Elektronické řízení brány (PE4/2011)

Toto zařízení jsem vytvořil na žádost kolegy z práce. Sám si vyrobil elektricky otevíraná vrata, ale potřeboval elektroniku, která je bude řídit. Díky tomu, že jsem v té době začínal s mikropočítači, to pro mne byla zajímavá výzva, a tak se chci podělit o výsledek mého snažení. Konstrukce vyšla v Praktické elektronice 4/2011.

Zadání konstrukce

1	Brána musí mít ruční a automatický režim volitelný přepínačem.
2	V ručním režimu není aktivní optická závora a nejsou aktivní žádné časy kromě hlídání motoru.
3	Brána musí být schopna sama zjistit svoji polohu a najet do základního postavení v jednotlivých režimech Auto/Ručně.
4	Brána musí rozpoznat chybu na snímačích koncových poloh.
5	Maximální jednoduchost ovládání.
6	Ochrana motoru při zaseknutí brány nebo jiném problému znemožňujícím pohyb brány.
7	Optická signalizace při pohybu brány, například majáček.
8	Možnost libovolného dálkového ovládání.
9	Maximální univerzálnost vstupů pro použití široké škály snímačů koncových poloh.
10	V automatickém režimu ovládání jediným stiskem.

Technické parametry

Napájecí napětí	230 V AC.
Napájení přijímače DO	12 V DC, nestabilizované.
Jištění	Trubičková pojistka F0,1 A.
Vstupy	Opticky oddělené.
Výstupy	Reléové.
Řízení	PIC16F630, případně PIC16F676.
Provozní teplota	-20 až 45 °C.
Deska	Jednostranný plošný spoj 100 x 75 mm s jednou drátovou propojkou.

Popis jednotlivých vstupů a výstupů

Možné chyby signalizované LED

LED svítí	Drobná chyba: je přerušená optická závora, optická závora je přerušená déle než jednu minutu, dojde k přerušení závory při zavírání, nebo při pohybu vrat nepřichází pulzy od S3. Chyba obvykle vyžaduje kvitaci tlačítkem.
LED bliká	Závažná chyba: jsou sepnuty zároveň S1 a S2, nebo je při zapnutí sepnuto tlačítko TLAC. Platí pro oba režimy, automat i ručně.

Inicializace a základní stav

Po zapnutí napájení se kontroluje, zda není sepnuto TLAC. Pokud je TLAC sepnuto, je to závažná chyba a čeká se na jeho uvolnění. Také jsou kontrolovány snímače S1 a S2, zda nejsou sepnuty současně. Dále se rozhoduje, v jakém režimu brána je, tedy automat nebo ručně. Všechny popsané kontroly jsou nezávislé na volbě režimu.

Automatický režim

V automatickém režimu se kontroluje, v jaké pozici jsou vrata. Pokud není aktivní žádná poloha, vrata se po 30 vteřinách automaticky zavřou. Pokud jsou vrata otevřená, také se po 30 vteřinách automaticky zavřou. To platí v případě, že optická závora není přerušena. Pokud je optická závora přerušena, čeká se jednu minutu na její uvolnění. Pokud není do minuty uvolněna, je to drobná chyba a vrata zůstávají ve stávající poloze až do uvolnění závory. Po následném uvolnění je nutné krátkým stiskem potvrdit poruchu, čímž zhasne chybová LED, a pak dojde automaticky po 30 vteřinách k uzavření. Vždy po uvolnění optické závory se čeká 30 vteřin a pak jsou vrata zavřena. Každé další přerušení během těchto třiceti vteřin čas opět prodlouží o dalších 30 vteřin.

Pokud jsou vrata v pohybu, je to signalizováno relé RE3 a zároveň se kontroluje S3, OPTZ a příslušný snímač koncové polohy. Základní a klidový stav je: vrata jsou zavřená, OPTZ není přerušena a je aktivní snímač S1. Při stisku TLAC se vrata otevřou. Jakmile se vrata otevírají nebo zavírají a dojde k přerušení OPTZ, jsou vrata naplno otevřena. Pokud během otevírání nebo již v otevřeném stavu dojde k uvolnění OPTZ, jsou vrata za 30 sekund opět zavřena. Při reverzaci při zavírání a současném přerušení OPTZ se nejprve vypne pohon zavírání a s přibližně 520ms prodlevou je sepnut opačný směr pohybu. Je to ochrana stykačové kombinace, aby nemohly být sepnuty oba stykače pohonu současně, a zároveň čas k zabrzdění pohybu.

Bránu je v automatickém režimu možné pouze otevřít tlačítkem nebo dálkovým ovladačem, a to až v momentě, kdy je v základní pozici. Při stisku TLAC je nutné dodržet přibližně 300ms dlouhý povel, aby byl platný. Kratší stisk TLAC nebo dálkového ovládání je brán jako náhodný a nechtěný a nemá na bránu vliv. Tato funkce závisí na použitém dálkovém ovládání, protože některá nemusí být schopná odeslat kratší impulz než 300 ms.

Chyby v automatickém režimu

Nepřicházejí impulzy od S3: vrata se zastaví a rozsvítí se červená LED signalizující drobnou chybu. Zároveň zůstává sepnuto relé RE3, aby bylo opticky signalizováno, že nastal problém v pohonu. LED1 signalizuje stav snímače otáček motoru S3. Stiskem TLAC stačí krátký stisk pro kvitaci. Pokud byl problém odstraněn a chyba potvrzena, zhasne chybová LED a brána se po 30 vteřinách rozjede do základní polohy zavřeno bez ohledu na to, kam jela v okamžiku poruchy. Pokud porucha trvá, brána po 30vteřinové prodlevě zůstane stát a opět vyhlásí chybu.

Jsou sepnuty zároveň S1 a S2: tento stav se kontroluje vždy při stisku TLAC nebo před najetím do základní polohy. Pokud tato situace nastane, je to závažná chyba a rozbliká se červená LED. Pohon se samozřejmě nezapne. Pokud k této situaci dojde v momentě, kdy je brána v pohybu, dokončí se pohyb na příslušný koncový snímač a brána zatím nevykazuje chybu. Až při pokusu o nový pohyb je problém detekován a nahlášen. Dokud se závada neodstraní, brána je kompletně vyřazena z činnosti. Odstranění závady je detekováno automaticky a nemusí se potvrzovat. V automatickém režimu se vrata po 30 vteřinách pokusí najet do základní polohy. Pokud jsou aktivní S1 a S2, někdo drží TLAC a v ten moment je závada odstraněna, vrata se nerozjedou a stále je signalizována závažná chyba. Teprve po uvolnění tlačítka je chyba smazána a je možný další provoz.

OPTZ přerušena déle než jednu minutu: je to drobná chyba signalizovaná svitem LED a je nutná kvitace krátkým stiskem tlačítka. Pokud chyba přetrvává i při stisku tlačítka, nejde vykvitovat, dokud není problém odstraněn. Pokud je optická závora přerušena při zavřené bráně, svítí LED. U krátkodobého přerušení do jedné minuty je chyba automaticky zrušena, delší přerušení se chová jako předchozí chyba.

Ztráta základní polohy na S1: pokud je brána v základní poloze a z nějakého důvodu dojde ke ztrátě polohy na S1, brána se po 30 vteřinách pokusí opět dosáhnout základní polohy. Pokud se to podaří, je ztráta polohy následně s 30vteřinovou prodlevou signalizována krátkým probliknutím LED. Krátkým probliknutím LED je signalizováno i to, když během 30 vteřin brána na S1 opět získá pozici. K této situaci může dojít například při silném větru a špatném seřízení koncových snímačů.

Časy v automatickém režimu

Prodleva na S3	cca 1 vteřina, stejné i v ručním režimu.
Prodleva před pohybem brány	cca 30 vteřin.
Prodleva na OPTZ	cca 1 minuta.
Prodleva před reverzací	cca 500 ms.

Ruční režim

V ručním režimu vrata ignorují OPTZ a veškeré časovače. Zároveň se nesnaží vrátit do výchozí polohy. Funguje pouze ovládání přes TLAC, samozřejmě i dálkovým ovládáním. Jedním stiskem dojde k otevření nebo zavření podle momentální pozice. Pokud jsou například zavřené, otevřou se, a naopak.

V případě, že jsou vrata v nedefinované poloze, jsou po stisku TLAC otevřena. Je to z bezpečnostních důvodů, protože v tomto režimu je ignorována závora. Reverzace pohybu brány je možná teprve po najetí do nějaké koncové polohy, tedy zavřeno nebo otevřeno.

Brána se v ručním režimu ovládá pouze tlačítkem nebo dálkovým ovladačem. Tlačítko se musí podržet přibližně 300 ms, aby byl povel brán jako platný. Kratší stisk se považuje za náhodný a nemá na bránu žádný vliv. Stejný čas je nutné dodržet i na dálkovém ovladači. Jedná se o ochranu náhodného nechtěného sepnutí tlačítka.

Chyby v ručním režimu

Nepřicházejí impulzy od S3: vrata se zastaví a rozsvítí se červená LED signalizující drobnou chybu. Zároveň zůstává sepnuto relé RE3 pro lepší optickou signalizaci problému v pohonu. LED1 signalizuje stav snímače S3. Opětovným stiskem TLAC lze chybu potvrdit a pokusit se o další pohyb brány. Pokud je brána v době chyby ještě nebo už v poloze zavřeno nebo v nedefinované poloze, pokusí se otevřít bez ohledu na směr posledního pohybu. Pokud je v poloze otevřeno, pokusí se zavřít. Pokud závada na motoru nebo snímači S3 stále trvá, je opět nahlášena porucha a pohon se vypne.

Jsou sepnuty zároveň S1 a S2: tento stav se kontroluje vždy při stisku TLAC. Pokud nastane, je to závažná chyba a rozbliká se červená LED. Pohon se nezapne. Pokud k této situaci dojde při pohybu, dokončí se pohyb na příslušný koncový snímač a chyba se projeví až při pokusu o nový pohyb. Dokud se závada neodstraní, je brána kompletně vyřazena z činnosti. Odstranění závady je detekováno automaticky a nemusí se potvrzovat, ale vrata se v žádném případě sama nerozjedou, je nutný nový povel k pohybu. Pokud jsou aktivní S1 a S2, někdo drží TLAC a v ten moment je závada odstraněna, vrata se nerozjedou a stále je signalizována závažná chyba. Teprve po uvolnění TLAC je chyba smazána a je možný další provoz.

V ručním režimu řízení brány pracuje s jediným časem, a to s prodlevou na S3, odkud přicházejí pulzy od motoru. Pokud je motor, tedy brána, v pohybu, musí dojít každou přibližně jednu vteřinu ke změně stavu na S3.

Hardwarové řešení

Celé zařízení je osazeno na jednostranné desce plošných spojů s jednou drátovou propojkou. Zařízení je napájeno přímo ze sítě 230 V a toto napětí je přivedeno na svorky X1. Přes pojistku je napětí přivedeno na transformátor 9 V / 1,9 VA. Napájení procesoru PIC16F630 nebo PIC16F676 je zajištěno diodovým můstkem a stabilizátorem napětí 78L05. LED1 signalizuje zapnutí zařízení. Jednotlivá relátka jsou na 12 V a jsou připojena přímo na kladné napětí za usměrňovacím můstkem.

Instalace zařízení

Celé řízení brány obsahuje základní jednotku samotného řízení, ke které se připojují veškeré okolní periferie. Dálkové ovládání je vyřešeno pomocí modulů pro přenos digitálního signálu na frekvenci 868 MHz. Přijímač dálkového ovládání se se základní jednotkou propojuje dvěma napájecími vodiči do svorky RX Nap a jedním datovým vodičem na konektor JP2, střední kolík. Přijímač lze napájet napětím 7-24 V DC a napětí nemusí být stabilizované. Bližší informace k modulům dálkového ovládání jsou v katalogovém listu přiloženém k dokumentaci.

Veškeré koncové snímače polohy S1, S2 a S3 se připojují na příslušné svorky základní jednotky. Lze použít mechanické koncové spínače nebo elektronické indukční snímače. S3 snímá otáčky motoru. Vhodné použití tohoto snímače je na ozubeném převodu, kde jsou snímány jednotlivé zuby.

Optická závora se připojuje na svorky OPTZ. Pro vyšší bezpečnost je možné zařadit několik závor, například v různých výškách, sériově. Vhodné jsou laserové závory s modulovaným paprskem kvůli vyšší odolnosti vůči rušení.

Protože řízení brány může pracovat ve dvou režimech RUČNĚ a AUTOMAT, je možné připojit na svorky VIP přepínač, kterým se bude patřičný režim volit. Zároveň je možné nastavit pracovní režim jumperem JP1. Pokud je osazen, brána bude pracovat v ručním režimu. Pokud osazen není, je aktivní automatický režim.

Pokud je potřeba, je možné pomocí konektorů JP3 a JP4 vyvést signalizační kontrolky například na kryt zařízení. V takovém případě by se měly použít nízkoodběrové LED, přibližně 2 mA.

Výstupy pro pohon jsou řešeny pomocí relé RE1 a RE2. Maximální zatížení kontaktů je 2 A / 24 V. Pro spínání motoru je vhodné je posílit stykačem, případně stykačovou kombinací doplněnou tepelnou ochranou. RE3 je použito pro spínání majáčku nebo jiné optické signalizace. Maximální zatížení kontaktu RE3 je 1 A / 24 V. Pokud je potřeba vyšší proud nebo napětí, je vhodné použít odpovídající relé nebo stykač.

Celé zařízení by mělo být instalováno ve vhodné přístrojové krabičce s ohledem na okolní vlivy v místě použití.

Schéma zapojení

Plošný spoj a osazovací plán

Plošný spoj je vytvořen na jednostranné desce o velikosti 100 x 75 mm. Při osazování součástek by neměl nastat žádný problém. Při pečlivé práci zařízení pracuje na první zapojení a není třeba nic nastavovat. Nezapomeňte osadit drátovou propojku.

Konfigurace procesoru

Dokumentace

Zde si můžete stáhnout veškerou dokumentaci pro stavbu včetně programu pro procesor. Dokumentace obsahuje také projekt pro Eagle. Dne 20. 7. 2010 byla doplněna úprava pro možnost zavření brány v automatickém režimu tlačítkem; více informací je v diskusi nebo v samotné dokumentaci.

Prohlášení

Tato konstrukce je autorská práce a není povoleno bez souhlasu autora přejímání na jiné stránky nebo komerční využití. Je povoleno pouze odkazovat na tento web a tuto konstrukci. Autor zároveň nepřebírá jakoukoli odpovědnost za chování zařízení a případné škody způsobené použitím tohoto zařízení, ať by byly jakéhokoli rázu. Zařízení je určeno pouze k užití pro vlastní potřebu.

V této konstrukci je použit program mikrokontroleru, na který se vztahují autorská práva. Na program je udělena zdarma licence pro užití pro vlastní potřebu. Jakýkoli prodej není bez souhlasu autora možný.