Aktuální vydání

celé číslo

01

2019

Automatizace v potravinářství a farmacii

celé číslo
Inspiromat pro výuku a Tecomat: co v učebnici automatizace nebylo (úvod)

V časopise Automa je zahajován naučný seriál s příklady a náměty pro výuku automatizace s využitím programovatelných automatů. Navazuje na právě dokončovanou elektronickou učebnici Automatizace pro střední školy. Rozšiřuje a aktualizuje její obsah, především o řešené příklady, zadání úloh pro samostatnou práci, provokující otázky a náměty pro výuku. Postupně zde budou otiskovány příspěvky od učitelů a studentů s řešením zadaných úloh, s novými úlohami, náměty a s diskusí. Měl by se postupně stát fórem pro vzájemnou komunikaci a diskusí o náplni a formách odborného vzdělávání studentů i pro celoživotní vzdělávání odborníků z praxe.  Motivace, cíle Aktuálním problémem mnoha českých firem je nedostatek kvalifikovaných technických pracovníků. Nejvýrazněji se projevuje v oboru automatizace, která je hybnou silou pokroku ve všech průmyslových odvětvích, ale nejenom zde. Obor automatizace se velmi rychle rozvíjí a kvalifikace odborníků rychle zastarává. To je problém nejenom odborných škol, ale i firem, které se automatizací zabývají. Nezbytné je proto celoživotní vzdělávání – odborníků praxe, ale i učitelů. V našich podmínkách je nejdostupnější forma „samostudia“. Ta ovšem předpokládá dostupnost aktuálních a srozumitelných textů a učebních pomůcek. Aktuální učební texty (samozřejmě) vyžaduje i výuka na odborných školách. V nejbližší době bude pro distribuci uvolněna elektronická učebnice Automatizace pro střední školy – ale je použitelná i pro jiné typy škol a pro zájemce z praxe. Zpracoval ji kolektiv autorů (převážně učitelů středních odborných škol) sdružených v Sekci učitelů automatizace při Českomoravské společnosti pro automatizaci. Vedoucím autorem je Ing. Miroslav Žilka, CSc., ředitel SPŠS Betlémská. Témata odpovídají obvyklému pojetí výuky automatizace na středních školách. Rozsah učebnice je však vždy omezený a kniha od svého vydání postupně stárne – i když elektronická verze dovoluje občasné aktualizace. Redakce časopisu Automa se rozhodla převzít úkol průběžné aktualizace témat z učebnice a „expanze“ jejího obsahu formou naučného seriálu.  Zaměření seriálu Seriál bude převážně obsahovat řešené příklady, zadání úloh k procvičování, náměty pro názornou výuku a pro samostatnou tvořivou práci – měl by být inspirací pro aktivní učitele i studenty. Proto je pojmenován „inspiromat“. Chceme, aby se stal platformou pro zpětnou vazbu, výměnu zkušeností a pro diskusi o formách výuky. Po skončení bude seriál vydán jako souhrnná publikace – podobně jako přecházející seriál Esperanto programátorů PLC, který je v elektronické i tištěné verzi dostupný v redakci časopisu Automa a ve firmě Teco (www.tecoacademy.cz). Rovněž seriál Inspiromat je připravován ve spolupráci s Teco a. s. v rámci jejího výukového projektu EDUtec, který byl založen již před 21 lety pro podporu výuky automatizace a pomoc odborným školám. Odtud pochází i autor počátečních částí seriálu, ale očekává se, že postupně se připojí spoluautoři z řad učitelů a snad (doufejme) i aktivních studentů odborných škol. Obr. 1. Programovatelný automat Tecomat Foxtrot je často využíván ve školních laboratořích (zde základní modul CP-1015) Spoluúčast firmy Teco – Tecomat, Mosaic a norma IEC EN 61131-3 Příklady a jejich programy jsou řešeny s použitím programovatelného automatu Tecomat Foxtrot a jsou programovány ve vývojovém systému Mosaic (www.tecomat.cz). Na odborných školách jsou rozšířené, oblíbené, uživatelsky přívětivé – a „mluví česky“ (dialogy vývojového systému, dokumentace i technická pomoc „od pramene“). Pro autora je důvod praktický – dostupnost systémů a informací v mateřské firmě a také příležitost ke spolupráci s aktivními učiteli. Proto byl název seriálu rozšířen na „Inspiromat pro vý­uku a Tecomat“, který lépe vystihuje jeho náplň. Měl by být ale srozumitelný i pro uživatele PLC jiných výrobců, protože norma IEC EN 61131-3 sjednocuje programovací jazyky moderních PLC, a je tedy jakýmsi esperantem jejich programátorů. V dalších odstavcích jsou přiblížena plánovaná témata.  Měření a řízení tepelných soustav Seriál o PLC začíná poněkud překvapivě pasáží o analogovém měření a řízení tepelných soustav. Programovatelné automaty jsou však zcela univerzální systémy. Měření analogových veličin a řízení spojitých soustav jsou již dávno jejich naprosto přirozenou doménou. Cílem této části seriálu je provokativně narušit ustálený postup výuky, kdy je důsledně oddělován výklad spojitých a diskrétních soustav (spojité a logické řízení). Tradiční výuka popisu a regulace spojitých dynamických soustav je založena na teorii, která je poměrně náročná (a mnohdy nepochopená). Za ní se studentům obvykle ztrácí samotná fyzikální podstata problému. Tepelné soustavy jsou rozšířené soustavy, se kterými se studenti kaž­dodenně setkávají, zejména v domácnostech a v technice budov. Uváděné příklady studentům dovolí „intuitivní“ pochopení vlastností a chování dynamických soustav. V praxi se mohou řídit alespoň „citem a selským rozumem“ i v případech, kdy potřebnou teorii „nestrávili“ nebo zapomněli. Tak se mohou alespoň trochu orientovat v běžných problémech praxe, např. při řešení úspor energie při vytápění nebo chlazení. Obr. 2. V laboratořích bývá Tecomat Foxtrot kompletován spolu s příslušenstvím do složitějších celků – zde do výukového kufříku (v případě potřeby lze desku s přístroji z kufříku vyjmout)  Kombinační logické funkce Nejprve bude uvedeno několik ukázek programů jednoduchých logických úloh ve všech jazycích normy IEC EN 61131-3 a v jazyku CFC – jako ilustrace jejich formy, možností, názornosti a úspornosti zápisu. Následovat budou příklady složitějších kombinačních funkcí, zapsané jen v progresivnějších jazycích ST, LD, CFC. Na příkladech budou ilustrovány úlohy syntézy kombinačních logických funkcí, které jsou obvykle prezentované jako postupy návrhu pevné logiky, ale stejně dobře jsou použitelné i při programování – od tabulky k logickému výrazu a programu, pravidla Booleovy algebry, minimum o minimalizaci, neúplné zadání, K-mapa, technicky významné logické funkce NAND, NOR, M2, XOR, parita, symetrické funkce a počítání jedniček. Vysvětlen bude i postup spočívající v přímé realizaci logické funkce tabulkou s využitím dat (vektorů a datových struktur).  Podmíněné příkazy: omezení a rizika Podmíněné příkazy typu if-then nebo if-then-else jsou v programátorské praxi často nadužívány. Programátoři si obvykle ani neuvědomují, že svým programem realizují logické funkce, ovšem velmi neefektivním a nepřehledným způsobem – a často s chybami. Příklady ilustrují rovnocennost programu s podmíněnými příkazy a programu s booleovskými výrazy. Upozorňují na rizika programátorských chyb, nechtěné paměťové chování a neúplné zadání.  Sekvenční logické funkce – základní pojmy, intuitivní návrh Sekvenční logické funkce se v praxi vyskytují častěji než kombinační. Na příkladech budou ilustrovány příčiny sekvenčního chování – zpětné vazby, podmíněné příkazy, nesousledná aktivace příkazů, zpožďovací linky, využití „historických vzorků“. Intuitivní postup návrhu sekvenčních funkcí bude ilustrovat použití funkčních bloků (generátory impulzů, paměťové funkce RS, SR, čítače a časovače), ale i využití systémových časových proměnných pro úlohy měření času a časové řízení.  Sekvenční systémy – systematický návrh Intuitivní návrh je vhodný jen pro řešení nepříliš složitých sekvenčních funkcí a skrývá v sobě četná rizika hrubých chyb. Mnohem výhodnější je použít systematický postup návrhu. Vychází z teorie konečných automatů a Petriho sítí. Při programování PLC se nejčastěji využívají nástroje SFC podle normy IEC EN 61131-3, popř. Grafcet. Pro ilustraci budou uvedena alternativní řešení k intuitivním postupům. Převažovat ale budou příklady řízení mechanismů různé složitosti – od řízení žaluzií, dveří a vrat až k řízením složitějších technologických a mechatronických soustav a učebních pomůcek, které se obvykle vyskytují v laboratořích. Příklady budou řešit nejenom základní požadavky na řízení, ale i ošetření chybových stavů a řešení úloh technické diagnostiky. Ilustrováno bude generování posloupností binárních signálů a jejich rozpoznávání. Obr. 3. Tecomat Foxtrot (vestavná verze) může být součástí i mobilního robotu nebo jiné mechanické pomůcky Sekvenční systémy – (nepovinná) teorie a souvislosti Pro zájemce jsou uvedeny základní po­jmy teorie, která se týká sekvenčních systémů –  teorie konečných automatů, typy automatů (se vstupní pamětí, Mooreho a Mealyho), souvislosti s programovými nástroji SFC, Grafcetem  a Petriho sítěmi, přechodová a výstupní funkce, grafy a tabulky, bitově a znakově orientované automaty, vyhodnocení posloupnosti tlačítek a znaků (rozpoznávání příkazů, kontrola obsluhy, překlady) deterministické a nedeterministické automaty, diagnostika a prediktivní diagnostika. Přechodové a výstupní funkce konečných automatů jsou kombinační logické funkce a jako takové je lze i realizovat – z tabulek přímo s využitím datových struktur. Podobně je možné řešit i programy časového řízení (časové procesory). Zajímavou třídou sekvenčních systémů jsou zpětnovazební registry, využívané jako generátory pseudonáhodných posloupností, a generátory kontrolních znaků při zabezpečení dat.  Shrnutí Rozsah jednotlivých témat a jejich přiřazení k číslům časopisu nelze předem určit. Je pravděpodobné, že sled témat bude občas přerušen nebo doplněn aktuálními texty – aktuální zprávou, popisem řešení zajímavé úlohy, náměty nebo připomínkami čtenářů. Věříme, že seriál bude užitečný. Budeme vděčni za spoluautorství, náměty a připomínky.   Ladislav Šmejkal (smejkal@automa.cz)

