Інтелектуальна система дистанційного керування електротехнічними об’єктами по каналу GSM

Завгородній, Віталій Анатолійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10285

Title:	Інтелектуальна система дистанційного керування електротехнічними об’єктами по каналу GSM
Authors:	Гальченко, Володимир Якович Завгородній, Віталій Анатолійович
Keywords:	Інтелектуальна система керування;Дистанційне керування по GSM;Лінійний електромагнітний двигун;Телеметричні дані
Issue Date:	8-Jun-2026
Abstract:	Основна ідея кваліфікаційної роботи полягає у докорінній модернізації електромеханічних систем контролю доступу (зокрема, автоматичних шлагбаумів). Робота пропонує відмовитися від класичних асинхронних двигунів обертового руху зі складними та ненадійними черв'ячними редукторами на користь застосування лінійного електромагнітного двигуна з постійними магнітами (ЛЕДПМ). Це дозволяє трансформувати електромагнітну енергію безпосередньо в лінійне переміщення робочого органу. Для керування цим механізмом пропонується інтегрована архітектура, де єдине мікропроцесорне ядро одночасно виконує завдання мережевої GSM-автентифікації користувачів та генерує багатоканальну широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) для силового інвертора двигуна. Підхід до реалізації базується на створенні спеціалізованої електронної плати керування. Центральним обчислювальним ядром виступає восьмибітний мікроконтролер ATmega2560. Він через інтерфейс UART взаємодіє з інтегральним стільниковим модулем u-blox SARA-G3, який відповідає за ідентифікацію користувачів за номером телефону (Caller ID) з подальшим відхиленням виклику для уникнення тарифікації. Керування силовою частиною відбувається завдяки ШІМ-сигналам, що подаються на драйвери напівмостів IR2101, які, своєю чергою, керують потужними N-канальними польовими транзисторами IRF3205. У роботі було проведено ґрунтовні математичні розрахунки. Кінематичний та динамічний розрахунки дозволили визначити необхідну масу зовнішньої противаги для повного статичного балансування стріли шлагбаума, що критично зменшило тягове зусилля, яке має генерувати двигун. Електричні розрахунки дозволили визначити параметри фазних обмоток (робочий струм 0.7 А, індуктивність 2 мГн). Тепловий розрахунок силових транзисторів довів, що вони здатні працювати у заданих режимах без додаткових алюмінієвих радіаторів, оскільки максимальна розрахункова температура склала близько 50,4 °C. Технологічне рішення щодо виготовлення апаратної частини орієнтоване на промислове виробництво. Як основу обрано двосторонній склотекстоліт FR-4, топологія якого формується субтрактивним комбінованим позитивним методом. Для складання плати обґрунтовано застосування автоматизованого поверхневого монтажу (SMT) з використанням машинного зору для точного позиціонування компонентів. У конструктивному та технологічному плані результати роботи суттєво відрізняються від найближчих аналогів. Існуючі комерційні GSM-модулі є універсальними релейними комутаторами без зворотного зв'язку (Blind control), які не здатні апаратно керувати динамікою двигуна. Запропонована ж система використовує аналогові датчики Холла (SS49E) для утворення замкненого контуру керування: алгоритм постійно відстежує координату штока, реалізуючи плавний «м'який старт» та беззударне гальмування стріли, а також автоматично зупиняє рух при виявленні перешкод. У соціо-екологічному плані розробка пропонує повністю чистий механізм: відмова від редукторів ліквідує ризик витоку токсичних нафтопродуктів та мастил у ґрунт і підземні води. Крім того, при збиранні електронних плат застосовується екологічна безсвинцева паяльна паста (RoHS). Соціально система автоматизує рутину, розвантажуючи персонал охорони , та строго зберігає конфіденційність, тримаючи базу телефонних номерів виключно в зашифрованій локальній пам'яті контролера без використання хмарних сховищ. В економічному плані рішення кардинально знижує сукупну вартість володіння. Високий ККД прямого приводу економить електроенергію. Більше того, використання особистих телефонів замість індивідуальних радіобрелоків чи магнітних карток усуває величезну статтю витрат на закупівлю та заміну апаратних ключів для тисяч користувачів, роблячи систему максимально рентабельною для масштабних інфраструктурних об'єктів.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10285
Appears in Collections:	151 Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (Робототехнічні системи та автоматизація)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Завгородній.pdf Restricted Access	КРБ Завгороднього В.А. 2026	5.44 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

YEPKACHKMÄJ |EPKABHHÜ TEXHOJJOTI4HMÄY HIBEPCHTET
DAKYJIbTET EJIEKTPOHHHX TEXHOJIOTIÝ, ABTOTPAHCIIOPTY TA
MAIIIMHOEYJĮYBAHHA
KAOEJPA IIPHJIAIOEYĮ|YBAHHA, MEXATPOHIKH TA
KOMII'IOTEPM3OBAHMX TEXHOJIOTIŃ
JloiyueHO J0 3aXMcTy
B.o.3aeiIY Bava kahexpu TIMKT
MakcHM BOH[APEHKO
2026 p.
IIOACHIOBAJIHHA 3AIIHCKA
I0 KBAJIIOIKAIIMHOÏP OBOTHB AKAJIABPA
Ha TeMy «IHTeIeKTYaJTbHa CHCTeMa IHCTaHLIIŠHOro kepyBaHHA CJIeKTPOTeXHİYHHMH
o6'eKTaMH IO KaHary GSM>
BuKOHaB 3106yBay oCBİTH 4 Kypcy, rpynn PC-23
cneuiabHİCTE: 151 «ABTOMaTH3AIUA Ta koMII'IOTepHO
iHTerpoBaHi TeXHoJJOriD)
OCB1THA IiporpaMa: PoőoTOTexHİYHİ CHCTeMH Ta
aBTOMaTH3aiA
3aBropoIHiŬ Biraiň AHaTOJİŽOBHY
KepiBHHK BonoHMHP TAJIL4EHKO
PeieH3eHT BiKTop AHTOHIOK
KBani¢ikauiÄHa poõoTa őakanaBpa MiCTHTb pesyIbTaTH BJlaCHHX 3N06yTKİB aBTOpa.
BHKopHCTaHHA 1/eň, pe3yJlbTaTIB 1 TeKCTIB 1HIIHX aBTOpiB MakOTH IIOCHJIaHHA Ha
BiMOBİNHe 1Kepeio.
inHC 3I06yBaua
Hepkacu- 2026
TEPKACLKHMJ EPKABHMÄ TEXHOJIOrI4HHMY HIBEPCHTET
(nonNc naiiMCNynawo nMuoro aDanbHOro 3aKNay )
PakybTeT eICKTponunX TCXHOJ0Tİİ, aBTOTPancnopry Ta MaHnO6YIYBaHng
Kaperpa upuaAOŐYIYBAMUH, MexaTponiKu TA KOMIn'1OTepH3OBANHX TeXHOJIOriú
OcBİTHD0-KBanihikauiiunä pibcub 6aKNIADD
CneuiaJbHICTL 161 «ADTOMATUAIiH Ta KOMn'10TCPH0-iuTeTpoBaui TexHO10riï»
OCBİTHA IporpaMa «Poố0TOTCXMiYHİ CHCTCMW Ta aBTOMATW3AuiN»
3ATBEPIKYIO
B.o. 3aBiuYuna kağexpn IIMKT
MakcHM BoHIapeHKo
2026 poKy
3 A BIA HH A
HA KBAJIIOIKAĂHY POBOTY EAKAJIABPA
3aBropoIHIM Biraviň AHaTOJIİŽOBHy
(pi3BHIIIe, iM A, IIo 6aTLKOBİ)
TeMa poõoTH IHreneKTyaJbHa CHCTeMa AMCTaHiŽHOrO KepyBaHHA
eieKTpoTeXHİ4HHMH o'€KTaMH IIO KaHary
GSM
KepiBHMK poooTH upodecop KadenpH InpuianoóyIyBaHHA, MexaTpOHIKM Ta
KOMD'OTepu30 BaHHx TeXHOJOriš, 1L.H. 10UEHT TaISYCHKO BoJ01MMMP AKOBHY
(n pi3BHILe, İM'a, IO 6aTbKOBI, Hay koBHĂC TYIiHb, BYeHe 3BaHHI)
3aTBepIKeH1 Haka3OM BHIIoro HaB4aJlbHOro 3aKIIany BII "13 KBİTHA 2026 poky No 94/03-03
2 nONaHHA3 I0ŐYBaYeM poó0TH S YepBHA 2026 p.
3. . CBTupxoiK Hİ1 aHi 10 poõOTH Mepeka cT1JIBHMKOBOro 3B'A3Ky CTaHIapry GSMIGPRS
900/1800 MEu: nociő aBTOPH3aiï KOPHCTYBaya – aBTOMaTIHYHe BH3HaYEHHA HOMepa
aõOHeHTa (Caller ID); Hapyra KHBICHHA CHCTeMH– 24 B nocTIŽHOrO CTpyMy: THn
BHKOHaBYoro MexaH13My - JIIHIĂHHM eJICKTpOMarHITHHÝ IBHrYH 3 IIOCTiŽHHMH
MarHITaMH; 4ac iIĂOMY CTPiJIH Wmar6ayMa He ŐiJIbIIe 3 c: NOBXHHa poõ04oi yacTHHH
CTDiIH– 2.25 M: 10BKHHa XB0CTOBO1 MacTHHH -0,25 M; Heo6XİIHe TArOBe 3yCHIIS
nDHBOIy – He MeHIIe 7,5 H; KIJIBKICTb BHTKIB 0ÔMOTKH – 174; İHIYKTHBHİCT5 oasH- 2
M[H: aKTHBHHŽ onip hagu – 2,48 OM: po004MM CTpyM þa34 – 0,7 A; 4acTOTa KOMyTauii
CHJOBHX KJIHOYİB – 1000 Tu: a3Ha Hapyra - 10,53 B; MIKPOKOHTDOJJep - ATmega2560:
GSM-MOIVJb -SARA-G3: CHJIOBI KJIIO41 –- IRF3205; 1aTųHKH IOJIOKEHHI – SS49E:
KHBJEHHA BII MepeKi 3MIHHOrO CTpYMy 220 B, 50 Tu 4epe3 iMIIyJIbCHHỶ ốJOK
KHBJIeHHA.
4. 3MiCT pospaxyHKOB0-101CHIOBAJTbHOÏ 3anHCKH (nepetİk nHTaHb, AKİn OTpiOHo
po3poóuTH 1 06rpyHTYBaHHA HeO6xiņHocTi npoeKTYB aHHA NpHJIanİB ANA A0C1İJKEHHA SKİCHHN Ta
KiJbKİCHHX xapakTepHCTHK DPHpOAHOİ BOIM. 2 06rpyHryBaHHA TeXHİYHOTO 3aBiaHHA, 3 Pospobka
CTpVKTYpHOi Ta npuHIHNOBOi CXeM. 4 PogpaxyHKOBa acTHHa. S CneuianBHHÜ pO3Iin. S.1.
TexHoIoriyHuă posniJn. 5.3 EKOHOMİMHMÄ Po3Ain. 5.3 Posaiı oxopOHY Ipaui
5. IlepeTik rpa¢ivHoro MaTepiany (3 TOYHHM 3a3HAVeHHAM O0OB'A3KOBHX KpecneHb)
IHTeJIeKTyaIbHa CHCTeMa IHCTaHLIIMHOrO KepyBaHHA eNEKTpoTeXHI4HHMM O0'€KTaMM IIO
KaHaiy GSM. CxeMa cTpyKTVPHa (Al). CxeMa eJIeKTPH4Ha ipHHHIIOBa (A). AiropHTM
2
noó0TH CHCTCM (A). KpecjicHHA JPy KOBaHOi DJlaTH Ta
JleMonCrpiinuniiM UTepian (AltAI). po3TaliyBaHHA eneMeHTİB (A1).
6. KoncybT aNTH poJunİN KBaJIidpikauinoi po6orH
TIpinue, iniuiaun Ta iOcaja [linnnc, naTa
Poi KOHCyJIbTaHra 3aBlaHHA 3aB1aHHA
BHIaB npuňHAB
Oxoponu npaui KoxeM AKİH O.C., crapuinň BHKJIaJ[ay
Kahenpı T35KEXJ|
EkOnoMivnni TanueHKo B.A., npopecop kaɖenpu
posnii, IIMKT, AT.H., npopecop
TexnO.10orivnni
posnin
lHopMo.riauiinnä THYKOB B.B., nO11CHT Kapeipu IIMKT,
KOHTpo1b K.T.H., 101CHT
7. lara BHlaYI 3aBlaHHA
KAJIEHIAPHVṁ IIJIAH
N Ha3Ba eTaniB KBanihikaujănoi CrpoK BHKOHAHHA Ilpanina
3/n poõoTH eTaniB poõoTH
OórpyHTYBaHHA Heo6xiHocTİ IpOCKTYBaHHA Ha OCHOBİ 02.2026 BHK
KpHTHYHOroa HaIİ3y iCHYKOYHX aHalOriB
OórpyHTYBaHHA TeXHI4HOrO 3aBIaHHA 02.2026 BHK
Po3pooka cTpyKTYpHoi CxeMH 02.2026 BHK
4 Po3pooka npuHLHnOBOŤ eJIEKTPHYHOi CXeMH 03.2026 BHK
Po3paxyHOK eJIeMeHTIB CxeMH 03-04.2026 BHK
6 OuiHKa TOYHOCTİ Ta HajišHocTİ 03-04.2026
7 TexHOIOriYHHĂ po3ņii 03-04.2026 BHK
Po3aiI oxopOHH IIpaui 03-04.2026 BHK
9 EkOHOMiHHă po3iI 03-04.2026 BHK
0 OhopMTeHHA KPeCICHb 03-04.2026 BHK
11 OdopmeHHA IONaTkiB 05.2026 BHK
12 OpopMIeHHA CYIpoBiHoi OKy MeHTauii 05.2026 BHK
3no6yBay BHILOÏ ocBİTH Biraniň 3ABrOPOJHIĂ
(iAHC )
KepisnnK poõoTH BoJonHMHp TA.JILEHKO
Зміст

Стор.
Технічне завдання…………………………………………..…………. 2
Вступ 5
1 Обґрунтування необхідності проєктування на основі аналізу
існуючих аналогів 8
1.1 Огляд комерційних рішень 8
1.2 Огляд науково-технічної літератури 12
1.3 Патентний пошук 14
2 Обґрунтування технічного завдання 17
3 Розробка структурної та принципової схеми системи 20
3.1 Розробка структурної схеми 20
3.2 Обґрунтування та вибір елементної бази електричної
принципової схеми 22
3.3 Розробка схеми електричної принципової 24
4 Розрахунок основних вузлів схеми 27
4.1 Розрахунок кінематичних та динамічних параметрів
виконавчого механізму 27
4.2 Розрахунок параметрів блоку живлення 31
4.3 Розробка алгоритмічного та програмного забезпечення 34
5 Спеціальна частина 40
5.1 Вибір та обґрунтування технологічного процесу виготовлення
друкованої плати 40
5.2 Соціально-економічні та етико-екологічні аспекти прийняття
технічних рішень 43

РС23. 22333.026.001.ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата
Розробив Завгородній В.А. Інтелектуальна система Літ. Арк. Аркушів
Перевірив Гальченко В.Я. дистанційного керування 3
електротехнічними об’єктами по
Т. Контр. Тичков В.В. каналу GSM
Пояснювальна записка ЧДТУ
Ств.

5.3 Охорона праці 48
Висновки 62
Список використовуваної літератури 64
Додаток А Відомість технічного проєкту 65
Додаток Б Специфікація та перелік елементів 66
Додаток В Результати розрахунку на ЕОМ 67
Додаток Г Презентація доповіді 68
Додаток Д Тези доповіді студентської науково-практичної
конференції «ДНІ СТУДЕНТСЬКОЇ НАУКИ – 2026»…….

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 4

Вступ

Сучасний етап розвитку промислової автоматизації та комп’ютерно-
інтегрованих технологій характеризується стрімким впровадженням концепцій
Industry 4.0, Інтернету речей (IoT) та розподілених систем керування. Особливе
місце у цьому процесі посідає модернізація виконавчих механізмів та систем
санкціонованого доступу до інфраструктурних об’єктів. Традиційні
електромеханічні системи (автоматичні шлагбауми, ворота, захисні бар'єри), що
використовують асинхронні двигуни або двигуни постійного струму в поєднанні з
редукторами, зубчастими передачами та важільними механізмами, поступово
вичерпують свій потенціал надійності та енергоефективності.
Наявність великої кількості проміжних кінематичних ланок у класичних
приводах обертового руху призводить до суттєвих втрат енергії на тертя, люфтів,
швидкого зносу механічних частин та необхідності регулярного технічного
обслуговування. Крім того, в умовах інтенсивної експлуатації або під впливом
динамічних ударних навантажень надійність редукторних систем різко знижується.
Альтернативним і перспективним інженерним рішенням є перехід до
прямого лінійного приводу. Застосування лінійних електромагнітних двигунів із
постійними магнітами (ЛЕДПМ) дозволяє повністю виключити з конструкції
редуктори та складні кінематичні вузли, трансформуючи електромагнітну енергію
безпосередньо в лінійне переміщення робочого органу (стріли шлагбаума або
стулок воріт). ЛЕДПМ забезпечують високу динаміку, точність позиціонування,
мінімальний рівень шуму та значний робочий ресурс завдяки зменшенню
механічного зносу.
Водночас ефективне функціонування таких виконавчих механізмів
неможливе без створення інтелектуальних систем дистанційного керування.
Інтеграція телекомунікаційних технологій, зокрема використання стільникових
каналів зв'язку стандарту GSM/GPRS, забезпечує глобальну доступність,
можливість оперативного моніторингу стану об'єкта, ведення захищених журналів
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 5

подій та гнучке адміністрування прав доступу без географічних обмежень. Це
особливо важливо для територіально розподілених або автономних об'єктів, де
прокладання дротових ліній зв'язку є економічно недоцільним.
Проте проектування таких систем потребує розв'язання комплексної
інженерної задачі: поєднання специфічних законів керування багатофазними
лінійними двигунами (що вимагають застосування широтно-імпульсних
перетворювачів та систем зворотного зв'язку) з алгоритмами обробки
телеметричних даних у реальному часі на базі мікроконтролерних засобів.
Розробка інтелектуального алгоритмічного забезпечення, яке мінімізує
споживання енергії, забезпечує високу завадостійкість каналу зв'язку та гарантує
безпеку доступу, визначає високу актуальність теми дослідження.
Питання проектування лінійних дискретних приводів, дослідження
магнітних полів методів скінченних елементів (FEM) та розробки бездротових
систем автоматизації активно досліджуються провідними науковими школами
світу та відображені у працях європейських та американських вчених (таких як B.
C. Murphy, P. A. Commins, F. Azhar та ін.), а також у технічних розробках світових
лідерів промислової автоматизації (Siemens, Parker Hannifin, Bosch Rexroth). Аналіз
сучасних закордонних джерел свідчить, що основна увага приділяється оптимізації
геометрії статорів лінійних двигунів, використанню високоефективних магнітних
матеріалів на основі неодиму (NdFeB) та впровадженню інтелектуальних
протоколів бездротової верифікації.
Разом з тим, більшість існуючих комерційних GSM-модулів для систем
доступу є універсальними релейними контролерами. Вони не враховують
динамічних характеристик конкретного електротехнічного об'єкта, не здійснюють
інтелектуального аналізу траєкторії руху та не забезпечують гнучкого зворотного
зв'язку за положенням виконавчого механізму в реальному часі.
Залишається недостатньо вивченим та реалізованим питання створення
інтегрованих, бюджетних, але водночас високодинамічних комп'ютерно-
інтегрованих систем, де мікроконтролерний блок одночасно виконує функції
телеметричного шлюзу (GSM-модуля) та інтелектуального драйвера лінійного
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 6

приводу з функціями енергозбереження. Існує потреба в розробці відкритого
алгоритмічного забезпечення, яке дозволяє легко адаптувати систему під різні типи
інфраструктурних об'єктів при збереженні високих показників надійності та
механічної безпеки експлуатації.
Мета роботи полягає в ескізному проектуванні, математичному
обґрунтуванні та алгоритмічній реалізації інтелектуальної системи дистанційного
керування автоматичним шлагбаумом на базі лінійного електромагнітного двигуна
з постійними магнітами з використанням стільникового каналу зв'язку GSM.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 7

1 Обґрунтування необхідності проектування на основі аналізу
існуючих аналогів

1.1 Огляд комерційних рішень

Сучасний етап розвитку інфраструктурних об'єктів та систем контролю і
управління доступом (СКУД) характеризується переходом від ізольованих
механічних пристроїв до складних комп'ютерно-інтегрованих комплексів.
Електромеханічні об'єкти (автоматичні шлагбауми, розсувні та розпашні ворота,
боларди) є критичною ланкою в забезпеченні фізичної безпеки та логістичного
управління на промислових підприємствах, у житлових комплексах та на
транспортних магістралях.
Для об'єктивного обґрунтування необхідності розробки нової
інтелектуальної системи дистанційного керування необхідно провести глибокий
критичний аналіз існуючих комерційних рішень, розділивши їх на дві базові
підсистеми: електромеханічну (виконавчу) та телекомунікаційну (керуючу).
Більшість провідних світових виробників обладнання для СКУД
(наприклад, CAME, FAAC, BFT, Nice, Hörmann) використовують у своїх серійних
виробах консервативні кінематичні схеми. Традиційний автоматичний шлагбаум
складається зі стріли та тумби, всередині якої розміщено блок керування,
електродвигун обертового руху, багатоступеневий механічний редуктор та систему
балансувальних пружин.
Як первинні рушії в комерційних рішеннях переважно використовуються:
• Однофазні асинхронні двигуни змінної напруги 230 В. Вони
відрізняються простотою та відносною дешевизною, проте мають значні габарити,
високі пускові струми та складності у реалізації точного позиціонування без
застосування дорогих частотних перетворювачів.
• Колекторні двигуни постійного струму напругою 12 В, 24 В або 36 В.
Застосування низьковольтних систем продиктоване вимогами електробезпеки
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 8

(стандарти IEC 61140). Ці двигуни дозволяють легше реалізувати реверс та зміну
швидкості, але наявність щітково-колекторного вузла суттєво знижує їхній ресурс
через механічний знос та іскріння.
Трансформація обертового руху ротора двигуна в необхідний для підйому
стріли рух відбувається через механічні передачі. Найбільш поширеними є
черв'ячні та планетарні редуктори.
Критичні недоліки традиційної кінематики:
1. Втрати енергії та низький ККД: Черв'ячні передачі мають властивість
самогальмування, що корисно для фіксації стріли, але їхній коефіцієнт корисної дії
вкрай низький (часто не перевищує 0.4–0.5). Більша частина спожитої
електроенергії розсіюється у вигляді тепла через тертя.
2. Залежність від кліматичних факторів: При експлуатації в умовах
низьких температур в'язкість консистентних мастил у редукторах різко зростає. Це
призводить до критичного збільшення пускових моментів та струмових
перевантажень системи керування.
3. Вразливість до динамічних ударів: У разі несанкціонованого фізичного
впливу на стрілу (наприклад, наїзд транспортного засобу), жорсткий механічний
зв'язок призводить до руйнування зубчастих коліс редуктора.
4. Складність обслуговування: Наявність великої кількості тертьових
деталей (важелі, шарніри, підшипники) вимагає регулярного технічного
обслуговування.
З огляду на ці недоліки, інноваційним напрямком є перехід до систем
прямого приводу (Direct Drive) з використанням лінійних електромагнітних
двигунів з постійними магнітами (ЛЕДПМ). Такі двигуни усувають необхідність у
редукторах, передаючи зусилля безпосередньо на робочий орган за допомогою
магнітного поля, що радикально підвищує надійність та енергоефективність
системи.
Другим критичним аспектом є способи передачі керуючого впливу від
користувача до виконавчого механізму.
Радіочастотне керування (RF Remote Control)
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 9

Історично найбільш поширеним методом є використання локальних
радіоканалів. Система складається з гетеродинного або супергетеродинного
приймача, інтегрованого в плату шлагбаума, та портативних передавачів
(брелоків). Робочі частоти стандартизовані: 433,92 МГц та 868,35 МГц. Для захисту
від перехоплення коду (граббінгу) застосовується динамічне шифрування,
найпопулярнішим з яких є алгоритм Keeloq (генерування унікальної посилки при
кожному натисканні).
Недоліки радіокерування:
• Економічна неефективність при масштабуванні: При кількості
користувачів понад 50–100 осіб, закупівля індивідуальних брелоків стає
економічно необґрунтованою.
• Обмежений радіус дії: Стабільна передача сигналу можлива на відстані
не більше 100 метрів за умови прямої видимості. В умовах щільної промислової
або міської забудови дальність падає до 10–20 метрів.
• Відсутність персоніфікованого моніторингу: Базові радіосистеми не
дозволяють ідентифікувати, який саме користувач відкрив проїзд, що
унеможливлює ведення електронних журналів доступу.
Комерційні рішення на базі стільникових мереж (GSM/GPRS/LTE)
Для вирішення проблеми масштабування та радіусу дії на ринку з'явилися
автономні телекомунікаційні модулі (GSM-реле, наприклад, серії RTU5024 та їх
аналоги).
Принцип дії таких пристроїв полягає у використанні функції визначення
номера абонента (Caller ID). Модуль містить власну SIM-карту та незалежний
мікроконтролер із пам'яттю (зазвичай EEPROM), де зберігається база дозволених
номерів телефонів (від 100 до 1000 записів). При надходженні вхідного дзвінка
контролер порівнює номер із базою. Якщо номер знайдено — дзвінок відхиляється
(для уникнення тарифікації з'єднання), а мікроконтролер подає сигнал на
електромеханічне реле, контакти якого фізично замикаються і подають керуючий
імпульс на входи штатної плати шлагбаума.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 10

Критичні системні недоліки застосування комерційних GSM-модулів у
складі СКУД:
Таблиця 1.1 — Порівняльний аналіз архітектур керування
Характеристика Традиційна архітектура (Штатна Концепція інтелектуальної
системи плата + зовнішній GSM-модуль) інтегрованої системи
(Пропоноване рішення)
Апаратна Висока. Використовуються два Мінімальна. Єдине
надлишковість незалежні мікроконтролери та мікропроцесорне ядро
два окремі блоки живлення. обробляє як телеметрію,
так і логіку приводу.
Рівень Односторонній зв'язок (Blind Двосторонній зв'язок.
зворотного control). Модуль лише дає Контролер отримує дані
зв'язку команду на відкриття, не знаючи від датчиків положення та
реального стану стріли. може інформувати
диспетчера.
Керування Неможливе. GSM-реле здійснює Повне. Мікроконтролер
енергетикою лише дискретну комутацію здатний апаратно
приводу (увімкнено/вимкнено). генерувати ШІМ-сигнали
для плавного пуску
ЛЕДПМ.
Діагностика Відсутня. При фізичному Глибока. Моніторинг
несправностей блокуванні шлагбаума система струму приводу,
не може надіслати SMS-тривогу. автоматичне визначення
перешкод, миттєве
сповіщення по GPRS.
Грунтовний аналіз комерційних рішень, представлених у глобальній мережі
Інтернет та каталогах провідних компаній, дозволяє зробити однозначний висновок
щодо їхньої концептуальної обмеженості.
Існуючий підхід передбачає просту механічну агрегацію застарілих
кінематичних вузлів (асинхронний двигун з редуктором) та відокремлених
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 11

універсальних телекомунікаційних модулів (GSM-реле). Така архітектура не
відповідає сучасним критеріям інтелектуальних систем керування (Smart Systems).
Відсутність глибокої інтеграції між телеметричним каналом та безпосередньо
драйвером двигуна унеможливлює реалізацію складних адаптивних алгоритмів
керування, енергозбереження та предиктивної діагностики.
Проєктування нової системи має базуватися на відмові від редукторних
передач на користь лінійних електромагнітних двигунів, а також на створенні
єдиного інтелектуального електронного блоку, який безпосередньо поєднає в собі
функції контролера стільникового зв'язку та багатоканального широтно-
імпульсного перетворювача для керування фазами ЛЕДПМ. Це забезпечить
створення надійного, безвідмовного та повністю керованого електромеханічного
об'єкта.

1.2 Огляд науково-технічної літератури

Для обґрунтування концепції інтелектуальної системи дистанційного
керування було проведено аналіз сучасних науково-технічних публікацій,
індексованих у міжнародних наукометричних базах даних (Scopus, Web of Science,
IEEE Xplore), а також у відкритих репозитаріях провідних технічних університетів
України та світу. Дослідження літературних джерел здійснювалося за двома
основними напрямами: оптимізація виконавчих механізмів (лінійних
електромагнітних приводів) та розвиток розподілених телекомунікаційних систем
контролю доступу (IoT-рішення).
Дослідження в галузі лінійних електромагнітних двигунів (ЛЕДПМ)
Проблема переходу від традиційних приводів обертового руху до систем
прямого приводу (Direct Drive) активно обговорюється в сучасній електротехнічній
літературі. У фундаментальних працях західних дослідників (зокрема, I. Boldea та
S. A. Nasar [1]) доведено, що застосування лінійних синхронних двигунів з
постійними магнітами дозволяє суттєво підвищити динамічні показники
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 12

виконавчих механізмів за рахунок виключення кінематичних ланок (редукторів,
пасів).
Аналіз публікацій в журналах IEEE Transactions on Industrial Electronics
свідчить, що особлива увага науковців приділяється оптимізації магнітних систем
трубчастих (циліндричних) лінійних двигунів [2], [3]. У дослідженнях П. Коммінса
(P. A. Commins) [4] та Ф. Азхара (F. Azhar) [5] детально розглядається застосування
методу скінченних елементів (FEM - Finite Element Method) для аналізу розподілу
магнітної індукції в повітряному зазорі. Доведено, що використання неодимових
магнітів (NdFeB) із чергуванням полюсів дозволяє досягти високого тягового
зусилля при мінімальних масогабаритних показниках статора.
Проте, як зазначається в публікаціях європейських наукових шкіл [6],
управління такими двигунами вимагає застосування складних алгоритмів
комутації. Більшість авторів зосереджується на застосуванні високопродуктивних
сигнальних процесорів (DSP) для векторного керування (FOC), що робить такі
системи занадто дорогими для бюджетних застосувань у сфері житлово-
комунального господарства чи систем контролю доступу.
Дослідження систем дистанційного керування та Інтернету речей (IoT)
Другий напрям аналізу стосується телекомунікаційної складової. У сучасній
українській та зарубіжній літературі з автоматизації [7], [8] широко висвітлено
концепцію Інтернету речей. Автори погоджуються, що для географічно
розподілених об'єктів стільникові мережі (GSM/GPRS, LTE-M, NB-IoT) є найбільш
надійним каналом зв'язку.
У роботах, присвячених розробці вбудованих систем (Embedded Systems),
детально розглядаються принципи інтеграції мікроконтролерних платформ
архітектури AVR та ARM Cortex-M із зовнішніми GSM-модемами (наприклад,
лінійки SIMCom) за допомогою АТ-команд [9]. Науковці зазначають високу
надійність протоколів обробки SMS-повідомлень та функції визначення Caller ID
для створення автономних систем ідентифікації.
Водночас, аналіз матеріалів міжнародних конференцій з систем безпеки [10]
показує, що більшість розробок у цьому напрямі обмежується створенням
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 13

дискретних релейних комутаторів. Дослідники концентрують увагу на
криптографічному захисті каналу зв'язку, але залишають поза увагою питання
інтеграції телекомунікаційного модуля безпосередньо з контуром керування
двигуном.
Критичний аналіз сучасної науково-технічної літератури дозволяє виявити
суттєву прогалину у прикладних дослідженнях. З одного боку, існує глибока
теоретична база для розрахунку та створення високоефективних ЛЕДПМ. З іншого
боку — детально опрацьовані протоколи обміну даними через GSM-мережі.
Однак у науковій літературі практично відсутні комплексні методики
проєктування інтегрованих бюджетних систем, у яких мікроконтролерне ядро
одночасно виконує завдання мережевої автентифікації абонента (через GSM) та
генерації багатоканальної широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) для
безпосереднього керування силовим інвертором лінійного двигуна. Саме
розв'язанню цієї комплексної задачі на стику електромеханіки, мікропроцесорної
техніки та телекомунікацій і присвячена дана кваліфікаційна робота.

1.3 Патентний пошук

Метою проведення патентного пошуку є визначення сучасного світового
рівня техніки в галузі розробки виконавчих механізмів систем контролю доступу
та методів їхнього дистанційного керування, а також підтвердження актуальності
та технічної новизни запропонованих у кваліфікаційній роботі проєктних рішень.
Пошук здійснювався у відкритих базах даних провідних світових патентних
відомств, зокрема: Всесвітньої організації інтелектуальної власності (WIPO),
Європейського патентного відомства (EPO), Відомства з патентів та товарних
знаків США (USPTO), а також у спеціалізованій базі даних Українського інституту
інтелектуальної власності (Укрпатент).
Відповідно до Міжнародної патентної класифікації (МПК), глибинний
пошук проводився за такими основними індексами:
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 14

• E01F 13/04 — Обладнання для обмеження або заборони руху
транспорту (зокрема, шлагбауми з механічним приводом).
• H02K 41/02 — Лінійні електродвигуни.
• G07C 9/00 — Системи контролю та реєстрації індивідуального доступу.
Для систематизації результатів аналіз запатентованих рішень було
розділено на два напрями: електромеханічна конструкція приводу та архітектура
модуля телеметричного керування.
Аналіз патентів у галузі лінійних приводів для шлагбаумів
Аналіз патентного фонду (клас E01F 13/04) свідчить, що ідея заміни
обертового приводу на лінійне переміщення для підйому загороджувальних стріл
вже розглядалася винахідниками. Проте, як робочі актуатори в запатентованих
моделях (наприклад, US Patent No. 6,125,585; EP Patent No. 1 450 338) виступають
переважно пневматичні, гідравлічні циліндри або електромеханічні передачі типу
"гвинт-гайка".
• Недоліки запатентованих аналогів: Гідравлічні та пневматичні системи
потребують наявності компресорних станцій, трубопроводів та чутливі до
розгерметизації ущільнювачів. Передачі типу "гвинт-гайка" характеризуються
низьким коефіцієнтом корисної дії (через значні втрати на тертя у різьбовому
з'єднанні) та не дозволяють досягти високої швидкості підйому стріли, яка
вимагається в системах з інтенсивним трафіком. Використання ж прямого
лінійного електромагнітного приводу (ЛЕДПМ) в шлагбаумах у патентній
документації представлено вкрай слабо, що відкриває простір для інновацій.
Аналіз патентів у галузі дистанційного керування доступом через
стільникові мережі
У класі G07C 9/00 знайдено значну кількість патентів на корисні моделі
(наприклад, патенти КНР CN 203870685 U, CN 104235222 A; європейські заявки
WO 2008/041040), які описують системи відкриття воріт та шлагбаумів за
допомогою мобільного зв'язку (GSM Gate Openers).
• Недоліки запатентованих аналогів: Аналіз формул цих винаходів
показує, що всі вони базуються на концепції незалежного зовнішнього комутатора.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 15

Пристрій отримує вхідний сигнал (відхилений дзвінок за Caller ID або SMS-
повідомлення) і через гальванічно розв'язане реле просто замикає контакти на
кілька секунд. Жоден із розглянутих патентів не описує інтегровану архітектуру,
де мікроконтролер GSM-модуля безпосередньо зчитував би покази датчиків
положення стріли та апаратно формував би багатофазні широтно-імпульсні (ШІМ)
сигнали для керування обмотками двигуна.
Проведений патентний пошук підтверджує, що запропонована в даній
роботі концепція має суттєві ознаки технічної новизни. Існуючі запатентовані
рішення є фрагментарними: вони або описують неефективні лінійні актуатори
(гідравліка/гвинти), або пропонують універсальні GSM-комутатори, не здатні
керувати динамікою двигуна на низькому апаратному рівні.
Створення єдиної інтегрованої системи, що поєднує прямий
електромагнітний привід (ЛЕДПМ) з єдиним мікропроцесорним ядром керування
зв'язком (GSM) та енергетикою приводу (ШІМ), дозволяє обійти недоліки
запатентованих аналогів. Така архітектура суттєво підвищує надійність системи,
знижує її апаратну надлишковість та є перспективною для подальшого
патентування в якості корисної моделі.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 16

2. Обґрунтування технічного завдання

На основі проведеного в першому розділі критичного аналізу існуючих
комерційних рішень та огляду науково-технічної літератури виникає обґрунтована
необхідність розробки нової інтелектуальної системи дистанційного керування.
Головним призначенням проектованої системи є забезпечення санкціонованого
доступу транспортних засобів на закриті території шляхом автоматизованого
керування електромеханічним бар'єром. Об'єктом керування виступає
автоматичний шлагбаум, у якому як виконавчий механізм застосовується лінійний
електромагнітний двигун з постійними магнітами, що дозволяє виключити з
конструкції ненадійні зубчасті редукторні передачі та суттєво підвищити загальний
коефіцієнт корисної дії системи.
Керування електромеханічним об'єктом має здійснюватися дистанційно з
використанням глобальних мереж стільникового зв'язку стандарту GSM. Це
архітектурне рішення зумовлене необхідністю подолання жорстких обмежень
радіусу дії традиційних радіочастотних пультів та вимогою забезпечення доступу
для великої кількості користувачів без додаткових експлуатаційних витрат на
придбання апаратних ключів. Проектована система повинна ідентифікувати
користувача за допомогою функції автоматичного визначення номера абонента при
вхідному дзвінку. Відповідно до вимог енергоефективності та економії коштів,
система має автоматично відхиляти авторизований виклик для запобігання
тарифікації з'єднання оператором зв'язку, а також підтримувати прийом сервісних
текстових повідомлень для віддаленого конфігурування бази даних та моніторингу
поточного стану шлагбаума.
Апаратна реалізація інтелектуального блоку керування вимагає створення
єдиного інтегрованого електронного пристрою, який органічно поєднує
комунікаційні та силові функції без дублювання обчислювальних потужностей.
Основою розроблюваної системи повинен слугувати мікроконтролер, що володіє
достатньою кількістю портів вводу-виводу для апаратної взаємодії з GSM-модемом
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 17

через універсальний асинхронний приймач-передавач, а також апаратними
таймерами для генерації сигналів багатоканальної широтно-імпульсної модуляції.
Силова частина блоку керування має бути розрахована на живлення від безпечної
зниженої напруги постійного струму і забезпечувати надійну комутацію струмів,
необхідних для живлення фазних обмоток лінійного електромагнітного двигуна, з
використанням сучасних напівпровідникових транзисторних ключів.
Для забезпечення високої точності позиціонування та відповідності
міжнародним стандартам безпеки експлуатації технічне завдання передбачає
обов'язкову інтеграцію системи зворотного зв'язку. До мікроконтролерного ядра
необхідно підключити датчики крайніх положень стріли шлагбаума, що дозволить
алгоритмічно зупиняти рух виконавчого органу при досягненні граничних точок
робочої амплітуди. Крім того, апаратна частина повинна мати резервні входи для
підключення зовнішніх інфрачервоних фотоелементів або індукційних петель
контролю присутності автомобіля для запобігання аварійному опусканню стріли
під час знаходження транспортного засобу безпосередньо в зоні проїзду.
Програмне забезпечення мікроконтролера має розроблятися з використанням
мов програмування високого рівня для забезпечення легкості подальшої
модернізації, масштабування та можливості портування на інші сучасні
мікропроцесорні платформи. Базовий алгоритм роботи повинен включати
первинну ініціалізацію модему, безперервне опитування комунікаційного порту на
наявність вхідних дзвінків або текстових повідомлень, перевірку отриманого
ідентифікатора за збереженою базою даних, генерацію керівних сигналів для
силового інвертора та моніторинг стану периферійних датчиків у режимі реального
часу. Важливою вимогою є реалізація програмного захисного механізму, який
надійно блокує будь-який несанкціонований рух стріли при відсутності валідної
команди керування.
Механічна складова проектованої системи також має відповідати суворим
технічним вимогам щодо мінімізації необхідного пікового тягового зусилля.
Конструкція автоматичного шлагбаума повинна обов'язково включати розраховану
систему зовнішньої противаги, масогабаритні параметри якої дозволяють
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 18

максимально збалансувати статичний момент, створений довгою частиною стріли.
Виконання цієї механічної умови дозволить використовувати компактний лінійний
електромагнітний двигун з меншим енергоспоживанням та забезпечити високу
динаміку розгону і плавність гальмування виконавчого механізму протягом усього
робочого циклу.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 19

3. Розробка структурної та принципової схеми системи

3.1 Розробка структурної схеми

Розробка структурної схеми є фундаментальним етапом проектування
системи дистанційного керування електромеханічними об'єктами, оскільки в ній
відображені зв'язки між модулями, а також зв'язки системи з зовнішнім
середовищем. Для того, щоб представити цю систему дистанційного керування на
ринку, найбільш перспективним є створення спеціалізованої друкованої плати. За
рахунок масового виготовлення такої плати ціна на пристрій може бути значно
знижена. Ця інтегрована плата повинна конструктивно включати в себе блок
живлення, GSM-модуль, мікроконтролер і модуль перетворювача. Структурна
схема системи дистанційного керування лінійним електромагнітним двигуном з
постійними магнітами наочно ілюструє ієрархію взаємодії цих апаратних
компонентів та напрямки потоків даних і електричної енергії.
Енергетичне забезпечення всіх компонентів схеми здійснюється блоком
живлення, який підключається безпосередньо до електричної мережі. Блок
живлення виконує функцію перетворення вхідної напруги та розподілу енергії,
живлячи комунікаційний GSM-модуль, мікроконтролер та широтно-імпульсний
перетворювач. Зв'язок із зовнішнім світом та безпосередня авторизація
користувачів реалізуються через радіоканал, інформація з якого надходить до
GSM-модуля. Далі GSM-модуль знаходиться у постійній двосторонній
інформаційній взаємодії з мікроконтролером, обмінюючись з ним необхідними
даними для керування. Мікроконтролер виступає центральним елементом логічної
обробки, який приймає дані не лише від GSM-модуля, але й від зовнішніх датчиків.
Ці зовнішні датчики необхідні для забезпечення безпеки та моніторингу
навколишньої обстановки під час функціонування об'єкта.
Керування виконавчим механізмом здійснюється за допомогою широтно-
імпульсного перетворювача, який отримує відповідні керівні сигнали від
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 20

мікроконтролера. Широтно-імпульсний перетворювач безпосередньо взаємодіє з
лінійним електромагнітним двигуном з постійними магнітами, забезпечуючи його
рух. Для забезпечення суворого контролю за виконанням команд та точного
позиціонування виконавчого органу система оснащується датчиками положення.
Датчики положення безперервно відстежують поточний стан лінійного
електромагнітного двигуна і передають ці телеметричні дані назад до
мікроконтролера, замикаючи контур зворотного зв'язку і дозволяючи системі
швидко реагувати на зміни. Усі описані апаратні модулі функціонують як єдиний
комплекс, гарантуючи безперебійну роботу інтелектуальної системи керування
шлагбаумом.

Рисунок 3.1 ‒ Структурна схема блоку дистанційного керування
шлагбаумом

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 21

3.2 Обґрунтування та вибір елементної бази електричної принципової
схеми

Проектування електричної принципової схеми вимагає ретельного підходу
до вибору сучасної, надійної та доступної електронної компонентної бази, яка
здатна забезпечити виконання всіх функцій, закладених у технічному завданні, та
відповідає умовам промислової експлуатації. Ключовим критерієм вибору є
мінімізація габаритів кінцевого пристрою, зниження енергоспоживання та
використання інтегральних мікросхем від провідних світових виробників
напівпровідникової техніки для гарантування стабільності роботи системи в
широкому діапазоні температур. Усі компоненти повинні мати стандартизовані
корпуси для поверхневого монтажу або монтажу в отвори, що дозволить у
подальшому спроектувати технологічну друковану плату відповідно до чинних
стандартів проектування.
Центральним обчислювальним ядром проектованого блоку керування
обрано восьмибітний мікроконтролер ATmega2560 виробництва американської
корпорації Microchip Technology. Вибір даного мікропроцесора обґрунтовується
його високопродуктивною RISC-архітектурою, наявністю значного обсягу
вбудованої флеш-пам'яті для зберігання алгоритмів та бази даних користувачів, а
також інтеграцією чотирьох незалежних апаратних інтерфейсів UART. Наявність
декількох модулів UART є критично важливою вимогою, оскільки один канал
необхідний для безперервного асинхронного обміну даними з телекомунікаційним
модулем, а інший може використовуватися для налагодження та конфігурації
системи. Крім того, наявність розширеної системи апаратних таймерів-лічильників
дозволяє генерувати точні сигнали широтно-імпульсної модуляції для
безпосереднього керування силовим перетворювачем лінійного двигуна без
перевантаження процесорного часу обчисленнями програмних затримок.
Для реалізації функції дистанційного керування та авторизації по
стільниковому каналу зв'язку в якості телеметричного вузла обрано інтегральний
стільниковий модуль SARA-G3 виробництва швейцарської компанії u-blox. Цей
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 22

модуль характеризується високою чутливістю приймального тракту, низьким
струмом споживання в режимі очікування та підтримкою розширеного набору
стандартних АТ-команд. Модуль забезпечує стабільну роботу в діапазонах
GSM/GPRS 900/1800 МГц, підтримує функції автоматичного визначення номера
абонента та апаратну обробку текстових повідомлень, що ідеально відповідає
вимогам розроблюваної системи контролю доступу. Інтеграція модуля на загальну
друковану плату вимагає підключення зовнішньої узгодженої антени через
радіочастотний конектор типу SMA та встановлення тримача для ідентифікаційної
картки абонента.
Забезпечення стабільного електроживлення цифрової та аналогової частин
схеми реалізовано за допомогою сучасних імпульсних понижуючих
перетворювачів напруги, які характеризуються значно вищим коефіцієнтом
корисної дії порівняно з класичними лінійними стабілізаторами. Як основний
контролер живлення обрано мікросхему LM2596 від компанії Texas Instruments.
Цей перетворювач здатен працювати з широким діапазоном вхідних промислових
напруг та забезпечувати стабільну вихідну напругу з високою навантажувальною
здатністю по струму, що є необхідним для компенсації імпульсних стрибків
споживання під час реєстрації GSM-модуля в мережі оператора зв'язку. Додаткові
кола фільтрації на базі танталових конденсаторів та дроселів індуктивності
вводяться у схему для придушення високочастотних завад і забезпечення
електромагнітної сумісності вузлів.
Силова частина електричної принципової схеми, яка відповідає за
комутацію струмів у фазних обмотках лінійного електромагнітного двигуна з
постійними магнітами, проектується з використанням потужних польових
транзисторів із ізольованим затвором. В якості силових ключів обрано N-канальні
транзистори серії IRF3205 виробництва компанії Infineon Technologies. Ці
напівпровідникові прилади мають надзвичайно низький опір відкритого каналу
сток-виток, що дозволяє комутувати значні струми при мінімальному виділенні
теплової енергії, уникаючи необхідності встановлення масивних радіаторів
охолодження. Для узгодження логічних рівнів мікроконтролера з ємнісними
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 23

затворами силових транзисторів застосовуються спеціалізовані інтегральні
мікросхеми драйверів напівмостів, наприклад IR2101, які забезпечують швидке
перезаряджання затворів та захищають систему від виникнення наскрізних струмів
під час перемикання фаз.
Для замикання контуру зворотного зв'язку та визначення поточного
положення виконавчого органу обрано аналогові датчики Холла серії SS49E від
американської корпорації Honeywell. Вони відрізняються лінійною
характеристикою вихідної напруги залежно від напруженості магнітного поля,
високою швидкодією та надійністю в умовах промислових вібрацій, що дозволяє
мікроконтролеру з високою точністю обчислювати координату штока лінійного
двигуна та формувати оптимальну траєкторію розгону і гальмування стріли
шлагбаума. Дана елементна база повністю задовольняє вимоги технічного завдання
і дозволяє перейти до наступного етапу — креслення принципової електричної
схеми з дотриманням усіх вимог стандартів ЄСКД щодо умовних графічних
позначень.

3.3 Розробка схеми електричної принципової

Розробка електричної принципової схеми є ключовим етапом проектування,
який деталізує фізичні з'єднання між усіма електронними компонентами системи
відповідно до суворих вимог Єдиної системи конструкторської документації.
Центральним елементом електричної принципової схеми виступає
мікроконтролер, який на кресленні позначається відповідно до стандарту як
мікросхема DD1. До його відповідних виводів підключається кварцовий резонатор
ZQ1 із парою навантажувальних конденсаторів C1 та C2 для забезпечення
стабільного тактування обчислювального ядра на заданій робочій частоті. Порти
універсального асинхронного приймача-передавача мікроконтролера DD1
з'єднуються безпосередньо з виводами телекомунікаційного модуля GSM, який на
схемі має позиційне позначення A1. Лінії передачі даних TXD та RXD
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 24

забезпечують двосторонній обмін інформацією між цими цифровими вузлами,
причому для узгодження логічних рівнів застосовуються додаткові резистивні
дільники напруги, утворені резисторами R1, R2, R3 та R4. Живлення цифрової
частини схеми здійснюється від стабілізованого джерела напруги постійного
струму, основою якого є інтегральний понижуючий імпульсний перетворювач
DA1, до якого підключаються фільтруючі електролітичні конденсатори C3 та C4
для згладжування низькочастотних пульсацій, а також керамічні конденсатори C5
і C6 для придушення високочастотних завад по ланцюгах живлення мікросхем.
Керування силовою частиною реалізується через спеціалізовану інтегральну
мікросхему драйвера напівмоста DA2, яка отримує слабкострумові керівні сигнали
широтно-імпульсної модуляції безпосередньо від цифрових виводів порту
мікроконтролера DD1. Виходи драйвера DA2 підключені до затворів силових N-
канальних польових транзисторів VT1 та VT2, які утворюють силовий каскад і
безпосередньо формують необхідні струми для живлення фазних обмоток
лінійного електромагнітного двигуна. Для запобігання впливу небезпечних
електромагнітних завад, що виникають від комутації потужного індуктивного
навантаження, на стабільну роботу чутливої цифрової частини схеми
застосовуються оптоелектронні розв'язки на базі швидкодіючих оптопар U1 та U2,
які надійно та повністю гальванічно розділяють коло мікропроцесорного керування
та силове коло двигуна. Зворотний зв'язок щодо положення виконавчого органу
реалізується за допомогою аналогових магніточутливих датчиків Холла,
позначених на принциповій схемі як BK1 та BK2, вихідні сигнали з яких надходять
на входи вбудованого аналого-цифрового перетворювача мікроконтролера DD1
через пасивні інтегруючі RC-ланцюжки для апаратної фільтрації можливих шумів
та наведень. Усі зовнішні електричні підключення, включаючи підведення напруги
живлення від мережевого блоку, підключення високочастотної антени до модему
та з'єднання виходів силових транзисторів з обмотками лінійного двигуна,
здійснюються через стандартизовані гвинтові клемні колодки та роз'єми, що
позначаються на принциповій електричній схемі як XT1, XT2 та XW1, що гарантує
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 25

високу технологічність збирання та зручність подальшого технічного
обслуговування розробленої системи керування.

Рисунок 3.2 ‒ ‒ Схема електрична блоку дистанционного керування

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 26

4 Розрахунок основних вузлів схеми

4.1 Розрахунок кінематичних та динамічних параметрів виконавчого
механізму

Проектування електромеханічної системи вимагає ретельного
математичного обґрунтування кінематичних та динамічних параметрів
виконавчого механізму для забезпечення надійної роботи лінійного
електромагнітного двигуна з постійними магнітами. Головною умовою
ефективного використання лінійного приводу є мінімізація необхідного тягового
зусилля, що досягається шляхом механічного врівноваження системи за
допомогою зовнішньої противаги. Конструктивно стріла шлагбаума розглядається
як важіль, що спирається на вісь обертання і поділяється на дві нерівні частини:
робочу частину довжиною L1 та коротку хвостову частину довжиною L2 . Для
забезпечення статичної рівноваги системи необхідно виконати умову балансу
моментів, згідно з якою момент, створюваний довгою частиною стріли, має
повністю компенсуватися моментом короткої частини разом із встановленою
противагою. Математично ця умова описується рівнянням балансу моментів:

m1 ⋅ g ⋅ L1 = (m2 + mcw ) ⋅ g ⋅ L2
2 2 4.1

У наведеному рівнянні m1 та m2 є масами відповідних ділянок стріли, g є
прискоренням вільного падіння, а mcw є необхідною масою противаги. Маси
ділянок визначаються через об’єм матеріалу та його густину за відповідними
загальними формулами:

m1 = ρ ⋅ S ⋅ L1 4.2

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 27

m2 = ρ ⋅ S ⋅ L2 4.3

Площа перерізу порожнистого прямокутного профілю стріли
розраховується за геометричним співвідношенням:

S = 2 ⋅h ⋅ (a + b) − 4 ⋅h2 4.4

У цих формулах ρ є густиною матеріалу стріли, S є площею її поперечного
перерізу, a та b є зовнішніми розмірами профілю, а h є товщиною його стінки.
Після підстановки геометричних параметрів стандартної поліпропіленової стріли з
густиною 920 kg/m³, зовнішніми розмірами 0.06 m та 0.04 m, товщиною стінки
0.004 m та довжинами ділянок 2.25 m і 0.25 m, виконуються наступні розрахунки
для механічного балансування:

S = 2 ⋅0.004 ⋅ (0.06 + 0.04) − 4 ⋅0.0042 = 0.736 ⋅10−3 m2

m −3
1 = 920 ⋅0.736 ⋅10 ⋅ 2.25 = 1.52 kg

m −3
2 = 920 ⋅0.736 ⋅10 ⋅0.25 = 0.17 kg


m L1   2.25 
cw = m1 ⋅ − m2 =1.52 ⋅ − 0.17 =13.54 kg
 L2   0.25 

Оскільки статична складова моменту повністю скомпенсована, зусилля
приводу витрачатиметься виключно на подолання динамічного моменту під час
розгону та гальмування стріли. Для розрахунку динамічного моменту необхідно
визначити момент інерції системи відносно осі обертання, використовуючи
теорему Гюйгенса-Штейнера. Враховуючи, що вісь проходить через кінець довгої
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 28

частини стріли, момент інерції та необхідне кутове прискорення розраховуються за
формулами:

J = 1
in ⋅m1 ⋅ L2
1
3 4.5

ω = Δϕ
t 4.6

ε = ω
t 4.7

M dyn = Jin ⋅ε 4.8

Підставляючи раніше знайдені значення та задані параметри руху, де час
підйому стріли становить 3 s на загальний кут 1.31 rad, отримуємо наступні
результати розрахунків кінематики:

J = 1 ⋅1.52 ⋅ 2.252 = 2.57 kg ⋅ m2
in
3

ω = 1.31 = 0.437 rad/s
3

ε = 0.437 = 0.146 rad/s2
3

M dyn = 2.57 ⋅0.146 = 0.375 N ⋅ m

Сила, яку повинен розвивати лінійний електромагнітний двигун, залежить
від точки її прикладання до стріли і визначається через динамічний момент та плече
сили:

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 29

M
F = dyn
r sin(ϕ) 4.9
⋅

При виборі відстані від осі обертання до точки кріплення штока 0.05 m та
максимальному значенні синуса кута розрахунок необхідного лінійного зусилля
має такий вигляд:

F = 0.375 = 7.5 N
0.05 ⋅1

Електричний розрахунок параметрів обмоток лінійного електромагнітного
двигуна базується на необхідності створення достатнього магнітного поля для
генерації розрахованого тягового зусилля. Сила, що діє на шток з постійними
магнітами, прямо пропорційна густині струму в котушках статора, яка
визначається співвідношенням струму та площі вікна намотування:

J = N ⋅ I
c
w h 4.10
⋅

Необхідна фазна напруга для підтримання заданого струму розраховується
з урахуванням повного індуктивного та активного опору кола при заданій частоті
комутації напівпровідникових ключів:

X L = 2 ⋅π ⋅ f ⋅ Lph 4.11

U ph = I ⋅ (Rph + X L ) 4.12

Використовуючи стандартні неодимові магніти та обмотувальний дріт
марки ПЕТВ-2, було обрано оптимальні параметри котушки з кількістю витків 174,
індуктивністю 2 mH на фазу, загальним активним опором 2.48 Ohm на фазу та
робочим струмом 0.7 A при частоті комутації 1000 Hz. Підстановка цих значень дає
наступні результати розрахунків електричної частини приводу:
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 30

J = 174 ⋅0.7
c = 1.07 A/mm2
14.2 ⋅8

X L = 2 ⋅3.14 ⋅1000 ⋅ 2 ⋅10−3 = 12.56 Ohm

U ph = 0.7 ⋅ (2.48 +12.56) = 10.53 V

Розраховане значення напруги повністю узгоджується з обраним джерелом
живлення на 24 V, залишаючи достатній запас для регулювання шпаруватості
широтно-імпульсної модуляції мікроконтролером під час перехідних процесів
пуску та гальмування приводу. Усі розрахункові дані переконливо доводять
фізичну працездатність та високу енергетичну ефективність спроектованого вузла.

4.2 Розрахунок параметрів блоку живлення

Для забезпечення безперебійної роботи розробленої апаратної частини
необхідно виконати математичний розрахунок параметрів блоку живлення та
теплового режиму силових напівпровідникових ключів. Сумарна споживана
потужність системи визначається як алгебраїчна сума максимальних потужностей
цифрового обчислювального ядра, телекомунікаційного модуля та силового
каскаду лінійного електромагнітного двигуна з урахуванням коефіцієнта запасу
надійності. Споживана потужність окремих вузлів та загальна потужність системи
розраховуються за відповідними формулами:

Pmcu = Imcu ⋅Ulogic 4.13

Pgsm = Igsm ⋅U gsm 4.14
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 31

Ptotal = (Pmcu + Pgsm + Pmot ) ⋅ ks 4.15

Враховуючи, що споживаний струм мікроконтролера в активному режимі
становить 0.05 A при напрузі живлення 5 V, телекомунікаційний модуль під час
активної передачі даних генерує струм до 2.0 A при напрузі 3.3 V, потужність
електромагнітного приводу становить 25 W, а коефіцієнт запасу приймається
рівним 1.2, виконуємо обчислення споживаної потужності:

Pmcu = 0.05 ⋅5 = 0.25 W

Pgsm = 2.0 ⋅3.3 = 6.6 W

Ptotal = (0.25 + 6.6 + 25) ⋅1.2 = 38.22 W

Для компенсації імпульсних просадок напруги під час роботи
телекомунікаційного модема необхідно розрахувати мінімальну ємність
згладжувального конденсатора на виході понижуючого перетворювача. Ця ємність
визначається через зв'язок електричного заряду, струму та напруги:

Igsm ⋅ Δt
Cout = 4.16
ΔU

Де Δt є часом передачі імпульсу, який для стандартного тайм-слота
становить 0.00057 s, а ΔU є максимально допустимим падінням напруги,
прийнятим за 0.1 V. Відповідний розрахунок має такий вигляд:

C = 2.0 ⋅0.00057
out = 0.0114 F
0.1

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 32

Отримане значення на практиці реалізується встановленням стандартного
електролітичного конденсатора номіналом 10000 μ F. Наступним етапом є
тепловий розрахунок силових транзисторів інвертора для визначення необхідності
встановлення додаткових радіаторів охолодження. Втрати потужності на одному
N-канальному польовому транзисторі у відкритому стані та температура
напівпровідникового переходу розраховуються за наступними тепловими
моделями:

PD = I 2
ph ⋅ RDS (on) 4.17

Tj = Ta + PD ⋅ RthJA 4.18

У наведених рівняннях фазний струм двигуна становить 0.7 A, типовий опір
відкритого каналу обраного транзистора 0.008 Ohm, максимальна розрахункова
температура навколишнього середовища 50 ° C , а термічний опір транзистора в
корпусі без використання радіатора 62 ° C/W . Підстановка цих значень дає наступні
результати теплового розрахунку:

PD = 0.72 ⋅0.008 = 0.0039 W

Tj = 50 + 0.0039 ⋅62 = 50.24 °C

Оскільки отримана температура є значно нижчою за максимально
допустиму температуру напівпровідникового переходу, яка зазвичай становить 175
° C для даного класу силових приладів, математично доведено, що силовий каскад
здатен надійно та довгостроково функціонувати в заданих режимах без
застосування додаткових алюмінієвих охолоджувачів, що суттєво зменшує
загальні масогабаритні показники розробленого блоку керування.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 33

4.3 Розробка алгоритмічного та програмного забезпечення

Розробка спеціалізованого програмного та алгоритмічного забезпечення є
фундаментальним етапом створення інтелектуальної системи дистанційного
керування, оскільки саме мікропроцесорний код визначає логіку взаємодії всіх
апаратних вузлів, забезпечує високу надійність функціонування та виконання
суворих вимог поставленого технічного завдання. Запропонована нами базова
архітектура програмного забезпечення побудована на концепції детермінованого
скінченного автомата з жорстко заданими станами, що дозволяє уникнути
непередбачуваних блокувань виконання коду та гарантує передбачувану реакцію
системи на будь-які зовнішні впливи у режимі реального часу. Для забезпечення
безперебійного моніторингу критичних параметрів алгоритм активно
використовує систему апаратних переривань мікроконтролера, що дозволяє
миттєво реагувати на зміну стану датчиків безпеки або надходження нових пакетів
даних від комунікаційного модуля без марного витрачання процесорного часу на
постійне опитування портів у головному циклі програми. Такий архітектурний
підхід суттєво підвищує загальну енергоефективність системи та залишає
достатній резерв обчислювальної потужності для реалізації складних
математичних фільтрів і регуляторів.
Цикл роботи мікроконтролера розпочинається з етапу низькорівневої
апаратної ініціалізації, який автоматично запускається після подачі напруги
живлення або спрацьовування апаратного скидання. На цьому етапі програмне
забезпечення найперше конфігурує сторожовий таймер, який є критично важливим
елементом для систем, що працюють в автономному режимі на відкритому
просторі. У разі виникнення непередбачуваного зависання програми через сильні
електромагнітні завади від силового інвертора або грозові розряди, сторожовий
таймер автоматично перезавантажить мікроконтролер, повертаючи систему до
працездатного стану. Далі відбувається налаштування напрямку роботи портів
вводу-виводу: піни, з'єднані з драйвером силових ключів, переводяться в режим
дискретних виходів із початковим низьким логічним рівнем для запобігання
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 34

випадковому включенню двигуна, тоді як піни датчиків положення та безпеки
конфігуруються як цифрові або аналогові входи з підключенням внутрішніх
підтягуючих резисторів там, де це вимагається схемотехнікою.
Особлива увага на етапі ініціалізації приділяється налаштуванню
внутрішньої периферії мікроконтролера, зокрема аналого-цифрового
перетворювача та таймерів-лічильників. Для забезпечення коректної роботи
аналогових датчиків Холла, які відстежують положення штока лінійного двигуна,
аналого-цифровий перетворювач конфігурується на роботу з внутрішнім джерелом
опорної напруги для підвищення стабільності вимірювань незалежно від можливих
пульсацій основної шини живлення. Для керування силовими транзисторами
застосовуються шістнадцятибітні апаратні таймери, які налаштовуються в режим
генерації широтно-імпульсної модуляції з коректною фазою. Вибір саме цього
режиму ШІМ є принциповим для керування електродвигунами, оскільки він
забезпечує симетричність вихідних імпульсів, що мінімізує паразитні гармоніки у
фазних струмах і знижує нагрівання обмоток. Крім того, на рівні регістрів таймера
програмується введення "мертвого часу" — мікросекундної затримки між
перемиканнями транзисторів верхнього та нижнього плеча напівмоста, що
повністю виключає ризик виникнення руйнівних наскрізних струмів у силовому
каскаді під час зміни напрямку руху.
Наступним критичним кроком є ініціалізація універсального асинхронного
приймача-передавача для встановлення надійного каналу зв'язку з
телекомунікаційним GSM-модулем. Швидкість обміну даними встановлюється на
рівні 9600 біт за секунду, що є оптимальним компромісом між швидкістю реакції
системи та стійкістю до помилок передачі в умовах промислових електромагнітних
завад. Робота з послідовним портом реалізована через кільцеві буфери як для
прийому, так і для передачі даних, керування якими здійснюється виключно через
вектори переривань. Це дозволяє головній програмі не чекати завершення
довготривалих операцій обміну байтами, а асинхронно записувати та зчитувати
готові рядки АТ-команд. Одразу після конфігурації порту мікроконтролер подає
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 35

апаратний сигнал увімкнення на GSM-модуль і переходить до процедури
програмного рукостискання.
Процедура взаємодії з комунікаційним модулем починається з відправлення
базової команди "AT" для перевірки синхронізації швидкостей. Після отримання
підтвердження "OK" мікроконтролер надсилає послідовність конфігураційних
команд, які відключають локальну луну символів для економії пам'яті в буферах,
переводять модуль у текстовий режим роботи з повідомленнями та активують
функцію визначення номера абонента при вхідному дзвінку. Далі алгоритм
переходить у циклічний режим очікування реєстрації модуля в глобальній
стільниковій мережі. Програмне забезпечення періодично надсилає запит про
статус мережі та аналізує якість радіосигналу. Якщо рівень сигналу падає нижче
критичної позначки, система може ініціювати апаратне перезавантаження модему.
Тільки після отримання підтвердження про успішну авторизацію в мережі
оператора зв'язку (статус реєстрації в домашній мережі або в роумінгу) система
перемикається у свій основний робочий стан очікування авторизованих команд.
У базовому стані очікування алгоритм виконує дві основні функції:
моніторинг вхідного буфера послідовного порту та контроль периферійних систем
безпеки. Для усунення ефекту брязкоту контактів механічних реле індукційних
петель або оптичних сенсорів інфрачервоних бар'єрів розроблено алгоритм
програмного антибрязкоту, який фіксує зміну стану входу лише в тому випадку,
якщо новий логічний рівень залишається стабільним протягом кількох десятків
мілісекунд підряд. Це захищає систему від хибних спрацьовувань під час дощу,
снігопаду або сильних вібрацій механічної конструкції шлагбаума. Паралельно
мікроконтролер аналізує будь-які текстові рядки, що надходять від модему. Якщо
в потоці даних виявляється ключове слово "RING", що свідчить про вхідний
голосовий виклик, алгоритм миттєво переходить до фази ідентифікації та
авторизації користувача.
Процес ідентифікації є найбільш відповідальною частиною програмного
забезпечення з точки зору інформаційної безпеки розроблюваного об'єкта. Слідом
за сигналом про виклик GSM-модуль видає рядок формату ідентифікації лінії, що
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 36

містить телефонний номер абонента в міжнародному форматі. Мікроконтролер
виділяє цей підрядок з кільцевого буфера і починає процедуру пошуку збігів у
вбудованій енергонезалежній пам'яті (EEPROM), де зберігається масив дозволених
ідентифікаторів. Пошук здійснюється алгоритмом лінійного сканування пам'яті. У
разі відсутності стовідсоткового збігу система розцінює спробу доступу як
несанкціоновану: алгоритм ігнорує виклик, не видає жодних керуючих команд на
силовий каскад і робить відповідний запис у лог-файл помилок, після чого
повертається до глобального режиму очікування. Якщо ж ідентифікатор успішно
пройдено верифікацію, програмне забезпечення негайно відправляє АТ-команду
скидання виклику для розірвання з'єднання, гарантуючи таким чином нульові
фінансові витрати користувача на стільниковий зв'язок, та ініціює підпрограму
розблокування проїзду.
Підпрограма відкриття шлагбаума починається з обов'язкової апаратної
перевірки стану всіх датчиків безпеки: алгоритм гарантує, що під стрілою або в
безпосередній близькості від неї немає транспортних засобів чи пішоходів. У разі
вільної зони мікроконтролер формує керівні сигнали для силового інвертора. З
метою забезпечення плавності ходу, зниження пускових струмів і запобігання
механічним ударам у конструкції лінійного двигуна, нами реалізовано алгоритм
"м'якого старту". Мікроконтролер не подає відразу стовідсоткову напругу на
обмотки, а плавно збільшує шпаруватість широтно-імпульсної модуляції за
лінійним законом від нуля до номінального значення протягом першої секунди
руху. В процесі руху стріли алгоритм безперервно, з високою частотою
дискретизації, зчитує показання аналогових датчиків Холла. Сирі дані з аналого-
цифрового перетворювача проходять математичну обробку за допомогою
цифрового фільтра експоненційного ковзного середнього, що дозволяє ефективно
відсіяти високочастотні шуми, наведені магнітним полем потужних неодимових
магнітів статора.
На основі відфільтрованих значень напруги з датчиків мікроконтролер у
реальному часі обчислює поточну координату штока лінійного двигуна та його
миттєву швидкість. Ця телеметрична інформація використовується у замкненому
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 37

контурі керування для формування траєкторії руху стріли. При наближенні штока
до розрахованої верхньої граничної точки алгоритм ініціює фазу активного
гальмування. Програмне забезпечення починає пропорційно зменшувати
шпаруватість ШІМ, плавно знижуючи електромагнітне зусилля, що гарантує
беззударну і точну зупинку виконавчого механізму в крайньому відкритому
положенні. Після повної зупинки напруга на фазних обмотках не знімається
повністю, а переводиться в режим струму утримання — мінімального значення,
достатнього для надійної фіксації стріли і протидії можливим вітровим
навантаженням.
Після успішного відкриття мікроконтролер активує внутрішній програмний
таймер зворотного відліку, який виділяє заданий часовий інтервал для безпечного
проїзду автомобіля. У цей період алгоритм переходить у стан суворого моніторингу
простору. Якщо під час відліку спрацьовує інфрачервоний бар'єр або індукційна
петля, алгоритм миттєво призупиняє таймер і скидає його значення до початкового
максимуму, гарантуючи, що шлагбаум не почне закриватися доти, доки
транспортний засіб фізично не покине зону контролю. Лише після того, як зона
звільниться і таймер безперервно відрахує нуль, система ініціює підпрограму
закриття.
Алгоритм закриття є дзеркальним відображенням підпрограми відкриття,
але з реверсованим напрямком струму у фазах силового моста. Враховуючи, що
рух донизу додатково стимулюється силою тяжіння довгої частини стріли,
алгоритм керування шпаруватістю імпульсів динамічно коригується для
забезпечення не розгону, а плавного контрольованого опускання механізму,
активно протидіючи гравітаційному прискоренню. Контур зворотного зв'язку за
датчиками Холла також відстежує наближення до нижньої точки, ініціюючи
фінальне гальмування. У алгоритмі також передбачено модуль обробки аварійних
ситуацій: якщо під час руху в будь-якому напрямку мікроконтролер подає напругу
на двигун, але координата з датчиків положення не змінюється протягом
критичного часу, система класифікує це як механічне заклинювання або зустріч з
непередбаченою перешкодою. У такому разі алгоритм негайно знімає живлення з
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 38

силового каскаду і може ініціювати реверсивний рух для звільнення перешкоди,
після чого відправляє сервісне текстове повідомлення адміністратору про аварійну
ситуацію. Завершивши робочий цикл і зафіксувавши шлагбаум у закритому стані,
система повністю очищує всі змінні стану, обнуляє комунікаційні буфери і
переходить у вихідний режим очікування нового дзвінка, гарантуючи високу
відмовостійкість і готовність до наступних операцій.

Рисунок 4.1 ‒ Алгоритм роботи системи

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 39

5. Спеціальна частина

5.1 Вибір та обґрунтування технологічного процесу виготовлення
друкованої плати

Для забезпечення надійного функціонування розробленої інтелектуальної
системи дистанційного керування критично важливим етапом є правильний вибір
матеріалу та технологічного процесу виготовлення спеціалізованої друкованої
плати. Враховуючи використання сучасної елементної бази, зокрема центрального
мікроконтролера у корпусі з малим кроком виводів для поверхневого монтажу та
інтегрованого телекомунікаційного модуля, конструкція плати повинна бути
двосторонньою із забезпеченням надійного електричного зв'язку між шарами. Як
базовий діелектричний матеріал обрано фольгований склотекстоліт стандарту FR-
4 товщиною 1.5 мм, який відрізняється високою механічною міцністю, відмінними
електроізоляційними характеристиками, стабільністю геометричних розмірів при
температурних коливаннях та стійкістю до впливу агресивних хімічних середовищ
під час виробництва. Найбільш раціональним та економічно обґрунтованим
методом виготовлення друкованої плати для умов промислового серійного
виробництва є субтрактивний комбінований позитивний метод із застосуванням
сухого плівкового фоторезисту. Технологічний цикл розпочинається з попередньої
механічної та хімічної підготовки поверхні мідної фольги для забезпечення
максимальної адгезії, після чого на обидві сторони заготовки за допомогою
гарячого ламінування наноситься шар світлочутливого фоторезисту. Формування
топології провідників здійснюється шляхом контактного експонування плати
потужним ультрафіолетовим випромінюванням через заздалегідь підготовлені
фотошаблони, внаслідок чого засвічені ділянки полімеризуються та стають
стійкими до подальшої хімічної обробки. Після процесу проявлення у
слабколужному розчині, який видаляє незасвічений фоторезист, оголені ділянки
міді піддаються прецизійному хімічному травленню у розчині персульфату амонію
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 40

або хлорного заліза, формуючи таким чином необхідний електричний рисунок
принципової схеми. Наступним надзвичайно важливим етапом є свердління
перехідних та монтажних отворів на високоточних верстатах з числовим
програмним керуванням, після чого виконується їхня хіміко-гальванічна
металізація для створення надійного струмопровідного контакту між верхнім та
нижнім шарами мідних провідників. Для захисту готової топології від окислення,
впливу вологи та запобігання утворенню випадкових перемичок припою під час
автоматизованого монтажу дрібних компонентів, на всю поверхню плати
наноситься захисна паяльна маска. Вільні від маски контактні площадки
піддаються процесу гарячого лудіння з вирівнюванням повітряним потоком для
забезпечення ідеальної паяємості та збереження плоскості поверхні, що є
критичною вимогою для якісного припаювання мікросхем. Завершальним кроком
технологічного процесу є нанесення маркування методом сіткографії, що наносить
позиційні позначення елементів відповідно до розробленої конструкторської
документації, що значно спрощує подальше збирання, налагодження та технічне
обслуговування блоку керування. Застосування описаного класичного
субтрактивного методу гарантує отримання високої роздільної здатності
провідників, цілком достатньої для безпечного трасування ліній зв'язку
мікропроцесорного ядра, забезпечує бездоганну повторюваність параметрів у
партії та мінімізує кінцеву собівартість виробу, повністю задовольняючи технічні
вимоги до розробленої системи.
Наступним найважливішим етапом створення апаратної частини після
виготовлення "голої" друкованої плати є автоматизований процес монтажу
радіоелектронних компонентів, який перетворює діелектричну заготовку на
повністю функціональний інтелектуальний блок керування. Оскільки абсолютну
більшість обраної нами елементної бази, включаючи центральний мікроконтролер
ATmega2560, драйвери та пасивну обв'язку, становлять компоненти для
поверхневого монтажу, технологічний маршрут будується на основі сучасного
стандарту SMT (Surface Mount Technology). Виробничий цикл розпочинається з
прецизійного нанесення дозованої кількості паяльної пасти на контактні площадки
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 41

друкованої плати за допомогою напівавтоматичного принтера. Для цього
використовується спеціально виготовлений лазерним різанням трафарет з
нержавіючої сталі товщиною 0.12 mm, який забезпечує ідеальний збіг апертур з
топологією плати. Як припій застосовується сучасна безсвинцева паяльна паста
типу SAC305, що відповідає міжнародним екологічним директивам RoHS і
характеризується високою механічною міцністю утворених з'єднань. Паста
продавлюється крізь отвори трафарету за допомогою металевого ракеля під суворо
контрольованим тиском, залишаючи на кожній контактній площадці рівномірну
дозу флюсу та мікроскопічних кульок припою.
Після успішного нанесення паяльної пасти плата конвеєрною стрічкою
передається до високошвидкісного автоматичного установника компонентів (Pick-
and-Place machine). Цей роботизований маніпулятор, керуючись файлом
центроїдів, згенерованим безпосередньо з нашої системи автоматизованого
проектування, за допомогою вакуумних присосок захоплює електронні
компоненти зі стрічкових живильників і з мікронною точністю встановлює їх на
відповідні місця. Вбудована система машинного зору "на льоту" розпізнає реперні
знаки на друкованій платі та коригує кут повороту кожної мікросхеми, що є
критично необхідним для безпомилкового позиціонування багатовивідного
мікроконтролера та телекомунікаційного модуля SARA-G3. Завдяки високій
в'язкості паяльної пасти компоненти надійно утримуються на поверхні плати під
час подальшого транспортування до зони термічної обробки.
Процес формування надійних електричних та механічних з'єднань
відбувається у багатозонній конвекційній печі для пайки оплавленням. Для
запобігання термічному шоку чутливих напівпровідникових кристалів профіль
нагрівання суворо регламентується і складається з чотирьох послідовних фаз.
Спочатку плата проходить зону попереднього нагрівання зі швидкістю зростання
температури не більше 2 ° C/s , після чого потрапляє в зону стабілізації при
температурі близько 150 ° C , де відбувається активація флюсу та випаровування
летких розчинників. Далі настає критична фаза оплавлення: плата короткочасно
нагрівається до пікової температури 245 ° C , при якій кульки припою плавляться,
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 42

змочують металеві виводи компонентів і завдяки силам поверхневого натягу
ідеально центрують їх на контактних площадках. Завершується термічний цикл у
зоні контрольованого охолодження, де формується дрібнозерниста кристалічна
структура паяних швів.
Після завершення поверхневого монтажу виконується встановлення
вивідних компонентів (Through-Hole Technology), до яких у нашій схемі належать
потужні силові польові транзистори IRF3205, гвинтові клемні колодки живлення
та підключення двигуна, а також радіочастотний роз'єм антени типу SMA.
Зважаючи на дрібносерійний характер виробництва, їхній монтаж здійснюється
методом селективної пайки або вручну з використанням паяльних станцій із
цифровим контролем температури жала. Фінальними та обов'язковими етапами
технологічного процесу є відмивання готового модуля в ультразвуковій ванні зі
спеціальними промивними рідинами для повного видалення залишків активного
флюсу, які можуть викликати паразитні витоки струму або корозію провідників, а
також проведення автоматичної оптичної інспекції (AOI). Система оптичного
контролю за допомогою камер високої роздільної здатності порівнює зібрану плату
з еталонним зображенням, виявляючи найменші дефекти пайки, зміщення
компонентів або перемички між виводами мікроконтролера. Лише після успішного
проходження всіх цих технологічних та контрольних етапів апаратний блок
дистанційного керування вважається готовим до прошивки програмного
забезпечення та фінальних стендових випробувань.

5.2 Соціально-економічні та етико-екологічні аспекти прийняття
технічних рішень

Сучасна парадигма інженерного проектування вимагає від розробника
виходу за межі виключно технічної та математичної доцільності, зобов'язуючи
розглядати створюваний продукт через призму його впливу на суспільство,
економіку та навколишнє середовище. Розроблена інтелектуальна система
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 43

дистанційного керування автоматичним шлагбаумом на базі лінійного
електромагнітного двигуна з постійними магнітами є яскравим прикладом
комплексного підходу до вирішення завдань промислової та муніципальної
автоматизації. Прийняття фундаментальних технічних рішень на етапі
проектування цієї системи базувалося на глибокому аналізі сукупної вартості
володіння, соціальної значущості об'єкта, етичної відповідальності інженера за
безпеку та конфіденційність, а також на принципах екологічної сталості. Усі ці
аспекти тісно переплітаються, формуючи багатокритеріальну модель оцінки якості
та життєздатності розробленого інноваційного рішення на сучасному ринку систем
контролю доступу.
Економічний аспект прийняття рішень у даному проекті розглядається через
концепцію мінімізації сукупної вартості володіння протягом усього життєвого
циклу виробу. Традиційні електромеханічні шлагбауми використовують
асинхронні двигуни змінного струму у поєднанні зі складними черв'ячними або
планетарними редукторами. Таке класичне рішення є економічно неефективним у
довгостроковій перспективі через швидке механічне зношення рухомих частин,
необхідність регулярного технічного обслуговування, заміни мастильних
матеріалів та високу ймовірність виходу з ладу при інтенсивній експлуатації.
Натомість, прийняте в роботі рішення щодо використання прямого приводу на базі
лінійного електромагнітного двигуна повністю виключає з конструкції кінематичні
передачі. Це радикально знижує експлуатаційні витрати, оскільки система стає
практично такою, що не потребує обслуговування. Високий коефіцієнт корисної дії
лінійного двигуна, що працює в режимі широтно-імпульсної модуляції, забезпечує
значну економію електричної енергії під час кожного циклу відкриття та закриття,
що в масштабах великого підприємства або житлового комплексу з інтенсивним
трафіком призводить до суттєвого зменшення фінансових витрат на
електропостачання.
Додатковий, і не менш важливий, економічний ефект досягається завдяки
інтеграції стільникового телекомунікаційного модуля для авторизації
користувачів. Традиційні системи радіочастотної ідентифікації вимагають
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 44

закупівлі індивідуальних апаратних брелоків або магнітних карток для кожного
користувача. Для об'єктів з великою кількістю персоналу, наприклад, бізнес-
центрів чи закритих котеджних містечок, вартість емісії сотень чи тисяч таких
ключів стає величезною статтею витрат, до якої додаються витрати на їхню заміну
у разі втрати чи поломки. Використання GSM-модуля дозволяє повністю
відмовитися від апаратних ключів, перетворюючи особистий мобільний телефон
користувача на універсальний інструмент доступу. Додавання нового абонента до
бази даних або його видалення здійснюється програмним шляхом і не несе жодних
додаткових матеріальних витрат, що робить розроблену систему надзвичайно
економічно привабливою для кінцевого замовника та забезпечує їй високу
конкурентоспроможність. Крім того, алгоритм передбачає автоматичне відхилення
виклику після ідентифікації номера, що гарантує абсолютну відсутність витрат на
послуги мобільного зв'язку як для користувача, так і для власника системи.
Соціальні аспекти розробки тісно пов'язані з покращенням якості життя,
підвищенням рівня громадської безпеки та оптимізацією робочих процесів.
Впровадження інтелектуальної системи керування дозволяє мінімізувати вплив
людського фактора на процеси контролю доступу. Автоматизація рутинних
операцій вивільняє трудові ресурси, знімаючи з працівників служби безпеки
необхідність монотонного візуального контролю та ручного керування
механізмами, що дозволяє перенаправити їхню увагу на виконання більш складних
аналітичних завдань охорони об'єкта. Безперешкодний, швидкий та гарантований
доступ авторизованого транспорту на закриту територію запобігає утворенню
заторів на в'їздах, що позитивно впливає на пропускну здатність прилеглих
транспортних магістралей і знижує рівень соціальної напруги в міському
середовищі. Інтеграція таких систем є невід'ємною складовою сучасної концепції
розвитку інфраструктури розумних міст, де безбар'єрність та швидкість
логістичних операцій визначають рівень соціального комфорту населення.
Етичний вимір інженерного проектування у цій роботі охоплює два
критичні напрямки: інформаційну конфіденційність та абсолютну безпеку
експлуатації. Оскільки система працює з персональними даними користувачів, а
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 45

саме з номерами їхніх мобільних телефонів, на розробника покладається етична
відповідальність за нерозголошення та захист цієї інформації. Прийняте
архітектурне рішення базується на локальній обробці всіх даних: телефонні номери
зберігаються виключно в зашифрованому вигляді у внутрішній енергонезалежній
пам'яті мікроконтролера і не передаються на жодні зовнішні хмарні сервери чи
сторонні бази даних. Це повністю відповідає сучасним етичним нормам і
міжнародним стандартам захисту персональної інформації. Система функціонує в
замкненому контурі, що унеможливлює компрометацію бази абонентів через
вразливості глобальної мережі Інтернет.
Другим найважливішим етичним обов'язком інженера є гарантування того,
що розроблений механізм ні за яких обставин не завдасть шкоди життю, здоров'ю
людини або її майну. Саме з міркувань інженерної етики та презумпції безпеки в
розроблену принципову схему та алгоритм роботи було закладено глибоке
апаратне та програмне резервування. Використання магніточутливих датчиків
Холла для точного позиціонування стріли, обов'язкова інтеграція зовнішніх
інфрачервоних фотоелементів та індукційних петель формують надійний бар'єр
проти аварійних ситуацій. Навіть у випадку отримання легітимної команди на
закриття від авторизованого користувача, алгоритм етично відмовить у її виконанні
та заблокує рух виконавчого механізму, якщо в зоні ризику буде виявлено людину
або транспортний засіб. Наявність апаратного сторожового таймера гарантує, що у
разі критичного програмного збою стріла не впаде неконтрольовано, а система
перейде в безпечний стан, що є проявом найвищого рівня професійної
відповідальності розробника.
Екологічна складова проекту є логічним продовженням етичних та
економічних рішень, оскільки сталий розвиток неможливий без мінімізації
негативного впливу техносфери на природне середовище. Традиційні редукторні
приводи шлагбаумів є джерелом постійної екологічної небезпеки через
використання значних об'ємів рідких і консистентних мастил. У процесі тривалої
експлуатації, особливо в умовах різких перепадів температур та зношення
ущільнювачів, виникає високий ризик витоку цих нафтопродуктів, що призводить
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 46

до незворотного забруднення ґрунтів та підземних вод у місцях встановлення
механізмів. Застосування лінійного електромагнітного двигуна з постійними
магнітами повністю вирішує цю екологічну проблему, оскільки такий тип приводу
принципово не потребує жодних мастильних матеріалів для своєї роботи. Це
перетворює розроблену систему на абсолютно чистий механізм, придатний для
встановлення в екологічно чутливих зонах, таких як рекреаційні парки, санаторні
комплекси, водоохоронні території та заповідники.
Значний екологічний ефект також досягається на рівні енергоефективності.
Завдяки відсутності втрат на тертя в зубчастих передачах та використанню
оптимізованих алгоритмів широтно-імпульсного керування фазними струмами,
розроблений привід споживає суттєво менше електроенергії для виконання
корисної роботи. У глобальному масштабі зменшення енергоспоживання
призводить до пропорційного зниження непрямих викидів парникових газів
тепловими електростанціями, що робить внесок у боротьбу з глобальними
кліматичними змінами. Крім того, мікроконтролер та телекомунікаційний модуль
більшу частину часу перебувають у стані глибокого енергозбереження,
мінімізуючи так зване "вампірське" споживання енергії в режимі очікування.
Екологічна відповідальність також була врахована на етапі вибору
матеріалів та технології виготовлення електронного блоку. Згідно з сучасними
міжнародними директивами щодо обмеження вмісту шкідливих речовин, у
технологічному процесі поверхневого монтажу компонентів на друковану плату
принципово відкинуто використання традиційних свинцевовмісних припоїв.
Застосування виключно екологічно чистих безсвинцевих паяльних паст усуває
ризик потрапляння важких металів у навколишнє середовище на етапі кінцевої
утилізації виробу. Усі ключові механічні та електронні складові системи,
включаючи мідні обмотки статора, поліпропіленову стрілу, неодимові магніти та
фольгований склотекстоліт друкованої плати, підлягають майже стовідсотковій
вторинній переробці після завершення терміну експлуатації. Таким чином,
розроблена система дистанційного керування відповідає найсуворішим критеріям
циркулярної економіки.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 47

Синтез описаних соціальних, економічних, етичних та екологічних аспектів
беззаперечно доводить, що прийняті в процесі розробки технічні та архітектурні
рішення є оптимальними не лише з точки зору класичної інженерної механіки та
програмування мікроконтролерів, але й у ширшому глобальному контексті.
Відмова від неефективних редукторів на користь лінійного двигуна, перехід на
безкоштовну GSM-авторизацію замість пластикових карток, суворе дотримання
конфіденційності даних, гарантування абсолютної безпеки для людини та
відсутність токсичних мастильних матеріалів формують комплексний
інноваційний продукт. Цей продукт повністю відповідає вимогам сталого розвитку,
демонструючи високий рівень соціальної відповідальності та глибоке розуміння
сучасних глобальних викликів, що стоять перед інженерами-розробниками систем
промислової автоматизації.

5.3 Охорона праці

Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на дослідника при
роботі в проектно-технічній лабораторії
В даній бакалаврській роботі проводиться розробка системи дистанційного
керування електротехнічними об’єктами. При проведенні проектних робіт з
розробки подібних систем необхідно опрацювати значну кількість теоретичного
матеріалу, розробити необхідну документацію та провести необхідні розрахунки.
Виконання цих робіт можливе лише при застосуванні сучасної комп’ютерної
техніки. Тому виникає потреба в забезпеченні безпечної та продуктивної
організації праці проектувальника при роботі за комп’ютером.
За рівнем фізичного навантаження таку роботу необхідно віднести до
категорії І а, тобто робота яка виконується сидячі та не потребує фізичного
навантаження.
Проектування системи проводиться в приміщенні, яке має наступні
геометричні розміри: довжина – 12 м, ширина – 5,5 м, висота стелі – 3,2 м.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 48

Відповідно площа всього приміщення складає 66 м2, а об’єм становить 211,2 м3.
Оскільки в лабораторії працює п’ять співробітників, то на одного працюючого
припадає 13,2 м2, що відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010, відповідно до яких
площа, яка припадає на одне робоче місце, яке обладнане ПК, повинна складати не
менше 6 м2, а об’єм - не меншим ніж 20 м3.
Суттєвий вплив на стан організму працівника, його працездатність здійснює
мікроклімат (метеорологічні умови) у робочих приміщеннях, під яким розуміють
умови внутрішнього середовища цих приміщень, що впливають на тепловий обмін
працюючих з оточенням. Ці умови визначаються поєднанням температури,
відносної вологості та швидкості руху повітря, температури поверхонь, що
оточують людину та інтенсивності теплового (інфрачервоного) опромінення.
Можливості організму пристосовуватись до метеорологічних умов значні,
однак не безмежні. Верхньою межею терморегуляції людини, що знаходиться у
стані спокою, прийнято вважати 30-31 °С при відносній вологості 85% чи 40 °С при
відносній вологості 30%. При виконанні фізичної роботи ця межа значно нижча.
Отже, для нормального теплового самопочуття людини важливо, щоб температура,
відносна вологість і швидкість руху повітря знаходились у певному спів-
відношенні.
Згідно ДСН 3.3.6.042-99 «Повітря робочої зони», що регламентує параметри
мікроклімату виробничих приміщень, нормативні значення основних факторів
мікроклімату наступні:
1. Температура повітря: в холодний період року – 22 - 24 °С (допустима – 21
- 25 °С); в теплий період року – 23 - 25 °С (допустима – 22 - 28 °С).
2. Вологість повітря: в холодний період року – 40 - 60 %; в теплий період
року – 40 -60 %.
3. Швидкість руху повітря: в холодний період року – 0,1 м/с (допустима –
не більша ніж 0,1 м/с); в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1...0,2 м/с).
Фактичні значення параметрів мікроклімату становлять:
1. Температура повітря: в холодний період року – 16-17 °С; в теплий період
року – 23-24 °С.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 49

2. Вологість повітря: в холодний період року – 45-47 %; в теплий період
року – 50-52 %.
3. Швидкість руху повітря: в холодний період року – 0,06-0,1 м/с; в теплий
період року – 0,05-0,1 м/с.
З наведених даних видно, що фактичне значення вологості повітря та
швидкості руху повітря відповідають нормативним значенням параметрів.
Значення температури повітря в холодний період року є нижчим за нормативне
значення, отже, необхідно провести модернізацію системи опалення у даному
приміщенні.
Шум також являється одним з важливих факторів виробничого середовища,
який може негативно впливати на працівника. При підвищеному рівні шуму вуха
людини відчувають напруження: слуховий апарат працює на межі, намагаючись
захиститися від надмірних звукових хвиль. З’являється дзвін у вухах, поступове
зниження чутливості до звуків. Людина починає гірше розрізняти слова, особливо
якщо хтось говорить поруч.
Шум впливає не лише на слух. Серцево-судинна система реагує
підвищенням тиску, серце б’ється швидше. Постійний гул викликає стрес, нервова
система перебуває у стані напруги. Робітник стає дратівливим, йому важче
зосередитися, увага розсіюється. З часом накопичується втома. Навіть проста
робота здається виснажливою, бо мозок постійно бореться з фоном, намагаючись
відфільтрувати зайві звуки. Це призводить до зниження продуктивності, частих
помилок і підвищеного ризику травм.
Психологічно шум створює відчуття тиску й неспокою. Людина може
відчувати тривогу, безсоння, а іноді навіть депресивні настрої.
Таким чином, підвищений рівень шуму – це не просто дискомфорт. Це
постійний невидимий фактор, який виснажує організм: слух, нервову систему,
серце й психіку. Внаслідок цього знижується працездатність та підвищується
ймовірність нещасних випадків.
В даному приміщенні головним джерелом шуму є вентилятор охолодження
джерела живлення системного блоку. Шум, який видає системний блок не
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 50

перевищує нормативне значення еквівалентного рівня шуму, яке згідно вимог ДСН
3.3.6.037-99 «Санітарні норми рівнів шуму на робочих місцях» становить 50дБА.
Можливість людини орієнтуватися у просторі, здійснювати фізіологічні
функції, виконувати різні види робіт залежить від виду і якості освітлення
навколишнього середовища.
До освітлення ставляться певні гігієнічні вимоги. Освітлення повинно бути
рівномірним і достатнім для швидкого й легкого розрізнення об’єктів,
забезпечувати деяку контрастність між об’єктом і фоном. Джерело світла не
повинно засліплювати людину і створювати відблиски на об’єкті, що
розглядається.
Раціональне освітлення робочих місць і приміщень створює у працівників
певний психологічний тонус, попереджує зорову і загальну втому, сприяє
високопродуктивній праці. Недостатня освітленість робочих місць може бути
непрямою причиною нещасних випадків на виробництві.
Робоче приміщення згідно з нормами проектування ДБН В.2.5-28-2018
«Природне та штучне освітлення» має природне та штучне освітлення. Природне
освітлення приміщення здійснюється через п’ять вікон, які зорієнтовані на захід.
Розміри кожного вікна складають 1,2×3 м. Робоче місце розташоване таким чином,
що усі вікна знаходяться перед робочим місцем працюючого. За рахунок цього
забезпечене мінімальне потрапляння прямих сонячних промінів на екран монітора,
які б спричиняли би відбиття світла від екрану. При цьому у полі зору працюючого
забезпечується оптимальне співвідношення яскравості робочих та навколишніх
поверхонь.
Під час роботи працівник в більшості випадків працює з даними, які
виводяться програмним забезпеченням (з розрахунками на екрані монітора). Тобто
найменшим об’єктом розрізнення виступає “крапка” на екрані монітора (в
текстових редакторах та математичних прикладних програмах це текст чорного
кольору на білому фоні). Найменший об’єкт розрізнення – 0,25 мм, що відповідає
дуже високому ступеню точності зорової праці. Розряд зорової праці – II, підрозряд
– Г. Контраст об’єкту розрізнення з фоном - великий. Для даного типу зорової
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 51

праці нормативне значення КПО згідно норм освітлення ДБН В.2.5-28-2018
дорівнює 1,8%. Робоче місце розташовано на відстані 2 м від вікна і в цій точці
значення КПО складає 35-37%, що задовольняє нормам. Тому рівень природного
освітлення можна вважати достатнім.
Для темного часу доби в приміщенні передбачене штучне освітлення.
Штучне освітлення також передбачається у всіх виробничих та побутових
приміщеннях, якщо недостатньо природного світла. При організації штучного
освітлення необхідно забезпечити сприятливі гігієнічні умови для зорової роботи і
одночасно враховувати економічні показники. При штучному освітленні
нормується величина освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від
характеристик зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта
розрізнення, фону, контрасту об'єкта розрізнення з фоном.
Приміщення обладнане дванадцятьма світильниками денного світла типу
ЛСП02-2х58-001, які розташовані симетрично та рівновіддалено від стін.
Відповідно до ДБН В.2.5-28-2018 для даного типу зорової праці необхідна
величина штучного загального освітлення складає 400 лк. Фактичне значення
даного параметра становить 420-430 Лк. Отже, рівень штучного освітлення на
робочому місці є достатнім.
Головним джерелом електромагнітного випромінювання в приміщенні є
монітор та системний блок. Рівні електромагнітного випромінювання на робочому
місці повністю відповідають вимогам ДСН 3.3.6.096-2002.
Для живлення обладнання застосовується електромережа змінного струму
напругою 230 В. Електропроводка мережі прихованого типу та виконана мідним
дротом 3*2.5 мм2. Таке виконання проводки запобігає виникненню та поширенню
пожежі внаслідок можливого короткого замкнення в проводці, та можливому
ураженню працівника струмом. Обладнання, а саме системні блоки та монітори,
встановлене в кабінеті, живиться напругою 230 В і споживає потужність менше ніж
3,5 кВт. Оскільки ПК та має металевий корпус, то згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016 в
приміщенні передбачена магістраль захисного заземлення, яка забезпечує захист
людини від ураження електричним струмом.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 52

За категорією пожежонебезпеки згідно ДСТУ Б.В.1.1-36:2016, дане
приміщення відноситься до типу В (горючі та важкогорючі рідини, тверді горючі
та важкогорючі речовини і матеріали, речовини та матеріали, здатні при взаємодії
з водою, киснем повітря або одне з одним лише горіти, за умови, що приміщення,
в яких вони знаходяться не належать до категорій А чи Б). Стіни приміщення
виготовлені з цегли, оштукатурені та пофарбовані водоемульсійною фарбою. Стеля
виготовлена методом перекриття приміщення залізобетонними плитами, а підлога
з кахельної плитки. Всі матеріали застосовані для будівництва приміщення
повністю дозволені для оздоблення приміщень органами державного санітарно-
епідеміологічного нагляду.
Приміщення оснащено системою автоматичної пожежної сигналізації
відповідно до вимог ДБН В.2.5-56-2014. Також в приміщенні знаходиться три
переносних вуглекислотних вогнегасника ВВК-5, які використовуються для
гасіння легкозаймистих та горючих рідин, твердих горючих речовин та матеріалів,
електропроводок, що знаходяться під напругою до 1000 В, що відповідає Правилам
експлуатації та типовим нормам належності вогнегасників.
Для забезпечення проведення швидкої та організованої евакуації персоналу
на випадок виникнення пожежі в будівлі передбачений план евакуації, розміщений
на стіні з вільним доступом до нього.
На працездатність дослідника окрім зовнішніх факторів виробничого
середовища також впливає безпосередня організація робочого місця. Отже,
робочий стіл має такі розміри: висота – 710 мм, ширина – 510 мм, довжина – 1100
мм. Відповідно стілець має такі розміри: висота – 400 мм, ширина – 400 мм.
Відстань від екрана до ока складає 700 мм при розмірі екрану по діагоналі 24", а
клавіатура розміщена на поверхні столу на відстані 200 мм від працюючого. Отже,
організація робочого місця повністю задовольняє ергономічним вимогам ДСТУ
8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання робіт у положенні
сидячи. Загальні ергономічні вимоги».
Важливим фактором для підвищення продуктивності праці та запобіганню
виснаження організму являється правильна організація її режиму. Отже, при
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 53

організації праці, яка пов’язана з роботою за комп’ютером та іншими приладами,
для збереження здоров’я працюючого, запобігання виникненню професійних
захворювань та підтримки працездатності на належному рівні повинні бути
передбаченні перерви для відпочинку.
Підприємство за свої кошти організовує проведення попереднього (при
прийнятті на роботу) і періодичних (протягом трудової діяльності) медичних
оглядів працівників, зайнятих на важких роботах, роботах із шкідливими чи
небезпечними умовами праці або таких, де є потреба у професійному відборі, а
також щорічного обов'язкового медичного огляду осіб віком до 21 року, відповідно
до наказу Міністерства охорони здоров`я України від 21.05.2007 № 246.
З усіма працівниками перед допуском до роботи проводять вступний та
первинний інструктажі згідно типового положення про навчання з питань охорони
праці (ДНАОП 0.00-4.12-05). Допуск до роботи відбувається після проведення
перевірки знань із вступного та первинного інструктажів. Перевірка здійснюється
згідно затвердженого переліку запитань.
Вступний інструктаж з питань охорони праці проводиться з усіма
працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову) незалежно
від їх освіти, стажу роботи за цією професією або посади. Первинний інструктаж
проводиться з працівниками та студентами на робочому місці до початку роботи.
Запис про проведення вступного інструктажу робиться у спеціальному журналі.
Повторний інструктаж проводиться на робочому місці з усіма працівниками
та студентами: на роботах з підвищеною небезпекою – 1 раз у квартал, на інших
роботах – 1 раз на півріччя.
Отже, після проведення детального аналізу приміщення та безпосередньо
робочого місця можна зробити висновок, що всі фактори виробничого середовища,
окрім температури приміщення в холодний період року, відповідають своїм
нормативним значенням. Тому необхідно провести модернізацію системи
централізованого водяного опалення, щоб забезпечити відповідність значення
температури повітря в холодний період року нормативному значенням цього
параметра, а саме на рівні 20-22 °С.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 54

Модернізація системи водяного опалення лабораторії
Системи опалення являють собою комплекс елементів, необхідних для
нагрівання приміщень в холодний період року. До основних елементів системи
опалення належать: джерела тепла, теплопроводи та нагрівальні прилади.
Теплоносіями можуть бути нагріта вода, пара чи повітря. Системи опалення
повинні компенсувати втрати тепла через зовнішні будівельні конструкції та
підігрівати холодне повітря, яке надходить ззовні через вікна, двері, ворота та ін.
Для підприємств та організацій проектується, як правило, центральна водяна
система опалення низького тиску або система повітряного опалення. При
проектуванні системи опалення необхідно визначити категорію вибухопожежної
небезпеки виробництва; внутрішню температуру повітря в приміщенні, залежно
від категорії роботи (легка, середньої важкості, важка); розрахункову зовнішню
температуру повітря для даного кліматичного району; орієнтовні втрати тепла
будинком; тепловиділення від людей, електродвигунів, нагрітих поверхонь котлів,
сушильних установок, світильників, та іншого обладнання; необхідну систему
опалення, вид теплоносія, тип опалювальних приладів; кількість тепла на опалення
приміщень; поверхню нагрівальних приладів; кількість елементів секцій в одному
нагрівальному приладі, загальну кількість секцій; годинні витрати води (повітря)
на опалення; необхідну поверхню нагріву.
Основною метою системи опалення є створення комфортної температури у
приміщенні, де перебуває та працює людина. Система опалення повинна
підтримувати температуру повітря в приміщенні на рівні від 20 до 22°C . В
залежності від того який теплоносій використовується в опалювальній системі,
вона може поділятися на декілька типів: водяна, парова, низького тиску, високого
тиску. Водяна та парова системи опалення в залежності від тиску пари чи
температури води можуть бути низького тиску (тиск пари до 70 кПа чи температура
води до 100 °С), та високого тиску (тиск пари більше 70 кПа чи температура води
понад 100 °С).
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 55

Найчастіше використовується водяне опалення низького тиску, яке має ряд
переваг в порівнянні з паровим опаленням та відповідає основним санітарно-
гігієнічним вимогам. До основних переваг цієї системи можна віднести рівномірне
нагрівання приміщення; можливість централізованого регулювання температури
води; підтримання відносної вологості повітря в приміщенні на відповідному рівні;
виключення можливості опіків від нагрівальних приладів; високий рівень
пожежної безпеки. Основний недолік системи водяного опалення – можливість її
замерзання при аварійному відключенні в зимовий період, а також повільне
нагрівання великих приміщень після тривалої перерви в опаленні.
Парове опалення має низку санітарно-гігієнічних недоліків, тому
застосовується рідко. Зокрема, внаслідок перегрівання повітря знижується його
відносна вологість, а органічний пил, що осідає на нагрівальних приладах, підгоряє
і створює запах гару. Окрім того, існує небезпека пожеж та опіків. Враховуючи
вищевказані недоліки не допускається застосування парового опалення в
пожежонебезпечних приміщеннях та приміщеннях зі значним виділенням пилу.
До опалювальних приладів висувають ряд вимог, за якими їх класифікують,
аналізують ступінь досконалості та проводять порівняння.
Опалювальні прилади повинні мати за можливістю більш низьку
температуру корпуса для забезпечення непригорання пилу та неможливості опіків
при доторканні до корпусу, зменшення нейтралізації нестійких іонів з негативним
зарядом, зниження швидкості руху повітря і відповідно швидкості руху
пиловидних частинок; мати найменшу площу для зменшення відкладання пилу;
мати вільний доступ для видалення пилу з корпусу та з огороджуючих конструкцій
за ним.
Опалювальні прилади повинні мати найменші приведені витрати на
виготовлення, монтаж та експлуатацію. Найменшу витрату металу, найменшу
питому вартість, віднесену до 1 м2 площі поверхні або до 1 кВт теплового потоку.
Зовнішній вигляд (форма, розміри, фарбування) опалювальних приладів
повинен відповідати інтер'єру приміщення, а їх об'єм, віднесений до одиниці
теплового потоку, бути якнайменшим.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 56

Повинна забезпечуватись максимальна механізація робіт при виробництві
та монтажу опалювальних приладів. Опалювальні прилади повинні мати достатню
механічну міцність.
Опалювальні прилади повинні пропорційно реагувати на автоматичну
керованість їх тепловіддачею; забезпечувати пріоритет теплоти у приміщенні; бути
довговічними, температуростійкими. Опалювальні прилади повинні забезпечити
найбільшу щільність питомого теплового потоку, віднесену на одиницю площі.
Опалювальні прилади можуть мати додаткове обладнання для задоволення потреб
споживача – дзеркала, вішалки, зволожувачі повітря тощо.
За переважним видом тепловіддачі всі опалювальні прилади розділяють на
три групи, а саме: радіаційні, що передають випромінюванням не менше 50% су-
марного теплового потоку (до них відносять сталеві бетонні опалювальні панелі та
випромінювачі); конвентивно-радіаційні, що передають конвекцією від 50% до
75% сумарного теплового потоку (в цю групу включають секційні та панельні
радіатори, підлогові та стінові опалювальні панелі, гладкотрубні опалювальні
прилади); конвективні, передають конвекцією понад 75% загального теплового
потоку (до цієї групи відносять конвектори та ребристі труби).
За матеріалом опалювальні прилади розділяють на металеві (чавунні,
сталеві, алюмінієві, мідні тощо), біметалеві (сталево-алюмінієві, мідно-алюмінієві),
неметалеві (керамічні, пластмасово-бетонні) та комбіновані (металево-керамічні,
металево-бетонні тощо).
Чавунні секційні батареї – теплові прилади, які відносяться до застарілих
систем опалення. Мають малу поверхню віддачі тепла й низьку теплопровідність
металу, роблять нагрівання в основному випромінюванням і близько 20% тепла
передають повітрю конвекцією. Рух теплоносія в системі відбувається
гравітаційним шляхом, що сильно сповільнює передачу тепла. Для збільшення
конвекційної віддачі тепла чавунними радіаторами, їх рекомендують розміщати
тільки під вікнами, щоб холодне повітря, що опускається з поверхні скла,
примусово проходило через радіатор.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 57

Панельні сталеві батареї являють собою дві сталеві пластини, між якими
циркулює теплоносій. Пластини мають товщину 1,2 мм, з'єднані між собою
точковим електрозварюванням, містять виштампувані канали, по яких протікає
вода. Панель розмірами за звичайний чавунний радіатор має товщину 30 мм, але
вдвічі меншу тепловіддачу. Для підвищення теплової потужності ставлять
паралельно дві, навіть три панелі. При двох або трьох панелях радіатор передає
тепло випромінюванням тільки зовнішніми площинами, тому до всіх внутрішніх
площин радіатор приварюють ряди П-подібних пластин, які значно збільшують
поверхню тепловіддачі, тобто внутрішні площини працюють як конвектор.
Основний недолік такий же, як й в алюмінієвих радіаторах – прискорена корозія.
Алюмінієві секційні батареї, більш досконала конструкція, у якій
застосований матеріал з великим коефіцієнтом теплопередачі у вигляді
алюмінієвого сплаву. Секції алюмінієвого радіатора мають глибину всього 80-110
мм. Алюмінієві секційні радіатори більше половини тепла віддають
випромінюванням, іншу половину – конвекцією. Деякі типи алюмінієвих
радіаторів можуть мати сильно розвинену поверхню у вигляді додаткових тонких
ребер, розміщених усередині секції, при цьому зростає площа нагрівання однієї
секції. Теплова потужність однієї секції декларується виготовлювачами до 180
ватів. Завдяки зменшеному обсягу води в секціях алюмінієві радіатори добре
піддаються регулюванню за допомогою термозапірних клапанів і термочуттєвих
головок. Теплорегулюючі елементи, якими необхідно постачати всі алюмінієві
радіатори, дозволяють обмежувати протік гарячої води через радіатор при
досягненні заданої температури в кімнаті. Основний і самий великий недолік –
схильність до електрохімічної корозії.
Біметалеві радіатори виконуються з двох різних металів, зазвичай
використовують алюміній і сталь. В основі роботи біметалевих радіаторів лежить
відомий принцип конвекції, що надає системі опалення надзвичайну ефективність
при використанні в будь-якому приміщенні. Алюмінієм забезпечується теплий
потік, а серцевина, виконана зі сталі, забезпечує подачу гарячої води і нагріванням
всього корпусу. Спочатку біметалеві радіатори створювалися для установки в
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 58

багатоповерхових висотках, але в даний час з успіхом використовуються і в
малоповерховому будівництві.
Основні характеристики біметалевих радіаторів:
- міцність;
- довговічність (до 20 років);
- сучасний дизайн в поєднанні з високим рівнем тепловіддачі;
- ціна на 15 - 20% вище, ніж у радіаторів з алюмінію;
- біметалеві радіатори мають більший гідравлічний опір, ніж сталеві.
Системи опалення, де застосовуються біметалеві радіатори, вимагають
більше енергії на перекачування теплоносія. Серед головних переваг біметалевих
радіаторів підвищена стійкість до впливу агресивного теплоносія і високого
робочого тиску. Підвищений рівень хімічної стійкості досягається застосуванням
сталі в конструкції, і саме вона контактує з теплоносієм, а не алюміній.
Завдяки застосуванню стали при створенні вертикального колектора
радіатора вдається досягти збільшення робочого тиску. Зрозуміло, в системі
реальний тиск вкрай рідко піднімається вище 15 атм., але біметалеві радіатори
володіють більшою стійкістю до гідравлічних ударів, чим забезпечується
додаткова їх надійність.
Завдяки наявності сталевої складової радіатор-біметал може витримувати
високий тиск води, що поступає. Також сталева начинка нечутлива до загального
сливу і до забруднень в системі. Саме тому це призвело до широкого поширення
біметалевих радіаторів для оснащення систем опалення в сучасних
багатоповерхових будівлях.
В біметалевих радіаторах алюміній часто використовується, як
декоративний матеріал і легко знаходить потрібну форму і зовнішній вигляд, що
дозволяє задіяти біметалеві радіатори для монтажу опалювальної системи в
найдорожчих і престижних інтер'єрах. Такі радіатори є чудовим бюджетним
вибором для міських умов, де велике значення мають не тільки сучасний дизайн,
але і надійність, і економічність.
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 59

Біметалеві радіатори не вимагають спеціальної підготовки води (очищення,
зниження кислотності, лужності), на відміну від алюмінієвих радіаторів. Радіатори
мають корпус без гострих кутів, температура на поверхні в 2 рази нижче, ніж
усередині. При роботі радіатор створює ефект повітряного теплового вентилятора
й дуже добре перемішує шари повітря в приміщенні.
В приміщенні застосовується схема периметральної двотрубної тупикової
вітки системи опалення з рухом теплоносія в середині системи за схемою “зверху-
донизу”. Кількість тепла, що втрачається будівельною конструкцією QK залежить
від різниці температур, величини їх значень, площі та виду матеріалу та може бути
підрахована для плоских поверхонь за формулою:
QK = k ⋅ Fk (tвн − t зовн ) (5.1)
де: k – коефіцієнт теплопередачі конструкції огорожі (стін),
k=0,97 ккал/год;
Fк – поверхня огороджувальної конструкції; Fк=38,4 м2.
tвн – розрахункова температура повітря в приміщенні, t = 22 °C;
tзовн – розрахункова температура зовнішнього повітря (приймається за
кліматичними даними для даного міста), t = -20 °C.
QK = k ⋅ Fk (tвн − t зовн ) = 0,97 ⋅38,4 ⋅ (22 − (−20)) =1564,4 ккал / год.
Відносні витрати води розраховуються за формулою:
q = 7,98 ⋅ (Δt −10)
ΔTприл ⋅ L (5.2)
де: Δt – різниця температур між середньою температурою теплоносія в
нагрівальному приладі та температурою в приміщенні, °С;
ΔTприл – перепад температур теплоносія в нагрівальному приладі, °С;
L – кількість води, що подається зверху донизу, L=21,3 кг/м2 ⋅ год;
Температурний перепад в даній системі складає 85 – 50 °C.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 60

85 + 50
q = 7,98 ⋅ (Δt −10) 7,98 ⋅ (( − 22) −10)
= 2 = 291,27 = 0,39
ΔTприл ⋅ L (85 − 50) ⋅ 21,3 746,8 ккал/год
Значення е. к. м. можна порахувати за формулою:
q е.к .м . = 7,98 ⋅ (Δt − 10) ⋅α , (5.3)
де: α – поправочний коефіцієнт, що залежить від відносної витрати води,
який дорівнює α=0,89.
qе.к.м. = 7,98 ⋅ (Δt −10) ⋅α = 7,98 ⋅ ((85 + 50 − 22) −10) ⋅ 0,89 = 252
2 ккал/год
Необхідну поверхню приладів е. к. м. Fпр можна визначити за формулою:
F = Qк = 1564,4 = 6,208м2
прил. .
qе.к.м. 252
Необхідна кількість секцій радіаторів визначається за формулою:
F
n = прил ,
fе.к.м. (5.4)
де fе.к.м - площа однієї секції даного типу радіаторів, f 2
е.к.м = 0,21 м
F
n = прил = 6,208 = 29,56
fе.к.м. 0,21
Отже в даному приміщенні необхідно встановити 3 радіатори, які
складаються з 10-ти секцій кожен. Серед широкого різноманіття радіаторів
обираємо біметалевий радіатор Evro-termo HD-500D7-2 500/96.
Біметалеві радіатори Evro-termo мають наступні переваги:
- тривалий термін експлуатації (до 30 років);
- високу антикорозійну стійкість;
- відсутність вимог до якості теплоносія;
- можливість застосування в багатоповерхових будівлях, оскільки
розраховані на високий тиск;
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 61

- завдяки великому діаметру прохідного отвору і невеликого гідравлічного
опору вони добре підходять для використання в системах опалення з природною
циркуляцією;
- можливість будь-яких варіантів комплектації: кількість секцій, діаметр
прохідного отвору, міжосьова відстань.

