LABORATORIUM MECHATRONIKI na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechnika Krakowska Al. Jana Pawła II 37 31-864 Kraków
LABORATORIUM MECHATRONIKI Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Małopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego na lata 2007-2013 Wyposażenie laboratorium: Stanowisko dydaktyczne z falownikiem Siemens Sinamics S120 przeznaczone do ćwiczeń laboratoryjnych z dziedziny elektronicznie sterowanych napędów elektrycznych. Zastosowanie i programowanie sterowników przemysłowych SIMATIC S7-1200 Programowanie mikrokontrolerów ATmega Badanie samochodowej magistrali CAN Stanowisko: Sensory i aktuatory Stanowisko do demonstracji działania i badania układu zasilania typu common rail do silnika z zapłonem samoczynnym Stanowisko do demonstracji działania i badania układu ABS/ASR System klimatyzacji pojazdu typu Climatronic Stanowisko OBD2 Diagnostyka samochodowa Pojazdy hybrydowe Napędy elektryczne w pojazdach 2
Mechatronika jest synergicznym połączeniem równoprawnych nauk technicznych: mechaniki, elektroniki, automatyki i informatyki. INFORMATYKA STEROWANIE CYFROWE AUTOMATYKA UKŁADY CYFROWE M SENSORY I AKTUATORY ELEKTRONIKA SYSTEMY ELEKTRO - MECHANICZNE MECHANIKA 3
Stanowisko dydaktyczne z falownikiem Siemens Sinamics S120 przeznaczone do ćwiczeń laboratoryjnych z dziedziny elektronicznie sterowanych napędów elektrycznych. Ćwiczenia pozwalają na zapoznanie się uczestników z budową i działaniem impulsowych systemów napędowych prądu przemiennego (zwanych falownikami). Falownik Sinamics S120 zapewnia dzięki konfigurowalnym Wejściom/Wyjściom oraz wbudowanym terminalom bezpieczeństwa i różnym interfejsom (fieldbuses, analog), dużą elastyczność aplikacji. Ponadto, dzięki elektronicznej tabliczce znamionowej poprzez DRIVE-CLiQ oraz intuicyjnemu narzędziu STARTER, system można bardzo szybko uruchomić. Budowa interfejsów zapewnia również łatwą integrację z nadrzędnym systemem sterowania - dzięki standardowym blokom do komunikacji i integracji z Totally Integrated Automation (TIA). Wysoka efektywność jest realizowana poprzez kontrolę prędkości, momentu, pozycjonowania i zintegrowane funkcje bezpieczeństwa. Zastosowane jednostki sterujące umożliwiają wybór jednego z następujących trybów sterowania: servo, wektor, u/f oraz wybór pomiędzy sterowaniem prędkościowym i momentowym. 4
Zastosowanie i programowanie sterowników przemysłowych SIMATIC S7-1200 Ćwiczenia laboratoryjne w wykorzystaniem dydaktycznego zestawu: sterownik SIMATIC S7-1200, panel dotykowy, system STEP7 Basic, komputer pozwala na poznanie budowy, działania, zastosowań oraz podstaw programowania sterowników przemysłowych. Sterownik SIMATIC S7-1200, produkowany przez firmę Siemens, jest nowoczesnym modułowym sterownikiem przemysłowym, przeznaczonym do małych i średnich aplikacji. Główny nacisk przy projektowaniu tego systemu został położony na to, aby komunikacja paneli operatorskich SIMATIC HMI oraz sterowników SIMATIC S7-1200 była możliwie jak najwydajniejsza, zarówno pod względem wydajności przesyłania danych, jak również łatwości i intuicyjności projektowania aplikacji. Szczególnie jest to widoczne przy zarządzaniu zmiennymi w projekcie aplikacji. System umożliwia jednokrotną deklarację zmiennych, zarówno dla części wizualizacyjnej projektu, jak i części sterownikowej. Pozwala też na swobodne przenoszenie zmiennych pomiędzy projektowanymi urządzeniami wszystko w ramach jednej bazy danych projektowych. Dzięki temu można uniknąć wielu błędów w aplikacjach. 5
Programowanie mikrokontrolerów ATmega Edukacyjny zestaw EDB (Educational Development Board) jest wprowadzeniem do świata elektroniki i mikrokontrolerów. Zestaw EDB wraz z elektronicznymi elementami, pomaga w nauce elektroniki i programowaniu mikrokontrolerów. Poznawanie elektroniki wspierane jest licznymi eksperymentami. Praktyczne eksperymenty przebiegają w sposób logiczny, zachęcając do przeprowadzenia kolejnego eksperymentu. W eksperymentach kładziony jest nacisk na współpracę zwykłych elementów elektronicznych jak rezystory, diody LED z mikrokontrolerami. Wiedza o mikrokontrolerach wynika z kolejnych eksperymentów. Uczestnicy ćwiczeń poznają zasady programowania mikrokontrolerów w języku BASCOM, poznają różne sposoby przekazywania programu do mikrokontrolera. Język BASCOM umożliwia szybkie programowanie, ponieważ ma wbudowane wiele gotowych funkcji i procedur do obsługi urządzeń peryferyjnych, jak: wyświetlacze, interfejsy komunikacyjne, klawiatury. 6
Badanie samochodowej magistrali CAN Zestaw ćwiczeń pozwala uczestnikom na zapoznanie się różnymi systemami sieciowymi w pojazdach, topologią i składnikami sieci, eksperymentalne określenie własności elektrycznych magistrali CAN. Ponadto ćwiczenia obejmują zapoznanie się z zasadami adresowania węzłów i arbitrażu, co decyduje o kolejności dostępu do sieci. W dalszej kolejności następuje określenie identyfikatora węzła metodą pomiarową oraz analiza pakietu CAN przy użyciu monitora CAN oraz oscyloskopu. Ponadto w ramach ćwiczeń można zapoznać się z zasadami edycji i transmisji wiadomości CAN przy użyciu komputera i pomiarami parametrów magistrali CAN wysokiej prędkości. Można także symulować błędy, które mogą wystąpić w trakcie transmisji. 7
Stanowisko: Sensory i aktuatory Stanowisko zawiera zestaw czujników i elementów wykonawczych stosowanych w układach zasilania silników spalinowych. Umożliwia poznanie budowy i działania tych elementów oraz wykonanie pomiarów elektrycznych i charakterystyk pracy. Pozwala na wykonanie następujących ćwiczeń: - badanie zespołów przepustnic, - badanie zaworów EGR, powietrza dodatkowego, biegu jałowego, - badanie aparatów zapłonowych, - badanie sterowników zapłonu, - badanie instalacji oświetleniowej, centralnego zamka, alarmu, - kontrola czujników: spalania stukowego, temperatury, sondy lambda, prędkości obrotowej, przyspieszeń, ciśnienia, poziomu paliwa, - badanie czujników ciśnienia bezwzględnego, - badanie przepływomierza powietrza. 8
Stanowisko do demonstracji działania i badania układu zasilania typu common rail do silnika z zapłonem samoczynnym Stanowisko umożliwia pomiar i obserwację parametrów pracy pompy wysokiego ciśnienia i elektrowtryskiwaczy oraz parametrów pracy układu sterowania pompy i elektrowtryskiwaczy. Możliwa jest również diagnostyka układu poprzez złącze systemu OBD II przy pomocy testerów, np. KTS 650. 9
Stanowisko do demonstracji działania i badania układu ABS/ASR Stanowisko umożliwia obserwację działania systemu automatycznej regulacji sił hamowania ABS oraz systemu zapobiegania nadmiernemu poślizgowi kół przy napędzie ASR. Umożliwia pomiary napięć wejściowych i przebiegów sygnałów wyjściowych jako odpowiedzi sterownika. Możliwa jest obserwacja zmian ciśnienia w obwodach hydraulicznych hamulców. Stanowisko pozwala na symulację typowych awarii, np. niesprawności czujników, zaworów elektromagnetycznych. 10
System klimatyzacji pojazdu typu Climatronic Stanowisko przeznaczone jest do demonstracji budowy i działania samochodowego układu klimatyzacji. Umożliwia pomiar parametrów czynnika roboczego w obwodach niskiego i wysokiego ciśnienia oraz parametrów elektrycznych systemu sterowania. Możliwa jest również diagnostyka i poznanie zasad obsługi tego układu. 11
Stanowisko OBD II Stanowisko laboratoryjne systemu diagnostyki pokładowej OBD II stanowi symulator sprzętowy usterek elektrycznych zarówno po stronie czujników jak i elementów wykonawczych w układzie sterowania silnika spalinowego ZI z wtryskiem wielopunktowym. Oprogramowanie wraz z uniwersalnym interfejsem OBD II umożliwia odczyt rodzaju usterki, przegląd i rejestrację wybranych parametrów bieżących w układzie sterowania oraz przeprowadzenie testów diagnostycznych. Istnieje również możliwość rejestracji przebiegów czasowych zarówno sygnałów z czujników jak również sygnałów wyjściowych sterownika (prądy wtryskiwaczy, transformatorów zapłonowych, silnika krokowego) za pomocą oscyloskopu cyfrowego. 12
Diagnostyka samochodowa Diagnoskop samochodowy FSA 740 jest przyrządem modułowym, który pozwala na badanie parametrów elektrycznych osprzętu silnika i innych układów pojazdu. Dwukanałowy oscyloskop pozwala na pomiar i rejestrację szybkozmiennych przebiegów napięciowych, np. w układzie zapłonowym, zasilania, przebiegi napięć w elektromagnesach wtryskiwaczy, napięcia alternatora, wartości prądów, np. rozruchu. Możliwe są pomiary ciśnienia i temperatury. Diagnoskop posiada również moduł testera i moduł analizatora spalin. Oprogramowanie diagnoskopu posiada szeroką bazę danych umożliwiającą szybką ocenę uzyskiwanych wyników badań. 13
Pojazdy hybrydowe Pojazdy hybrydowe wyposażone są w silniki: elektryczny i spalinowy. Taki układ pozwala na optymalne wykorzystanie obu źródeł napędu, a szczególnie na pracę silnika spalinowego w zakresie maksymalnej sprawności. Możliwa jest jazda z napędem od obu silników równocześnie, lub jazda z napędem elektrycznym w obszarze szczególnie chronionym przez zanieczyszczeniami motoryzacyjnymi. Zastosowanie tego typu napędu hybrydowego pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa o około 40% w stosunku do pojazdu tego samego typu wyposażonego tylko w silnik spalinowy. W ramach ćwiczenia studenci poznają budowę układu napędowego, rodzaje zasilania elektrycznego, zasady rozdziały mocy, wykonują jazdy samochodem hybrydowym oraz analizują rzeczywiste wykorzystanie napędu elektrycznego i spalinowego w warunkach jazdy miejskiej. 14
Napędy elektryczne w pojazdach W oparciu o pojazd z napędem elektrycznym typu Melex realizowane są ćwiczenia z zakresu napędów elektrycznych prądu stałego. W wózku Melex zainstalowany jest napęd elektryczny oparty na obcowzbudnym silniku prądu stałego SEPEX o mocy 3.9 kw. Zarządzanie transferem i przetwarzaniem energii realizowane jest przez mechatroniczny sterownik pracujący w trybie przekształtnika DC/DC typu BUCK/BOOST. Sterownik umożliwia precyzyjną regulację prędkości obrotowej silnika (także prędkości jazdy) poprzez impulsowe sterowanie (PWM) napięciem twornika. System ma także możliwość odzysku energii podczas hamowania pojazdu i transfer energii do baterii. Proces hamowania elektrycznego pojazdu może przebiegać wg różnych kryteriów: maksymalnej ilości odzyskanej energii, maksymalnego komfortu zatrzymania pojazdu, itp. Poprzez programator sterownika użytkownik ma dostęp do ustawiania parametrów jazdy, stylu hamowania lub rozpędzania, prędkości maksymalnej, itp. W trakcie ćwiczeń uczestnicy poznają zasady budowy i działania napędów elektrycznych DC oraz biorą udział w testach jezdnych z programowaniem parametrów napędu. 15
Kontakt Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków Kierownik specjalności Mechatronika: dr hab. inż. Andrzej Gajek e-mail:gajeka@mech.pk.edu.pl; zjuda@pk.edu.pl Tel: 12 6283530, 12 6283546, 12 6283371 WWW: http://m6.mech.pk.edu.pl/air/ WWW: http://riad.usk.pk.edu.pl/~m-4/ Opracowanie graficzne: Marek S. Kowalski 16