Transcript Hovedrapport - Høgskulen i Sogn og Fjordane
BACHELOROPPGAVE Prosjekt brunostmaskin
Rune Vie Hafstad Kim-Andre Eide Marius Kauppi Rørvik Øystein Rønnestad Pedersen
Avdeling for Ingeniør og Naturfag H02-300 Hovedprosjekt Vår 2012
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
1 Referanseside
TITTEL
Prosjekt Brunostmaskin
PROSJEKTTITTEL
Hovedprosjekt HO2-300
FORFATTERE
Rune Vie Hafstad Kim-Andre Eide Marius Kauppi Rørvik Øystein Rønnestad Pedersen
OPPDRAGSGIVER
Tine Meieriet Byrkjelo
RAPPORTNR
1
TILGJENGELIGHET Åpen ANSVARLIGE RETTLEDERE
Joar Sande – prosjektansvarlig Olav Sande – faglig veileder
DATO
23.5.2012
TALL SIDER
36
SAMMENDRAG
Oppdragsgiveren Tine Meieriet Byrkjelo har ønske om å bytte ut en gammel PLS styring til en ny PLS styring. Formålet er å forbedre driftssikkerheten og maskintilgjengeligheten. I prosjektperioden startet vi med å lage program til styring av brunostmaskinen basert på beskrivelse og observasjon av maskin, lage grensesnitt til berøringsskjerm og testet det ved å simulere på pc. Etter å ha alt utstyr klart var det å sette i gang med å skifte ut PLS på Tine. Til å skifte PLS på Tine hadde vi en uke, som var det lengste de kunne stoppe produksjonen. Arbeidet begynte med å demontere den gamle PLS og gjøre klar en ny skapdør til berøringsskjermen. Så var det å montere inn den nye PLS og koble alle inn- og utganger. Når alt var koblet startet testingen med den nye styringen. Maskinen ble kjørt med vann for å sjekke at alt fungerte før en testet med brunost. Resultatet av prosjektet er en oppgradert PLS styring med tilhørende operatørskjerm til 1 kilos brunost pakke maskinen ved Tine Meieriet Byrkjelo. Maskinen ble regnet som ferdigstilt den 12.5.2012 og er daglig i drift.
EMNEORD
PLS, HMI, programmering, brunostmaskin, Contherm (brunostkjøler) 1
H02-300 Hovedprosjekt
2 Forord
Prosjekt brunostmaskin I bacheloroppgaven siste semester ved Høgskulen i Sogn og Fjordane, avdeling for ingeniør og naturfag, skal studentene gjennomføre et prosjekt så nært virkeligheten som mulig. Det oppfordres til å definere et prosjekt selv eller få en ekstern oppdragsgiver, der det siste er å foretrekke. Vår gruppe valgte et prosjekt som går ut på å bytte ut styringen på brunostmaskin som fyller og pakker 1 kg brunost på Tine Meieriet Byrkjelo. Dette er et teknisk prosjekt som er veldig reelt i industrien, og relevant i forhold til ingeniørutdanningen i automasjon. Prosjektet skal bestå av grupper på to til fire personer med et forventet tidsbruk på ca. 500 timer fra hver person. Gjennomført prosjekt skal fremføres muntlig og det skal leveres en rapport. Det skal lages nettside for prosjektet som skal oppdateres underveis. http://prosjekt.hisf.no/~12brunostmaskin/ Gruppen vår består av: Rune Vie Hafstad Kim-Andre Eide Marius Kauppi Rørvik Øystein Rønnestad Pedersen Prosjektleder Student Student Student Prosjektansvarlig er Joar Sande og veileder er Olav Sande. Førde 23.5.2012 ----------------------- Rune Vie Hafstad --------------------- Kim-Andre Eide ---------------------------- Marius Kauppi Rørvik ----------------------------------- Øystein Rønnestad Pedersen 2
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
Innhold
3
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
4
H02-300 Hovedprosjekt
3 Sammendrag
Prosjekt brunostmaskin Oppdragsgiveren Tine Meieriet Byrkjelo har ønske om å bytte ut en gammel PLS styring til en ny PLS styring på 1kg brunostmaskin. Formålet med dette prosjektet er å forbedre driftssikkerheten og maskintilgjengeligheten. I følge Tine Meieriet Byrkjelo er det svært vanskelig å kommunisere med PLS styringen, og dette kan medføre unødvendig driftsstopp. Dette kan føre til at brunosten størkner i produksjonsmaskinen, og mye tid og produkt vil gå til spille. I forprosjektet startet gruppen med å innhente informasjon om pakkemaskinen og virkemåte. Dette for og få en dyp forståelse for maskinen sine gode og dårlige sider. Dette ble utført ved å observere maskinen, og snakke med operatører og service personell som har bred erfaring med maskinen. Det har fra Tine Meieriet Byrkjelo vært ønskelig med Siemens S7 styring. Ut fra dette ønsket kom vi frem til bruk av Siemens S7-300 og berøringsskjerm for å styre maskinen. I prosjektperioden startet vi med å lage program til styring av brunostmaskinen basert på beskrivelse og observasjon av maskin, lage grensesnitt til berøringsskjerm og testet det ved å simulere på pc. Etter å ha alt utstyr klart var det å sette i gang med å skifte ut PLS på Tine. Til å skifte PLS på Tine hadde vi en uke, som var det lengste de kunne stoppe produksjonen. Arbeidet begynte med å demontere den gamle PLS og gjøre klar en ny skapdør til berøringsskjermen. Så var det å montere inn den nye PLS og koble alle inn- og utganger. Når alt var koblet startet testingen med den nye styringen. Maskinen ble kjørt med vann for å sjekke at alt fungerte. Etter en del testing var det klart for prøveproduksjon med brunost. Første prøveproduksjon med brunost gjekk fint, men det var en del småjusteringer som måtte gjøres. Det viste seg etter hvert at det var disse justeringene som tok tid. De meste av endringene fikk vi gjort i løpet av monteringsuken, og så var maskinen klar til daglig drift. Deretter ble maskinen brukt i to uker der operatørene skrev ned endringer og forbedinger av styringen som vi la inn etter denne perioden. Resultatet av prosjektet er en oppgradert PLS styring med tilhørende operatørskjerm til 1 kilos brunost pakke maskinen ved Tine Meieriet Byrkjelo. Maskinen ble regnet som ferdigstilt den 12.5.2012 og er daglig i drift. 5
H02-300 Hovedprosjekt
4 Innledning
Prosjekt brunostmaskin Dette er hovedrapport i faget hovedprosjekt ved Høgskulen i Sogn og Fjordane, avdeling for ingeniør- og naturfag i Førde. Hovedprosjektet gir 20 studiepoeng, og går over vårsemesteret 2012. Tine Meieriet Byrkjelo har en tappe- og pakkemaskin for 1kg brunost. Maskinen var utstyrt med en gammel PLS styring som de ønsket å bytte ut med en ny og moderne PLS.
Hovedmål:
Bytte ut en gammel PLS styring til en Siemens S7 på brunostmaskinen hos Tine Meieriet Byrkjelo.
Delmål:
Bytte eksisterende PLS til en Siemens S7 Bytte ut styreknapper med berøringsskjerm Utarbeide dokumentasjon Vise feilmeldinger på skjerm Vise temperatur på brunost før og etter brunostkjøler på berøringsskjerm Prosjektgruppen består av Rune Vie Hafstad, Kim-Andre Eide, Marius Kauppi Rørvik og Øystein Rønnestad Pedersen. Joar Sande er prosjektansvarlig, Olav Sande er veileder og Tine Meieriet Byrkjelo er oppdragsgiver der Inge Nedrebø er kontaktperson. I forprosjektet drøftet vi installasjon av ny PLS og hvorvidt prosjektet lot seg gjennomføre med antall timer vi har i retningslinjene. Ulike alternativ til løsning ble vurdert opp mot hverandre og valgt ut fra kompleksitet, ønske fra meieriet og den tiden en har tilgjengelig. Forprosjektapporten inneholder og administrative retningslinjer for gruppen og et overslag over budsjettet som meieriet kan forholde seg til. Forprosjektet ligger i vedlegg 1 Videre i hovedrapporten vil det fremkomme hvilken løsning som er valgt, hvordan prosjektet er utført. 6
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
4.1 Problemstilling
Tine Meieriet Byrkjelo er et av Tine sitt mest moderne meieri og ble åpnet våren 2003. Meieriet tar i mot 92,5 tonn kumelk og 1,98 tonn geitemelk. Dette gjør at meieriet er det største i Norge etter innmålt melkemengde. Tine Gudbrandsdalsost blir framstilt ved Tine Meieriet Byrkjelo og osten blir laget av kumelk og geitemelk før den blir pakket og lagret.
Figur 1 Tine Meieriet Byrkjelo
Oppdragsgiveren Tine Meieriet Byrkjelo har ønske om å bytte ut en gammel PLS styring til en ny PLS styring. Formålet med dette prosjektet er å forbedre driftssikkerheten og maskintilgjengeligheten. I følge Tine Meieriet Byrkjelo er det svært vanskelig å kommunisere med PLS styringen, og dette kan medføre unødvendig driftsstopp. Dette kan føre til at brunosten størkner i produksjonsmaskinen, og mye tid og produkt vil gå til spille. Den gamle PLS ble regnet som foreldet. Den viste svakheter den siste tiden med at skjermstyringen låste seg, og dokumentasjonen var på noen områder mangelfull så det ble vanskelig å feilsøke og gjøre endringer. Siemens S7 PLS er mye brukt på meieriet og Tine har serviceavtale med Siemens. En ny PLS vil gi bedre driftssikkerhet, mulighet for feilsøking og enklere vedlikehold. På figur 1 har vi en oversikt over hva vi skal programmere som er markert med bokser rundt.
Figur 2 Flytskjema
7
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
4.2 Kritiske suksessfaktorer
En kritisk suksessfaktor er en faktor som vil hindre gjennomføring av et prosjekt dersom den oppstår. Det å kunne avklare om det er en eller flere kritiske suksessfaktorer og følge disse opp, er sentralt i risikovurderingen av et prosjekt. For å avdekke alle moment undersøkte vi virkemåte til maskinen og gjennomførte samtaler med operatører og vedlikeholdspersonell. Dette viste seg å være en god måte å avdekke kritiske suksessfaktorer. Vi satte opp en risiko vurdering som man finner i kapittel 5.5.4. Tabellen viser hvor store konsekvenser ulike hendelser kan utgjøre, og hvilke tiltak som må til for å forhindre de. Samtidig har vi estimert en sannsynlighet for at hendelsene inntreffer. Dette for å vite hva risikoen i de enkelte faktorer er, og om en er villige til å ta risikoen. 8
H02-300 Hovedprosjekt
5 Maskinbeskrivelse
Prosjekt brunostmaskin I dette kapitlet skal vi se på virkemåten til brunostmaskinen. Den består, som tidligere nevn, av to hoveddeler; fyllestasjon og brettestasjon. De to stasjonene består hovedsakelig av bevegelige deler drevet av pneumatikk, mens enkelte komponenter er drevet av elektromotorer.
5.1 Brunostmaskinen
Brunostmaskinen består av en tappestasjon, og en brettestasjon. Tappestasjonen består av to fyllesoner som kan kjøres samtidig eller hver for seg, og brettestasjonen består av to seperate brettere. Det går transportbaner inn til maskinen og ut av maskinen. Tomme former med pose kommer inn til tappestasjonen og brunost blir fylt i posen. Etter tappestasjonen går formen til en bretter, der posen blir brettet, og til slutt et varmestempel som smelter sammen plasten oppå osten. Deretter går osten til et kjøletårn som kjøler ned osten før pakking. Ferdig produsert ost kommer i rør og blir fylt opp i en balansekasse. Denne kassen er en buffer for brunost, for å sørge for en jevn flyt av ostemasse til tappestasjonen. En pumpe tar osten fra balansekassen, via en varmeveksler til fyllestussene. Dersom det ikke går ost gjennom fyllestussene åpner en avlastningsventil som slipper osten tilbake til balansekassen.
