komputerowe systemy monitoringu - Archives of Foundry Engineering

komputerowe systemy monitoringu - Archives of Foundry Engineering

Archives of Foundry,
Year 2001, Volume 1, № 1 (2/2)
Archiwum Odlewnictwa,
Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2)
PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
75/2
KOMPUTEROWE SYSTEMY MONITORINGU ZUŻYCIA
MATERIAŁÓW FORMIERSKICH I WSADOWYCH
W ODLEWNI
R. WRONA1, S. DOBOSZ2, E. ZIÓŁKOWSKI 3
Wydział Odlewnictwa AGH
ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków
STRESZCZENIE
W referacie przedstawiono niektóre aspekty modernizacji istniejących rozwiązań
podsystemów sporządzania mas formierskich lub przygotowania wsadu dla pieców
odlewniczych. Omówiono założenia projektowe i techniczne oraz możliwości wprowadzania komputerowego systemu monitoringu zużycia materiałów formierskich
i wsadowych.
Key words: monitoring, controlling, mould or charge materials.
1. WPROWADZENIE
Racjonalna gospodarka zasobami oraz optymalizacja wytwarzania masy
formierskiej lub ciekłego metalu w odlewniach wymusza wprowadzania częściowego
lub pełnego monitoringu pracy urządzeń dozujących stacji sporządzania mas lub pola
wsadowego. Monitoring ten umożliwia nie tylko śledzenie poprawności funkcjonowania urządzeń załadowczych, naważających lub dozujących, powiązanych w system
transportu materiałów formierskich lub wsadowych, lecz przede wszystkim dostarcza
bieżącej informacji o ich zużyciu. Pełna i ciągła analiza wykorzystania poszczególnych
materiałów w procesach produkcyjnych umożliwia planowanie zapotrzebowania na te
materiały, a także dokonania oceny pracy wybranych podsystemów ciągu technologicznego.
1
prof. dr hab. inż., [email protected]
dr hab. inż. prof. nadzw. AGH, [email protected]
3
dr inż., [email protected]
2
W referacie przedstawiono niektóre aspekty związane z projektowaniem częściowego lub pełnego systemu monitoringu zużycia materiałów formierskich i wsadowych,
ze szczególnym uwzględnieniem roli komputera w tym systemie.
2. ZADANIA SYSTEMU MONITORINGU
Oddziały sporządzania mas formierskich oraz przygotowania wsadów charakteryzują się różnym stopniem mechanizacji lub automatyzacji. Rozpatrując istniejące
rozwiązania techniczne tych oddziałów należy brać pod uwagę, czy projektowany
system komputerowy ma spełniać zadanie tylko monitorowania pracy, czy też ma
wykonywać funkcje sterujące ich pracą. W dalszej części artykułu będzie rozważany
aspekt wyłącznie monitoringu. Sam monitoring pracy urządzeń jest niewątpliwie tańszą
alternatywą modernizacji istniejącej stacji sporządzania mas formierskich lub pola
wsadowego, gdyż nie wymaga tak dużych nakładów inwestycyjnych, jak w przypadku
podejmowania próby częściowej lub pełnej automatyzacji.
Pełny monitoring pracy urządzeń powinien obejmować:
 kontrolę poprawności pracy urządzeń dozujących i transportowych
(zasobniki, rynny wibracyjne, urządzenia transportowe itd.),
 wyświetlanie bieżącej wartości dozowanego materiału formierskiego lub
składnika wsadu oraz dokumentowanie uzyskanych wyników ważenia,
 wykrywanie przypadków błędnego zestawienia proporcji poszczególnych
składników wraz z ich sygnalizacja,
 zestawianie zmianowych, dziennych i okresowych wartości zużycia
poszczególnych materiałów wraz z analizą porównawczą z założeniami
normatywnymi.
Komputer w zależności od przyjętego wariantu wyposażenia może pełnić
wszystkie, bądź tylko niektóre z przedstawionych wyżej zadań. Zastosowanie komputera będzie także uzależnione od tego, czy pracuje on jako pojedyncza stacja robocza,
czy pracuje w sieci lokalnej odlewni. W tym drugim przypadku program monitoringu
może na przykład czerpać dane z informatycznego systemu magazynowego, stanowiąc
element rozbudowanej struktury funkcjonalnej komputerowego systemu korporacyjnego.
3. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE
Określając zasięg modernizacji istniejącego rozwiązania technologicznego
oddziału, mającej na celu wprowadzenie monitoringu pracy jego urządzeń, należy
wykonać szczegółową analizę struktury technicznej urządzeń, ustalić możliwości finansowe realizacji przedsięwzięcia oraz zdefiniować zakres niezbędnych usług realizowanych przez projektowany system komputerowy.
Zautomatyzowane stacje sporządzania mas formierskich są zwykle wyposażone
w jeden z dwóch rodzajów systemów sterowania procesem: z ilościowym albo racjonal-
nym dozowaniem składników masy [2]. Niezależnie od stosowanej odmiany, w systemach tych stosuje się objętościowe lub wagowe dozowniki materiałów sypkich.
Monitoring w tych systemach będzie polegał na pomiarze ilości zużycia dozowanej
porcji każdego składnika i przesłaniu odpowiednio sformatowanej informacji do
komputera. Na rysunku 1 przedstawiono przykładową strukturę urządzeń stacji
sporządzania mas formierskich.
Rys. 1.
Fig. 1.
Struktura przestrzenna podsystemu przygotowania mas formierskich [3]: 1 – przenośnik
kubełkowy masy obiegowej, 2 – przesiewacz wielościenny, 3 – przenośnik taśmowy
masy używanej, 4 – przenośnik kubełkowy piasku świeżego, 5 – przenośnik taśmowy
piasku świeżego, 6 – tor elektrowciągu, 7 – elektrowciąg, 8 – kubeł do transportu pyłu
węglowego i bentonitu, 9 – bateria zasobników, 10 – dozownik objętościowy dodatków
sypkich, 11 – podajnik taśmowy jednostronny dla piasku, 12 – podajnik taśmowy
dwustronny dla masy obiegowej, 13 – dozownik wagowy lub objętościowy,
14 – mieszarka, 15,16 – przenośniki taśmowe masy świeżej, 17 – spulchniarka masy
świeżej, 18 – przenośnik taśmowy masy zwałowej, 19 – zasobnik masy zwałowej,
20 – zamknięcie dwuszczękowe zasobnika masy zwałowej.
Spatial structure of moulding sand preparing subsystem [3]: 1 – return sand bucket
elevator, 2 – polygonal rotary screen, 3 – belt conveyor for return sand, 4 – bucket
elevator for sand, 5 – belt conveyor for sand, 6 – overhead track, 7 – electric hoist
(telpher), 8 – bucket for bentonite and coal dust handling, 9 – storage bin system,
10 – batch feeder (volume feeder), 11 – belt feeder for sand, 12 – reverse belt feeder for
return sand, 13 – batch feeder or constant weight feeder, 14 – mixer, 15,16 – belt
conveyor for moulding sand, 17 – moulding sand aerator, 18 – belt conveyor for used
sand, 19 – storage bin for user sand, 20 – undercut gate.
Z punktu widzenia stopnia komplikacji transmisji danych z urządzeń dozujących
i naważających do komputera, znacznie trudniejszy jest w realizacji monitoring pracy
urządzeń pola wsadowego. Wynika to z różnorodności i usytuowania stosowanych
systemów dozowania i naważania. Transmisja danych z tych urządzeń najczęściej musi
się odbywać bezprzewodowo.
Realizacja monitoringu naważania materiałów wsadowych jest uzależniona od
dotychczas stosowanego systemu ważenia, transportu i załadunku wsadu. Na rysunku 2
przedstawiono strukturę pola wsadowego, w którym naważanie metalowych materiałów
wsadowych odbywa się za pomocą chwytaka elektromagnetycznego, zainstalowanego
na moście suwnicy. Naważanie w tym systemie może się odbywać dzięki zainstalowaniu podwieszanej elektronicznej wagi tensometrycznej (na przykład wagi serii SCS
firmy TAMTRON [3] – rys. 3). Waga taka musi być wyposażona w zdalną (radiową)
transmisję wyników. W systemach komputerowych rejestrujących operacje naważania
program będzie gromadził i przetwarzał wyniki każdego pobrania porcji materiału
metalowego, po zatwierdzeniu zakończenia operacji przez obsługującego suwnicę, za
pomocą klawiatury zainstalowanej w kabinie suwnicy. W oddziałach topienia wyposażonych w żeliwiaki należy uzupełnić system o odczyt i przesyłanie do komputera
wyników naważania koksu i topnika.
Rys. 2. System załadunku wsadu za pomocą chwytaka Rys. 3.
elektromagnetycznego zainstalowanego na moście
suwnicy [1].
Fig. 3.
Fig. 2. Charging system with travelling crane and lifting
magnet [1].
Rysunek wagi serii SCS
firmy TAMTRON [4].
Scheme of crane scales
TAMTRON [4].
Pola wsadowe wyposażone w przejezdne wagi namiarowe (rys. 4) wymagają
wyposażenia w układ bezprzewodowego przesyłania wyników naważania do komputera, z uwzględnieniem faktu sumowania kolejnych naważek poszczególnych składników wsadu. Wózki wyposażone w wagi mechaniczne należy zmodernizować w celu
zastosowania czujników tensometrycznych z odpowiednimi układami elektronicznymi.
Na rysunku 5 przedstawiono przykład pola wsadowego dla 4 żeliwiaków,
wyposażonego w zespół zasobników, z których materiały wsadowe są dostarczane do
wagi przejezdnej za pomocą przenośników płytkowych.
Rys. 4. Przykład rozwiązania zmechanizowanego Rys. 5.
pola wsadowego [3]: 1 – suwnica magazynowa, 2 – suwnica namiarowa, 3 – wózek
pomocniczy, 4 – pomost wagowy, 5 – waga
namiarowa wsadu metalowego, 6 – waga
namiarowa koksu i topnika, 7,8 – rynny
wibracyjne koksu i topnika, 9 – wózek do
przewożenia kubła wsadowego, 10 – szyb
suwnicy załadowczej.
Fig. 4. Exemplary design of mechanized charge Fig. 5.
make-up plant [3]: 1 – travelling crane
of storage subsystem, 2 – charge make-up
crane, 3 – transfer car, 4 – scale platform,
5 – weighing device for metallic charge,
6 – weighing device for of coke and flux
material, 7,8 – vibrating feeders for coke
and flux material, 9 – transfer car for charge
bucket, 10 – guide chut.
Przykład zmechanizowanego pola
wsadowego [3]: 1 – zasobniki na
wsad metalowy, 2 – przenośniki
płytkowe, 3 – zasobniki na koks
i topnik, 4,5 – rynna wibracyjna
dozująca koks i topnik, 6 – przenośnik płytkowy podający koks
i topnik, 7 – waga przejezdna,
8 – wyciąg pochyły.
Scheme of mechanized charge
make-up plant [3]: 1 – metallic
charge hooper, 2 – apron measuring feeder, 3 – coke and flux
containers, 4,5 – vibrating feeder
for coke and flux, 6 – apron feeder for coke and flux, 7 – transfer
weighing device, 8 – inclined skip
hoist.
W tym przypadku optymalnym sposobem modernizacji będzie zamiana wagi
mechanicznej na elektroniczną z bezprzewodowym przesyłaniem wyników pomiarów
do komputera.
Najmniejsze nakłady finansowe związane są z modernizacją pola wsadowego
wyposażonego w stałe (nieruchome) układy ważące. Przykład takiego rozwiązania
przedstawiono na rysunku 6. W tej strukturze urządzeń pola wsadowego waga nie
znajduje się na przejezdnym wózku, lecz jest na stałe zamocowana, co pozwala na
zastosowanie przewodowej transmisji wyników ważenia do komputera. Waga elektroniczna w tym przypadku jest wyposażona w interfejs szeregowy (RS 232 / RS 422 lub
RS 485). Obniża to znacznie koszt połączenia wagi z komputerem.
W systemach naważania materiałów wsadowych za pomocą rynien wibracyjnych konieczne jest stosowanie albo pośredniczącego wózka przejezdnego z zainstalowaną wagą (np. jak na rysunku 6) albo zastosowanie sterowania znanego z dozowników
czasowych. Wówczas wykorzystywana jest zależność masy dostarczanego materiału od
czasu pracy rynny wibracyjnej. Metoda ta jest dość dokładna dla materiałów o względnie jednorodnej dyspersji, natomiast jest obarczona dużymi błędami dla materiałów
o zróżnicowanej kawałkowatości.
4. PRZEMYSŁOWE WAGI ELEKTRONICZNE
Jednym z istotnych zadań w planowanym wprowadzeniu monitoringu naważania
materiałów formierskich i wsadowych jest prawidłowy dobór wagi elektronicznej.
Obecnie są powszechnie stosowane różne odmiany konstrukcyjne wag wyposażonych
w tensometryczne czujniki nacisku. W zależności od gabarytów i sposobu pomiaru
układ ważący może posiadać jeden, centralnie usytuowany czujnik, bądź cztery lub
więcej czujników odpowiednio rozmieszczonych w platformie pomiarowej. Warunki
pracy wagi muszą zapewniać wyłącznie pionowe naciski na każdą belkę tensometryczną.
Projektując konkretne zastosowanie wagi elektronicznej należy brać pod uwagę
następujące kryteria:
 zakres mierzonych wartości masy, uzależniony między innymi od tego, czy każdy
materiał lub składnik wsadu jest ważony oddzielnie, czy też składniki te są gromadzone i ważone w jednym zasobniku (suma mas poszczególnych składników),
 dopuszczalne przeciążenie układu pomiarowego, istotne szczególnie w sytuacji,
gdy materiały wsadowe są załadowywane za pomocą suwnicy do kubła posadowionego na wadze,
 sposób zasilania wagi elektronicznej (wewnętrzny akumulatorowy układ zasilania,
zewnętrzny wymagający doprowadzenia przewodu zasilającego),
 sposób odczytu masy z wagi. W systemach bez wprowadzonej automatyzacji
należy przewidzieć odczyt optyczny mierzonej wartości przez pracowników
obsługi urządzeń. Wówczas umiejscowienie wyświetlacza cyfrowego jest uzależnione od konkretnego systemu załadunku. Może być konieczne zainstalowanie
wyświetlacza na przykład w kabinie suwnicy lub w pobliżu wyłączników urządzeń
dozujących. Oczywiście niezależnie od odczytu optycznego waga musi posiadać
system transmisji do komputera monitorującego naważanie,
 sposób transmisji danych z wagi do komputera. Dla wag umieszczonych na urządzeniach przejezdnych (suwnice, wózki) należy przewidzieć transmisję bezprzewodową (radiową), natomiast dla wag stałych transmisję przewodową. Przesyłanie
bezprzewodowe wymaga zastosowania nadajnika radiowego emitującego sygnały
najczęściej w standardzie interfejsów szeregowych RS 485, które następnie są
odbierane przez odbiornik podłączony do karty tego samego typu interfejsu
w komputerze przemysłowym lub standardowym klasy PC. Stosując transmisję
przewodową zwykle wykorzystuje się dwuprzewodowy standard RS 485, który
jest dość odporny na zakłócenia przesyłu i pozwala na oddalenie komputera od
wagi do 1200 metrów,
 zewnętrzne warunki pracy wagi. Waga pracująca w systemie naważania może być
narażona na silne wstrząsy i uderzenia boczne a także wymagać odporności na
wysokie temperatury, jeśli na także być wykorzystywana do ważenia kadzi z ciekłym metalem podwieszonej na suwnicy. Wagi takie należy wówczas wyposażyć
dodatkowo w osłony termiczne i zderzaki.
Budowa wagi elektronicznej dostosowanej do konkretnych założeń jest możliwa
nawet w warunkach samej odlewni. Belki tensometryczne, na przykład niemieckiej
firmy Hottinger Baldwin Messtechnik [6] są łatwo dostępne. Wykonanie wysokiej klasy
wzmacniaczy do czujników tensometrycznych jest bardzo łatwe, gdyż można zastosować gotowe specjalizowane układy scalone (np. AD 624 firmy Analog Devices [7]).
Transmisję bezprzewodową można wykonać w oparciu o oferowane na przykład przez
firmy Advantech [10] lub National Instruments [9] radiowe nadajniki i odbiorniki
standardu RS 485.
5. FUNKCJE KOMPUTEROWEGO PROGRAMU MONITORUJĄCEGO
Projektowanie zinformatyzowanego systemu monitoringu wymaga zdefiniowania funkcji i zakresu działania programu komputerowego. Cechy takiego programu
są uzależnione od:
 systemu operacyjnego zainstalowanego w konkretnym komputerze (DOS,
MS Windows, UNIX, Linux, HP-UX i inne),
 powiązania z wewnętrzną komputerową siecią zakładową (program niezależny
albo współpracujący z innymi komputerami i programami) oraz rodzaju współpracy z istniejącymi programami magazynowymi, obliczania optymalnego
namiaru wsadu itd.,
 sposobu przesyłania wyników naważania z wagi elektronicznej (rodzaj i wersja
protokołu transmisji, rodzaj zainstalowanej karty interfejsu),
 formy prezentacji wyników naważania (tekstowa, graficzna) i rodzaju generowanych raportów zużycia materiałów wsadowych (forma i zawartość raportów
zmianowych, dobowych, miesięcznych),
Rys. 6. Zautomatyzowane pole wsadowe [3]: 1 – zasobniki na metal, 2 – waga namiarowa wsadu
metalowego, 3 – zasobnik koksu i topnika, 4 – waga namiarowa koksu i topnika,
5 – kubeł załadowczy, 6 - żeliwiak.
Fig. 6. Automated charge make-up and charging plant [3]: 1 – metallic charge containers,
2 – weighing device for metallic charge, 3 – coke and flux container, 4 – weighing device
for additives, 5 – charging bucket, 6 – cupola.

liczby dodatkowych funkcji realizowanych przez program (na przykład funkcji
sygnalizacji pracy poszczególnych urządzeń pola wsadowego, funkcji
alarmowania o nieprawidłowościach naważania i poważnych uszkodzeniach
systemu).
6. PODSUMOWANIE
Monitoring naważania materiałów formierskich i wsadowych można wprowadzić zarówno do nowych, jak również do już istniejących struktur urządzeń stacji
sporządzania mas lub pola wsadowego (po odpowiednich modyfikacjach), może być
także elementem systemu automatyzacji częściowej lub pełnej. W zależności od
uwarunkowań technicznych, jak również posiadanych możliwości finansowania
inwestycji, modernizację istniejącego rozwiązania technologicznego w odlewni można
dostosować do ogólnej koncepcji poprawy stanu w odlewni. Zaletą wprowadzenia
monitoringu jest stała, bieżąca kontrola zużycia materiałów formierskich i składników
wsadowych, pozwalająca na analizę poprawności naważania oraz prawidłowe planowanie zakupów tych materiałów i ich racjonalne magazynowanie. Monitoring naważania dyscyplinuje pracowników obsługi oddziału, przez co przyczynia się do
ustabilizowania jakości sporządzanej masy formierskiej lub zestawianego wsadu,
eliminując w znacznym stopniu liczbę wadliwych form i wytopów. Należy podkreślić,
że nakłady finansowe związane z wprowadzeniem monitoringu, z uwagi na wymienione
wyżej zalety, szybko się zwrócą, poprzez przyrost akumulacji finansowej jako końcowy
efekt działalności odlewni.
LITERATURA
[1] Chudzikiewicz R.: Mechanizacja i automatyzacja odlewni. Wyd. III, WNT
Warszawa (1980).
[2] Poradnik inżyniera. Odlewnictwo. WNT, Warszawa (1986).
[3] Wrona R., Sobieraj R., Siara M.: Projektowanie odlewni. Skrypt AGH nr 759,
Kraków (1980).
[4] http://www.tamtron.fi.
[5] http://automatyka-serwis.com.pl.
[6] http://www.hbm.de.
[7] http://www.analog-devices.com.
[8] http://www.radwag.pl.
[9] http://www.ni.com.
[10] http://www.advantech.com.
COMPUTER SYSTEMS OF MONITORING
THE MOULD AND CHARGE MATERIALS WEIGHING
SUMMARY
Rational managing the mould or charge materials and optimization the liquid
metal production force to enter a partial or full monitoring the charge of the materials
weighing. Such a monitoring enables not only to trace how the charging, weighing and
batching devices function. The monitoring informs about the mould or charge material
consumption, which is a first step to plan materials requirement as well as to analyze
a functioning of all subsystems of a melting plant.
The paper presents some aspects connected with designing a partial or full
computer monitoring the mould or charge of the materials weighing.
Recenzował Prof. Józef Gawroński