Univerzita Pardubice
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Základy mechatroniky
Semestrální práce č. 2
Návrh mechatronického systému
určeného k otevírání brány
Jméno: Dominik Papp
Datum: 27. 12. 2013
Popis konstrukčního řešení
Obrázek 1: Schéma konstrukce [1]
Mechatronický systém bude určen k ovládání dvoukřídlové brány za pomoci elektromotorů.
Křídla brány musí být upevněna na vhodných pantech, aby umožňovala bezproblémové otevírání
(zavírání) a které zároveň musí unést tíhu křídla brány. K bráně musí být navíc namontovány úchyty
pro upevnění ramene pohonu.
Pohon brány bude zajišťovat dvojice elektromotorů. K tomuto účelu se nejlépe hodí stejnosměrné
elektromotory. Převod z otáčivého na posuvný pohyb bude zajištěn pomocí šroubového převodu,
nebo pomocí kloubového ramene.
Bezpečnost chodu brány zajišťují dva páry fotobuněk pro indikaci tělesa v prostoru brány. Indikace
nárazu brány na překážku se zajistí pomocí kontaktních lišt, nebo ze senzoru počtu otáček motoru.
Dominik Papp
Strana: 2 / 16
Semestrální práce II.
Akční člen – elektromotor
Základní princip
Obrázek 2: Schéma stejnosměrného motoru [2]
Motor se skládá ze statoru a rotoru.
Stator bývá tvořen z lité oceli, nebo z izolovaných plechů pro větší motory. Po vnitřním obvodě jsou
rozmístěny pólové nástavce hlavních a pomocných pólů. Pólů je vždy sudý počet, jejich polarita se
pravidelně střídá – hlavní a pomocný pól po směru otáčení rotoru mají vždy stejnou polaritu, další
dvojice opačnou … Cívky navinuté na hlavní pólové nástavce budí točivé magnetické pole motoru.
Pomocné póly slouží z lepší komutaci rotorového vinutí, snižují jiskření komutátoru, musí se
zapojit sériově s vinutím rotoru. Pro malé výkony motorů lze místo cívek použít permanentní
magnety.
Rotor je tvořen z navzájem izolovaných plechů s drážkami pro rotorové vinutí, které je připojeno na
komutátor. Účelem komutátoru je přivádět na cívky rotoru správně orientovaný proud tak, aby se ve
statorovém vinutí vytvořilo točivé magnetické pole. Na komutátor dosedají kartáčky, které jsou
vyvedeny na svorkovnici motoru.
Reakce kotvy – jiskření kartáčků na komutátoru.
„Proud, protékající vinutím kotvy, vytváří reakční magnetické pole, které zeslabuje a deformuje
magnetické pole hlavních pólů a ovlivňuje i magnetické pole komutačních pólů. K potlačení
reakčního pole slouží kompenzační vinutí, zakládané do drážek pólových nástavců hlavních pólů.“
[2]
Dominik Papp
Strana: 3 / 16
Semestrální práce II.
Buzení stejnosměrných motorů
a) Paralelní buzení
Vinutí statoru je paralelně připojeno k vinutí rotoru. Otáčky motoru se se zatížením příliš nemění a
záběrový moment motoru je vysoký. Při náhlém odpojení zátěže ovšem hrozí zničení motoru –
rotor by se mohl nekontrolovaně roztočit. Využívá se u jeřábů, dopravních pásů.
b) Sériové buzení
Vinutí statoru je spojeno s vinutím rotoru do série. Motor má největší moment při nulových
otáčkách, se zvětšující se zátěží otáčky klesají. Využívá se u dopravních strojů a v elektrické trakci.
c) smíšené (kompaundní) buzení
Vinutí statoru je rozděleno na dvě a připojeno k rotorovému vinutí sériově a paralelně. Působí-li obě
vinutí souhlasně, má motor větší záběrový moment než motor s paralelním buzením a otáčky tolik
neklesají, jako u motoru se sériovým buzením.
Působí-li obě vinutí proti sobě, pak při změně zatížení neklesají otáčky. Stejně jako u paralelního
buzení hrozí zničení motoru při náhlém odpojení zátěže. Využívá se u pohonu výtahů, bagrů.
Změnu smyslu otáčení lze provést obrácením polarity napájecího napětí.
Změnu otáček motoru pak změnou napájecího napětí.
Dominik Papp
Strana: 4 / 16
Semestrální práce II.
Provozní podmínky
Pohony křídlových bran mohou být nadúrovňové, nebo podúrovňové.
Nadúrovňové pohony jsou připevněny přímo k bráně, kde jsou vystaveny vlivu okolí. Jsou tak
náročnější na údržbu, ale mají nižší pořizovací náklady.
Podúrovňové pohony jsou umístěny v podzemním boxu, kde ven vychází pouze vodící rameno.
Jsou tak lépe chráněny před nečistotami, mrazem. Pořizovací náklady jsou však vyšší.
(a)
(b)
Obrázek 3: (a) podúrovňový, (b) nadúrovňový pohon pro křídlové otočné brány [3]
Příklady pohonů pro křídlové otočné brány
TOUSEK – SLIM
Jedná se o samo-brzdící šroubový typ pohonu. Pohon je opatřen integrovanými koncovými spínači,
není tedy potřeba dodatečných koncových spínačů ani pozemních dorazů. Při dojíždění do koncové
polohy zastavuje redukovanou rychlostí. Obsahuje zabudovanou ochranu při nárazu brány okamžitě
mění směr pohybu.
Maximální váha křídla brány
150
[kg]
Maximální šířka křídla brány
2,5
[m]
Maximální úhel otevření
120
[°]
Cyklů
20
[den]
Napájení motoru
12
[V]
Cena
Neuvedena
http://www.tousek.cz/index.php/cz/drehtorantriebe/slim
Dominik Papp
Strana: 5 / 16
Semestrální práce II.
TOUSEK – SPIN
Jedná se nadúrovňový pohon s ramenem v robustním celokovovém provedení s ohledem na
snadnou montáž. Při dojíždění do koncové polohy zastavuje redukovanou rychlostí.
Maximální váha křídla brány
200
[kg]
Maximální šířka křídla brány
2,5
[m]
Maximální úhel otevření
120
[°]
Cyklů
20
[den]
Napájení motoru
230
[V]
Cena
Neuvedena
http://www.tousek.cz/index.php/cz/drehtorantriebe/spin
TOUSEK – TURN 310UF
Jedná se o podúrovňový samo-brzdící pohon s ramenem v robustním provedení. Pohon je opatřen
integrovanými koncovými spínači, není tedy potřeba dodatečných koncových spínačů ani
pozemních dorazů. Při dojíždění do koncové polohy zastavuje redukovanou rychlostí. Obsahuje
zabudovanou ochranu při nárazu brány okamžitě mění směr pohybu.
Dominik Papp
Strana: 6 / 16
Semestrální práce II.
Maximální váha křídla brány
400
[kg]
Maximální šířka křídla brány
3
[m]
až 180
[°]
Cyklů
30
[den]
Napájení motoru
230
[V]
Maximální úhel otevření
Cena
Neuvedena
http://www.tousek.cz/index.php/cz/drehtorantriebe/turn-310uf
NICE s.p.a. – Hyke (HK7024)
Jedná se nadúrovňový pohon s ramenem v odolném hliníkovém šasi určený pro intenzivní provoz.
Obsahuje nastavitelné mechanické dorazy krajních poloh přímo v motoru, má již zabudovanou
řídicí jednotku, která zajišťuje zpomalení pohybu brány před dovřením a plném otevření. Motor má
zabudovanou detekci překážky.
Maximální váha křídla brány
200
[kg]
Maximální šířka křídla brány
3,5
[m]
Maximální úhel otevření
120
[°]
Cyklů
30
[hod]
Napájení motoru
24
[V]
Cena
13 569,00 Kč
(cena za sadu obsahující: 1 ks - pákový pohon HK7224, 2 ks - mechanických koncových dorazů do
motoru, 1 ks - řídící jednotka, 4 ks - čtyřkanálový dálkový ovladač T4, 1 ks - výstražnou lampu)
http://azpohony.cz/hykekit-1k-profi-pakovy-pohon-pro-jednokridlou-branu-p-1172.html
Dominik Papp
Strana: 7 / 16
Semestrální práce II.
NICE s.p.a. – Metroplex ME3024
Jedná se podúrovňový pohon s ramenem z nerezové oceli lakovým nátěrem MECF je vysoce
odolný proti korozi. Vnitřní části jsou vyrobeny z kovu a slitin bronzu. Vnější šasi je tvořeno z
hliníkového odlitku odolného proti vodě, splňující normu IP67. Pohon je vhodný k intenzivnímu
používání, zpomalení pohybu brány před dovřením a plném otevření. Motor má zabudovanou
detekci překážky.
Maximální váha křídla brány
400
[kg]
Maximální šířka křídla brány
3
[m]
110
[°]
-
[hod]
24
[V]
Maximální úhel otevření
Cyklů
Napájení motoru
Cena
7 696,00 Kč
http://eshop.montego.cz/p/ME3024-podzemni-pohon-kridlove-brany-24V
Dominik Papp
Strana: 8 / 16
Semestrální práce II.
Zabezpečení otvírání a zavírání brány
Bránu při jejím otevírání a zavírání musíme zajistit proti možnému způsobení škody na majetku,
nebo újmy na zdraví.
Musíme zajistit, aby se pohyb brány okamžitě zastavil v případě, že do prostoru pohybujících se
křídel brány vnikne cizí těleso, např. automobil. Pro tento účel nám nejlépe poslouží optické závory
– fotobuňky.
Fotobuňky se vždy umisťují v párech, přičemž jedna má funkci vysílače (Tx) a druhá přijímače
(Rx). Vysílací fotobuňka vysílá do přijímací modulovaný infračervený paprsek. Pokud cokoli při
chodu brány přeruší, přijímač tuto změnu okamžitě odešle do řídicí jednotky ke zpracování. Řídicí
jednotka pak podle požadavků zastaví pohyb brány, nebo otočí směr pohybu.
První pár fotobuněk umístíme v bezpečné vzdálenosti, tedy alespoň tak daleko jak je dlouhé křídlo
brány, od brány ve směru otvírání. Fotobuňky upevníme na sloupcích. Tento pár fotobuněk bude
předcházet náraz do např. vozidla, které vjede příliš blízko k bráně.
Druhý pár fotobuněk umístíme na nosných sloupech brány. Tímto předejdeme skřípnutí vozidla
mezi sloupy brány, také je lze využít pro zjištění, že vozidlo branou již projelo a po nějaké prodlevě
začít zavírat bránu.
Ochranu proti nárazu do překážky má řada motorů již zabudovanou (ARS – automatický reversní
systém). Princip spočívá ve snímání počtu otáček motoru magnetickým snímačem, pokud dojde
nárazu zvýší se moment motoru a otáčky klesnou. ARS potom okamžitě otáčí směr pohybu brány.
Ochranu před nárazem můžeme také realizovat pomocí bezpečnostní kontaktní lišty, která pracuje
na principu klidového proudu, lišta reaguje na změnu tlaku a tento údaj odešle ke zpracování řídicí
jednotce.
Příklady ochranných prvků
Fotobuňky PH100
Jsou určeny pro pohony Mhouse a Nice, pracují se sběrnicí bluebus, díky které je možno připojit
fotobuňky pomocí dvou vodičů, které mají funkci jako napájecí i datové vodiče
Cena: 1.199 Kč
http://azpohony.cz/ph100-bluebus-bezpecnostni-fotobunky-mhouse-a-nice-p-1251.html
Dominik Papp
Strana: 9 / 16
Semestrální práce II.
NICE – MOFB - fotobuňky
Pracují se sběrnicí BlueBUS, mají LED indikací kvality příjmu paprsku a dosah 15 m.
Cena: 1.349 Kč
http://azpohony.cz/mofb-par-povrchovych-fotobunek-bluebus-p-163.html
NICE - MOF – fotobuňky
Dosah paprsu až 30 m
Cena: 1.007 Kč
http://azpohony.cz/mof-fotobunky-nice-p-160.html
FO - fotobuňka s odrazkou
tyto fotobuňky se používají tam, kde není možné propojení Rx Tx kabelem. Dosah 0,5 – 15 m.