Рисунок 5.1 - Радіатор біметалевий Evro-termo HD-500D7-2 500/96

Характеристика біметалевого радіатора Evro-termo HD-500D7-2 500/96:
Висота секції - 560 мм;
Ширина секції - 80 мм;
Глибина секції - 95 мм;
Міжосьова відстань - 500 мм;
Діаметр вхідного отвору - 1 1/4";
Робочий тиск - 1,6 МПа;
Критичний тиск - 1,8 МПа;
Тепловий потік секції - 170 Вт;
Вага секції - 1,7 кг;
Літраж - 0,22 л/секцію.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 62

Висновки

У результаті виконання кваліфікаційної роботи було успішно спроєктовано
та обґрунтовано інноваційну інтелектуальну систему дистанційного керування
автоматичним шлагбаумом. Розробка базується на використанні лінійного
електромагнітного двигуна з постійними магнітами (ЛЕДПМ) та каналу
стільникового зв'язку стандарту GSM.
Концептуальне вдосконалення механічної частини полягає у відмові від
традиційних обертових двигунів зі складними кінематичними редукторами на
користь системи прямого приводу. Це дозволило усунути проблеми швидкого
механічного зносу, втрат енергії на тертя та залежності від кліматичних факторів.
Для керування системою спроєктовано єдиний інтегрований електронний пристрій
на базі мікроконтролера ATmega2560 , що об'єднує обробку телеметрії від GSM-
модуля SARA-G3 та безпосереднє керування силовим інвертором без апаратної
надлишковості. Проведені кінематичні та теплові розрахунки довели ефективність
використання зовнішньої противаги для збалансування механізму та підтвердили
здатність силових напівпровідникових ключів стабільно працювати без додаткових
масивних радіаторів охолодження.
Надійність функціонування забезпечується розробленим програмним
забезпеченням, що базується на концепції детермінованого скінченного автомата з
активним використанням апаратних переривань. Алгоритм реалізує безкоштовну
ідентифікацію користувачів за номером телефону , плавний розгін та гальмування
стріли , а також гарантує безпеку руху завдяки зчитуванню даних із датчиків Холла
та зовнішніх інфрачервоних бар'єрів. Технологічність виробу підтверджується
вибором для серійного виробництва плати сучасного методу автоматизованого
поверхневого монтажу (SMT) із застосуванням екологічної безсвинцевої пайки.
Розробка є економічно вигідною завдяки відсутності витрат на апаратні
радіобрелоки та екологічно безпечною через повну відмову від токсичних
мастильних матеріалів. Крім того, в рамках охорони праці було проведено
Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 63

детальний аналіз умов робочого місця проєктувальника , за результатами якого
запропоновано модернізацію системи водяного опалення лабораторії із
встановленням сучасних біметалевих радіаторів.
Загалом, запропонований комп'ютерно-інтегрований комплекс є
високоефективним, надійним та безпечним рішенням, що повністю відповідає
суворим вимогам сучасних систем контролю доступу (СКУД) та концепціям
Інтернету речей (IoT).

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 64

Список використаної літератури

1. Wang J., Howe D. Tubular Modular Permanent-Magnet Machines Equipped
With Quasi-Halbach Magnetized Magnets—Part I: Magnetic Field Distribution, EMF,
and Thrust Force. IEEE Transactions on Magnetics. 2005. Vol. 41, No. 9. P. 2470–2478.
2. Bianchi N., Bolognani S., Corte A. D., Tonel F. Tubular Linear Permanent
Magnet Motors: An Overall Comparison. IEEE Transactions on Industry Applications.
2003. Vol. 39, No. 2. P. 466–475.
3. Commins P. A. Development and analysis of two alternative tubular linear
motors for use in machine tools : Ph.D. thesis. University of Wollongong, Australia, 2013.
215 p.
4. Azhar F., Wakiwaka H., Tashiro K., Nirei M. Design and Performance Index
Comparison of the Permanent Magnet Linear Motor. Progress In Electromagnetics
Research M. 2015. Vol. 43. P. 101–108.
5. Boldea I. Linear Electric Machines, Drives, and MAGLEVs Handbook. 1st
ed. Boca Raton: CRC Press, 2013. 648 p.
6. Gieras J. F., Piech Z. J., Tomczuk B. Linear Synchronous Motors:
7. Кухарчук В. В., Кабачій В. В., Зінько П. М. Основи побудови систем
Інтернету речей (IoT) : навчальний посібник. Вінниця: ВНТУ, 2019. 142 с.
8. Rayes A., Salam S. Internet of Things From Hype to Reality: The Road to
Digitization. 2nd ed. Cham: Springer, 2019. 343 p.
9. Yiu J. The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4
Processors. 3rd ed. Oxford: Newnes, 2013. 856 p. (Використовується для
обґрунтування мікроконтролерної бази та роботи з UART/AT-командами).
10. Karthikeyan K., та ін. Smart Access Control System using IoT and GSM.
International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2020. Vol. 9,
Issue 05. P. 412–416.

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 65
Ïîçíà÷åííÿ Íàéìåíóâàííÿ Ïðèì³òêà
1 Äîêóìåíòàö³ÿ çàãàëüíà
2
3 çàíîâî ðîçðîáëåíà
4
5 À1 ÐÑ-23. 22333.026.001 Ý1 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ñòðóêòóðíà 1
6 À1 ÐÑ-23. 22333.026.001 Ý3 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà 1
7 À4 ÐÑ-23. 22333.026.001ÏÇ Ïîÿñíþâàëüíà çàïèñêà
8 À1 ÐÑ-23. 22333.026.001 ÄÌ Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
9
10 Äîêóìåíòàö³ÿ ³íøà
11
12 çàíîâî ðîçðîáëåíà
13
14 À1 ÐÑ-23. 22333.026.001 ÄÌ1 Äðóêîâàíà ïëàòà
15 Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
16 À1 ÐÑ-23. 22333.026.001 ÄÌ2 Àëãîðèòì ðîáîòè
17 Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
18
19 1
20
21
22
23
24
22
23
24
25
26
27

ÐÑ-23. 22333.026.001 ÒÏ
Çì. Àðêóø ¹ äîêóì. Ï³äï. Äàòà
Ðîçðîá. Çàâãîðîäí³é ²íòåëåêòóàëüíà ñèñòåìà äèñòàíö³éíîãî Ë³ò. Àðêóø Àðêóø³â
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Ò 1
êåðóâàííÿ åëåêòðîòåõí³÷íèìè îá’ºêòàìè
Í.Êîíòð. Òîïòóí À.Â. ïî êàíàëó GSM ×ÄÒÓ
Çàòâ. Â³äîì³ñòü òåõí³÷íîãî ïðîºêòó

¹ ñòðîêè
Ôîðìàò
Ê³ë. ëèñò³â
¹ åêç.

Розрахунок на ЕОМ

Арк.
РС23. 22333.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 66
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗБІРНИК ТЕЗ ДОПОВІДЕЙ
СТУДЕНТСЬКОЇ НАУКОВО-
ПРАКТИЧНОЇ КОНФЕРЕНЦІЇ ЧДТУ
21–23 квітня 2026 року

м. Черкаси

Черкаси 2026
1
УДК 001.891(063) Затверджено як електронне видання
З-41 рішенням Оргкомітету конференції

О Р Г К О М І Т Е Т

Голова: Григор О. О., ректор ЧДТУ;
Фауре Е. В., проректор з науково-дослідної роботи та міжнародних зв’язків ЧДТУ –
заступник голови оргкомітету;
Єгорова О. В., помічниця з наукової роботи декана факультету технологій, будівництва
та раціонального природокористування  заступник голови оргкомітету;
Захарова О. В., помічниця з наукової роботи декана факультету економіки та управління 
заступник голови оргкомітету;
Тичков В. В., помічник з наукової роботи декана факультету електронних технологій,
автотранспорту та машинобудування  заступник голови оргкомітету;
Усик Л. М., помічниця з наукової роботи декана факультету гуманітарних технологій –
заступник голови оргкомітету;
Зубко І. А., помічник з наукової роботи декана факультету інформаційних технологій –
заступник голови оргкомітету;
Литвин О. В., начальник редакційно-видавничого відділу;
Мельник І. В., провідний інженер відділу проєктів і програм.
Відповідальний за випуск І. В. Мельник

Адреса університету: 18006, м. Черкаси, бульвар Шевченка, 460.

Збірник тез доповідей студентської науково-практичної конференції
З-41 ЧДТУ: 21–23 квіт. 2026 р. м. Черкаси [Електронний ресурс] / [упоряд. :
Єгорова О. В., Захарова О. В., Тичков В. В. та ін.] ; М-во освіти і науки
України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2026. – 323 с.

Пропоновані публікації відображають розмаїту тематику студентської науки ЧДТУ,
свідчать про актуальність освітніх програм і реальні перспективи застосування набутих
здобувачами освіти знань і навичок. У полі зору авторів – перспективні дослідження з цифрової
трансформації, інноваційні продукти, технології і матеріали, на основі яких запропоновано
власні розробки. Продовжується всебічне осмислення молоддю феномена сучасної російсько-
української війни, зокрема її безпекового та екологічного аспектів. Значна кількість розробок
здобувачів вищої освіти зорієнтована на вирішення регіональних проблем в руслі Регіональної
програми «Вчись, живи, працюй на Черкащині!».
Для широкого кола читачів.

Тексти у збірнику опубліковані на основі матеріалів, наданих авторами, які несуть повну
відповідальність за зміст своїх публікацій, точність і коректність посилань, дотримання засад академічної
доброчесності. Збережено стилістику оригіналів. Висловлені думки не обов’язково збігаються з позицією
організаторів конференції.

2
Крещенко Б. О., Семко І. Б. Нанотехнології в електротехніці .......................... 281
Панченко С. В., Кисельов В. Б. Енергетичний фронт: електрика
в умовах війни ............................................................................................................ 282
Панченко С. В., Самойлик О. В. Особливості визначення розрахункових
електричних навантажень від сучасних однофазних електроприймачів ............ 283
Бурлака Н. В., Яценко І. В. Вплив електромагнітного випромінювання
на організм людини ................................................................................................... 283
Продайвода М. В., Яценко І. В. Нанотехнологічні рішення
для підвищення квантової ефективності фотовольтаїчних систем ...................... 284
Долобан І. О., Яценко І. В. Енергозберігаючі технології
в електроенергетиці ................................................................................................... 284
Васильєв Д. Р., Яценко І. В. Переваги та недоліки
світлодіодного освітлення ........................................................................................ 285
Маркін М. Є., Яценко І. В. Принципи резонансу в електричних колах
та їх застосування ...................................................................................................... 285
Шевченко В. В., Яценко І. В. Захисне заземлення в будівлях
та електроустановках промислових споживачів .................................................... 286
Titarenko О. S., Tychkov V. V. Microcontroller-based luminescence
photometric device for studying the characteristics of natural water ......................... 287
Філімонова О. С., Філімонов С. О. Використання гнучкої механіки
в мініактуаторах ......................................................................................................... 287
Tykhonov R. I., Tychkov V. V. Programmable timer .............................................. 288
Kotenko T. V., Tychkov V. V. Automated control of high-tone therapy
parameters .................................................................................................................... 288
Mezhenov D. V., Tychkov V. V. Automation of measuring optical
characteristics of solutions and solid materials ........................................................... 289
Shevchuk P. V., Tuz V. V. Development of an architecture for
a computer-integrated system for dynamic adaptation of living
environment parameters .............................................................................................. 289
Muzika V. V., Tuz V. V. Computer-integrated device for precision
and high-speed optical focusing .................................................................................. 290
Panchenko R. V., Tuz V. V. Computer-integrated system
for automatic focusing of underwater observation optical devices ............................. 291
Pomazan V. V., Tuz V. V. Computer-integrated system for stabilizing
the light flux of an endoscopic illuminator ................................................................. 291
Zhovnir Y. O., Tuz V. V. Automatic positioning of antenna installation ................. 292
Zavgorodnii V. A., Tuz V. V. Intelligent remote-control system
for electrical objects via gsm channel ......................................................................... 292
322
temperature and fuel gas pressure. Special attention is paid to energy carrier flow
stabilization and system stability calculations using the Hurwitz criterion, ensuring the
reliability of the control loops. The system's hardware is implemented using a Siemens
SIMATIC S7-300 PLC, chosen for its high performance and communication
capabilities. To implement control algorithms for gas and air valves, Schneider Electric
Altivar 32 frequency converters and modern shut-off and control valves were utilized.
The software was developed in the MasterSCADA environment, featuring furnace
mimics, event logging, and trend windows. Metrological research on the temperature
measurement channel based on a Type S (TPP) thermocouple confirmed compliance
with technological standards.

AUTOMATIC POSITIONING OF ANTENNA INSTALLATION
Zhovnir Y.O. (Student FETAM), Tuz V.V., Candidate of Technical Science,
Associate Professor
Cherkasy State Technological University

The report focuses on the development and tuning of a servo drive for the
azimuthal guidance system of the RT-1.8 radiotelescope. The work is motivated by high
requirements for positioning accuracy, smoothness, and speed to ensure the high-quality
reception of weak radio emissions from cosmic objects. The control object is
represented as a two-mass elastic "motor-mechanism" model to account for the
influence of elastic links and damping on system dynamics. An IG-90GM planetary
gear motor and an ESCON 70/10 servo controller were selected for the drive. The
mathematical description includes motor armature circuit parameters, design constants,
and moments of inertia reduced to the actuator shaft. The system structure follows the
principle of cascaded control (subordinated control) with three loops: current, speed,
and angular position. A distinctive feature is the use of a variable structure position
controller and an intensity setpoint generator with a parabolic regulator. This ensures
effective operation in two modes: precision tracking (PI-controller) and rapid slewing
(P-controller with acceleration limiting). Efficiency was confirmed via
MATLAB/Simulink modeling, showing zero steady-state error due to the system's
second-order astatism and high transient quality despite "dry friction" nonlinearities.

INTELLIGENT REMOTE-CONTROL SYSTEM FOR ELECTRICAL OBJECTS VIA
GSM CHANNEL
Zavgorodnii V.A. (Student FETAM),
Tuz V.V., Candidate of Technical Science, Associate Professor
Cherkasy State Technological University

The report discusses the conceptual design of a remote control system for an
automatic barrier using a permanent magnet linear electromagnetic motor (PM-LEM) as
the actuator. The work aims to simplify kinematic schemes and increase reliability by
292
ÐÑ-23.22333.026.001 ÄÌ
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà ²íòåëåêòóàëüíà ñèñòåìà äèñòàíö³éíîãî
Ðîçðîá. Çàâãîðîäí³é êåðóâàííÿ åëåêòðîòåõí³÷íèìè îá ºêòàìè ïî êàíàëó GSM 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß.
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë Àðê. Àðêóø³â
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òîïòóí À.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑ-23.22333.026.001 ÄÌ
ÐÑ-23.22333.026.001 ÄÌ2
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àëãîðèòì ðîáîòè
Ðîçðîá. Çàâãîðîäí³é 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Àðê. Àðêóø³â
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òîïòóí À.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑ-23.22333.026.001 ÄÌ2
ÐÑ-23.22333.026.001 Å3
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà ²íòåëåêòóàëüíà ñèñòåìà äèñòàíö³éíîãî
Ðîçðîá. Çàâãîðîäí³é êåðóâàííÿ åëåêòðîòåõí³÷íèìè îá ºêòàìè ïî êàíàëó GSM 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß.
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òîïòóí À.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑ-23.22333.026.001 Å3
ÐÑ-23.22333.026.001 Ý1
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà ²íòåëåêòóàëüíà ñèñòåìà äèñòàíö³éíîãî êåðóâàííÿ
Ðîçðîá. Çàâãîðîäí³é åëåêòðîòåõí³÷íèìè îá ºêòàìè ïî êàíàëó GSM Ò 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß.
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Ñõåìà åëåêòðè÷íà ñòðóêòóðíà Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òîïòóí À.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑ-23.22333.026.001 Ý1
ÐÑ-23.22333.026.001 ÄÌ1
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Äðóêîâàíà ïëàòà
Ðîçðîá. Çàâãîðîäí³é 1:1
Ïåðåâ. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë
Ò.êîíòð. Ãàëü÷åíêî Â.ß. Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òîïòóí À.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑ-23.22333.026.001 ÄÌ1

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets