Перспективы развития лабораторного практикума по курсу «Автоматизация типовых технологических процессов и производственных установок»

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

УДК 62-523.2

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО КУРСУ «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСТАНОВОК»

А.М. Борисов, А.С. Нестеров, А.Н. Горожанкин, Г.И. Драчев г. Челябинск, Южно-Уральский государственный университет

PERSPECTIVES OF DEVELOPMENT OF LABORATORY PRACTICAL COURSE «AUTOMATION OF STANDARD TECHNOLOGICAL PROCESSES AND INDUSTRIAL MACHINES»

A.M. Borisov, A.S. Nesterov, A.N. Gorozhankin, G.l. Drachev Chelyabinsk, South Ural State University

Обозначены тенденции развития современных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые ориентируются на применение промышленных вычислительных сетей. К таким сетям относят Ethernet, Profibus, AS-interface. Выдвигается идея объединения всех лабораторных стендов в единую систему беспроводным способом.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления технологическими процессами, промышленные вычислительные сети, Ethernet, Profibus, AS-interface.

The tendencies of the development of modern automatic control systems of technological processes oriented towards implementation in industrial computer networks are observed. These networks are Ethernet, Profibus, AS-interface. The idea of unification of all the laboratory stands into the unified system by wireless means is proposed.

Keywords: automatic control systems of technological processes, industrial computer networks, Ethernet, Profibus, AS-interface.

Современные тенденции в сфере автоматизации технологических процессов заключаются в создании автоматизируемых систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) [1]. Современные АСУ ТП ориентированы на применение промышленных вычислительных сетей, являющихся самыми перспективными технологиями в реализации систем автоматизации. Современная тенденция - применение распределенной периферии, когда управляющая аппаратура располагается в непосредственной близости от технологического оборудования, а связь с соседними управляющими устройствами и централизованными постами управления обеспечивается подключением всех этих устройств к витой паре электрических проводов или к оптоволоконному кабелю [2, 3].

В настоящее время немецкая фирма Siemens является лидером по разработке принципов такого управления и производству продукции для таких систем. Поэтому создание новых стендов для выполнения лабораторных работ по курсу «Автоматизация типовых технологических процессов и

производственных установок» (АТТП) ориентировано в основном на использование этой продукции. К этому же вынуждает то обстоятельство, что ведущие предприятия Челябинска и Челябинской области широко используют технику этой фирмы и нуждаются в молодых специалистах, знающих такую технику.

Упрощенная структура современной АСУ ТП изображена на рис. 1 [2, 3]. Представленная структура иерархическая и имеет несколько уровней иерархии сетей. Ниже представлено функциональное назначение представленных уровней иерархии управления.

Industrial Ethernet - это сеть верхнего уровня управления, соответствующая международным стандартамІЕЕЕ 802.3 (IndustrialEthemet, 10 Мбит/с) и IEEE 802.3u (Fast Industrial Ethernet, 100 Мбит/с). В настоящее время появилась версия на скорость 1000 Мбит/с (Gigabit Ethernet, стандарт IEEE 802.3z). Ethernet позволяет использовать Internet, а также является основой для построения системы управления с распределенным интеллек-

Рис. 1. Структура АСУ ТП, ориентированной на использование оборудования фирмы Siemens

том, поддерживающим стандарт PROFInet. Этот стандарт существенно упрощает связь между Ethernet и сетями полевого уровня PROFIBUS.

Центральная станция обслуживает множество промышленных логических контроллеров (ПЛК, PLC), объединенных через последовательный интерфейс PROFIBUS.

PROFIBUS (ProcessFieldBus) - это промышленная сеть полевого уровня, отвечающая требованиям части 2 европейских норм EN5017-0 и международного стандарта IEC 61158-3. Они используются для организации связи между программируемыми контроллерами и станциями распределенного ввода/вывода ET200, устройствами человеко-машинного интерфейса HMI (Human Machine Interface) и другими приборами полевого уровня. PROFIBUS позволяет выполнить дистанционное (по сети) программирование и конфигурирование систем автоматизации, их отладку и диагностирование.

AS-интерфейс - это интерфейс подключения датчиков и исполнительных механизмов, осуществляющий коммуникацию между датчиками, исполнительными механизмами и системой управления, а также упрощающий монтаж управляемой установки. Так же, как в сетях PROFIBUS-PA, в AS-интерфейсе обмен данными и питание всех сетевых компонентов осуществляется через двухжильный кабель, но неэкранированный.

В лаборатории хорошо представлены элементы и устройства нижнего (полевого) уровня иерархии управления. Характер проводимых лабораторных работ и изучаемое оборудование можно уяснить по представленному перечню лабораторных работ.

- Синтез систем автоматизации на логических элементах.

- Синтез систем автоматизации на релейных элементах.

- Изучение интеллектуального реле OMRON ZEN.

- Изучение датчиков технологической информации систем автоматизации.

- Изучение программируемого контроллера OMRON SYSMAC CPM2A.

- Изучение сенсорного монитора OMRON NT31C и NT21C.

- Программирование контроллера Simatic S7-

300.

- Изучение сенсорного монитора Siemens TP177A.

- Изучение программируемого контроллера DL05 фирмы AUTOMATION DIRECT (США).

- Изучение системы визуализации (SCADA система) на базе программируемого обеспечения WinCCv.6.

- Изучение системы числового программного управления с шаговыми электродвигателями на

базе программируемого контроллера фирмы OMRON.

В лаборатории уже реализованы стенд для исследования промышленной сети PROFIBUS-DP и стенд для исследования сети AS-интерфейс.

В состав сети PROFIBUS-DP входят два программируемых логических контроллера Simatic S7-300 с модулями ввода/вывода, модуль децентрализованной периферии ET200M с модулем ввода/вывода и оптическим интерфейсом. Сеть использует технологию передачи информации RS485. В качестве среды передачи используется экранированная витая пара и пластиковый оптоволоконный кабель. Сопряжение электрического и оптоволоконного кабеля осуществляется через оптический шинный терминал ОВТ.

В состав сети AS-интерфейс входят блок программируемого контроллера SIMATIC S7-300 с процессорным модулем CPU314C-2DP с модулями ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов и имеющего интерфейс сети PROFIBUS-DP. Предусмотрено 2 варианта связи сети PROFIBUS-DP с сетью AS-интерфейс. В первом варианте связь обеспечивается коммуникационным процессором CP343-2, а во втором варианте - модулем типа DP/AS-I-LinkAdvanced.

Таким образом, в лаборатории уже реализованы частично сети нижнего уровня АСУ ТП (рис. 1). В перспективе необходимо реализовать сеть PROFIBUS-PA, сеть верхнего уровня Industrial Ethernet и связать все представленные сети в единую АСУ ТП.

В настоящее время сотрудниками кафедры

проработаны структуры, состав и по каталогам [4] выбрано оборудование стендов для изучения промышленных сетей PROFIBUS-PA и Industrial Ethernet.

На рис. 2 представлена структура стенда для изучения сети PROFIBUS-PA.

В стенде представлены основные элементы и связи между модулями, присущими сетям PROFIBUS-PA. Такие сети для надежности работы могут обеспечивать резервирование. Для изучения резервирования предусмотрено использование соединителяDP/PALink и тумблерыSA1 и SA2 для имитации разрыва связи в сети. Подключаемые к сети датчики и исполнительные устройства должны иметь встроенные микроконтроллерные устройства для связи с сетью. В качестве таких исполнительных устройств выбраны промышленные модули управления клапанами, имеющие цепи включения/отключения клапанов и цепи сигнализации о состоянии клапанов. Команды включения/отключения клапанов имитируются зажиганием/погасанием светодиодов, а информация о состоянии клапанов - включением/отключением тумблеров.

Минимальные затраты на создание стенда силами сотрудников кафедры и привлекаемых сторонних организаций - не менее 780 тыс. рублей в ценах на конец 2011 года.

На рис. 3 представлена структура стенда для изучения сети Industrial Ethernet.

В стенде представлены основные компоненты сети Industrial Ethernet. Это верхний уровень иерархии управления и поэтому здесь предусмотрена

Рис. 2. Структурная схема лабораторного стенда «Промышленная сеть PROFIBUS-PA»

Рабочая станция с ПО

Рис. 3. Структурная схема лабораторного стенда «Промышленная сеть Industrial Ethernet»

проводная связь через коммуникационный про- зации может быть подключен к модулям сети 1п-

цессор СР343-1 с сетью РЯОРШиЗ-РА и беспроводная связь через ^ЬАМ модуль с сетью AS-интерфейс.

На стенде предусмотрено использование как проводных (витая пара), так и оптических каналов связи на пластиковых и стеклянных оптоволоконных кабелях.

На стенде реализуются три резервированных кольцевых сегмента. Первый из них содержит три оптических коммутирующих (переключающих) модуля OSMTP22, имеющих оптические и электрические порты. В принципе в такое кольцо допускается включать до 50 модулей OSM. Максимальная длина оптоволоконного кабеля между двумя модулями OSM составляет 3 км и кольцо из 50 модулей OSM может достигать 150 км. Лишь одно устройство в кольце должно участвовать в режиме управления резервированием.

Следующий сегмент включает в себя три оптических модуля связи. Модуль Х204-2 (управляемый коммутатор) обеспечивает связь с двумя неуправляемыми коммутаторами типа Х104-2. В принципе максимальная дальность передачи (длина сегмента) стеклянным оптоволоконным кабелем составляет 3 км. Число включаемых модулей ограничивается допустимым временем распространения пакетов данных.

Третий сегмент включает в себя три электрических коммутатора типа ESMTP40. Это кольцо непосредственно связано с программируемым контроллером Simatic S7-300, который принимает управляющие команды (имитируются тумблерами) на объект автоматизации и выдает информацию включением/отключением светодиодов о состоянии объекта автоматизации. Объект автомати-

dustrial ЕШете^ модулям сети PROFIBUS-DP/PA или сети AS-интерфейс. В принципе максимальная дальность передачи (длина сегмента) электрическим кабелем составляет 5 км. Число включаемых модулей ограничивается допустимым временем распространения пакетов данных.

В лабораторный стенд включается сервер с серверным программным обеспечением для сбора и хранения информации, ноутбук с программным обеспечением STEP7 У5.4 для конфигурирования сети и программирования контроллера и панель оператора (сенсорный монитор) типа TP 177В.

Минимальные затраты на создание этого стенда силами сотрудников кафедры и привлекаемых сторонних организаций - не менее 1980 тыс. рублей в ценах на конец 2011 года.

С 6 по 8 декабря 2011 года в Екатеринбурге состоялась выставка «Передовые технологии автоматизации (ПТА-УРАЛ 2011)». Была представлена продукция 42 отечественных и зарубежных фирм. При посещении этой выставки преподаватели кафедры обратили внимание, прежде всего, на широкое использование беспроводной передачи информации при автоматизации управления технологическими процессами и производственными предприятиями.

Выпускается большое количество радиомодемов с различными функциональными возможностями. Например, группа компаний VIAM-RADIO выпускает радиомодем Невод-5. Он предназначен для передачи и приема цифровой информации при работе в составе распределенных сетей телеметрии, управления и автоматизации технологических процессов. Он обеспечивает обмен информацией по интерфейсу RS232/RS485. Цена

такого модема в ценах на конец 2011 года не превышает 11000 руб.

Предполагается оснастить лабораторные стенды такими модемами и связать их с сервером на преподавательском столе (рис. 4).Такое решение позволит связать необходимые разрозненные лабораторные стенды в единую систему и обеспечить подготовку выпускников кафедры к решению системных задач по автоматизации управления технологическими процессорами и производствами.

Преподавательский состав кафедры приобрел большой опыт создания лабораторных стендов, работая по совместительству в Научнопроизводственном предприятии «Учебная техника

- Профи» при ЮУрГУ. Сотни стендов, разработанных нашими специалистами, используются в учебных лабораториях вузов и техникумов России и стран ближнего зарубежья. По роду работы, связанной с командировками по настройке поставляемых стендов и переговорами с потенциальными заказчиками лабораторного оборудования, наши специалисты хорошо знают состояние лабора-

торной базы в наших учебных заведениях. Они считают, что предлагаемый лабораторный практикум необходим и не имеет аналогов.

Литература

1. Васин, Н.Н. Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин. - Интернет-университет информ. технологий. - ИНТУИТ.ру, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 270 с.

2. Новиков, Ю.В. Основы локальных сетей: курс лекций; учеб.пособие для студентов, обучающихся по специальностям в обл. информ. технологий / Ю.В. Новиков, С.В. Кондратенко. - М.: Интернет - ун-т информ. технологий, 2009. - 360 с.

3. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебное пособие для вузов /В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб.: Питер, 2010. - 943 с.

4. Интерактивный каталог СА 01 продукции

фирмы Siemens. - www. mall. automation.

siemens. com/ru

Поступила в редакцию 15.06.2012 г.

Борисов Александр Михайлович - кандидат технических наук, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - автоматизация типовых технологических процессов и производственных предприятий. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21.

Borisov Aleksandr Mikhaylovich - Candidate of Science (Engineering), Professor of “Electric Drive and Production Units Automation” Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: automation of standard technological processes and industrial plants. Contact telephone number: 8(351) 267-93-21.

Нестеров Александр Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - автоматизация типовых технологических процессов и производственных предприятий. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21.

Nesterov Aleksandr Sergeevich - Candidate of Science (Engineering), Associate Professor of “Electric Drive and Production Units Automation” Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: automation of standard technological processes and industrial plants. Contact phone number: 8(351) 267-93-21.

Горожанкин Алексей Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - автоматизация типовых технологических процессов и производственных предприятий, электропривод общепромышленных механизмов. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21.

Gorozhankin Aleksey Nikolaevich - Candidate of Science (Engineering), Associated Professor of “Electric Drive and Production Units Automation” Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: automation of standard technological processes and industrial plants, electric drive of industrial machines. Contact phone number: 8 (351) 267-93-21.

Драчев Геннадий Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск. Область научных интересов - электропривод общепромышленных механизмов. Контактный телефон: 8 (351) 267-93-21.

Drachev Gennadiy Ivanovich - Candidate of Science (Engineering), Associated Professor of “Electric Drive and Production Units Automation” Department of South Ural State University, Chelyabinsk. Research interests: electric drive of industrial machines. Contact phone number: 8 (351) 267-93-21.