomto případě přesahuje 50Hz. Výchozí stav aplikace Aplikace byla vyvíjena od návrhu až po realizaci, proto výchozí stav aplikace nebyl žádný. Systém navazuje na další systémy, jako je automatizované měření vzorků bioplynu pomocí senzorů a řízení bioreaktoru v Celorepublikové referenční laboratoři bioplynových transformací.
Metodika Použitá metodika zpracování jednotlivých modulů k celému řešení problematiky je v souladu s aktuálními trendy. Díky modulovému systému je možné využít vývojový model NASA a každý modul má na konci gate, kterým se ukončí vývoj takového podsystému. Návrh nového systému Návrh celého systému je zpracovaný v Control Webu z důvodu návaznosti na ostatní systémy, jak již bylo popsáno výše. Návrh systému probíhal standardně a to sběrem požadavků na systém s přihlédnutím na začlenění do existujících systémů a následném naprogramování řídicího mechanizmu přístupem NASA. Propojení systému a výuky Účelem řešení je umožnit individuální řešení úkolu na ventilovém poli studenty se zaměřením na řešení problematiky automatizačních procesů a měřících aparatur. Jednotlivé předměty vyučované v průběhu studia oboru ARI garantované ústavem potravinářské, zemědělské a environmentální techniky byly v souladu s cílem projektů doplněny o nové úlohy v laboratořích a na cvičeních. A také umožňuje studentům oboru ARI na pořízených komponentech realizovat své bakalářské práce. Po dokončení celého rozhraní budou moci také další studenti využívat veškerých funkcí k realizaci svých prací, zejména studenti ARI, odpadové hospodářství (OH) a provoz techniky (PT). Tento článek byl podporován z projektů IGA TP 08/2014 a IRP B-1402.