Figur 3 Brunostmaskin
9
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
5.2 Fyllestasjon
Det er i fyllestasjonen formene blir fylt med en kg brunost. Brunostmaskinen har en fyllestasjon med to fyllesoner. For å forklare fyllestasjonen deler vi den opp i to deler, forflytting av former og fyllesylindere, dette kan vi se på figur 4.
Figur 4 Fyllestasjon 1) Fyllesylinder og 2) Transportband
10
H02-300 Hovedprosjekt
Forflytning av former
Prosjekt brunostmaskin Forflytning av former skjer ved hjelp av transportbånd og skyvere drevet av pneumatikk. I figur 5 kan vi se forflytning av former i fyllestasjonen med forklaring.
Figur 5 Flytting av former Transportband steg for steg: 1) Transportband inn
: Transporterer former med poser inn til brunostmaskin
2) Pose i form
: Føler som sjekker om det er pose i form i band inn og ut, hvis ikke stopper bånd.
3) Form i bane
: En føler som sjekker om det er form i bane, slik at skyver1
(4)
skal få lov å skyve.
4) Skyver:
Skyver formen over til heis, samtidig vil form som allerede var i heis
(6)
skyves til transportband ut
(5). 5) Transportband ut:
Frakter ferdig fylte former videre til brettestasjon.
6) Heis:
Heis løftes, og samtidig starter fyllestuss å fylle opp form i heis. Når den er ferdig fylt senkes heisen, og syklusen starter på nytt.
11
H02-300 Hovedprosjekt
Fyllesylindere
Prosjekt brunostmaskin I fyllestasjonen finner man to fyllesylindere, det er disse som fyller opp hver form med brunost. De fyller form annenhver gang slik at mens sylinder 1 fyller seg opp tapper sylinder 2 seg i form og motsatt. I figur 6 kan man se sylinderne merket med 1 og 2.
Figur 6 Fyllesylindere Fyllesylinder steg for steg:
-
Fyllesylinder tom:
Når fyllesylinderen er tom, vil den være i øvre posisjon slik som bilde viser og fylling av sylinder kan starte. Form transport får beskjed om å skyve over ny form.
Fylling av sylinder:
Når sylinderen blir fylt vil den bevege seg ned.
Sylinder full:
sylinderen vil da være i nedre posisjon.
Fylling av form:
Fylling vil starte når fyllesylinder får beskjed om at form er klar fra heis. Mens den fyller i form vil sylinder bevege seg mot øvre posisjon.
Fylling ferdig
: Når Sylinder 1 er ferdig og komt til øvre posisjon gjentar syklusen seg.
12
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
5.3 Bretter
Brunostmaskinen har to identiske brettestasjoner. På figur 7 ser en at brettestasjonene er plassert på to samlebånd, der bretter nr. 1 (1) er plassert på hovedbåndet og bretter nr. 2 (2) er plassert på et parallelt bånd. Formene skyves til – og fra hovedbåndet med en tverrskyver (3).
Figur 7 Brettestasjoner
Bretterne har seks ledd i bretteprosessen, på figur 7 er de forskjellige leddene nummerert;
a) Posisjon før endebretter 1:
Dette er en del av prosessen som stopper formene med brunost dersom det befinner seg en form i endebretter 1(b).
b) Endebretter 1:
Dette leddet bretter posens første brett. Leddet har to bevegelser. En rotasjonsbevegelse som setter bretteren i posisjon, og en vertikal bevegelse som presser enden på posen ned, så den kleber seg i osten. En føler melder fra når rotasjonsbevegelsen er ferdig, slik at pressingen kan begynne.
c) Endebretter 2
: Denne delen har kun den vertikale bevegelsen som presser den andre enden av posen ned i osten. Dette fordi posen beveger seg inn i bretteren ved hjelp av samlebåndet.
d) Sidebretter 1:
Dette leddet bretter posens ene side ned. Leddet har to bevegelser. En horisontal bevegelse som presser siden av posen inn i posisjon, og en vertikal bevegelse som presser posen ned.
e) Sidebretter 2:
Dette leddet bretter posens andre side ned. Leddet er ellers identisk til
f)
sidebretter 1.
Varmforsegling:
Forseglingen utføres når en oppvarmet plate på 129 °C presser den brettede posen sammen i 1,7 sekund. Hvert ledd i bretteprosessen har sin egen stopper som består av et stempel drevet av pneumatikk. Dette gjør at båndet ikke trenger å stanse for hver bevegelse som blir utført. 13
H02-300 Hovedprosjekt
6 Styring
Prosjekt brunostmaskin Utviklingen av programmet til PLS har vært den mest omfattende delen av prosjektet, og programmeringen har foregått over hele prosjektperioden. Programmet måtte lages i sin helhet, og det var viktig å komme i gang så fort som mulig.
6.1 PLS / Simatic
PLS står for programmerbar logisk styring, på engelsk programmable logic controller (PLC). Denne komponenten er en datamaskin som brukes i hovedsak i industrien for å automatisere prosesser/styringer, eksempelvis å regulere nivåer i siloer, eller kunne sortere ulike komponenter eller gjenstander. PLS styringene har revolusjonert industrien i den forstand at den har erstattet tidligere komplekse relestyringer slik at kostnadene ved konstruksjonene av anleggene gir en stor økonomisk gevinst i form av bygging, montering og vedlikehold av de ulike anleggene. Tine Meieriet Byrkjelo hadde ønske om å bruke Siemens S7 styring. Dette er gunstig siden de allerede har serviceavtale med Siemens Bergen, og de slipper å ha reservedeler til flere forskjellige PLSer. Siemens S7 har mange forskjellige PLS som kan styre alt fra små maskiner til store komplekse prosesser. I forprosjektet ble meieriet presentert for to alternativ av Siemens PLSer, S7-300 og S7-1200. PLS som ble valgt for brunost maskinen er en Siemens S7-300 siden de har den fra før av på meieriet og det vil forenkle lagerbeholdningen for reservedeler. Siemens S7-300 har store utbyggingsmuligheter med et stort utvalg av tilleggsmoduler. Programmeringssoftwaren er kjent for de fleste i bransjen og er brukt på flere maskiner hos Tine Meieriet Byrkjelo som allerede har lisens for denne.