Cena: 2.484 Kč
http://azpohony.cz/fo-fotobunka-s-odrazkou-p-679.html
Dominik Papp
Strana: 10 / 16
Semestrální práce II.
Kontaktní lišty
Jsou dodávány o požadované délce, s možností výběru z několika šířek.
Cena: neudána
http://www.trido.cz/listy/
http://www.tousek.cz/index.php/cz/sicherheitseinrichtungen/sicherheits-kontaktleisten
Řídicí jednotka
Stará se o vyhodnocování signálu z bezpečnostních čidel, spínání motorů a zpracování signálů s
ovládacích zařízení jakými mohou být dálkové ovladače, klávesnice, ovládací pult, nebo pomocí
mobilního telefonu.
NICE – A824 řídící centrála křídlové brány
Lze řídit až 2 24V pohony, umožňuje mikroprocesorové řízení otáček motorů a tedy i pomalý
rozjezd a dojezd. Má vestavěné zařízení ošetřující náraz na překážku.
Cena: 5 050 Kč
http://www.1pohony.cz/a824-ridici-centrala-kridlove-brany/d-70399/
Dominik Papp
Strana: 11 / 16
Semestrální práce II.
NICE – MC424
Automatické vyhledávání koncových poloh, pomalý rozjezd a dojezd pohonů.
Cena: 3.932 Kč
http://azpohony.cz/mc424-ridici-jednotka-nice-p-948.html
NICE – A6
Výstupní napětí pro pohon 230 V AC.
Cena: 4.062 Kč
http://azpohony.cz/a6-ridici-jednotka-pro-kridlove-brany-p-281.html
Ovládání brány
NICE – INTI2
dvoukanálový dálkový ovladač, s možností upnutí na klíče
Cena 549 Kč
http://azpohony.cz/inti2-dvoukanalovy-dalkovy-ovladac-nice-p-1180.html
Tlačítkový panel pro interiérové použítí
Cena: 347 Kč
http://azpohony.cz/tlacitkovy-panel-s-napisy-otevrit-a-zavrit-p-186.html
Dominik Papp
Strana: 12 / 16
Semestrální práce II.
Všechny pohony umožňují režim odblokování pomocí dodávaného klíče a posléze ruční otevírání a
zavírání brány. Toto je obzvláště přínosné při výpadku proudu, pokud není přítomen záložní
akumulátor.
Systém automatického otevírání brány lze doplnit o výstražné světlo, maják, signalizující činnost
brány. Akumulátory, které nahradí zdroj napájení v případě výpadku elektrické energie. A solárními
panely, které dobíjí případný akumulátor během slunného dne.
Celkové náklady
Největší náklady jsou spojené s výběrem pohonu, zvláště v případě dvoukřídlové brány. Ceny všech
motorů nebyly přesně zjištěny. Při použití motoru Metroplex ME3024 je jeho cena přibližně
2 x 8 000 Kč. Další podstatnou část nákladů tvoří řidicí jednotka, kde je cena A824 5050 Kč,
náklady na fotobuňky se pohybují mezi 2000 – 3000 Kč. Dále musíme připočíst náklady na další
nutné příslušenství, kterými jsou panty, úchyty k bráně, sloupky a ovládací zařízení.
Celková pořizovací cena dvoukřídlové brány: 26 000 Kč
Zdroje:
[1] http://azpohony.cz/images/pdf/hyke-katalog.pdf
[2] http://elektrika.cz/data/clanky/princip-stejnosmernych-motoru
[3] http://www.vrata-kolar.cz/produkty/pohony-vjezdovych-bran/kridlovych-otocnych-bran/
Dominik Papp
Strana: 13 / 16
Semestrální práce II.
