sborník

Transkript

sborník

Přehlídka
studentských odborných prací na FEL
konaná dne 16. května 2008
pod záštitou
prorektora ZČU
doc. RNDr. Františka Ježka, CSc.
a
děkana FEL ZČU
doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc.
pořádaná v odborných sekcích
Elektrické stroje a pohony
Elektronika
Elektrotechnologie
FEL, ZČU 2008
Slovo úvodem
Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské
univerzity v Plzni již tradiční akcí. Letošní přehlídky se účastní 33 prací, což je
zhruba stejně jako v loňském ročníku. Je však škoda, že se přehlídky účastní
pouze studenti se svými závěrečnými pracemi jak bakalářskými, tak
diplomovými.
Na tomto místě bych rád poděkoval všem autorům soutěžních prací za
příspěvek do této přehlídky a jejich lektorům za odborné vedení. Věřím, že
spolupráce v rámci odborné činnosti je pro obě strany vysoce přínosná. Také
chci poděkovat všem členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, bez
které by nebylo možno přehlídku uskutečnit.
Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, protože člověk je tvor soutěživý. Proto věřím,
že i tato přehlídka přispěje k nejen odbornému rozvoji každého ze zúčastněných.
Ing. Václav Boček, Ph.D.
organizační garant
Obsah
Sekce Elektrické stroje a pohony
5
Mechatronický model výrobního procesu
6
Bc. Petr Beneš - PE 2
Návrh motoru s permanentními magnety
7
Radek Boček - PE 2
Silové obvody měniče Simoreg 6RA70 na 210 A
8
Martin Brůha - ELE 3
Návrh rozvaděče měniče Simoreg 6RA70 na 210A
9
Karel Budín - ELE 3
Algoritmy vektorové PWM
10
Bc. Zdeněk Čepický - PE 2
Implementace algoritmu řízení tyristorového usměrňovače do mikropočítače
11
Tomáš Košan - AEL 5
Příprava a vypracování projektové dokumentace MVE
12
Bc. Martin Sirový - EE 2
Řídící obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A
13
Jiří Srb - KOE 3
Nové řízení trakčního pulzního usměrňovače: hybridní delta modulace
14
Bc. Martin Zeman - PE 2
Ovládací obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A
15
Štefan Žurek - KOE 3
Sekce Elektronika
17
Bezdrátový přenos dat
18
Bc. Tomáš Benedikt - EI 2
Implementace převodníku z LPC na ISA pomocí jazyka VHDL
19
Josef Bouzek - EI 2
Vstupní analogové rozhraní pro RFID čtečku
20
Bc. Karel Čermák - EI 2
Jednotka pro monitorovací systém fotovoltaické elektrárny
21
Roman Dejmek - EI 2
3D akcelerometry a jejich využití
22
Ladislav Dreisig - EI 2
3
Funkční generátor
23
Bc. Petr Gondek - EI 2
Univerzální modul komunikačního rozhraní
24
Štěpán Hamouz - DE 5
Návrh realizace programovatelného vícekanálového zdroje
25
Martin Kopecký - EI 2
Ovládání a monitorování pomocí GSM
26
Jiří Purchart - EI 5
Grafická karta připojitelná k jednočipovému mikropočítači
27
Petr Sedláček - AEL 3
Monitorování služby GPS – archivace dat a zpracování
28
Jan Strobach - TM 2
Zesilovač pro můstkové snímače
29
Bc. Viktor Žalud - EI 2
Sekce Elektrotechnologie
31
Vyjadřování nejistot emisních měření ve zkušební EMC laboratoři
32
Ján Bandžák - KE 5
Analýza rozložení elektrického pole v kompozitech
33
Pavel Fanta - KE 5
Porovnání vybraných dielektrických vlastností minerálních a syntetických
izolačních kapalin
34
Pavel Hrdlička - KE 2
Inovace systému řízení vybraného technologického procesu
35
Zdeněk Konárek - KE 5
Diagnostický systém pro hromadné zpracování a vizualizaci naměřených dat
36
Jan Kotrba - KE 2
Aspekty aplikace CT technologie
37
Radana Krejcárková - KE 5
Využití umělé inteligence v elektrotechnické diagnostice
38
Tomáš Malý - KE 2
Obecné aspekty diagnostiky elektrických zařízení
39
Miroslav Píša - KE 2
Osvětlování zdravotnických zařízení
40
Jaroslav Sadský - EE 5
Výpočet provozních a poruchových stavů v ES pomocí PC - ustálené stavy
41
Jan Veleba - EE 2
Vyjadřování nejistot měření odolností ve zkušební EMC laboratoři
42
Václav Žák - KE 5
4
Sekce Elektrické stroje a pohony
složení komise
předseda
prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.
členové
doc. Ing. Anna Kotlanová, CSc.
doc. Ing. Karel Zeman, CSc.
Ing. David Vošmik
5
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2008
Mechatronický model výrobního procesu
Bc. Petr Beneš - PE 2
lektor: Ing. Jakub Talla - KEV
Mechatronický model výrobního procesu, který je tématem této práce, využívá dvou
robotů pásového dopravníku, zásobníku na barevné míčky s dávkovačem a tunelu detekce
barvy k třídění míčků do připravených krabiček podle barvy. Pásovým dopravníkem jsou
přemisťovány krabičky, které jsou s pomocí dávkovače plněny barevnými míčky, jejichž
barva je zjišťována v rozpoznávací šachtě. Když krabička doputuje na konec dopravníku, je
zdvižena robotickou rukou, která vysype její obsah do větší barevné krabičky, shodující se
s barvou tříděného míčku. Prázdná krabička poté putuje s pomocí druhé robotické ruky na
konec pásového dopravníku a celý proces se opakuje. Když jsou barevné krabičky plné, a
tedy všechny míčky roztříděny podle barvy, vysype robotická ruka jejich obsah zpět do
dávkovače a může tedy dojít k novému třídění. Funkce modelu byly navrženy takovým
způsobem, aby mohl být využit ve virtuální laboratoři KEV. To znamená, že model musí být
schopen pracovat bez jakéhokoli fyzického zásahu obsluhy, pouze za pomoci příkazů
zobrazených na webové stránce.
Pásový dopravník a dávkovač míčků
Základem modelu pásového dopravníku je pás využívaný v průmyslu k dopravě lahví.
Pro pás bylo třeba navrhnout konstrukci umožňující jeho funkčnost. Pevné díly pásového
dopravníku byly navrženy a vyrobeny z plexiskla, rotující hřídele z oceli.
Pro pohon pásu je využit integrovaný H můstek L6203. Můstek je řízen s pomocí PWM
generované mikročipem AT MEGA8, situovaným v řídícím modulu pásového dopravníku.
Dopravník je dále vybaven infrazávorami, snímajícími polohu krabiček na pásu a
synchronizujícími činnosti jednotlivých komponentů procesu.
Zásobník na míčky s dávkovačem byl také navržen a vyroben z plexiskla. Součástí
zásobníku je míchačka, která zajišťuje náhodnou posloupnost barev dávkovaných míčků a
zabezpečuje spadnutí míčků do dávkovače.
Pro obsluhu dávkovače je využito modelářské servo. To ovládá dvě přepážky
dávkovače střídavě se překlápějící a zajišťující, že do krabiček na pásu je dávkován právě
jeden míček ze zásobníku. PWM pro řízení motoru míchačky i pulsy řídící servo dávkovače
jsou generovány opět mikročipem v řídícím modulu pásového dopravníku.
Rozpoznávání barvy
Rozpoznávání barvy míčků je situováno v rozpoznávací šachtě. Zde je umístěn
fotoodpor a barevné LED diody. Objekt, jehož barva je detekována je osvětlován postupně
zelenou, červenou a modrou diodou. Odražená světlo je pak snímáno fotorezistorem.
S pomocí A/D převodníku je určena hodnota jeho odporu odpovídající dopadu odraženého
světla od konkrétní LED diody. Řídící logikou je pak z naměřených vzorků vyhodnocena
barva detekovaného objektu. Řízení rozpoznávání barvy je opět zajištěno mikročipem
v řídícím modulu.
Řízení modelu
Řízení celého modelu, včetně dvou robotů je naprogramováno jako webová stránka
v programovacím jazyce C#. Zde může uživatel ovládat jeden robot manuálně,
naprogramovat vlastní sekvenci jeho pohybů, nebo spustit chod celé linky. Pro manuální
řízení robotu je program vybaven softwarovu ochranou zabraňující uživateli pohybovat
efektorem robotu proti mechanické překážce.
6
Návrh motoru s permanentními magnety
Radek Boček - PE 2
lektor: Ing. Milan Krasl, Ph.D. - KEV
Synchronní stroje nahrazují v určitých aplikacích asynchronní motory stejně, jako
asynchronní motory nahradily stroje stejnosměrné. Synchronní motory s permanentními
magnety mají široké využití. Menší jako servomotory a řídící pohony, větší například jako
pohon lodí. Aktivně jsou nasazeny v součinnosti se spalovacím motorem v hybridních
automobilech (Toyota Prius či Lexus Hybrid) a samostatně jako pohon vlaků nebo tramvají.
Přínosem synchronních strojů s permanentními magnety je absence převodovky. Spojení
poháněného zařízení se strojem bez převodovky přináší úsporu finanční a prostorovou, další
výhodou je zvýšení spolehlivosti systému. Požadovaného vysokovýkonného přímého pohonu
dosáhneme nasazením synchronního motoru řízeného moderními metodami, například
vektorovým řízením nebo přímým řízením momentu.
Práce obsahuje komplexní návrh synchronního motoru s permanentními magnety. Jeho
předpokládané využití je jako pohon tramvaje. V první části jsou popsány materiály
permanentních magnetů. Nejslibnější skupinu magnetů tvoří magnety ze vzácných zemin
zastupující SmCo (samarium-kobalt) a NdFeB (neodymium-železo-bor). Byly popsány v roce
1935, ale průmyslově se využívají až posledních třicet let.
Následuje podrobný analytický rozbor elektromagnetického obvodu, na který navazuje
modelování motoru metodou konečných prvků. Dnešní návrh se neobejde bez numerických
výpočtů, jež návrh zrychlují a zpřesňují. Umožňují na modelu simulovat různé stavy stroje,
získávat data a optimalizovat tak motor z různých hledisek. Hlavními aspekty optimalizace
návrhu jsou proveditelnost, spolehlivost, účinnost a nízká cena. Dílčí nároky kladené na
průmyslový pohon vyžadují dosáhnout vysoké přetížitelnosti, co možná nejvyššího měrného
výkonu (momentu stroje vztaženého na jednotku objemu) a dobré dynamiky motoru.
Vyjmenovanými kritérii jsem se řídil.
Porovnal jsem, jak se změní parametry motoru pro různé tvary povrchových
permanentních magnetů. Segment magnetu má shodný objem a délku. Proměnnou výšku a
šířku definuji činitelem pólového krytí. Úprava se projevila na rozměrech PM a jha rotoru,
indukci ve vzduchové mezeře a momentu. Rozdíl však nebyl tak výrazný, jak jsem očekával.
Nedílnou součástí návrhu je ventilační a tepelný výpočet, který se v případě strojů s
permanentními magnety nesmí podcenit. Velké proudové zatížení motoru vyžaduje kvalitní
odvod tepla nuceným vodním chlazením.
Obr. 1. Model synchronního motoru s permanentními magnety
7
Silové obvody měniče Simoreg 6RA70 na 210 A
Martin Brůha - ELE 3
lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Cílem mé práce bylo vytvořit rozvaděčovou konstrukci na měnič Simoreg, nainstalovat
do této konstrukce (modulu) potřebné komponenty, zařízení oživit a umožnit jeho využití
v různých úlohách v rámci laboratoří Katedry elektromechaniky a výkonové elektroniky.
Měnič Simoreg od firmy Siemens patří do rodiny mikroprocesorem řízených měničů
pro stejnosměrné pohony s proměnlivou rychlostí. Jedná se o čtyřkvadrantový plně řízený
usměrňovač se dvěma polovodičovými výkonovými jednotkami. První je rekuperační
jednotka, tvořená dvěma antiparalelně spojenými můstky. Toto uspořádání umožňuje měniči
pracovat ve všech čtyřech kvadrantech pracovního
diagramu. Měnič je provozován bez okruhových
proudů a obsahuje logiku, která vždy blokuje
jeden usměrňovačový můstek, zatímco druhý
pracuje. Pro usměrnění budicího proudu je měnič
vybaven dalším můstkovým usměrňovačem,
tentokrát polořízeným.
Důležitou součástí měniče je parametrizační
jednotka. Ta umožňuje nastavit několik set
různých parametrů. Měnič je primárně určen pro
napájení stejnosměrných pohonů a pro tyto
aplikace nabízí řadu nadstandardních funkcí.
Jednou z nich je omezení proudu kotvy motoru
v závislosti na otáčkách. Tato funkce je zvláště
výhodná v režimu, kdy je motor odbuzován a
pracuje při otáčkách vyšších než jsou jmenovité.
Parametrizací se nastaví hodnota otáček, od které
se proud kotvy začne hyperbolicky snižovat a
ochrání tím komutátor a kartáče motoru před
poškozením.
Pro různé režimy zrychlování, zpomalování
či např. velmi pomalého pojezdu slouží generátor
rampy.
Měnič nabízí celou řadu ochran, např.
ochranu proti přetížení, derivační ochranu dv/dt,
SCR ochranu polovodičových pojistek nebo
ochranu proti ztrátě proudu v budicím obvodu,
Obr.1: Rozvaděč s měničem
která zabraňuje úplnému odbuzení motoru a
následnému extrémnímu nárůstu otáček. Za zmínku ještě stojí senzor kontrolující teplotu
polovodičových prvků či ochrana proti tepelnému přetížení (I2t monitoring).
Mým úkolem bylo nastudovat si podrobně dokumentaci výrobce, dle specifikace
nakoupit další komponenty, navrhnout a vytvořit rozvaděčovou konstrukci, komponenty do ní
umístit a provést kabeláž. Následně pak měnič parametrizovat a uvést do provozu.V poslední
fázi došlo k měření elektrických veličin na stejnosměrné straně a jejich zhodnocení.
Měnič bude napájet soustrojí stejnosměrný motor – synchronní generátor a bude sloužit
pro výuku v laboratořích. Snahou bylo vytvořit rozvaděčový modul v kompaktní podobě, aby
tak mohl být do budoucna využíván i v dalších aplikacích. Díky spoustě vizualizačních
parametrů může být využit jako praktická ukázka pro doplnění teorie z elektrických strojů a
výkonové elektroniky.
8
Návrh rozvaděče měniče Simoreg 6RA70 na 210A
Karel Budín - ELE 3
