УЧЕБНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОНТРОЛЛЕРА ПЛК "БАЗИС - 100"

Учебный лабораторный стенд на основе микропроцессорного контроллера ПЛК «Базис - 100» относится к учебному оборудованию, предназначенному для проведения практических, лабораторных, учебно- и научно-исследовательских работ по следующим дисциплинам: «теория автоматического управления», «основы теории измерительных систем», «комплексы технических и программных средств систем автоматизации технологических процессов и производств».
Известен учебно-лабораторный стенд, содержащий микроконтроллер, входы которого связаны с выходами постоянного запоминающего устройства, оперативного запоминающего устройства, преобразователь интерфейса, набор периферийных устройств, матричную клавиатуру, жидкокристаллический дисплей, источник питания (Патент на полезную модель RU №156101 U1, опубл. 27.10.2015 г.).
Недостатком аналога является отсутствие возможности регулирования, изменение настроек регулирования, ограниченные функциональные возможности, не приближенность к реальным аппаратам в промышленности.
Известен так же научно-исследовательский комплекс имитации систем автоматического управления технологическими процессами. Комплекс содержит блок имитации на базе ЭВМ, генерирующей электрические сигналы, идентичные сигналам конечных устройств (датчиков) систем автоматического управления в тех или иных технологических процессах, согласно программно-реализуемой математической модели, отличающийся тем, что в него введены четыре рабочих места для одновременной имитации четырех различных технологических процессов (Патент на полезную модель RU №114178 U1, опубл. 10.09.2011 г.).
Недостатками комплекса имитации автоматического управления являются: отсутствие физической базы для проведения научно-исследовательских работ, отсутствие имитации промышленной печи.
Неизвестно ни одного лабораторного стенда на основе контроллера «Базис - 100».
Задачей полезной модели является создание учебного лабораторного стенда для обучения студентов основным принципам построения автоматизированной системы управления на основе отечественного контроллера «Базис - 100» с достижением следующего технического результата: расширение функциональных возможностей аналога, таких как удаленное управление и выполнение лабораторных работ, расширение учебной базы в области автоматизации.
В лабораторном стенде используется отечественный контроллер «Базис - 100», который имеет широкий спектр возможностей и различных функций. Данный контроллер строится по модульному принципу. Объектом управления в лабораторном стенде является имитатор печи «ЭШО» компании «ОВЕН».
На фигуре изображена принципиальная структурная схема лабораторного стенда. На фигуре приведены следующие обозначения:
1 - процессорный модуль Б100.311;
2 - панель управления;
3 - выходной токовый модуль Б100.291;
4 - релейный модуль Б100.212;
5 - температурный модуль Б100.151;
6 - эмулятор печи «ЭП-10»;
7 - термометр сопротивления ТСМ 50;
8 - твердотельное реле;
9 - шина CAN-протокола;
10 - SCADA-система;
11 - маршрутизатор;
12 - Ethernet - сеть;
13 - ОРС-сервер.
Учебный лабораторный стенд содержит процессорный модуль 1, соединенный по CAN-протоколу с панелью управления 2, релейным модулем 4, выходным токовым модулем 3 и температурным модулем 5. Также в состав стенда входят твердотельное реле 8, с помощью которого осуществляется регулирование эмулятора 6 печи, маршрутизатор 11 для интеграции стенда в локальную сеть. Реализована функция обмена данными с ОРС-сервером 13 по протоколу Ethernet, таким образом, возможно управлять стендом удаленно с помощью персонального компьютера со SCADA-системой 10 и дополнительным программным обеспечением.
Процессорный модуль Б100.311 является основным модулем. Выполняет вычисления, производит контроль над системой, работает и диагностирует другие модули.
Панель управления Б100.611 - персональное устройство, в которое встроен дисплей и кнопки управления. Служит для управления процессом и имеет обширный ряд функций: изменение сигналов реле, показательная функция, просмотр трендов, архивов, настройка регуляторов и другие. Панель управления необходима для возможности реализации на ней обучающих программ для студентов. Является «ведомым» элементом процессора и служит для взаимодействия пользователя с системой
Выходной модуль, токовый Б100.291 - устройство, позволяющее генерировать на выходе стандартизированный сигнал 4-20 мА. Служит как устройство регулирования.