Figur 8 Siemens S7-300
14
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
6.2 Algoritmer / struktur
Før en setter i gang med programmering lønner det seg å sette opp en struktur for hvordan programmet skal se ut. Spesielt hvis flere programmerer hver sin del på samme program er dette viktig for å spare tid og for å få et robust program. En algoritme er en beskrivelse av en endelig serie operasjoner som skal utføres for å løse et problem eller et sett med flere problem. Enkelt sagt kan en algoritme kalles en oppskrift. Figur 9 og figur 10 viser hvordan gruppen satt opp algoritmen for fyllestasjonen og deler av brettestasjonene.
Figur 9 Algoritmer av en fyllestasjon
15
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
Figur 10 Algoritmer av en brettestasjon
6.3 Grensesnitt / HMI
Brukergrensesnittet er grensesnittet som gjør det mulig å kommunisere mellom bruker og maskin (HMI – Human Machine Interface). Dette gir oss mulighet til å styre maskinen og lese ut data. Det er derfor viktig med et ryddig, enkelt og brukervennlig grensesnitt. Videre kan man se mer om hvordan tidligere, planlagt og nytt grensesnitt ble. 16
H02-300 Hovedprosjekt
Tidligere grensesnitt
Prosjekt brunostmaskin Det tidligere grensesnittet bestod av fysiske brytere og display. Grensesnittet manglet funksjon for å skrive ut feilmeldinger som gjorde det vanskelig å finne feil ved uønsket stopp. Figur 11 viser hvordan grensesnittet var på den tidligere maskinen.
Figur 11 Gammelt grensesnitt Ønsket grensesnitt
Tine Meieriet Byrkjelo ønsket et grafisk grensesnitt på berøringsskjerm, slik at alle brytere er grafisk fremstilt på skjermbilder med enkle bilder av prosessen. De ønsket også at brukeren enkelt kan lese ut status på følere, grafer og feilmeldinger. Figur 12 illustrerer hvordan grensesnittet var planlagt i forprosjektet.
Figur 12 Planlagt grensesnitt
17
H02-300 Hovedprosjekt
Nytt grensesnitt
Prosjekt brunostmaskin Det nye grensesnittet etter montering vist i figur 13, alle funksjoner betjenes enkelt fra skjermbilder som illustrerer prosessen. Dette gjør det enklere for operatør å betjene maskinen og å lære opp nye brukere. Man har også mulighet til å kjøre maskinen manuelt, lese ut grafer, feilmeldinger og temperaturer. Se vedlegg 2 brukermanual for flere skjermbilder.
Figur 13 Nytt grensesnitt Figur 14 Skjermbilde fra hovedskjerm bilde
18
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
6.4 Analoge innganger/utganger
Analoge innganger brukes til å avlese verdier fra for eksempel temperatur, hastighet, omdreininger pr minutt. Dette leses av i standardverdier. Eksempler på dette er 4-20 mA, 0 10V og rene resistive temperaturelement (PT100). I prosjektet er det brukt analoge innganger til å lese av temperatur på kjølevann og brunost, både før og etter Contherm, hvor avlesningsverdiene er 4-20mA. Analoge utganger brukes til å justere hastighet, pådrag, hydrauliske eller pneumatiske sylindre. Utgangskortene har stort sett de samme standardverdiene som inngangskortene, eksempelvis 4-20mA og 0-10V. I prosjektet er det brukt analoge utganger til å styre hastighet på motor via frekvensomformer og pådrag på ventil som regulerer kjølevann. Verdiene fra utgangskortet som ble brukt er 4-20mA. Fullstendig I/O liste ligger i vedlegg 3.
6.5 Digitale innganger/utganger
Digitale innganger kan lese to tilstander, 0 og 1 (av og på). Dette er i prosjektet hovedsakelig tilbakemelding fra reléer eller følere. De digitale inngangskortene går på 24V. Digitale utganger er utganger som avgir to tilstander, 0 og 1 (av og på). Dette er i prosjektet brukt til å starte motorer via kontaktorer og styre luftblokker. Fullstendig I/O liste ligger i vedlegg 3.
6.6 Temperaturregulering
Brunosten har en temperatur på rundt 90 °C når den kommer inn til pakkemaskinen. For at osten skal tilfredsstille kravene er det ønskelig at temperaturen er lavest mulig, men er den for lav vil den ikke pakkes ordentlig i posene. Dette gjør at en jevn temperatur på rundt 70 °C er ønskelig, litt avhengig av ostemassen som kan variere fra dag til dag. PID-regulator (Proporsjonal Integrasjon Derivasjon) er en elektronisk styreenhet brukt i industrien for å regulere elektrisk og mekaniske apparater som motorer, pumper, varmeelement, ventiler og andre pådragsorganer for å få stabile nivåer, temperaturer, volumer og liknende. I et system har man en målt verdi (er-verdi). Dette er den faktiske verdien, f. eks. temperaturen i en kjele. Den ønskede verdien kaller man settpunkt eller skal-verdi. Differansen mellom er- og skalverdi kalles reguleringsavvik. De tre leddene (P, I og D) i regulatoren kan forklares kort. P-leddet mottar et avvik og bruker pådrag for å jevne ut dette. En rein P-regulator vil fungere som en termostatstyrt ovn, og vil 19
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin skape et restavvik. I-leddet fjerner restavviket, og D-leddet roer ned prosessen og gjør at systemet stabiliserer seg på settpunktet raskere. I temperaturreguleringen i prosjekt brunostmaskin har gruppen benyttet seg av en PI regulator. Dette er fordi D leddet sjeldent er brukt på temperaturregulering. [1]
Eksperimentell innstilling av PID-regulator
For å kunne stille inn en PID-regulator vil en trenge parametere (Kp, Ti og Td) som vil gi god regulering. Det finnes flere forskjellige metoder for å finne de rette parameterne, og gruppen har valgt å benytte seg av PID-metoden. Dette er en metode som er basert på eksperimenter. For å unngå at brunost størkner i maskinen så gruppen seg nødt til å bruke vann som medium for å stille inn til en akseptabel verdi. Deretter ble det brukt brunost i tekstproduksjon for å finjustere reguleringen. For å få en PI-regulator vil en først stille inn en P-regulator, for så å koble inn I-leddet.