Cílem mé práce bylo zkonstruovat rozvaděčovou konstrukci, zapojit silové obvody na
střídavé straně a oživit měnič Simoreg 6RA70.
Měnič Simoreg 6RA70 patří do řady mikroprocesorem řízených usměrňovačů DC
Master od společnosti Siemens. Slouží k přesnému řízení otáček stejnosměrných pohonů.
Obsahuje dva výkonové polovodičové obvody. První je tvořen dvěma antiparalelně
zapojenými, plně řízenými můstky, to umožňuje práci i ve čtvrtém kvadrantu tzn. rekuperaci
energie zpět do sítě. Druhý můstek je polořízený, s menší výkonovou kapacitou a slouží pro
napájení buzení řízeného stroje.
Díky mikroprocesorové jednotce a digitálnímu řízení je měnič vybaven nepřeberným
množstvím funkcí pro řízení a ochranu připojeného pohonu. Za zmínku stojí kontrola oteplení
motoru nejen přímým připojením termočlánku, ale i výpočtem pomocí funkce I2t. Dále pak
omezení kotevního proudu při vysokých otáčkách a tím omezení jiskření na komutátoru,
speciální funkce pro jízdu pomalou rychlostí a diagnostika přetížení nebo nesprávného
používání celého zařízení. Díky polořízenému můstku buzení je samozřejmostí i funkce
odbuzování.
Tyto řízené usměrňovače se používají při rekonstrukcích provozů se stejnosměrnými
motory, nebo v provozech s požadavkem na přesné řízení otáček pohonu, kde by frekvenční
měnič s asynchronním motorem nevyhovoval požadavkům.
V našem případě jsem konstruoval kompaktní rozvaděč, který bude zabudován
v laboratoři elektrických strojů katedry elektromechaniky a výkonové elektroniky ZČU Plzeň.
Zde bude napájet soustrojí stejnosměrný motor – synchronní generátor o výkonu 55 kW.
obr. 1: měnič
obr. 2: elektronika měniče
obr. 3: rozvaděč
Oživení bylo provedeno z bezpečnostních důvodů nejprve do náhradní zátěže
z „měkkého“ zdroje. Po telefonické konzultaci s technikem společnosti Siemens se podařilo
měnič do této zátěže oživit a odzkoušet. V současné době probíhají zkušební připojení měniče
na motor a zkoušky na tomto připojení.
9
Algoritmy vektorové PWM
Bc. Zdeněk Čepický - PE 2
lektor: Ing. Tomáš Glasberger - KEV
Jedním z možných způsobů řízení napěťových trojfázových střídačů je i pulzní šířková
modulace založená na zobrazování veličin v prostoru střídavého elektrického stroje –
tzv. vektorová PWM (SVPWM). Princip spočívá v řízení vektoru statorového napětí
v prostoru střídavého elektrického stroje. Pomocí osmi stavů střídače (skutečných vektorů)
je možné nasimulovat pohyb vektoru po trajektorii blížící se kružnici, tedy stavu kdy jsou
napájecí veličiny motoru harmonické.
Asynchronní SVPWM pracuje s konstantním spínacím kmitočtem střídače. Počet
fiktivních poloh, pro pohyb prostorového vektoru, je v závislosti na výstupní frekvenci
proměnný. V oblasti nízkého, neceločíselného počtu poloh je asynchronní modulace
nepoužitelná. Ve spektrech výstupních veličin se vlivem nesymetrií objevují liché, sudé vyšší
harmonické a meziharmonické. Výjimkou nejsou ani subharmonické. Naopak synchronní
SVPWM udržuje tento počet poloh konstantní (celočíselný). Tím lze nesymetriím zabránit –
nepříjemné vyšší harmonické eliminovat. Proměnná spínací frekvence však neumožňuje
použití synchronní SVPWM v oblasti nízkých výstupních frekvencí.
počet poloh =
spínací frekvence
výstupní frekvence
⎛
f
⎜⎜ n = PWM
fs
⎝
⎞
⎟⎟
⎠
Tato práce řeší teoretický rozbor, návrh, simulaci a analýzu vybraných algoritmů
vektorové PWM obou uvedených typů. Z jejich vlastností pak vyplývá použití vektorové
PWM pro pohony velkých výkonů – asynchronní SVPWM pro oblast nízkých otáček
a několik synchronních SVPWM pro oblast otáček vysokých. SVPWM pro pohony velkých
výkonů je v práci věnována zvláštní pozornost. Problematické jsou přechodové jevy spojené
s přepínáním mezi jednotlivými modulacemi. Práce obsahuje jak jejich analýzu, navržené
a simulacemi ověřené řešení tak i jejich reálné ověření.
Pro implementaci simulovaných vybraných algoritmů SVPWM byl zvolen digitální
signálový procesor TMS320F2812 firmy Texas Instruments. Tímto byl řízen laboratorní
pohon s asynchronním motorem o výkonu 4,5 kW. Při simulacích i při této reálné aplikaci
vektorové PWM byly ověřeny algoritmy skalárního řízení pohonu (U/f = konst.).
Průběhy veličin reálného
pohonu s ASM 4,5 kW
(sdružené a fázové napětí,
fázový proud)
řešený přechod SVPWM
z asynchronní (fPWM = 800 Hz)
na synchronní (n = 12)
při fs = 50 Hz
Hlavní přínosy práce:
• Teoretický rozbor SVPWM a jejích vybraných typů (asynchronní a synchronní typ)
• Návrh, simulace a analýza vybraných algoritmů vektorové PWM
• Návrh řešení, simulace a analýza vektorové PWM pro pohony velkých výkonů
• Implementace simulovaných algoritmů pomocí DSP, ověření na reálném pohonu
10
Implementace algoritmu řízení tyristorového usměrňovače do mikropočítače
Tomáš Košan - AEL 5
lektor: Ing. Jan Molnár, Ph.D. - KEV
Tato práce a realizované zařízení vzniklo pro potřeby katedry KEV a tomu byla
uzpůsobeno i finální provedení, které sestává z jednotlivých funkčních modulů. Moduly jsou
umístěny na podkladové sololitové desce. Zařízení TDU (Thyristor Driving Unit) má za úkol
řídit spínání tyristorů třífázového šestipulzního usměrňovače.
Problém řízení tyristorového usměrňovače spočívá v generování pulzů pro zapínání
tyristorů, ty musí být vhodné pro přenos používanými budiči. Budiče jsou většinou
realizovány jako impulzní transformátorky na hrníčkových případně toroidních jádrech.
Řídící algoritmus umožňuje dvojí typ těchto pulzů a to sérii krátkých pulzů generovaných po
celou dobu kdy má příslušný prvek vést proud nebo jeden krátký pulz na začátku doby
vodivosti.
Pulzy pro tyristory generuje řídící algoritmus, který zajišťuje synchronizaci s fázovým
napětím fáze L1, přepínání kombinací tyristorů pro jednotlivé úseky a filtrování nesprávných
synchronizačních pulzů. Algoritmus řízení využívá hardware použitého mikropočítače
ATmega16, konkrétně Timer/Counter1 a dvě přerušení. TIMER 1 CAPT slouží pro
synchronizaci a TIMER 1 COMPA pro přepínání pulzů na výstupu. Průběh výstupních pulzů
je pak řízen pomocí časovače Timer2 v režimu, kdy na OC2 pinu generuje PWM pulzy. Ty
slouží k vytvarování pulzů pro tyristory pomocí budiče 74LS541.
Nejpodstatnější pro správnou funkci TDU je správná a spolehlivá synchronizace. To lze
zajistit hardwarově (nějakým filtrem) nebo v našem případě softwarově. Pokud synchronizace
selže, tyristory budou spínány v nevhodné okamžiky. Je možné se dostat i do oblasti
invertorového zkratu (pokud máme zátěž s vnitřním napětím). V algoritmu řízení je
zabudována kontrola synchronizačních pulzů. Princip je jednoduchý, při každém příchodu
synchronizačního pulzu kontrolujeme za jakou dobu přišel po předchozím. Rozestup mezi
synchronizačními pulzy by měl odpovídat 20 ms, resp. frekvenci vstupní sinusoidy fáze L1.
Kritické místo, kde vznikají falešné synchronizační pulzy je oblast přechodu sinusoidy fáze
L1 z kladné do záporné půlvny. Trefí-li se do toho časového okamžiku komutace tyristorů je
téměř jisté, že detektory průchodu nulou vygenerují falešný impulz. Ten však bude následovat
přibližně 10 ms po předchozím. Algoritmus to vyhodnotí a synchronizační pulz je ignorován.
Druhým možným chybovým stavem je naopak chybějící synchronizační pulz. Algoritmus je
navržen tak, že několik chybějících impulzů nezpůsobí chybnou funkci. Více chybějících
impulzů v řadě způsobí vypnutí budících pulzů a reinicializaci TDU, protože s každým
chybějícím synchronizačním impulzem jsme více mimo synchronizaci a zvětšuje se
pravděpodobnost sepnutí tyristorů v nevhodný okamžik.
Řídící jednotka dále měří střední hodnoty výstupního napětí a proudu usměrňovače,
které zobrazuje na displeji. Algoritmus měření je celkem jednoduchý, nasčítáváme jednotlivé
vzorky a po dosažení určitého počtu spočteme střední resp. průměrnou hodnotu a tu
zobrazíme. Obsahuje také jednoduchou nastavitelnou proudovou pojistku. Překročení
nastavené hodnoty proudu vypne pulzy pro tyristory a upozorní obsluhu.
Komunikaci s obsluhou zajišťuje LCD displej 2×16 znaků a klávesnice s osmi tlačítky.
Pomocí tlačítek lze nastavovat řídící úhel či poměrnou hodnotu výstupního napětí. TDU má
také analogový řídící vstup s rozsahem 0÷10 V. Pokud je aktivní proporcionálně ovlivňuje
obsluhou zvolený řídící parametr. Součástí zařízení je také USB komunikační rozhraní. Po
připojení k PC a instalaci ovladačů je TDU dostupná jako sériový port. Jednoduchým
protokolem ji lze ovládat a načítat naměřené hodnoty. Pro demonstraci možností protokolu
byla vytvořena ovládací aplikace pyTDU naprogramovaná v jazyce Python.
11
Příprava a vypracování projektové dokumentace MVE
Bc. Martin Sirový - EE 2
lektor: doc. Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Práce řeší komplexně problematiku návrhu elektrotechnické části MVE Husinec
se zřetelem na současné trendy v oblasti projektování, automatizovaného řízení a regulace.
Cílem práce bylo zhotovení kompletního projektu inovace stávající MVE spočívající
ve vytvoření jednak projektové dokumentace MVE s rozšířením o druhou turbínu, jednak
ve vytvoření nového modulárního a univerzálně aplikovatelného řídicího systému pro MVE
s jednou nebo dvěma turbínami.
Projektová dokumentace byla zpracována s využitím databázově orientovaného
projekčního softwaru. Díky tomu bylo možné vytvořit vyčerpávající dokumentaci obsahující
kromě obvodových schémat i reálnou podobu uspořádání rozvaděče, dokumentaci vnějších
spojů rozvaděče a detailní rozpisy materiálu včetně aktuálních cen vytvořené na míru dle
účelu pro investora a pro montážní firmu.
Východiskem pro návrh silnoproudé části MVE byl stávající projekt MVE s jednou
turbínou. V návrhu silnoproudé části je řešeno připojení hlavního rozvaděče MVE a následné
připojení hydrogenerátorů HG1, HG2, pohony lopatek rozváděcího věnce, pohon česlí
a napájení řídící technologie. Dimenzování a jištění bylo ověřeno programem Sichr firmy
OEZ.
V návrhu řídicího systému pro MVE navazuji na svou bakalářskou práci, ve které jsem
řešil stávající řídicí systém MVE pomocí OPLC. Výsledný řídicí systém umožňuje plně
automatizovaný provoz MVE bez nutnosti obsluhy. MVE je možné řídit místně v ručním
a automatickém režimu případně, ji lze ovládat v plném rozsahu dálkově přes síť GSM.
ŘS je navržen s ohledem na univerzální nasazení na MVE s jednou nebo dvěma turbínami.
Z dílčích řešení je v současné
Obr. 1 – Zobrazení optimálních regulačních
době na MVE unikátní koncepce
stavů ve 3D grafu pro
skupinového regulátoru turbín.
Regulátor zvyšuje kvalitu regulace
a zlepšuje tak ekonomiku provozu
MVE.
Princip spočívá v přesné
adaptaci regulace na dané turbíny.
Při uvádění MVE do provozu
systém
automaticky
naměří
konkrétní charakteristiky účinnosti
na průtoku pro jednotlivé turbíny.
Ty jsou vloženy do scriptu
v softwaru Matlab, který provede
výpočet, jehož výsledkem jsou
optimální
provozní
diagramy
v závislosti na průtoku MVE pro
jednotlivé turbíny. Dílčí výsledek
Průtok Turbínou HG2 - Q2 [m /s]
Průtok Turbínou HG1 - Q1 [m /s]
skriptu viz Obr. 1.
Přínosem práce je komplexnost zpracovaného řešení, kde byla zpracována problematika
z odlišných elektrotechnických oborů v jeden celek a především pak praktická povaha práce,
jelikož byla řešena reálná MVE, na které budou výsledky aplikovány.
Práce byla řešena ve spolupráci s projekční kanceláří EpS. MVE Husinec bude dle
projektu uvedena do provozu v 10/2008.
85
88
x 10
80
75
x 10
65
3
Elektrický výkon MVE - P [kW]
2.5
70
4
60
2.5
2
2
1.5
1.5
55
1
50
45
0.5
40
15
0
1
35
0.2
30
0.18
25
10
0.16
0.8
20
0.14
0.7
0.12
0.1
0.6
5
0.5
0.08
0.4
0.06
0.04
0.3
1
0.2
0.02
3
12
0.1
0
0
3
0.5
4
Řídící obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A
Jiří Srb - KOE 3
Regulovatelný čtyřkvadrantový měnič Simoreg
6RA70 od firmy Siemens je plně přizpůsobitelný pro
mnoho aplikací, ale jeho hlavním úkolem je napájení
stejnosměrných motorů. V našem případě se napájí
soustrojí složené ze stejnosměrného motoru a
synchronního generátoru. Soustrojí se nachází
v laboratoři
na
Katedře
elektromechaniky
a
elektroniky, kde bylo do současné doby napájeno pouze
dynamem, které ovšem nedosahovalo plného
výkonového zatížení soustrojí. V zapojení s měničem je
nedostatek výkonu pro soustrojí potlačen, protože
měnič dosahuje vyšších i lépe regulovatelných výkonů
s potřebnou dynamikou. Měnič je zhotoven na
samonosné konstrukci a tím je i relativně mobilním
zařízením, a proto se může použít i při různých
měřeních a úlohách mimo laboratoř. Nyní je uložen a
zapojen mezi dvěma ovládacími panely pro potřebu
výuky, kde bude zastávat funkci moderního pohonu
v praxi, který lze ovládat za pomocí PC. Další využití
měniče se nachází ve vědeckých projektech a pracích
fakulty.
Cílem této studentské práce bylo navrhnout a
zkonstruovat zařízení, které bude obdobné jako
průmyslový rozvaděč. Zároveň bylo třeba klást důraz
