Transcript Referat 9
Instytut Tele- i Radiotechniczny Centrum Systemów Teleinformatycznych i Aplikacji Sprzętowych Zakład Piezoelektroniki i Ultradźwięków Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Autorzy: Piotr Gawryś Krystian Król Łukasz Krzemiński Zakopane, czerwiec 2012r. Cele i założenia projektu • Znaczenie badań zmęczenia cieplnego metali – powszechność stosowania metali w aplikacjach narażonych na udary cieplne oraz znaczne zmiany temperatur – znaczenie żeliw oraz ich stosunkowo niska odporność zmęczeniowa – możliwość modyfikacji składu stopowego żeliw w celu poprawy ich właściwości mechanicznych • Cele budowy stanowiska badawczego – badanie wpływu modyfikacji składu chemicznego i procesu obróbki na parametry wytrzymałościowe – badanie długoterminowych zmian właściwości materiału pod wpływem zmęczenia cieplnego – określenie zjawisk i procesów zachodzących w metalach pod wpływem stresów temperaturowych oraz oddziaływania sił zewnętrznych Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza Badania cieplnej wytrzymałości zmęczeniowej • budowa uchwytu pomiarowego 1 – tor prądowy grzania 2 – tor sprężonego powietrza (chłodzenia) 3 – uchwyty chłodzone cieczą 4 – próbka rurowa 5 – belka sztywna 6 – trawersa • cykl pomiarowy - grzanie próbki poprzez przepływ prądu do zadanej wartości - chłodzenie próbki poprzez przepływ sprężonego powietrza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Wymagania projektowe • konstrukcja ramy pomiarowej realizująca przyjętą metodę pomiarową w zakresie temperatur grzania do 850°C • realizacja czterech trybów pracy • możliwość zdalnej kontroli, monitorowania i rejestracji przebiegu badań • zastosowanie struktury rozproszonej układu kontrolno – pomiarowego • spełnienie wymagań dyrektyw i norm zharmonizowanych w celu zapewnienia wymaganego poziomu bezpieczeństwa użytkowania zastosowanie autonomicznego układu sterowania zapewniającego bezpieczeństwo działania stanowiska • • możliwość zwiększenia wydajności prądowej zasilacza do 800A • możliwość zwiększenia funkcjonalności stanowiska poprzez dodanie funkcji generowania profilu obciążenia próbki w trakcie cyklu pomiarowego Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Realizacja trybów pracy stanowiska badawczego • pomiar wydłużenia próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionym i swobodnym uchwytem - rejestracja wydłużenia, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu • pomiar naprężeń próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionymi uchwytami - rejestracja naprężeń, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu • pomiar naprężeń próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionymi uchwytami z wprowadzonym wstępnym naprężeniem ściskającym - rejestracja naprężeń, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu • pomiar naprężeń próbki zamocowanej pomiędzy unieruchomionymi uchwytami z wprowadzonym wstępnym naprężeniem rozciągającym - rejestracja naprężeń, temperatury, rezystywności, numeru i długości cyklu Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Konstrukcja ramy pomiarowej A – Słupy prowadzące B – Belki stałe D C – Belka nieważka ( ułożyskowana na słupach z przeciwwagą ) B E C F D – Uchwyty próbki ( kasowanie luzów, chłodzenie) E – Przetwornik wydłużenia próbki (10mm, d<1μm) F – Przetwornik naprężeń ( siły ) A Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Budowa układu kontrolno - pomiarowego • Elementy układu kontrolno – pomiarowego - układ zasilania z obwodami bezp. - układ grzania próbki - układ chłodzenia uchwytu - układ chłodzenia próbki - układ sterowania PLC - system pomiarowy - przełącznik Ethernet - komputer(y) PC - sygnalizator • Kanały pomiarowe 1 – tor pomiaru temperatury 2 – tor pomiaru rezystywności 3 – tor pomiaru naprężeń (siły) 4 – tor pomiaru wydłużenia Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Budowa systemu pomiarowego Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Budowa systemu kontrolnego • Komputer sterujący PC - konfiguracja parametrów pomiaru - wybór trybu pomiarowego Ethernet Komputer klasy PC z oprogramowaniem kontrolno - pomiarowym MODBUS TCP Kontrola parametrów chłodzenia Sterownik PLC z funkcją interfejsu sieciowego SD Kontrola temperatury czujników pomiarowych ProCurve 8000 HP J4110A Ethernet TCP Ethernet MODBUS TCP Sygnalizacja parametrów i stanu Komputer klasy PC z oprogramowaniem monitorującym Komputer klasy PC z oprogramowaniem monitorującym Kontrola systemu bezpieczeństwa i dostepu - rejestracja wyników - uruchomienie i zatrzymanie badania • Sterownik PLC - sterowanie obwodami bezpieczeństwa - utrzymanie kontrolowanego stanu stanowiska przy zerwaniu połączenia z komputerem PC (master) - utrzymanie stanowiska w zakresie dopuszczalnych parametrów - sterowanie procesami chłodzenia - monitoring stanu pracy interfejsów sieciowych - realizacja algorytmów zabezpieczeń Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Zabezpieczenia stanowiska badawczego • wyłącznik awaryjny • bezpieczniki nadprądowe, różnicowo prądowe, przekaźnik bezpieczeństwa • osłony, krańcówka i elektrozamek zabezpieczający przestrzeń wokół badanej próbki • czujnik przepływu wody, czujnik ciśnienia gazu chłodzącego • czujniki temperatury wokół przetworników pomiarowych • system cyrkulacji powietrza w komorze pomiarowej Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Oprogramowanie kontrolno - pomiarowe • realizacja programu w środowisku LabView • zastosowanie idei instrumentu wirtualnego Instrument wirtualny to przyrząd pomiarowy integrujący w sobie następujące składowe: czujniki i przyrządy pomiarowe, magistralę wymiany danych oraz oprogramowanie umożliwiające akwizycję danych oraz ich graficzną lub liczbową reprezentację. • Zastosowanie architektury wielowątkowej sterowanej przerwaniowo brak utraty danych, niezależny odczyt pomiarów od procesu monitorowania i sterowania • Użycie struktury kolejkowej maszyny stanów Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Struktura wątków programu kontrolno - pomiarowego Wątek główny Wątek pomiarowy - Obsługa interfejsu użytkownika - startowanie trybów pomiarowych - Realizacja zadanego cyklu pomiarowego - konfiguracja i akwizycja danych Wątek komunikacji PLC - obsługa interfejsu MADBUS/TCP - monitoring stanowiska - Monitoring ciągłości połączenia ze stanowiskiem pomiarowym - Obsługa komunikacji LXI z zasilaczem Wątek monitoringu ciągłości połączenia Wątek obsługi zasilacza Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Modernizacja i rozbudowa stanowiska • możliwość zwiększenia wydajności prądowej zasilacza do 990A • możliwość zwiększenia funkcjonalności stanowiska poprzez dodanie funkcji generowania profilu obciążenia próbki w trakcie cyklu pomiarowego dodanie napędu śruby naprężającej układ próbka, trawersa, przetwornik siły • Zastosowanie ekstensometrów optycznych / wizyjnych umożliwiających pomiar odkształceń próbki z jednoczesnym pomiarem naprężeń walidacja modeli komputerowych, numerycznych Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Podsumowanie • opracowane stanowisko spełnia postawione wymagania i posiada odpowiednią funkcjonalność niezbędną do prowadzenia planowanych badań • zostało przebadane przez akredytowane laboratorium i dopuszczone do eksploatacji • posiada strukturę rozproszoną embaded i charakteryzuje się skalowalnością umożliwiającą przyszłą modernizację i rozbudowę systemu o nowe funkcjonalności • Zastosowanie środowiska LabView umożliwia szybką i łatwą modyfikację oprogramowania w celu zmiany struktury raportów z pomiarów i implementację nowych funkcji stanowiska badawczego Opracowanie nowej generacji ultradźwiękowych układów drgających Stanowisko do badania zmęczenia cieplnego metali i stopów żelaza do energooszczędnych technologii – Etap II Dziękuję za uwagę