MODELOWY SYSTEM DO BADAŃ NAPĘDÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

Transkrypt

1 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2012 MODELOWY SYSTEM DO BADAŃ NAPĘDÓW ELEKTROMECHANICZNYCH Tomasz SAMBORSKI, Andrzej ZBROWSKI, Stanisław KOZIOŁ Bezpieczeństwo pożarowe w odniesieniu do obiektów technicznych obejmuje szeroki zakres rozwiązań technicznych zapobiegających powstaniu pożaru oraz jego rozprzestrzenianiu się [1]. Do rozwiązań poprawiających poziom bezpieczeństwa pożarowego należą zabezpieczenia bierne i czynne. Zabezpieczenia bierne obejmują podział na strefy pożarowe, stosowanie oddzieleń przeciwpożarowych, zapewnianie odpowiedniej odległości pomiędzy obiektami, stosowanie niepalnych lub nierozprzestrzeniających ognia elementów wystroju wnętrz [2]. Zabezpieczenia czynne tworzą m.in.: systemy sygnalizacji pożaru [3], stałe urządzenia gaśnicze, systemy usuwania dymu i ciepła [4], gaśnice. Zagrożenie stwarzane przez ogień wynika z działania dwóch najgroźniejszych czynników towarzyszących pożarowi: dymu [5, 6] oraz wydzielającego się w procesie spalania ciepła. Dym stanowi zagrożenie zarówno dla użytkowników (zatrucie dymem jest przyczyną 90% poszkodowanych i ofiar), jak również dla wyposażenia obiektu. Jeżeli budynek wyposażony jest w instalację oddymiającą, w odpowiednim czasie po wykryciu pierwszych oznak pożaru następuje jej zadziałanie. Polega ono na otwarciu specjalnych klap lub okien oddymiających i tym samym odprowadzeniu nagromadzonych gazów i ciepła na zewnątrz (rys. 1). Rys. 1. Zasada działania wentylacji pożarowej [7], [8] Poprawne funkcjonowanie wentylacji pożarowej jest podstawowym warunkiem przeprowadzenia sprawnej ewakuacji budynku [9, 10], zwłaszcza w obiektach wysokościowych, gdzie podjęcie akcji ratowniczej z zewnątrz jest bardzo utrudnione, a dla kondygnacji zlokalizowanych powyżej 50 m jedyną szansą na ratunek jest ewakuacja przez wewnętrzne korytarze i klatki schodowe. Podstawowym elementem decydującym o sprawnym funkcjonowaniu systemu oddymiania jest siłownik elektromechaniczny uruchamiany centralą, sterownikiem oddymiania lub samowyzwalaczem wykorzystywanym do otwierania klap i okien oddymiających [11]. Procedury badań Procedury i metody badań napędów elektromechanicznych wynikają z rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji w sprawie wykazu wyrobów służących zapewnieniu bezpieczeństwa publicznego lub ochronie zdrowia i życia oraz mienia, a także zasad wydawania dopuszczenia tych wyrobów do użytkowania. W przypadku siłowników stosowanych w systemach wentylacji pożarowej wymagana jest odpowiednia wytrzymałość, trwałość oraz zdolność działania w warunkach pożarowych. Podstawowym badaniem, jakim poddawany jest każdy typ siłownika elektromechanicznego, jest sprawdzenie charakterystyki obciążeniowej. Badany siłownik powinien posiadać możliwość utrzymania stanu pełnego wysuwu pod obciążeniem dociskającym, równym 1,3 obciążenia nominalnego oraz utrzymania stanu braku wysuwu pod obciążeniem rozrywającym, o takiej samej wartości. Kolejnym istotnym parametrem, decydującym o skuteczności przebiegu akcji ratowniczej, jest czas działania siłownika. Siłownik powinien zapewnić czas wysuwu nie większy niż 60 s pod obciążeniem nominalnym. W zależności od funkcji, jakie spełnia instalacja oddymiania pożarowego, rozróżnia się dwa typy siłowników elektromechanicznych: typ A siłowniki stosowane do systemów oddymiania, typ B siłowniki stosowane do systemów oddymiania i przewietrzania. Podział ten wynika z przewidywanej częstotliwości używania napędów, a co za tym idzie ich wymaganej trwałości. Siłowniki stosowane w instalacji oddymiania muszą bezawaryjnie wykonać cykli pracy, a siłowniki stosowane również w systemach wentylacji cykli otwórz-zamknij przy nominalnych parametrach zasilania oraz nominalnym obciążeniu. Odrębną grupę wymuszeń, jakim są poddawane siłowniki, są obciążenia termiczne prowadzone w zakresie temperatur od 20 o C do +75 o C i wilgotności względnej do 95%. Siłownik spełnia wymagania, jeżeli po przeprowadzeniu wszystkich procedur badawczych: czasy podnoszenia oraz czasy opuszczania nie zmieniły się więcej niż 10%, skok nie zmienił się więcej niż 5%, pobór prądu nie zmienił się więcej niż +10% dla opuszczania i podnoszenia. 31