na kvalitu, jelikož se předpokládá dlouhodobé využití
přístroje. Na měniči bylo provedeno nastavení řídících
a omezovacích obvodů za pomoci parametrů jednotky
pro stejnosměrný stroj 440V/141A. Měnič byl
odzkoušen, oživen do náhradní zátěže a na závěr
uveden do provozu se skutečným již zmíněným ss
strojem. Navíc měnič je možné do budoucna jednoduše
rozšířit o příslušenství, ať už v podobě zásuvných
modulů nebo jiných vylepšení, aniž bychom po
připojení museli dále zasahovat do konstrukce.
13
Nové řízení trakčního pulzního usměrňovače: hybridní delta modulace
Bc. Martin Zeman - PE 2
lektor: doc. Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV
Práce se zabývá návrhem algoritmů řízení a regulace pro jednofázový napěťový pulzní
usměrňovač (dále jen NPU) určený pro trakční aplikace. Při vývoji jsme vycházeli ze třech
možných variant regulace trakčního NPU. Jmenovitě se jedná o řízení založené na regulaci
úhlu ε, dvouhodnotové řízení a nově vyvinuté „hybridní delta modulované řízení“. Funkce
jednotlivých navrhovaných řízení byly ověřeny a porovnány pomocí simulací v programu
MATLAB.
Řízení založené na regulaci úhlu ε je jednou ze základních možností řízení NPU. Jeho
hlavní výhodou je konstantní spínací frekvence měniče. Mezi jeho nevýhody patří nemožnost
přímé regulace odebíraného síťového proudu a problematická realizace účiníku cosφ =1.
Druhou základní možností řízení je dvouhodnotové řízení NPU, jehož hlavní vlastnosti
jsou přesným opakem vlastností řízení založeného na regulaci úhlu ε. Umožňuje přímou
regulaci odebíraného síťového proudu, realizace účiníku cosφ = 1 je bezproblémová, ale
spínací frekvence měniče není konstantní.
„Hybridní delta modulované řízení NPU“ kombinuje kladné vlastnosti obou výše
zmiňovaných řízení. Jedná se tedy o řízení s vlastnostmi dvouhodnotového řízení při zajištění
konstantní spínací frekvence měniče. Za předpokladu harmonického průběhu síťového napětí
a znalosti parametrů výkonového obvodu bylo dosaženo vynikajících simulačních výsledků.
Pokud se podaří získané výsledky úspěšně ověřit na laboratorním prototypu NPU, je navržené
řízení velmi perspektivní pro náročné trakční aplikace.
Hlavní přínos práce:
• Sestavení simulačního modelu jednofázového NPU.
• Analýza možných algoritmů řízení a regulace NPU.
• Návrh optimální varianty řízení NPU spojující výhody dvou základních řídících
algoritmů – „hybridní delta modulované řízení NPU“.
• Sestavení podkladů pro programátora.
Ukázka průběhů z řízení NPU pomocí „hybridního delta modulovaného řízení“
14
Ovládací obvody měniče SIMOREG 6RA70 na 210A
Štefan Žurek - KOE 3
Lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Tato studentská práce popisuje návrh a
konstrukci čtyřkvadrantového usměrňovače
Simoreg 6RA70 od firmy Siemens. Celé
zařízení
je
určeno
pro
napájení
stejnosměrného stroje s ohledem na moderní
trendy řízení elektrických pohonů. Tato práce
je zaměřena na umožnění plného využití a
řízení soustrojí složeného ze zmiňovaného
stejnosměrného stroje a synchronního
generátoru. Dříve bylo pro napájení soustrojí
využíváno
dynamo
s asynchronním
generátorem, jednalo se o tzv. WardLeonardovo soustrojí.
Kompletní usměrňovač je složen
z ocelového rámu, ve kterém je zaimplementován, vlastního měnič včetně všech
přístrojových součástí. Měnič lze řídit a
nastavovat jak přes ovládací prvky na čelním
panelu, tak za pomoci PC. Konstrukce s
měničem byla navrhnuta jako samostatná
jednotka, tudíž není vázána na další zařízení,
bez nichž by nebyl provoz možný. Toto řešení
přineslo další výhodu v jeho mobilitě, je tedy
možné celé zařízení využívat i ve větším
spektru úloh, měření a dalších pracích, než pro
kterou je primárně určený. Měnič však může
být dále rozšířen i o zásuvné moduly, čímž se
zvětšují další možnosti jeho využití. Během
oživování celého zařízení byly provedeny
zkoušky při napájení náhradní zátěže a
následně i skutečné zátěže, tj. do
stejnosměrného motoru.
Zvolená konstrukce s modulem se
představila jako velice efektivní s ohledem na
různorodost možností praktických využití
v laboratoři i mimo ni. Modul je vhodný pro
napájení stejnosměrného stroje, např. pro
fázování synchronního generátoru na síť,
zatěžování generátoru na síti apod. S tímto
zařízením
mohou
studenti
pracovat
samostatně, jeho ovládání je jednoduché,
navíc je modul vybaven několika ochranami,
proto odpadají vážnější poruchy na zařízení.
15
16
Sekce Elektronika
složení komise
předseda
doc. Ing. Milan Štork, CSc.
členové
Ing. Václav Koucký, CSc.
Ing. Martin Poupa, Ph.D.
Ing. Ivo Veřtát
17
Bezdrátový přenos dat
Bc. Tomáš Benedikt - EI 2
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Bezdrátový přenos dat je nedílnou součástí současných komunikačních systémů a hraje
zde poměrně důležitou roli. Mezi asi nejznámější způsoby bezdrátových přenosů dat patří
přenosy na základě komunikačních standardů Wifi, Bluetooth a ZigBee pracující
v kmitočtovém pásmu 2,4 GHz. Vedle tohoto pásma existují další pásma, jejichž podmínky
využívání stanovuje všeobecné oprávnění č. VO-R/10/03.2007-4. Úkolem této práce bylo
prozkoumat možnosti přenosu dat v těchto kmitočtových pásmech a navrhnout poloduplexní
datový kanál a ověřit jeho vlastnosti z hlediska dosahu a rychlosti přenosu.
V dnešní době působí na trhu s bezdrátovými technologiemi řada výrobců a dodavatelů,
kteří nabízí širokou škálu modulů pro bezdrátový přenos dat. Tyto moduly se dají rozdělit do
tří skupin: Receivery (přijímače), transmitery (vysílače) a transceivery (v jednom modulu
sdružují vysílač, přijímač a anténní přepínač). Jelikož se tato práce zaměřuje na poloduplexní
přenos, největší pozornost je věnována transceiverům, které jsou pro tento druh přenosu
velice vhodné (pro vytvoření poloduplexního kanálu postačí dva transceivery).
Datový spoj na straně přijímače produkuje nejméně chyb při rozpoznávání jednotlivých
bitů, když přijímá data, která mají průměrný poměr nul a jedniček přibližně stejný. Řetězec
znaků s hodnotami FFh nebo 00h je velmi nesymetrický a může způsobit velkou chybovost
při přenosu na velké vzdálenosti a v místech slabého signálu.. Při vyšších rychlostech je pak
nutnost používat pouze kódy s absolutně stejným poměrem nul a jedniček. Jedním z bodů této
práce jsou nejčastěji používané metody kódování.
Pro účely testování byl navržen testovací obvod s moduly MHF-TR, jehož zapojení je
velice jednoduché. Data vysílaná z počítače přes sériové rozhraní RS232 mají napěťové
úrovně ± 15 V. Použité moduly MHF-TR pracují s úrovněmi TTL, proto je použit obvod
MAX232, který provede konverzi úrovní RS232/TTL. Konvertovaný signál TxD
(transmission data = vysílaná data) je přiveden na pin DRx a signál RxD (receive data =
přijatá data) je přiveden z pinu DTx. Pin ENABLE je pro účely testování připojen trvale na
napájecí napětí a pin CONFIG je uzemněn, to znamená že modul pracuje v komunikačním
módu.
Na straně přijímače je podobné zapojení, jenom k příjmu a vysílání dat je zde použit
mikrokontrolér Atmega 8515, který je stejně jako modul MHF-TR vybaven rozhraním
UART, na jehož piny jsou přivedeny datové signály. Funkce mikrokontroléru je velice
jednoduchá. Jeho úkolem je zpracovat přijatá data a poslat je zpět do počítače. Jedná se tedy o
poloduplexní provoz. Další funkcí mikrokontroléru je vysílání testovacích paketů na stisknutí
tlačítka. Při sepnutí spínače se vyvolá externí přerušení a mikrokontrolér vyšle testovací paket
o délce 8 byte. V reálném aplikaci by mohl mikrokontrolér sloužit ke sběru nejrůznějších dat
např. měření teploty, tlaku nebo vlhkosti vzduchu a na vyžádání tato data posílat do
vzdáleného počítače, kde by mohla sloužit např. k vedení různých statistik nebo k řídícím
účelům.
18
Implementace převodníku z LPC na ISA pomocí jazyka VHDL
Josef Bouzek - EI 2
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
Vývoj průmyslových zařízení je finančně nákladný a časově náročný. Proto není
výjimkou dlouhá doba jejich používání. Technologie, kterou zařízení používají, se tak může
postupem času stát zastaralou, zvláště v oboru elektronika. Tato situace nastala i u sběrnice
ISA. Ta byla z důvodů velkého počtu signálů a nízké přenosové rychlosti nahrazena sběrnicí
LPC. Pro průmyslové aplikace tak vznikla mezera, která se musí nějakým způsobem vyplnit.
Cílem mé práce bylo tedy napsat syntetizovatelný kód převodníku z LPC na ISA pro
programovatelný logický obvod firmy Altera. V současné době můžeme na trhu pořídit
integrované převodníky LPC na ISA od firem Winbond nebo Fintek. Katalogové listy těchto
obvodů se staly odrazovým můstkem pro mou realizaci. Systém jsem realizoval pomocí
několika stavových automatů a skupinou registrů. Nejdůležitější částí je stavový automat na
straně LPC. Sleduje totiž veškeré přenosy na LPC a v případě potřeby spouští přenosy na
sběrnici ISA nebo zapisuje či čte z registrů. Vlastnosti registrů (jejich adresy a funkci) jsem
nastavil podle katalogového listu převodníku firmy Fintek.
Před testováním v hardwaru jsem realizaci nejprve otestoval simulací (funkční
i časovou po syntéze) v programu ModelSim. Pro zjednodušení simulace jsem napsal
testbench, který obsahuje několik procedur. Jedna skupina procedur generuje stimuly, které
odpovídají přenosům na sběrnici LPC. Druhá skupina sleduje dění na sběrnici ISA – hlásí
počet čekacích taktů nebo kontroluje aktivitu některých signálů. Zkoumal jsem chování
převodníku od firmy Fintek pomocí logického analyzátoru. Výsledky simulace jsem porovnal
s naměřenými průběhy. Všechny zaznamenané průběhy se shodovaly se simulací.
Pro test v hardwaru jsem zvolil obvod MAX II EPM1270F256C5ES. Byl osazen na
vývojovém kitu, který jsem měl k dispozici. Výsledky syntézy kódu definují maximální
kmitočet 45 MHz, což převyšuje požadovaný kmitočet zhruba o 30 %. V obvodu zbývá
30% LE pro další případné budoucí úpravy a rozšíření. Pro testování bylo nutné navrhnout
desku plošných spojů pro propojení vývojového kitu, zařízení ISA a sběrnice LPC (Obr. 1).
Realizace podporuje 8-bitové IO, DMA a paměťové přenosy. Vzhledem k tomu, že
žádosti o DMA přenos jsou na sběrnici ISA přenášeny paralelně bylo nutné je pro sběrnici
LPC serializovat. Stejná situace nastala i s přerušením. Bohužel se nepodařilo implementovat
16-bitové přenosy, ale vzhledem k možnosti přeprogramování logického obvodu se může
podpora těchto přenosů kdykoliv doplnit. Pomocí systému registrů lze nastavit kmitočet
sběrnice ISA – je odvozen dělením hodinového signálu sběrnice LPC buď třemi nebo čtyřmi.
Pomocí adresových registrů lze adresovat čtyři různé prostory pro zařízení připojené na
sběrnici ISA.
Obr.1: Navržená deska se zasunutým vývojovým kitem
19
Vstupní analogové rozhraní pro RFID čtečku
Bc. Karel Čermák - EI 2
lektor: doc. dr. Ing. Vjačeslav Georgiev - KAE
Firma EC-elektronik potřebovala vyrobit RFID čtečku Mifare(r) Standard karet, která
by byla následně implementována do jejich stávajících terminálů identifikačních karet. Na
trhu je množství univerzálních modulů RFID čteček, ale jejich cena není příliš příznivá, popř.
jsou nedostupné. Proto bylo snahou vytvořit samostatný modul čtečky těchto karet, který by
dokázal z přiložené Mifare karty zjistit její unikátní identifikační číslo (UID).
Pro realizaci čtečky jsem nejprve shrnul obvody několika známých výrobců RFID
obvodů a následně vybral obvod pro realizaci vstupně-výstupního analogového rozhraní (AF).
Díky dobré dostupnosti a dlouholeté zkušenosti s obvody EM Microelectronic jsem vybral
obvod EM4094, který je univerzálním analogovým rozhraním pro 13,56 MHz RFID čtečky.
Před samotnou realizací bylo nutné prostudovat normu ISO/IEC14443, ve které jsou
definovány signály, příkazy a vůbec celá komunikace s bezkontaktními kartami s vazbou na
blízko. Karta komunikuje se čtečkou v tzv. modulovaném Manchester kódování, čtečka s
kartou komunikuje v tzv. modifikovaném Millerově kódování. Komunikace probíhá tak, že
čtečka opakovaně vysílá příkaz REQA a čeká na odpověď nějaké karty v mg. poli čtečky.
Pokud je nějaká karta přítomná, odpoví čtečce příkazem ATQA. Čtečka pak vyšle sérii
příkazů, díky kterým pošle karta své unikátní identifikační číslo (UID).
Obr. 1: Blokové schéma RFID čtečky.
Blokové schéma RFID čtečky je na obr. 1. K realizaci jsem použil pouze 2 integrované
obvody a několik pasivních součástek. Nejdůležitějším obvodem je AF (EM4094), který je
taktován externím krystalem 13,56 MHz. K němu je připojen laděný obvod s anténou na
plošném spoji, který jsem navrhl. Zpracování signálů, indikaci a komunikaci s AF a okolím
zajišťuje mikroprocesor. Pro realizaci prototypu jsem použil Atmel Atmega128. Nakonec
jsem do něj napsal a odladil základní program (firmware) pro realizovanou čtečku.
Výsledkem práce jsou dva funkční prototypy, jeden s displejem a druhý bez něj.
