Zkušenosti s výukou programování PLC na SPŠ Zlín

 

SPŠ ve Zlíně (www.spzl.cz) patří k nejstarším školám v České republice. V době vzniku byla první odbornou střední školou v Československu a prokazuje své kvality až do dnešních dnů. V roce 2014 oslavila 80 let svého trvání. Za tu dobu prošla velkými změnami. Počátečním záměrem bylo vychovávat budoucí strojaře pro Baťovy závody. Postupem času bylo studium rozšířeno o další obory. Původní budovy přestaly dostačovat rychle rostoucímu počtu studentů. Roku 1974 byla otevřena nová budova SPŠ na třídě Úderníků (nyní je to třída Tomáše Bati), kde škola sídlí dodnes. Za ta léta byla ale rozšířena o další prostory. Největší změny nastaly po roce 1989, kdy vznikly nové obory (technické a ekonomické lyceum), a v roce 2000, kdy se součástí této školy stala Střední průmyslová škola stavební ve Zlíně. Nyní tedy nabízí vzdělávání v oborech: strojírenství, elektrotechnika, technické lyceum a stavebnictví. Vedení školy se snaží každoročně modernizovat učebny, pořizovat novou výpočetní techniku a zřizovat nové laboratoře pro výuku odborných předmětů.

Automatizace se vyučuje v oborech strojírenství a elektrotechnika. Také žáci technického lycea se od třetího ročníku setkávají s programováním jednočipových mikropočítačů a programovatelných automatů (PLC). Výuku systémů PLC a metodiky jejich programování považují učitelé za zásadní. Programovatelné automaty jsou univerzální a nejvíce rozšířené řídicí systémy v průmyslové praxi. Používají se všude tam, kde je zapotřebí něco sledovat, ovládat nebo řídit. Řídí stroje a výrobní linky, chemické a potravinářské procesy, elektrárny, ale i dopravní prostředky. Nyní se hojně uplatňují i při řízení technologických zařízení budov a v integrovaném řízení infrastruktury celých budov a komplexů budov. Znalost PLC poskytuje absolventům konkurenční výhodu na trhu práce, protože lidí s touto kvalifikací je nedostatek a firmy je žádají. Bylo tedy nutné přizpůsobit vybavení laboratoře automatizační techniky tomuto požadavku a vybavit ji právě těmito systémy spolu s fyzikálními modely řízených soustav (obr. 1).

 

K zakoupení prvních systémů PLC pomohl operační program z fondů EU. Zvoleny byly programovatelné automaty Tecomat Foxtrot s centrální jednotkou CP-1014 od firmy Teco Kolín. Důvodem byly zejména malé rozměry a kompaktní provedení, ale především vývojové prostředí Mosaic s možností programování v jazycích a podle zásad mezinárodní normy IEC 61131-3. Ta se stala „esperantem programátorů PLC“ a respektují ji všichni významní výrobci PLC. S touto znalostí mohou absolventi pracovat s PLC různých značek a jsou v praxi univerzálně využitelní. Dalším důvodem je i bezplatná dostupnost systému Mosaic, skutečnost, že „mluví česky“ a v češtině je i veškerá dokumentace. Významná je i možnost pravidelných firemních školení o metodice programování a používání PLC, o novinkách v sortimentu hardwaru, ale i kvalifikovaná technická pomoc.

 

Zakoupit řídicí systémy a počítače bylo poměrně snadné. Podstatně více úsilí bylo třeba vynaložit na to, jak PLC používat, a na vymyšlení různých mechanických modelů, které jimi lze ovládat a řídit. Bylo nutné zvolit vhodné mechanické stavebnice a vymyslet způsob, jak je k PLC připojovat, aby celý systém byl variabilní a vhodný pro výuku. Zvoleno bylo kompaktní provedení sestavy PLC. Obsahuje centrální jednotku CP-1014, modul vstupů IB-1301 a výstupů OS-1401. Vše je vestavěno do plastové rozvodné krabice (obr. 2). Binární vstupy a výstupy jsou vyvedeny na konektory MLW10, sériové vstupy a výstupy jsou přivedeny na konektory Canon a sběrnice CIB na zdířku pro konektor typu jack. Zdroj napájení se připojuje pětikolíkovým konektorem. Celý systém je přenosný a lze jej snadno připojit ke všem pracovním stolům v laboratoři. Prostřednictvím konektoru Canon se připojují i operátorské panely ID-07 a ID-08.

Pro výuku řízení je nutné k PLC připojit mechanický model řízené soustavy, na kterém lze proces řízení ilustrovat – „zhmotnit“. Po posouzení výhod a nevýhod různých možností byly zvoleny a realizovány dvě varianty. První jsou drobné stavebnice, zakoupené od firmy Helago. Jsou z nich sestaveny jednoduché přenosné mechanismy, např. pásové linky, dopravníky, roboty, myčka aut nebo model zavírání garážových vrat (obr. 3). Jejich výhodou je, že nevyžadují stabilní umístění a lze je po laboratoři volně přenášet. Rovněž je možné stavebnice skládat k sobě, vytvářet tak komplexnější pracoviště a s nimi řešit náročnější úlohy pro PLC. Každý model je řízen jedním PLC. Při řešení složitějších úloh PLC komunikují mezi sebou, což je příležitost pro výuku komunikace a distribuovaného řízení. Modely a linky lze ovládat jednotlivými ovládacími prvky, ale také prostřednictvím operátorských panelů. Ty mohou být využívány i k zadávání dat pro řízení a ke sledování posloupnosti úkolů vykonávaných modelem. Sledovat a řídit linky lze i pomocí internetu s využitím webových stránek každého PLC.

 

Druhou variantou jsou pásové dopravníkové linky a třídicí linky s karuselem od firmy Stroza. Jsou vybaveny průmyslovými snímači a akčními členy a mohou být využity i k výuce prostředků automatizační techniky pro procesní výrobu. Tyto modely ale už nejsou snadno přenosné a vyžadují stabilní umístění. Řízení linky s karuselem je již poměrně složitá úloha, která vyžaduje dobré znalosti programování PLC, zejména sekvenčních logických algoritmů. Je dobrým tréninkem pro praxi, kde se převážně vyskytují úlohy sekvenčního charakteru. Další modul, který žáci používají, je hlídání výšky hladiny. Zde si mohou ověřit využití binárních i analogových vstupů. Je pravděpodobné, že v praxi se absolventi budou setkávat i s pneumatikou.

 

Proto jsou v laboratoři umístěny výukové panely s pneumatickými prvky od firmy Festo. Také ty je možné připojit k systémům PLC a řídit je. V laboratoři automatizační techniky mají žáci k dispozici rovněž robot SCARA, který škola dostala od firmy TNS Slušovice. Žáci se jej učí ovládat a řeší různé úlohy třídění materiálu.

Nově byly zakoupeny i PLC Foxtrot s centrální jednotkou CP-1000. Lze k nim připojit dvě sériové linky CIB, a jsou tudíž předurčeny k řízení inteligentní elektroinstalace a integrovaného řízení techniky chytrých budov, včetně jejich zabezpečení. Ke sběrnicím CIB jsou připojena různá čidla, např. pohybu, snímače teploty, koncentrace plynů nebo průtoku a odběru elektrické energie (vše jsou profesionální výrobky používané v praxi). K dispozici je také meteorologická stanice (meteostanice), rovněž připojená k PLC. Díky tomu, že každý Foxtrot může realizovat své vlastní webové stránky (vytvořené nástrojem WebMaker v prostředí Mosaic), lze stav a změny počasí sledovat i přes internet. V nejbližší době je plánováno vybudování samostatné laboratoře pro výuku zabezpečovacích prvků a řízení technických zařízení inteligentních budov se systémem Tecomat Foxtrot. Z něj bude možné ovládat žaluzie, topení, otevírání oken, stmívání světel, spotřebu vody a elektrické energie. Součástí systému budou také čidla pohybu, detektory kouřových plynů, snímače koncentrace CO₂ a další prvky techniky budov. Programovatelný automat Foxtrot je používán i ke sledování odběru elektrické energie v celé škole. Je připojen k internetu a v každém okamžiku lze sledovat aktuální hodinový odběr, okamžitý výkon a čtvrthodinová maxima. Systém ukazuje i historii odběru v intervalech hodin, dnů a měsíců.

Cílem výuky na SPŠ Zlín je poskytnut studentům aktuální informace z oboru automatizační techniky a dostatek příležitostí k získání dovedností, které pak s výhodou mohou uplatnit ve své praxi. Laboratorní cvičení, projekty a závěrečné práce rozvíjejí tvořivost a zdravou soutěživost studentů a jsou tréninkem týmové práce, která je pro jejich úspěšnou práci nutná. Udržovat laboratoř automatizační techniky stále moderní a aktuální však vzhledem k rychlému vývoji techniky není snadné. Prostředky pro názornou výuku technických předmětů jsou poměrně drahé. Škola a učitelé automatizace jsou vděčni za každou pomoc a výukový prostředek.

 

 

Obr. 3. Příklad modelu ze stavebnice Helago
Obr. 4. Model linky ze stavebnice Stroza