Для обучающихся по направлению специальности «Управление в технических системах», очень важно иметь практику работы с реальными объектами. Будущие бакалавры и магистры должны точно знать, как работают многие технические объекты, и любые теоретические знания, полученные на лекционных занятиях, должны быть подкреплены практикой. Студентам желательно уметь разрабатывать систему управления не только теоретически, но и иметь навыки реализовать её на разных устройствах. Например, уметь программировать промышленные контроллеры.
Благодаря открытию специализированной лаборатории систем и средств промышленной автоматизации Mitsubishi Electric 28 октября 2015 года в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) у студентов появились большие возможности для реализации интересных идей на практике.
Под руководством аспирантов и преподавателей кафедры АПУ будущие бакалавры активно используют в своих работах оборудование компании Mitsubishi Electric. Ниже рассмотрены некоторые разработанные лабораторные установки.
I. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД «РЕГУЛИРОВАНИЕ АВТОТРАНСПОРТОМ НА ПЕРЕКРЁСТКЕ»
Один из повсеместно распространённых объектов, для которого задача управления стоит на первом месте — это светофор. На базе контроллера MITSUISHI MELSEC FX2N-16MR и панелей оператора MITSUISHI GT1020 и GT1030 нами был разработан учебный стенд для реализации простейших алгоритмов по работе светофоров на перекрёстке (Рис.1).
Некогда контроллер FX2N был одним из самых быстродействующих в мире, а сейчас производство данного контроллера и модулей к нему полностью приостановлено. В качестве лучшей альтернативы выступают более новые модели той же серии: FX3G/FX3GE/FX3GC, FX3S, FX3U/FX3UC. Полным аналогом FX2N выступают программируемые контроллеры Mitsubishi FX3U — самые мощные и высокопроизводительные в линейке MELSEC FX.
Функциональным дополнениям к контроллерам являются небольшие графические панели оператора Mitsubishi. Компания Mitsubishi Electric выпускает широкий спектр панелей оператора для работы в достаточно жёстких промышленных условиях эксплуатации. Например, панели оператора серии GT1000 можно установить прямо на дверце шкафа управления, подключить к контроллеру или другому устройству и, тем самым, предотвратить воздействие окружающей среды на оборудование. Полученные навыки по работе с данными контроллерам и панелями управления будут крайне необходимы в дальнейшей работе студентов.
Для того чтобы показать возможности стенда разработаны алгоритмы переключения сигналов светофора (Рис.2).
Режим «РУЧНОЙ» – режим для проверки работоспособности каждого сигнала светофора в отдельности. Заметим, что на стенде имеются кнопки, такие же, как и сенсорные кнопки на панели оператора. Для того чтобы кнопки на мониторе не «конфликтовали» с кнопками на стенде, выделяем отдельные переменные для сенсорных кнопок. Подключаем переменные параллельно.
Режим «ОЖИДАНИЯ» — режим, который обеспечивает постоянное мигание оранжевого сигнала на всех светофорах. Для наглядности процесса панель GT1030 настроена в режиме моргания (Blink Backlight), и установлен оранжевый цвет фона (Backlight).
Режим «АВТО» реализует алгоритмы, благодаря которым светофоры на перекрестке работают в полном автономном режиме.
Режим «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ», как и автономный, работает циклически, выполняя программу, но оператор имеет возможность переключить сигналы, аннулировав таймеры.
T – окно, в котором производится настройка загруженности дорог.
Использование панелей оператора в данном проекте не является обязательным условием, но работа светофора становится более наглядной, ясной при использовании мониторов, что говорит о преимуществах использования данной связки в дальнейшей работе.
II. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД «ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ РАУ-107АВР»
A. Описание объекта управления
За основу в проекте мы взяли устройство РАУ-107АВР, которое используется в качестве рулевого устройства в военных летательных аппаратах, таких как СУ-27 и др.
РАУ-107АВР (Рис.3) представляет собой электромеханическое устройство, которое совершает возвратно-поступательное движение с определённым усилием. При подаче управляемого воздействия шток РАУ- 107АВР выдвигается или втягивается. Усилие, которое развивает данный агрегат, используется для изменения положения закрылок у летательных аппаратов, тем самым меняя направления движения ЛА.
B. Подбор ПЛК для стенда управления позиционированием РАУ-107АВР
Для разработки стенда управления позиционированием РАУ-107АВР использовался такой ПЛК с набором модулей, у которых были:
- 4 дискретных вход
- 4 дискретных выхода
- 1 аналоговый вход
Был выбран готовый стенд (Рис. 4) фирмы MITSUBISHI ELECTRIC, который называется Mitsubishi Programmable Controller Melsec Q-series. На монтажной шине стенда располагается сетевой блок Q62P, центральный процессор Q02HCPU, цифровой входной модуль QX80, цифровой выходной модуль QY80, аналоговый модуль ввода Q64AD, аналоговый модуль выхода Q64DA, а также имеется пустой модуль, который можно заменить на любой другой модуль, который необходим под конкретное решение задач. Используемый стенд имеет следующую конфигурацию:
- 6 выключателей для ввода цифровых сигналов
- Регулируемый тактовый вход
- 6 светодиодов для индикации состояния цифровых выходов
- 4 аналоговых выходных канала
- 4 аналоговых выходных каналов
На стенде System Q установлен модуль центрального процессора Q02HCPU. Данный процессор обладает высокой скоростью обработки сигналов от модулей, расположенных на монтажной шине.
На стенде помещён цифровой входной модуль QX80. У данного модуля все входы изолированы с помощью оптронов, благодаря чему он обладает высокой помехозащищенностью, поэтому модуль QX80 не интерпретирует в качестве входных сигналов кратковременные сигналы помех. Значительную роль имеет и выходной модуль QY80. Конструктивно этот модуль основан на транзисторах. Коммутируемое напряжение отделено от напряжения питания контроллера с помощью оптрона. Такой модуль обладает большой скоростью реакции и переключает выход всего за 1 мс.
Аналоговый входной модуль Q64AD применяется для преобразования аналоговых сигналов процессора в цифровые значения для их дальнейшей обработки.
Аналоговый выходной модуль Q64DA преобразует цифровые значения в аналоговый токовый или потенциальный сигнал.
Благодаря оборудованию Mitsubishi Controller Melsec Q-series, используя программное обеспечение GX Works2, можно легко реализовать систему управления позиционирования штока РАУ-107АВР, что будет полезно студентам, желающим разобраться с работой линейных двигателей постоянного тока.
IV. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД «КОТЕЛЬНАЯ»
Большое значение играет понимание студентами нашей специальности основных аспектов теории управления, а также применение данных знаний при разработке реальных объектов. Наглядно иллюстрирует совокупность теории и практики стенд «Котельная».
Основными элементами реальной котельной являются: котел, насос, расширитель, датчики температуры теплоносителя (вход и выход котельной, теплообменник, внутренний контур, внешний контур, обогреватель). Реальная котельная работает с высокими температурами и давлениями, что недопустимо в условиях лабораторного стенда. В проекте используется упрощенная схема котельной, где исключен теплообменник, а котел и расширитель объединены, что становится возможным благодаря низким значениям рабочих температур и давления.
Основными элементами макета котельной являются: котел-расширитель, насос, внутренний контур, запорная арматура (вентили), внешний контур с потребителем тепла.
Целью управления макетом является поддержание заданной температуры теплоносителя на выходе из котельной. В системе реализуется принцип управления с отрицательной обратной связью. Управляющее устройство выявляет отклонение температуры от заданного значения и принимает решение об оказании на объект управляющего воздействия.
Измерительным элементом является датчик температуры на входе и выходе котельной. Роль исполнительного механизма играет реле управления питанием нагревательного элемента.
На рис. 5 изображено оборудование, использованное для построения стенда, где: 1 — блок реле; 2 — преобразователь напряжения 220В переменного тока в 12В постоянного тока; 3 — теплообменник; 4 — аэратор; 5 — котел-накопитель; 6 — датчики температуры; 7 — насос; 8 — блок клемм; 9 — нагревательный элемент.
Рис. 5. Общий вид cтенда «Котельная
V. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД «ЛИФТ»
Сейчас лифты постоянно эксплуатируются в различных сферах жизни общества и для различных целей. Строительство высотных зданий говорит о чёткой тенденции к необходимости ускорения лифтов для уменьшения времени ожидания людей. Возможность разработка системы управления стенда «Лифт» поможет студентам на практике понять все проблемы при их создании. На рис. 6 представлен общий вид лабораторного стенда.
Рис. 6. Общий вид лабораторного стенда «Лифт»
В результате подключения «Лифта» к стенду Mitsubishi Electric студенты имеют возможность реализовать систему управления на базе контроллера. В настоящем проекте рассматривается работа со стендом, оснащённым ПЛК FX3GE-24MT/DSS.
Разработанные стенды предназначаются для использования в лабораторных работах в рамках учебных курсов направления “Управление в технических системах”.
На базе стендов могут изучаться следующие вопросы:
- программирование контроллеров Mitsubishi Electric;
- интеграция программно-аппаратного комплекса на базе ПЛК Mitsubishi Electric и среды моделирования Simulink с помощью OPC-сервера;
- идентификация многопараметрических объектов;
- нелинейные (релейные) системы управления;
- oтказоустойчивое управление и т. д.
В перспективе будут разработаны программное обеспечение и методические указания для работы со стендом в рамках лабораторных работ.
Важно, что студенты получают опыт работы именно с оборудованием японской корпорации Mitsubishi Electric. Продукции компании Mitsubishi Electric свойственно компактное исполнение, гибкие возможности монтажа, быстродействие, обширные коммуникационные возможности и другие положительные характеристики, которые играют немаловажную роль при выборе оборудования.