Laboratórium mechatroniky (PK8-103B-L6)

Zodp. osoba: Ing. Erik Prada, PhD.

Umiestnenie: Park Komenského 8, 1. poschodie

Laboratórium bolo vytvorené v rámci projektov KEGA riešených na pracovisku a je určené pre výučbu predmetov orientovaných na mikrokontroléry a PLC systémy. Laboratórium disponuje aj funkčnými modelmi pre didaktické účely.

Zameranie laboratória

Laboratórium je zamerané na mikrokotroléry ATMEL a Arduino a programovateľné logické automaty PLC Siemens. Laboratórium obsahuje vývojové balíky k mikrokontrolérom a PLC tréningové stanice s rozširujúcimi modulmi. Študenti tu môžu vytvárať modely a prototypy mechatronických sústav.

Ciele laboratória

Cieľom laboratória je poskytnúť priestor študentom a zamestnancom pre prácu s riadiacimi systémami obsahujúcimi mikrokontroléry a riadiace systémy s PLC. Cieľom je vytvárať rýchle prototypy riadiacich systémov a elektromechanické sústavy riadené mikrokontrolérmi.

Prístrojové vybavenie laboratória

Vývojové balíky Arduino

Pre študentov sú pripravené balíčky súčiastok a Arduino Nano vrátane prototypovej dosky a multimetra. Obsah balíčka je pripravený tak aby pokryl cely semester výučby.

Dvojkolesové roboty riadené Arduinom

Dvojkolesové roboty sú stavebnicou, ktorú si študenti môžu postaviť sami a potom na nej realizovať navrhnuté úpravy. Robot obsahuje 2 jednosmerné motory s prevodovkou a kolesami s uchytením k spodnej doske. Pomocou dištančných stĺpikov je pripevnená horná doska a na nej je umiestnené prototypové pole pre umiestnenie Arduina a súčiastok. Na modeli robota je možné umiestniť aj senzory prekážok a prípadne ďalšie doplnkové zariadenia. V spodnej časti modelu je pripevnený H-mostík pre riadenie motorov. Robot je možné riadiť diferenčným spôsobom pomocou zmeny rýchlosti kolies.

Dvojkolesové roboty druhej generácie obsahujú aj ochranné kryty a pomocou bezdrôtového ovládania (Bluetooth, Wifi, IR) je možné ovládať ich napríklad mobilným telefónom. Takto je možné použiť tieto roboty pre inšpekčné úlohy alebo prípadne herné aplikácie ako sú SUMO roboty alebo robotický futbal alebo hokej.

PLC Siemens tréningové stanice rady S7-1200

K dispozícií je 12 tréningových staníc, ktoré obsahujú programovateľný logický automat PLC Siemens  S7-1200, užívateľské rozhranie HMI s dotykovou farebnou obrazovkou 7“ KTP700, 5-portový priemyselný switch Scalance XB05 pre pripojenie ďalších zariadení k tréningovej stanici.

Tréningová stanica je rozmerovo prispôsobená tak aby nezaberala veľa miesta na stole. Je vytvorená z normalizovaných hliníkových profilov Bosch Rexrooth a má pripevnené DIN lišty určené pre montáž PLC a ostatných zariadení. Tréningová stanica obsahuje istič a hlavný vypínač a všetky časti kovového rámu sú uzemnené. V miestnosti kde sa používajú tieto tréningové stanice je inštalovaný aj prúdový chránič ako prevencia pred úrazom elektrickým prúdom. Na DIN lište sú umiestnené aj radové svorkovnice pre realizáciu jednoduchých elektroinštalácií.

Okrem hardvéru študenti majú možnosť pripraviť aj návrh riadiaceho softvéru vo forme Ladder diagramu LAD alebo funkčnej blokovej schémy FBD v prostredí TIA portal. Toto prostredie umožňuje jednoducho aj simulovať činnosť PLC a študenti si tak majú možnosť vyskúšať svoj navrhnutý program ešte pred samotným experimentom na reálnom PLC.

Súčasťou tréningovej stanice je aj užívateľské rozhranie s dotykovým 7“ farebným displejom, kde študenti majú možnosť navrhnúť aj užívateľský grafický program pre potenciálneho užívateľa. Je možné tak vytvoriť vizualizačné prvky a ovládacie prvky pre riadenie chodu programu a ovládanie celého systému, ktorý je k PLC pripojený.

Hardvérový simulátor pre PLC

Pri práci s reálnym PLC je často potrebné vyskúšať aj správanie PLC, pretože pri fungovaní reálneho PLC sa môžu vyskytnúť mierne odlišnosti fungovania systému PLC ako aj môžu nastať neočakávané anomálie, ktoré sa pri simulácií nevyskytujú. Často ide aj o systémy, kde PLC je pripojené k rizikovým prevádzkam a systémom a aj menšie chyby by mohli spôsobiť fatálne zlyhania a s tým súvisiace škody a ohrozenie života ľudí. Existuje ale možnosť simulovať okolie a riadenú sústavy pomocou hardvérového simulátora a navodiť tak pre PLC situáciu podobnú tej, ktorá môže nastať v reálnych podmienkach a zistiť tak ako sa bude reálne PLC správať v reálnych podmienkach. Často potrebujem preveriť aj situácie, ktoré v bežnom živote nemôžeme skúšať alebo by s tým bolo spojené obrovské riziko materiálnych škôd alebo by mohlo dôjsť k stratám na ľudských životoch. Práve pre tento účel bolo vytvorené zariadenie – hardvérový simulátor, ktorý pomocou sústavy prepínačov a tlačidiel emuluje dvojstavové snímače v reálnych zariadeniach a tieto môžeme tak pripojiť k PLC. Tým vytvoríme rovnakú situáciu ako pri rizikovej situácií. Navrhnutý hardvérový simulátor tiež obsahuje aj indikačné LED diódy pre nahradenie spínaných zariadení, ktoré sú týmto spôsobom nahradené a vizualizované. Tento hardvérový simulátor obsahuje aj bzučiak ako náhradu zvukovej signalizácie.