P-Regulator:
Regulatoren stilles inn som en P-regulator. Dette gjøres ved å sette Kp = 0, Ti = ∞ og Td = 0. Kp skal økes inntil reguleringssløyfen får en brukbar stabilitet, dvs. pådraget er godt dempede svingninger.
PI-regulator:
Ta utgangspunkt i en P-regulator. Koble inn integralleddet (Reduser Ti) inntil sløyfen får litt for dårlig stabilitet. Deretter skal Kp reduseres litt inntil systemet får brukbar stabilitet. Eksperimentene tok en del tid med vann, siden vannet har andre fysiske egenskaper enn brunost, og varmtvannet på anlegget har 20-30 °C lavere temperatur enn brunosten. Gruppen kom til akseptable verdier, og avviket på tekstproduksjonen var innenfor de ønskede grensene på ±5 °C. [2]
Figur 15 PID regulator [3]
20
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
6.7 Funksjonsbeskrivelse PLS
Ved utvikling av programmet til brunostmaskinen har gruppen vært nødt å lage programmet i sin helhet. Dette skyldes manglende dokumentasjon av gammelt program. Gruppen har da tatt videoopptak av prosessen og programmert ut fra dette, og ved hjelp av operatører på anlegget har vi fått en forholdsvis grei forklaring på funksjoner ved anlegget.
SCL
Programmet består for det meste av funksjonsblokker som gruppen har programmert ved hjelp av “Structured Control Language”(SCL), på norsk vil dette si strukturert programmeringsspråk. Funksjonsblokkene består av utganger som aktiveres eller endrer verdi ved hjelp av kommandoer i blokken, som påvirkes av innganger. Figur 16 viser en av blokkene som ble laget.
Figur 16 Funksjonsblokk
Funksjonsblokkene gruppen har laget inneholder store deler “Finite state machine”, eller “Endelig tilstandsmaskin”. Dette er en metode innenfor programmering der kommandoene utføres sekvensielt. Programmet befinner seg i utgangspunktet i en tilstand der blokken venter på en hendelse som fører det videre til neste tilstand. Dette kalles transisjon. Figur 17 viser et eksempel på en tilstandsmaskin.
Figur 17 Tilstandsmaskin [4]
21
H02-300 Hovedprosjekt
Utdrag fra programmet, eksempel på tilstandsmaskin:
Prosjekt brunostmaskin Her følger et utdrag av blokken “Endebretter 2”, som er en del av brettestasjonene.
Tilstander: -
ciIdle: Programmet sin utgangsposisjon. Her venter stasjonen på form. ciForm: Programmet har fått beskjed om at en form har kommet inn i stasjonen, og programmet har en forsinkelse for å være sikker på at formen har stoppet i stasjonen. ciPress: Programmet gir beskjed om at armen skal presse enden på posen ned ciWaitForNext: I denne tilstanden venter programmet på at neste stasjon skal bli ledig. ciRelease: Programmet gir beskjed om at stopperen skal trekkes tilbake, og formen slippes videre til neste stasjon. Når formen er ute vil stopperen skyves frem igjen, og programmet gir beskjed om at stasjonen er ledig. Figur 18 er et utdrag fra eksempelet, i tilstanden “ciPress”.
Figur 18 ciPress
22
H02-300 Hovedprosjekt
CFC
Prosjekt brunostmaskin CFC (Continuous function chart) er en tilleggspakke i Simatic. Her kan en grafisk konfigurere koblinger mellom de nevnte funksjonsblokkene. Dette gjør det svært brukervennlig og oversiktlig å programmere de ferdige blokkene. Figur 19 er et utdrag fra programmet i CFC.
Figur 19 CFC
6.8 Dokumentasjon
Som en del av prosjektet skulle gruppen oppdatere tegninger i forhold til endringer som ble gjort. Dokumentasjonen gruppen har laget er satt sammen av nye inngang – og utgangsskjema for PLS, eksisterende dokumentasjon for ledninger og maskin, og komplett I/O liste for PLS. Elskjema ligger i vedlegg 4, og I/O liste ligger i vedlegg 3. 23
H02-300 Hovedprosjekt
7 Montering og testing
Prosjekt brunostmaskin
7.1 Planlegging
Gruppen studerte elektrisk dokumentasjon for å se om disse stemte med den eksisterende maskinen. Dette ble utført i forprosjektet i god tid før vi byttet ut PLS styringen. Gruppen hadde sådan god tid på å gå gjennom de aktuelle tegningene, da disse var helt grunnleggende for resultatet av den nye PLS styringen. Gruppen var helt avhengig av at tegningene på den gamle styringen stemte før vi erstattet styringen. Det ble også tatt nøyaktige mål av den nye PLS og operatørpanelet for å se hvordan disse passet inn i eksisterende skap. Etter gjennomgangen av anlegget som skjedde i forprosjektet, konkluderte gruppen med at den nye styringen ville passe inn i eksisterende skap uten store endringer. Dette var av stor betydning for prosjektet da et eventuelt bytte av styreskap ville være svært tidkrevende. Nedetiden på maskinen ville ved et skapbytte, øke betydelig. Dette kunne i verste fall resultert i at Tine hadde underslått prosjektet. 24
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
7.2 Demontering
Demontering av gammelt utstyr var minst tidkrevende. Dette skyldes gode forberedinger som sparte gruppen en del tid. Denne tidsbesparelsen går først og fremst på å vite hva som kan kobles fra, hvordan de ulike komponentene på maskinen fungerer, og ikke minst hva som kan fjernes. Det var også viktig for gruppen at de som jobbet med skapet under montering og demontering hadde kontinuitet gjennom hele prosjektet da dette erfaringsmessig ville gi et best resultat. Figur 20 viser skapet før demontering. På grunn av ombygginger og utvidelser har skapet etter hvert blitt fullt. Gruppen hadde som prioritert oppgave å få maskinen driftsatt. Gruppen valgte likevel å holde en høy kvalitet på merking og dokumentasjon på det arbeid som ble utført.
Figur 20 Skap før demontering
Først av alt sørget vi for at anlegget var strømløst. Det var viktig for gruppen å fokusere på sikkerhet da vi jobbet. Deretter kontrollmålte vi at anlegget var strømløst før vi demontere den gamle PLS. Den gamle PLS er plassert til høyre i bildet og er satt sammen av 3 moduler. Lederne ble nå koblet fra PLS og fjernet, det ble også fjernet mange komponenter som ikke var i bruk. Til slutt fjernet vi skapdøren som vi skulle erstatte med en ny. Demonteringen var nå ferdig. 25
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
7.3 Montering
Den største delen av monteringsarbeidet gikk ut på å koble innganger og utganger til rekkeklemmer. Gruppen delte dette arbeidet inn i 2 deler. Først terminerte vi alle digitale innganger og utganger, for så å ta de analoge signalene til slutt. På forhånd hadde gruppen laget til ledninger som skulle gå fra PLS til rekkeklemmer.
Figur 21 Montering av ny PLS
Det var nå viktig at vi monterte, og koplet alt av komponenter riktig i skapet, da eventuelle feil ville gi oss utfrodringer seinere. Erfaringsmessig vil feil ved montering ta svært lang tid å rette opp i. Derfor var god dokumentasjon som vi oppdaterte og fulgte i koblingsarbeidet helt essensielt for utfallet av denne delen av prosjektet.
Figur 22 Ny skapdør ferdigmontert
26
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin I sluttfasen på monteringsarbeidet monterte vi inn den nye skapdøren med ny operatørskjerm. Det viste seg at hengslene på den nye døra ikke passet overens med det gamle skapet, men etter noen justeringer passet døren utmerket. Døren ble nå montert som en siste fase av monteringen. Dette fordi vi lettere kunne få tilgang til skapet under monteringen og forhindre risikoen for at skjermen skulle bli skadet.
7.4 Testing
Demontering/monteringssiden av prosjektet var gjennomført to dager foran skjema. Gruppen var svært fornøyd med dette og vi var nå kommet så langt i prosjektet at maskinen ble spenningssatt. Det ble etter hvert innledet en dialog med operatører der vi ønsket å funksjonskjøre maskinen med vann. Dette er nødvendig før en tester med brunost da brunost kan stivne i rørene dersom den blir stående for lenge. Derfor ble vannkjøring foretrukket ved denne testen, da man ikke visste hvordan maskinen ville utføre syklusene i ulike scenarioer. Testkjøringen gikk overraskende bra og gruppen ville nå teste maskinen med brunost sammen med operatører. Det ble kjørt et forsøk på ca 100 oster og maskinen fungerte slik som vi hadde tenkt oss. Etter hvert som maskinen ble testet kom det svært mye endringer fra operatørene om hvordan skjerm og styring skulle være. Noen endringer var av en slik art at endringene var motstridende med den til nå programmerte logikken.
7.5 Endringer
Operatørene kom med konstruktive og gode forslag til endringer. Etter hvert ble instruksjonene om forandringer av PLS program motstridende. Det ble sådan vanskelig for gruppen og få et helhetlig bilde av hvilke endringer som var gjeldende. Situasjonen var noe vanskelig da endringer fra operatørene var av en slik art at de kom i konflikt med hvordan programmet var bygd opp. Dette ville resultere i at store deler av programmet måtte endres. Et møte med avdelingsleder brunost ble nødvendig for at endringene skulle bli ivaretatt på en best mulig måte. Under møte kom gruppen og avdelingsleder fram til at alle forslag til endringer måtte gå gjennom avdelingsleder slik at eventuelle forslag ble diskutert og vedtatt på avdelingen. Da denne strukturen med endringer ble innført, ble forslagene presise og gode. Vi kunne nå gjennomføre endringene på en god måte. Selv om gruppen hadde brukt mye tid i prosessen med endringer av maskinen lå gruppen på tidsskjema. Maskinen fungerte nå etter de instruksjoner og endringer som var ønsket fra brunostavdelingen ved Tine. Driftsettingen av maskinen ble så gjennomført på en tilfredsstillende måte. Maskinen ble regnet som ferdigstilt 12.5.2012 27
H02-300 Hovedprosjekt
8 HMS
Prosjekt brunostmaskin
Elektrisitet
– På et anlegg med 400V driftsspenning er det alltid en fare for elektrosjokk. 400V er vesentlig farligere enn 230V som er vanlig i husstander. Dette er noe gruppen har hatt fokus på gjennom hele prosjektet, og har alltid koblet på spenningsløst anlegg.
Bevegelige deler
– Anlegget består i stor grad av bevegelige deler. Dette er funksjoner uten noen form for momentbrytere på, og en kan risikere klemskader. For å sikre seg mot dette er anlegget utstyrt med cellegitter(lysgitter) foran bevegelige deler. Dette er et usynlig gitter som detekterer bevegelse, og aktiverer nødstopp.
Høye temperaturer
– Brunosten som kommer inn på linjen har en temperatur på rundt 90 °C. Dette kan føre til forbrenninger, og det er satt opp plexiglass der det er størst fare for sprut.
Personlig verneutstyr
- For å arbeide sikkert brukte vi verneutstyr. Vi fikk utlevert vernesko, vernebriller og hørselvern. I produksjonslokalet er det mye støy og krav om bruk av hørselvern.
Miljø -
På et meieri er det strenge krav til hygiene når en skal inn i produksjonslokalet. Vi fikk utlevert arbeidsklær og sko som vi brukte når vi var på meieriet. Når vi gikk inn i produksjonslokalet for brunost byttet vi sko og tok på oss en overtrekksdress. 28
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
8.1 Risikoanalyse
Dette er estimert sannsynlighets- og alvorlighetsgrad rangert fra 1-5, der 1 er lavest.
