Учебный лабораторный стенд для изучения технических средств автоматизации и основ управления технологическими процессами

Полезная модель относится к учебному оборудованию, содержащему технические средства, относящиеся к области автоматизации технологических процессов и электронной вычислительной техники, и может быть использовано в высших и средних специальных учебных заведениях для проведения практических и лабораторных занятий по монтажу, наладке и программированию средств автоматизации и изучению основ управления технологическими процессами.
Известен учебный лабораторный стенд "PLK-1" для изучения устройства и работы микроконтроллеров семейства PIC16F (Пат. РФ №156660, опубл. 10.11.2015), содержащий корпус, внутри которого расположены плата с микроконтроллером, плата блока питания, плата аналоговых усилителей, плата внутрисхемного программатора, плата интерфейса RS232, динамическая головка.
Недостатками данного технического решения являются отсутствие объекта управления, устаревшие интерфейсы обмена данными и отсутствие среды программирования микропроцессорного устройства, соответствующей международному стандарту IEC 61131-3.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является учебно-лабораторный стенд для подготовки специалистов в области средств и систем автоматизации непрерывных технологических процессов (Пат. РФ №2459228, опубл. 20.08.2012), содержащий персональный компьютер и управляющий процессор, узловую шину, полевую шину, модули аналоговых входов-выходов, содержащие блок аналоговых входов и блок аналоговых выходов, модули дискретных входов-выходов, содержащие блок дискретных входов и блок дискретных выходов, модули ввода сигналов температурных датчиков, содержащие модуль первого датчика температуры и модуль второго датчика температуры, блок реле с индикаторами, блок эталонных источников, модуль имитаторов исполнительных элементов, датчик температуры, подключенный к модулю первого датчика температуры, и датчик температуры, подключенный к модулю второго датчика температуры, введены блок аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами, выходы блока реле с индикаторами и выходы модуля имитаторов исполнительных элементов, блок мануального управления параметрами динамической модели объекта управления, блок мануального управления технологическим процессом, блок отображения состояния объекта управления с числовыми индикаторами.
Недостатками данного технического решения являются морально устаревшее оборудование, отсутствие возможности автоматического управления технологическим объектом с дополненными виртуальными средствами автоматизации и объектами регулирования, отсутствие возможности программирования микропроцессорного устройства управления согласно международному стандарту IEC 61131-3.
Задачей полезной модели является разработка учебного лабораторного стенда на базе современных отечественных программно-технических комплексов автоматизации, предназначенного для проведения практических и лабораторных занятий по монтажу, наладке и программированию средств автоматизации и изучению основ управления технологическими процессами в высших и средних специальных учебных заведениях с использованием физических объектов управления, дополненных виртуальными средствами автоматизации и объектами регулирования, как при очной, так и при дистанционной форме обучения. Технический результат - расширение функциональных возможностей учебного лабораторного стенда.
Поставленная задача решается тем, что на лицевой стороне монтажной панели лабораторного стенда расположены физическая модель технологического объекта, программируемый логический контроллер, последовательные порты RS-485 которого соединены для обмена данными с аналогичными последовательными портами модуля дискретного ввода/вывода, модуля аналогового ввода, сенсорной панели оператора, отображающей технологические параметры и обеспечивающей ввод управляющих воздействий, последовательные порты RS-485 контроллера соединены с последовательными портами программируемого реле, к первому аналоговому входу которого подключен встроенный в физическую модель датчик температуры; на монтажной панели расположено устройство задания сигналов, аналоговые входы которого подключены к аналоговым выходам программируемого реле; на монтажной панели расположено твердотельное реле, входы которого подключены к выходам устройства задания сигналов; на монтажной панели расположен датчик температуры окружающей среды, аналоговый выход которого подключен к второму входу аналогового модуля ввода программируемого реле; на монтажной панели расположено охлаждающее оборудование, входы которых соединены с выходом модуля дискретного ввода/вывода, программируемый логический контроллер выполнен с возможностью связи через порты USB Device с портом USB персонального компьютера для обмена данными с установленной SCADA-системой и пакетом прикладных программ для моделирования виртуальных объектов управления.
Предлагаемый учебный лабораторный стенд иллюстрируется фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показан внешний вид лицевой панели стенда, на фиг.2 - обмен данными между элементами стенда.
На фиг. 1, 2 использованы следующие обозначения:
1 - программируемый логический контроллер;
2 - модуль аналогового ввода;
3 - модуль дискретного ввода/вывода;
4 - датчик температуры;
5 - охлаждающее оборудование;
6 - программируемое цифровое реле;
7 - устройство задания сигналов;
8 - твердотельное реле;
9 - физическая модель технологического объекта со встроенным датчиком температуры;
10 - сенсорная панель оператора;
11 - персональный компьютер;
12 - блок питания;
13 - выключатель автоматический.
Учебный лабораторный стенд содержит программируемый логический контроллер 1 («ОВЕН ПЛК 110-30»), выполняющий функции противоаварийной автоматической защиты систем стенда и осуществляющий постоянный обмен данными по сети RS-485 с модулем 2 аналогового ввода, на входы которого приходит сигнал с датчика 4 температуры, модулем 3 дискретного ввода/вывода, входы которого подключены к источнику питания, а к выходам подключено охлаждающее оборудование 5.
По сети RS-485 контроллер 1 принимает данные от программируемого цифрового реле 6 и передает все данные на сенсорную панель 10 оператора и через кабель USB в SCADA-систему, установленную в персональный компьютер 11, позволяющие отслеживать все параметры технологического объекта и осуществлять управление ими. Аналоговые выходы программируемого цифрового реле 6 присоединены к входам устройства 7 задания сигналов, позволяющего производить переключение с автоматизированного управления на мануальное и обратно. Выходы устройства 7 задания сигналов подключены к входам твердотельного реле 8, выполняющего функции регулирующего органа, а выходы твердотельного реле 8 соединены с входами физической модели 9 технологического объекта, аналоговые сигналы со встроенного датчика температуры которого поступают на первый аналоговый вход программируемого цифрового реле 6.
Функции программируемого цифрового реле 6 и программируемого логического контроллера 1 разделены, соответственно, на управление процессом и противоаварийную автоматическую защиту модели технологического объекта, а обмен данным осуществляется по протоколу RS-485.
При получении от физической модели 9 технологического объекта сигналов, превышающих допустимые значения температуры, контроллер 1 подает сигналы по сети RS-485 в модуль 3 дискретного ввода/вывода на включение охлаждающего оборудования 5 и в программируемое цифровое реле 6 на отключение сигнала, поступающего на его аналоговые выходы до тех пор, пока температура технологического объекта не достигнет температуры окружающей среды, замеряемой датчиком 4 температуры.
При изучении работы программируемого логического контроллера обучающийся разрабатывает программу на одном из языков программирования, входящих в международный стандарт IEC 61131-3, например, на свободно распространяемом программном обеспечении (ПО) CoDeSys v2.3, в соответствии с заданием. Разработанный код программы при подключении к контроллеру автоматически загружается в его постоянную память.
При изучении работы программируемого цифрового реле обучающийся разрабатывает программу на языке FBD в свободно распространяемом программном обеспечении (ПО) Owen Logic, в соответствии с заданием. Разработанный код программы при подключении к программируемому реле автоматически загружается в его постоянную память.
Лабораторный стенд содержит сенсорную панель 10 оператора, на которой представлены информация об объекте управления и кнопки управления. Функционирование лабораторного стенда происходит согласно программным кодам, загруженным в памяти контроллера 1 и программируемого цифрового реле 6.
Добавление к физической модели 9 объекта управления лабораторного стенда виртуальных технологических объектов осуществляется с использованием пакетов прикладных программ, включающих в свой состав семейство технологий ОРС, например, таких, как Matlab, Scilab, Simintech.
Выполнение лабораторных работ в дистанционном формате осуществляется посредством использования специализированного программного обеспечения, находящегося в свободном доступе, например, Chrome Remote Desktop, TeamViewer. В дистанционном формате выполнение лабораторных работ возможно в оффлайн и онлайн режимах под контролем преподавателя.
Учебный лабораторный стенд на базе программируемого логического контроллера (например «ОВЕН ПЛК 110-30» и программируемого цифрового реле, представляет собой не только полнофункциональный учебный стенд для изучения особенностей монтажа, наладки и программирования средств автоматизации, но и гибкую платформу для разработки и реализации различных схем автоматизированного управления технологическими объектами, поэтому он может быть использован в учебном процессе при изучении дисциплин, связанных с разработкой и эксплуатацией систем управления технологическими процессами.
Преимуществом учебного лабораторного стенда является возможность его непрерывной модернизации по мере появления более современных технических и программных средств автоматизации, добавления к физической модели объекта управления виртуальных технологических объектов, выполнения практических и лабораторных занятий в дистанционном формате, использование современных отечественных программных и технических средств автоматизации.