NÁVRH AUTOMATICKÉHO POHONU KOSTELNÍCH ZVONŮ DESIGN OF AUTOMATIC DRIVE FOR CHURCH BELLS

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV MECHANIKY TĚLES, MECHATRONIKY A BIOMECHANIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF SOLID MECHANICS, MECHATRONICS AND BIOMECHANICS

NÁVRH AUTOMATICKÉHO POHONU KOSTELNÍCH ZVONŮ DESIGN OF AUTOMATIC DRIVE FOR CHURCH BELLS

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. JIŘÍ ZAJÍC

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

doc. Ing. JIŘÍ KREJSA, Ph.D.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky Akademický rok: 2012/2013

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Jiří Zajíc který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Mechatronika (3906T001) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Návrh automatického pohonu kostelních zvonů v anglickém jazyce: Design of automatic drive for church bells Stručná charakteristika problematiky úkolu: Většina kostelních zvonů v Evropě je v současnosti poháněna elektrickým pohonem. Tyto pohony však bývají často zastaralé a neůměrně zatěžují kostelní věž a nebo moderní lineární, jež jsou však velmi drahé. Návrhem dobře řízeného motoru můžeme dosáhnout vyšší efektivity a menší finanční náročnosti. Dále lze sdružit ovládání více zvonů do jedné řídící jednotky a vytvořit tím univerzální ovládací systém. Cíle diplomové práce: 1. Rešeršní studie 2. Porovnání jednotlivých koncepcí konstrukce 3. Návrh konstrukce 4. Oveření konstrukce simulací 5. Ověření konstrukce v praxi

Seznam odborné literatury: firemní dokumentace ELEKON

Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne 8.1.2013 L.S.

_______________________________ prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. Ředitel ústavu

_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Děkan fakulty

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá návrhem výrobou a otestováním univerzálního automatu pro pohon kostelních zvonů. V rešeršní části jsou shrnuty informace o zvonech, jejich použití a vlastnosti. Dále jsou analyzovány možnosti pohonů, jejich spouštění a spínání. Na základě výběru motoru je navržen řetězový převod a celá sestava je vyzkoušena za pomocí PLC. Byla navržena unikátní řídící jednotka založená na modulárním designu, pro kterou byly navrženy vhodné snímače natočení založené na magnetickém enkoderu. Celá soustava byla nakonec ověřena na třech zvonech Evangelického kostela v obci Klobouky u Brna.

KLÍČOVÁ SLOVA zvon, automatizace, řídící jednotka, dvojité kyvadlo, asynchronní motor, kostel, dynamika kyvu, magnetický enkodér, ATmega.

ABSTRACT The Diploma thesis describes the design, manufacture and testing of a universal automation machine for church bells. The research section summarizes the bell, way of use and properties. The drives and their starting and power switching characteristic are analyzed. The chain drive based on the selected engine and the whole assembly is designed and tested by using PLC. Unique controller based on a modular design was designed. Sensors based on magnetic rotary encoder were also created for this unit. The entire circuit was tested on three evangelical church bells in the town Klobouky u Brna.

KEYWORDS bell, automation, control unit, double pendulum, asynchronous motor, church, swing dynamics, magnetic encoder, ATmega.

Bibliografická citace VŠKP dle ČSN ISO 690 ZAJÍC, J. Návrh automatického pohonu kostelních zvonu Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství technologií. Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, 2013. 77s., 3s. příloh. Diplomová práce. Vedoucí práce: doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma: „Návrh automatického pohonu kostelních zvonu“ vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce.

………………………………………… Jiří Zajíc

PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu práce doc. Ing. Jiřímu Krejsovi, Ph.D. za pedagogickou a technickou podporu a cenné rady, které mi pomohly tuto práci dokončit. Dále bych chtěl poděkovat farnosti církve Evangelické v obci Klobouky u Brna, obzvláště pak p. Korpovi a p. Zajícovi za možnost tento projekt realizovat. Rád bych také poděkoval firmě ZAJIC GROUP, s.r.o. za technické zastřešení a vývojové zázemí.

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK

COM

– rozhraní sériového portu standardu IBM PC

DIN

– deutsche industrie-norm – německá průmyslová norma

DPS

– deska plošných spojů

GSM

– groupe spécial mobile – standard mobilní komunikace

HW

– hardware

I2C

– inter-integrated circuit – počítačová sériová sběrnice

LAN

– local area network – místní síť

MCU

– micro controler unit

MISO

– master in, slave out

MOSI

– master out, slave in

PLC

– programmable logic controller – programovatelný logický automat

PWM

– pulse width modulation – pulsně šířková modulace

QFN

– quad-flat no-leads – pouzdro mikroprocesoru pro povrchovou montáž

RF

– radio frequency

SCK

– serial clock – časovací signál sběrnice

SPI

– serial peripheral interface – sběrnice sériového rozhraní

SS

– slave select

SSR

– solid-state relay – polovodičové relé

SW

– software

TDP

– thermal design power – projektovaný tepelný výkon

USB

– universal seriál bus – univerzální sériová sběrnice

OBSAH

1

Úvod ......................................................................................................................... 1

2

Formulace problému a cíle řešení ............................................................................ 2

3

2.1

Požadavky na mechanický systém ................................................................... 2

2.2

Požadavky na výkonovou elektroniku .............................................................. 2

2.3

Požadavky na řídicí systém .............................................................................. 2

Rešeršní studie ......................................................................................................... 3 3.1

Technické provedení zvonu .............................................................................. 3

3.2

Dynamika zvonění ............................................................................................ 4

3.3

Obvyklé počty osazení zvonů ........................................................................... 6

3.4

Druhy pohonů ................................................................................................... 6

3.4.1 Ruční pohon................................................................................................. 7 3.4.2 Asynchronní motor ...................................................................................... 7 3.4.3 Lineární motor ........................................................................................... 10 3.4.4 Spouštění asynchronních motorů .............................................................. 12 3.5 4

5

Zjednodušený návrh systému ......................................................................... 14

Návrh mechanické části ......................................................................................... 15 4.1

Simulace zvonu a zvonové stolice .................................................................. 15

4.2

Výpočet výkonu motoru ................................................................................. 19

4.3

Výpočet řetězového převodu .......................................................................... 22

4.4

Testovací sestava elektro-mechanické soustavy............................................. 25

Návrh elektrotechnické části .................................................................................. 27 5.1

Architektura systému ...................................................................................... 27

5.2

Řídící část ....................................................................................................... 28

5.2.1 Výběr platformy ........................................................................................ 28 5.2.2 Ovládání jednotky ..................................................................................... 29 5.2.3 Fyzické zabudování ................................................................................... 29 5.2.4 bezpečnostní okruhy .................................................................................. 31 5.3

Snímače .......................................................................................................... 31

5.3.1 Výběr typu snímače ................................................................................... 31 5.3.2 Návrh DPS a propojení .............................................................................. 34 5.4

Výkonová část ................................................................................................ 36

5.4.1 Chlazení a TDP.......................................................................................... 38 6

Návrh software ....................................................................................................... 42 6.1

Uživatelské rozhraní ....................................................................................... 42

6.2

Řídící smyčka ................................................................................................. 45

6.2.1 Zvonění ...................................................................................................... 46 6.2.2 Rozběh ....................................................................................................... 48 6.2.3 Harmonický režim ..................................................................................... 48 6.2.4 Neharmonický režim ................................................................................. 49 6.2.5 Odbíjení kladivy ........................................................................................ 50 6.2.6 Chybový a bezpečnostní režim .................................................................. 50 6.2.7 Klidový režim ............................................................................................ 51 7

Ověření konstrukce v praxi .................................................................................... 52 7.1

Použité zvony ................................................................................................. 52

7.2

Mechanická část ............................................................................................. 53

7.3

Výsledky měření ............................................................................................. 55

8

Závěr ...................................................................................................................... 58

9

Literatura ................................................................................................................ 60

10

Seznam obrázků a tabulek .................................................................................. 62

11

Přílohy ................................................................................................................ 65

1 ÚVOD První použití zvonů se datuje již do 3. tisíciletí př.n.l. v Mezopotámii [1], do klášterů a později do kostelů se dostali koncem prvního tisíciletí našeho letopočtu. Současný „zvonovitý“ tvar začal být používán až ve 12. století. Z akustického hlediska je zvuk zvonu jedním z nejkomplexnějších nástrojů (vydává až 10 majoritních frekvencí) a proto jej nelze nahradit elektro-akustickým systémem bez snížení kvality zvuku. Při použití více zvonů je nutné mimo souladného naladění dodržet správné tempo a posuvy kmitů jednotlivých zvonů, jinak nedosáhneme správného souzvuku. Lidé se vždy snažili zjednodušit si práci a to hlavně manuální a jednotvárnou, přičemž práce zvoníka splňuje obě tyto kritéria. V běžném kostele je potřeba přibližně 1 hodina práce zvoníka denně, rozložená do 3 částí, což v dlouhodobém měřítku není efektivní. Zvoníkova práce je v poslední době běžně nahrazována prací automatických systémů, přičemž jejich cena není obvykle nejnižší a některé starší systémy nemají vhodné vlastnosti. Cílem této práce je tedy navrhnout jednoduchý robustní systém, který bude efektivně schopen obsluhovat více zvonů, a přesto nebude finančně tak náročný jako komerčně dostupné řešení.

1

2 FORMULACE PROBLÉMU A CÍLE ŘEŠENÍ Hlavním úkolem této práce je navrhnout, vyrobit a otestovat automat, který plně nahradí, nebo alespoň minimalizuje práci zvoníka. Nejprve je třeba se seznámit se zvony, způsoby zvonění a prací zvoníka obecně, poté bude navržen způsob elektro-mechanického pohonu zvonu. Z důvodu obtížného testování na místě bude vytvořen model soustavy, která umožní přibližné navržení systému bez častého přístupu na zvonici. Napájení pohonu bude spínáno výkonovou elektronikou a ovládáno řídící jednotkou. Celý systém bude vyroben, nainstalován a otestován. Návrh systému lze tedy rozdělit na tři vzájemně propojené subsystémy: mechanický systém, výkonovou elektroniku a řídicí systém. Požadavky na jednotlivé části jsou specifické, a proto budou definovány samostatně.

2.1 Požadavky na mechanický systém •

jednoduchá montáž

•

mechanická odolnost

•

snadná škálovatelnost pro různé podmínky

•

statická i dynamická nenáročnost na věžní konstrukci

2.2 Požadavky na výkonovou elektroniku •

dlouhá životnost

•

nenáročnost na přívod elektrické energie

•

jednoduché přizpůsobení specifickým situacím

•

samostatný bezpečnostní stop-obvod

2.3 Požadavky na řídicí systém •

možnost řízení více zařízení jednou jednotkou (ideálně až 5)

•

jednoduché uživatelské rozhraní umožňující rychlé nastavení parametrů

•

dostatečné možnosti pro dodatečné rozšíření

•

akceptovatelná cena

•

dostatek řídících vstupů pro možnosti ovládání (například RF, GSM…)

•

schopnost ovládání i úderových zvonkoher a cimbálů 2

3 REŠERŠNÍ STUDIE Zvon je samozvučný bicí nástroj, který je schopen vydávat velmi komplexní zvuk – jeden zvon emituje více tónů, jejichž intenzita se mění s dobou po úderu srdce. Tento hudební nástroj je používán v církevní praxi prakticky od počátku křesťanství ke svolávání věřících k bohoslužbě, nebo modlitbě. V latinském církevním názvosloví je označována jako „signum ecclesiae“, což v českém překladu znamená „znamení kostela“. Je považován za srdce kostela a proto osazování nových zvonu a jejich svěcení je velkou událostí pro církevní obec [2]. Současný tvar zvonu připomínající obrácený kalich, jeho způsob výroby i zvukové vlastnosti jsou přibližně stejné od 13. století. Pokud je zvon dobře vyroben a používán, vydrží v provozu několik staletí. V České republice jsou dochovány zvony, jejichž uvedení do provozu se odhaduje na 14-16. století. Nejtemnějším obdobím pro zvony bývají války, kdy dochází k použití věží jako strategických obranných pozic a zvony bývají často rozbity a přidány do slitin na výrobu munice. Z tohoto důvodu je v Čechách v současnosti instalováno odhadem 14 000 zvonů, přičemž kapacity věží jsou předpokládány o cca třetinu větší.

3.1 Technické provedení zvonu Tradiční provedení zvonu je složeno z několika fundamentálních prvků: vlastní tělo zvonu, srdce zavěšené uvnitř, závěs zvonu (hlava, koruna), uložení umožňující kyv (ložisko) a páka nebo kolo, umožňující pohon zvonu.

Obr. 3.1.: Základní typy zavěšení zvonů [2]

3

Zvukové a hudební vlastnosti zvonu jsou určeny dvěma parametry: tvarem žebra zvonu a jeho hmotností. Materiál zvonu je prakticky standardizovaný a používá se tzv. zvonařský bronz (78 Cu : 22 Sn). Žebro zvonu se měnilo v průběhu času a v současnosti se ustálilo používání gotického, neboli trojzvučného žebra. Používají se však různé varianty tloušťky věnce, které lze rozdělit do tří skupin podle poměru dolního průměru a tloušťky věnce: lehké (>15), střední (13-14) a těžké (12-13) [3]. Změnou hmotnosti a typu žebra je výrobce zvonu schopen určovat tóny, hlasitost a charakter zvuku. Uvnitř zavěšené ocelové kyvadlo je označováno jako srdce, které údery do přesného místa na věnci rozeznívá zvon do požadovaných tónů. Tvar srdce je vyobrazen na obrázku níže. Jako materiál srdce se používá měkká ocel. Při použití tvrdého materiálu by docházelo k nadměrnému opotřebení zvonu a hrozilo by jeho prasknutí. Aby se zabránilo opotřebovávání pouze jednoho místa, jsou moderní zvony vybaveny talířovou korunou, která umožňuje pootáčet zvony v uložení a tím měnit místo dopadání srdce.

Obr. 3.2.: Běžně používané druhy srdcí [2]

3.2 Dynamika zvonění Základním parametrem pro dobrý zvuk zvonu je jeho výkyv, ten ovlivňuje výslednou intonaci, intenzitu a hlasitost úderu. Pokud nedodržujeme alespoň přibližně optimální kyv zvonu, zvon přestává pravidelně zvonit, vynechává údery a je nepříznivě ovlivněna hlasitost a kvalita výsledného zvuku [4]. Přibližné hodnoty pro tzv. střední žebro zvonu (konstrukční tvar) jsou definovány v normě DIN 4178 [3]. Tyto údaje jsou platné pro uložení a tvar zvonu, které jsou v současnosti nejpoužívanější. 4

Hmotnost

Výkyv na

zvonu

jednu stranu

[kg]

[°]

4000

50

3000

51

2500

52

2000

54

1600

55

1150

57

950

58

800

59

660

60

550

61

450

62

400

63

300

64

200

66

150

67

110

69

90

70

50

74

Tab. 3.3.: Výkyv zvonu v závislosti na jeho hmotnosti dle DIN [3]

Zvon lze charakterizovat jako dvojité fyzikální kyvadlo (pro zjednodušení i jako matematické kyvadlo). Jeho pohyb při zvonění však není zcela harmonický. Dostatečně silný úder zvonu začíná působení pohonu zvonu (zvoníka) ještě před horní úvratí, čímž se kyv zvonu zpomalí a dovolí srdci rychlejší úder do žebra zvonu. Doba záběru se nedá jednoznačně určit, závisí na hmotnosti, tření v ložiscích, zavěšení zvonu, tvaru srdce a mnoha dalších faktorech. Návrh systému bude proto potřeba udělat dostatečně robustní s možností širokého nastavení parametrů.

5

70

Počet úderů za minutu

65 60 55 50 45 40 35

0

500

1000

1500

2000 2500 3000 Hmotnost zvonu

3500

4000

4500

5000

Obr. 3.4: Počet úderů zvonu za minutu v závislosti na jeho hmotnosti [3]

3.3 Obvyklé počty osazení zvonů Počet zvonů a jejich velikost obvykle odpovídá významu kostela a jeho farnosti. Nejrozšířenější je použití dvou až tří zvonů v souboru rozšířených o účelové zvony (například tzv. „umíráček“). Městské kostely mohou mít i pět zvonů, katedrály a velmi významná místa mívají až 7 velkých zvonů [22]. Důležité je vzájemné tónové sladění zvonů a taktéž rytmická souhra. Druhy zvonění, včetně jejich délek a použitých zvonů, jsou definovány v řádech zvonění jednotlivých církví.

3.4 Druhy pohonů Nejdůležitější volbou pro správné zvonění je způsob pohonu zvonu. Ten závisí na finančních a technických možnostech zvonice. Při zachování požadavku na vysokou kvalitu výsledného zvuku přichází v úvahu ruční pohon, asynchronní motor a lineární motor.

6

3.4.1

Ruční pohon

Ruční pohon je samozřejmě nejstarším a stále je velmi rozšířený. Jeho základní nevýhodou je časová náročnost na obsluhu, což při současném nárůstu mezd a nedostatku kvalifikovaných pracovníků vede k zvyšování tlaku na náhradu automatickým systémem. Naopak v současnosti nenahraditelnou výhodou je množství zpětných odezev. Zkušený zvoník je schopen vnímat cit tahu, tón a rytmus zvuku včetně souhry více zvonu a mírnými změnami v rytmu a síle houpání dosáhnout ideální harmonie zvuku. 3.4.2

Asynchronní motor

Asynchronní motor je považován za nejrozšířenější typ motoru pohánějící pracovní stroje [21]. Toto je dáno jeho snadnou výrobou, robustností a v neposlední řadě cenou. Problémy asynchronních motorů spočívali v nesnadné regulaci otáček, což ale bylo překonáno masivním nástupem výkonových polovodičů v předchozích dvou dekádách. Funkce asynchronního motoru je založena na vytvoření točivého magnetického pole ve vzduchové mezeře stroje pomocí proudů procházejícími cívkami statoru. Nejčastěji je motor používán ve veřejné rozvodné síti – napájen tedy bývá třífázovým harmonickým napětím, nebo v případě nízkých výkonů je možno použít jednofázové napájení se závitem nakrátko. Synchronní otáčky jsou dány vztahem 4.1: 𝜔𝑠 =

𝜔0 2𝜋𝑓 = 𝑝 𝑝

(4.1)

Princip činnosti je vysvětlen na následujících obrázcích dle [5] a [21]. Cívky o jednom závitu jsou označeny U, V a W. Každá je napájena harmonickým proudem, fázově pootočeným o 2/3 π, jak vidíme na tomto grafu.

7

Obr. 3.5: Průběh proudu v třífázové síti [5]

Proud, který prochází každým závitem, vytváří společné magnetické pole. V momentu

t1 má proud ifu protékající cívkou U hodnotu amplitudy, proudy ifv a ifw poloviční hodnoty

záporného směru. Magnetický tok vytvořený těmito proudy je znázorněn na následujícím obrázku.

Obr. 3.6: Magnetické pole v motoru pro čas t1 [5]

V čase t2 (ω=π/3) je naopak maximální proud ifw protékající cívkou W se zápornou

polaritou, zbylé dva proudy ifu a ifv mají poloviční hodnoty amplitudy v kladné poloose.

Výsledný magnetický tok je zobrazen na následujícím obrázku. Tento tok je posunut vůči

předchozímu o 60° což odpovídá úhlu pootočení vektorů proudu. Toto platí pro případ

8

dvoupólového motoru, u čtyřpólového motoru se magnetické pole otáčí poloviční rychlostí. Synchronní otáčky jsou tedy závislé na počtu pólů.

Obr. 3.7: Magnetické pole v motoru pro čas t2 [5]

Pokud do takto vytvořeného točivého magnetického pole statoru vložíme rotor s vodivou klecí (závity nakrátko) bude se v těchto závitech indukovat proud za podmínky, že otáčky rotoru a magnetického pole nejsou shodné. Poměr těchto otáček je nazván skluz: 𝑠=

𝑛𝑠 − 𝑛 𝑛𝑠

(4.2)

Proud procházející klecí rotoru vytvoří vlastní magnetické pole zpožděné oproti rotačnímu poli statoru. Interakcí těchto dvou polí vznikne síla (moment sil) která otáčí rotorem a tím i jeho hřídelí. Moment síly přenášený na hřídel závisí jak na mechanických charakteristikách, tak na elektromagnetických vlastnostech motoru. Pro zjednodušení výpočtu momentu v závislosti na skluzu jsou zavedeny veličiny Mm a sm, které vyjadřují maximální moment a skluz motoru, při 9

němž je maximální moment dosahován. Grafické znázornění je patrné na následujícím obrázku:

Obr. 3.8: Momentové charakteristiky pro asynchronní motor [21]

Pomocí těchto veličin můžeme odvodit zjednodušený vzorec pro moment: 2𝑀𝑚 𝑀𝑧 = 𝑠 𝑠𝑚 𝑠𝑚 + 𝑠 3.4.3

(4.3)

Lineární motor

Lineární asynchronní motor je derivátem rotačního asynchronního motoru. Namísto momentu sil vyvíjejí lineární sílu působící ve směru pohybu, a proto jsou používány pro přímočaré pohyby (trakce, posuv obrobku…) a díky svým charakteristikám se používají i pro pohyb kostelních zvonů. Princip lineárního motoru, je shodný jako u rotačního, pouze je rozvinut do roviny. Provedení motoru může být stejně jak u rotačního: synchronní i asynchronní. Při použití synchronního nahradíme klec magnetickým dvojpólem (magnet nebo elektromagnet), což nám umožní vytvořit pohyb přesně odpovídající pohybu magnetického pole statoru. Nevýhodou tohoto řešení je, že pokud dojde k přesažení záběrné síly, motor vypadne ze synchronismu a „poskočí“ o jednu vlnu v magnetickém poli.

10

Obr. 3.9: Rozvinutí rotačního synchronního motoru na lineární [6]

Vývoj lineárního motoru je zobrazen na obrázku níže. V části (a) je nákres vícefázového asynchronního motoru s vířivou klecí. (b) zobrazuje motor s válcovým vodivým rotorem, (c) jednostranný asynchronní lineární motor s dlouhým rotorem, (c) oboustranný asynchronní motor s dlouhým rotorem.

Obr. 3.10: Dva typy asynchronních rotačních a lineárních motorů [7]

Lineární motory jsou používány pro automatizaci zvonů z důvodu snadné konstrukce (není potřeba žádných převodů ani řetězů) a plynulejšího záběru, což je důležité pro statiku budovy zvonice a bezproblémové součinnosti s ručním zvoněním v případě výpadku automatizace. Nevýhodou je vyšší cena a absence dlouhodobého ověření v praxi.

11

3.4.4

Spouštění asynchronních motorů

Jelikož spouštění asynchronních motorů není triviální záležitostí (hlavně u vyšších příkonů motorů), bude v práci rozebráno podrobněji. Při přímém připojení na síť dojde k proudovému rázu, který může dosahovat až sedminásobku nominálního proudu, na což síť nemusí být dimenzovaná. Základní dvě podmínky pro výběr druhu spouštění je dostatečně velký záběrný moment a malý záběrný proud.

3.4.4.1 Spouštění přímým připojením na síť Z důvodů zvýšeného proudového rázu je správcem rozvodné sítě standardně dovoleno spouštět přímým připojením na síť motory do 3kW. Průmyslové podniky (obvykle podmíněno vlastní trafostanicí) mohou mít dovoleno takto spouštět i vyšší výkony. Přibližný průběh rychlosti, momentu a proudů je vykreslen na tomto obrázku:

Obr. 3.11 Chování motoru po přímém připojení na síť [5]

12

3.4.4.2 Spouštění pomocí kroužkové kotvy Motory, které mají tzv. kroužkovou kotvu, umožňují regulaci proudu kotvou zařazením rezistorů přes převodové kartáčky. Postupným snižováním odporů se motor uvede do provozního stavu. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost použití motoru s vinutým rotorem a kroužky, což zvyšuje cenu konstrukce a snižuje spolehlivost (životnost kartáčků není příliš vysoká)

3.4.4.3 Spouštění pomocí statorového spouštěče Při této metodě se sériově vloží do každé fáze reostat (pro malé výkony) nebo tlumivka pro vyšší výkony, čímž poklesne napětí a proud vinutí statoru a sníží se proudový ráz. Nevýhodou tohoto řešení je potřeba výkonových odporů nebo tlumivek a obsluhu nebo automatiku zajišťující jejich připojení a odpojení.

3.4.4.4 Spouštění pomocí autotransformátoru Tento způsob je velmi podobný statorovému spouštěči, pouze nejsou použity tři nezávislé tlumivky, ale jeden propojený autotransformátor, což zvyšuje efektivitu spouštění.

3.4.4.5 Spouštění přepínačem hvězda/trojúhelník Je velmi často používaný způsob spouštění motorů s výkonem jen lehce převyšujícím 3kW. Princip je založen na faktu, že prakticky všechny asynchronní motory jsou určeny pro napájení sdruženým napětím (400V). Pokud ale nezapojíme jednotlivé cívky mezi jednotlivé fáze, ale propojíme je do hvězdy, poklesne napětí na cívkách na 230V. Díky tomu poklesne značně i záběrný proud na 1/3 původního proudu. Výhodou je jednoduchá konstrukce přepínače, podstatnou nevýhodou je však pokles záběrného momentu stroje.

3.4.4.6 Spouštění polovodičovým měničem napětí Polovodičový měnič napětí umožňuje prakticky libovolně regulovat výkon, rychlost otáčení nebo odebíraný proud. Bývá řízen mikroprocesorem se zpětnou vazbou, nebo i 13

jednoduchým

oscilátorem

s detekcí

nuly.

Nevýhody

jsou

nutnost

výkonových

polovodičových součástek a jejich chlazení.

3.4.4.7 Úpravou tvaru klece Pokud použijeme vhodný tvar klece, můžeme dosáhnout proměnlivého odporu rotoru. Používána je například metoda dvojité klece, kde vnější klec je vyrobena z materiálu s větší rezistivitou, zatímco vnitřní, tzv. běhová klec, je provedena ve větším průřezu a z vodivějšího materiálu. Takto upravený motor má podstatně stejnoměrnější momentovou charakteristiku. Nevýhodou je složitější konstrukce a větší hmotnost rotoru.

3.5 Zjednodušený návrh systému Pokud vezmeme v úvahu ceny jednotlivých řešení a jejich univerzálnost, nejlépe vychází použití asynchronního motoru, řetězovým převodem připojené na velké kolo umístěné na ose zvonu, viz obrázek:

Obr. 3.12: Schéma mechanické soustavy pohonu zvonu

14

4 NÁVRH MECHANICKÉ ČÁSTI Pro návrh správně dimenzované soustavy a její ověření bude potřeba sestavit dostatečně robustní model celé soustavy. Nejprve začneme návrhem modelu zvonu jako dvojitého kyvadla, poté zjistíme potřebné momenty sil pro jeho rozběh a navrhneme potřebný motor a převodovou soustavu. Tento návrh systému otestujeme na reálných zvonech za pomoci testovací řídící jednotky a ověříme tím závěry výzkumu. Simulační soustava bude modelována v prostředí Mathworks Matlab 2013a a bude založena na reálném zvonu ze zvonice Evangelického kostela v Kloboukách u Brna.

4.1 Simulace zvonu a zvonové stolice Sestavit matematicko-fyzikální model zvonu je obtížný úkol, neboť jde o dvojité kyvadlo, u nějž musíme uvažovat i přenos kinetické energie při nárazu srdce do zvonu. Jako první je potřeba zjistit moment setrvačnosti I a polohu těžiště zvonu a srdce. To lze provést experimentální metodou, kdy se nejdřív zjistí poloha těžiště pomocí natočení zvonu o 90° oproti svislé poloze a poté se změří síla na páce známé délky. Jelikož hmotnost zvonu i přibližná hmotnost pohyblivé části uložení je známá, vzdálenost těžiště lze spočítat pomocí vztahu pro rovnost momentů sil dle [8] 𝑎 ∙ 𝑚𝑧 ∙ 𝑔 = 𝑥𝑧 ∙ 𝐹𝑧

(5.1)

Polohu těžiště u srdce lze zjistit jednoduchým vyjmutím srdce z osy a vyvážením na čepeli. Momenty setrvačnosti lze zjistit pomocí rozkmitání těles do malých kmitů, při kterých je možné soustavu zjednodušit na lineární. Na naměřené hodnoty uplatníme vzorec pro fyzikální kyvadla [8]

𝐽𝑧 =

(𝑇/2)2 𝑚𝑧 ∙ 𝑔 ∙ 𝑎 𝜋2

(5.2)

Soustavu dynamických rovnic budeme sestavovat na základě následujícího modelu dle [9]

15

Obr. 4.1: Schéma zvonu pro matematický model

potenciální energie soustavy je 𝐸𝑝𝑜𝑡 = 𝑚𝑧 𝑎 𝑔 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + 𝑚𝑠 𝑟 𝑔 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛼) + 𝑚𝑠 𝑏 𝑔 (1 − 𝑐𝑜𝑠𝛽)

(5.3)

pouze souřadnice těžiště má vektor rychlosti v kartézských osách 𝑟 𝛼̇ 𝑐𝑜𝑠𝛼 + 𝑏 �𝛼̇ + 𝛽̇ � cos(𝛼 + 𝛽) 𝒗𝒔 = � � 𝑟 𝛼̇ 𝑠𝑖𝑛𝛼 + 𝑏 �𝛼̇ + 𝛽̇ � sin(𝛼 + 𝛽)

(5.4)

kinetická energie je 1 1 1 𝐸𝑘𝑖𝑛 = (𝐼𝑧 − 𝑚𝑧 𝑎2 ) 𝛼̇ 2 + 𝑚𝑧 𝑎2 𝛼̇ 2 + (𝐼𝑠 2 2 2 1 2 − 𝑚𝑠 𝑏 2 )�𝛼̇ + 𝛽̇ � + 𝑚𝑠 |𝒗𝒔 |2 2

(5.5)

16

což lze zjednodušit na

𝐸𝑘𝑖𝑛 =

1 1 1 𝐼𝑧 𝛼̇ 2 + 𝐼𝑠 �𝛼̇ 2 + 𝛽̇ 2 + 2 𝛼̇ 𝛽̇ � + 𝑚𝑠 𝑟 2 𝛼̇ 2 2 2 2 + 𝑚𝑠 𝑟 𝑏 �𝛽̇ 2 + 𝛼̇ 𝛽̇ �𝑐𝑜𝑠𝛽

(5.6)

aplikací Lagrangeova pravidla získáme dvě zobecněné síly (𝐼𝑧 + 𝐼𝑠 + 𝑚𝑠 𝑟 2 + 2 𝑚𝑠 𝑟 𝑏 𝑐𝑜𝑠𝛽)𝛼̈ + (𝐼𝑠 + 𝑚𝑠 𝑟 𝑏 𝑐𝑜𝑠𝛽)𝛽̈ − 𝑚𝑠 𝑟 𝑏 𝛽̇ �2𝛼̇ + 𝛽̇ �𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑚𝑧 𝑔 𝑎 𝑠𝑖𝑛𝛼

+ 𝑚𝑠 𝑔 𝑟 𝑠𝑖𝑛𝛼 + 𝑚𝑠 𝑔 𝑏 sin(𝛼 + 𝛽) = 𝑄𝛼 𝐼𝑠 �𝛼̈ + 𝛽̈ � + 𝑚𝑠 𝑟 𝑏 𝛼̈ 𝑐𝑜𝑠𝛽 + 𝑚𝑠 𝑟 𝑏 𝛼̇ 2 𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝑚𝑠 𝑔 𝑏 sin(𝛼 + 𝛽) = 𝑄𝛽

(5.7)

(5.8)

kde 𝑄𝛼 a 𝑄𝛽 jsou zobecněné síly. V průběhu volného kyvu jsou nulové, ale v případě

dotyku (nárazu) srdce a zvonu, se přes ně přenáší kontaktní síla. Tyto rovnice mohou být použity pro počítačovou simulaci, nicméně jsou nevhodné pro použití jako model soustavy v řídící jednotce, kde není dostatek výpočetní kapacity. Proto budou použita některá zjednodušení modelu. Jelikož hmotnost srdce je dle Kolaudační směrnice zvonů [22] doporučená 2,5-4% hmotnosti zvonu, je moment setrvačnosti i hmotnost srdce řádově nižší než zvonu a proto je možné je zanedbat. Rovnice pro 𝑄𝛼 poté nabude mnohem jednoduššího

tvaru:

𝐼𝑧 𝛼̈ + 𝑚𝑧 𝑔 𝑎 𝑠𝑖𝑛𝛼 ≈ 𝑄𝛼 = 0

(5.9)

Soustavu lze převést na ekvivalentní dvojité matematické kyvadlo 𝐿𝑧 =

𝐼𝑧 𝑚𝑧 𝑎

𝐿𝑠 =

𝐼𝑠 𝑚𝑠 𝑎

(5.10)

17

přičemž 𝐿𝑧 a 𝐿𝑠 jsou délky matematického kyvadla. Periody malých kmitů odvodíme

ze vztahů [8]

𝐿𝑧 𝑇𝑧 = 2𝜋� 𝑔

𝑇𝑠 = 2𝜋�

𝐿𝑠 𝑔

(5.11)

Zavedením zjednodušení a modelu ekvivalentního matematického kyvadla získáme rovnici pohybu 𝛼̈ + 𝛽̈ +

𝐿𝑧 𝑟 2 𝑟 sin(𝛼 + 𝛽) + 𝛼̇ 𝑠𝑖𝑛𝛽 + 𝛼̈ 𝑐𝑜𝑠𝛽 = 0 𝐿𝑠 𝐿𝑠 𝐿𝑠

(5.12)

Výhodou tohoto vyjádření je, že je závislé pouze na převedených délkách ramen, které se dají snadno vypočíst z dob kyvů, což jsou veličiny snadno změřitelné i na již nainstalovaných zvonech. Podstatně náročnějším problémem je simulace dopadu srdce na věnec zvonu a jeho odrazu. Tento problém řádově přesahuje rámec této práce, a proto byly přejaty závěry ze studie akustiky zvonů [9] ve zjednodušené podobě. Náraz byl modelován pomocí dostatečně tuhé pružiny, představované stykovými plochami v době nárazu. Z důvodu předchozího zjednodušení neuvažujeme ovlivnění harmonického chodu zvonu 𝑄𝛼 = 0

𝑄𝛽 = −𝑘(𝛽 − 𝛽𝑚𝑎𝑥 ) 𝑝𝑟𝑜 𝛽 > 𝛽𝑚𝑎𝑥

(5.13)

(5.14)

Z předchozích rovnic byl vytvořen model soustavy v prostředí Matlab a vykreslen do následujícího grafu. Tento model neuvažuje ztráty soustavy.

18

1.5 srdce zvonu zvon

1

úhel [rad]

0.5

0

-0.5

-1

-1.5

0

2

4

6 čas [s]

8

10

12

Obr. 4.2.: Graf polohy zvonu a srdce založený na simulačním modelu

4.2 Výpočet výkonu motoru Pro návrh mechanické soustavy je vhodné se nechat inspirovat zvoníky [4]. Průběh zvonění je ilustrován na následujícím obrázku. Při ručním zvonění pomocí lana dochází k zvučnému záběru lehce před horní úvratí, aby se zvon mírně zpomalil a srdce do něj mohlo narazit s vyšší rozdílovou rychlostí. Poté záběr pokračuje maximálně do dvou třetin cesty k sekundárnímu úvratí. Zvon se pohání pouze jedním směrem, jak vyplývá z používání táhla, čímž se rozeznívá se dvěma různými intenzitami při primárním a sekundárním úderu.