Kontrola barevného odstínu světlovodičů automobilového reflektoru

Osvětlení moderních automobilů využívá téměř výhradně optické díly vyrobené lisováním z plastu. Týká se to i světlovodů pro vytváření tvarovaných nebo jinak efektních světel. Výrobu optických komponent z plastu umožnily nové materiály a nové technologie vícefázového lisování. Přesto je výroba plastových optických komponent stále velmi náročná a ve výsledném výrobku se mohou objevit různé druhy vad. Jednou z těchto vad je i změna spektrální propustnosti materiálu výlisku. Projevuje se nejčastěji zežloutnutím způsobeným oxidací organických složek materiálu při nedodržení teplotně-časového diagramu lisovacího procesu. Nepatrné zežloutnutí nemá na funkci reflektoru žádný vliv, jde pouze o estetický nedostatek, který je však viditelný tím spíše, když se projeví na jednom z páru reflektorů. Cílem kontroly tedy není změřit spektrální propustnost absolutně, ale udržet výrobu světlovodů tak, aby jejich spektrální propustnost zůstala v definovaném okolí propustnosti kalibračního normálu. Obr. 1. Princip komparačního měření světlovodičePrincip měření ukazuje obr. 1. Měřením kalibračního světlovodu na standardním LED modulu se získá referenční bod v chromatickém diagramu podle CIE. Kolem něj je vytyčeno toleranční pole, např. ve tvaru obdélníku. Je-li barva světla vycházejícího ze světlovodu nasazeného na stejném LED modulu mimo toto toleranční pole, klasifikuje se světlovod jako neshodný – NOK (obr 2).Obr. 2. Diagram CIE s vyznačeným kalibračním bodem a povolenou tolerancí barvy (vlnová délka λ v nm) Vytyčení tolerančního pole v diagramu CIE je výhodné z hlediska jednoduchosti a názornosti; je zde přímo vidět změnu barevného odstínu. Tato výhoda má však i odvrácenou stranu: diagram CIE je pouze indikátorem shody barev, jak je vidí lidské oko. Jde tedy o jistý druh převodu subjektivního vjemu na objektivní hodnotu, založený na skutečnosti, že stejného barevného vjemu lze v lidském oku dosáhnout různými kombinacemi spektrálních (čistých) barev (metamerismus). V praxi se již od 30. let minulého století využívá trojice spektrálních barev, červená (R), zelená (G) a modrá (B), které umožňují srovnávací měření v komparačním kolorimetru. Protože pro část barevného vjemu je nutné použít složku R zápornou (červené světlo se musí přidávat ke světlu měřenému, nikoliv referenčnímu), byl zaveden přepočet složek RGB funkcemi color matching xŻ(λ), yŻ(λ) a zŻ(λ). Pomocí těchto funkcí lze pro libovolnou barvu vypočíst XYZ tristimulus, tedy hodnoty X, Y, Z, které barvu jednoznačně určují (obr 3).Obr. 3. Funkce color matching a charakteristiky kamery Grafickým vyjádřením normalizovaného XYZ tristimulu je právě chromatický diagram. Normalizace umožňuje převést trojrozměrný prostor XYZ tristimulu do dvojrozměrného grafu. Z něj lze určit všechny potřebné informace charakteristiky zobrazovaného světla, a navíc ve své nejrozšířenější podobě barvu i znázorňuje. Cesta od pohledu do komparačního kolorimetru k zobrazení barvy v chromatickém diagramu je tedy poměrně komplikovaná. Jak ji lze realizovat pomocí barevné kamery? Problém by byl elegantně vyřešen, kdyby charakteristiky barevné citlivosti buněk RGB kamery odpovídaly funkcím color matching. Výstupní signály RGB kamery by pak představovaly přímo XYZ tristimulus, neboť hodnota signálů RGB je úměrná integrovanému množství světla dopadajícího na světlocitlivou buňku pro příslušnou barvu. Charakteristiky kamery se ale obecně od funkcí color matching liší (obr. 3). Naštěstí se v této úloze měří v oblasti blízké bíle barvě, kde lze pro komparační měření uplatnit některá zjednodušení.Obr. 4. Perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu Komerční kamery obvykle poskytují funkci „vyvážení bílé“, která upraví zesílení složek tak, aby se výstupní signály v přiměřeném okolí vzorku bílé barvy blížily hodnotám funkcí color matching. Charakteristiky kamery jsou také nastaveny tak, aby v okolí bílé barvy chromatický diagram nevykazoval oproti standardnímu diagramu natočení. Natočení by totiž způsobilo zkreslení barev, které lidské oko vnímá jako nepřirozené. Výrobce kamery tedy zařídil, že se uživatel při transformaci charakteristik kamery do barevného prostoru funkcí color matching nemusí starat o posunutí a natočení. Měřítko se získá kalibrací s normálem OK světlovodu, neboť prováděné měření je komparační.Obr. 5. Oblast poklesu spektra světla prosvětlovací LED po průchodu zežloutlým plexisklem Další výhodou je, že právě v okolí bílé barvy je subjektivní citlivost oka na barevné změny poměrně malá. Na obr. 4 jsou ukázány relativní perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu (úsečky spojují barvy, mezi kterými člověk ještě nevnímá rozdíl). Je zřejmé, že právě na změnu bílé ve žlutou je oko málo citlivé. Kamera v této oblasti naopak dosahuje velké citlivosti. Žloutnutí světlovodu má za následek pokles původního spektra prosvětlovací LED v levé části, tedy v oblasti azurové barvy (obr. 5). Právě v této oblasti je však křivka modré barvy (B) nejstrmější a i malá změna azurové vyvolá velkou změnu výstupního signálu B.Obr. 6. Rozhranní aplikace pro měření zežloutnutí světlovodiče Na základě těchto úvah byla vytvořena aplikace pro kontrolu žloutnutí materiálu světlovodičů. Citlivost aplikace k měření barevného posuvu ke žluté barvě autoři testovali zajímavým způsobem. Jeden ze dvou kancelářských papírů nechali v temnotě, druhý vystavili na dvanáct hodin slunečnímu záření. Přestože okem nebylo zežloutnutí tohoto papíru viditelné, běžná kamera od firmy Basler je ve spojení s vytvořenou aplikací spolehlivě detekovala. Na obr. 6 je ukázáno rozhraní aplikace při detekci zežloutnutí papíru při kalibraci neosvětleným papírem.   Otto Havle, FCC průmyslové systémy Co znamená zkratka CIE? CIE, Commission Internationale de l’Éclairage, mezinárodní sdružení pro osvětlení, je nezisková a nezávislá organizace, která umožňuje celosvětovou spolupráci a výměnu vědeckých a technických informací v oblastech nauky o světle, světelných zdrojů, osvětlování, měření barev, vidění, fotobiologie a technik zpracování obrazu. Sdružení CIE bylo založeno v roce 1913 a v současné době sídlí ve Vídni. Více lze najít na webové stránce http://www.cie.co.at/. V roce 1931 vytvořilo sdružení CIE matematicky definovaný barevný prostor nazývaný CIE 1931 nebo CIE XYZ. Pomocí funkcí color matching přepočítává souřadnice prostoru RGB na XYZ tristimulus. Barevných prostorů však existuje velký počet. Například barevný prostor CIELAB vychází z CIE XYZ a z Munsellova barevného systému. Souřadnice CIELAB se ze souřadnic CIE XYZ vypočítají nelineární transformací a umožňují jednotněji popsat rozdíly barev. Lidské oko totiž není schopné rozlišit rozdíly některých barev, ale z obr. 4 je patrné, že tyto oblasti, nazývané MacAdamovy elipsy (v obrázku jsou zakresleny jejich hlavní a vedlejší osy), mají v diagramu CIE 1931 různou velikost a orientaci, což při posuzování a kvantifikaci rozdílu barev činí potíže.

Snímače teploty do prostředí se zvýšenými požadavky na hygienu a sanitaci

Článek doprovázející přehled trhu snímačů teploty splňujících zvýšené požadavky na hygienu a sanitaci popisuje funkční principy a uspořádání snímačů teploty, které musí vyhovovat požadavkům potravinářských a farmaceutických výrobních provozů, v nichž se používají čisticí a sanitační procesy CIP a SIP. V závěru článku jsou uvedeny hlavní zásady pro montáž snímačů teploty spolu s popisem dynamických vlastností snímačů.  Obecně o snímačích teploty Teplota je veličina, která ovlivňuje téměř všechny stavy a procesy v přírodě. Při měření teploty t se využívá vždy nepřímá metoda, při níž se přímo měří obecně jiná veličina A, která je na teplotě t závislá podle určitého vztahuA = f(t)    (1)  Vztah (1) může být více či méně složitý a z něho lze hodnotu teploty číselně vypočítat [1]. Základní jednotkou termodynamické teploty je kelvin (K). Nejčastěji se teplota měří ve stupních Celsia (°C). V USA se často používá Fahrenheitova teplotní stupnice s jednotkou stupeň Fahrenheita (°F). Pro přepočet platí vztaht(°F) = t (°C) × 1,8 + 32       (2) Snímač teploty jako konstrukční celek je tvořen několika součástmi. Základním prvkem je senzor teploty (čidlo). K měření teploty se využívá mnoho funkčních principů, které pokrývají široký rozsah měření teploty. V dalším textu je věnována pozornost senzorům teploty, které poskytují elektrický výstupní signál a jsou vhodné pro provozní měření teploty. Mezi takové senzory patří termoelektrické a odporové senzory teploty. Tyto senzory transformují teplotu na elektrický signál (napětí, proud, odpor) a jsou to nejčastěji používané senzory pro provozní měření teploty, pro čidla regulátorů při automatickém řízení teploty i pro moderní přenosné teploměry. Důležitou součástí snímače je vlastní instalační aparatura opatřená připojovací hlavicí a procesním připojením pro montáž do technologického zařízení. Elektrické analogové nebo číslicové obvody pro zpracování signálu ze senzoru se buď umisťují do hlavice snímače a tvoří pak s vlastním snímačem teploty jediný konstrukční celek, nebo jsou konstrukčně odděleny a uzpůsobeny např. pro uchycení na lištu, popř. tvoří samostatnou vyhodnocovací jednotku. Snímače mohou být vybaveny programovatelným převodníkem, digitální komunikací, obvody pro diagnostiku a bezdrátovou komunikací pro přenos dat. Senzor teploty se málokdy instaluje přímo do průmyslového technologického zařízení. Častěji je se umisťuje do teploměrové jímky, která jej chrání před nepříznivými provozními vlivy. Při umístění senzoru teploty do jímky jsou vždy ovlivněny jeho dynamické vlastnosti, jak je o tom pojednáno dále. Specifické požadavky jsou kladeny na aparatury snímačů používaných v potravinářských a farmaceutických výrobách, kde se kromě rychlé odezvy a vysoké přesnosti měření vyžaduje i pravidelné čištění a sterilizace aparatury. V těchto případech je důležitým faktorem splnění požadavků na hygienu a sanitaci výrobního zařízení.  Procesy CIP a SIP v potravinářských a farmaceutických výrobách Samozřejmým postupem v potravinářských a farmaceutických výrobních procesech je čištění a sterilizace výrobního zařízení. Proto jsou výrobní linky v mlékárnách, pivovarech, v nápojovém průmyslu a ve farmaceutických výrobách uzpůsobeny tak, aby vnitřní povrchy výrobního zařízení byly vyčištěny bez nutnosti demontáže (popř. s demontáží jen v omezeném rozsahu). Proces CIP (Clean-In-Place) je metoda čištění vnitřních povrchů potrubí, nádob, technologických zařízení, filtrů a příslušného vybavení bez demontáže. Výhodou procesu CIP je pro průmyslový podnik rychlejší čištění, méně náročné na pracovní sílu a opakovatelnější. Obsluha je při vyžití CIP méně vystavena rizikovým chemickým látkám. Zařízení pro čištění CIP se začala využívat nejprve při ručním řízení a zahrnovala např. vyrovnávací nádrž, odstředivé čerpadlo a připojení k čištěnému systému. Jednoduchá, ručně ovládaná zařízení CIP lze nalézt i dnes. Současné aparatury CIP zahrnují mnoho provozních nádrží, výměníků tepla, ventilů, snímačů, plně automatizované systémy s programovatelnými logickými řadiči, čidla pro získávání dat a speciálně navržené systémy trysek pro přívod čisticích kapalin. Čisticí operace se provádějí v řadě definovaných kroků. V závislosti na případu použití jsou čisticí kapaliny zahřáty na teplotu až 100 °C. Aby byly odstraněny všechny nečistoty, je zapotřebí turbulentní proud čisticího média, přičemž rychlosti průtoku se obvykle pohybují mezi 1,5 až 3 m/s. Proces SIP (Sterilization-In-Place), někdy nazývaný také Steam-In-Place, je rozšířením procesu CIP o dodatečnou sterilizaci bez nutnosti demontáže zařízení a měřicího zařízení. Po provedení čisticího postupu CIP se zařazuje sterilizace těch zařízení, na která jsou kladeny velké požadavky ohledně hygienické čistoty. Sterilizace je běžně vyžadována ve farmaceutickém průmyslu. Tento proces musí probíhat po dostatečně dlouhou dobu, aby byly všechny mikroorganismy usmrceny horkou vodou nebo nasycenou čistou párou při vysokých teplotách (>121 °C). Proces SIP se obvykle provádí parou dodávanou z parního generátoru. Někdy se však provádí chemická sterilizace vhodným médiem. Pro vlastní řízení postupů CIP a SIP musí být zařízení vybaveno potřebnou automatizační technikou (měření a řízení teploty a tlaku páry, popř. měření průtoku a složení čisticích médií). Parametry teploty, tlaku, průtoku, koncentrace a doby expozice musí být řízeny systémem, který lze nakonfigurovat s několika možnostmi pro zajištění parametrů čištění a sterilizace a ty provádět spolehlivým, opakovaným a ověřitelným způsobem. Pro monitorování a řízení jednotlivých fází procesů CIP a SIP se obvykle využívají vhodná PLC. Při použití materiálů, které jsou v kontaktu s potravinami, je nutné dodržovat závazná nařízení Evropského parlamentu ES--1935-2004 o materiálech a předmětech ve styku s potravinami, ES-10-2011 o materiálech z plastů a ES-2023-2006 o správné výrobní praxi. Dále existují nezávazné standardy EHEDG (Europen Hygienic Engineering and Design Group) pro zařízení a materiály ve styku s potravinami, jejichž cílem je přispět k zajišťování výroby bezpečných a kvalitních potravin.  Odporové senzory teploty U odporových senzorů teploty se využívá závislost hodnoty elektrického odporu na teplotě, přičemž vlastní senzor může být rea­lizován kovovým nebo polovodičovým rezistorem. Ve snímačích teploty pro potravinářské a farmaceutické výroby se nejčastěji využívají kovové odporové senzory vyrobené z platiny. Elektrický odpor R kovových vodičů vzrůstá s teplotou t. Pro čisté kovy je možné závislost vyjádřit polynomem se součiniteli A, B, CR = R0 (1 + A t  + B t2 + C t3 + ...)       (3)  kde R0 je odpor při vztažné teplotě 0 °C. Hodnoty součinitelů A, B, C pro platinový odporový teploměr jsou uvedeny v ČSN EN 60751. V technické praxi lze vystačit s aproximační rovnicí 2. stupně. Obr. 1. Drátový měřicí rezistor: a) schéma senzoru s přibližnými rozměry v mm, b) řez senzorem se čtyřvodičovým připojenímSenzorem odporového snímače teploty je buď měřicí rezistor vinutý z platinového drátku, nebo plošný rezistor vytvořený tenkovrstvou technologií. Drátový měřicí rezistor je tvořen spirálovitě stočeným tenkým platinovým drátkem (o průměru 0,05 mm), který je uložen do keramického tělíska (obr. 1). Základní odpor při 0 şC činí R0 = 100 Ω a prvek je obvykle označován jako Pt100. Měřicí rozsah je od –200 do 850 şC. Tenkovrstvý senzor má měřicí rezistor ve tvaru platinového meandru, který je vyroben moderní fotolitografickou metodou. Struktura senzoru je patrná z obr. 2. Platinový meandr je vytvořen na ploché korundové destičce technikou vakuového naprašování nebo napařování a iontového leptání platinové vrstvy. Elektrický odpor se přesně nastavuje laserovým trimováním. Skleněná krycí vrstva chrání citlivý platinový měřicí prvek před znečištěním a poškozením. Tenkovrstvé senzory teploty mají miniaturní rozměry a poskytují rychlejší odezvu než odpory drátové. Vyrábějí se nejen se základním odporem R0 = 100 Ω jako Pt100, ale i s větším odporem jako Pt500 či Pt1000. Měřicí rozsah bývá menší než u drátových senzorů, od –70 do 400 °C, popř. až do 600 °C [2]. Obr. 2. Tenkovrstvý