Funkčnost jsem ověřil na zapůjčené RFID čtečce. Čtečka bude nyní implementována do
nového identifikačního systému a otestována v praxi.
20
Jednotka pro monitorovací systém fotovoltaické elektrárny
Roman Dejmek - EI 2
Uvažujeme-li fotovoltaický panel pro konstrukci elektrárny, který dodává výkon (100200) Wp, tak počet těchto panelů pro instalovaný výkon elektrárny může narůst až na stovky
kusů, ba i více v případě elektrárny výkonu MW. Vyskytne-li se pak porucha na jednom či
více panelech, vzniká problém lokalizace této poruchy a také určení její příčiny a doby
vzniku.
Pro účely monitorování ve fotovoltaické elektrárně na úrovni fotovoltaických panelů
byl vypracován návrh, který umožňuje sběr dat z jednotlivých panelů. Ten se skládá
z fotovoltaické jednotky, která provádí měření na panelu, a monitorovací jednotky, která
zajišťuje sběr naměřených hodnot jednotlivých panelů. Obě tyto jednotky je možné
provozovat na navrhnutém vývojovém kitu, který slouží k vývoji a ladění monitorovacího
systému elektrárny vyvíjené společností ILV s.r.o.
Obvod kitu je rozdělen na analogovou část, jež umožňuje měření proudů v řetězcích
fotovoltaického panelu, který je koncipován jako systém 3 paralelně řazených subpanelů
(řetězců) společně s měřením výstupního napětí panelu. Dále je možné jednotlivé části panelu
odpojit od sítě. Napájení jednotky 3.3V je zajištěno fotovoltaický panelem. V digitální části
jsou především obvody pro vzájemnou komunikaci jednotek společně s mikrokontrolérem
C8051F340 pro řízení jednotky. Komunikace jednotek může probíhat buď sběrnicově
v podobě standardu RS485, nebo bezdrátově v pásmu 868 MHz. Na straně bezdrátové
komunikace je použit modul PAN2355, což je kompletní rádiový transeiver, jehož jádrem je
obvod CC1101. Modul komunikuje s mikrokontrolérem po SPI rozhraní. Na straně
sběrnicové komunikace je jednotka opatřena transeiverem MAX487CSA společně s optickým
oddělením HCPL-260L, jenž galvanicky odděluje komunikační sběrnici od jednotky, která je
na potenciálu fotovoltaického panelu. V pozici monitorovací jednotky je vyvedeno rozhraní
RS232 pro navázání komunikace se ZigBee modulem, jenž by měl navazovat komunikaci ve
vyšší monitorovací vrstvě. Pro monitoring panelů byl zároveň navrhnut protokol pro
vzájemnou komunikaci jednotek, jenž umožňuje adresaci panelů podle topologie jejich
propojení a zasílaní zpráv na adresu konkrétního panelu nebo skupině panelů. Zpráva
(příkaz/odpověď) je zabalena do monitorovacího paketu, ke kterému je připojena jeho
hlavička. Ten je poté sestaven do podoby vysílacího paketu pro konkrétní komunikační
rozhraní.
Obr. 1. - Monitorovací okruh fotovoltaických panelů
21
3D akcelerometry a jejich využití
Ladislav Dreisig - EI 2
lektor: Ing. Petr Weissar, Ph.D. - KAE
Snaha zlepšit funkci pohybujících se zařízení vede stále k většímu nasazení prostředků,
kterými tato zařízení s okolním prostředím komunikují. Jedním z hlavních předpokladů pro
správnou činnost řídicích systémů je zjišťování relevantních údajů pomocí čidel a senzorů.
Každý řídící systém potřebuje jiné informace a tím i jiné senzory.
V práci se věnuji principu akcelerometrů a jejich využití včetně názorné aplikace
kapacitních tříosých akcelerometrů. Akcelerometry jsou senzory citlivé na zrychlení tělesa.
Zrychlení je výsledkem působení sil na těleso, včetně síly gravitační a sil zdánlivých.
V blízkosti zemského povrchu na všechny hmotné částice působí gravitační síla. Pomocí
soustavy akcelerometrů, které jsou citlivé na tuto sílu, je možné analýzou směru působení
gravitační síly, částečně určit orientaci objektu v prostoru.
Základní dnes používané principy akcelerometrů jsou piezoelektrické, elektrorezistivní,
tepelné a kapacitní. Právě poslední tři zmíněné jsou v současné době, kdy jsou konstrukce a
výrobní metody mnohem pokročilejší nejvíce používané. Hlavní dělení akcelerometrů je
podle užití v prostoru a měřícího rozsahu. Pro zkoumání a zjištění základních funkcí
akcelerometrů je pozornost věnovaná hlavně kapacitním tříosým akcelerometrům. Tak
můžeme pozorovat chování objektů v prostoru, tedy působení sil ve všech směrech.
Hlavním problémem je volba vhodného akcelerometru. Kritérií je mnoho. Mezi
základní patří množství měřených směrů zrychlení, maximální přetížení, citlivost a
komunikace s nadřazeným (řídícím) systémem. S řídícím systémem lze komunikovat pomocí
digitálního nebo analogového výstupu. U analogového je výstupem PWM signál nebo napětí,
které po filtraci převedeme AD převodníkem. Tak získáme číslicovou hodnotu napětí. U
digitálních je výstupem přímo změřená hodnota, která je formou komunikačního protokolu
poslána po SPI nebo I2C. Z důvodů dostupnosti pracuji jen s analogovými čidly, která ke
zkoumání a nasazení do zadaných systémů postačují.
Základem je navrhnout systém zpracovávající signál a aplikovat ho do modelů
dopravních zařízení (auta a vlaky). Z modelů se vždy dá přejít na reálné dopravní prostředky,
u kterých už můžeme předpokládat chování z měření na modelech. Další aplikace se týká
pozorování chování sportovního náčiní nebo těla sportovce. Zde nastávají problémy
s měřícími rozsahy, jelikož při některých činnostech se objevují velká a neočekávaná
přetížení.
Při návrhu měřícího systému vycházím z požadavků na malé kompaktní zařízení
s možnostmi připojit různé druhy akcelerometrů, tak aby se daly změřit jejich vlastnosti.
V zásadě se jedná o univerzální modul pro vývojové účely s různými možnostmi nastavení.
Zvolil jsem tedy sendvičovou strukturu, kdy řídící obvod je na jedné desce plošného spoje a
akcelerometr má svou samostatnou desku s možností pevného připojení k řídícímu obvodu.
Zpracování dat je navrženo takovým způsobem, aby se v krátkém časovém okamžiku získalo
co nejvíce dat pro další zpracování. Tedy je snaha o dostatečný přísun informací. Díky
velkému množství převedených hodnot můžu provést průměrování a získat tak střední
hodnotu. V celkovém pohledu dostávám plynule se měnící signál úměrný zrychlení.
Před samotným měřením je nutno provést korekce citlivostí jednotlivých os
akcelerometru pro daný rozsah. Vše je nutné z důvodů výrobcem uváděné tolerance, protože
citlivost je potřeba pro přepočet měřeného napětí na přetížení. Citlivost je uváděna v mV/g.
Nejdůležitější požadavek pro správné měření je pevné uchycení akcelerometru k měřenému
objektu. V mém případě jsem k měřenému objektu připojil celý měřící systém. V rámci
možností jsem se snažil o co nejpevnější spojení akcelerometru a měřeného objektu.
22
Funkční generátor
Bc. Petr Gondek - EI 2
lektor: Ing. Zuzana Petránková - KAE
Cílem práce je navrhnout a realizovat univerzální funkční generátor implementovaný
v obvodu FPGA, který bude schopen generovat průběhy libovolných tvarů a frekvencí.
Generátor bude připojen k PC pomocí sběrnice USB. Pro PC bude napsána aplikace, která
umožní snadné ovládání generátoru. Tím je myšleno, že bude možné snadno změnit tvar
generovaného průběhu včetně frekvence.
Pro realizaci generátoru byl vybrán obvod FPGA CYCLONE EP1C6T144C8
společnosti ALTERA. Obvod FPGA je součástí univerzálního modulu TORNADO, který
realizoval pan Jaroslav Fait v rámci diplomové práce Programovatelná logická pole v roce
2005. Modul obsahuje všechny nutné obvody pro snadnou práci s obvodem FPGA. Modul je
programovatelný přes rozhraní JTAG. Součástí modulu je i zdroj hodinového signálu
o frekvenci 24 MHz, což byl hlavní omezující parametr pro realizaci generátoru.
Generátor byl navržen na základě principu přímé digitální syntézy (DDS), který
dovoluje dosáhnout požadovaných vlastností. Bylo tedy nutné navrhnout a sestrojit obvod
s D/A převodníkem a USB rozhraní pro komunikaci s PC. D/A převodník byl zvolen paralelní
s rozlišením 12 bitů a rychlostí převodu 20.4 MSPS.
Pro popis struktury funkčního generátoru v obvodu FPGA byl použit jazyk VHDL. Pro
syntézu jsem použil volně dostupného vývojového prostředí QUARTUS II Web Edition
ve verzi 7.2. Software pro ovládání generátoru z PC byl napsán v jazyce C# pomocí MS
Visual Studio 8 Express Edition.
Obr.1 Blokové schéma struktury popsané v jazyce VHDL a vzhled aplikace pro PC
Realizovaný generátor umožňuje generovat signály s frekvencí až 1 MHz, kdy je však
již výstupní signál velmi zkreslený. Maximální frekvence výstupního signálu s plný počtem
vzorků ( 4096 ) je přibližně 5858 Hz. Frekvenci je možné nastavovat s přesností na 1 Hz. To
je dáno použitím 24 bitového akumulátoru fáze. Pro většinu aplikací je však takováto přesnost
dostačující. Tvar generovaného průběhu je zadáván pomocí binárního souboru, ve kterém
jsou uloženy 12 bitové vzorky celé periody. Vzorků musí být 4096. V rámci práce byly
vytvořeny soubory se vzorky pro průběhy tvaru sinus, trojúhelník, obdélník a pila. Generátor
byl realizován bez rekonstrukčního filtru. Realizace filtru je námětem pro další práci.
23
Univerzální modul komunikačního rozhraní
Štěpán Hamouz - DE 5
Při vývoji a testování elektroniky a integrovaných obvodů je používáno množství
různorodých periferií. Může se jednat o běžně dostupná rozhraní, jakým je například USB,
RS-232, ale i rozhraní méně rozšířená jako je např. AMBA-APB. Je vhodné mít univerzální
modul, který jednoduše umožní vzájemné propojení různých rozhraní. Na trhu jsou dostupné
jednoúčelové, ale i univerzální převodníky, které většinou umožňují propojení rozhraní USB
s RS-232, I2C, nebo GPIB. Převodníky pro rozhraní AMBA-APB jsou na trhu téměř
nedostupné. S přihlédnutím k této okolnosti, nejsou převodníky běžné dostupné na trhu
vhodné, a je žádoucí navrhnout převodník, který bude tato rozhraní obsahovat.
Cílem práce byl návrh modulu převodníku mezi rozhraními RS-232, USB a GPIB na
jedné straně a UART, I2C a AMBA-APB na straně druhé. Převodník musí umožňovat
propojení libovolného rozhraní z jedné strany na rozhraní ze strany druhé. Snahou při návrhu
modulu je dosažení nízké ceny a co největší univerzálnosti.
Sběrnice AMBA-APB je určena pro propojení vnitřních obvodů procesorů s jádrem
ARM. Jedná se o paralelní sběrnici s oddělnou sběrnicovou částí pro adresu, odchozí a
příchozí data. Pro tento modul byla požadována konfigurace s 24bit adresovou sběrnicí a
32bit sběrnicí pro odchozí data. Časování sběrnice je řízeno vzestupnou hranou hodinového
signálu.
Jádrem celé konstrukce je mikrokontrolér ATmega128, který řídí chod celého
převodníku. K mikrokontroléru jsou připojeny konfigurační přepínače, kontrolér CB7210 pro
sběrnici GPIB, indikační LED a rozhraní I2C. Součástí mikrokontroléru je rozhraní UART,
které je pomocí přepínače vytvořeného v FPGA připojeno k převodníku na USB a budičům
sběrnice RS-232 a UART. Rozhraní AMBA-APB je realizováno pomocí FPGA Xilinx řady
Spartan 3 (konkrétně obvodem XC3S400). Propojení obvodu FPGA s mikrokontrolérem je
realizováno pomocí sběrnice SPI. Pro rozhraní, která na výstupu nevyužívají standardní budič
sběrnice, byl použit převodník napěťových úrovní. Tím bylo dosaženo velkého rozsahu
vstupních napětí a zatížení. Modul byl doplněn o rozšiřující konektor, který je připojen
k obvodu FPGA. Port umožňuje rozšíření o další periferie, které budou vytvořeny v FPGA.
Na obrázku je znázorněno blokové schéma zapojení. Toto zapojení umožňuje vzájemné
propojení libovolných dvou rozhraní. Veškerá převáděná data mohou být zpracována podle
předem nastavených algoritmů pomocí kódu v mikrokontroléru. Rozhraní založená na UART
(USB, RS-232 a UART) mohou být pomocí FPGA propojena přímo.
Obr. Zjednodušené blokové schéma zapojení
24
Návrh realizace programovatelného vícekanálového zdroje
Martin Kopecký - EI 2
lektor: Ing. Radek Holota, Ph.D. - KAE
Předmětem této práce je návrh čtyřkanálového regulovatelného napájecího zdroje.
Každý kanál má být realizován samostatným modulem, aby bylo možné jej bez problému
vyměnit. Modul napájecího zdroje má být ovladatelný pomocí počítače PC, jeho výstupní
napětí má být nastavitelné v rozsahu 0÷32 V, proudové omezení v rozsahu 0÷5 A. Celý
čtyřkanálový napájecí zdroj by se měl vejít do 19" racku velikosti 1U.
Ze zadání je patrné, že výstupní výkon každého modulu je max.160W. Pro realizaci
modulu na základě lineárního stabilizátoru by musel být použit rozměrný transformátor,
výkonové součástky by bylo nutné významně chladit. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl pro
použití spínaného měniče. Vzhledem k tomu, že se jedná o síťový napájecí zdroj, je nutné
galvanicky oddělit vstup a výstup měniče. Vzhledem k výstupnímu výkonu, a velikosti
vstupního napětí jsem se rozhodl pro použití spínaného měniče topologie Half-Bridge.
Protože má být výstupní napětí nastavitelné od nuly, což je ryze nepříznivý stav pro spínaný
měnič, je modul napájecího zdroje doplněn blokem lineární postregulace.
V této práci jsem se zaměřil zejména na návrh součástek topologie Half-Bridge –
vstupní kapacitní filtr, transformátor, výstupní LC filtr. Neméně důležitou částí návrhu byl i
návrh vysokorychlostních galvanicky oddělených budičů spínacích tranzistorů MOSFET,
návrh a kompenzace zpětnovazební smyčky a návrh a programování nadřazené smyčky
s mikropočítačem komunikujícím po sériové sběrnici USB s počítačem PC.
Celý projekt jsem se snažil realizovat pomocí moderních a perspektivních technologií,
z nichž bych vyzdvihl zejména použití integrovaných planárních transformátorů ve
čtyřvrstvém plošném spoji, používal jsem nové integrované obvody a polovodičové součástky
určené pro nasazení ve spínaných napájecích zdrojích.
Rámcové schéma zapojení je uvedeno na obrázku. Základem měniče je typické zapojení
topologie Half-Bridge. Výstupní napětí spínaného měniče je snímáno chybovým zesilovačem
a porovnáváno s referenčním napětím nastaveným pomocí µC. Na základě výstupního napětí
chybového zesilovače jsou střídavě spínány tranzistory M1 a M2. Budiče těchto tranzistorů
jsou galvanicky odděleny (ISO), jejich sekundární strana je napájena z vysokého napětí. Na
výstupu je zapojen blok lineární postregulace mající za úkol nízká výstupní napětí modulu.
Tento blok obsahuje i obvody proudového omezení nastavitelného pomocí µC. Spojovacím
můstkem mezi digitální a analogovou částí je D/A převodník generující referenční napětí.
25
Ovládání a monitorování pomocí GSM
Jiří Purchart - EI 5
V dnešní době pokrývají sítě GSM (Global System for Mobile communications) většinu
obydlených území. Díky velkému rozvoji techniky a součastně klesajícím cenám za
poskytované služby mobilními operátory se mohly sítě GSM začít využívat i k jiným účelům,
než je komunikace mezi lidmi. Jedná se zejména o odvětví zabezpečení a vzdálené ovládání či
monitorování stavu objektů. Tato zařízení jsou schopna monitorovat stav zabezpečení domu,
bytu či chaty pomocí nejrůznějších typů senzorů a v případě jeho narušení vyslat varovnou
SMS. Dále se dají využít ke vzdálenému ovládání elektrospotřebičů (např. spínání kotle pro
vytápění objektu, ovládání osvětlení nebo zavlažovacího systému) a to zasláním SMS zprávy
ve stanoveném formátu. Obsahují také několik vstupů pro běžně používané senzory, mezi
které patří senzory pohybu (PIR senzory), akustické senzory rozbití skla, magnetické
kontakty, detektory kouře a hořlavých plynů, infrazávory a senzory pro měření teploty,
vlhkosti a tlaku. Tato zařízení lze také využít pro zabezpečení automobilu. S použití záložního
zdroje energie se zvyšuje ochrana proti sabotáži zařízení, jelikož má oddělené napájení od
napájení objektu a informace o narušení se šíří pomocí vysílače GSM bezdrátově prostředím.
Cílem této práce je navrhnout a zrealizovat zařízení pro hlídání stavu objektu, ovládání
připojených elektrospotřebičů a monitorování teplot, to vše s využitím SMS zpráv. Pro návrh
byl upřednostňován co největší počet vstupů a výstupů s požadovaným zapojení konektorů.
Výsledkem návrhu je zařízení, které obsahuje 8 logických vstupů pro připojení senzorů
s výstupem při poplachu v log. 0, 8 logických výstupů pro ovládání připojených
elektrospotřebičů, 8 analogovými vstupy pro měření napětí 0 až +5 V nebo teploty
analogovými senzory LM335 od firmy ST Microelectronics (citlivost 10 mV/K, teplotní
rozsah -40 až 100 °C) a minimálně 2 digitální senzory teploty DS18B20 od firmy Dallas
Semiconductors s možností rozšíření jejich počtu. Celá komunikace se senzory DS18B20
probíhá pouze po jednom datovém vodiči (sběrnice 1-Wire) a je tedy nutné použít specifické
časování. Jejich teplotní rozsah je -55 až 125 °C a přesnost ±0,5 °C. Jako mikrokontrolér byl
použit Atmel ATMega16PU a pro GSM komunikaci GSM modem Siemens MC35i, ovládaný
pomocí skupiny AT příkazů. Funkčnost zařízení byla vyzkoušena připojením desky pro
testování vstupů a výstupů s osmi tlačítky a s osmi indikačními LED diodami. Pro ověření
funkce analogových vstupů byla použita deska s pěti potenciometry pro regulaci napětí 0 až
+5 V.
Zařízení reaguje na prozvonění odesláním SMS zprávy s výpisem stavů všech logických
vstupů i výstupů, analogových teplot nebo napětí a digitálních teplot. Při příchodu SMS
zprávy vyhodnotí shodu se specifickými tvary SMS pro vzdálené ovládání. Vzdálené ovládání
je umožněno pouze uživatelům s telefonními čísly umístěnými na SIM kartě. Při ztrátě nebo
odcizení SIM karty nebo při potřebě přidat nového uživatele lze přidání na SIM kartu provést
jednoduše pomocí speciální SMS zprávy nebo samozřejmě také vyjmutím SIM karty
z modemu a uložení uživatele pomocí telefonu. Zjišťování teploty pomocí analogových či
digitálních senzorů je možné buď hromadně nebo dotazem na konkrétní senzor. Dále lze
nastavovat stavy 8 logických výstupů a zjišťovat stavy logických výstupů. Při vyvolání
alarmu některého z připojených senzorů je okamžitě uživatel informován pomocí SMS
zprávy.
Při provozu takovéhoto zařízení vznikají náklady nejenom za spotřebu elektrické
energie, ale zejména na provoz v GSM sítích operátora. Proto musí být pečlivě vybrán
operátor a vhodná předplacená karta nebo tarif s požadavkem na minimální cenu.
26
Grafická karta připojitelná k jednočipovému mikropočítači
Petr Sedláček - AEL 3
lektor: Ing. Kamil Kosturik, Ph.D. - KAE
"Grafická karta připojitelná k jednočipovému mikropočítači" (dále "VGA 2") vznikla
jako reakce na požadavek na zobrazovací zařízení, umožňující jednočipovému mikropočítači
zobrazovat výstupní data na běžném počítačovém monitoru. Je primárně určena do aplikací,
kde je nutné mít přehled současně o velkém množství údajů, tedy tam, kde již nestačí běžné
zobrazovací součástky, jako například LED a LCD displeje. Zároveň možnost vykreslovat
grafiku dává systému možnost zobrazovat například grafy, obrázky, nebo místo textového
menu menu grafické, a tak dále.
V dnešní době velmi levných osobních počítačů by bylo logické je použít pro aplikaci,
která má již takové zobrazovací nároky. VGA 2 nabízí oproti tomuto řešení hlavně menší
velikost a relativně malý příkon. Z dalších vlastností této karty lze uvést například její nízkou
cenu, snadnou dostupnost součástek a jednoduchost sestavení v případě amatérské
konstrukce, zachování jednoduchého komunikačního rozhraní pro připojení k jednočipu a
malé fyzické rozměry.
VGA 2 se připojuje k běžnému počítačovému monitoru přes analogové rozhraní VGA
(15pinový DSUB konektor) a pracuje se standardním zobrazovacím módem 640×480@75Hz.
Při použití příslušné redukce je možné připojit i monitory s rozhraním DVI-I nebo DVI-A.
Barevná hloubka karty je 6 bitů, což znamená, že každý pixel může svítit jednou ze 64 barev.
Parametry karty by se mohly zdát na dnešní dobu (rok 2008) poněkud slabé. Jsou však
plně dostačující pro většinu aplikací karty. Navíc zvětšení některého z parametrů by
neodvratně vedlo k nutnosti použít relativně nedostupné součástky a dražší technologie, jakož
i nemožnosti snadné amatérské výroby. Dá se říci, že parametry VGA 2 karty jsou těmi
nejlepšími možnými, při zachování jednoduchosti její konstrukce.
Blokové schéma VGA 2 karty
Hlavními prvky VGA 2 jsou tři CPLD firmy Xilinx XC9572XL a dvě běžné SRAM
paměti o velikosti 512k × 8. Paměti tvoří obrazovou paměť grafické karty a CPLD vykonávají
funkce potřebné pro běh karty. To je adresace paměti, dále přenos dat mezi pamětí a VGA
konektorem při vykreslování obrazu na monitor a konečně směrování dat mezi pamětí a
komunikačním portem při zpětném běhu paprsku, kdy může aplikace číst nebo měnit data
v paměti. Napěťové úrovně akceptovatelné VGA rozhraním jsou vytvořeny jednoduchým
rezistorovým D/A převodníkem. Celý systém je časován miniaturním oscilátorem Epson,
běžícím na frekvenci přibližně 32 MHz. Toto je zároveň pixelová frekvence obrazu a je vidět,
že nároky kladené na rychlost součástek karty nejsou zrovna malé. VGA 2 karta je napájena
jedním napětím o velikosti 5 V z aplikace a pro napájení jejích vnitřních obvodů je použit
nízkoúbytkový lineární stabilizátor LF33.
Pro zachování malých rozměrů karty je až na několik výjimek použita technologie
SMT.
27
Monitorování služby GPS – archivace dat a zpracování
Jan Strobach - TM 2
lektor: Ing. Ivo Veřtát - KAE
Družicové navigační systémy jsou dnes důležitou součástí moderní doby. Využití těchto
systémů (v současné době zejména systému GPS) je široké a nachází uplatnění v mnoha
odvětvích lidské činnosti (vojenských, průmyslových i civilních). Při určování polohy pomocí
družicových navigačních systémů je důležitým faktorem přesnost určení polohy přijímače
signálu.
Cílem této práce je vytvořit softwarový
nástroj, který by umožňoval monitorování
samotného navigačního systému GPS.
Přesnost určení zeměpisné polohy přijímače
signálu závisí na mnoha faktorech satelitního
navigačního
systému
(např.:
aktuální
rozestavení družic, příjem odražených signálů
apod.) V některých obtížných terénních
podmínkách může být služba dokonce úplně
nedostupná (lesy, hluboká údolí, vysoká
městská zástavba apod.) Mojí snahou je
dlouhodobé sledování výstupních navigačních
Obr. 1 . Schéma aplikace
zpráv z GPS přijímače umístěného na pevných
souřadnicích. Získaná data budou graficky
vyhodnocena a prezentována pomocí webové aplikace na internetu. Dále pak bude možné
sledovat různé dlouhodobé závislosti parametrů systému a vliv na chybu určení polohy při
např. změně umístění přijímací antény, příjmu odražených signálů z družic atd. Práce by se
také mohla stát základem pro pozdější generování a šíření korekcí určení polohy (DGPS).
Obr. 2. Internetová aplikace pro prezentaci výsledných průběhů
28
Zesilovač pro můstkové snímače
Bc. Viktor Žalud - EI 2
Dnešní doba nám dovoluje měřit nejrůznější druhy veličin. Jednou z velmi často
měřených veličin je měření sily, které je obvykle měřeno pomocí tenzometru v můstkovém
zapojení. Úkolem mé práce bylo sestrojit měřící systém zpracovávající diferenční napětí
z měřících můstků.
Zesilovač pro můstkové snímače je tvořen čtyřmi vstupními obvody zpracovávající
diferenční napětí z měřících můstků. Pro univerzální použití systému jsou použity digitální
potenciometry, pomocí kterých zesiluji vstupní diferenční napětí od jednotek mV až téměř do
V. Řetězec zpracovávající toto napětí obsahuje “přístrojový zesilovač“, ADC s 12-bitovým
rozlišením a digitální potenciometr s 64 programovatelnými hodnotami odporu. Celý měřící
proces je řízen mikroprocesorem AVR ATmega 16 od firmy Atmel. Jedná se o 8-bitový RISC
procesor s maximální pracovní frekvencí 16 MHz. Hodnoty za ADC jsou filtrovány
mikroprocesorem z důvodu potlačení rušení a lepší stabilitě měřené hodnoty.
Součástí systému je též proudová smyčka 0(4)-20mA, jež je dlouho využívaným
standardem pro přenos hodnot naměřených veličin v oblasti průmyslové automatizace.
Vlivem velké šumové imunity dovoluje přenos na vzdálenosti stovek metrů a umožňuje
napájení připojených komponent přímo ze smyčky.
V praxi je velmi často, kromě statického měření, potřeba měřit dynamické veličiny.
Z těchto důvodu jsou součástí zesilovače i vstupy pro impulzní snímače rychlosti, které
umožňují měřit rychlost dopravníku a tím tedy umožňují dynamické vážení.
Naměřené výsledky jsou zobrazovány na LCD displej. Budič sběrnice sériové linky
RS485 zajišťuje komunikaci s okolím. LCD slouží spíše jako orientační. Pomoci sériové linky
RS485 získávám naměřené hodnoty a nastavuji parametry jako jsou: hloubka filtru, zesílení a
nastavení proudové smyčky. Tyto parametry jsou uloženy v paměti EEPROM a tak nedochází
k jejich ztrátě po odpojení napájení. Systém má 16 možných nastavitelných adres a svůj
vlastní komunikační protokol obsahující 12 příkazů a 4 volné příkazy, pro případný další
vývoj.
Nezbytnou součástí celého systému jsou napájecí obvody, které musejí být z pravidla,
galvanicky oddělené. Napájení je zajištěno transformátorem se třemi sekundárnímu vinutími.
Tato napětí jsou dále upravena a zpracována a výsledný počet napájecích napětí na desce
plošného spoje činí 7.
Jedná se tedy o univerzální měřící systém zpracovávající diferenční napětí, který je
řízen pomocí sériové linky RS485, nadřazeným počítačem.
Komunikační linka
Nadřazený počítač
Měřící
systém 1
Měřící
systém 2
Měřící
systém 3
Další
systémy
Obrázek 1: Měřící systém a jeho nadřazený řídící počítač
29
30
Sekce Elektrotechnologie
složení komise
předseda
prof. Ing. Václav Mentlík, CSc.
členové
doc. Ing. Olga Tůmová, CSc..
Ing. Radek Polanský, Ph.D.
Ing. Jiří Tupa, Ph.D.
31
Vyjadřování nejistot emisních měření ve zkušební EMC laboratoři
Ján Bandžák - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
S pojmem nejistoty v měření se setkáváme v souvislosti s měřením a jeho
vyhodnocováním. Měření není přesný proces a chyba měření je tak způsobená např.