Tabell 1 Risikoanalyse Risiko
Kommunikasjonssvikt Sykefravær Programmeringsfeil Leveranseproblem For lite tid Økonomi Overarbeid Konflikt med bedrift Intern konflikt Ukjent teknologi Kollisjon med andre fag Dårlig utføring
Sannsynlighet
1 2 3 1 2 1 1 3 4 1 1 3
Konsekvens
3 5 5 5 4 5 2 4 2 5 3 4
Risikoverdi
3 2 12 10 15 5 8 5 3 12 8 5
Kommunikasjonsvikt
Gruppen vil i utgangspunktet ha faste kontortider på skolen, og dette vil føre til bra kommunikasjon internt i gruppen, samt med veileder og prosjektansvarlig. Gruppen vil avtale møter med Tine Meieriet Byrkjelo, der mål og planer blir utredet.
Sykefravær
Sykefravær kan som regel ikke forutses, men utgjør en liten risiko ettersom flere gruppemedlem har lik kompetanse, og kan tre inn i andres roller.
Programmeringsfeil
Gruppen vil trolig treffe på programmeringsfeil, men har rettleder som har stor erfaring med Siemens PLS, og kan benytte seg av dette.
Leveranseproblem
Forsinkelser kan forekomme, men dette er ikke noe gruppen kan påvirke i stor grad. 29
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
For lite tid
Prosjektet er omfattende, og gruppen er avhengig av nøyaktig og god planlegging da det er begrenset hvor mye nede-tid brunostpakkemaskinen kan ha.
Økonomi
Tine Meieriet Byrkjelo vil etter forprosjektet vurdere om de vil gå for å bytte ut PLS styringen og godkjenne budsjettet. Det vil da bli inngått en skriftlig avtale mellom Tine Meieriet Byrkjelo og prosjektgruppen.
Overarbeid
Planlegging vil være viktig for at gruppen skal kunne jobbe jevnt over hele prosjektet. Arbeidsfordeling vil òg være viktig for at enkelte ikke skal bli overarbeidet, og dermed skape misnøye i gruppen.
Konflikt med bedrift
For å unngå konflikt med bedrift er kommunikasjon, og planlegging viktig. Gruppen må i samarbeid med Tine Meieriet Byrkjelo være konsekvent på tidspunkt det kan jobbes, og rutiner med tanke på hygiene.
Intern konflikt
Gruppen har tidligere jobbet sammen i prosjekt, der samarbeidet har fungert utmerket. Konflikter kan selvsagt oppstå angående tidspunkt, arbeidsfordeling og valg av løsninger. Dette sees ikke på som et stort, eller langvarig problem da gruppen i samarbeid skal løse utfordringer på en demokratisk, og rettferdig måte.
Ukjent teknologi
Teknologien som skal anvendes er kjent for gruppen fra tidligere undervisning. Noe vil nok være nytt for gruppen, men i samarbeid med andre grupper og veileder vil dette være overkommelig.
Kollisjon med andre fag
Gruppens medlemmer har forskjellige valgfag, og dette kan føre til noe kollisjon med andre fag. Dette løses enkelt ved å sette opp en timeplan med tidspunkt gruppen skal samles, og ved å melde ifra og planlegge dersom det er noe ekstra i fagene.
Dårlig utføring
En kan risikere at prosjektet ikke blir ferdig i tide, eller at det avleverte produktet ikke tilfredsstiller samarbeidspartners kriterier. Disse tingene vil unngås med god prosjektledelse, og at en følger Gantt skjema så godt som overhodet mulig. Planlegging og innhenting av informasjon om eksisterende anlegg er òg svært viktig. 30
H02-300 Hovedprosjekt
9 Konklusjon
Prosjekt brunostmaskin Resultatet av prosjektet er en oppgradert PLS styring med tilhørende operatørskjerm til 1 kilos brunostmaskin ved Tine Meieriet Byrkjelo. Maskinen ble regnet som ferdigstilt den 12.5.2012 og er daglig i drift. PLS styringen som gruppen har utviklet under prosjektet har gitt oss en del utfordringer, men prosjektet har vært utrolig lærerikt og arbeidet har vært et realistisk prosjekt som kunne vært aktuelt i arbeidslivet. Prosjektet har inneholdt en stor spennvidde innenfor fagfeltet automasjon noe som var avgjørende for det endelige valget av type prosjekt. Gruppen har vært svært gunstig sammensatt da medlemmene har yrkesfaglig bakgrunn. Dette har gitt gruppen den fordelen at den kan utføre oppgaver innen elektrisk/mekanisk arbeid. Gruppen har også vært fokusert på å holde oss innenfor de gitte rammer innenfor tid og økonomi. Disse rammene ble utarbeidet sammen med Tine i forprosjektet. Gjennom prosjektet har gruppen dedikert faste dager til arbeid med prosjektet, henholdsvis mandager, onsdager og fredager. Gruppemedlemmene ble tidlig i prosjektfasen tildelt oppgaver for så selv løse disse på en god måte. I dette prosjektet har oppgavene blitt tildelt i hovedgruppene PLS programmering, HMI design, elektrisk dokumentasjon, delebestilling og arbeidskoordinering. Denne arbeidsmetoden har gruppen erfart i tidligere prosjektarbeid fungerer svært tilfredsstillende, noe som også har vært tilfelle i dette prosjektarbeidet. Gjennom hele prosjektet har samarbeidet og samholdet i gruppa vært utmerket selv om hvert gruppemedlem har jobbet med sine tildelte oppgaver. Det har videre vært en god dialog innad i gruppen ved drøftinger av ulike utfordringer og avgjørelser. Styringen blir regnet som en topp moderne og gir flere muligheter innefor data logging, utvidelser og feilsøking enn den foregående styringen. PLS styringen innfir også krav til reservedeler noe som var hovedgrunnene til at den foreldede styringen ble byttet ut. Prosjektgjennomføringen har vært en lærerik prosess der gruppen har innsett nødvendigheten av den kunnskapen høgskolen har gitt oss de 3 årene vi har studert der. God planlegging, struktur og samarbeid er viktige faktorer for et fullgodt prosjekt. Gruppen har stilt store krav til seg selv for å kunne levere et fullverdig produkt til gitt tid. Gruppemedlemmene har alle forskjellige personlige egenskaper noe som utgjør en god gruppesammensetning. Disse egenskapene har også gjort oss til en sammensveiset gjeng og vi har utviklet et samhold som vi vil holde fast ved i fremtiden. 31
