Témata
Reklama

Návrh systému řízení teploty vzduchu při testování pohonů

Teplota spalovacího motoru výrazně ovlivňuje množství emisí. K překročení povolených hodnot emisí může dojít již při změně o několik stupňů Celsia oproti optimálnímu nastavení. Pohony musí navíc splnit odlišné standardy v různých zemích po celém světě. K přesnému návrhu a kalibraci řídicích systémů pohonu je nezbytné věrně simulovat teplotní podmínky při provozu. S využitím testovacích stolic je možné vyhodnotit strategie řízení pomocí opakovatelných experimentů a zpřístupnit tak chování motoru napříč celým rozsahem okolních teplot a jízdních podmínek.

Společnost AVL se zabývá vývojem nových řešení v oblasti pohonů a testovacích systémů. Mezi uskutečněné projekty paří i návrhy testovacích stolic pro závodní vozy formule 1 a NASCAR. Novým úkolem bylo navrhnout systém dynamického řízení teploty vzduchu určený pro testování pohonů osobních automobilů. Systém je součástí testovací stolice, která emuluje pracovní prostředí motoru.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Testovací stolice pro pohony osobních automobilů

Zadání

Hlavním požadavkem na nový termoregulační systém bylo udržení teploty okolí motoru s maximální odchylkou jednoho stupně Celsia od požadované hodnoty, a to v celém rozsahu teplot od -20 do +110 °C. K dispozici bylo stávající řešení pro regulaci teploty v ustáleném stavu, které v ustálených podmínkách předepsanou toleranci splnilo. Problémem byla odchylka při dynamických změnách, které činila až 5 °C.

Při vývoji nového systému bylo nejprve nutné zvolit mezi úpravou stávajícího řešení, které bylo  naprogramováno v jazyce C, a novým kompletním návrhem s využitím pokročilejších vývojových prostředí. Nakonec byla vybrána druhá varianta. Vývojáři AVL měli zkušenosti s aplikací pokročilých strategií řízení z projektů v oblasti závodních speciálů. Tato řešení však vyžadovala příliš komplikované systémy, a pro osobní vozy nebyla vhodná.

Obr. 2. Model-Based Design - od simulačního modelu k hotové aplikaci

Volba vývojového a výpočetního prostředí

Na dodání celého projektu bylo vymezeno pouze šest týdnů. Proto bylo nezbytné nalézt takové vývojové prostředí, které umožnilo nejen rychle nastavit a odzkoušet novou strategii řízení, ale také snadno implementovat prototyp systému pro testování v reálném provozu. Oba požadavky splňovalo vývojové a výpočetní prostředí Matlab & Simulink firmy MathWorks. Simulink je grafické prostředí založené na symbolice blokových schémat určené pro matematické modelování a simulace dynamických systémů. Obsahuje také prvky pro návrh algoritmů automatického řízení a zpracování signálů. Simulace tak poskytují návrhářům pohled na dynamickou i algoritmickou stránku systému. 

Vývoj nového systému

Společnost AVL využila nástroje Simulink, Stateflow a Real-Time Workshop k modelování řídicích algoritmů, simulaci modelů a automatické implementaci výsledného řešení na provozní programovatelný automat - PLC.

První model řídicího systému obsahoval stavový automat a čtyři PI regulátory a byl dokončen během jednoho týdne. Model umožnil simulace řízení v otevřené smyčce a prověření funkčnosti základní řídicí strategie. Po naprogramování nadřazené řídicí logiky byla simulována funkčnost systému s ohledem na bezpečnost, kde se zjišťovalo, zda vnitřní tlaky a teploty nepřesáhnou bezpečné úrovně.

Následovala implementace navržených algoritmů na HW platformu. Modely řídicího systému byly doplněny o bloky vstupů a výstupů z knihovny B&R Automation Studio Target for Simulink. Modely byly automaticky přeloženy do jazyka C a výsledný kód nasazen na programovatelný logický automat B&R X20.

Testování prototypového algoritmu na PLC odhalilo, že nový návrh pracuje lépe než původní systém založený na regulaci ustálených stavů, ale stále nebylo dosaženo předepsané tolerance 1 °C při dynamických změnách teploty.

Obr. 3. Nasazení modelů a algoritmů v Simulinku na PLC firmy B&R

Úprava systému

Z technických důvodů bylo nutné upravit testovací zařízení, do kterého byly dodány nové ventily. Změny v soustavě byly zapracovány do modelů v Simulinku a Stateflow a také byl vylepšen stavový automat, který ve finální podobě obsahoval 10 hlavních stavů, z nichž některé se dále dělily až na 80 dílčích podstavů. Následovalo opětovné generování C kódu a nové testy, které již splňovaly vytyčené cíle.

Po ověření, že návrh splňuje všechny požadavky, byly v Simulinku implementovány bezpečnostní funkce a přidáno rozhraní pro komunikační sběrnici CAN. Nakonec byl vygenerován finální kód a proběhly komplexní testy termoregulačního systému na plné testovací stolici před tím, než byl výsledný systém doručen zákazníkovi.

Dosažené výsledky

  • Zkrácení doby vývoje

Kompletní řídicí systém byl doručen za 6 týdnů, což představovalo značnou časovou úsporu oproti odhadovaným 12-15 týdnům v případě ručního programování v jazyce C.

  • Snadné změny návrhu

Když byly do soustavy doplněny nové ventily, bylo nutné změnit v modelech některé stavy a přidat PI regulátory. Pak už stačily jen další dvě kliknutí myší pro získání nového testovacího prototypu. Celá úprava byla hotova během několika hodin.

  • Eliminace času potřebného k dokumentaci projektu

Modely ve Stateflow umožnily snadné přiblížení návrhu ostatním vývojářům a též zákazníkům, kteří přijali modely jako spustitelnou dokumentaci. To ušetřilo mnoho hodin práce související s tvorbou klasické dokumentace.

Distributorem produktů společnosti MathWorks v České republice a na Slovensku je společnost Humusoft, s. r. o.

Jaroslav Jirkovský

Jirkovsky@humusoft.cz

Humusoft

Reklama
Vydání #3
Kód článku: 110324
Datum: 16. 03. 2011
Rubrika: Trendy / Automatizace
Autor:
Firmy
Související články
Roboty pro automobilový sektor

Kompletní obnova automatizovaných robotických linek iniciovaná vrcholovým managementem společnosti Magneti Marelli vedla v závodě nacházejícím se v Crevalcore (územně správní celek města Bologna) ke zvyšování počtu zaměstnanců i efektivity těchto automatizovaných výrobních linek. Jak vysvětluje Marco Calabrese, ředitel údržby výrobního závodu, mnoho úkolů, které byly manuálního charakteru, je nyní zautomatizováno. „V těchto případech potřebujeme dosáhnout vyšší přesnosti, opakovatelnosti, výkonnosti a výrobní kvality a v zájmu vyšší efektivity samozřejmě i snížit dobu trvání cyklu. Integrací robotické automatizace zvýšila kvalitu a produktivitu práce a vedla i ke zvýšení počtu zaměstnanců pracujících v našem závodě.“

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Související články
Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

CIMT je v Číně, Čína je na CIMTu

Při letošním ročníku došlo na CIMT k významné změně. Evropští i američtí vystavovatelé byli přemístěni z hal tzv. západních do východních. Proč, to se mi nepodařilo zjistit. V reportáži před čtyřmi lety jsem umístění evropských a asijských firem popisoval s notnou nadsázkou, a tak si tuto změnu vysvětluji po svém – vystavovatelé si přečetli mé zpravodajství z výstaviště?. Také platí, že není pavilon jako pavilon. Standardy úklidu v halách, stravovacích prostorech, na toaletách byly v pavilonech, kde byla německá a švýcarská expozice, bližší evropským zemím než asijským. A o tom je jedna z čínských mentalit – jaké standardy mají být, ty jim musejí být ukázány, resp. nadiktovány či nařízeny.

The Nexx generation

Když potřebujete rychle vyrobit funkční prototypy produktů, CNC obráběcí stroje jsou, navzdory rychlému rozvoji a rozšiřování technologie 3D tisku, stále tím nejlepším řešením. Portugalský výrobce přileb Nexx se na trhu poohlížel po vhodném stroji k rychlému prototypování. Dnes tak může experimentovat s více designovými nápady, vyrábět plně funkční prototypy a uvádět nové výrobky na trh rychleji než kdy dříve.

