Laboratoř moderních metod v automatizaci

Laboratoř moderních metod v automatizaci

V průběhu roku 2002 byl vypracován projekt, pro který byla posléze získána grantová podpora z Fondu rozvoje vysokých škol. Projekt předpokládal vytvoření nové laboratoře s názvem Laboratoř moderních metod v automatizaci, dislokované v Ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně (UAMT FEKT VUT). Cílem, kterého bylo dosaženo, bylo vybudovat laboratoř pro masivní výuku studentů ve vybraných základních oblastech řízení průmyslových procesů (obr. 1). Pracoviště v laboratoři jsou vesměs koncipována tak, aby umožnila laboratorní výuku současně v oblastech návrhu a tvorby vestavných (embedded) mikropočítačových systémů pro účely automatizace, programování řídicích aplikací reálného času v režimu soft control/soft PLC a použití decentralizovaných řídicích systémů na bázi PC. Článek stručně popisuje uspořádání a vybavení laboratoře.

Uspořádání laboratoře

Protože součástí zadání byl široký rozsah zaměření a využití laboratoře, bylo nezbytné její vybavení řešit jako modulární a zahrnující systémy, které pokrývají poměrně široké spektrum prostředků průmyslové automatizace. Základní koncepci jednotlivého pracoviště ukazuje obr. 2. Na tomto základě jsou v laboratoři vytvořeny dvě sekce pracovišť – projektová a kombinovaná.

Pro demonstraci chování vybraných prostředků automatizační techniky je laboratoř vybavena také demonstračními panely s nainstalovanými provozními přístroji (průtokoměry, tlakoměr, čerpadlo, regulační ventil aj.), propojenými průmyslovými sběrnicemi Profibus-PA a Profibus-DP s řídicím systémem Siemens Simatic S7-300.

Projektová pracoviště

Projektová sekce laboratoře je tvořena šesti PC. Dále je její součástí profesionální distribuovaný řídicí systém Delta V od firmy Emerson Process Management (Fisher-Rosemount). Ten je využíván k programování a vizualizaci řídicích úloh a rovněž k porovnávání funkčních schopností, způsobů projektování a programátorského komfortu s distribuovaným řídicím systémem ControlWEB 2000 orientovaným na PC od firmy Moravské přístroje a. s.

Kombinovaná pracoviště

Kombinovaná sekce laboratoře má šest pracovišť. Tvoří je PC s příslušenstvím a elektromechanické modely, na kterých lze provádět identifikace řízených soustav, demonstrovat výsledky simulací a číslicového řízení i uskutečňovat různé další experimenty.

Modely se připojují k PC podle povahy příslušného experimentu (a druhu procvičované učební látky) buď přímo prostřednictvím karty pro sběr dat v provedení PCI, nebo decentralizovaně.

K decentralizovanému připojení, které se v praxi používá stále častěji pro svoji flexibilitu, menší náklady na kabeláž, kratší dobu realizace, možnost výměny vadných desek za chodu apod., jsou použity segmenty průmyslové komunikační sítě, jež na bázi standardu Ethernet TCP/IP po sériové sběrnici propojují periferní jednotky s řídicí stanicí. Použité řešení představuje progresivní trend v průmyslové automatizaci. Orientace na standard, který je nejrozšířenějším komunikačním standardem v lokálních počítačových sítích, je podle přesvědčení řešitelů plně v souladu se současným a budoucím vývojem v této oblasti automatizačních prostředků. Při použití sítě Ethernet TCP/IP lze velmi snadno zavést do průmyslové automatizace metody a nástroje známé z internetu a vytvářet tak otevřené komunikační prostředí. Malý počet stanic v segmentu, krátké segmenty a možnost přepínání (switch) odstraňují hlavní nedostatek Ethernetu z hlediska jeho použití v aplikacích reálného času, kterou dosud byl nedeterministický přístup ke sběrnici. V moderním pojetí je tato sběrnice vhodná i pro aplikace v reálném čase. Stále klesající cena (jinak složité fyzické a linkové vrstvy) činí Ethernet schopným konkurovat ostatním průmyslovým sběrnicím (Profibus, CAN, DeviceNet, LonWorks atd.). Jedno z kombinovaných pracovišť je na obr. 3. Úlohy jsou současně vhodně koncipovány i pro modelování a simulaci v prostředích Matlab a Simulink.

Všechna kombinovaná pracovitě jsou dále vybavena kartou s jednočipovým mikrořadičem, připojenou k řídicímu počítači sériovou linkou RS-232C. Tato dílčí architektura umožňuje demonstrovat vlastnosti vestavných řídicích systémů a programovat řídicí aplikace předváděné na modelu, který je v tomto případě připojen svými vstupy a výstupy na sběrnici mikropočítače. Studenti zde budou procvičovat především použití mikrořadičů v aplikacích reálného času s programováním mikrořadiče v assembleru a v jazyce C.

Programové vybavení laboratoře

Všechna PC v laboratoři jsou současně vybavena balíkem programů Microsoft Development Network Academic Aliance, který zahrnuje mj. i programovací jazyky ANSI C, C++, C#, Java a Visual Basic, a výkonným vývojovým prostředím Keil C pro jednočipové mikropočítače řady I51.

Aby bylo možné realizovat řídicí úlohy při použití distribuovaných periferií, jsou pracoviště v laboratoři dále vybavena systémem ConCept pro vývoj projektu logického řízení podle normy IEC 1131-3 a jeho programové simulace od firmy Schneider Electric. Pro návrh vizualizace a nadřazeného řízení je součástí programového vybavení laboratoře balík průmyslového softwaru Factory Suite 2000 od firmy Wonderware, obsahující mj. aplikace typu operátorského řízení (Supervizory Control and Data Acquisition/Human Machine Interface – SCADA/HMI) a řízení s použitím PC (softPLC). Pro výuku úloh typu softPLC v laboratoři slouží také již zmíněný systém ControlWEB 2000.

Laboratorní modely

Laboratorní modely tvoří důležitou součást každé úlohy a jsou významným motivačním prvkem každého laboratorního cvičení. Modely určené pro multifunkční laboratoř musí vyhovovat několika různorodým požadavkům. Čistě programové modely, tedy počítačové simulace reálných soustav a systémů, neumožňují studentům nahlédnout do problematiky nelinearit, nedefinovatelných poruch a fluktuací parametrů reálných soustav, rušení a unifikace signálů z procesu apod. Řešitelům projektu laboratoře se nejprve jevily jako vhodný kompromis elektronické modely kombinované s jednoduchými robustními mechanickými díly. Zkušenosti s několika takovými modely, úspěšně provozovanými v dosavadní laboratoři průmyslové automatizace UAMT, mají. Jsou používány i na jiných školách. Po důkladném rozboru se však řešitelé rozhodli pro robustní, profesionálně provedené elektromechanické modely portálového jeřábu. Na nich je možné provádět identifikaci soustavy (stejnosměrný motor s cizím konstantním buzením řízený napětím na kotvě), dynamickou optimalizaci, realizovat fuzzy řízení pojezdu jeřábu bez kývání zavěšeného břemene proměnné hmotnosti i jiné složitější úlohy. Stejně lze na těchto modelech ověřovat výsledky řešení úloh logického řízení s programovatelnými automaty i základních úloh řízení jednočipovými mikropočítači.

Demonstrační panely s provozními přístroji

Do vybavení laboratoře jsou začleněny také demonstrační panely sestavené s použitím automatizační techniky z produkce firmy Siemens. Byly zvoleny zejména pro demonstraci průmyslových komunikačních standardů Profibus-PA a Profibus-DP (obr. 4). Jde o doplněk významně posilující komunikační charakter experimentů a úloh a současně umožňující na jednom pracovišti porovnat dva široce využívané komunikační standardy pro automatizaci procesů – Profibus-PA a Foundation Fieldbus (použitý v systému DeltaV). Demonstrační pracoviště je sestaveno ze tří elektricky a hydraulicky propojených panelů. Na nich je instalován snímač tlaku Sitrans P, ultrazvukový průtokoměr Sitrans F, indukční průtokoměr Sitrans FM, snímač pH Sipan 32X, snímač teploty Pt100, elektropneumatický regulátor polohy Sipart PS2 pro ovládání regulačního ventilu, programovatelný automat Simatic S7-300 (CPU 315 DP) a vazební členy DP/PA Coupler a DP Link. Pro programování a obsluhu programovatelného automatu je určeno vývojové prostředí STEP7 fungující na konfiguračním PC.

Závěr

Nová laboratoř moderních metod v automatizaci založená na UAMT FEKT VUT v Brně je vybavena moderními řídicími systémy a nástroji k jejich programování i obecně projektování řídicích úloh i vhodnými modely technických soustav. Pracoviště umožňuje na prostředcích zvolených tak, že odpovídají současné technické úrovni tohoto oboru s výhledem dlouhodobého budoucího využití, procvičovat velké množství úloh. Jejich řešení může zahrnovat projektování, programování, modelování a simulaci i testování výsledků řešení úloh z oblasti řízení spojitých i diskrétních průmyslových technologických procesů.

Poděkování
Laboratoř byla navržena a realizována na základě podpory Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky v rámci Fondu rozvoje vysokých škol České republiky, jmenovitě grantů FRVŠ H/1858/2002 Laboratoř moderních metod v automatizaci, G1/1961/2002 Testovací a měřicí stanice pro průmyslovou automatizaci, G1/1969/2002 Laboratorní universální řídicí systém, G1/1967/2002 Real-time Linux a G1/1955/2002 Vysoce funkční a vysoce bezpečné řízení procesů a za podpory Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně.

K vybudování laboratoře dále sponzorsky přispěly firmy Schneider Electric CZ, s. r. o., Microcon, s. r. o., a Fluidtechnik Bohemia, s. r. o. Řešitelé děkují zástupcům a zaměstnancům uvedených firem za partnerskou, konzultační i technickou pomoc.

Ing. Zdeněk Bradáč,
Ing. Petr Fiedler,
Ing. Radek Štohl
UAMT FEKT VUT v Brně
(bradac@feec.vutbr.cz)