H02-300 Hovedprosjekt
10 Fremtidige forbedringer / utvidelser
Prosjekt brunostmaskin Gruppen har gjennom prosjektet tilegnet seg kunnskaper og erfaringer med brunostmaskinen, og vurdert om det kan gjøres ytterlige forbedringer for å kunne heve kvaliteten på sluttproduktet. Dette gjelder i særlig grad reguleringen av brunosttemperatur. Det er pr i dag noe ujevn regulering av justert ostetemperatur på ost ut av Contherm. Dette kan føre til varierende kvalitet på osten. Årsakene til reguleringsavviket kan for eksempel være for lavt trykk på kjølevann, for høy temperatur på kjølevann, eller for liten mengde kjølevann. . 32
H02-300 Hovedprosjekt
11 Prosjektadministrasjon
11.1 Organisering
På figur 23 kan en se hvordan prosjektet er organisert. Prosjekt brunostmaskin
Oppdragsgiver
Tine Meieriet Byrkjelo v/Inge Nedrebø
Styringsgruppe
Joar Sande | HiSF | Prosjektansvarlig Olav Sande | HiSF | Veileder
Prosjektgruppe
Rune Vie Hafstad | Prosjektleder Kim-Andre Eide Marius Kauppi Rørvik Øystein Rønnestad Pedersen
Figur 23 Organisering
Prosjektgruppa består av Rune Vie Hafstad som prosjektleder, Kim-Andre Eide, Marius Kauppi Rørvik og Øystein Rønnestad Pedersen. Joar Sande er prosjektansvarlig, Olav Sande er veileder og Tine Meieriet Byrkjelo er oppdragsgiver der Inge Nedrebø er kontaktperson. Kontaktinformasjon for prosjektgruppen: Medlem: Rune Vie Hafstad Kim-Andre Eide Marius Kauppi Rørvik Øystein Rønnestad Pedersen Rettleder: Joar Sande Olav Sande Tine Meieriet Byrkjelo: Inge Nedrebø e-post: [email protected]
e-post: [email protected]
e-post: [email protected]
Telefon: 971 65 344 478 42 771 984 18 609 992 06 419 Telefon: 577 22 629 / 414 40 591 Telefon: 993 89 301 33
H02-300 Hovedprosjekt
11.2 Gjennomføring i forhold til plan
Milepæler
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Tirsdag Torsdag Fredag Onsdag Fredag Onsdag 03.01.12 19.01.12 17.02.12 23.05.12 25.05.12 06.06.12 Prosjekt brunostmaskin Prosjektstart Innlevering av prosjektbeskrivelse Innlevering av forprosjektrapport Innlevering av sluttrapport Presentasjon m/plakat Nettsiden ferdigstilt
Fremdriftsplan
I forprosjektet satte vi opp en plan for prosjektperioden, vedlegg 6. Undervegs i prosjektet ble planen oppdatert og endelig skjema kan sees i vedlegg 7. Vi avtalte med meieriet når tid det passet å bytte PLS ihht produksjonen. Det ble satt av en uke til montering og ut i fra denne uken ble fremdriften planlagt, når delene skulle bestilles, når programmet skulle være ferdig osv. Noen dager før vi skulle begynne å montere satte vi opp en konkret dag for dag plan, vedlegg 8. I prosjektperioden har vi ført timeliste og fullstendig timeliste kan sees vedlegg 10.
Møteplan
Det ble utført tre prosjektmøter med styringsgruppe med 14 dagers mellomrom med møteinnkalling, statusrapport og fremdriftsplan for de neste 14. dagene. Etter avtale med de andre prosjektgruppene ble møtene samlet på en dag med 15 minutters mellomrom. Etter påsken ble det ikke flere statusmøter fordi da var vi en uke på meieriet for å utføre monteringen, og etter det var det skriving av rapport og da var det ikke behov for flere møter. Statusmøter for gruppen vår ble: 1.
2.
3.
Uke 9 Uke 11 Uke 13 mandag mandag mandag 28.02.12 12.03.12 26.03.12 14:20 12:30 12:30 Statusrapport, møteinnkalling og referat kan leses i vedlegg 5.
11.3 Økonomi
I forprosjektet beregnet vi pris på deler og monteringsmateriell til ca. 74 000,- for en Siemens S7-300. Prisene for utstyret er innhentet av meieriet og de har selv bestilt alt utstyr. I tillegg har de betalt for kost og losji. I monteringsuken bodde vi åtte dager i en hytte som ble leid av meieriet, de betalte for pendlingen mellom Førde og Byrkjelo, og maten vi spiste i kantinen førte vi opp på en liste. Den totale kostnaden for prosjektet blir da ca. 90 000,- Vedlegg 9. 34
H02-300 Hovedprosjekt Prosjekt brunostmaskin
11.4 Generell prosjektevaluering
I dette prosjektet har vi oppnådd målet om å bytte ut styringen på brunostmaskinen. Etter to uker med daglig drift var det noen små endringer i programmet og utsende på skjermen etter ønske fra operatørene. Etter utført prosjekt ser vi igjen at det er viktig å komme i gang tidlig og planlegge godt for å komme i havn med prosjektet. Dette er spesielt viktig i et prosjekt med ekstern oppdragsgiver og der produktet som blir laget skal være i daglig drift.
12 Figur og tabelliste
35
H02-300 Hovedprosjekt
13 Referanseliste
Prosjekt brunostmaskin 1.
2.
3.
http://no.wikipedia.org/wiki/PID-regulator 02.05.12
http://techteach.no/fag/tel220/v06/pid_regulering/pid_innstilling.pdf
02.05.12
http://www.bitjungle.no/kjemiprosess/wp-content/uploads/2010/01/kap6plus tuning.png
02.05.12 4.
http://developers.sun.com/mobility/midp/articles/fsm/fsm_fig2.gif
05.05.12
14 Vedlegg
1.
2.
3.
4.
Forprosjekt Brukermanual I/O liste Elektrisk dokumentasjon 5.
6.
7.
Statusrapport, møteinkalling og møtereferat Gantt skjema planlagt Gantt skjema utført 8.
9.
Plan monteringsuke Økonomi(lukket) 10.
Timeliste 36