2 2/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Struktura systemu Ze względu na dużą różnorodność wymuszeń, jakim poddawane są siłowniki podczas eksploatacji, konieczne było opracowanie systemu [12], który umożliwiłby przeprowadzenie kompleksowych badań (w opisanym zakresie) na jednym stanowisku w powtarzalnych warunkach. Opracowany system (rys. 2) pozwala na badanie siłowników o różnym charakterze ruchu organu roboczego (liniowy, obrotowy), różnej konstrukcji (wrzecionowe, zębatkowe, łańcuchowe) oraz sposobie działania (monostabilne, bistabilne) w zakresie następujących parametrów: A. Wymuszenia mechaniczne siła do 5000 N moment do 30 Nm skok do 1000 mm B. Wymuszenia środowiskowe temperatura od 25 o C do +75 o C wilgotność względna > 90% C. Pomiar: siły, momentu, przemieszczenia, temperatury, wilgotności, ilości cykli, napięcia i prądu zasilania. Przy projektowaniu przyjęto koncepcję modułowej budowy systemu pozwalającej na wykorzystanie aplikowanych, we wcześniej opracowanych urządzeniach, rozwiązań. System badawczy do testowania siłowników składa się z następujących modułów funkcjonalnych: komora termiczna, moduł chłodniczy, moduł grzewczy, moduł nawilżający, moduł obciążenia grawitacyjnego, moduły obciążenia elektromechanicznego (liniowego, obrotowego), moduł kontrolno-pomiarowy: obciążenia (siła, moment) badanego siłownika, przemieszczenia (liniowego, obrotowego) elementu wykonawczego badanego siłownika, parametrów zasilania siłownika. Podstawowym modułem systemu służącym do zapewnienia stałych warunków środowiskowych (temperatura, wilgotność) towarzyszących badaniu umieszczonego w jej wnętrzu obiektu siłownika jest zamocowana na przestrzennej ramie komora termiczna. Wymiary komory wynikają z największych wymiarów i skoków roboczych siłowników stosowanych w systemach przeciwpożarowych. Zamocowany w jej wnętrzu badany siłownik (rys. 3) wykonuje ruch roboczy w kierunku poziomym, a jego organ ruchomy (wrzeciono, łańcuch lub zębatka) wysuwa się podczas pracy poza komorę. W przypadku siłowników obrotowych, ich pozioma oś obrotu przechodzi przez tylną ścianę komory. Elementy mocowania stanowią regulowany uniwersalny system pozwalający na zamocowanie dowolnego typu siłownika. Rys. 3. Widok siłownika zamocowanego na stanowisku: 1 testowany siłownik, 2 elementy mocowania siłownika Pod względem funkcjonalnym komora została podzielona na dwie części (rys. 4): badawczą i technologiczną oddzielone od siebie ruchomymi przepustami napędzanymi siłownikami liniowymi. W części technologicznej następuje oziębianie powietrza do zadanej temperatury związanej z realizowaną procedurą badawczą. Rys. 2. Schemat systemu do badania siłowników Rys. 4. Widok wnętrza komory: 1 część badawcza, 2 część technologiczna, 3 przepust Cyrkulacja powietrza pomiędzy częścią technologiczną i badawczą wymuszana jest wentylatorem zamocowanym bezpośrednio na chłodnicy. W razie konieczności ruch powietrza wewnątrz komory może być wspomagany modułem cyrkulacji mocowanym w tylnej ścianie komo- 32