samotným pozorovatelem, přístrojovým vybavením, zvolenou metodou měření, okolním
prostředím apod. Nejistota měření je obecně míra pochybnosti o správnosti výsledku měření a
je charakteristická rozsahem hodnot okolo výsledku měření, který lze zahrnout k hodnotě
měřené veličiny. K určování nejistot měření se používají statistické metody, kde se
předpokládá určité rozdělení pravděpodobnosti, které udává, jak se může měřená hodnota
odchylovat od skutečné hodnoty, popř. se uvádí pravděpodobnost, s jakou se skutečná
hodnota nachází v intervalu daném nejistotou.
V r. 1993 vydala Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) praktickou příručku
pro vyjadřování nejistot (Guide to the Expression of Uncertainty of Measurements), která
definuje základní pojmy teorie nejistot měření, základní vztahy a jejich aplikace na
modelových příkladech. Problematika nejistot v měření patří do oblasti kalibrace a vrcholové
metrologie a současný stav výroby a konkurence požaduje kontrolu jakosti.
V oblasti elektromagnetické kompatibility (EMC) jako schopnosti zařízení pracovat
v příslušném elektromagnetickém okolí je vyžadována jeho bezporuchovost a stabilita
provozu. Obecně se definuje elektromagnetická susceptibilita (EMS) jako odolnost zařízení
proti cizím elektromagnetickým polím a elektromagnetická interference (EMI) definující
zařízení, které nesmí okolí rušit více, než je nutné pro jeho funkci. Má-li se posoudit zařízení
z hlediska EMC, je důležité provést řadu měření a zkoušek z obou zmíněných oblastí.
Tato práce se zabývá problematikou dvou emisních měření (EMI) a jednoho imunitního
měření (EMS) televizních přijímačů v laboratoři EMC v společnosti Panasonic. K vyjádření
rozšířené nejistoty, která se zavádí v případě, pokud je požadována vysoká spolehlivost byly
v případě emisních měření uvažovány pouze nejistoty typu B, které jsou způsobovány
známými a odhadnutelnými příčinami vzniku. Jejich identifikaci provádí sám experimentátor
a velmi často není možné provést kompletní a přesnou analýzu všech příčin, které ovlivňují
konečný výsledek rozšířené nejistoty. V případě imunitního testu se standardní nejistota typu
A určila z n – opakovaných a nezávislých měření na vybraných televizních kanálech a
statistickým vyhodnocením určíme její velikost. Standardní nejistota typu B se určí uvážením
všech zdrojů, které mají vliv na její velikost. Opakovaným a nezávislým měřením k určení
nejistoty typu A, které není náplní práce laboratoře se jen potvrdilo, že velikost nejistoty typu
A byla menší o několik řádů než nejistota typu B. Kombinovaná standardní nejistota se
vyjádří geometrickým součtem nejistot A i B a násobkem příslušného koeficientu pokrytí se
určí konečná rozšířená nejistota.
Obecně lze říci, že menší nejistota nastává, když při měření použijeme přesnější
digitální přístroje, na které společnost Panasonic klade velký důraz. Měření s digitálními
přístroji je oproti analogovým jednodušší a přesnější a moderní digitální přístroje mají
možnost přenosu naměřené hodnoty do počítače a tím možnost rychlého zpracování výsledků.
Zpracováním výsledků v počítači klesá i pravděpodobnost zanesení nahodilé chyby do
výsledku měření.
Je zřejmé, že výsledek zkoušky nesmí být závislý na pracovišti, kde se zkouška provádí.
Proto jsou zkoušky, měřicí postupy, velikosti nejistot i samotná měřicí pracoviště definovány
v řadě norem.
Kompletní analýza určování nejistot a jejich omezení vyžaduje patřičné zkušenosti,
praxi a konkrétní způsoby, jak nejistoty v měření minimalizovat jsou málo zveřejňované.
32
Analýza rozložení elektrického pole v kompozitech
Pavel Fanta - KE 5
lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET
Při návrhu jakéhokoli elektrotechnického zařízení je nutné k němu přistupovat jako ke
kompaktnímu celku, jenž je tvořen několika podsystémy. Dielektrický podsystém je přitom
jedním z hlavních článků sériového řetězce, který spolu s ním tvoří i podsystémy elektrický,
magnetický, mechanický a termoventilační. Pro spolehlivou funkci zařízení je nezbytné
zajistit, aby bylo tvořeno materiály, které budou splňovat nároky vyhovující všem jeho
podsystémům. Takovými však mnohdy nedisponuje žádný druh materiálu samostatně, a tak
s výhodou vstupují do popředí systémy jedinečné svojí strukturou a vlastnostmi –
elektroizolační kompozitní materiály.
Vývoj takovýchto materiálů je spjat nejen s dokonalostí technologických postupů jejich
výroby, ale také se znalostí jejich chování v konkrétních elektrotechnických aplikacích. Mezi
jednu z nejdůležitějších vlastností sledovaných u elektroizolačních kompozitů se řadí jejich
odolnost vůči působení vnějšího elektrického pole. Jelikož se elektrické namáhání posuzuje
podle velikosti intenzity elektrického pole, je nutné podrobit izolační materiály jeho
diagnostice.
Ne vždy je však možné materiál prověřit zkušebními metodami, neboť zařízení může
být například teprve ve fázi vývoje. Dnes tuto situaci řeší programy simulující jednak
materiálová prostředí a zařízení z nich vytvořená, jednak také podmínky, jimž by v praxi byla
tato zařízení vystavena. Kombinací uvedeného s vhodným zvolením modelu fyzikálně
reálného systému vzniká silný nástroj pro návrh elektrotechnických zařízení i pro hlubší
poznání kompozitních struktur, které v této oblasti vynikají.
Vycházejíce z odborné literatury jsem si vědom, že v praxi mají elektroizolační
materiály velmi široké uplatnění. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl rozvést problematiku
kompozitní struktury laminátů, neboť právě jejich uspořádání je názorné a pro vytvoření
věrohodného modelu je jejich vrstevnatá struktura značně výhodná.
Analýza elektrického pole v laminátu se zabývá jeho vyšetřením, a to ze dvou hledisek
– numerického a experimentálního zkoumání. Ač by se mohlo zdát, že se jedná o dvě zcela
rozličné oblasti, není tomu docela tak. Numerické řešení by mělo být v každé ze svých fází
spjato s porovnáním odpovídajících kroků z experimentální oblasti. Je důležité vyzdvihnout,
že se jedná o přiblížení reálného prostředí na základě mnoha stanovených předpokladů. Mojí
snahou tak bylo se těmito předpoklady co nejvíce přiblížit realitě, zároveň však respektovat
prostředky, které jsem měl k dispozici.
Prostředkem numerického řešení se stal poměrně moderní program pro analýzu
elektromagnetických polí – QuickField, který mi byl zde na ZČU zpřístupněn. Já vyšetřoval
pole elektrostatické, neboť právě to pro popis elektroizolačních materiálů (laminátů) v sobě
skrývá řadu hodnotících parametrů. V praxi je to především elektrická pevnost, která se pro
mne stala předmětem zkoumání i v simulačním prostředí.
Při vzrůstající složitosti úlohy se stává numerické řešení zejména časově náročným.
Hraje zde významnou roli také otázka, zda-li je fyzikálně reálný systém do prostředí
dvojrozměrného převoditelný, či s jeho složitostí program už nepočítá. Zprvu trojrozměrnou
úlohu jsem tedy rozložil do čtyřech řezných pohledů, čímž jsem ji zpřístupnil dvojrozměrné
simulaci v prostředí programu QuickField.
Vyšetřil jsem elektrostatická pole kompozitní struktury laminátu metodou numerickou
a obdržené výsledky diskutoval s poznatky z experimentální zkoušky. V závěru práce
porovnávám výhody a nevýhody numerického a experimentálního přístupu, rovněž i shrnuji
jejich eventuelní přínos do budoucna.
33
Porovnání vybraných dielektrických vlastností minerálních a syntetických
izolačních kapalin
Pavel Hrdlička - KE 2
lektor: Ing. Radek Polanský, Ph.D. - KET
Kapalné izolanty v elektrotechnice vždy měly, a pravděpodobně i mít budou, významné
postavení. Díky svému kapalnému stavu jsou schopny zcela vyplnit daný prostor a mají též
výborné chladící schopnosti i dielektrické parametry.
Nejstaršími kapalnými izolanty byly minerální oleje. Jelikož vykazují výborné užitné
vlastnosti a postupy pro jejich výrobu, údržbu a likvidaci jsou na velmi dobré úrovni, mají
v současnosti dominantní postavení. Bohužel však nesplňují protipožární a ekologické
požadavky na ně kladené.
Alternativními produkty, které by eliminovaly zmíněné nedostatky, byly a jsou vyvíjené
syntetické izolační kapaliny. V praktickém použití však některé z nich neobstály.
Z nejznámějších neúspěšných je možno uvést uhlovodíky s obsahem fluoru a chloru, zejména
pak polychlorované bifenyly (PCB). Jejich základ v aromatických strukturách způsobující
jejich vysokou toxicitu a karcinogenitu vedl v 70. letech 20. století k zákazu jejich užívání.
V současnosti se jako perspektivní jeví silikonové kapaliny a kapaliny na bázi
organických esterů. Obě zmíněné kapaliny vykazují dobré dielektrické parametry, výbornou
termicko-oxidační stálost a vyšší odolnost proti vzplanutí v porovnání s minerálními oleji.
Silikonové oleje jsou navíc inertní vůči okolnímu prostředí a materiálům. Kapaliny na bázi
organických esterů mají i vysoký stupeň biodegradability v krátkém časovém úseku.
Na oddělení Elektrotechnologie katedry Technologie a měření fakulty Elektrotechnické
při Západočeské univerzitě v Plzni probíhal experiment, který měl dva základní cíle: prokázat
možnost použití běžné elektrotechnické lepenky L 050 společnosti Fassmann jako vhodnou
komponentu izolačního systému v transformátorech, a porovnat dielektrické parametry tří
běžně dostupných minerálních olejů (M1-M3) a tří vybraných průmyslových adipových a
ftalátových změkčovadel, které by mohly být potenciálními izolačními kapalinami (DOA-Di(2-ethylhexyl)ester kyseliny adipové, DIBA- bis(2-methylpropyl) ester kyseliny adipové a
DBP- dibutylester kyseliny ftalátové).
M2
1,E+12
M3
1,E+11
DIBA
DOA
Ztrátový činitel /-
Izolační odpor /Ω
M1
M1
1,E+13
DBP
1,E+10
1,E+09
1,E+08
0,5
M2
0,45
M3
0,4
0,35
DOA
DIBA
DBP
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
1,E+07
0
10
100
1000
10000
0
Čas /h
500
1000
1500
2000
Čas /h
Experiment prokázal kompatibilitu elektrotechnické lepenky L 050 se zkoumanými
kapalinami. Minerální oleje obhájily své výborné užitné schopnosti, které byly
předpokládány. Ze syntetických kapalin nejlépe vyhověla sloučenina DOA. Zmíněná
skutečnost podpořila teoretické poznatky o potenciálu syntetických izolačních kapalin na bázi
organických esterů. Syntetická kapalina DBP potvrdila nevhodnost použití sloučenin na bázi
ftalátů pro izolační účely. DBP vykazoval nejhorší změřené dielektrické parametry a dle
bezpečnostního listu i toxicitu a karcinogenitu.
34
Inovace systému řízení vybraného technologického procesu
Zdeněk Konárek - KE 5
lektor: Ing. Jiří Tupa, Ph.D. - KET
Předmětem této práce je navrhnout postup inovace systému řízení vybraného
technologického procesu na základě teoretických východisek dnešní moderní výroby.
Zadavatelem práce je firma zabývající se výrobou elektromechanických a elektrotechnických
komponentů. Na základě jejich počátečních analýz byl vybrán „problémový“ proces
k optimalizaci - výroba elektromechanických tlakových regulátorů. Tento proces byl převzat
ze zahraniční pobočky ve velmi špatném stavu. V této podobě se stal bezednou studnou
vzhledem k nákladům na údržbu, seřizování, opravy a především nekvalitu, a tím i zcela
jasným cílem celkové optimalizace výrobního zařízení a inovace systému řízení.
Pokud se zastavíme u teorie optimalizace, pak se ve většině publikací objevuje základní
rozdělení jednotlivých přístupů ve dvou směrech:
a) Radikální zlepšování procesů (BPR – Business Process Reengineering), které
předpokládá, že jednorázová změna je nezbytná pro takzvané „narovnání“ procesů, které
způsobí dramatickou změnu výkonnosti v podniku
b) Kontinuální zlepšování procesů (BPI – Business Process Improvement), které
předpokládá, že jednorázová změna v podniku je nejen neefektivní, ale i nedostatečná, a
dokonce i škodlivá. Proto usiluje pouze o postupnou změnu podnikových procesů, která je
pro organizaci lépe přijatelná.
Zde je důležité zdůraznit, že se nejedná o pravidly svázané přístupy, které se dají
aplikovat pouze odděleně. Opak je pravdou. Každý z dále probíraných pojmů je pouze určitou
metodou, filozofií, která obsahuje několik prvků, a pouze správné rozhodnutí, které je
v souladu s cíly podniku a jeho strategií, má šanci na úspěšnou implementaci.
Daných přístupů k optimalizaci existuje celá řada a jak již bylo řečeno, jednotlivé prvky
a jejich součásti se vzájemně prolínají. Přesto se pro přehlednost dá vytvořit výčet těch
nejčastěji zmiňovaných metod. V oblasti radikálního zlepšování se jedná o Reengineering
a v oblasti kontinuálního zlepšování TQM (Total Quality Management), Kaizen, TOC
(Theory of Constrains). Výsledkem těchto optimalizačních přístupů pak může být právě
zeštíhlení výroby, tzv. Lean Manufacturing nebo Lean Production. Tento směr vede
k odstranění procesů nepřidávajících hodnotu, prostojů na pracovištích a dále k identifikaci a
eliminaci tzv. slabých míst. Tato místa jsou jakýmsi úzkým hrdlem láhve, které zpomaluje tok
přidané hodnoty pro celý proces.
Z rozsáhlé analytické části této práce je patrné opodstatnění navržené optimalizace, a to
jak po stránce kapacitního plánování (výpočtový program vytvořený pomocí MS Excel), tak
po stránce kvality (Paretova analýza na základě poskytnutých údajů z reklamací). Návrhová
část se pak zabývá koncepčním řešením celé linky. Toto řešení se skládá z několika zásadních
bodů, jimiž jsou zejména:
Layout výrobního uspořádání: rozvržení, plán pracovišť, splňující technologické požadavky
a prvky moderních výrobních systémů (U-linka)
Zakomponování prvků štíhlé výroby jako je Poka-Yoke: zařízení omezující chybovost
přímo ve výrobním procesu pomocí jednoduchých mechanických nebo elektromechanických
čidel a spínacích komponentů.
Zavedení Kanbanového zásobování: výrobní struktura je rozdělena na jednotlivé zákazníky
a dodavatele, kteří vyrábějí, případně objednávají materiál pomocí Kanbanových karet. Tímto
způsobem se dá eliminovat nadbytečná výroba, nebo naopak prostoje operátorů.
Návrh je doložen finanční analýzou, ze které vyplývá návratnost pod hranící tří let, což
je pro zadavatele této práce akceptovatelná a zajímavá investice.
35
Diagnostický systém pro hromadné zpracování a vizualizaci naměřených dat
Jan Kotrba - KE 2
lektor: Ing. Radek Polanský, Ph.D. - KET
Diagnostika vždy měla v elektrotechnice významnou roli a s nástupem nových měřících
systémů se výrazně rozšířily její možnosti. Cílem práce bylo vytvořit diagnostický systém
v programovém prostředí LabVIEW, který by umožnil automatické vyhodnocení
dielektrických parametrů z absorpčního a resorpčního proudu (např. polarizační indexy,
vnitřní a povrchovou rezistivitu apod.).
Pro vytvoření měřícího systému potřebujeme měřící kartu, PC a vhodný programovací
jazyk. V zásadě lze použít pro vytvoření aplikace jakýkoliv programovací jazyk, ale užití
standardního programovacího jazyka (C, Pascal apod.) by bylo zdlouhavé a náročné na
znalosti uživatele. Vhodnější volbou je aplikace vytvářet ve speciálně vytvořených
vývojových prostředích (např. LabVIEW), která jsou určena pro oblast měření. V takovém
vývojovém prostředí můžeme pomocí grafického rozhraní vytvořit aplikaci, která připomíná
čelní panel měřícího přístroje (tzv. virtuální přístroj – ten obsahuje ovládací a indikační
prvky) a využívá pro vstup měřených signálů zásuvné multifunkční karty nebo měřící
přístroje s komunikačním rozhraním. Jelikož si virtuální přístroj vytváříme na PC,
zachováváme tak výhody, které nám PC poskytuje (např. port USB, tiskárna).
Jedním z možných vývojových prostředí je LabVIEW, které patří do tzv. G jazyků a je
na úrovni např. jazyka C, ale na rozdíl od něj není orientován textově, ale graficky.
Program je členěn na tři části: menu, nastavení a hlavní program. Menu je pouze
informativní, kde se dozvíme, za jakých podmínek a jak lze program užívat. Nastavení slouží
pro zadání vstupních hodnot do programu (např. napětí, efektivní plocha elektrody). Hlavní
program je členěn do čtyř záložek: hlavní panel, absorpce, resorpce, teplota a vlhkost.
V každé záložce jsou zobrazeny příslušné hodnoty (příklad – záložka absorpce zobrazuje
polarizační indexy, plochu pod křivkou, atd.) a grafické znázornění daného průběhu. Příklad
hlavní části programu je vidět na obr. 1.
Obr. 1: Příklad diagnostického systému vytvořeného v LabVIEW
Na závěr bude shrnuto, jaké hodnoty program vypočítá: vnitřní a povrchový odpor,
vnitřní a povrchová rezistivita, jednominutový a desetiminutový polarizační indexy, plochy
pod absorpční a resorpční křivkou, redukované resorpční křivky v intervalech 15 – 300,
15 – 45 a 15 – 400. Dále program určuje maximální (resp. minimální) teplotu a maximální
(resp. minimální) relativní vlhkost. Jako výstup z programu je vytvořen protokol z měření a
soubor s hodnotami, které lze snadno exportovat do jiných aplikací.
36
Aspekty aplikace CT technologie
Radana Krejcárková - KE 5
lektor: prof. Ing. Václav Mentlík, CSc. - KET
V dnešní době dochází ve všech průmyslových i jiných oborech k používání
elektrických strojů a zařízení. S ohledem na jejich cenu, bezpečnost obsluhy a také
z ekologického hlediska je důležité, aby byla správně a co nejdéle funkční. Je proto nutné
provádět jejich pravidelnou kontrolu a čištění a tím včasně objevit náznaky poruch a předejít
tak úplnému poškození. Diagnostika se provádí na speciálních pracovištích nebo přímo
v místě, kde jsou kontrolovaná zařízení instalována. Dochází k měření řady parametrů:
izolačního odporu, kapacity, ztrátového činitele a mnoha dalších. Na základě jejich výsledků
se určí, zda je nutné provést opravu nebo se mohou vrátit zpět do provozu.
Tato práce se zabývá metodami čištění elektrotechnických zařízení. Na úvod jsou
popsány různé metody, od klasických až po moderní. Dále je podrobněji popsána CT
technologie. Na závěr jsou provedena dvě měření s užitím CT přípravku, kdy je ověřována
závislost povrchového odporu na ošetření touto kapalinou.
Ke klasickým metodám se řadí čištění pomocí stlačeného vzduchu a rozpouštědel.
Postupem času vznikaly nové metody, které využívají trichlorethan, unisolvent, tlakovou
vodu, páru a ultrazvuk. Další možnost je používání abrazivních technologií. Tyto metody
využívají silného proudu vzduchu nebo vody, který vrhá abraziva proti povrchu. Často je
označována jako tryskání nebo pískování. Jako média se používají např. ořechové skořápky,
skleněné korále a plastická hmota. K čištění je možno využívat i pelety suchého ledu, který je
vyráběn z tekutého oxidu uhličitého. Poměrně novou metodou sloužící k údržbě a čištění
zařízení je CT technologie. Tato metoda používá speciální CT kapaliny a vysokotlaké zařízení
pro jejich nanášení. Prostředky vytvářejí na ošetřených částech jemný film sloužící jako
ochranná vrstva.
Při prvním měření bylo ověřováno, zda přípravek napadá povrch plastových výrobků
a tím mění jejich elektrické vlastnosti. Za tímto účelem bylo použito osm reaktoplastických
výlisků. Měření se provádělo za použití voltampérové metody. Byla provedena celkem čtyři
měření, ve výchozím stavu a po expozici vzorků a to následovně: 24 hodin při teplotě 22 °C,
dále 284 hodin při 22 °C a nakonec 166 hodin při teplotě lázně 40 °C.
Cílem druhého měření bylo zjistit, jak se mění povrchový odpor vzorků po jednom
a dvou nástřicích téhož přípravku. Jako testovaný materiál byl vybrán kartit, neboť má
podobnou strukturu jako dříve testované výlisky. K měření byla opět použita voltampérová
metoda.
S postupem času vznikla za účelem čištění řada prostředků a metod. Při výběru metody
je nutné velmi dobře zvážit, která bude nejvhodnější jak z hlediska ekonomického, tak pro
čištěný prvek. Ne všechny metody jsou totiž vhodné na jakýkoliv materiál. Dále je při volbě
vhodné mít na zřeteli také stupeň znečištění. Například pro jemné části není vhodné použít
tvrdé abrazivní materiály, kdy by mohlo dojít k poškození povrchu, ale použijí se například
pryskyřičná média, která jsou šetrnější. Je potřeba zvážit, zda se nám vyplatí použít levnější
způsob, kdy se sice ušetří, ale může dojít k poškození nebo si vybrat dražší metodu, která je
šetrnější a její účinek mnohdy vydrží déle.
Z měření, kdy se ověřovalo působení CT přípravku a jeho účinků na povrch plastových
výrobků vyplynulo, že nedochází k jeho poškození. Zároveň bylo ověřeno, že po aplikaci
dochází k nárůstu izolačního odporu. Tato skutečnost však nebyla potvrzena při druhém
měření, kdy se ověřovala závislost povrchového odporu na CT přípravku. Zde došlo po
aplikaci kapaliny k jeho snížení.
37
Využití umělé inteligence v elektrotechnické diagnostice
Tomáš Malý - KE 2
Elektrotechnická diagnostika je poměrně široký obor, ve kterém se zkoumají nejrůznější
aspekty a stavy elektrických zařízení. Z hlediska dlouhodobého používání právě těchto
zařízení se klade velký důraz na jejich spolehlivost, bezporuchovost a bezpečnost při provozu.
Pro zabezpečení těchto základních funkcí se vyvinuly diagnostické metody, které dokáží
informovat o skutečném stavu diagnostikovaného zařízení a podle získaných informací
předpovědět chování stroje do budoucna. Jelikož je dnes velký požadavek na rychlost,
přesnost a dobrou výpovědischopnost získaných informací, zavádějí se do oboru diagnostiky
metody umělé inteligence.
Metody umělé inteligence, které se implementují do diagnostiky elektrických zařízení,
jsou hlavní náplní této práce. Celá práce pak poskytuje přehled o možnostech využití těchto
technologií v elektrotechnické diagnostice.
Umělá inteligence je vlastnost, kdy nějaký „stroj“ dokáže napodobit do jisté míry
chování člověka. To se také může chápat jako alternativa rozumového myšlení člověka. Právě
tato rozhodovací schopnost a schopnost uvažovaní, na základě které se mohou efektivně řešit
různorodé úkoly či problémy, je využívána v mnoha oblastech techniky.
Základními metodami umělé inteligence jsou neuronové sítě, fuzzy systémy, genetické
algoritmy a expertní systémy.
Umělé neuronové sítě jsou založeny na principu biologických neuronových sítí, jejichž
základem je právě biologický neuron. Snaha umělých sítí je, aby uměle vytvořené neurony
dosahovaly maximální totožnosti s chováním neuronů biologických. Neurony se dále shlukují
do určitých struktur, které jsou pak definovány jejich topologií. Navržené a odzkoušené
neuronové sítě se v diagnostice elektrických zařízení používají především pro modelování
soustav a prognózu dalšího vývoje systému. Proto jsou velmi dobře aplikovatelné například
na hodnocení a prognózu stavu izolace elektrického zařízení.
Fuzzy systémy jsou charakteristické svou neurčitostí a vágností. Základem jsou fuzzy
množiny, které obsahují prvky s danou mírou příslušnosti. V této oblasti se vytvořila tzv.
„fuzzy logika“, která je specifická svou neurčitostí. Je to logika vícehodnotová, tzn. že
obsahuje více než 2 pravdivostní hodnoty z intervalu <0,1>. To se ve slovním podání dá
definovat jako: pravda, částečná pravda, značně, zhruba, mírně, nedefinováno apod. Díky
těmto vlastnostem se fuzzy systémy používají pro prognózu dalšího vývoje systému. Novým
trendem je však zavádění fuzzy logiky do expertních systému, kdy vzniká nový fuzzy
expertní systém.
Další metodou umělé inteligence jsou genetické algoritmy. Jejich princip je odvozen od
vývoje, který se uplatňuje v přírodě. Ve své podstatě jde o vyhledávací algoritmy založené na
mechanizmu přirozeného výběru a principech genetiky. Pro svou jednoduchost jsou často
využívány pro řešení úloh optimalizace, popř. optimalizace neuronové sítě či fuzzy systému.
Poslední metodou umělé inteligence popisované v této práci jsou expertní systémy. Lze
je charakterizovat jako počítačové programy, které s požadovanou kvalitou dokáží rozhodovat
o problémech tak, jak by tyto problémy řešil odborník (specialista). Samotný expertní systém
je složený z několika částí. Každá část zaručuje plnění specifické funkce. Mezi nejdůležitější
části lze zahrnout inferenční mechanizmus, bázi znalostí a bázi dat. Tyto moduly jsou
nezbytné pro návrh expertního systému a kvalita jejich návrhu následně určuje kvalitu celého
expertního systému. Moderní expertní systémy jsou využívané pro diagnostiku elektrických
zařízení a dokáží hodnotit stavy zařízení jak off-line tak on-line metodou.
Postupným zdokonalováním výpočetní techniky se metody umělé inteligence použitelné
pro elektrotechnickou diagnostiku budou stále zlepšovat a vyvíjet.
38
Obecné aspekty diagnostiky elektrických zařízení
Miroslav Píša - KE 2
V dnešní světě se bez kvalitních a přesných informací v podstatě neobejdeme a v tomto
ohledu není situace odlišná ani v elektrotechnice. Proto vznikl obor nazývající se technická
diagnostika, který se uceleně zabývá způsoby získávání těchto informací, jejich zpracováním
a následným vhodným využitím. Diagnostika byla do nedávné doby uplatňována především u
velkých elektrických strojů vzhledem k její cenové náročnosti. Dnes se však stává součástí
stále větší skupiny elektronických přístrojů a také součástí malých a středně velkých točivých
strojů. Zvláště na místech, kde by výpadek takovéhoto stroje ohrozil chod důležité výrobní
linky nebo na jiných místech, kde by náhlá porucha měla za následek velké škody nebo mohla
způsobit ohrožení lidských životů.
Skrze diagnostiku také dochází k propojení jednotlivých odvětví podílejících se na
konstrukci elektrických zařízení, neboť výsledky diagnostických měření dávají přehled o
slabých místech v oblasti materiálů nebo konstrukčních řešeních. Proto se s jejími vlivy a
působením setkáme v podstatě po celý životní cyklus elektrického zařízení od vývoje
materiálu pro tato zařízení, přes mezioperační kontroly při výrobě až po následný provozní
stav.
Práce se zabývá popisem diagnostiky a její funkce v oblasti elektrotechniky se
zaměřením na silnoproudá elektrická zařízení. První část práce se věnuje základním pojmům,
na které v diagnostice narazíme a samotnému významu diagnostiky a jejím přínosům
v elektrotechnice. V další části jsou popsány prostředky, ze kterých se skládá diagnostický
systém, a kterých diagnostika využívá k plnění svého účelu. Mezi tyto prostředky patří volba
přístupu k diagnostice, kdy volíme mezi fenomenologickým a strukturálním přístupem. Volba
mezi řešením diagnostického systému off-line a on-line, kde každý z těchto systémů nám
může nabídnout různé výhody, například u systému on-line je možno testovat sledovaný
parametr na překročení stanovených mezí za provozu zařízení, naopak off-line systém nabízí
kontrolu parametrů námi vhodně zvolenými vstupními signály. Dalšími diagnostickými
prostředky jsou znalostní a zkušenostní potenciál personálu, metodologické postupy, nástroje
potřebné pro vykonávání diagnostické činnosti, volba mezi destruktivními a nedestruktivními
měřeními a diagnostické modely. Z těchto diagnostických modelů jsou v této kapitole
dopodrobna rozepsány matematické modely a to konkrétně přenosová funkce, bloková
schémata, logické modely a topologické modely. Třetí část práce je věnována prováděným
měřením na točivých elektrických strojích malých a středně velkých výkonů. Tato měření lze
zhruba rozdělit na měření prováděná ve výrobě, na zkoušky hotových strojů a na
profylaktická šetření provozovaných strojů. Závěrečná část práce se zabývá možnostmi
předpovědi budoucího chování zařízení, ze shromážděných dat o tomto zařízení. Takto
získaná představa o budoucím vývoji parametrů sledovaného zařízení je velmi užitečná, i
když nemusí být vždy stoprocentně přesná. Ale přesto díky ní dostáváme do rukou silný
nástroj, který pomáhá naplánovat naše budoucí kroky s maximální elektivností a dává
možnost předejít nečekaným poruchám včasnými opatřeními, např. výměnou nebo opravou
zařízení. V této kapitole je také řešen příklad, který ukazuje dva způsoby výpočtu budoucích
hodnot. První ze způsobů je vhodný pro parametry mající lineární trend a druhý pro parametry
s exponenciálním trendem. Výpočtem získané parametry jsou posléze porovnány s parametry
skutečně naměřenými.
39
Osvětlování zdravotnických zařízení
Jaroslav Sadský - EE 5
lektor: doc. Ing. Josef Linda, CSc. - KEE
Osvětlování a elektroinstalace zdravotních zařízení patří mezi velmi specifické a
z technického pohledu je velmi náročné disciplíny. Elektrické osvětlení se nemalou mírou
dotýká nejen pracovních výkonů personálu, ale ovlivňuje psychický a následně i fyzický stav
pacientů v těchto prostorech. Nesprávná intenzita osvětlení, oslňování a špatné podání barev
mohou dokonce zapříčinit i ohrožení člověka na životě.
Při projektování elektrického osvětlení jednotlivých místností je důležité zohlednit
požadavky jednotlivých oddělení tak, aby mohla být přesně vykonávána daná činnost, a
pokusit se vytvořit správnou zrakovou pohodu v místnosti. V rehabilitačních zařízeních tvoří
správné osvětlení částečně součást léčby, kdy dopomáhá k příjemnému naladění a uvolnění
pacienta. Proto je velmi přínosná možnost plynulé regulace a vytváření světelných scén.
Tato diplomová práce se zabývá osvětlováním zdravotnických zařízení. V úvodní části
jsou uvedeny základní parametry určující osvětlované prostředí. Dále je zaměřena pozornost
na vyhodnocení požadavků zrakové činnosti, parametrů a požadavků na umělé osvětlení
jednotlivých zdravotnických oddělení. V druhé polovině se práce zabývá konkrétním návrhem
osvětlení v lázeňském sanatoriu hotelu Kriváň v Karlových Varech. Návrh je proveden pro tři
místnosti, které nejvíce charakterizují dané zdravotnické zařízení. Projekt jedné vybrané
místnosti je vypracován v několika variantách. Tyto varianty jsou vzájemně ekonomicky a
technicky porovnány, aby bylo docíleno nejvýhodnější ekonomické a funkční varianty. Pro
tuto vybranou variantu je vypracován návrh elektroinstalace a ovládání světelné soustavy.
Závěrečná část práce je věnována možnostem a způsobu regulace osvětlovacích soustav.
Návrh osvětlení je proveden ve výpočtovém programu Relux 2007. Tento program
poskytuje mnoho speciálních funkcí, které například umožňují kompletní trojrozměrnou
vizualizaci daného prostoru, výpočet denního i umělého osvětlení, výpočet hospodárnosti
osvětlovací soustavy, výpočet udržovacího činitele osvětlovací soustavy, atd.
Regulace osvětlovacích soustav klasickým spínáním vypínače je v dnešní době
nedostačující, proto je v této práci vyprojektováno ovládání pomocí sběrnicového systému,
který umožňuje plynulou regulaci pomocí řídícího modulu a digitálních předřadníků. Tento
systém umožňuje jak dálkové ovládání pomocí GSM modulu, tak i časové nastavení
jednotlivých světelných scén.
Obr. 1 Vizualizace návrhu osvětlení rehabilitačního bazénu
40
Výpočet provozních a poruchových stavů v ES pomocí PC - ustálené stavy
Jan Veleba - EE 2
lektor: doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc. - KEE
Elektrizační soustava ES je soubor energetických zařízení pro výrobu, přenos, rozvod,
akumulaci a spotřebu elektrické energie, slouží tedy pro zásobování obyvatelstva elektrickou
energií. Zajišťuje zásobování obyvatelstva elektrickou energií v požadovaném čase, množství
a místě, dále pak v požadované kvalitě při maximální spolehlivosti (minimální počet
výpadků) a s co nejvyšší hospodárností.
Pro splnění všech těchto podmínek je nezbytné znát v každém uzlu a v každé větvi
elektrizační soustavy napěťové, proudové, resp. výkonové poměry v oblasti provozních i
poruchových ustálených stavů. Znalost těchto poměrů je klíčová pro dimenzování vedení
proudově (dimenzování průřezu) i napěťově (určování izolačních vzdáleností), a nastavení
koordinace izolace a nastavení nadproudových i jiných ochran. Z hlediska dodržení daných
úbytků napětí a velikostí ztrát na vedení pak lze provést analýzu záložních režimů provozu
elektrizační soustavy za provozních i poruchových stavů, a dále také analýzu budoucího
rozšiřování částí ES.
Při samotném výpočtu napěťových a proudových poměrů v provozních i poruchových
ustálených stavech vycházíme z matematického modelu ES s využitím tzv. uzlové admitanční
matice A . Elektrizační soustava je pak popsána následující soustavou nelineárních
algebraických rovnic s obecně komplexními koeficienty:
I = A ⋅U
kde I - sloupcový vektor proudů injektovaných do uzlů sítě
U - sloupcový vektor sdružených napětí v jednotlivých uzlech sítě
A - čtvercová uzlová admitanční matice
Při řešení této soustavy rovnic je vyloučeno použití standardních analytických postupů,
je tedy potřeba na daný problém aplikovat některou ze dvou dále v práci uvedených
numerických metod (Gauss-Seidelova, Newton-Rapsonova). K výpočtu hledaných
neznámých (sdružená napětí v uzlech řešené sítě) patří také zajištění stability a konvergence
numerického řešení. V oblasti poruchových stavů je zde kladen důraz na výpočet obecné
příčné poruchy v jednom uzlu řešené sítě s ohledem na globální projevy poruchy na celou ES.
Vzhledem k složitostem při realizaci těchto výpočtů jsem sestavil program v Matlabu
(verze 7.0), který řeší všechny tyto složité výpočty a to pro obě oblasti výpočtů
(provozní/poruchové stavy). PC program provádí tyto výpočty pro elektrizační soustavy
tvořené pouze vedeními a transformátory, přičemž uzly řešené sítě jsou definovány pouze
jako PQ uzly (odběrové). Kromě výpočtu sdružených napětí provádí také výpočet zbylých
uzlových i větvových výkonů dané sítě, v poruchových stavech pak propočítává napěťové
poměry ve všech fázích a uzlech soustavy.
Sestavený program umožňuje snadné ovládání díky uživatelskému rozhraní vytvořené
GUI knihovnou Matlabu, dále pak umožňuje přehlednost číselných i grafických výstupů a
také možnost aplikace na řešení elektrizačních sítí od nejjednodušších až po ty nejrozsáhlejší.
Jeho jediná slabina spočívá ve zvýšených nárocích na obsluhu při tvorbě vstupních dat.
Stávající verze vytvořeného PC programu je vhodná zejména pro výukové účely. Druhá
možnost budoucího rozvoje PC programu je spjata s možným rozšířením o další prvky ES
(generátory, kompenzační zařízení, apod.), dále o další možné výstupy (výpočet fázových
proudů a činných ztrát na jednotlivých vedeních) a zejména rozšířením o řešení provozních a
poruchových přechodných dějů ES pro hlubší analýzu nejrůznějších dynamických procesů
v ES. Touto cestou se s největší pravděpodobností bude vytvořený program ubírat.
41
Vyjadřování nejistot měření odolností ve zkušební EMC laboratoři
Václav Žák - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
Kvalitativně určovat přesnost měření je proces starý jako měření samo. Po dlouhá léta
se používá k určení přesnosti měření chyb měření. S tím, jak rostly nároky na kvalitu,
docházelo ke změnám a vývoji i v oblasti určování přesnosti měření. Novým přístupem se tak
staly nejistoty měření. Zmínky o nejistotách měření lze najít v normách řady ISO 9000 a ISO
10012. Pro nás je pak důležitá především norma ISO/IEC 17025, která se zabývá požadavky
na akreditované laboratoře – zkušebny. Mluvíme-li o nejistotě měření, mluvíme vlastně o
parametru, který je k výsledku měření přidružený a vyjadřuje rozsah, v němž se výsledek
měření nachází s danou pravděpodobností.
Cílem práce je analyzovat vývoj problematiky nejistot měření, vypracovat metodiku
vyjadřování nejistot měření u EMC zkoušek odolnosti prováděných v laboratoři, provedení
výpočtů nejistot konkrétních měření ve zkušební laboratoři TQA-EMC Panasonic, výsledky
analyzovat a provést doporučení pro ostatní zkoušky.
Při sestavování metodiky, která by se dala používat pro testy v EMC laboratoři, jsme
vycházeli z platných norem a technického předpisu metrologického. Výsledné metodiky se
pak liší podle typu měření, zda se jedná o měření přímá či nepřímá. Nepřímá měření jsou dále
rozdělena podle počtu měřených veličin. Při bližším zkoumání vypracovaných metodik je
zřejmé, že problematika vyjadřování nejistot u nepřímých měření je velice složitou záležitostí.
Vyžaduje totiž obrovské znalosti problematiky, experimentátor musí mít test zvládnutý do
sebemenších detailů a dále je zde požadavek na velice dobrý matematický aparát.
Obtížnost vyjadřovaní nejistot u konkrétních testů se v některých případech dost liší,
což jen poukazuje na skutečnost, že každý test je jinak složitý. Výsledky jednotlivých testů
jsou vždy okomentovány.
Test S5 je jediný, v kterém jsme provedli i výpočet nejistot typu A. Již před výpočtem
samotným bylo zřejmé, že nejistoty typu A kombinovanou resp. rozšířenou nejistotu ovlivní
minimálně, ale pro potvrzení předpokladů jsme výpočet provedli. Ten naše domněnky jen
potvrdil. V dalších testech pak již výpočet nejistot typu A prováděn není. Vypočítané hodnoty
nejistot pro tento test se pohybují v předpokládaných mezí.
Test S1 patřil mezi složitější test, u kterého byly prováděny výpočty nejistot.
V závislosti na testované televizi (zda byla vybavena digitálním či analogovým tunerem) byl
použit generátor analogového nebo digitálního signálu. Pro oba případy pak musely být
nejistoty stanovovány zvlášť. Z výsledků je patrné, že vypočítané nejistoty dosahují lepších
hodnot v případě testování za pomoci digitálního signálu. V případě použití analogového
signálu výsledné hodnoty dosahují horní hranice předpokládaných mezí.
Test S7 lze označit jako nejjednodušší test, kterému se věnuje tato práce, a vypočítané
hodnoty nejistot jsou jednoznačně nejnižší ze všech testů. Je to dáno počtem použitých
přístrojů resp. množstvím zdrojů nejistot měření. Velice obecně lze říci, že čím větší byl počet
zdrojů nejistot, byla i hodnota výsledné nejistoty větší.
Zlepšení hodnot vypočítaných nejistot lze dosáhnout nákupem přesnějších přístrojů,
častější kalibrací a použitím dokonalejších měřicích metod. Je však důležité zvážit, zda by se
tyto kroky vyplatily i z ekonomického hlediska. Například vylepšování hodnot nejistot měření
u testu S7 lze považovat za skoro bezpředmětné. O nápravných opatření by se však dalo
uvažovat v testu S1, a to především v jeho části, kde je používán generátor analogového
signálu, který také tvoří nejslabší článek celého měřicího řetězce.
42

sborník

Transkript

Podobné dokumenty

Ceník SIEMENS

sborník

Rychlý průvodce

Programové a přístrojové vybavení - KadaWeb

alfin 281 ac/dc

Smutný, L. - referát XXVI. seminář ASŘ´2001 - Fakulta strojní

výroční zpráva - Fakulta elektrotechnická

Prezentace společnosti

sborník

Reference zkušebních stanovišť

Svědectví o definitivním konci MIFARE Classic

WM868 - RFE - popis SW a konfigurace Ethernet GateWay