odporový senzor: a) schéma senzoru, b) reálné provedení, c) přibližné rozměry v mmOproti tenkovrstvým senzorům jsou senzory s drátovým rezistorem časově stálejší, mají větší měřicí rozsah, ale horší dynamické vlastnosti a jsou náchylné na poškození při mechanických vibracích. Tenkovrstvé senzory mají zase velmi příznivé dynamické vlastnosti a vynikající odolnost proti vibracím. Provozní snímače teploty s odporovým senzorem Obr. 3. Snímače teploty pro hygienické aplikace: a) E+H iTherm TM411, b) Krohne Optitemp TRA H10, c) JUMO 90.2810Na trhu je k dispozici velké množství provozních snímačů teploty, které splňují požadavky potravinářských a farmaceutických linek na hygienu a sanitaci. Vesměs jde o snímače vybavené inteligentním převodníkem. Na obr. 3 je uvedeno několik ukázek. Modulární snímač teploty iTherm TM411 od společnosti Endress+Hauser (obr. 3a) může být osazen buď tenkovrstvým senzorem (–50 až 200 °C) s velmi rychlou odezvou (t90 = 1,5 s), nebo pro měření v širším rozsahu teplot (–200 až 600 °C) drátovým senzorem. V nabídce je více než 50 různých variant procesního připojení snímače. Snímač Optitemp TRA-H10 (obr. 3b), výrobek firmy Krohne, má odporový teplotní senzor umístěný v konci stonku, který je vyplněn teplonosnou pastou pro dosažení rychlejší odezvy a lepší odolnosti proti vibracím. V tomto provedení není senzor vyměnitelný (vyměnitelný senzor je u typu H20). Snímač pro potravinářský a farmaceutický průmysl typu 90.2810 od společnosti JUMO (obr. 3c) je možné vybavit adaptérem pro procesní připojení JUMO PEKA, který má certifikaci EHEDG. Příklady užití snímačů teploty i dalších snímačů provozních veličin spolu s názornými technologickými schématy z oblasti potravinářských a biotechnologických výrob je možné nalézt v materiálech firmy JUMO (www.jumo.de, na kartě Branchen/Industry). Další snímače spolu s vybranými technickými parametry najde čtenář v tabulce přehledu trhu na str. 30 a 31. Obr. 4. Samokalibrující se snímač TM371 (E+H): a) snímač TM371, b) schéma senzorové částiUnikátní vlastnosti vykazuje snímač iTherm TrustSens TM371 společnosti Endress+Hauser (obr. 4). Snímač je vybaven plně automatickou funkcí samokalibrace, která umožňuje monitorování teploty v hygienických a aseptických prostředích bez přerušení procesu a výrazně přispívá ke zvýšení přesnosti a spolehlivosti měření. Snímací jednotka tohoto přístroje je tvořena měřicím tenkovrstvým senzorem Pt100 spolu s vysoce přesným a dlouhodobě stabilním referenčním prvkem. Referenční prvek je vyroben z materiálu s definovanými feromagnetickými vlastnostmi, které se strmě mění při teplotě tzv. Curieho bodu. Tuto změnu lze elektronicky detekovat (např. podle změny elektrické kapacity materiálu). Referenční prvek ve snímači má teplotu Curieho bodu 118 °C. Při sterilizaci SIP je technologické zařízení vyhřáté horkou párou na teplotu vyšší než 121 °C. Poté při poklesu teploty na hodnotu 118 °C vyšle referenční prvek řídicí signál, platinový senzor současně změří aktuální teplotu. Porovnáním těchto dvou hodnot se provede kontrolní kalibrace tenkovrstvého platinového senzoru. Je-li odchylka měřené hodnoty mimo nastavené rozmezí, vyšle teploměr poruchové hlášení a současně je tento stav indikován červenou LED na hlavici snímače. Detailní popis snímače TM371 a jeho funkce je uveden v [3]. Obr. 5. Snímač teploty s diagnostickým výstupem (www.ifm.com/cz): a) schéma snímače, b) snímač řady TADLepší provozní spolehlivosti inteligentních snímačů teploty je možné dosáhnout také duál­ním provedením, tedy použitím dvou různých senzorových prvků, které se v průběhu procesu navzájem sledují. Tato diagnostická metoda zaznamená případnou odchylku senzoru. Duální provedení plní i zálohovací funkci. V případě poruchy jednoho ze senzorů může měření pokračovat s druhým senzorem. Snímač tohoto typu od firmy ifm electronic je na obr. 5 [4].  Montáž snímačů do technologické aparatury Jedním ze základních předpokladů správného měření teploty je vhodné umístění snímačů teploty do jednotlivých částí aparatury, a to tak, aby byl zajištěn správný přestup tepla a dokonalý styk s měřeným prostředím. Měřicí místo musí být voleno s ohledem na snadnou montáž, demontáž a údržbu snímače teploty. Obr. 6. Zabudování snímače teploty do potrubíPro zvýšení přestupu tepla se teploměr umisťuje do místa s vyšší rychlostí proudění, a nikoliv do koutů bez proudění. Senzor teploměru má zasahovat přibližně do osy potrubí. Do potrubí větších průměrů se umisťuje teploměr kolmo na směr proudění (obr. 6a) s odchylkou od kolmice minimálně o úhel 3°, aby se zajistilo samovypouštění kapaliny. U potrubí menších průměrů (do 200 mm) se umisťuje teploměr šikmo (pod úhlem 45o) proti směru proudění (obr. 6c), popř. do kolena potrubí proti směru proudění (obr. 6b). Při měření teploty kapalin v nádobách je třeba měřenou kapalinu míchat, aby byl zvětšen součinitel přestupu tepla a aby bylo dosaženo homogenního teplotního pole. Ztráty tepla vedením se omezí dostatečným ponorem teploměru. Obr. 7. Základní typy teploměrových jímek (upraveno podle [5])Při provozním měření je nutné velmi často umístit snímač teploty do teploměrové jímky, která chrání teploměr před mechanickými a chemickými vlivy způsobenými např. změnami tlaku či agresivními chemickými vlastnostmi média. Teploměrové jímky jsou v podstatě uzavřené kovové trubky válcového nebo kuželovitého tvaru, které jsou nainstalovány do potrubí nebo do technologických aparatur a stávají se jejich nedílnou součástí. Nejčastěji používané typy teploměro­vých jímek (přírubová, závitová a navařovací) jsou schematicky znázorněny na obr. 7, v pravé části obrázku jsou ukázky teploměrných jímek od společnosti Emerson [5]. Při volbě materiálu jímky je třeba respektovat vlastnosti provozního média, rozmezí pracovní teploty a kompatibilitu s materiálem provozní aparatury. Z teploměrové jímky lze snímač snadno vyjmout např. při kalibraci nebo jeho výměně, aniž by bylo nutné narušit výrobní proces a aparaturu vyprázdnit. Pro zvýšení ochrany proti korozi a erozi bývají kovové jímky potaženy vhodným materiálem, např. plastem nebo smaltem, což se ale projeví zhoršením dynamických vlastností. Obr. 8. Dynamické vlastnosti snímačů teploty s teploměrovou jímkou (upraveno podle [6])Umístění snímače teploty do jímky vždy značně ovlivní jeho dynamické vlastnosti. Je to způsobeno tím, že hmotnost jímky bývá mnohdy několikanásobně větší než hmotnost vlastního senzoru a je dominantním faktorem rychlosti odezvy celého snímače. Na obr. 8 je ukázáno, jak způsob instalace snímače významně ovlivní časový průběh odezvy teploměru. Odezva na skokovou změnu teploty proudící vody byla měřena a) měřicí vložkou s odporovým teploměrem Pt100 v kovovém ochranném pouzdru o průměru 6 mm, b) měřicí vložkou vloženou do kovové teploměrové jímky, c) měřicí vložkou v teploměrové jímce opatřené ještě ochrannou plastovou vrstvou zabraňující korozi snímače [6]. Pro správné vyhodnocení teploty je nutné uvažovat vzniklou dynamickou chybu.  Souhrn a závěr Nejčastěji využívaným typem senzoru ve snímačích teploty, které jsou určeny pro potravinářské a farmaceutické výrobní provozy, jsou tenkovrstvé platinové senzory. Jejich vlastnosti zaručují požadovanou přesnost měření, mají velmi příznivé dynamické vlastnosti a výborně odolávají mechanickým vibracím.  Literatura: [1] KADLEC, K. Měření teploty. Měření a řízení chemických, potravinářských a biotechnologických procesů. Ed. K. KADLEC, M. KMÍNEK, P. KADLEC. Ostrava: Key Publishing, 2017. [2] JUMO. Teplotní senzory v provedení platinových čipů s připojovacími vodiči podle DIN EN 60751. [online]. [cit. 2018-4-19]. Dostupné z: http://www.jumo.cz/produkty/teplota/platinov%C3%A1-teplotn%C3%AD-cidla/2917/tenkovrstv%C3%A1.html [3] PROKEL, D. Samokalibrující se snímač teploty iTherm TrustSens TM371. Automa. 2018, (2-3), 34–35. [4] ifm. Teplotní senzory od ifm. Katalog ifm electronic. 2015, 07. [5] ROSEMOUNT. The Engineer’s Guide to Industrial Temperature Measurement. Ed. Emerson Process Management. 2013. [6] ABB. Industrial temperature measurement. Basics and practice. Ed. ABB 03/TEMP-EN Rev. D 09.2013.   doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha (karel.kadlec@vscht.cz)  