3 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2012 ry. Moduł składa się z wentylatora promieniowego napędzanego silnikiem asynchronicznym zasilanym poprzez przemiennik częstotliwości. We wnętrzu przestrzeni badawczej umieszczono wielosekcyjną nagrzewnicę oporową (rys. 5) uruchamianą w przypadku realizowania procedur badawczych wymagających wzrostu temperatury o zadanym gradiencie (od 0,5 o C/min do 20 o C/min). W przypadku badania siłowników obrotowych organ roboczy siłownika połączony jest z modułem obciążania siłowników obrotowych (rys. 7). Rys. 7. Moduł obciążania siłowników obrotowych: 1 wał napędowy, 2 rolka sprzęgająca, 3 serwomotor, 4 sprzęgło elektromagnetyczne, 5 przetwornik obrotowo-impulsowy Rys. 5. Widok wnętrza komory: 1 nagrzewnica, 2 wentylator Przepływ powietrza przez nagrzewnicę wymuszany jest wentylatorem modułu cyrkulacji, powodując jednocześnie ujednorodnienie temperatury w całej przestrzeni badawczej. Konstrukcja badanych siłowników i sposób mocowania wymaga, aby swobodne końce wrzeciona, zębatki lub łańcucha były prowadzone przez osobny układ kinematyczny, który tworzą trzy wózki z liniowymi prowadnicami tocznymi modułu obciążania siłowników liniowych (rys. 6). Moduł realizujący zadane obciążenie mechaniczne (moment obrotowy) pozwala na połączenie dowolnego siłownika poprzez adapter zakładany na końcówkę wału. W zależności od realizowanej procedury wał może być sprzęgnięty poprzez rolkę z układem obciążania grawitacyjnego lub sprzęgło elektromagnetyczne z serwonapędem. Zastosowany przetwornik obrotowo-impulsowy pozwala na monitorowanie przebiegu ruchu obrotowego w funkcji czasu. Zastosowanie układu obciążenia grawitacyjnego (rys. 8) wynika z potrzeby zapewnienia stałości warunków obciążania podczas długotrwałych badań. Rys. 6. Moduł obciążania siłowników liniowych: 1 prowadnice, 2 wózki, 3 przetwornik siły, 4 badany siłownik, 5 moduł obciążenia grawitacyjnego, 6 serwonapęd, 7 rama Dwa z nich sprzęgnięte przetwornikiem siły połączone z organem roboczym badanego siłownika pozwalają na wywieranie obciążenia pochodzącego od modułu obciążenia grawitacyjnego. Trzeci wózek napędzany mechanizmem śrubowym z serwonapędem pozwala na realizację obciążania statycznego ściskającego lub rozciągającego. Zastosowany magnetyczny przetwornik liniowy pozwala na śledzenie ruchu siłownika w trakcie realizacji wszystkich procedur badawczych. Konstrukcję nośną modułu tworzy sztywna, przestrzenna rama umożliwiająca przenoszenie obciążeń mechanicznych, wewnątrz której zainstalowano elementy systemu kontrolno-pomiarowego. Rys. 8. Moduł obciążania grawitacyjnego: 1 obciążnik, 2 rolki W przypadku badania siłownika typu B przy czasie cyklu dochodzącym do 120 s wykonanie cykli zajmuje czas ponad 280 godzin nieprzerwanej pracy. Badania wytrzymałościowe polegające na obciążeniu siłownika siłą równą 130% nominalnego obciążenia prowadzone są z wykorzystaniem układu elektromechanicznego składającego się z mechanizmu śrubowego napędzanego serwosilnikiem. Wyznaczaniu charakterystyk obciążeniowych towarzyszy ciągły pomiar przemieszczenia elementów wy- 33

4 2/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu konawczych oraz siły, jaką musi pokonywać badany siłownik. Pomiar siły realizowany jest poprzez przetwornik tensometryczny łączący wrzeciono siłownika z układem obciążającym wspólnym dla siłowników liniowych i obrotowych. Konfiguracja modułu kontrolno-pomiarowego (rys. 9) obejmuje komputer PC z zaimplementowanym specjalizowanym oprogramowaniem współpracujący ze sterownikiem PLC pozwalającym na realizację wszystkich niezbędnych funkcji pomiarowych i sterujących wynikających z opracowanych procedur badawczych. Rys. 10. Model 3D stanowiska do badania napędów elektromechanicznych Rys. 9. Struktura systemu kontrolno-pomiarowego Podstawowe zadania modułu kontrolno-pomiarowego pozwalają na: regulację temperatury w komorze termicznej, z zadanym wybranym gradientem przyrostu, sterowanie pracą zespołów chłodniczego i grzewczego, sterowanie pracą badanego siłownika: uruchamianie go w obu kierunkach (wysuw powrót), zliczanie cykli pracy, kontrola wykonania całkowitego cyklu pracy, kontrola parametrów zasilania, sterowanie obciążeniem badanego siłownika, pomiary czasów zadziałania wyzwalaczy termicznych, czasu pełnego cyklu pracy siłownika, położenia jego organów roboczych oraz siły obciążającej, generowanie wykresów charakterystyk siłowników, np. prędkość w funkcji przesunięcia, siła w funkcji przesunięcia. Prototyp stanowiska do badania siłowników Wszystkie prace związane z powstawaniem stanowiska do badania napędów elektromechanicznych zostały poprzedzone szczegółową analizą prowadzoną z wykorzystaniem modelu wirtualnego (rys. 10). Analiza obejmowała zagadnienia związane z określeniem naprężeń dopuszczalnych w wybranych węzłach konstrukcyjnych oraz kinematyką i dynamiką ruchu układów obciążających. Na podstawie opracowanego modelu 3D wykonano prototyp stanowiska do badania napędów elektromechanicznych stosowanych w systemach ppoż. (rys. 11). Rys. 11. Prototyp stanowiska badawczego Wyodrębnione w procesie projektowania moduły pozwoliły na elastyczne uruchamianie poszczególnych układów na etapie poprzedzającym integrację sprzętową i programową. Opracowana modułowa konstrukcja stwarza możliwość rekonfiguracji systemu w obszarze wymuszeń termicznych poprzez wymianę modułu grzewczego lub wymiennika modułu chłodzącego. Oprogramowanie sterujące Uwzględniając specyfikę zastosowanych elementów wykonawczych i pomiarowych, opracowano szczegółowe algorytmy pracy modułu kontrolno-pomiarowego pozwalające na realizację założonych procedur badawczych. Opracowane algorytmy zaimplementowano w oprogramowaniu obejmującym dwa obszary. Pierwszy obszar obejmuje graficzny interfejs użytkownika (rys. 12) komunikującego się z systemem badawczym z wykorzystaniem komputera PC z systemem Windows. Opracowana w języku Delphi specjalizowana aplikacja pozwala użytkownikowi na prowadzenie prac badawczych zgodnych ściśle z obowiązującymi normami i przepisami z możliwością wprowadzania zmian parametrów testów wynikających z indywidualnych potrzeb. Podstawowym przeznaczeniem stanowiska jest prowadzenie badań certyfikacyjnych dopuszczających napędy elektromechaniczne do stosowania w systemach ppoż. Z tego względu konieczna jest jednoznaczna 34

5 Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2012 identyfikacja badanego siłownika w trakcie całego, długotrwałego procesu certyfikacji. W tym celu opracowano procedurę wprowadzania danych (rys. 13), zgodną z systemem obowiązującym w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej Państwowym Instytucie Badawczym w Józefowie, poprzedzającą rozpoczęcie procesu badań. Użytkownik, po wprowadzeniu danych obiektu, ma możliwość sprawdzenia i zarejestrowania podstawowych parametrów pracy napędu, istotnych z punktu widzenia rodzaju przyszłego zastosowania: napięcie i prąd sterowania, czas wysuwania i wsuwania, skok, siła nominalna. Rys. 14. Przykład okna podprogramu wprowadzania parametrów procedur badawczych Program w trybie domyślnym proponuje standardowe wartości parametrów wybranej procedury badawczej pozostawiając użytkownikowi ostateczną decyzję dotyczącą zatwierdzenia ustawień (rys. 15). Rys. 15. Przykładowe okno podprogramu wprowadzania parametrów badań termicznych Rys. 12. Okno programu obsługi stanowiska do badań siłowników elektromechanicznych Poniżej (rys. 16) przedstawiono przykładowe charakterystyki opisujące przebieg parametrów zasilania (prąd, napięcie), realizowanej siły oraz przemieszczenie organu roboczego siłownika w funkcji czasu. Rys. 16. Przykładowa charakterystyka siłownika wrzecionowego (wysuwanie) Rys. 13. Przykład okna podprogramu wprowadzania danych o badanym obiekcie Parametry te, zgodnie z opracowaną procedurą badań, weryfikowane są