19

Obr. 4.3.: Průběh ideálního zvonění

Výkon, kterým je možno působit lidskou silou je limitovaný a lze jej snadno vypočítat. Při předpokladu hmotnosti zvoníka 𝑚𝑧𝑣𝑜𝑛í𝑘 = 100𝑘𝑔, maximální délky pohybu 1

táhla maximální délky 𝑙𝑡áℎ𝑙𝑜 = 1𝑚 a délce záběru 𝑡𝑧á𝑏ě𝑟𝑢 = 2 ∙ 60/42 = 0,7143s (polovina

periody pro 5t zvon) lze výkon odhadnout

𝑃=

𝑊

𝑡𝑧á𝑏ě𝑟𝑢

=

𝑚𝑧𝑣𝑜𝑛í𝑘 ∙ 𝑔 ∙ 𝑙𝑡áℎ𝑙𝑜 ≅ 1,4𝑘𝑊 𝑡𝑧á𝑏ě𝑟𝑢

(5.15)

Na základě tohoto předpokladu je zbytečné zabývat se výkony pohonů většími než 1,5kW. Vyšší výkon motoru je potřeba hlavně pro rychlý rozběh zvonu. Samotný harmonický kyv už nepotřebuje dodávat téměř žádnou energii, pouze na pokrytí ztrát, které jsou díky, dnes již naprosto běžnému, použití kuličkových ložisek minimální. Pro stanovení přibližného výkonu motoru, který bude potřeba, si stanovíme cíl rozhoupat zvon do plného kyvu

20

(definováno v tabulce) během 5-ti plných kyvů. Pro zjištění jakou energii bude zvon potřebovat dodat, použijeme opět teorii matematického kyvadla 𝐿𝑧 𝑇𝑧 = 2𝜋� 𝑔

→

𝐿𝑧 =

𝑇𝑧 2 𝑔 4𝜋 2

(5.16)

Pomocí doby kyvu definované v grafu, vypočteme délku ramene zjednodušeného kyvadla a spolu s úhlem rozkmitu a hmotností zvonu vypočteme práci potřebnou pro přechod do plně rozkmitaného stavu 𝑊 = 𝑚𝑧 ∙ 𝑔 ∙ 𝐿𝑧 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼

(5.17)

Po přepočtu na jeden kyv a zjistíme, kolik energie je potřeba dodat v jedné periodě. Motor při rozběhu může zabírat maximálně 1/3 doby kmitu aby se bezpečně zajistilo nezasažení do úvratí zvonu. Výsledný vztah pro přibližný výkon motoru je tedy:

𝑃=

𝑊 3𝑚𝑧 ∙ 𝑔2 ∙ 𝑇𝑧 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝛼 = 𝑡 20𝜋 2

(5.18)

Z tohoto vztahu je možno odvodit potřebný výkon motoru v závislosti na hmotnosti zvonu. Tato hodnota je však pouze orientační a je vždy třeba zohlednit okolní vlivy, jako například stav ložisek, kvalitu řetězové soustavy a zvonové stolice. Na základě výpočtu byly stanoveny minimální výkony motorů odpovídající standartní výrobní řadě (dle katalogu fy. Siemens [10], 2-pól, 3000 min-1).

21

Hmotnost vypočtený zvonu výkon

Adekvátní řada motorů

[kg]

[W]

[kW]

4000

1680

2,20

3000

1326

1,50

2500

1152

1,50

2000

986

1,10

1600

838

1,10

1150

674

0,75

950

599

0,75

800

543

0,55

660

489

0,55

550

447

0,55

450

408

0,55

400

390

0,55

300

350

0,37

200

311

0,37

150

291

0,37

110

277

0,37

90

270

0,37

50

257

0,25

Tab. 4.4.: Tabulka potřebného výkonu motoru v závislosti na hmotnosti zvonu

4.3 Výpočet řetězového převodu Návrh řetězového převodu je třeba rozdělit na dvě části. Jako první je vhodnější řešit poměr převodů a návrh kol. Převod je zde potřeba z důvodu úpravy vysokých otáček motoru na podstatně nižší rychlost zvonu. Z principu asynchronního motoru vyplývá, že je potřeba, aby docházelo ke skluzu, jinak motor nepůsobí žádným momentem, případně běží v generátorickém režimu. Proto musí být převod navržen tak, aby upravená úhlová rychlost motoru byla vždy rychlejší než úhlová rychlost zvonu. Námi uvažované motory se vyrábějí ve 22

dvou standardních rychlostních řadách: 2-pól, jehož rychlost je 3000 min-1, a 4-pól, jehož rychlost je 1500 min-1 . Výpočet úhlové rychlosti z počtu pólu lze provést pomocí vzorce [5] využívající počet pólových dvojic 𝑝 a frekvenci sítě 𝜔0 : 𝜔𝑠 =

𝜔0 2𝜋𝑓 = 𝑝 𝑝

(5.19)

Potřebujeme tedy převod z velmi velké rychlosti na relativně nízkou. Maximální úhlovou rychlost zvonu vypočteme jako hodnotu vzorce 𝜔(𝑡) = −𝛼𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑇𝑧 ∙ 2𝜋 ∙ sin(𝑇𝑧 ∙ 2𝜋 ∙ 𝑡)

(5.20)

Pro čas t=3Tz /4 zjistíme vždy nejvyšší úhlovou rychlost zvonu, pomocí které

vypočteme poměr potřebného převodu

𝑥=

𝜔𝑠

𝜔𝑍𝑚𝑎𝑥

(5.21)

Rozsah těchto poměrů pro 2-pólový motor je mezi 84:1 pro 4tunový zvon po 30:1 pro velmi lehký zvon, pro 4-pólový motor jsou hodnoty poloviční. Kompletní výsledky jsou vyobrazeny v následující tabulce.

23

Hmotnost zvonu

Max. rychlost

Poměr 3000 ot/min

Poměr 1500 ot/min

[kg]

[rad/s]

[-]

[-]

4000

3,75

83,8

41,9

3000

3,91

80,2

40,1

2500

4,37

71,9

35,9

2000

4,64

67,7

33,9

1600

4,83

65,1

32,6

1150

5,42

58,0

29,0

950

5,62

55,9

28,0

800

5,82

54,0

27,0

660

6,03

52,1

26,0

550

6,35

49,4

24,7

450

6,69

47,0

23,5

400

6,91

45,5

22,7

300

7,49

42,0

21,0

200

8,08

38,9

19,4

150

8,57

36,6

18,3

110

9,08

34,6

17,3

90

9,34

33,6

16,8

50

10,68

29,4

14,7

Tab. 4.5.: Tabulka poměru převodu v závislosti na hmotnosti zvonu

Na hřídeli motoru bude pro přenos síly použito standardní ozubené kolo, na uložení zvonu bude vždy vyrobeno kolo na zakázku. Toto kolo nelze unifikovat z důvodu různých tvarů a materiálů uložení zvonu. Druhou částí návrhu je zajištění dostatečné pevnosti řetězu, jenž musí být naddimenzován pro dlouhodobý bezpečný provoz včetně případu zaseknutí motoru, musí tedy snést maximální sílu, kterou je motor schopen vyvinout. Pro nejvýkonnější motor, který je možno použít s touto řídící jednotkou (1,5kW) se hodnota jmenovitého momentu sil pohybuje okolo 5Nm (3000ot/min). Na hřídel motoru bude nasunut přes spojení pero-drážka ozubený 24

disk o minimálním středním průměru 50mm. Síla, kterou bude tedy namáhán řetěz je 𝐹 = 𝑀/𝑟, což pro velký zvon odpovídá 100N. Takto nízkou sílu je schopen přenést prakticky jakýkoliv řetěz, je však třeba počítat s dlouhodobým opotřebováváním a proto byl zvolen

jednořadý válečkový řetěz 08B-1 dle ISO – R 606 (ČSN 02 3311), jenž je schopen vydržet více než stonásobné zatížení.

4.4 Testovací sestava elektro-mechanické soustavy Aby bylo možno ověřit výše zjištěné závěry, byla sestavena testovací soustava. Tato soustava se skládá z nejtěžšího zvonu (220kg) osazeného v Evangelickém kostele obci Klobouky u Brna, řetězového převodu a motoru. Pro testování byla použita tři 50A polovodičová relé firmy Carlo Gavazzi. Nebyl použit žádný snímač, pouze bezpečnostní kontakty, zabraňující nadlimitnímu kmitu. Testování probíhalo po krocích. Po osazení mechanické soustavy byl zapojen elektromotor o výkonu 0,37kW přes bezpečnostní stykač (použit pro stop tlačítko), proudový chránič, jistič a SSR, která byla ovládána manuálně. Tímto zapojením se podařilo zprovoznit motor, nicméně se objevil problém s prokluzem řetězu na velkém zvonovém kole. Kolo bylo proto vybaveno svorkovnicí, která bezpečně udržuje řetěz. Zvon se poté podařilo bez problémů rozhoupat do harmonického režimu. Pomocí analyzátoru sítě byly zjištěny proudové špičky při nabuzování motoru, které však při použití motorového jističe nezpůsobují potíže na síti, ani při současném spuštění dvou motorů. V dalším kroku bylo nahrazeno manuální ovládání SSR automatickým za pomoci PLC Zelio SE2A201BD od Schneider Electric.

25

Obr. 4.6.: PLC Zelio logic [11]

Pro snímání rychlosti průchodu zvonu nulovou polohou, byla soustava vybavena dvěma magnetickými jazýčkovými kontakty snímající pohyb magnetu na velkém kole. PLC bylo naprogramováno pomocí proprietárního obslužného software Zelio Soft využívajícího blokové diagramy. Za pomoci testovací soustavy se podařilo prokázat, že z mechanického hlediska je problém možno řešit tímto způsobem.

26

5 NÁVRH ELEKTROTECHNICKÉ ČÁSTI 5.1 Architektura systému Aby byl systém dostatečně škálovatelný, bude vytvořen modulárním způsobem. Základem bude řídící jednotka, která už bude obsahovat výkonovou elektroniku schopnou ovládat jeden třífázový motor, nebo spínat 3 nezávislé jednofázové zařízení. K této jednotce bude možno připojit až 5 vstupních signálů, které umožní spouštění např. z věžních hodin, tlačítkem, dálkovým ovladačem, GSM modulem… Pro každý další zvon bude třeba kabelem připojit rozšiřující výkonový modul. Ke každému zvonu bude připojeno čidlo přesného snímání polohy přes sériovou linku. Řídící modul bude tedy umožňovat připojení až 4 výkonových jednotek a 5 čidel.

Obr. 5.1.: Schéma návrhu systému

27

5.2 Řídící část Nejdůležitější částí každého automatu je řídící jednotka. Mezi parametry, které musí splňovat, patří dostatek vstupu a výstupů, výpočetní výkon a možnost použití v náročnějších podmínkách. Řídící jednotka má dva základní účely: musí být schopna regulovat požadovanou soustavu a je vhodné, aby byla vybavena uživatelským rozhraním, přes které ji bude možné nastavovat, určovat parametry regulace a kontrolovat provoz. 5.2.1

Výběr platformy

Při zvážení nároků na řídící jednotku, přicházejí v úvahu dvě možnosti: PLC, nebo vlastní konstrukce pomocí MCU.

PLC: + průmyslové použití + rychlá aplikace – není potřeba vyvíjet vlastní HW - cena - často neobsahuje komunikační periferie - uzavřený HW MCU: + možnost plného přizpůsobení + dostatek komunikačních periferií + jednoduchá škálovatelnost + plná kontrola jak nad HW tak SW - nutnost vlastní konstrukce - dlouhý výrobní čas - složitější programování

28

Rozhodnuto bylo pro vlastní jednotku, jelikož má podstatně větší možnosti, nižší cenu a v budoucnu ji půjde použít i pro jiné účely – jde v podstatě o univerzální PLC vyvinuté pro konkrétní účel.

5.2.2

Ovládání jednotky

I přes to že řídící jednotka bude určena pouze k obsluze montážní firmou, je potřeba dbát na dostatečnou ergonomii ovládání, proto bude jednotka osazena displejem a tlačítky. Z důvodu umístění na DIN lištu, nezbude na tlačítka příliš mnoho místa, a proto nebude použita numerická klávesnice, ale pouze 4 mechanická tlačítka. Funkce tlačítek bude proměnná dle stavu displeje. Displej byl použit znakový o rozlišení 20x4 znaky s inverzním podsvícením, které zaručuje dobrou čitelnost i při špatných světelných podmínkách. Komunikace mezi MCU a displejem je zajištěna paralelně díky široce rozšířenému řadiči HD44780. Procesor obsahuje kód, který v době nečinnosti vypíná displej i s podsvícením, zatímco v případě poruchy signalizuje blikáním podsvícení havarijní stav, dokud nedojde ke stisku tlačítka. Z bezpečnostních důvodů obsahuje jednotka okruh stoptlačítek, které v případě rozpojení kteréhokoliv z kontaktů okamžitě odpojí motory, čímž dojde k bezpečnému zastavení zvonů.

Obr. 5.2.: Použitý znakový display

5.2.3

Fyzické zabudování

Základními podmínkami pro zabudování je bezproblémová funkčnost a dodržení platných norem. Jelikož veškerá elektronika mimo snímačů a motorů bude umístěna na DIN 29

liště, není třeba řešit krytí jednotlivých jednotek, ale pouze rozvaděče. Instalace bude provedena uvnitř budovy, ale s ventilací vnějšího vzduchu, tudíž hrozí rosení zahřívaných prvků při provozu v chladnějších obdobích. Z tohoto důvodů je třeba používat rozvaděč o třídě krytí minimálně IP55 a izolační průchodky na všech vodičích. Rozměry rozvaděče závisí na množství ovládaných zvonů. Mimo řídící jednotky je potřeba osadit minimálně jeden třífázový jistič a v případě potřeby zvýšené ochrany i proudový chránič. Samotná řídící jednotka zabere 8 DIN modulů, každá další výkonová jednotka 4 DIN moduly. Modulová krabice na DIN lištu byla vybrána U-KPDIN05-ABS z důvodu dobrých zkušeností s její kvalitou a příznivou cenou. Vnější rozměry jsou: 64mm (výška) 139mm (šířka) 90mm (hloubka), obsadí tedy 8 DIN modulů v rozvaděči na šířku. Krabička pro přídavné výkonové jednotky byla vybrána U-KPDIN04-ABS, o poloviční šířce (4 moduly). Bohužel se mi nepodařilo najít krabičky, které by umožňovali propojení rozvodným hřebenem, což při montáži šetří čas.

Obr. 5.3.: Foto zabudování řídící jednotky do rozvaděče

30

5.2.4

bezpečnostní okruhy

Aby byla zajištěna bezpečnost provozu a obsluhy, musí být systém vybaven senzory poruchy a bezpečnosti [12]. Všechny tyto senzory budou sériově propojeny do jedné smyčky a musí být v souladu s normou zapojeny v režimu normálně sepnuto. Do této smyčky budou vždy zapojeny pružinové spínače překmitu a stop tlačítko, nicméně do okruhu se dají zařadit i optické závory, pohybová čidla, dveřní kontakt a mnoho dalších.

5.3 Snímače Pro přesné řízení kyvu je potřeba zpětná vazba zajištěná spolehlivými snímači. Nejvhodnější pro snímání je úhel natočení zvonu, v potaz přichází i akustické snímání zvuku, nicméně tato metoda se nedá spolehlivě uplatnit při nasazení více zvonů. Běžně se nepoužívá pro snímání polohy přesné čidlo natočení, ale pouze senzor průchodu ramene určitým bodem, kterým se dá zjistit čas průchodu a směr, v nejlepším případě rychlost v daném místě. Tato metoda je výhodná hlavně z finančních důvodů, protože běžně používané rotační senzory, které jsou vhodné do prostředí kostelní věže, stojí řádově 510.000Kč, zatímco dva magnetické kontakty v průmyslovém provedení včetně magnetu lze pořídit pod 50Kč. Použití senzorů natočení značným způsobem zvyšuje robustnost celého regulačního systému: vhodně nastavený systém takto může detekovat změnu tlumení/odporu soustavy způsobenou např. vadným ložiskem a automaticky tím upravit výkon motoru, čímž se ušetří zásah technika a nemalé finance nutné pro servis. 5.3.1

Výběr typu snímače

Pro snímání natočení se běžně používají 3 druhy senzorů: induktivní fázové senzory, optické přírůstkové snímače a pro nenáročné použití potenciometry. Novinkou v poslední době je používání integrovaných obvodů obsahujících pole Hallových senzorů. Potenciometry jsou nepoužitelné pro svoji nízkou životnost a špatnou odolnost v reálném prostředí. Induktivní fázové senzory (resolvery) pracují na principu měření naindukovaného proudu na dvou vzájemně pootočených cívkách, jejichž vyhodnocením získáme úhel budící cívky ležící na hřídeli. Tento způsob měření je již poměrně zastaralý, a používá se hlavně v zařízeních, do kterých může být integrován již při výrobě. Cena samostatného snímače je poměrně vysoká z konstrukčních důvodů a potřeby analyzačních integrovaných obvodů. 31

Obr. 5.4.: Princip funkce resolveru [13]

Optické snímače jsou hojně rozšířeny díky jejich jednoduché a levné konstrukci. Využívají odrazu nebo průchodu světla kotoučem umístěným na hřídeli. Běžně jsou používány 3 druhy těchto snímačů: •

Inkrementální: jeden paprsek světla prochází / odráží se a jeho měřením zjišťujeme rychlost otáčení, nikoliv však směr.

•

Kvadraturní: dva mírně posunuté paprsky procházejí / odráží se a vzájemným posuvem změn detekovaných paprsků jsme schopni zjistit i směr otáčení. Polohu však musíme zjišťovat integrací, což zvyšuje nároky na hardware, protože nesmí docházet k výpadkům v měření.

Obr. 5.5.: Signál kvadraturního dekodéru [13]

•

Absolutní: několik souběžných paprsků snímá speciální matici, což umožňuje v každý moment zjistit polohu natočení. Nevýhodou tohoto řešení je potřeba 32

velkého množství paprsků, aby bylo dosaženo rozumného rozlišení (rozlišení odpovídá: 2počet paprsků), což zvyšuje cenu. Novinkou mezi snímači natočení jsou mikroprocesory založené na poli Hallových senzorů. Pro měření stačí nad takovýto čip umístit kulatý magnet (příčně magnetizovaný) miniaturních rozměrů (stačí i 4mm v průměru) a mikroprocesor je schopen vyhodnotit jeho pootočení okolo kolmé osy v rozlišení až 16bit, což odpovídá 0,0055° Cena jednoho snímače včetně magnetu se pohybuje mezi 50-100Kč a v závislosti na provedení je schopen odesílat aktuální hodnotu natočení jako hodnotu napětí, střídu PWM, set tří sinusových signálů, pomocí sběrnice SPI, I2C…

Obr. 5.6.: Princip funkce magnetického enkoderu [14]

Z poměrně široké nabídky různých výrobců jsem vybral snímač AS5055 firmy AustrianMicroSystem díky jeho příznivé ceně, ideálních komunikačních vlastnostech a silné odolnosti proti vnějším vlivům. Jeho základní vlastnosti jsou shrnuty v následující tabulce dle [14]: 33

•

12-bit rozlišení

•

Standardní SPI komunikace, 3 nebo 4 vodiče

•

Napájecí napětí 3,0-3,6V

•

Režimy pro úsporu energie

•

Malé 16-pin QFN pouzdro

•

Minimální potřeba dalších součástek

Obr. 5.7.: Vnitřní uspořádání enkoderu AS5055 [14]

5.3.2

Návrh DPS a propojení

Pro komunikaci mezi snímačem natočení a řídící jednotkou bude použito rozhraní SPI (synchronní sériová komunikace). Řídící jednotka nedisponuje však dostatkem samostatných sériových linek pro každý snímač zvlášť, bude proto použito zapojení využívající režim SS (slave select), pomocí kterého je určováno, se kterým snímačem je aktuálně komunikováno.

34

Obr. 5.8.: Schéma propojení více jednotek na jednu sériovou linku [14]

Pro snímač natočení je potřeba zapojit několik externím součástek, zajištující jeho správnou funkci. DPS (deska plošných spojů) je proto navržena dle schématu:

Obr. 5.9.: Výkres DPS snímače

35

Obr. 5.10.: Neosazené a osazené DPS snímače

5.4 Výkonová část Výkonová část je určena pro spínání napětí 230/400V na základě signálů vysílaných řídící elektronikou. Jelikož pro zkoumané použití dostačují motory s výkonem nižším než 1500W, je dovoleno je spouštět přímým připojením do sítě. Tento způsob nicméně přináší nevýhodu způsobenou proudovým rázem při nabuzování vinutí motoru, který mívá špičkový odběr až 3-5 násobku nominálního proudu. Proud, pro který musí být elektronika navržena, odpovídá 3,4*5,3A=18A – z tabulky siemens [12] pro 1500w motor V úvahu tedy přicházejí 3 základní možností spínání: Mechanické relé, SSR (polovodičové relé) anebo vlastní triaková konstrukce. Každá z těchto řešení má své výhody i nevýhody, nejvýznamnější jsou vypsány v následujícím přehledu:

Mechanické relé: + levné - nízká životnost (cca 100.000-500.000 sepnutí) - galvanické oddělení - nevyžaduje chladič

36

Polovodičové relé: - drahé + vysoká životnost (až 50.000.000-500.000.000 sepnutí) + hotové řešení - může vyžadovat chladič + integrované optické oddělení

Triaková konstrukce: + levné + dlouhá životnost + při použití fototriaku má integrované optické oddělení - potřeba vlastní konstrukce - nutno ověřit potřebu chlazení

Z přehledu vyplývá, že ideální řešení musí být polovodičové, protože pouze tak lze docílit vysoké životnosti. SSR jsou ideální pro nízko objemovou aplikaci, nicméně pro více kusů vychází řešení pomocí triaků podstatně levněji. Výkonová část tedy bude založena na jejich použití. Aby výkonová část byla schopná i reverzního spuštění motoru, musí umožňovat prohození dvou fází. Z tohoto důvodu bude každý blok obsahovat 5 výkonových triaků BTA41-600B. Zapojení je navrženo tak, aby umožnilo i spínání jednotlivých fází samostatně, díky čemuž může být použit i pro spínání kladiv pro odbíjení času, nebo jakýchkoliv dalších zařízení (varovný maják, osvětlení…). Pro zabránění přehřívání jednotky, bude každý blok vybaven teplotním čidlem, odesílajícím teplotu do řídící jednotky.

37

Obr. 5.11.: Schéma zapojení jednotky výkonového spínání

5.4.1

Chlazení a TDP

Jedinou součástkou, která bude proudově namáhána, a je pro ni potřeba spočítat velikost chladiče, jsou tyristory. Postup návrhu chladiče byl převzat z literatury [15] a [16]. Jelikož je jednotka navržena na maximální dlouhodobý spínaný výkon 1500W na třífázovém motoru, efektivní hodnota proudu jednotlivými fázemi bude 𝐼1𝑓 = 2,2𝐴 což vyplývá ze

vztahu:

𝐼1𝑓 =

𝑃/3 𝑈

(6.1)

Z grafu technického listu zjistíme, že úbytek napětí na triaku pro daný protékající proud odpovídá 𝑈𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 = 1,1𝑉

38

Obr. 5.12.:Graf závislosti úbytku napětí na protékajícím proudu pro triak [17]

Ztrátový výkon je tím pádem 𝑃𝑍𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 = 𝑈𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 ∙ 𝐼1𝑓 = 2,42𝑊

(6.2)

Dynamický výkon vzniká na polovodičových součástkách při průchodu nelineárních proudů. Je způsoben převážně parazitními kapacitami na PN přechodu. Jeho hodnota tedy záleží na proudu a charakteru signálu a dá se opět přibližně zjistit z technického listu součástky. Pro námi spínaný proud odpovídá 𝑃𝐷𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 ≅ 2𝑊

39

Obr. 5.13.:Graf dynamického ztrátového výkonu [17]

Celkový ztrátový výkon součástky je tedy 𝑃𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 = 𝑃𝑍𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 + 𝑃𝐷𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 = 4,42𝑊

(6.3)

Tepelný odpor chladiče je vypočten vzorcem 𝑅𝑡ℎ𝑐𝑙 =

𝜗𝑗𝑚𝑎𝑥 − 𝜗𝑎 − (𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 + 𝑅𝑡ℎ𝑡1 + 𝑅𝑡ℎ𝑖 + 𝑅𝑡ℎ𝑡2 ) 𝑃𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘

(6.4)

Jednotlivé veličiny vyjadřují: 𝑅𝑡ℎ𝑐𝑙

- tepelný odpor chladiče

𝜗𝑎

- předpokládaná teplota okolí 𝜗𝑎 = 70°𝐶

𝜗𝑗𝑚𝑎𝑥

- maximální provozní teplota jádra triaku 𝜗𝑗𝑚𝑎𝑥 = 125°𝐶

𝑃𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘

- celkový ztrátový výkon triaku 𝑃𝑡𝑟𝑖𝑎𝑘 = 4,42𝑊

𝑅𝑡ℎ𝑡1

- tepelný odpor styku mezi triakem a vložkou 𝑅𝑡ℎ𝑡1 = 0,9𝐾/𝑊

𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐

- vnitřní tepelný odpor triaku 𝑅𝑡ℎ𝑗𝑐 = 1,2𝐾/𝑊

40

𝑅𝑡ℎ𝑖

𝑅𝑡ℎ𝑡2

- tepelný odpor slídové izolační vložky 𝑅𝑡ℎ𝑖 = 0,30𝐾/𝑊

- tepelný odpor mezi vložkou a chladičem 𝑅𝑡ℎ𝑡1 = 0,9𝐾/𝑊

Tepelný odpor je tedy roven

𝑅𝑡ℎ𝑐𝑙 =

125 − 70 − (1,2 + 0,9 + 0,3 + 0,9) = 9,14𝐾/𝑊 4,42

(6.5)

Plochu hliníkového chladiče (s materiálovou konstantou 𝐶1 = 1) a vyzařovací

konstantou (𝐶2 = 0,43) vypočteme vzorcem 𝑆=

𝐶1 ∙ 760 ∙ 𝐶2 = 44𝑐𝑚2 𝑅𝑡ℎ𝑐𝑙 − 𝐶1 ∙ 1,73

(6.6)

Toto je plocha chladiče, jež je schopen vyzářit veškeré teplo vytvářené jedním triakem po neomezeně dlouhou dobu. Protože jednotka umožnuje reverzaci, a tudíž nikdy nepoběží, nebude v provozu všech 5 triaků souběžně, je výhodnější vytvořit jeden spojený chladič. Triaky také nikdy nebudou v provozu déle než 10 minut a maximálně 30% procent pracovního času (většinou mnohem méně), proto výsledný chladič není potřeba větší než 50cm2. Na chladiči každého výkonového bloku bude taktéž osazen snímač teploty, který jej v případě přehřátí elektronicky odstaví.

41

6 NÁVRH SOFTWARE Řídící software je prvek, který nejvíce ovlivňuje chování celého systému. Varianta zde prezentovaná je pouze první verzí a bude v budoucnu dále vyvíjena. Pouhou změnou programu lze totiž upravit celý systém k naprosto jinému účelu – lze například použít jako programovatelný automat k řízení středně složitého stroje, domácí automatizaci, vývojové prostředí pro silové spínání atp. Použitý procesor je ATMega 2560 firmy Atmel, k programování byl použit jazyk C. Pro urychlení vývoje a z důvodu dostatku výkonu, byla použita vývojová platforma Arduino , která obsahuje mnoho užitečných knihoven usnadňujících práci. Do finální verze byly zakomponovány knihovny SPI a LiquidDisplay (za pomoci [18], [19] a [20]).

6.1 Uživatelské rozhraní Nastavování jednotky je prováděno přes jednoduché uživatelské rozhraní tvořené znakovým displejem a čtyřmi tlačítky. Funkce jednotlivých tlačítek se v průběhu mění, proto je vždy znázorněna na spodním řádku displeje. Úvodní obrazovka obsahuje stručný přehled stavu systému. Čísla v hranatých závorkách vyjadřují pořadí výstupu (číslo zvonu).

Obr. 6.1.: Standardní obrazovka řídící jednotky

Stiskem tlačítka nejvíce vpravo se dostaneme do menu systému, umožňující nám nastavení jednotlivých parametrů

42

Obr. 6.2.: Menu nastavení

Nejvíce se mi osvědčilo nastavování parametrů pomocí časových konstant, nicméně celý systém je možno přepnout i do nastavování pomocí úhlů natočení zvonu. Hodnota Ts vyjadřuje čas kyvu, Tb čas záběru a Tr čas rozběhového záběru.

Obr. 6.3.: Podmenu nastavení jednotlivých zvonů

Kteroukoliv hodnotu lze změnit posunem kurzoru na ni a stiskem vyber. Zobrazí se nám obrazovka informující nás o rozsahu jednotky, aktuální hodnotě proměnné a grafickém znázornění na ose. Hodnotu měníme tlačítky + a – pro potvrzení stiskneme vyber, pro návrat bez ukládání tlačítko zpet.

Obr. 6.4.: Nastavení parametru v menu řídící jednotky

Pokud v úvodní obrazovce nevstoupíme do nastavení jednotlivých zvonů, ale stiskneme menu, dostaneme se ke globálnímu nastavení jednotky. Jak je patrno, volbou 43

vstupy je možno přiřadit jednotlivým vstupům jejich funkce, pod položkou výstupy můžeme definovat, zda je na daném výstupu připojen třífázový motor, nebo kladiva pro odbíjení. V nastavení režimy se přiřazují jednotlivé styly zvonění a sestavy zvonů, čímž je možno například vytvořit jiný styl zvonění pro tzv. „umíráček“ a jiný pro polední zvonění. Menu manual je určeno pro aktivaci jednotlivých vstupů a výstupů bez nutnosti fyzického sepnutí kontaktu. Tato část se zejména hodí pro úvodní nastavování, nebo pro případ hledání poruchy. Položka log zobrazí historii provozu, změn a poruch řídící jednotky

Obr. 6.5.: Menu „hlavní“

Obr. 6.6.: Ukázka výběru jednotlivých vstupů a jejich podnastavení

Obr. 6.7.: Nastavení vstupů

V případě že dojde k přerušení bezpečnostního okruhu [s], je jsou okamžitě odpojeny všechny výstupy a na displeji bliká výstražná informace. Tato porucha lze odblokovat pouze obsluhou (stačí stisk libovolné klávesy). Odblokování je však možno až po odstranění poruchy.

44

Obr. 6.8.: Chybová hláška bezpečnostního stopu

6.2 Řídící smyčka Pro řízení bude použita nekonečná smyčka, běžící v různých režimech. Mezi těmito režimy může přecházet pomocí aktivace daného vstupu, interakce s uživatelem nebo uplynutím dané doby.

45

Obr. 6.9.: Diagram řídící smyčky a bezpečnostního okruhu

6.2.1

Zvonění

Podprogram zvonění je aktivován buď kterýmkoliv ze vstupů, nebo manuálně přes menu jednotky. Dle aktivovaného provozního režimu, jsou spouštěny jednotlivé smyčky rozběhů, běžných režimů, neharmonických režimů a odbíjení kladivy pro jednotlivé zvony. Nastavení provozních režimů se provádí v menu, do této části však z časových důvodů nebyly prozatím integrovány všechny možnosti.

46

Obr. 6.10.: Vývojový diagram běžného zvonění

47

6.2.2

Rozběh

Rozběhová smyčka je nejnáročnější, protože se v ní mění parametry spínání motoru. Rozběh může být aktivován jedním ze vstupů nebo přímo z uživatelského rozhraní řídící jednotky. Dle způsobu aktivace se nastaví úvodní parametry: aktivované zvony, jejich pořadí, případně styl zvonění. Při rozběhu je důležité, aby nedocházelo k současnému spouštění více motorů, jež by mohlo vést k nadměrnému společnému proudovému rázu a aktivace bezpečnostních odpojovačů. Po nastavení úvodních parametrů se provede reinicializace snímačů natočení a jejich vynulování klidové polohy. Při rozběhu je nutné, aby byl zvon rozhoupáván co nejharmoničtěji a nedošlo k předčasnému úderu srdce (z hlediska zvukového dojmu je to nežádoucí) – je tedy třeba aby k záběru motoru docházelo při výchylkách nad 20° až po horní úvrati. Jakmile dojde k dosažení stanoveného rozkmitu zvonu, přepne se rozběhová smyčka pro daný zvon do běžného režimu.

Obr. 6.11.: Vývojový diagram rozběhové smyčky

6.2.3

Harmonický režim

V harmonickém režimu se již zvon houpá a při každém kyvu dochází k úderu kladiva do věnce zvonu. Pro ideální akustický projev zvonění je potřeba aby záběr pohonu započal 48

ještě před horní úvratí, čímž dojde k zpomalení kyvu zvonu a srdce do něj udeří s vyšší rychlostí, čímž se zvýší energie přeměněná na vibrace zvonu. Tuto metodu je však potřeba používat s rozmyslem, neboť při příliš silném úderu se nadměrně poškozuje věnec, hrozí dvojúder (srdce se odrazí příliš rychle a narazí mimo harmonii do druhé strany zvonu) a může docházet k neúměrnému namáhání stolice věže.

Obr. 6.12.: Vývojový diagram harmonického režimu

6.2.4

Neharmonický režim

Díky použití moderních senzorů umožňujících přesné snímání polohy a samostatně spínaných tyristorových sad (dokáží mírně měnit výkon motoru), lze zvon řídit i v tzv. neharmonických režimech. Tímto lze například dosáhnout úderu při každém druhém kyvu, souběhu zvonů s různou dobou kyvu, houpání zvonu úplně bez úderu a mnoha jiných hudebně zajímavých efektů. V této práci nebyly podrobně zkoumány, nicméně tyto metody mají velký potenciál, který doposud není nabízen konkurencí, a proto jsou ideální pro budoucí rozvoj.

49

6.2.5

Odbíjení kladivy

Odbíjení kladivy je metoda ohlašování času, při které se používá jednoduchých zvonků (cimbálů), často ocelových „talířů“, do kterých je bito kladivy poháněnými solenoidy. Tyto solenoidy bývají pro co nejsnazší nasazení navrhovány na síťové napětí ~230V a proto není problém je spínat stejnými tyristory jako asynchronní motory. Pokud není zvonice vybavena specializovanými věžními hodinami, které umožnují odbíjení kladivy, je možno kteroukoliv z výkonových jednotek přepnout do režimu samostatného spínání fází. Díky této možnosti lze jednotku přeprogramováním použít k ovládání zvonkohry, nebo jako náhradu za věžní automat, ale pouze v případě že není třeba ovládat hodinový stroj. Pro potřebu přesného času, by bylo třeba rozšířit jednotku o modul RTC (real time clock), který může být připojen přes rozhraní snímačů polohy (SPI konektor).

Obr. 6.13.:Provedení cimbálu s odbíjecím solenoidem pro signalizaci času

6.2.6

Chybový a bezpečnostní režim

Jelikož se v prostoru automatizace mohou pohybovat lidé, je potřeba dbát bezpečnosti jak materiální tak personální. Z tohoto důvodu je zařízení vybaveno bezpečnostním okruhem fungujícím v režimu NC (normaly closed). V tomto okruhu jsou sériově zapojeny 50

bezpečnostní snímače popsány v kapitole 5.2.4. Jakmile dojde k rozpojení tohoto okruhu, spustí se smyčka bezpečného odpojení, jež je obsluhována přerušením nejvyššího řádu. Okamžitě se vynulují všechny výstupy silového spínání, čímž dojde odpojení silového napájení motorů a postupnému zastavení kyvu zvonů. Řídící jednotka přejde do nouzového režimu, na displeji se zobrazí varovná hláška a deaktivují se veškeré spouštěcí vstupy, aby se zabránilo opětovné aktivaci pohyblivých částí. Z tohoto režimu lze jednotku přepnout pouze manuálně na klávesnici. Schéma bezpečnostní smyčky je zobrazeno vedle běžné řídící smyčky na obr. 6.9

6.2.7

Klidový režim

Nejpoužívanější je úsporný režim, do kterého procesor přechází v případě neaktivity po dobu delší než 2 minuty. V tomto režimu je vypnut display, snímače polohy jsou uspány a procesor čeká na aktivitu z venku. Ta může být vyvolána pomocí kteréhokoliv vnějšího ovládacího vstupu (signál hodin, spouštěcí tlačítko, GSM, LAN, RF…), stiskem klávesnice, nebo stop tlačítkem, které zablokuje ostatní vstupy a zobrazí informační hlášku na displeji.

51

7 OVĚŘENÍ KONSTRUKCE V PRAXI Řídící jednotka byla vyrobena a otestována na soustavě tří zvonu v kostele Českobratrské církve evangelické v obci Klobouky u Brna. Od roku 2008 jsou zde osazeny dva nové zvony a jeden původní.

7.1 Použité zvony Největší zvon o hmotnosti 220kg má hlavní tón D2 a dolní průměr 700mm.

Druhý nový zvon má hmotnost 90kg, hlavní tón G2 a dolní průměr 580mm. Oba tyto zvony jsou usazeny v dubovém loži pomocí talířové koruny. Původně zachovaný zvon „umíráček“ váží přibližně 85kg, dolní průměr 560mm, tón hlavního ladění se nepodařilo zjistit.

52

7.2 Mechanická část Pro největší zvon byl použit motor o výkonu 0,37kW a s nominálními otáčkami 900 min-1 . Na hřídeli motoru bylo nasazeno ozubené kolo spojením pero – drážka o středním průměru 85mm. Na uložení zvonu bylo nainstalováno ocelové kolo o funkčním průměru 942mm. Poměr převodu tedy odpovídá přibližně 1:11. Snímač natočení byl uložen ve vodotěsné krabičce naproti čele hřídele, na niž byl dvousložkovým lepidlem nalepen dipólový magnet.

Obr. 7.1.: Instalace největšího zvonu

53

Zvon se podařilo rozhoupat do plného kyvu během 7. cyklu, což plně dostačuje požadavkům. Dva menší zvony (G2 a umíráček) jsou si velmi podobné, a proto byly řešeny stejným způsobem, aby se mohl porovnat případný rozdíl vyplívající z různého uložení. Motor byl použit shodný, jako u velkého zvonu, tedy 0,37kW / 900 min-1. Na hřídelích motorů byly nasazeny ozubená kola o průměru 75mm, velké kola na uložení zvonů měli funkční rozměr 770mm.

Obr. 7.2.: Zvon „umíráček“ před osazením řetězu a motoru.

54

Zvon G2 potřeboval pro plné rozhoupání 4 cykly, „umíráček“ pouze 3. Toto je dáno menším momentem setrvačnosti umíráčku, jelikož má mírně nižší hmotnost a lehčí uložení, a proto nepotřebuje tolik energie k rozhoupání.

Obr. 7.3.:Kompletní soustava zvonů s osazenými koly.

7.3 Výsledky měření Měření bylo prováděno pomocí přesměrovávání hodnot úhlu natočení z magnetického snímače na sériovou linku a ukládáno do počítače přes USB<->COM převodník. Data byly poté vyfiltrovány pomocí trojúhelníkového okna a byly vykresleny do grafů společně se záběry motoru. Kontrolní rozhoupávání bylo prováděno na jednotlivých zvonech odděleně, aby se neprojevila funkce software, která zabraňuje spuštění dvou motorů přesně ve stejný okamžik pro omezení proudových rázů. Srdce zvonů byly omotány látkou a polyuretanovou pěnou aby se snížila zvuková emise zvonů. Není totiž příliš žádoucí zvonit mimo časy k tomu určené. Toto omotání prakticky neovlivnilo měření, jelikož hybnost zvonu v poměru k hybnosti srdce je několikanásobně vyšší, tudíž příliš nezáleží na délce nárazu a disipovaná energie tlumením je zanedbatelná k celkové energii zvonu. 55

úhel 100

úhel [°]

50

0

-50

-100

0

0.5

1

1.5

2

2.5 čas [s]

3

3.5

4

4.5

5

3

3.5

4

4.5

5

motor

sepnutí motoru [-]

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5 čas [s]

Obr. 7.4.: Průběh rozběhu největšího zvonu – D2

úhel 100

úhel [°]

50

0

-50

-100

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

2

2.5

3

3.5

čas [s] motor

sepnutí motoru [-]

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.5

1

1.5 čas [s]

Obr. 7.5.: Průběh rozběhu zvonu – G2

56

úhel 100

úhel [°]

50

0

-50

-100

0

0.5

1

1.5 čas [s]

2

2.5

3

2

2.5

3

motor

sepnutí motoru [-]

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.5

1

1.5 čas [s]

Obr. 7.6.: Průběh rozběhu zvonu „umíráček“

V horním grafu je vždy modře vykreslen úhel natočení zvonu a zeleně jeho doporučená amplituda. Ve spodním grafu je znázorněno spínání motoru. Na naměřených hodnotách je patrno, že rozhoupávání probíhalo harmonicky a byl tedy dodržen požadavek na nízké dynamické zatěžování zvonice. Výsledky měření potvrdily, že výkon motorů spolu s řetězovým převodem jsou navrženy optimálně.

57

8 ZÁVĚR Cílem této práce bylo navrhnout automat obsluhující kostelní zvony pro kostel Českobratrské církve evangelické v Kloboucích u Brna a minimalizovat tím potřebu zvoníka. Současné komerčně dostupná řešení jsou totiž poměrně nákladná (cca 30.000Kč za pohon jednoho zvonu) a tudíž jsou pro menší farnosti velkou finanční zátěží. Nejprve byly stanoveny cíle, kterých je třeba dosáhnout, přičemž byl kladen důraz na univerzálnost a robustnost řešení ale i na zachování co nejnižší ceny. V rešeršní studii byly vysvětleny základní informace o zvonech, jejich historii, tvarech a mechanických vlastnostech. S ohledem na způsob uložení zvonů na zvonové stolici přicházely v potaz dva druhy pohonů: buďto běžně používaný rotační asynchronní motor, nebo lineární pohon. Jako vhodnější řešení bylo vybráno použití rotačního motoru s řetězovým převodem. Z důvodu ztížených možností testování na místě, byl vytvořen matematický model zvonu. Nejprve byl zvon modelován jako dvojité fyzikální kyvadlo, čímž byl ale vytvořen model příliš složitý pro použití v řídící jednotce a proto byl zjednodušen na kyvadlo matematické. Problematickou částí modelu byla simulace nárazu srdce do zvonu, což bylo vyřešeno nahrazením stykových ploch velmi tvrdou pružinou. Model byl vyzkoušen v simulačním prostředí Matlab. Na základě poznatků z modelu, byly navrženy řetězové převody, zvoleny výkony motorů a vypočten ideální řetěz. Pro zjednodušení při montážích na různé zvony, byly vypočteny tabulky pro adekvátní výkon motoru a poměr převodu. Kompletní mechanická soustava byla otestována pomocí průmyslového PLC a soustavy polovodičových relé. Pro dodržení nízké ceny bylo rozhodnuto založit systém na vlastní řídící jednotce rozšířitelné o další výkonové moduly. K snímání přesného natočení zvonu byl navržen snímač založený na moderním magnetickém enkoderu, komunikujícím přes sériové rozhraní. Nastavení řídící jednotky je zajištěno pomocí displeje a tlačítek. Spouštění zvonění je prováděno dostatkem vstupů, umožňujících dálkové ovládání z pultu, nebo například pomocí GSM brány. Speciálním vstupem je STOP signál, který je podmínkou bezpečného provozu u automatizační techniky. Řídící jednotka byla naprogramována v jazyce C za pomoci knihoven Arduino. Celý systém byl poté otestován na konkrétních třech zvonech, čímž se potvrdila jeho bezproblémová funkčnost. Pro budoucí vývoj je však vhodné upustit od modulárního systému na DIN lištách a celý systém umístit na jedné DPS do velké montážní krabice, čímž se usnadní montáž a sníží 58

se cena řešení. Vývoj bude pokračovat v rámci společností ZAJIC GROUP, s.r.o., která celý projekt

zastřešila z právního

a finančního

hlediska,

a bude se ubírat

směrem

k neharmonickým kyvům, jež zatím nejsou nabízeny v komerčně dostupných řešeních na českém trhu a skýtají velký potenciál. Závěrem je třeba říci, že všechny body zadání i stanovené cíle této diplomové práce byly splněny.

59

9 LITERATURA [1]

Wikipedie - zvon. Wikipedia.org [online]. 2013 [cit. 2013-05-10]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Zvon

[2]

LUNGA, Radek a Jaroslav SOLAŘ. Kostelní věže a zvonice: kampanologie, navrhování, poruchy, rekonstrukce a sanace. 1. vyd. Praha: Grada, 2010, 172 s. ISBN 9788024712369.

[3]

DIN DEUTSCHES INSTITUT FÜR NORMUNG. DIN 4178:2005-04. Schwingungsfragen im Bauwesen; Glockentürme. Berlin: DIN Deutsches Institut für Normung, 2005, 39 s.

[4]

LUNGA, R. a P. VÁCHA. Ruční zvonění, nebo elektrický pohon?: Zprávy památkové péče [online]. 2009[cit. 2013-05-08].

[5]

KOCMAN, Stanislav. Asynchronní stroje [online]. VŠB TU Ostrava, 2002 [cit. 201305-08]. Dostupné z: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske_FS/prednasky/sylab_Asynchronni%20stroje _bc%20FS.pdf

[6]

VUES BRNO A.S. Lineární motory. 2009. Dostupné z: http://www.vues.cz/file/417/CZ_LIN-OBECNE_020909.PDF

[7]

AccessScience: ENCYCLOPEDIA ARTICLE: Induction motor [online]. [cit. 2013-0508]. Dostupné z: http://www.accessscience.com/loadBinary.aspx?aID=3684&filename=341600FG0110. gif

[8]

HALLIDAY, David, Robert RESNICK a Jearl WALKER. Fyzika: vysokoškolská učebnice obecné fyziky. 1. české vyd., 2. dotisk. Překlad Jan Obdržálek, Bohumila Lencová, Petr Dub. V Brně: Prometheus, 2006, vii, 1034-1198, [30]. ISBN 80-2141868-0.

[9]

WOODHOUSE, J., J.C. RENE, C.S. HALL, L.T.W. SMITH, F.H. KING a J.W. MCCLENAHAN. The Dynamics of a Ringing Church Bell [online]. Hindawi Publishing Corporation - Advances in Acoustics and Vibration, 2012 [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: http://downloads.hindawi.com/journals/aav/2012/681787.pdf

60

[10] SIEMENS ČESKÁ REPUBLIKA. Nízkonapěťové motory: Katalog K02-0811 CZ [Online]. Praha, 2011. Dostupné z: www.elektromotorygral.cz/kcfinder/upload/files/1LA7.pdf [11] Schneider Electric US: Zelio logic PLC [online]. [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: http://static.schneider-electric.us/assets/idw/1/09008926807a49b1.jpg [12] ČSN EN 61010. Bezpečnostní požadavky na elektrická měřící, řídící a laboratorní zařízení. 2004. vyd. [13] Wikimedia commons. [online]. 2013 [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: http://commons.wikimedia.org/ [14] AMS AG. AS5055 Datasheet: Low Power 12-Bit Magnetic Rotary Encoder [online]. Revision 1.16. 2012 [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: http://www.ams.com/eng/content/download/383163/1241077/19752 [15] ŠEBESTA, J. Elektronické podklady k předmětu Napájení elektronických zařízení. Brno, 2008. [16] TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006, 623 s. ISBN 80-867-0613-3. [17] STMICROELECTRONICS G.O.C. BTA40, BTA41, BTB41: 40 A standard TRIACs [online]. Doc ID 7469 Rev 8. 2009 [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: http://www.gme.cz/dokumentace/225/225-012/dsh.225-012.1.pdf [18] MCROBERTS, Michael. Beginning Arduino. New York: Apress, 2010, xxi, 433 s. ISBN 9781430232407. [19] CCS C Library Code : LCD 20x4 Driver [online]. [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: http://www.123microcontroller.com/Microcontroller-C-Code-sample/ccs-c-librarycode-lcd-20x4-driver [20] WARREN, John-David, Josh ADAMS a Harald MOLLE. Arduino robotics. New York, NY: Apress, 2011, xxiv, 601 s. ISBN 9781430231837. [21] SKALICKÝ, Jiří. Elektrické regulované pohony [online]. FEKT VUT vBrně, 2007 [cit. 2013-05-08]. Dostupné z: www.vutbr.cz/www_base/priloha.php?dpid=18964 [22]LUNGA, R. a P. VÁCHA. Základní směrnice pro kolaudaci zvonu (1959): Komentované vydání [online]. 2009[cit. 2013-05-08]. 61

10 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK

Obr. 3.1.: Základní typy zavěšení zvonů [2] .................................................................. 3 Obr. 3.2.: Běžně používané druhy srdcí [2].................................................................... 4 Tab. 3.3.: Výkyv zvonu v závislosti na jeho hmotnosti dle DIN [3] .............................. 5 Obr. 3.4.: Počet úderů zvonu za minutu v závislosti na jeho hmotnosti [3] ................... 6 Obr. 3.5.: Průběh proudu v 3-fázové síti [5]................................................................... 8 Obr. 3.6.: Magnetické pole v motoru pro čas t1 [5] ........................................................ 8 Obr. 3.7.: Magnetické pole v motoru pro čas t2 [5]........................................................ 9 Obr. 3.8.: Momentové charakteristiky pro asynchronní motor [21]............................. 10 Obr. 3.9.: Rozvinutí rotačního synchronního motoru na lineární [6] ........................... 11 Obr. 3.10.: Dva typy asynchronních rotačních a lineárních motorů [7] ....................... 11 Obr. 3.11.: Chování motoru po přímém připojení na síť [5] ........................................ 12 Obr. 3.12.: Schéma mechanické soustavy pohonu zvonu ........................................... 14 Obr. 4.1.: Schéma zvonu pro matematický model ....................................................... 16 Obr. 4.2.: Graf polohy zvonu a srdce založený na simulačním modelu ....................... 19 Obr. 4.3.: Průběh ideálního zvonění ............................................................................. 20 Tab. 4.4.: Tabulka potřebného výkonu motoru v závislosti na hmotnosti zvonu ........ 22 Tab. 4.5.: Tabulka poměru převodu v závislosti na hmotnosti zvonu .......................... 24 Obr. 4.6.: PLC Zelio logic [11] .................................................................................... 26 Obr. 5.1.: Schéma návrhu systému ............................................................................... 27 Obr. 5.2.: Použitý znakový display .............................................................................. 29 Obr. 5.3.: Foto zabudování řídící jednotky do rozvaděče ............................................ 30 Obr. 5.4.: Princip funkce resolveru [13] ....................................................................... 32 Obr. 5.5.: Signál kvadraturního dekodéru [13]............................................................. 32 62

Obr. 5.6.: Princip funkce magnetického enkoderu [14] ............................................... 33 Obr. 5.7.: Vnitřní uspořádání enkoderu AS5055 [14] .................................................. 34 Obr. 5.8.: Schéma propojení více jednotek na jednu sériovou linku [14] .................... 35 Obr. 5.9.: Výkres DPS snímače .................................................................................... 35 Obr. 5.10.: Neosazené a osazené DPS snímače............................................................ 36 Obr. 5.11.: Schéma zapojení jednotky výkonového spínání ........................................ 38 Obr. 5.12.:Graf závislosti úbytku napětí na protékajícím proudu pro triak [17] .......... 39 Obr. 5.13.:Graf dynamického ztrátového výkonu [17] ................................................ 40 Obr. 6.1.: Standardní obrazovka řídící jednotky .......................................................... 42 Obr. 6.2.: Menu nastavení ............................................................................................ 43 Obr. 6.3.: Podmenu nastavení jednotlivých zvonů ....................................................... 43 Obr. 6.4.: Nastavení parametru v menu řídící jednotky ............................................... 43 Obr. 6.5.: Menu „hlavní“ .............................................................................................. 44 Obr. 6.6.: Ukázka výběru jednotlivých vstupů a jejich podnastavení .......................... 44 Obr. 6.7.: Nastavení vstupů .......................................................................................... 44 Obr. 6.8.: Chybová hláška bezpečnostního stopu......................................................... 45 Obr. 6.9.: Diagram řídící smyčky a bezpečnostního okruhu ........................................ 46 Obr. 6.10.: Vývojový diagram běžného zvonění .......................................................... 47 Obr. 6.11.: Vývojový diagram rozběhové smyčky....................................................... 48 Obr. 6.12.: Vývojový diagram harmonického režimu .................................................. 49 Obr. 6.13.:Provedení cimbálu s odbíjecím solenoidem pro signalizaci času ............... 50 Obr. 7.1.: Instalace největšího zvonu ........................................................................... 53 Obr. 7.2.: Zvon „umíráček“ před osazením řetězu a motoru........................................ 54 Obr. 7.3.:Kompletní soustava zvonů s osazenými koly. .............................................. 55 Obr. 7.4.: Průběh rozběhu největšího zvonu – D2 ...................................................... 56 63

Obr. 7.5.: Průběh rozběhu zvonu – G2 ........................................................................ 56 Obr. 7.6.: Průběh rozběhu zvonu „umíráček“ .............................................................. 57

64

11 PŘÍLOHY

1. Schéma zapojení řídící jednotky 2. Schéma zapojení výkonového modulu 3. Schéma připojení senzorů a vstupů

65

C5

100n

100n

GND

C6 100n

DISPLAY

C

10 31 61 80 11 32 62 81

VCC VCC VCC VCC GND GND GND GND

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

GND

42 41 40 39 38 37 36 35

GND

Trim1

+5V

10K

D

E

82 83 84 85 86 87 88 89

SW1 SW2 SW3 SW4

F

G

(MISO) (SCK)

PB3 PB1 RESET

+5V

ICSP 1 3 5

2 4 6

PB2

3x2M

(MOSI)

GND

H

1

8

RN3A 1k

GREEN ON

GND

+5V

79 69 68 67 66 65 64 63 27 18 17 16 15 14 13 12

PL7 PL6 PL5(OC5C) PL4(OC5B) PL3(OC5A) PL2(T5) PL1(ICP5) PL0(ICP4) PK7(ADC15/PCINT23) PK6(ADC14/PCINT22) PK5(ADC13/PCINT21) PK4(ADC12/PCINT20) PK3(ADC11/PCINT19) PK2(ADC10/PCINT18) PK1(ADC9/PCINT17) PK0(ADC8/PCINT16) PJ7 PJ6(PCINT15) PJ5(PCINT14) PJ4(PCINT13) PJ3(PCINT12) PJ2(XCK3/PCINT11) PJ1(TXD3/PCINT10) PJ0(RXD3/PCINT9) PH7(T4) PH6(OC2B) PH5(OC4C) PH4(OC4B) PH3(OC4A) PH2(XCK2) PH1(TXD2) PH0(RXD2)

(OC0A/OC1C/PCINT7)PB7 (OC1B/PCINT6)PB6 (OC1A/PCINT5)PB5 (OC2A/PCINT4)PB4 (MISO/PCINT3)PB3 (MOSI/PCINT2)PB2 (SCK/PCINT1)PB1 (SS/PCINT0)PB0 (A15)PC7 (A14)PC6 (A13)PC5 (A12)PC4 (A11)PC3 (A10)PC2 (A9)PC1 (A8)PC0 (T0)PD7 (T1)PD6 (XCK1)PD5 (ICP1)PD4 (TXD1/INT3)PD3 (RXD1/INT2)PD2 (SDA/INT1)PD1 (SCL/INT0)PD0 (CLKO/ICP3/INT7)PE7 (T3/INT6)PE6 (OC3C/INT5)PE5 (OC3B/INT4)PE4 (OC3A/AIN1)PE3 (XCK0/AIN0)PE2 (TXD0)PE1 (RXD0/PCIN8)PE0 (ADC7/TDI)PF7 (ADC6/TDO)PF6 (ADC5/TMS)PF5 (ADC4/TCK)PF4 (ADC3)PF3 (ADC2)PF2 (ADC1)PF1 (ADC0)PF0 (OC0B)PG5 (TOSC1)PG4 (TOSC2)PG3 (ALE)PG2 (RD)PG1 (WR)PG0

3

26 25 24 23 22 21 20 19

GND

1 29 28 70 52 51

GND

+5V

VIN

3

C1

+5V

IC1 NCP1117ST50T3G

C2

IN OUT

4 2

100n GND

PC2 47u

GND

GND

+5V

SCL SDA

22p GND

50 49 48 47 46 45 44 43

90 91 92 93 94 95 96 97

D1 M7 PC1 47u

PWRIN

RESET

60 59 58 57 56 55 54 53

9 8 7 6 5 4 3 2

3

19

6

100n

C4

AREF AVCC AGND

X1 POWERSUPPLY_DC21MMX

71 72 73 74 75 76 77 78

18

3

98 100 99

17

RN1C 10K

AREF

XTAL1

16

RN1B 10K

34

15

+

XTAL1

XTAL2

(AD7)PA7 (AD6)PA6 (AD5)PA5 (AD4)PA4 (AD3)PA3 (AD2)PA2 (AD1)PA1 (AD0)PA0

14

7

33

RESET

13

2

AREF C3

B

30

XTAL2

+5V

12

1

XTAL1 16MHZ

11

+

R1 1M

10

CD1206-S01575

GND

Y1

9

D3

A

8

8

RESET

7 IC3

1

6

RN5A 10K

5

2

4

2

3

1

2

1

1

+5V 6 5 4 3 2 1

+5V 6 5 4 3 2 1

MISO-PB3 MOSI-PB2 SCK-PB1 SS1-PB0

+5V

SENS2

SENS1

GND

+5V

GND

+5V 6 5 4 3 2 1

MISO-PB3 MOSI-PB2 SCK-PB1 SS3-PB5

SENS3

MISO-PB3 MOSI-PB2 SCK-PB1 SS5-PB7

SENS5

GND

6 5 4 3 2 1

6 5 4 3 2 1

MISO-PB3 MOSI-PB2 SCK-PB1 SS2-PB4

MISO-PB3 MOSI-PB2 SCK-PB1 SS4-PB6

SENS4 GND

GND

ATMEGA2560-16AU

Příloha č.1 - Schéma zapojení řídící jednotky

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

A

74HC08D

R12

2

2

74HCT04D

+5V

C13

NEG4A

IC5A 3

74HC08D

R16

X3

3 2 1

0.1uF

1

NEG5A 2

1

74HCT04D

NEG6A 2

74HCT04D

R20

6

C9 0.1uF

6

J6

MOC3061

J7 J8

C10

N

0.1uF F5 40A T5 BTA41

4

L2out L3out

R18 320

2

J5 L1out

MOC3061

1

R5

100

40A

T4 BTA41

4

OK5

R9

100

F2

R14 320

320

GND

320

R3 R7 1

OK4

320

GND C12

0.1uF

MOC3061

2

0.1uF

C8

T3 BTA41

4

J4 N

R10 320

GND

1

6

320

GND

H

1

OK3

2

GND

T2 BTA41

100

3

J3 L3in

R13

Motor1

MCP9700

G

2

2

74HCT04D

1

F

NEG3A

R6

MOC3061

R11

E

1

IC2A

J2 L2in

320 4

R15

Motor1

X2-7 X2-5 X2-3 X2-1

1

6

320

GND

D

OK2

2

+5V

X2-8 X2-6 X2-4 X2-2

1

L1in

0.1uF

100

74HC08D

J1 C7

R17

74HCT04D

4

100

C

2

2

R8

40A T1 BTA41

320

1

3

F1

MOC3061

GND IC6A

R2 320

2

1

6

320

B

NEG2A

OK1

R21

1

320

74HC08D

R4

320

74HCT04D

3

R19

2

2

IC4A

320

1

1

NEG1A

C11 0.1uF

Příloha č.2 - Schéma zapojení výkonového modulu

2

3

5

6

7

8

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

MOT2

1_4 1_3 1_2 1_1

PD5 PD4 PD3 A10-PC2

R25

GND

D

C15

2 1

VSTUP6

VSTUP8

0,01uF

R36 1k

C19

2 1

0,01uF

GND

VSTUP9

0,01uF

R38 1k

P J2

C21

+5V

P J6

100k

R37

100k

R29

100k

C17

2 1

GND

R32 1k

PJ3

C22

0,01uF

+5V

PJ1

2 1

VSTUP10

R40 1k

P J0

C23

0,01uF

MOT3 GND

GND

GND

1_4 1_3 1_2 1_1

PD2 PD1

MOT4

PD0 PE7 PE5 A11-PC3

2 1

MOT4 VSTUP3

GND +5V 2_4 2_3 2_2 2_1

GND

+5V

R27

2_4 2_3 2_2 2_1

G

PJ7

0,01uF

+5V

F

1k

+5V

1_4 1_3 1_2 1_1

PE4 PE3

MOT5

PE2 PE1 PE0 A12-PC4

R26 1k

C16

0,01uF

GND

GND

+5V

R35

E

VSTUP2

R24 1k

VSTUP4

R28

PJ5

2 1

VSTUP7

R34 1k

100k

MOT3

2 1

2 1

GND +5V

+5V

PD7 PD6

C18

0,01uF

GND

MOT2

2_4 2_3 2_2 2_1

1k

PK0

100k

PA2 PA1

PA0 PH7 PH5 A9-PC1

VSTUP5

0,01uF

R30

100k

C

1_4 1_3 1_2 1_1

C14

2 1

R41

2_4 2_3 2_2 2_1

1k

P K1

+5V

100k

VSTUP1

+5V

R22

R39

2 1

GND

R31

MOT1

+5V

100k

MOT1

+5V

R33

PA7 PA6

+5V

PA5 PA4 PA3 A8-PC0

100k

1_4 1_3 1_2 1_1

100k

2_4 2_3 2_2 2_1

H

9

+5V

A

B

4

R23

1

P J4

C20

0,01uF

GND

MOT5 GND

Příloha č.3 - Schéma připojení senzorů a vstupů