Řešení pomocí nekomerčně vyráběných částí
Motor
Pro účely otevírání brány stačí vybrat nejmenší otáčky motoru, bude pak možné použít převodovku
s nižším převodovým poměrem. Výkon motoru bude rozhodovat o maximální váze a rozměrech
brány.
http://www.atas.cz/products.php?sekce=2&menuid=23&lng=cz
Převodovka
http://www.atas.cz/products.php?sekce=2&menuid=28&lng=cz
Šneková převodovka s převodovým poměrem 1:30
Cena: 2 243 Kč
http://www.elektromotory-prevodovky.cz/Prevodovky/Snekove-prevodovky/MR/MR25-NMRV025
Výstupní hřídel šnekové převodovky bude bude osazen ozubeným kolem. Kroutící moment bude
pak přímo, nebo řetězem převeden na ozubené kolo hřídele ramena brány. Převodovým poměrem
lze určit rychlost otevírání a zavírání brány.
Dominik Papp
Strana: 14 / 16
Semestrální práce II.
Bezpečnostní prvky
Koncové polohy otevření a zavření brány
Lze realizovat mechanickými dorazy nasazenými na ozubené kolo ramene/převodovky. Najetí na
doraz může sepnout spínač, který rozpojí el. Obdob a zároveň předá tuto informaci řídící jednotce.
Řídící jednotka může také vyhodnocovat kroutící moment motoru, který když začne neočekávaně
narůstat, doraz, vypne pohon. Tohoto lze využít i pro detekci nárazu do překážky.
Optické závory
Jedná se o reflexní optickou závoru. Obsahuje v sobě vysílač i
přijímač. K funkci potřebuje zrcátko umístěné v požadované
vzdálenosti, tj. Mezi sloupky.
Cena: 918 Kč
http://eshop.technoline.cz/reflexni-opticke-zavory-odzrcatka/372278-reflexni-spinac-m18-pr18-dm3dnc-e2-3m-npnnc10-30vdc-kov-konektor-m124piny-lanbao
Jedná se o optický vysílač a přijímač. S maximálním
dosahem 10 m.
Cena: 1076 Kč
http://eshop.technoline.cz/opticke-zavory-prijimacvysilac/371779-opticka-zavora-pr18g-tm10dpr-e2-pr18gtm10d-e2-set-kovova-10m-pnp-no
Senzor momentu motoru
Měřící rozsah
0...±1000 Nm
Kombinovaná
nejistota
0.2 %
Výstup snímače
0... ±10 V
Snímač měří statické, dynamické
zatížení i směr otáčení.
http://www.meatest.cz/produkty-presny-rotacni-snimac-momentu-8651-detail-85
Dominik Papp
Strana: 15 / 16
Semestrální práce II.
Řídicí jednotka
Jako řídící jednotku lze použít logické moduly, PLC nebo MCU s nutností návrhu příslušné DPS.
Programovatelné logické obvody
Mají výhodu oproti PLC, že nejsou
tak cenově náročné a zároveň
obsahují dostatek vstupů a výstupů
pro ovládání brány.
Cena TECO: 2 601,50 Kč
Cena LOGO: 4 068,00 Kč
Řešení s mikroprocesorem
Toto řešení bude vyžadovat návrh a konstrukci DPS pro samotný MCU a také obvodu pro pro
ovládání pohonů a příjmu signálů z použitých čidel. Vlastní řídicí jednotku lze založit např. na
modulu Arduino Uno. Obsahuje MCU Atmel ATMega328. Cena modulu 680 Kč
Náklady
Ceny motorů a převodovek nejsou známy. Náklady na senzory a řídící jednotku, za předpokladu
použití logického obvodu od TECO, by se mohla pohybovat okolo 7 000 Kč. Veškeré senzory, řídicí
jednotku a pohon je nutné chránit před vlivem venkovního prostředí (déšť, mráz, přímí sluneční svit
…). Musíme použít ochranné obaly, krabice. Senzory zabudovat do sloupků. V ceně nejsou tyto
náklady započítány.
Z pohledu řídící jednotky není vhodné použít PLC, cena FOXTROT CP-1000 činí 11979 Kč.
Nejvhodnější řešení by bylo použití logického relé firmy TECO.
Dominik Papp
Strana: 16 / 16
Semestrální práce II.
Download

INZM _semestralni_prace_2.pdf