Выходной модуль, релейный Б100.212 - устройство, благодаря которому реализуется система противоаварийной защиты (ПАЗ). Позволяет быстро и надежно отключать питание лабораторного стенда в случае возникновения неисправностей.
Входной температурный модуль Б100.151 позволяет принимать сигнал с датчиков температуры, таких как термопары или термометры сопротивления.
Для питания системы используется два блока питания Б100.511 (на фигуре не показаны). Входное напряжение переменное, 220 В, 50 Гц. Выходное напряжение постоянное, 24 В, мощность - 40 Вт. Один из блоков питания находится в горячем резерве.
В качестве объекта управления выбран эмулятор печи «ЭП10 ОВЕН». ЭП10 выступает в качестве объекта управления и представляет собой миниатюрную печь. Эмулятор 6 печи состоит из нагревателя мощностью 10 Вт, термометра 7 сопротивления ТСМ 5 ОМ, светодиодного индикатора включения нагрева (на фигуре не показан). Питание ЭП10 осуществляется от источника напряжением 220 В, 50 Гц.
Для возможности преобразования стандартизированного выходного сигнала 4-20 мА в значение мощности, подаваемой на нагревательный элемент ЭП10, установлено твердотельное реле 8. Входной сигнал реле - 4-20 мА, который напрямую влияет на значение тока на выходе, работая при этом как диммер - срезая пропорционально входному сигналу полуволну переменного тока, тем самым уменьшая или увеличивая мощность нагрева.
Контроллер «Базис - 100» в данной конфигурации сообщается между модулями по протоколу CAN: для этого разработчики контроллера выделили дублированную шину 9 связи, что обеспечивает безопасность и стабильность работы системы.
Управление лабораторным стендом можно осуществлять как через панель управления, так и через SCADA-систему 10.
Связь с компьютером, на котором установлена SCADA-система 10, может быть осуществлена через маршрутизатор 11, позволяющий объединять несколько различных устройств по Ethernet протоколу. При отсутствии необходимости в объединении устройств контроллер «Базис - 100» можно связать напрямую с компьютером, имеющим LAN-порт.
Связь SCADA-системы и контроллера осуществляется с помощью установленной на компьютере программы «ОРС-сервер».
Учебный лабораторный стенд работает следующим образом.
Пользователь взаимодействует со стендом с помощью панели 2 управления или персонального компьютера со SCADA-системой 10 через ОРС-сервер 13. Связь лабораторного стенда с персональным компьютером происходит по локальной сети Ethernet 12, которая, в свою очередь, подключена через маршрутизатор 11. Основным элементом лабораторного стенда является процессорный модуль 1, который взаимодействует с остальными модулями по CAN-протоколу, используя принцип «ведущий-ведомый» (master-slave). Объектом управления является эмулятор 6 печи, подключенный к сети 220 В через релейный модуль 4 для реализации системы ПАЗ. Управляющее воздействие, подаваемое на эмулятор 6 печи с процессорного модуля 1, передается на выходной токовый модуль 3, затем на твердотельное реле 8 и на объект управления - эмулятор 6 печи. Термометр 7 сопротивления преобразует физическую величину - температуру в сигнал, отправляемый на температурный модуль 5 для получения информации об объекте управления 6.
Объектом управления является имитатор печи ЭП10, к которому подается регулируемое (при помощи твердотельного реле, соединенного с модулем аналогового выхода) питание через дискретный модуль вывода, снимаются показания температуры термометра сопротивления 50М входным аналоговым модулем и через CAN-протокол показания передаются на процессорный модуль, панель управления, которая выводит значение температуры, открытия твердотельного реле на экран.
Основными преимуществами лабораторного стенда является приближенность функционирования и структуры системы автоматического управления к реальным системам управления, возможность автоматического, ручного и дистанционного управления его работой, безопасность при проведении лабораторных работ.
В результате использования полезной модели появляется возможность изучения основ автоматизации технологических процессов, в частности, для изучения контроля и регулирования технологической печи, осуществление регулирования других процессов, противоаварийной защиты, настройки и наладки систем автоматизации на промышленных предприятиях, диагностики систем автоматического управления и монтажа модулей, ПЛК «Базис - 100».