Univerzální simulační model obecného výrobního úseku

Jednou z časově i odborně náročných fází realizace simulační studie je tvorba simulačního modelu. Přes snahu tento proces automatizovat [1] a tím i urychlit byla doposud vyvinuta řešení, která většinou nelze využít obecně bez ohledu na předmět simulace (typ výrobního systému nahrazovaného modelem). Tyto automatizační mechanismy se spíše zaměřují na samotnou práci v simulačním prostředí (software), kde je snahou nahradit opakované rutinní činnosti algoritmem, který vykoná (část) sestavení simulačního modelu automaticky. Alternativní přístup prezentuje tento příspěvek, který pojednává o simulačním modelu umožňujícím na základě vhodné parametrizace rekonstruovat v simulačním prostředí materiálový tok, jehož charakteristiky mohou mít libovolný tvar a hodnoty. Universal simulation model of a general production section: One of the phases within realization of a simulation project is the creation of simulation model itself. Despite the effort to automate [1] and thus accelerate this process, so far, solutions have been developed, which usually cannot be generally applied regardless of the subject of simulation (type of the production system which is to be imitated by the model). These automation mechanisms are more focused on the use of the particular simulation software while trying to replace routine repetitive activities by an algorithm which accomplishes (part of) the creation of the simulation model automatically. An alternative approach is presented in this article, which deals with a simulation model that allows to reconstruct material flow (simulated by the use of a suitable software) of arbitrary form and readings of its characteristics based on appropriate parameterization.1. ÚvodČasto řešená úloha, a to nejen v automobilovém průmyslu, který patří mezi průkopníky ve využití simulace materiálového toku a v inovacích přístupů k němu (za účelem optimalizace testovaných výrobních a logistických procesů), je posouzení nutné kapacity pro mezioperační zásoby oddělující technologické úseky (typicky svařovnu, lakovnu a montáž) a také ověření náběhových a výběhových scénářů, kdy je v průběhu času plynule měněn výrobní program (vzájemný podíl typů výrobků, které vyžadují odlišné technologické postupy, řídí se jinou logikou materiálového toku, směnovým režimem výroby atd.) [2]. Obvykle je nutné posoudit desítky až stovky scénářů, které se liší v zásadních parametrech – vyjádřitelných numericky, jako jsou plán výroby, směnový režim v jednotlivých výrobních úsecích či technologické časy (coby funkce typu výrobku pro každou operaci), nebo v parametrech logických, jako jsou pravidla řízení materiálového toku a další.Vytvářet detailní simulační model, který zohlední veškeré tyto parametry, je možné, avšak často nevyhovující vzhledem k časovému rámci vyhrazenému pro provedení simulačních experimentů a zpracování jejich výsledků [3]. Navíc takový model často není univerzální, a tudíž ani opakovatelně využitelný v příštích projektech.Řešením tohoto problému je vytvoření simulačního modelu, jehož pouhou parametrizací (nikoliv úpravou struktury) lze dosáhnout ve značném rozsahu změn chování, které ve smyslu validace odpovídají požadovaným parametrům materiálového toku, resp. impulzů (např. odvolávek materiálu). Stejně jako první otázka při realizaci simulační studie zjišťuje, zda je vůbec metoda simulace vhodným přístupem k řešení problému, i v případě návrhu popisovaného modelu byl nejprve proveden kritický rozbor dostupných funkcí základních prvků použitého simulačního softwaru (Plant Simulation) s ohledem na dosažitelnost variability jejich chování. 2. Požadavky na univerzální simulační modelStandardní prvek source pro generování entit, jež reprezentují jednotky (diskrétního) materiálového toku v prostředí Plant Simulation, umožňuje variabilní parametrizaci, díky které jsou typy entit materiálu generovány podle pevného výrobního programu, náhodně nebo cyklicky, a to v konstantních či (pseudo)náhodných časových intervalech, popř. podle přesně stanoveného harmonogramu. Nevýhodou je relativně nesnadná parametrizace v případě komplexních scénářů, které navíc mají zahrnovat např. dodržení směnových režimů, korekci podle dosažené produkce v definovaných časových intervalech vzhledem k zohlednění náhodných prostojů atd. Na obr. 1 jsou zachyceny jednotlivé požadavky na takovou funkci (vpravo) v porovnání se standardním řešením (vlevo).Obr. 1. Přehled rozsahu parametrizace standardního prvku a požadovaných funkcíDosažení těchto požadavků bylo řešeno ve dvou krocích. Prvním byl vývoj v prostředí Microsoft Excel, jehož výsledkem je šablona, podle níž je možné nejen přehledně nastavovat všechny parametry týkající se požadovaného způsobu generování materiálového toku, ale také validovat správnost a konzistenci zadaných parametrů. Uživatel tak ještě před převodem parametrů do prostředí Plant Simulation (mezi softwarem Plant Simulation a editorem Microsoft Excel je standardní komunikační rozhraní) získá grafický náhled, díky kterému lze snadněji validovat správnost následných výstupů simulačního modelu (obr. 2).Obr. 2. Prostředí pro parametrizaci generovaného materiálového toku vyvinuté v MS Excel Druhým krokem byl návrh a implementace konceptu v prostředí Plant Simulation. Hlavním požadavkem byla modularita univerzálního modelu. Vytvořený model tedy obsahuje šest modulů (viz číselné označení na obr. 3), z nichž pouze první dva jsou nezbytnou komponentou modelu, neboť zajišťují veškeré funkce spojené s parametrizací a statistickým sledováním dosahované produkce v průběhu simulace. Obr. 3. Modulární struktura univerzálního simulačního modelu Při aktivaci modulu 3 jsou za běhu k dispozici grafické charakteristiky materiálového toku, které usnadňují validaci modelu, resp. jeho požadovaného nastavení. Příklad těchto grafických analýz včetně vysvětlení informační hodnoty grafů je na obr. 4 až obr. 6. Rovněž moduly 4 a 5 jsou využitelné zejména ve fázi verifikace modelu s danými parametry. Zaznamenávají generované impulzy, které je následně možné vhodným nástrojem analyzovat a výsledné hodnoty porovnávat s požadovaným nastavením [4], [5]. Modul 6 je určen k průběžnému záznamu veškerých událostí v simulačním modelu. Při validaci modelu byl využit ve fázi ladění. Ponechán byl pro případné budoucí rozšíření modelu o další funkce, kdy bude opět nutné model odladit. Funkce modulů 3 až 6 je založena na tzv. instrumentaci modelu, tedy na rozšíření programu logického řízení o možnost záznamu provedení příslušných příkazů. Obr. 4. Počty typů na výstupu v jednotlivých dnechObr. 5. Přehled manka oproti plánované produkci v jednotlivých obdobíchObr. 6. Přehled časového profilu instancí na výstupu3. Další usnadňující funkceVýrazným usnadněním práce se simulačním modelem je využití již zmíněného parametrizačního prostředí v MS Excel. Pokud jde o parametrizaci, umožňuje navíc model ukládat neomezený počet alternativních scénářů, z nichž každý je reprezentován nejen parametry vztahujícími se k požadované produkci entit materiálového toku (či generování impulzů), ale také dalšími parametry nastavení modelu, jako jsou zejména:využitelnost (v procentech) a střední doba trvání prostojů;způsob zohlednění deficitu nebo přebytku, jichž bylo dosaženo náhodnými prostoji vykazujícími odchylku od stanovených parametrů využitelnosti a střední doby trvání, kdy:deficity (přebytky) nejsou korigovány,deficit je kompenzován v následujícím období navýšením původního plánu produkce – se zohledněním deficitního typu a jeho zařazení do výrobního plánu nadcházejícího období či bez ohledu na ně;tvorba sekvence při stanovení několika typů ve výrobním programu;způsob navazování produkce v následujícím období s ohledem na poslední typ předchozího období.Nastavitelné je rovněž využití či deaktivace jednotlivých modulů (viz předchozí kapitola), stejně jako možnost deaktivace celého modelu jako instance vložené coby dílčí model do celkového simulačního modelu určitého výrobního systému. I to jsou parametry, jejichž hodnoty lze zvolit v alternativních scénářích.Mezi jednotlivými scénáři je možné volit s využitím volně programovatelného uživatelského rozhraní (v prostředí Plant Simulation) – viz obr. 7. Parametry lze rovněž kopírovat z jednoho simulačního modelu do jeho dalších instancí v prostředí Plant Simulation pouhým přetažením (drag and drop). Odpadá tak relativně zdlouhavý proces nastavení hodnot veškerých parametrů. Obr. 7. Centrální parametrizace instancí simulačního modelu, varianty nastavení4. Využití v simulačních projektechVytvořený simulační model lze univerzálně využít jako dostatečnou náhradu, která zastupuje detailní model materiálového toku v určitém výrobním úseku. Již bylo naznačeno, že v automobilovém průmyslu jsou těmito úseky typicky oblast svařoven, lakoven a montážních hal. Schéma na obr. 8 ukazuje, že z pohledu materiálového toku, resp. jeho řízení podle určité logiky, je přípustná náhrada celého systému v místech tzv. evidenčních bodů, ve kterých je materiál při průchodu zaznamenán (přičemž záznamy mohou být následně analyzovány). Více o evidenčních bodech pojednává [4]. Vyvinutý model rovněž může namísto elementů materiálu v prostředí simulačního softwaru generovat signály, které lze využít pro spuštění příkazů řídících materiálový tok (prostřední část schématu).Obr. 8. Princip náhrady detailního modelu výrobního úseku univerzálním modelemVe smyslu tohoto principu byly v reálném projektu (simulační studie) nahrazeny detailní simulační modely úseků svařoven a montáží instancemi vyvinutého univerzálního simulačního modelu (obr. 9). Tyto instance generují elementy materiálového toku na straně svařoven a naopak vydávají signály pro vstup příslušných elementů (představujících karoserie) do oblasti montáže. Instance popisovaného modelu, řešené jako detailní simulační model na úrovni dopravníkové techniky, jsou rovněž použity v oblasti lakovny. V tomto případě je jejich úkolem změna logiky řízení simulovaného materiálového toku lakovnou v určitých časových okamžicích. Obr. 9. Náhrada detailních simulačních modelů úseků svařoven a montáží 5. ZávěrČlánek pojednává o univerzálním simulačním modelu, který dovoluje pomocí vhodné parametrizace rekonstruovat v simulačním prostředí materiálový tok, jehož charakteristiky mohou mít libovolný tvar a hodnoty. Detailní simulační model je tak možné nahradit jednodušší formou, která poskytuje dostatečnou přesnost charakteristik materiálového toku, resp. signálů pro řídicí logiku. Vyvinutý simulační model navíc obsahuje mnoho užitečných funkcí usnadňujících jeho nastavení, jako je rozhraní pro parametrizační tabulku v MS Excel nebo možnost zadat neomezený počet alternativních scénářů, které lze následně mezi jednotlivými instancemi kopírovat a přepínat mezi nimi.Další vývoj bude směřovat k doplňujícím algoritmům pro stanovení požadované sekvence typů generovaných elementů materiálového toku a s tím souvisejícímu rozšíření grafických výstupů, které již v současné verzi modelu poskytují užitečnou zpětnou vazbu o správné funkci modelu, a to jak během simulace, tak po jejím ukončení, kdy jsou grafy doplněny údaji o hodnotách statistik generované produkce. Literatura:[1] WENZEL, Sigrid, Markus RABE a Sven SPIECKERMANN. Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik: Vorgehensmodelle und Techniken. Berlin: Springer, 2007. ISBN 978-354-0352-815.[2] CLAUSING, Matthias a Stefan HEINRICH. Mensch, Maschine, Material – die Standardisierung der Ablaufsimulation in der Automobilindustrie. ProduktDatenJournal [online]. Darmstadt: Prostep Ivip Verein, 2008, (1), s. 23–25 [cit. 2018-03-15]. ISSN 1436-0403. Dostupné z: https://www.simplan.de/wp-content/uploads/2008_01_ProduktDatenJournal.pdf[3] HLOSKA, Jiří. Optimalizace materiálového toku v hromadné výrobě simulačními metodami. Brno, 2014. Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství. Vedoucí práce Miroslav Škopán.[4] ŠTOČEK, Jiří a Vladimír KARPETA. Systémová analýza dat o průchodu zakázky evidenčními body. Automa: časopis pro automatizační techniku. Praha: FCC Public, 2010, (6), s. 8–10. ISSN 1210- 9592.[5] HLOSKA, Jiří. Analýza a rekonstrukce logistických procesů pomocí simulačního metamodelu. 1, Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2011. In: Sborník přednášek XXXVII. mezinárodní konference dopravních, manipulačních, stavebních a zemědělských strojů: sborník přednášek: 14.–15. září 2011. Brno: VUT Brno, 2011, s. 91–94. ISBN 978-80-214-4323-5. Ing. Jiří Štoček, Ph.D.,odborný koordinátor pro virtuální plánování, ŠKODA AUTO a. s. (jiri.stocek@skoda-auto.cz), Ing. Jiří Hloska, Ph.D., specialista pro simulace, EDAG Production Solutions CZ s. r. o. (jiri.hloska@vutbr.cz) 

IO-Link Safety se standardizovaným rozhraním SMI

Článek vysvětluje princip komunikace IO-Link Safety pro úlohy zajišťující funkční bezpečnost, shrnuje její přednosti, popisuje současný stav standardizace a seznamuje s prioritami dalšího vývoje příslušné pracovní skupiny IO-Link Safety sdružení IO-Link Community. Rychlý růst počtu zařízení využívajících rozhraní IO-Link pokračuje. Ke konci roku 2017 bylo registrováno více než osm milionů zařízení a očekává se, že v příštích letech jejich počet dále poroste. Také proto se sdružení IO-Link Community v posledních několika letech systematicky zabývá funkčně bezpečnou komunikací – od úvodních studií až po hloubkovou analýzu potřeb trhu. Na tvorbě technické specifikace IO-Link Safety – rozšíření systému, která byla zveřejněna v dubnu 2017, se podílelo více než dvacet průmyslových společností etablovaných v oboru funkční bezpečnosti. Koncept funkčně bezpečné komunikace byl předem ověřen německou akreditační společností TÜV Süd. Co se od té doby událo?Agenda pracovní skupiny IO-Link Safety má tři hlavní témata:proveditelnost konceptu v různých architekturách zařízení IO-Link,nové standardizované rozhraní pro řídicí jednotky – Master (SMI – Standardized Master Interface), požadované zákazníky,specifikace testů (včetně testovacích zařízení). Klasická funkčně bezpečná komunikaceV tomto článku bude představen koncept IO-Link Safety a několik jeho významných předností. Výchozím bodem je klasické propojení jednoduchých bezpečnostních zařízení k jednotce vzdálených I/O (RIO – Remote Input/Output) s provozní sběrnicí prostřednictvím komunikačního profilu funkční bezpečnosti FSCP (Functional Safety Communication Profile), jak je ukázáno vlevo na obr. 1.V závislosti na typu snímačů a akčních členů jsou pro implementaci moderních bezpečnostních systémů požadovány funkčně bezpečné analogové vstupy (FS AI), funkčně bezpečné analogové výstupy (FS AO), funkčně bezpečné digitální vstupy (FS DI) a funkčně bezpečné digitální výstupy (FS DO). Stejně jako v případě základního systému IO-Link je však i u verze IO-Link Safety spektrum I/O modulů omezeno na jediný typ (FS Master), jak je vidět na obr. 1.Obr. 1. Funkčně bezpečné moduly vzdálených I/OAž dosud byla funkční bezpečnost v automatizaci charakterizována funkcemi bezpečnostního vypnutí, jako jsou „bezpečné odpojení“, „bezpečné zastavení“ apod. K jejich rea­lizaci byly třeba binární snímače, jako jsou koncové spínače, světelné závory nebo laserové skenery. IO-Link Safety umožňuje bezpečně sbírat data z více analogových snímačů, a bezpečnostní řídicí systém se tak může lépe rozhodnout, zda je skutečně vyžadováno bezpečné odpojení, nebo zastavení. Proč IO-Link Safety?Obecně vzato, tento druh úloh může být také implementován prostřednictvím bezpečnostních provozních zařízení s protokolem FSCP na úrovni provozní sběrnice. Ovšem v současné době je po celém světě již více než deset různých FSCP, často s regionálním významem (viz EN 61784-3 Industrial communication networks – Profiles – Part 3: Functional safety fieldbuses – General rules and profile definitions). Pro výrobce zařízení, jestliže se snaží uplatnit na světovém trhu, to s sebou nese zvýšené náklady na vývoj komunikačních rozhraní.Obr. 2. Univerzální bezpečnostní zařízení FS Device pro všechny komunikační profily FSCPNa obr. 2 je ukázáno řešení prostřednictvím IO-Link Safety. Univerzální bezpečnostní zařízení FS Device jsou tak kompatibilní se všemi profily FSCP – stačí, že existuje jen jediná řídicí jednotka FS Master s daným FSCP. Protože jednotky IO-Link Master pro specifické sběrnice vyvíjejí obvykle specializovaní výrobci, je přirozené, že se tito výrobci starají také o jejich bezpečnostní verze FS Master. Výrobci bezpečnostních zařízení FS Device se tak mohou plně soustředit na bezpečnostní úlohy vykonávané jejich zařízeními.Než se vytvoří trh s těmito zařízeními, bude určitou dobu trvat. V tomto procesu může pomoci strategie migrace k IO-Link Safety. Nedávná historie konceptu IO-Link zahrnuje přechod od tzv. spínacího režimu (SIO – switching I/O) ke komunikačnímu režimu IO-Link. Znamená to, že zařízení mohou být připojena jak ve spínacím režimu ke klasickému modulu digitálních vstupů a výstupů, tak v komunikačním režimu k jednotce IO-Link Master. Bezpečnostní snímače se spínacím výstupem – OSSDBezpečnostní snímače se spínacím výstupem jsou rovněž označovány zkratkou OSSD (Output Switching Sensing Devices). Jejich redundantní signály původně pocházely z reléových výstupů. Relé byla spínána navzájem antivalentně – to umožňovalo detekovat poruchu kabelu. Když však došlo k přechodu k elektronickým zařízením (OSSDe), objevily se také ekvivalentně spínané signály, protože při ztrátě napájení elektronického modulu antivalentní spínání není možné využít. K detekci poruch nyní slouží krátké, rovnoměrně rozložené testovací pulzy, které jsou zařízením zpětně zaznamenávány a vyhodnocovány.U IO-Link Safety bylo rozhodnuto omezit různá dosavadní řešení testovacích pulzů na jednu specifikaci: Type C Class 1, která pokrývá většinu úloh vyskytujících se na trhu a je definována v dokumentu CB24I německého sdružení ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie). Vzhledem k tomu, že maximální dovolená délka kabelů IO-Link je 20 m, je kontrola kabelu těmito testovacími pulzy snadná. Komunikace IO-Link Safety by tak měla mít velmi stabilní provoz a realizace komunikačního systému pro uživatele by se měla zjednodušit, protože nebudou zapotřebí filtry nebo nastavení časové odchylky (rozložení dvou signálů v čase).V IO-Link Safety je pro druhý signál OSSD určen pin 2 konektoru M12. To je ve shodě se specifikací sdružení německého automobilového průmyslu AIDA (Automatisierungsinitiative der deutschen Automobielhersteller). Komunikace IO-Link SafetyV komunikačním režimu se pro IO-Link Safety používá osvědčený princip black channel, jak je uvedeno na obr. 3. Zabezpečená komunikační vrstva je umístěna nad existující komunikační stack IO-Link Master a IO-Link Device. Kromě vlastní bezpečnostní úlohy tato vrstva obsahuje stavový automat pro přijetí a přenos zabezpečených dat (bezpečnostní PDU – Protocol Data Unit) zahrnující zabezpečená provozní data a dodatečný zabezpečovací kód. V protokolu se kontroluje včasné přijetí nových dat a zjišťuje se, zda pocházejí od správného vysílajícího zařízení a zda nebyla po cestě změněna.Obr. 3. Princip „black channel“ IO-Link SafetyIO-Link Safety používá dva formáty protokolu. První formát je vhodný pro malé objemy dat do tří oktetů (osmic bitů), čemuž odpovídá i kratší bezpečnostní kód, zatímco druhý je pro až 25 oktetů s delším bezpečnostním kódem.Na obr. 3 je také znázorněno propojení vrstvy komunikace IO-Link Safety zařízení FS Master s vyšší vrstvou protokolu FSCP provozní sběrnice. Obě vrstvy mohou být implementovány jako software, např. v jedné redundantní jednotce. Standardizované rozhraní řídicí jednotky SMIV uplynulých letech vyžadovali významní zákazníci zlepšení harmonizace chování jednotek IO-Link Master a možnost provozovat jednotky IO-Link Master od různých výrobců prostřednictvím jednotného nástroje IO-Link Master Tool (IO-Link Master Tool je aplikace, která se instaluje do počítače a je určena ke konfiguraci a nastavování parametrů komunikace IO-Link). Protože specifikace IO-Link byla navržena a vydána již před několika lety, specializovala se na provozní sběrnice, z nichž jen málo bylo tehdy založeno na Ethernetu. Dosud nebylo možné najít vhodné řešení, protože k tomu bylo k dispozici málo znalostí a zkušeností. To se nyní mění. Provozní sběrnice založené na Ethernetu se již staly běžnými a byly získány zkušenosti se „zakotvením“ IO-Link do provozních sběrnic.Na obr. 4 jsou znázorněny horní vrstvy jednotky IO-Link Master (v tomto případě je to FS Master), které se skládají z konfiguračního manageru, podpory parametrických dat, acyklické komunikace, diagnostické jednotky a cyklické výměny provozních dat. 4. Standardizované rozhraní řídicí jednotky Master (SMI)Rozhraní SMI specifikuje pro každou z těchto jednotek standardizované služby, které mohou být volány z komunikační brány. Komunikační brána zajišťuje přizpůsobení odpovídajícímu uživatelskému protokolu. Pro bezpečnostní PLC je tímto protokolem FSCP jeho provozní sběrnice. Například pro FS Master Tool je to ethernetový protokol definovaný uživatelem.IO-Link Safety rozšiřuje standardní SMI pro konfigurační manager, např. pro konfiguraci nezbytných bezpečnostních parametrů. Speciální funkcí je splitter/composer pro výměnu cyklických provozních dat. Zde jsou v přijaté zprávě IO-Link oddělena data bezpečnostní jednotky PDU od běžných provozních dat nebo jsou naopak složena před odesláním zkomponované zprávy.Pro IO-Link Safety má SMI zásadní význam. Díky specifikaci SMI pro FS Master, která je nyní velmi detailní, může být vyhodnocení bezpečnosti přesunuto z implementační úrovně na úroveň specifikace, čímž se vlastní implementace výrazně zjednoduší. Vývojová sada, nebo specializovaný dodavatel?Sdružení IO-Link Community je v příznivé pozici k tomu, aby se stalo řídicí silou zaštiťující přípravu vývojové sady pro IO-Link Safety. Mezi členskými firmami jsou specializovaní dodavatelé, kteří jsou ochotni asistovat v počáteční fázi vývoje zařízení a nabídnout potřebné technické komponenty (stacky). Pro více informací lze navštívit www.io-link.com. Specifikace testů a testování protokoluV důsledku těchto inovací bylo třeba doplnit také nové postupy testování. V počáteční fázi vývoje jsou na počítači simulovány oba stavové stroje s cílem generovat testovací vzorky pro automatizované testování protokolu. Testovací vzorky jsou optimalizovány tak, aby doba testování nebyla zbytečně dlouhá. Další práce na verzi 1.1 IO-Link SafetyIntegrace SMI do verze 1.1 specifikace IO-Link Safety byla dokončena. Nyní prochází mezinárodním posouzením, které bude trvat několik měsíců. Posuzovaná specifikace je dostupná na www.io-link.com. V protokolu samotném se nic významného nezměnilo.Současně bylo v testovacích laboratořích provedeno doplňující zhodnocení konceptu. Publikace výsledků se očekává v příštích měsících.  Dr. Wolfgang Stripf, vedoucí projektové skupiny IO-Link Safety IO-Link Community

Optimalizovaný tok informací zvyšuje produktivitu: Syngineer propojuje světy

V době průmyslu 4.0 by se měly technické obory rozvíjet společně. Avšak jak překonat současné hranice mezi obory? Software Syngineer (obr. 1) zaručí, že se elektrokonstruktéři mnohem snadněji domluví se strojními inženýry, technology a pracovníky dalších oddělení při přípravě digitální podoby výrobku. Cloudový nástroj se postará o lepší komunikaci a současně optimalizuje mezioborovou spolupráci při navrhování strojů a systémů. Obr. 1. Syngineer dokumentuje stav projektu – zde je znázorněn příklad elektrického schématu, kde jsou informace oboustranně sdíleny mezi elektrokonstruktéry a strojními konstruktéry Pro mnoho konstruktérů je nejdůležitějším a každodenním úkolem nejen konstruovat podle požadavků zákazníků, ale současně i přijímat a předávat informace mezi odděleními v podniku i mimo něj. Syngineer, inovativní cloudové řešení, jim pomáhá se s tímto úkolem vypořádat. Software urychluje a zjednodušuje koordinování vývojových prací – zvláště návrhu mechanické konstrukce, elektrokonstrukce, programování PLC a tvorby softwaru. Systém zaručuje lepší spolupráci tím, že podporuje výměnu informací mezi jednotlivými odděleními. Tak také redukuje množství manuální práce, jež se často objeví na poslední chvíli, a je proto obzvlášť nákladná.  Jednoduchý systém zajistí lepší přehled při navrhování strojů a systémů Syngineer poskytuje uživatelům projektový přístup a jeho implementace je jednoduchá. „Propojení mezi softwarem MCAD a systémem EPLAN Electric P8 prostřednictvím aplikace Syngineer je jednoduché a snadno se používá,“ říká Max Lützel, Team Lead Consulting Syngineer firmy Eplan. „Už po velmi krátké době jsou kolegové schopni zjistit například to, zda byl motor původně navržený v projektu později vyměněn za jiný.“Obr. 2. Změny provedené strojními konstruktéry v prostředí CAD jsou nyní transparentní a srozumitelné i pro elektrokonstruktéry V systému Syngineer dostanou elektrokonstruktéři nejprve ve svém známém pracovním prostředí dodatečný navigátor. Tento navigátor je propojuje napříč odděleními s jejich kolegy strojními inženýry. Tato dvě konstrukční oddělení si nyní mohou obousměrně vyměňovat informace. Po této integraci konstruktéři obou oddělení pohodlně pokračují ve své práci, ale mohou postup svých prací koordinovat např. prostřednictvím integrované funkce chatu. Alternativně mohou být o změnách informováni také prostřednictvím e-mailu. Nastavení lze při použití systému správy notifikací snadno přizpůsobit konkrétním požadavkům.  Centrální přehled o stavu vývoje Syngineer označuje aktuální stav zpracování úloh nebo požadavků. Všichni oprávnění pracovníci také mohou vidět následné změny v procesu vývoje a jejich stav. Systém dále poskytuje informace o tom, kteří pracovníci změny udělali. Vedoucí projektu má celkový přehled o stavu svého projektu a rovněž může centrálně zadávat změny, které zákazník dodatečně požaduje. Software je v současné době dostupný v němčině a angličtině – další jazykové verze budou následovat. Je podporován také přístup prostřednictvím internetového prohlížeče, chytrých telefonů a tabletů – to je v době globalizace nutnost.  Škálovatelný systém Další významnou a praktickou předností je, že jde o systém využívající cloud, čímž se otevírá možnost zapojit do procesu vývoje též externí partnery, zákazníky a dodavatele. Další výhodou cloudové architektury je flexibilní škálovatelnost podle potřeb uživatele. Počet uživatelů se v čase může měnit a podniky mohou požadovat, aby do systému získala přístup i další oddělení, včetně řízení výroby, servisu a údržby.  Závěr Syngineer zaručuje efektivní výměnu dat, šetří čas a současně zvyšuje kvalitu produktu. Automatická tvorba seznamů snímačů a ak­čních členů v systému Syngineer nabízí další potenciál úspor, protože vývojové oddělení tím může uspořit až 30 % práce, nemluvě o tom, že se tak zvyšuje kvalita dokumentace.  (Eplan Software & Service)

For Pasiv a For Wood – veletrhy o komfortních a úsporných stavbách

Veletrhy For Pasiv a For Wood se uskuteční souběžně ve dnech od 7. až do 9. února 2019 na letňanském výstavišti PVA Expo Praha. Představí trendy a novinky nejen ve využití dřeva v nízkoenergetických i pasivních stavbách, a to na více než 4 000 m2 výstavní plochy. Návštěvou této dvojice veletrhů získají návštěvníci na jednom místě informace potřebné k řešení svých projektů.Obr. 1. Veškeré informace o moderních stavbách přinesou veletrhy For Pasiv a For Wood Na veletrhu For Pasiv budou vystavovat firmy, které se orientují na návrh a realizaci domů, financování, stavební materiály a také na moderní technologie a ovládaní domů, rekuperace, podlahové vytápění, kotle a na další obory. Letos zde návštěvníci navíc najdou i odborníky, kteří poradí s dotacemi pro lepší bydlení. Co s dešťovou vodou, nebo jak dát úsporám zelenou se dozvíte přímo od nejpovolanějších odborníků. Na souběžné výstavní akci For Wood se vystavuje veškerý sortiment pro dřevěné stavby a konstrukce včetně materiálů. Na výstavišti PVA Expo Praha se představí špičkové firmy z oboru i poradenská centra, specialisté, architekti a projektanti, kteří své služby poskytnou návštěvníkům zcela zdarma. Na akci si přijdou na své i rodiny s dětmi. Malí kutilové budou mít v sobotu 9. února možnost vyzkoušet si řemeslné dovednosti v rámci akce Řemeslo dětem. Na soutěžní přehlídce stavebních řemesel SUSO budou zadané úkoly řešit ti nejlepší řemeslníci z republiky. Právě nyní je možné pořídit si vstupenku s 50% slevou a vydat se na veletrhy načerpat inspiraci pro své bydlení. Podrobné informace jsou na webových stránkách veletrhů http://www.for-wood.cz a http://www.forpasiv.cz.

Multifunkční elektroměr WAGO se záznamem dat a komunikací Modbus RTU

Měření elektrických veličin je v průmyslových napájecích sítích mnoha strojů a linek kritickou úlohou. Kromě spotřeby elektřiny je třeba měřit také zpětný vliv zařízení na napájecí síť. Ideálním řešením pro tyto úlohy je třífázový elektroměr od firmy WAGO, který měří napětí a proud v rozváděči. Napětí je měřeno přímo připojením na fázové vodiče L1, L2 a L3 a nulový vodič N. Proudy ve všech třech fázích jsou měřeny proudovými transformátory, jež jsou rovněž přímo připojeny k převodníku výkonu nebo alternativně Rogowského cívkami. Celý elektroměr je umístěn v pouzdru na lištu DIN o šířce 72 mm. Interně počítá všechny měřené veličiny třífázové napájecí sítě. Kromě napětí a proudu jsou to činný, zdánlivý a jalový výkon, spotřeba elektřiny, účiník, fázové úhly a frekvence. Protože měří proud i v nulovém vodiči, je též možné detekovat zkraty. K dispozici je rozhraní Modbus RTU, které umožňuje odesílat měřené hodnoty do řídicího systému. Prostřednictvím sériového rozhraní je možné připojit PC s konfiguračním softwarem, v němž lze pohodlně nastavit všechny parametry měřiče. V průběhu činnosti je navíc možné na displeji PC vizualizovat všechny měřené hodnoty. Slot pro paměťové karty microSD (který je použitelný i pro karty microSDHC s kapacitou do 32 GB) dovoluje zařízení použít i jako záznamník dat. Dostupnost: duben 2019. WAGO-Elektro, spol. s r. o., tel.: 261 090 142, e-mail: automatizace@wago.com, www.wago.cz

Energetický řetěz rychle, snadno a on-line

Navrhnout správně energetický řetěz není vždy snadným úkolem. Nový on-line konfigurátor společnosti LAPP s názvem Ölflex® Connect Chain tento úkol velmi urychluje a usnadňuje: je jednoduchý, rychlý a jasný. Tento nástroj umožní navrhnout kompletní energetický řetěz jen ve třech jednoduchých krocích. Šetří tedy čas a zároveň nedovolí chyby, které mohou nastat při ručním návrhu energetického řetězu. Konfigurátor provede projektanta výběrem vlastního řetězu, kabelů a příslušenství. Poté je možné požádat o zaslání individuální nabídky dle provedeného návrhu. V každém kroku výběrového procesu ​​zajišťuje konfigurátor kompatibilitu všech součástí. Kritickým místem může být výběr vhodných kabelů do vybraného energetického řetězu. Při volbě kabelu je třeba dbát na několik faktorů, jako jsou poloměr ohybu řetězu, délka pojezdu, rychlost, zrychlení a okolní teplota. Pokud se tyto faktory nezohlední, může dojít k poruchám a ke zkrácení životnosti kabelů. Konfigurátor zohlední, jaké kabely budou uloženy v řetězu a dokáže podle toho automaticky vybrat vhodný řetěz. Pomůže správně rozmístit vertikální a horizontální separátory, aby byla hmotnost kabelů v řetězu rozložena rovnoměrně. Nakonec si projektant vybere, zda si přeje dodat plně osazený řetěz, nebo zaslat jednotlivé komponenty s tím, že kabely mohou být předem nastříhané v požadovaných délkách. V případě plně osazeného řetězu je jisté, že energetický řetěz bude vyroben odborníky LAPP s bohatými zkušenostmi a know-how, otestován a bude v provozu řádně fungovat.Konfigurátor Ölflex® Connect Chain je možné zde: https://chainconfigurator.lappgroup.com/index.php/cs/

Optimální ochrana osob a strojů

Otázky bezpečnosti mají v automatizační technice vysokou prioritu. Murrelektronik nabízí sběrnicový modul MVK Metal Safety pro bezpečnostní instalace. Lze s ním dosáhnout nejvyšších standardů: Safety Integrity Level 3 (podle IEC 61508 a IEC 62061) a Performance Level e (podle EN ISO 13849-1). Pro konkrétní využití je MVK Metal Safety k dispozici ve dvou variantách: čistě vstupní modul a smíšený modul se vstupy a výstupy.