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

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 стандартамIEEE 802.3 (IndustrialEthernet, 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 ( Pro cess Fi eld Bus ) – 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

Перспективы развития лабораторного практикума по курсу «Автоматизация типовых технологических процессов…»

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 c 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 включе-ния/отключения клапанов имитируются зажигани-ем/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»

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

проводная связь через коммуникационный процессор CP343–1 с сетью PROFIBUS–PA и беспроводная связь через IWLAN 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- зации может быть подключен к модулям сети Industrial Ethernet, 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 V5.4 для конфигурирования сети и программирования контроллера и панель оператора (сенсорный монитор) типа TP 177B.

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

Перспективы развития лабораторного практикума по курсу «Автоматизация типовых технологических процессов…»

Рис. 4. Беспроводные связи между лабораторными стендами

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.