Rozširujúce moduly s indukčnostnými a kapacitnými senzormi

Tieto moduly obsahujú priemyselné snímače vzdialenosti a študenti tak majú možnosť vyskúša si pripojenie reálneho priemyselného senzora k PLC systému a získať praktické skúsenosti s týmto zapojením.

Rozširujúce moduly s aktuátormi

Tieto moduly obsahujú solenoidný aktuátor pre imitáciu spustenia solenoidného ventilu alebo elektromagnetického zámku dverí a podobne. Z bezpečnostných dôvodov je solenoidný aktuátor vybavený aj tepelnou poistkou aby nedošlo k jeho zničeniu v dôsledku jeho nadmerného prehriatia. Ďalšie moduly obsahujú ventilátory s jednosmernými motormi, ktoré je možné vizuálne pozorovať a registrovať ich stav.

Rozširujúce moduly s tlačidlami

Pre nastavenie chodu riadiaceho systému sa často používajú tlačidla, ktoré sú osadené na samostatnom module pripojiteľnom na DIN lištu. Obe tlačidla obsahujú jeden NO a jeden NC kontakt a študenti sa tak majú možnosť vybrať režim prevádzky tlačidla.

Pásový inšpekčný robot

Pre experimentálnu činnosť študentov je pripravený funkčný prototyp rádiom riadeného pásového robota pre inšpekčné účely, ktorý je vybavený bezdrôtovou kamerou pre sledovanie obrazu pred a za robotom.

Robot zbierajúci puky

Prototyp robota je určený pre súťaž mobilných robotov v kategórií „Puck collecting robot“ – robot zbierajúci puky. Súťaž spočíva v tom, že dva roboty v ringu súťažia o to, kto nazbiera čo najviac pukov svojej farby a prinesie ich na domovskú základňu. Robot teda musí zbierať puky, rozoznať farbu puku a roztriediť ich podľa farby a následne umiestniť alebo neumiestniť na domovskú základňu.

Šesťkolesový robotický podvozok pre členitý terén

Prototyp šesť-kolesového robota umožňuje prejazd aj členitým terénom a poskytuje pre študentov priestor pre vlastný návrh elektronického riadenia takéhoto robota. Každé koleso má svoj samostatný elektromotor s prevodovkou a tak smer jazdy je potrebné riešiť pomocou riadenia rýchlosti pohybu jednotlivých motorov.

Didaktický model výťahu

Didaktický model výťahu je napodobeninou reálneho výťahového systému pre transport osôb. Ide o štvorpodlažný systém postupného zberu pasažierov. Obsahuje signalizáciu polohy kabíny a aj privolávacie tlačidla a v kabínke aj tlačidla pre voľbu poschodia pre ďalšiu jazdu výťahovej kabínky. Systém obsahuje aj bezpečnostné prvky ako je snímanie dverného priestoru ako aj limitné koncové spínače pre zamedzenie pohybu kabíny mimo vymedzeného priestoru. Podlaha kabíny obsahuje snímanie hmotnosti a podľa toho sa zapína alebo vypína osvetlenie v kabíne výťahu.

Funkčný model vznášadla

Ide o unikátny model pohybujúceho sa zariadenia, ktoré sa pohybuje na vzduchovom vankúši napĺňanom vzduchom pomocou dvoch vysokootáčkových dúchadiel. Smer jazdy sa nastavuje pomocou otáčok dúchadiel pre zmenu smeru jazdy vznášadla.

Model vodnej nádrže

Model vodnej nádrže obsahuje hlavnú nádobu vo forme odmerného valca so snímačmi výšky vodnej hladiny. V spodnej časti je rezervoár vody, ktorú je možné prečerpať pomocou malého čerpadla do odmerného valca a následne ju vypustiť späť do rezervoáru. Úlohou študentov je vytvoriť riadiací program pre riadenie činnosti čerpadla pre udržiavanie stavu výšky vodnej hladiny v žiadanom režime prevádzky. V hornej časti obsahuje odmerný valec aj prepadový otvor s hadicou pre odvod vody, pre prípad, že dôjde k chybnému naprogramovaniu a voda by následne vytiekla mimo odmerný valec. Riadiaci systém môže byť vytvorený pomocou mikrokontroléra Arduino alebo pomocou PLC systému.

Softvérové vybavenie laboratória

Balík Siemens TIA portal, (Step7, PLC SIM, WINCC)

SolidWorks, NX

Matlab/Simulink

Vyučované predmety

Rýchla príprava prototypov mechatronických sústav

Snímače a prevodníky

Priemyselná mechatronika

Riadenie technických sústav

Základy mechatroniky

Logické riadiace systémy

Riadenie technických sústav

Internet vecí

Teória dynamických systémov

Elektromechanické systémy

Informačná bezpečnosť mechatronických sústav

Mechatronika pre BI

Mechatronika sústav

Prototypy mechatronických sústav