Автоматизированный стенд для проведения лабораторных работ по электротехническим дисциплинам

Введение .

Значительная трансформация технологического уклада общества, связанная с цифровизацией производства, да и всей жизни современного человека, требует от преподавателей технических дисциплин среднего специального и высшего образования не только пересмотра рабочих программ в части теоретических сведений, но и непрерывной модернизации лабораторной базы. Давно миновал период нехватки персональных компьютеров и микропроцессорных устройств в техническом оснащении учебных заведений, и пришло понимание, что в современных условиях недостаточно использовать компьютеры как «умную печатную машинку» и средство подготовки и демонстрации чертежей и презентаций. Доступность средств цифровой коммуникации, эволюция форм дистанционного обучения, усиленная периодами принудительного перевода учебных заведений на удаленные формы работы, требуют внедрения автоматизированной лабораторной базы технических дисциплин с возможностью проведения занятий через интернет.

Как правило, для дистанционных форм проведения лабораторных работ используется математическое моделирование с визуальным представлением результатов. При этом требуется лишь наличие компьютерных классов с соответствующим программным обеспечением (ПО) и организация серверной части для дистанционного обучения. Также предоставление обучаемым пакетов математического моделирования и соответствующей методической документации позволяет организовать удаленное самостоятельное изучение материала [1, 4]. Однако при всей универсальности и мощи такого метода, на наш взгляд, подготовка технического специалиста высокой квалификации немыслима без непосредственной работы с оборудованием. Физический эксперимент был и остается основным способом практического освоения материала.

В рамках экспериментальных исследований переходных процессов в асинхронных электроприводах при подготовке магистерских диссертаций, нами был разработан автоматизированный лабораторный стенд [2], который впоследствии стал использоваться в учебном процессе. Универсальность стенда позволила задействовать его в рамках дисциплин, связанных с изучением электроники, автоматики, автоматизированных систем управления технологическими процессами, технических средств получения и обработки информации по направлениям высшего образования «Агроинженерия», «Теплоэнергетика и теплотехника», «Электроэнергетика и электротехника» и по направлениям среднего специального образования «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий», «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства».

На наш взгляд, основные требования к подобным стендам следующие:

• -    наличие физической модели процесса, позволяющей изменять характер взаимодействия элементов и условия проведения эксперимента;

• -    наглядность, обеспеченная доступным для осмотра монтажом и веб-камерой;

• -    возможность управления стендом и получения экспериментальных данных удаленно;

• -    автоматизированные измерения с фиксацией экспериментальных данных на ПЭВМ и визуализацией;

• -    возможность последующей обработкой экспериментальных данных с применением ранее изученного студентами ПО.

При использовании персонального компьютера в автоматизированной установке целесообразно применение многофункциональной платы аналогового и дискретного ввода/вывода под стандартный слот расширения. Такое решение дешевле, чем использование внешних устройств, например программируемого логического контроллера. Применение многофункциональных плат ведущих производителей средств промышленной автоматизации обеспечивает также многолетнюю поддержку, в том числе обновление ПО под новые версии операционных систем. Так, имеющиеся в нашем распоряжении платы PCI – 1711LS компания-производитель Advantech много лет поддерживает обновлениями не только драйверов, но и средств программирования и утилитами под типичные задачи.

Рисунок1 – Структурная схема лабораторной установки

На рисунке 1 представлена упрощенная структурная схема автоматизированной лабораторной установки. В качестве модели технологического объекта управления целесообразно использовать широко распространенное в производстве оборудование в соответствии с направлениями подготовки студентов. При помощи устройств сопряжения с объектом (УСО) задаются управляющие сигналы X1, X2…Xn и производятся измерения выходных величин Y1, Y2…Yk. При разработке стенда использован асинхронный электропривод турбомеханизма (воздуходувка). Управляющим воздействием в простейшем случае является дискретный сигнал включения/выключения магнитного пускателя, а выходными сигналами – ток, частота вращения и момент на валу электродвигателя. Сопряжение ТОУ и платы PCI – 1711LS осуществляется при помощи УСО, в качестве которых могут использоваться как промышленные изделия, так и изготовленные самостоятельно. Например, для управления магнитным пускателем нами используется изготовленная студентами схема на биполярном транзисторе и электромагнитном реле, а для измерения момента – тензорезистор и специализированный усилитель промышленного производства.

Кроме того, нами был изготовлен макет устройства плавного пуска (софтстартера), реализующий фазовое управление симисторами. Установка параметров настройки софтстартера может производиться как вручную, так и дистанционно. Для этого используются аналоговые и дискретные выходы платы PCI – 1711LS. Также планируется оснастить стенд преобразователем частоты.

Гальваническая изоляция логической части от сети и открытый монтаж позволяют при изучении промышленной электроники ознакомится с устройством и принципом действия источников питания, усилителей на транзисторах, операционных усилителей, тиристоров и оптотиристоров, пассивных фильтров, аналоговоцифровых преобразователей. При изучении датчиков автоматики – с тахогенераторами, тензорезисторами, датчиками тока. Наличие дискретных и аналоговых входов платы PCI – 1711LS позволяет организовать исследование статических и динамических характеристик этих устройств.

Программное обеспечение при проведении экспериментов непосредственно на стенде и удаленно различное. При работе в аудитории для фиксации и обработки данных нами используется программа DataLogger компании Advantech, позволяющая производить запись в специализированном и текстовом форматах файлов, визуализацию и анализ (рисунок 2).

^-Ч—Ь Q- <

а)

б)

Рисунок 2 – Экспериментальные характеристики прямого (а) и плавного (б) пуска асинхронного электропривода

Для удаленного режима работы может быть написано специализированное программное обеспечение на различных языках программирования, но использование SCADA-систем существенно упрощает задачу разработки ПО. Нами проверены возможности пакета GeniDAQ, поддерживающего работу с платой PCI – 1711LS и передачу данных по локальной сети и Интернет. Так как дистанционный контроль и управление оборудованием, визуализация, архивирование данных и т.д. являются главными функциями ПО для промышленной автоматизации, то применение SCADA-систем позволяет решать любые задачи, возникающие при разработке подобных лабораторных стендов. Использование типичных для АСУ ТП компонентов (датчиков, УСО, плат ввода/вывода, SCADA-системы) дает возможность использовать стенд при изучении соответствующих разделов дисциплин бакалавриата и магистратуры, при подготовке магистерских диссертаций [3]. Кроме того, полученные данные требуют цифровой обработки, что используется при проведении лабораторных работ по автоматике и АСУ (рисунок 3).

Время, с

Рисунок 3 - Фильтрация по методу скользящего среднего экспериментальной характеристики динамического момента асинхронного электродвигателя при прямом пуске

Заключение . Подготовка специалистов технических направлений высокой квалификации требует непосредственной работы обучающихся с оборудованием, а математическое моделирование на ПЭВМ может лишь частично заменить физический эксперимент. Традиционная форма проведения лабораторных работ по техническим дисциплинам с использованием специальных стендов может быть дополнена возможностью дистанционного участия в эксперименте. Автоматизированные стенды для проведения лабораторных работ, созданные с использованием технических и программных средств промышленной автоматизации, обеспечивают проведение лабораторных работ по техническим дисциплинам как в традиционной форме, так и удаленно.

Лебедев Павел Константинович, студент факультета среднего профессионального образования по направлению 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий», Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, г. Зерноград, Российская федерация.

AUTOMATED STAND FOR CONDUCTING LABORATORY

Lebedev Pavel Konstantinovich, student of the faculty of secondary vocational education of the profession line 08.02.09 "Installation, adjustment and operation of electrical equipment of industrial and civil buildings", Azov-Black Sea Engineering Institute, Donskoy State Agrarian University, Zernograd, Russian Federation.