Bachelor's Thesis

Industrial tea making device

Final Thesis 11.47 MB Appendix 10.93 MB

Author of thesis: Norbert Mihalik

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Matěj Turinský

Reviewer: doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the development and physical implementation of an automated
device for tea preparation based on user preferences. The objective was to design the
system, verify it in a 3D simulation (Siemens NX MCD) connected to a Soft PLC
TwinCAT 3, and subsequently commission the hardware. The use of simulation positions
in real-time control was conditioned by their transformation using homogeneous matrices.
The device was completely assembled, including mechanical assembly, electropneumatic
wiring, and the design of custom control electronics with an NE555P timer for the
effector. The key component is a SCARA manipulator controlled by an SRC-310 unit.
The entire process is automated using a Beckhoff PLC, which communicates with the
manipulator via an RS-232 serial link. An HMI interface was integrated to control the
device. Final testing confirmed the full functionality of the system.

Keywords:

SCARA H554BN, SRC-310, Beckhoff, PLC, TwinCAT 3, Siemens NX MCD, RS-232, HMI, coordinate transformation, NE555P, Tea

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy oponenta týkající se důvodu ovládání servomotoru SG90 analogovým obvodem s NE555 namísto softwarového PWM z prostředí TwinCAT 3. Komise se studenta tázala na proces výdeje čaje a způsob paralelizace procesu pro jeho zefektivnění, chyby v zapojení prezentovaném při obhajobě a způsobu určení hodnoty součástek při návrhu.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdeněk Slanina, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Zdeněk Bradáč, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Karel Horák, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Pikula, Ph.D. (člen)
Ing. Miloslav Richter, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Matěj Turinský

Student se musel seznámit s řízením SCARA manipulátoru, tvorbou PLC programu a jejich propojením. Dále si musel osvojit tvorbu výrobní buňky ve virtuálním prostředí.
Výsledkem práce je jak virtuální model vytvořené výrobní buňky výroby čaje, tak její fyzická realizace a odzkoušení celého procesu. Po úpravách ergonomie a designu může tento přípravek sloužit jako popularizační gastronomický kiosek. Součástí je i přehledný uživatelský panel.
Práce je formálně zpracována na dobré úrovni. V textu se místy objevují stylisticky méně obratné formulace a drobné jazykové nepřesnosti.
Student pracoval po celou dobu samostatně, přičemž často využíval komunikace a součinnost při realizaci. Points proposed by supervisor: 90

Grade proposed by supervisor: A

Předložená práce se zabývá návrhem, simulací a reálnou stavbou automatizovaného kiosku pro přípravu čaje podle parametrů zadaných uživatelem. Zadání práce bylo velmi komplexní, neboť vyžadovalo samostatný návrh mechatronického systému, jeho simulační ověření, kompletní stavbu hardwaru a vývoj řídicího softwaru. Autor všechna tato kritéria úspěšně naplnil. Oceňuji systematický přístup, kdy autor prošel celým vývojovým cyklem v intencích konceptu Industry 4.0. Celý proces vedl od 3D CAD modelování přes vytvoření digitálního dvojčete v Siemens NX MCD až po oživení reálného PLC Beckhoff a integraci průmyslového manipulátoru SCARA. Práce má slušnou praktickou hodnotu a prokazuje inženýrské schopnosti autora při řešení reálných úkolů automatizace.
Odborná úroveň práce je na dobré úrovni a text je podpořen odpovídající matematickou a teoretickou nadstavbou. Za zdařilou povařuji kapitolu 5 věnovanou transformaci souřadnic pomocí homogenních matic, která byla nezbytná pro správný přenos bodů ze simulačního prostředí do reálného řízení reálného robota. Také statistické vyhodnocení nejistot měření teploty v kapitole 10.2.1 odpovídá požadavkům kladeným na inženýrské projekty. I přes celkově vysokou úroveň se však v technickém řešení nachází několik sporných míst.
Prvním odborným nedostatkem je návrh řídicího obvodu s časovačem NE555P v kapitole 6.3.1. Pro ovládání polohového modelářského servomotoru SG90 na mechanickém efektoru autor navrhl externí plošný spoj, kde je přepínání poloh realizováno hardwarově pomocí odporových trimrů. V průmyslové aplikaci řízené pokročilým PLC Beckhoff a řadičem SRC-310 je toto řešení anachronické a nespolehlivé, protože trimry podléhají teplotnímu driftu a stárnutí. Systémově čistší by bylo generovat PWM signál softwarově přímo z PLC nebo využít volné IO kapacity robotického řadiče. Druhou výtkou je konfigurace úloh a sériové linky popsaná v kapitolách 7.3 a 8.1. Autor uvádí, že pro obsluhu sériové linky RS-232, běžící na rychlosti 38 400 bps, nakonfiguroval v TwinCAT rychlou periodickou úlohu s periodou 1 ms. Při této přenosové rychlosti však přenos jednoho standardního 11bitového rámce trvá přibližně 286 us. Spouštět task každou 1 ms pro vyčítání bufferu komunikační karty EL6002, která disponuje vlastním hardwarovým bufferem, je neefektivní a zbytečně to zatěžuje výpočetní výkon procesoru. Třetím problémem je procesní paradox rychlosti manipulace, kdy z naměřených hodnot v tabulce 10.1 vyplývá, že celková příprava nápoje trvá přes 2 minuty, přičemž samotné luhování zabírá pouze 40 sekund. Čistý čas mechanické manipulace robota je 1 minuta a 24 sekund, což znamená, že robotický systém je v kontextu prodejního kiosku nejpomalejším článkem celého procesu.
Po formální stránce je práce dobře vyvedená, je logicky strukturovaná, grafická úroveň schémat a fotografií v přílohách je na dobré úrovni. V rovnici 2.3 se nachází drobná chyba v dosazení, kdy autor v textu definuje výslednou teplotu horké vody t1 = 89°C, ale do jmenovatele zlomku následně dosazuje hodnotu 87°C. V textu se objevují i ojedinělé překlepy.
I přes uvedené nedostatky práci doporučuji k obhajobě s hodnocením 82 / B. Topics for thesis defence:
  1. Z jakého důvodu jste zvolil pro ovládání servomotoru SG90 analogový obvod s časovačem NE555P a manuálně nastavitelnými trimry? Zvažoval jste možnost generovat PWM signál pro servo přímo pomocí softwarového PWM v prostředí TwinCAT 3 za využití standardní digitální výstupní karty Beckhoff?
Points proposed by reviewer: 82

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová