Servohydrauliikka oman sijansa saakoon

Edellinen Valikko

Kun sähkömoottorit on jo edellä ylistetty jokseenkin maasta taivaaseen, lie paikallaan lausua muutama sananen myös niiden hydraulisten servo- ja proportionaalijärjestelmien puolesta joihin meidän porilainen automaatiotekniikan DI-koulutuksemme vaikuttaa ainakin tässä vaiheessa painottuvan. Ovathan nekin ältsin upeita ja huisin huikeita zydeemejä, kuten ylläolevista kytkennöistä ilmenee. Nähtäväksi vaan jää missä määrin näiden sinänsä komeiden esim. sähköhydraulisten servojen kanssa on käytännössä mahdollista toimia.

Harrastuksena esimerkiksi sähköhydrauliset servomoottorit vaikuttavat liian kalliilta meikäläisen laihalle lompakolle. Työelämä olisi ainoa mahdollinen areena näiden kanssa kamppailulle, mutta pahoin pelkään että ne ukset eivät enää minulle aukene, paitsi siinä melko epätodennäköisessä tapauksessa että yllättäen rikastuisin aivan silmittömästi jolloin pystyisin starttaamaan oman liiketoiminnan veren maku suussa kilpailijoita ahdistellen. Työelämän karkelot ovat lujien luisten lukkojen takana.

Luiset lukot eivät ehkä tee enää nykyisin suurta vaikutusta suureen yleisöön, mutta vielä minun isovanhempieni sukupolvelle ne olivat jonkinlainen kestävyyden ja lujuuden perikuva. Luinen lukko pitää eikä niin vaan anna periksi voimankäytön edessä ja aukene avaimettomalle.

Yksityisesti vain alan teoriaa voi harrastaa ja onhan se kiehtovaa. Epälineaariset differentiaaliyhtälöt, niiden linearisointi ja linearisoitujen yhtälöiden Laplace-muunnos sekä siirtofunktioiden laskenta ovat aivan tyydyttävän haasteellisia juttuja.

Vaikka ei oikeastaan olekaan realistista koettaa mallintaa hydraulisen järjestelmän toimintaa aivan toiminta-alueensa laidasta laitaan. Nesteiden virtaus on hiukka pulmallinen jutska. Hydrauliset järjestelmät ovat huikean epälineaarisia vaikka niitä koetetaankin mallintaa lineaariteorian keinoin, hurskaasti toivoen että tasapainotilan toimintapiste ja liki lineaarisuus sen ympäristössä riittää.

Merkittävää viivettä sisältävät takaisinkytketyt säätöjärjestelmät ovat sikäli taitolaji, että ne voivat karata taitamattoman suunnittelijan käsistä kun pyritään hyviin suoritusarvoihin. Huolettomasti koostettu järjestelmä voi alkaa värähdellä aika yllättävästikin ja eihän esimerkiksi kaivinkone ole kovin hyödyllinen tarkkuutta vaativassa työssä jos sen kauha on voimakkaassa holtittomassa mekaanisessa värähdysliikkessä.

Tyhmä ohjausjärjestelmä on vakaa ja (taitavan ammattilaisen) ihmisen helppo ohjata, mutta hienossa takaisinkytketyssä säätöjärjestelmässä piilee hallitsemattomien värähtelyiden riski. Järjestelmä säätää itse itseään. Onnistuessaan säätöjärjestelmä on ältsin siunauksellinen, tehokas, taloudellinen, tarkka, nopea, helppokäyttöinen (ei vaadi ehkä harvinaista/kallista huippuhyvää ammattityövoimaa) ja mediaseksikäs. Epäonnistuessaan se on katastrofi.

Onnistuminenkin on kuitenkin täysin mahdollista jos toimitaan fiksusti. Onnistumisesta ovat esimerkkejä uudet metsäkoneet, satama- ja kaivosautomaatio. Tulevaisuudessa tällaisilta järjestelmiltä toivotaan jopa autonomista toimintaa, ilman ihmisen ohjausta. Porin seudulla alan merkittävä edustaja on Ulvilan automaatioklusteri, joka lie myös syy siihen että meidän automaatiokurssimme ylisummaan edes järjestettiin Satakunnassa Tampereen yliopiston paikallisena porilaisena toteutuksena, vieläpä julkisella tukirahalla avittaen.

Näitä zydeemejä ei voi noin vaan vasemmalla kädellä mielivaltaisesti latoa kasaan, heitellä huolettomasti vihellellen yhteen ja odottaa lopputulokselta moitteetonta toimintaa. Arvaamalla ja kokeilemalla homma ei välttämättä onnistu. Tarvitaan huolellista suunnittelua sekä terve teoria ja vankka fysikaalinen ymmärrys suunnittelun tueksi. Teknillisellä matematiikalla on oma roolinsa ja desimaalipilkun paikka tulee ymmärtää oikein.

Hydrauliset servot ovat sinänsä hienoja, mutta niiden ohjaus on aika tavalla erilaista kuin manuaalisesti käytettävän järjestelmän ohjaus. Esimerkiksi servoventtili voidaan tehdä negatiivisella peitolla niin että se päästää jatkuvasti nestevirtaa kumpaankin haaraan. Niinpä sitä on säädettävä jatkuvasti, vaatii aivan jatkuvia nopeita ja korrekteja säätöliikkeitä, eikä siihen ihminen pystyisi vaikka hänellä olisi vähälukuisia päiviään täydellä intensiteetillä elävän sirkeän pikkulinnun refleksit. Servoventtiilille saadaan täten suora ominaiskäyrä, ei kuollutta aluetta.

Hydrauliikalla on ehkä yleisesti hitaan systeemin maine, mutta nopeat sähköhydrauliset komponentit voivat seurata jopa sadan sekuntiradiaanin (rad/sek) suuruisia kulmanopeuksia. Se on mekaniikan maailmassa jo melkoista kyytiä vaikka jääkin kauas radiotaajuuksista.

Ja kyllä pikkulinnuilla on huikeat refleksit. Olen nähnyt miten pikkulintu lentää verkkoaidan läpi. Yrittäkääpä itse perässä! Lennätte täydellä vauhdilla päin verkkoaitaa, kriittisellä hetkellä vedätte siivet sisään niin että ruumiinne nippa-nappa mahtuu solahtamaan verkkoaidan reiästä läpi, heti aidan läpi päästyä alatte jälleen räpsytellä siipiänne niinkuin ei mitään ja jatkatte sujuvasti reipasta lentelyänne. Kyllä sen pitäisi tämän detaljoidun kuvauksen perusteella onnistua! Helppo nakki! -ko, kö?

Toivon jatkossa oppivani aiheesta paljon lisää. Ja koetan siitä myös sitkeästi raportoida, sikäli mikäli uutteran opiskelun vaatimuksilta ja muun elämän sekalaisilta rasituksilta ja koettelemuksilta kykenen. Eiköhän modernin teknisesti orientoituneen luonnonuskonnonkin puitteisiin mahtune pettuleivälläkin pärjänneen Saarijärven Paavon kuuluisa lausahdus "Koettelee, muttei hylkää Herra!". Kun eihän sen tarvitse olla mikään jutskujen Herra, vaan se voi olla esimerkiksi hydrauliikkanesteen väen (maan väki, pellon väki, veden väki, miksi ei siis myös hydraulinesteen väki!) ja automaation Jumala.


Paluu takaisin tukevalle maan pinnalle

Juu, hydrauliikka, pneumatiikka ja mekaniikka ovat timanginkovia juttuja ja haaveita täytyy ihmisellä aina olla. Haaveilun ja unelmoinnin voi lopettaa vasta kun elintoiminnot loppuvat, keho kylmenee ja mätäneminen alkaa.

Elämme kuitenkin tamperelaisen videoyliopiston nuivissa porilaisissa olosuhteissa, joten on käytännössä tyytyminen pienimuotoiseen omaehtoiseen sähkötekniikkaan ja elektroniikkaan.

Enkun kurssilla English Communicative Skills edessä on eräänlaisen esityksen ja oppitunnin valmistelu parityönä itse valitusta aiheesta, mutta englanniksi. Sähkömoottorit tuntuu olevan mukava aihe, joten siihen olen alkanut valmistautua. Toki haluan myös samalla suorittaa kunnollisen käytännön demostraation miten pieniä sähkömoottoreita voi ohjata mikrokontrollerilla.

Vaikka varsinainen ydintehtävä taitaa kuitenkin olla saada yleisö keskustelemaan englanniksi jostakin mielekkäästä ja motivoivasta teemasta. Sähkömoottorit kiistatta kuuluvat yhteiskuntaamme, niillä on arkipäivässämme suuri merkitys. Joten kyllä ne yhden englanninkielisen oppitunnin ansaitsevat. Mutta täytyyhän kunniallisella insinöörillä olla substanssi mukanaan kun lähtee pitämään oppituntia.

Esitykseen olisi tarkoitus saada PowerPoint-kalvoja, mutta mielestäni sellaisen diashown voisi yhtä hyvin toteuttaa Raspberry Pi:n (lyhyesti RPi) LibreOffice-paketin vastaavalla ohjelmalla. Kävin kokeilemassa enkun luokassa 104 projektorin kanssa että RPi:n käyttö onnistuu. Ja kyllä se toki onnistuu vaikka RPi:llä ei ollut vielä silloin koteloa, vaan se oli ihan ilkosillaan. Nyt sillä sentään on läpinäkyvä yöpaituli sulojensa osittaisena peittona.

Ranskalaiset opiskelijat toteuttivat luokan projektorin kanssa mykistyttäviä PowerPoint-esityksiä läppäreillään joissa on HDMI-liitäntä. Tämä sai minut tavattoman kateelliseksi. Mutta hei, onhan RPi:ssä myöskin HDMI-liitäntä ja sillä voinee yhtä hyvin toteuttaa diashown. Akkua RPi:ssä ei ole, mutta sähköä on opettajanpöydältä saatavissa.

Ohessa on kuvattuna RPi "uudessa" kotelossaan, joka itse asiassa on ollut minulla jo jonkin aikaa, mutta jonka vasta äskettäin olen saanut sopimaan yhteen RPi 3 Model B+ korttitietokoneen kanssa. Tuollainen kirkkaan ja punaisen kirjava levyrakenteinen muovikotelo näytti hyvältä mainoksessa, mutta se ei ole täysin yhteensopiva Raspberry Pi:n tämän version kanssa. Kortilla on tapahtunut muutos. Piti poistaa osa kotelon levyistä että sai kortin kunnolla sisään. Kotelon materiaali on kovaa ja haurasta akryylia joka murtuu helposti, mutta sivuleikkureiden kanssa jos sitä koettaa trimmata, niin murtumia voi sattua yllättävästikin.

Tuon Raspberryn neljään USB-liitäntään saa kiinni näppiksen, hiiren, USB-muistitikun ja Arduino Unon (A to B) ohjelmointijohdon. Web-yhteys olisi myös langallisena tai langattomana, mutta niitä ei ehkä nyt tarvita. Ääniominaisuudet olisivat käytettävissä analogisina korvakuulokkeen jakin kautta ja ehkä digitaalisina HDMI:n kautta?

Akaasiapuisen leikkuulaudan linjalla jatketaan. Tarkoitus on asentaa Arduino IDE tuohon Raspberryyn ja ohjata sen kautta Arduino Uno mikrokontrollerikortteja jotka puolestaan ajavat sähkömoottoreita (vahvistimien kautta) ulkoisen teholähteen avulla. Kotelossa itsessäänkin on harjaton 5V DC-moottori (mustavalkoinen mötikkä kotelon päällä) jota voi käyttää demossa, koska RPi ei sitä välttämättä itse tarvitse.

Ohessa oskilloskooppikuva kyseisen harjattoman DC-moottorin jänniteominaisuuksista. Yleensä se käyttäytyy siististi, mutta kuvaan on onnekkaasti osunut peräti yli 11 voltin jännitepiikki kun moottoria pyöritetään vaatimattomalla noin 4 V jännitteellä. Enpä tahtoisi sellaista jännitepiikkiä Raspberry Pi:n herkkiin sisuskaluihin. Nimellisesti tuo harjaton tuuletinmoottori kuluttaa 0,2 A mutta todellinen mitattu kulutus oli alle 0,1 ampeeria, Halpa-Hallin lahjomattoman digitaalisen yleismittarin mukaan.

Kun demokaluston joutuu itse kantamaan sinne Puuvillaan, niin se täytyy rakentaa kompaktiksi ja helposti kuljetettavaksi. Kytkennät täytyy olla pääosin jo etukäteen valmistettuja, sillä ei niiden kanssa paljon ehdi säheltää ja sählätä itse esityksessä.

Taidanpa varustaa parikymmentä vuotta vanhan aktiivipalveluksesta jo eläköityneen mustan muovisen Samsonite -salkkuni projektisalkuksi jossa kulkisi turvallisesti mukana ainakin parin erilaisen pienen sähkömoottorin demoamiseen tarvittava kalusto. Järjestelyiden täytyisi olla sellaisia että pienen moottorin toiminnan tulokset näkyvät vähän kauemmaksikin.

Demossa täytyy näyttää hyvältä ja kyllä tästä suoriutuminen on kunnia-asia. Oheisen militaristisen näköisen puukotelon lähinnä autoihin tarkoitetut kytkimet ovat aika jykevää laatua Arduino Unoa ajatellen, mutta ainakin ne ovat kestäviä ja mukavia käyttää. Arduino Unon aloituspakkauksen trimmerit ovat melkoisen heikkoa laatua, joten tarvitaan kunnon potikat.

Kuvasinpa taas yliopistokeskuksen aulan 3D-tulostinta kun siinä on niin komeat askelmoottorit ja upeaa mekaniikkaa. Kateeksi käy. Siinä on johteet viimeisen päälle. Vastaavaan tyylikkääseen mekaaniseen toteutukseen ei meikämannen rahkeilla yllä. Koetan keskittyä vaan teknisten perusteiden esittelyyn.



Galleria