Získané zkušenosti inovacemi pro zákazníky

Průmysl 4.0 je aktuální výzvou pro výrobce obráběcích strojů. Vlastní znalosti této problematiky uživatelů se na jeho implementaci do reálného provozu podílí velkou měrou a přispívají ke snadnějšímu zvládnutí cesty vedoucí k většímu propojení od výrobců strojů, přes jejich provozovatele až po odběrate dílů na strojích vyrobených. Podívejme se na zkušenosti společnosti Mazak v této oblasti.

Zvyšování výkonů motoru tvorbou povlaku žárovým nástřikem

Snížení hmotnosti vozidla a ztrát třením v pohonném agregátu může pomoci při zlepšování celkové účinnosti vozidla, což je jeden z důvodů, proč mnoho výrobců přešlo na bloky motoru z hliníkové slitiny namísto tradiční litiny. Primární výhodou hliníku je nižší hmotnost. Typické hliníkové slitiny nemají sice obdobné vlastnosti z hlediska opotřebení jako litina, přesto mnoho automobilek věnovalo spoustu času hledání konstrukčních řešení pro odstranění tribologických nedostatků, které se dostavily s hliníkovými bloky válců.

Automatizace není odpovědí na všechny otázky

Primárním cílem zavádění automatizace a robotizace je nejen zajistit více času, jak jsme si řekli v minulém díle, ale jejím účelem je také usnadnit lidstvu složité a zdraví škodlivé úkoly. Automatizace se nasazuje v oblastech stereotypní a nebezpečné práce. Motivací firem může být i škálovatelnost, maximalizace zisku a v neposlední řadě nižší počet lidských selhání. Tento díl našeho seriálu Fenomén automatizace se zamýšlí nad tím, proč, kde a jak automatizovat, a dalšími otázkami.

Velké výzvy pro malé společnosti

Automatizace je fenomén, který je výsledkem přirozené lidské touhy posouvat technologický pokrok kupředu ve snaze ulehčit si vlastní život. Byť je automatizace skloňována v mnoha odvětvích, je stále v počátcích svého vývoje. To, co určuje stupeň technologické evoluce, je náročnost člověka jako uživatele a zákazníka. Automatizovat se dá prakticky jakýkoli proces. Například i koupě chytrého telefonu je ve své podstatě automatizace určitého procesu. Chytrý telefon dokáže nahradit běžný telefon, diář, hudební přehrávač a mnoho dalších aplikací. To vše lze nosit v jedné malé krabičce, která se vejde do kapsy.

Automatizace je neskutečný fenomén

Když se na nás František Zimmermann poprvé obrátil jako věrný čtenář, myslela jsem, že jde jen o milou pochvalu a zpětnou vazbu, která vždy potěší a kterých si velmi vážíme. V naší vzájemné komunikaci však byla schovaná také nabídka na pomoc se zpracováním aktuálních témat z naší branže. Poté, co jsem pana Františka vyzpovídala, vyšlo najevo, že má opravdu bohaté zkušenosti nejen v oblasti vývoje, zavádění automatizace a robotizace, ale také s vedením týmů operátorů i vývojových pracovníků. V průběhu roku se s vámi, čtenáři, bude dělit o vlastní zkušenosti formou desetidílného seriálu o různých aspektech zavádění automatizace. Prosím, seznamte se s Františkem Zimmermannem.

Automatizace ve výrobním podniku Maserati

S pomocí článkových robotů a vyspělých softwarových aplikací, které jsou schopny simulovat každou výrobní fázi, využívá firma Maserati inovativní robotická řešení od společnosti Comau pro konstruování dvou nejluxusnějších vozů této společnosti – Quattroporte a Ghibli.

Kontrola nad robotizací

"Robot je stroj pracující s určitou mírou samostatnosti, vykonávající určené úkoly, a to předepsaným způsobem a při různých mírách potřeby interakce s okolním světem a se zadavatelem: Robot je schopen své okolí vnímat pomocí senzorů, zasahovat do něj, případně si o něm vytvářet vlastní představu, model." Takto zní definice z Wikipedie. Aby byl robot schopen všechny tyto úkony vykonávat, je k tomu zapotřebí celé řady podpůrných softwarových programů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit