MINISTERSTWO EDUKACJI
i NAUKI
Marian BÄ…czkowski
Projektowanie układów sterowania w urządzeniach
i systemach mechatronicznych 311[50].Z1.04
Poradnik dla nauczyciela
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2005
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
Recenzenci:
mgr inż. Maria Suliga
mgr inż. Anna Sierba
Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Katarzyna Maćkowska
Konsultacja:
dr inż. Janusz Figurski
Korekta:
mgr Joanna Iwanowska
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[50].Z1.04
Projektowanie układów sterowania w urządzeniach i systemach mechatronicznych zawartego
w modułowym programie nauczania dla zawodu technik mechatronik
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
1
SPIS TREÅšCI
1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wstępne 4
3. Cele kształcenia 5
4. Przykładowe scenariusze zajęć 6
5. Ćwiczenia 9
5.1. Struktura urządzeń i systemów mechatronicznych 9
5.1.1. Ćwiczenia 9
5.1.2. Sprawdzian postępów 10
5.2. Sygnały w urządzeniach i systemach mechatronicznych 10
5.2.1. Ćwiczenia 10
5.2.2. Sprawdzian postępów 11
5.3. Rodzaje, budowa, funkcje i parametry sterowników PLC 12
5.3.1. Ćwiczenia 12
5.3.2. Sprawdzian postępów 13
5.4. Regulatory w urzÄ…dzeniach i systemach mechatronicznych 13
5.4.1. Ćwiczenia 13
5.4.2. Sprawdzian postępów 14
5.5. Falowniki w urzÄ…dzeniach i systemach mechatronicznych 14
5.5.1. Ćwiczenia 14
5.5.2. Sprawdzian postępów 15
5.6. Zasady współdziałania pomiędzy sterownikami, regulatorami
i falownikami 15
5.6.1. Ćwiczenia 15
5.6.2. Sprawdzian postępów 16
5.7. Zasady projektowania urządzeń i systemów mechatronicznych 17
5.7.1. Ćwiczenia 17
5.7.2. Sprawdzian postępów 18
6. Ewaluacja osiągnięć ucznia 19
7. Literatura 26
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
2
1. WPROWADZENIE
Przekazujemy Państwu Poradnik dla nauczyciela, który będzie pomocny
w prowadzeniu zajęć dydaktycznych w szkole kształcącej w zawodzie technik mechatronik.
W poradniku zamieszczono:
 wymagania wstępne, wykaz umiejętności, jakie uczeń powinien mieć już ukształtowane, aby
bez problemów mógł korzystać z poradnika,
 cele kształcenia, wykaz umiejętności, jakie uczeń ukształtuje podczas pracy
z poradnikiem,
 przykładowe scenariusze zajęć,
 przykładowe ćwiczenia ze wskazówkami do realizacji, zalecanymi metodami nauczania-
uczenia się oraz środkami dydaktycznymi,
 ewaluację osiągnięć ucznia, przykładowe narzędzia pomiaru dydaktycznego.
Wskazane jest, aby zajęcia dydaktyczne były prowadzone różnymi metodami ze
szczególnym uwzględnieniem aktywizujących metod nauczania, np. samokształcenia
kierowanego, tekstu przewodniego.
Formy organizacyjne pracy uczniów mogą być zróżnicowane, począwszy od samodzielnej
pracy uczniów do pracy zespołowej.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
2. WYMAGANIA WST
PNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej uczeń powinien umieć:
- stosować układ SI,
- posługiwać się podstawowymi pojęciami z zakresu techniki cyfrowej, elektroniki, maszyn
elektrycznych, właściwości członów elementarnych automatyki,
- obsługiwać komputer na poziomie podstawowym,
- korzystać z różnych z
ródeł informacji.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
4
3. CELE KSZTAA
CENIA
W wyniku realizacji ćwiczeń podanych w poradniku uczeń powinien umieć:
 przeanalizować działania urządzeń i systemów mechatronicznych,
 wyjaśnić funkcje urządzeń sterujących w urządzeniach i systemach mechatronicznych,
 scharakteryzować parametry urządzenia sterującego w urządzeniach mechatronicznych,
 dobrać urządzenie sterujące do zastosowania w urządzeniach i systemach
mechatronicznych,
 dobrać elementy wykonawcze urządzeń i systemów mechatronicznych,
 dobrać układy i urządzenia zasilające elementy wykonawcze,
 dobrać czujniki i przetworniki pomiarowe w urządzeniach i systemach mechatronicznych,
 dobrać urządzenia do regulacji parametrów urządzeń i systemów mechatronicznych,
 narysować schemat połączeń urządzenia / systemu mechatronicznego,
 posłużyć się technologią informatyczną podczas projektowania urządzeń i systemów
mechatronicznych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
4. PRZYKA
ADOWE SCENARIUSZE ZAJ
Ć
Scenariusz zajęć 1
Temat: Identyfikacja algorytmów regulatora
Cel ogólny: kształtowanie umiejętności identyfikacji algorytmów regulacji.
Po zakończeniu zajęć edukacyjnych uczeń potrafi:
 rozpoznać elementy struktury funkcjonalnej regulatora,
 konfigurować strukturę regulatora,
 parametryzować elementy struktury,
 współpracować w grupie,
 poszukać specjalistycznych informacji w ogólnodostępnych z
ródłach informacji.
Metody nauczania uczenia siÄ™:
 praca w grupach,
 pokaz.
Formy organizacyjne pracy uczniów:
- praca w małych zespołach.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczno-ruchowa regulatora,
 tablice konfiguracyjne regulatora,
 literatura zgodnie z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela.
 schematy podstawowych struktur regulacji.
Czas trwania:
2 godziny lekcyjne  (2x45 min).
Uczestnicy:
Uczniowie klasy III technikum.
Przebieg zajęć:
1. Wprowadzenie.
2. Uświadomienie celów zajęć.
3. Plan zajęć:
A. Identyfikacja bloków funkcjonalnych na schematach struktur regulacyjnych:
 wstęp  należy wyjaśnić uczniom znaczenie symboli graficznych występujących
w podstawowych strukturach układów regulacji,
 uczniowie otrzymujÄ… schematy podstawowych struktur,
 pracując w grupie uczniowie sporządzają wspólne listy występujących na schematach
bloków funkcyjnych.
B. Funkcje elementów:
 wstęp, należy krótko scharakteryzować uczniom poszczególne grupy algorytmów
w układach regulacji zwracając uwagę na sposób ich adresowania,
 uczniowie pracujÄ…c w grupie obok symbolu elementu wpisujÄ… jego funkcjÄ™,
 uczniowie otrzymujÄ… tablice konfiguracyjne regulatora,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
 pracując w grupie uczniowie sporządzają wspólną listę podziału elementów na grupy
funkcyjne.
C. Funkcja elementu w układzie sterowania:
 wstęp, nauczyciel krótko charakteryzuje sposób rysowania schematów układów
regulacji, zwracając uwagę uczniom na połączenia elementów na schemacie,
 uczniowie pracując w małych grupach, korzystając z literatury wypisują przy nazwie
każdego elementu jego funkcję w układzie sterowania,
 pracując w grupie uczniowie w drodze dyskusji sporządzają wspólną listę opisującą
strukturę układu regulacji ze szczególnym wskazaniem bloków funkcjonalnych.
4. Podsumowanie lekcji:
 uczniowie wymieniają podstawowe bloki funkcjonalne występujące w strukturach
układu regulacji,
 nauczyciel zwraca uwagÄ™ na powiÄ…zanie symbolu graficznego elementu z jego funkcjÄ….
5. Ocena poziomu osiągnięć uczniów i ocena ich aktywności.
Scenariusz zajęć 2
Temat: Wyznaczanie charakterystyk regulatorów
Cel ogólny: kształtowanie umiejętności wyznaczania charakterystyk regulatorów.
Po zakończeniu zajęć edukacyjnych uczeń potrafi:
 obsługiwać regulator cyfrowy,
 analizować charakterystyki statyczne regulatora,
 analizować charakterystyki skokowe regulatora,
 pracować w grupie,
 pozyskiwać i korzystać z informacji,
 prezentować wyniki pracy.
Metody nauczania-uczenia siÄ™:
 ćwiczenia laboratoryjne,
 pokaz.
Umiejętności ponadzawodowe
W czasie zajęć uczeń powinien kształtować umiejętności:
 korzystania z różnych z
ródeł wiedzy,
 pracy zespołowej,
 komunikacji interpersonalnej,
 operatywności i kreatywności.
Formy organizacyjne pracy uczniów:
 praca w małych grupach.
Åšrodki dydaktyczne:
 stanowiska dla trzech grup 3 osobowych, zawierajÄ…ce regulator cyfrowy, komputer
z właściwym dla regulatora oprogramowaniem dydaktycznym,
 3 zestawy pytań kontrolnych z zakresu algorytmiki regulatorów,
 3 instrukcje, dotyczące badania regulatorów,
 podręczniki i plansze,
 papier kancelaryjny i milimetrowy, ołówki i kolorowe mazaki.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
7
Czas trwania zajęć:
3 godz. lekcyjne (3x 45 min).
Przebieg zajęć:
1. Część organizacyjno-porządkowa (5 min):
 wpisanie tematu i frekwencji do dziennika lekcyjnego,
 zapisanie tematu na tablicy,
 zapoznanie uczniów z celami zajęć i organizacją pracy
podczas ich realizacji.
2. Część powtórzeniowo-utrwalająca (10 min):
Nauczyciel adresuje pytania kontrolne do całego zespołu uczniów. Uczniowie
odpowiadają, przypominają sobie materiał korzystając z notatek w zeszytach.
Nauczyciel promuje dobre odpowiedzi plusami.
3. Część organizacyjno-wprowadzająca (10 min ):
Nauczyciel dokonuje wprowadzenia do nowego tematu, dotyczÄ…cego wyznaczania
charakterystyk: przypomina klasie temat zajęć i zapoznaje z koncepcją pracy w
grupach laboratoryjnych.
Każda grupa zajmuje miejsce przy zaznaczonych stanowiskach oraz otrzymuje
instrukcjÄ™, arkusz papieru kancelaryjnego i milimetrowego. Nauczyciel przedstawia
ogólną charakterystykę nowego tematu i systematyzuje jego elementy
w poszczególnych grupach Określa głośno zasadnicze zadania grup.
4. Ćwiczenia z instruktażem bieżącym (70 min):
Uczniowie pracują w grupach wg instrukcji. Nauczyciel chodzi i obserwuje, włącza
siÄ™ do dyskusji, sugeruje, naprowadza na rozwiÄ…zanie zadania, odpowiada na pytania,
poprawia błędy rozumowania oraz promuje uczniów szczególnie zaangażowanych
w pracÄ™ plusami. Na otrzymanych arkuszach papieru kancelaryjnego i milimetrowego
uczniowie piszą i rysują wyniki pracy. Dokonują sprawdzenia swych wyników na
symulatorze komputerowym.
5. Referowanie wyników pracy (25 min):
Każda grupa problemowa ma 5 min. na zreferowanie wyników pracy, tj.
przedstawienie schematów układu, ich właściwości oraz obliczeń i wyników swoich
zadań. Referuje lider, którego spośród siebie wybierają uczniowie.
Każda grupa wystawia sobie ocenę w skali od 0 do 2 pkt.
6. Podsumowanie i uporzÄ…dkowanie nabytej wiedzy (15 min):
Dla podsumowania oraz uporzÄ…dkowania wiedzy nauczyciel prezentuje plansze
z typowymi charakterystykami i stawia pytania o charakterze szczegółowym.
Każdy uczeń może wykorzystać zdobytą wiedzę, odpowiadając na zadawane
pytania. Nauczyciel ocenia odpowiedz
oraz poddaje ocenie łączną aktywność grupy.
Proponuje oceny dla uczniów, którzy otrzymali więcej niż jeden punkt, stosując skalę
od oceny dopuszczającej do celującej w następujący sposób:
2 pkt  ocena dopuszczajÄ…ca,
3 pkt  ocena dostateczna,
4 pkt  ocena dobra,
5 pkt  ocena bardzo dobra,
6 pkt  ocena celujÄ…ca.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
5. ĆWICZENIA
5.1. Struktura urządzeń i systemów mechatronicznych
5.1.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Na podstawie wybranego z kart katalogowych przez ćwiczących urządzenia
mechatronicznego, dokonać pogrupowania zadań sterowania z wyodrębnieniem bloków, zadania
te realizujÄ…cych.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) zapoznać się z kartą katalogową wybranego urządzenia mechatronicznego,
2) wynotować bloki układu sterowania i realizowane przez nie zadania.
Zalecane metody nauczenia uczenia siÄ™:
 miniwykład,
 pokaz,
 dyskusja w grupie.
Åšrodki dydaktyczne:
 karty katalogowe urządzeń mechatronicznych,
 rzutnik z foliogramami rozwiązań urządzeń mechatronicznych,
 literatura zgodna z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela , poz.: [1], [5], [8].
Ćwiczenie 2
Zakładając, że system mechatroniczny to robot w otoczeniu zmywarki do naczyń kuchennych oraz
półek w szafce, zaproponować sposób konfiguracji i działania systemu.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) zapoznać się z dokumentacją zmywarki,
2) wykonać niezbędny szkic sytuacyjny, określić wyposażenie robota, zapisać w punktach algorytm
działania systemu.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
Zalecane metody nauczenia uczenia siÄ™:
 miniwykład,
 pokaz,
 dyskusja w grupie.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja robotów użytkowych oraz zmywarki,
 foliogramy,
 literatura zgodna z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [1], [5], [8].
.
5.1.2. Sprawdzian postępów
Tak Nie
Uczeń potrafi:
1) określić zadania mikroprocesora w urządzeniu mechatronicznym
2) scharakteryzować zadania układu sterowania w urządzeniu
mechatronicznym
3) wyjaśnić pojęcie mechatronicznego obiektu sterowania
4) wyjaśnić rolę sensorów w systemie mechatronicznym
5) wskazać przykłady mechatronicznych urządzeń i systemów
5.2. Sygnały w urządzeniach i systemach mechatronicznych
5.2.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
WykorzystujÄ…c sterowane z
ródło napięcia stałego, zaprojektuj prosty 4 bitowy przetwornik
A/D z użyciem wybranej metody.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) określić zakres zmian napięcia,
2) określić zbiór elementów przetwornika, adekwatnych do metody przetwarzania,
3) zbudować układ i dokonać jego analizy.
Zalecane metody nauczania uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
10
Åšrodki dydaktyczne:
 instrukcja do ćwiczenia z opisami używanych elementów,
 elementy do budowy prostych przetworników A/D,
 przetworniki scalone,
 sprzęt pomiarowy: oscyloskop, generator, zestawy wskaz
ników diodowych,
 zadajnik sygnałów sterujących, zasilacz prądu stałego.
Ćwiczenie 2
Zaprojektuj i zbuduj prosty przetwornik D/A.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) narysować schemat blokowy układu przetwornika D/A,
2) z elementów wskazanych przez prowadzącego zbudować przetwornik,
3) przeprowadzić jego badania.
Zalecane metody nauczania-uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
 instrukcja do ćwiczeń z opisami,
 elementy do budowy prostych przetworników,
 miernik napięcia,
 zasilacz prądu stałego.
5.2.2. Sprawdzian postępów
Uczeń potrafi: Tak Nie
1) wyjaśnić zasadę modulacji częstotliwościowej sygnałów
2) dokonać konwersji zapisu sygnału analogowego na postać cyfrową
3) scharakteryzować sygnał analogowy i podać kilka jego przykładów
4) wyjaśnić zasadę modulacji szerokości impulsu sygnałów
5) wskazać cechy sygnałów cyfrowych w urządzeniu
mechatronicznym
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
5.3. Rodzaje, budowa, funkcje i parametry sterowników PLC
5.3.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zapoznaj się z budową, działaniem i danymi technicznymi modułów we/wy sterownika.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) zapoznać się z opisem sterownika wskazanego przez prowadzącego,
2) narysować schemat budowy i działania sterownika,
3) przeanalizować możliwości modułów wejściowych i wyjściowych sterownika.
Zalecane metody nauczania-uczenia siÄ™:
 miniwykład,
 pokaz,
 dyskusja w grupie.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczna wskazanego sterownika,
 literatura zgodnie z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [3], [5].
Ćwiczenie 2
Zapoznaj siÄ™ ze strukturÄ… funkcjonalnÄ… sterownika.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) poznać podstawowe bloki funkcyjne sterownika wskazanego przez prowadzącego,
2) poznać metodę parametryzacji czasomierzy i liczników sterownika.
Zalecane metody nauczania uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczna wskazanego sterownika,
 komputer PC z odpowiednim dla sterownika oprogramowaniem.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
5.3.2. Sprawdzian postępów
Tak Nie
Uczeń potrafi:
1) określić przeznaczenia podstawowych modułów sterownikowych
2) wyjaśnić zasadę działania sterowników PLC
3) scharakteryzować realizację operacji wprowadzania i przekazywania danych
4) rozróżnić i realizować operacje czasowe procesu z użyciem sterownika
5) rozróżniać i realizować operacje licznikowe sterownika
5.4. Regulatory w urzÄ…dzeniach i systemach mechatronicznych
5.4.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zapoznaj się z budową, działaniem i danymi technicznymi modułów we/wy regulatora.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) zapoznać się z opisem regulatora wskazanego przez prowadzącego,
2) opisać i narysować bloki algorytmiczne regulatora,
3) poznać możliwości modułów wejściowych i wyjściowych regulatora.
Zalecane metody nauczenia uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczna wskazanego regulatora cyfrowego,
 instrukcja do ćwiczeń,
 literatura zgodnie z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [2], [4], [5].
Ćwiczenie 2
Zapoznaj siÄ™ ze strukturÄ… funkcjonalnÄ… regulatora.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres
i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
13
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) poznać podstawowe bloki funkcyjne regulatora wskazanego przez prowadzącego,
2) poznać metodę konfiguracji regulatora i parametryzacji wskazanych bloków.
Zalecane metody nauczenia uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
1) dokumentacja techniczna wskazanego regulatora cyfrowego,
2) regulator z odpowiednimi dla niego tablicami konfiguracyjnymi.
5.4.2. Sprawdzian postępów
Tak Nie
Uczeń potrafi:
1) scharakteryzować typy wejść i wyjść regulatorów cyfrowych?
2) opisać strukturę funkcjonalną regulatora cyfrowego?
3) wyjaśnić różnicę między algorytmami sterowania: pozycyjnym
i przyrostowym?
4) wyznaczać nastawy regulatorów metodą obiektu zastępczego?
5) wyznaczać nastawy regulatorów metodą Zieglera i Nicholsa?
5.5. Falowniki w urzÄ…dzeniach i systemach mechatronicznych
5.5.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dla wskazanego typu silnika dobierz falownik oraz urządzenia peryferyjne napędu.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) poznać dane katalogowe falowników wskazanych przez prowadzącego,
2) stosując algorytm doboru zdecydować, który z nich spełnia wymagania,
3) zdecydować o sposobie sterowania napędem.
Zalecane metody nauczania uczenia siÄ™:
 miniwykład,
 pokaz,
 dyskusja w grupie.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczna wskazanych falowników,
 literatura zgodnie z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [5], [9].
Ćwiczenie 2
Zapoznaj się z metodami programowania pracy napędu.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) poznać podstawowe bloki funkcyjne falownika wskazanego przez prowadzącego,
2) poznać metodę konfiguracji i parametryzacji sterownika mikroprocesorowego.
Zalecane metody nauczania-uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczna wskazanego falownika,
 komputer PC z odpowiednim dla falownika oprogramowaniem.
5.5.2. Sprawdzian postępów
Tak Nie
Uczeń potrafi:
1) wyjaśnić rolę i budowę inwertera w przetwornicy częstotliwości
2) wyjaśnić istotę sterowania wektorowego falownika
3) opisać najważniejsze dane techniczne falowników
4) podać przykłady urządzeń mechatronicznych z napędami falownikowymi
5) scharakteryzować typy wejść i wyjść obwodu sterowania falownika
5.6. Zasady współdziałania sterowników, regulatorów i falowników
5.6.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj konfiguracji sieci typu PROFIBUS DP wg normy DIN 19245.
Wskazówki do realizacji
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) poznać schemat układu sterowania procesu wskazanego przez prowadzącego,
2) dokonać konfiguracji elementów tego układu,
3) sparametryzować protokół komunikacyjny między elementami układu,
4) dokonać diagnostyki sieci.
Zalecane metody nauczania uczenia siÄ™;
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja sieci PROFIBUS DP,
 dokumentacja elementów układu sterowania procesu,
 literatura zgodnie z punktem7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [5], [6].
 komputer PC z wymaganym oprogramowaniem sieciowym.
Ćwiczenie 2
Uruchom komunikację wg protokołu RS 485.
Wskazówki do realizacji
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) dokonać przyłącza urządzenia do portu szeregowego komputera nadrzędnego typu PC,
2) wykorzystać konwerter RS232 Ò! RS485 wraz z odpowiednim kablem Å‚Ä…czeniowym,
3) uruchomić komunikację zgodnie ze standardem urządzeń.
Zalecane metody nauczania uczenia siÄ™:
 metoda ćwiczeń laboratoryjnych,
 pokaz.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja interfejsu RS485 i norma DIN 19245 PROFIBUS,
 urządzenie sterujące ze sprzęgiem RS485 i konwerterem + kable,
 literatura zgodnie z punktem7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [5], [6].
5.6.2. Sprawdzian postępów
Tak Nie
Uczeń potrafi:
1) uzasadnić potrzebę komunikacji między elementami systemu mechatronicznego
2) wyjaśnić zasadę transmisji asynchronicznej
3) opisać typowe topologie protokołów komunikacyjnych
4) podać cechy komunikacji w standardzie RS 485
5) określić format wiadomości wg protokołu PROFIBUS DP
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
5.7. Zasady projektowania urządzeń i systemów mechatronicznych
5.7.1. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Opracuj plan  technizacji ręcznego procesu montażu długopisów.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) zaproponować montaż w konfiguracji systemu mechatronicznego,
2) dokonać etatyzacji prac nad projektem,
3) dokonać oceny celowości wyboru.
Zalecane metody nauczenia-uczenia siÄ™:
 miniwykład,
 pokaz,
 dyskusja w grupie.
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja wyrobu wraz z oczekiwaniami rynku,
 katalogi elementów systemów mechatronicznych,
 literatura zgodnie z punktem 7 Poradnika dla nauczyciela, poz.: [1], [8].
Ćwiczenie 2
Zaprojektuj algorytmu sterownika pralki automatycznej.
Wskazówki do realizacji:
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia nauczyciel powinien omówić zakres i technikę
wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy.
Sposób wykonania ćwiczenia
Uczeń powinien:
1) opisać sposób działania pralki w cyklu automatycznym,
2) ustalić stany pracy pralki i przejścia między nimi,
3) narysować sieć działań systemu sterującego.
Zalecane metody nauczenia-uczenia siÄ™:
 miniwykład,
 pokaz,
 dyskusja w grupie.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
Åšrodki dydaktyczne:
 dokumentacja techniczna pralki,
 literatura zgodnie z punktem 7 Poradnik dla nauczyciela, poz.: [1], [8].
5.7.2. Sprawdzian postępów
Tak Nie
Uczeń potrafi:
1) wyjaśnić rolę mikroprocesora w urządzeniu mechatronicznym
2) określić postępowanie przy projektowaniu urządzenia
mechatronicznego
3) scharakteryzować kolejne kroki przy projektowaniu układu
sterowania
4) rozróżnić urządzenie i system mechatroniczny
5) wskazać bloki funkcjonalne w konkretnym urządzeniu
mechatronicznym
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
18
6. EWALUACJA OSI
GNI
Ć UCZNIA
Test 1
Test dwustopniowy do jednostki modułowej  Projektowanie układów
sterowania w urzÄ…dzeniach i systemach mechatronicznych
Test składa się z 10 zadań wielokrotnego wyboru, z których:
 zadania 1, 2, 3, 5, 9, 10 sÄ… z poziomu podstawowego,
 zadania 4, 6, 7, 8 sÄ… z poziomu ponadpodstawowego.
Punktacja zadań: 0 lub 1 punkt
Za każdą prawidłową odpowiedz
uczeń otrzymuje 1 punkt. Za złą odpowiedz
lub jej brak
uczeń otrzymuje 0 punktów.
Proponuje się następujące normy wymagań  uczeń otrzyma następujące
oceny szkolne:
 dopuszczający  za rozwiązanie co najmniej 4 zadań z poziomu podstawowego,
 dostateczny  za rozwiązanie co najmniej 5 zadań z poziomu podstawowego,
 dobry  za rozwiązanie 7 zadań, w tym co najmniej 1 z poziomu ponadpodstawowego,
 bardzo dobry  za rozwiązanie 9 zadań, w tym co najmniej 3 z poziomu ponadpodstawowego.
Klucz odpowiedzi: 1. b, 2. c, 3. a, 4. c, 5. d, 6. a, 7. c, 8. b, 9. b, 10. b
Plan testu
Nr Kategoria Poziom Poprawna
Cel operacyjny (mierzone osiągnięcia ucznia)
zad. celu wymagań odpowiedz

1. Identyfikować zadania aktora A P b
2. Definiować układ regulacji A P c
3. Definiować sygnał cyfrowy A P a
4. Wykonywać obliczenia A PP c
5. Rozpoznawać nazwy A P d
6. Interpretować zapisy i logiki liczb C PP a
7. Analizować działania całkujące C PP c
8. Interpretować wartości względne C PP b
9. Rozpoznawać działania falownika A P b
10. Rozpoznawać cechy systemów rozproszonych A P b
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
19
Przebieg testowania
Instrukcja dla nauczyciela
1. Ustal z uczniami termin przeprowadzenia sprawdzianu z wyprzedzeniem co najmniej
jednotygodniowym.
2. Przed rozpoczęciem testu przeczytaj uczniom instrukcję dla ucznia.
3. Zapytaj, czy uczniowie wszystko zrozumieli. Wszelkie wątpliwości wyjaśnij.
4. Nie przekraczaj przeznaczonego czasu na test.
Instrukcja dla ucznia
1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem pytań testowych.
4. Test zawiera 10 pytań. Do każdego pytania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi. Tylko
jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej
rubryce znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedz
zaznaczyć kółkiem,
a następnie ponownie zakreślić odpowiedz
prawidłową.
6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie na
póz
niej i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
8. Na rozwiÄ…zanie testu masz 45 min.
Powodzenia!
Materiały dla ucznia:
 instrukcja,
 zestaw pytań testowych,
 karta odpowiedzi.
Zestaw pytań testowych
1. Wielkością wyjściową aktorów jest zwykle:
a) ruch elementu wykonawczego,
b) energia lub moc mechaniczna,
c) natężenie prądu elektrycznego,
d) sygnał sterujący.
2. Układem regulacji jest:
a) układ, w którym występuje urządzenie sterujące,
b) układ sterowania programowego,
c) zamknięty układ sterowania,
d) układ, w którym rolę decyzyjną pełni człowiek.
3. Sygnał cyfrowy powstaje w wyniku:
a) dyskretyzacji przebiegu sygnału analogowego w czasie i w obszarze zmienności,
b) dyskretyzacji przebiegu sygnału analogowego w czasie,
c) dyskretyzacji sygnału analogowego w zakresie zmienności,
d) próbkowania sygnału analogowego.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
4. 8 bitowy sygnał cyfrowy może być reprezentantem maksymalnie:
a) 16 stanów sygnału,
b) 32 stanów sygnału,
c) 256 stanów sygnału,
d) 1024 stanów sygnału.
5. Modulacja PWM polega na odpowiedniej modyfikacji:
a) amplitudy impulsu,
b) amplitudy i szerokości impulsu,
c) częstotliwości impulsu,
d) szerokości impulsu.
6. Wynikiem logicznej operacji alternatywy na bajtach zapisanych w kodzie heksagonalnym,
jako: 9A i 6E jest:
a) FE,
b) 8,
c) 15.
d) BC.
7. Jeżeli czas całkowania obiektu regulacji wynosi Tc = 3[sek], to po czasie t = 6[sek] przyrost
jego sygnału wyjściowego po wymuszeniu z(t) = 5 *1(t) wyniesie:
a) 3 %,
b) 5 %,
c) 10 %,
d) 15 %.
8. Jeżeli wartość zadana SP wynosi 30 %, natomiast uchyb regulacji 10 %, to wartość
regulowana PV jest równa:
a) 25 %,
b) 27 %,
c) 33 %,
d) 36 %.
9. Sterowanie skalarne falownikiem polega na stabilizacji:
a) prÄ…du w uzwojeniach silnika Iwzb = const,
b) strumienia, uzyskiwanej na podstawie charakterystyk statycznych U/f = const,
c) wartości skutecznej napięcia zasilania UU V W = const,
d) częstotliwości napięcia zasilania uzwojeń silnika f = const.
10. Decentralizacja funkcji sterowniczych i przestrzenne rozproszenie elementów sterowania
cechuje:
a) systemy mechatroniczne o scentralizowanej strukturze,
b) systemy mechatroniczne o rozproszonej strukturze,
c) urządzenia mechatroniczne o budowie modułowej,
d) urzÄ…dzenia mechatroniczne o budowie kompaktowej.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
KARTA ODPOWIEDZI
ImiÄ™ i nazwisko ........................................................................................
Projektowanie układów sterowania w urządzeniach i systemach
mechatronicznych
Zakreśl poprawną odpowiedz
:
Nr Odpowiedz
Punkty
zadania
1 a b c d
2 a b c d
3 a b c d
4 a b c d
5 a b c d
6 a b c d
7 a b c d
8 a b c d
9 a b c d
10 a b c d
Razem:
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
Test 2
Test typu  próba pracy do jednostki modułowej  Projektowanie
układów sterowania w urządzeniach i systemach mechatronicznych
Próba pracy jest wykonywana samodzielnie przez zdającego. Podczas pracy jest on
obserwowany przez nauczyciela. Nauczyciel reaguje jedynie w przypadku, gdy uczeń naruszy
w rażący sposób zasady bezpieczeństwa i higieny pracy. Przerywa wtedy ćwiczenie i uczeń nie
zalicza próby pracy. Czas trwania próby pracy ustala nauczyciel (180 240 min). Po wykonaniu
zadania uczeń prezentuje nauczycielowi wynik swojej pracy. W trakcie wykonywania zadania
nauczyciel obserwuje ucznia, oceniając wykonywane czynności
w specjalnym arkuszu obserwacji. Próba pracy jest zaliczona wtedy, gdy uczeń uzyskał 75%
możliwych do uzyskania punktów.
Punktacja czynności: 0 lub 1 punkt
Za każdą prawidłowo wykonaną czynność uczeń otrzymuje 1 punkt, za nieprawidłowe lub nie
wykonanie czynności 0 punktów.
Proponuje się następujące normy wymagań  uczeń otrzymuje
następujące oceny szkolne:
 dopuszczający  za 10 punktów,
 dostateczny  za 11 punktów,
 dobry  za 12 punktów,
 bardzo dobry  za 15 punktów,
 celujący  za 16 punktów.
Plan testu
Lp. Cel operacyjny Kategoria Poziom
uczeń potrafi: celu wymagań
1. Sporządzić harmonogram wykonywanego zadania C PP
2 Sporządzić wykaz potrzebnego sprzętu C P
3. Zachować przepisy bhp przy pracy C P
4. Przygotować do pracy stanowisko C P
5. Wykonać połączenia zgodnie ze schematem C PP
6. Sprawdzić, czy elementy połączone są prawidłowo C P
7. Podać zasilanie elementów układu C P
8. Rozróżnić tryby pracy regulatora C P
9. Parametryzować bloki regulatora C PP
10. Ustawiać programowo wartość wzmocnienia C PP
11. Ustawiać i zbierać potrzebne informacje C P
12. Dokonywać zmian w regulatorze i obserwować ich efekty C P
13. Rysować charakterystyki statyczne regulatora C PP
14. Uporządkować stanowisko pracy C P
15. Zaprezentować otrzymane charakterystyki C P
16. Ocenić dokładność nastaw wzmocnienia regulatora C PP
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
Przebieg testowania
Instrukcja dla nauczyciela
1. Ustal z uczniami termin przeprowadzenia sprawdzianu z co najmniej jednotygodniowym
wyprzedzeniem.
2. Zapewnij uczniom samodzielność podczas wykonywania zadań.
2. Przed rozpoczęciem testu przeczytaj uczniom instrukcje dla ucznia.
3. Zapytaj, czy uczniowie wszystko zrozumieli. Wszelkie wątpliwości wyjaśnij przed
rozpoczęciem wykonywania przez uczniów zadania.
4. Podczas testu obserwuj wykonywane przez uczniów czynności.
5. Na bieżąco wypełniaj kartę obserwacji.
6. Przerwij ćwiczenie, jeśli uczeń w rażący sposób naruszy zasady bezpieczeństwa i higieny
pracy. Uczeń nie zalicza testu.
7. Nie przekraczaj czasu przeznaczonego na test.
8. Zaliczenie testu nastąpi, jeśli uczeń uzyskał co najmniej 75 % możliwych do uzyskania
punktów, czyli 12 punktów.
Instrukcja dla ucznia
1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Test typu próba pracy wykonujesz samodzielnie. Podczas pracy jesteś obserwowany przez
nauczyciela. Nauczyciel zareaguje jedynie w przypadku naruszenia w rażący sposób
zasady bezpieczeństwa i higieny pracy. Nauczyciel będzie oceniał wykonywane przez ciebie
czynności w czterech kolejnych kategoriach: planowanie, organizowanie, wykonanie,
prezentowanie.
3. Zapoznaj siÄ™ z zadaniem testowym.
4. Test zawiera jedno zadanie.
5. Na wykonanie zadania masz 45 minut.
Powodzenia!
Zadanie
Połącz układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku. Sporządz

harmonogram pracy, wykaz urządzeń i sprzętu do zaplanowanego zadania, wyznacz
charakterystykę statyczną regulatora P oraz dokonaj jej prezentacji i oceny dokładności
wzmocnienia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
24
Lp. Liczba
Czynności mierzone Punkty
punktów
I Planowanie
1. SporzÄ…dzanie harmonogramu wykonywanego zadania 1
2. Sporządzanie wykazu urządzeń i sprzętu potrzebnego
do wykonania zadania.
Wykaz powinien zawierać: 1
- regulator mikroprocesorowy  1 sztuka,
- rejestrator elektroniczny  1 sztuka,
- rejestrator pneumatyczny  1 sztuka,
- przetwornik pneumoelektryczny  1 sztuka,
- przetwornik elektropneumatyczny  1 sztuka,
- pneumatyczny generator wymuszenia skokowego  1 sztuka,
- przewody,
- trójnik.
3. Zachowanie przepisów bhp przy pracy z układami pneumatycznymi 1
i elektrycznymi.
II. Organizowanie
4. Przygotowanie do pracy. Sprawdzenie stanu sprzętu. 1
III. Wykonywanie
5. Wykonanie połączeń zgodnie ze schematem stanowiska 1
6. Sprawdzenie poprawności połączeń zgodnie ze schematem 1
7. Doprowadzenie zasilanie do elementów stanowiska 1
8. Wprowadzenie regulatora w tryb podstawowej obsługi kanału 1
regulacji
9. Programowe wybranie z biblioteki programów regulatora algorytmu 1
P, ustawienie punktu pracy regulatora oraz wartości zadanej na 50%
10. Ustawienie wzmocnienia regulatora kp = 1.0 1
11. Zmienianie sygnału mierzonego PV w zakresie (0 100)% co 20% 1
i zapisywanie odpowiadającej mu wartości sygnału y(OUT)
12. Powtórzenie badania wg pkt 9, 10 dla kp = 0.5 oraz kp = 2 1
13. Narysowanie charakterystyki statycznej regulatora tzn. 1
y = f(PV  SP)
14. PorzÄ…dkowanie stanowiska pracy 1
IV. Prezentowanie
15. Zaprezentowanie charakterystyki statycznej regulatora 1
16. Ocena dokładności realizacji nastawionej wartości kp 1
Suma punktów 16
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
7. LITERATURA
1. Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne, PB, Rozprawy naukowe
Nr 44, Białystok 1997.
2. Brzóska J.: Regulatory cyfrowe w automatyce, MIKOM, Warszawa 2002.
3. Legierski T., Wyrwał J., Kasprzyk J.,Hajda J.: Programowanie sterowników PLC,
Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 1998.
4. Trybus L.: Regulatory wielofunkcyjne, WNT Warszawa 1992.
5. Schmid Dietmar: Mechatronika, REA, Warszawa 2002.
6. Lesiak P., Świsulski D.: Komputerowa technika pomiarowa w przykładach, AGENDA
WYDAWNICZA PAK, Warszawa 2002.
7. MERA  PNEFAL S.A.: Dokumentacja techniczno-ruchowa DTR U486-04.
8. Olszewski M., Barczyk J.: Manipulatory i roboty przemysłowe, WNT Warszawa 1992.
9. Barlik R., Nowak M.: Układy sterowania i regulacji urządzeń energoelektronicznych, WSiP,
Warszawa 1998.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
26