po zakończeniu każdej z prób polegającej na poddaniu siłownika określonemu narażeniu mechanicznemu lub środowiskowemu. Rodzaj wymuszeń z parametrami wynikającymi z realizowanej procedury wybierany jest za pośrednictwem kolejnego podprogramu (rys. 14). Drugi obszar dotyczy realizacji, wybranych przez użytkownika w pierwszym obszarze, procedur badawczych nadzorowanych bezpośrednio przez sterownik PLC. System kontrolno-pomiarowy stanowiska do badań i diagnostyki napędów elektromechanicznych zbudowano na bazie sterownika Siemens z oprogramowaniem Step7. Przyjęta koncepcja systemu sterowania pozwala na autonomiczną pracę stanowiska bez konieczności używania komputera np. w trakcie długotrwałych badań wytrzymałościowych. Informacja na temat bieżącego stanu realizowanej procedury badawczej przekazywana jest przez panel kontrolny (rys. 17) zainstalowany na stanowisku badawczym. Dane wyświetlane na panelu mają charakter informacyjny, wszystkie zmiany dotyczące parametrów badań mogą być dokonywane tylko poprzez okna dialogowe opracowanej aplikacji komputerowej. 35

6 2/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu LITERATURA Rys. 17. Widok panelu kontrolnego Wnioski Opracowany modelowy system umożliwia prowadzenie badań napędów elektromechanicznych pod kątem wyznaczania charakterystyk obciążeniowych, trwałości i odporności na podwyższone i niskie temperatury. W odróżnieniu od dotychczas stosowanych narzędzi badawczych system umożliwia przeprowadzenie wszystkich opisanych badań bez konieczności demontażu badanego siłownika celem przeniesienia na odpowiednie stanowisko badawcze. Sprawny system badań, prowadzonych w ściśle określonych, powtarzalnych warunkach pozwala na jednoznaczną ocenę walorów użytkowych napędów elektromechanicznych dedykowanych do zastosowania w systemach ppoż. Wdrożenie systemu przyczyni się również do doskonalenia rozwiązań konstrukcji mechatronicznych układów wykonawczych instalacji oddymiających, a przez to do poprawy bezpieczeństwa technicznego budynków, w tym wysokościowych. Zastosowane rozwiązania sprzętowe i programowe stanowią kontynuację realizowanych prac obejmujących obszar aparatury badawczo-testowej wspomagającej procesy bezpiecznej eksploatacji obiektów technicznych. 1. Fire Protection Handbook, 2008 Edition. 2. PN-ISO Ochrona przeciwpożarowa. Terminologia. Budowlane środki ochrony przeciwpożarowej. 3. PN-EN 54-1:1998 Systemy sygnalizacji pożarowej. Wprowadzenie, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa Mizieliński B.: Systemy oddymiania budynków. Wentylacja, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Półka M.: Analiza toksyczności produktów rozkładu termicznego i spalania uzyskanych z wybranych materiałów epoksydowych. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza nr 3/2010, s Gałaj J., Jaskółowski W., Karpovič Z., Šukys R.: Badanie wpływu impregnacji ogniochronnej na skład i ilość produktów toksycznych powstałych podczas spalania drewna sosnowego. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza nr 3/2011, s oddymiajace Granovskiy E. A., LyfarI V. A., Vorona A. P., Barbuca M., Jarosz W.: Modelowanie ewakuacji podczas pożarów budynków analiza ryzyka. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza nr 4/ SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2008 Edition. 11. Sawicki J.: Wytyczne sterowania urządzeniami przeciwpożarowymi. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza nr 1/ Samborski T., Kozioł S., Zbrowski A., Stępień P.: Koncepcja modelowego systemu do badań napędów elektromechanicznych. Problemy Eksploatacji, nr 4/2011, s Dr inż. Tomasz Samborski, dr inż. Andrzej Zbrowski, dr inż. Stanisław Kozioł są pracownikami Instytutu Technologii Eksploatacji Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu. 36