RU206052U1 - Educational laboratory stand for the study of technical means of automation and the basics of control of technological processes - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к учебному оборудованию, содержащему технические средства, относящиеся к области автоматизации технологических процессов и электронной вычислительной техники, и может быть использовано в высших и средних специальных учебных заведениях для проведения практических и лабораторных занятий по монтажу, наладке и программированию средств автоматизации, изучению основ управления технологическими процессами.Технический результат - расширение функциональных возможностей учебного лабораторного стенда.На лицевой стороне монтажной панели лабораторного стенда расположены физическая модель технологического объекта, программируемый логический контроллер, последовательные порты RS-485 которого соединены для обмена данными с аналогичными последовательными портами модуля дискретного ввода/вывода, модуля аналогового ввода, сенсорной панели оператора, отображающей технологические параметры и обеспечивающей ввод управляющих воздействий, последовательные порты RS-485 контроллера соединены с последовательными портами программируемого реле, к первому аналоговому входу которого подключен встроенный в физическую модель датчик температуры; на монтажной панели расположено устройство задания сигналов, аналоговые входы которого подключены к аналоговым выходам программируемого реле; на монтажной панели расположено твердотельное реле, входы которого подключены к выходам устройства задания сигналов; на монтажной панели расположен датчик температуры окружающей среды, аналоговый выход которого подключен к второму входу аналогового модуля ввода программируемого реле; на монтажной панели расположено охлаждающее оборудование, входы которых соединены с выходом модуля дискретного ввода/вывода, программируемый логический контроллер выполнен с возможностью связи через порты USB Device с портом USB персонального компьютера для обмена данными с установленной SCADA-системой и пакетом прикладных программ для моделирования виртуальных объектов управления.Учебно-лабораторный стенд обеспечивает изучение студентами основ монтажа, программирования оборудования автоматизации и управления технологическими объектами как в очной форме обучения, так и в ее дистанционном формате.The utility model refers to educational equipment containing technical means related to the field of automation of technological processes and electronic computing technology, and can be used in higher and secondary specialized educational institutions for practical and laboratory classes on the installation, commissioning and programming of automation equipment, the study of the basics The technical result is the expansion of the functionality of the educational laboratory stand. On the front side of the mounting panel of the laboratory stand there is a physical model of a technological object, a programmable logic controller, the RS-485 serial ports of which are connected for data exchange with similar serial ports of the discrete input / output module , analog input module, operator touch panel displaying technological parameters and providing input of control actions, RS-485 serial ports of the soy controller connected with serial ports of a programmable relay, to the first analog input of which a temperature sensor built into the physical model is connected; there is a signal setting device on the mounting panel, the analog inputs of which are connected to the analog outputs of the programmable relay; the mounting panel contains a solid-state relay, the inputs of which are connected to the outputs of the signal setting device; an ambient temperature sensor is located on the mounting panel, the analog output of which is connected to the second input of the analog input module of the programmable relay; the mounting panel contains cooling equipment, the inputs of which are connected to the output of the discrete input / output module, the programmable logic controller is capable of communication via USB Device ports with a USB port of a personal computer for data exchange with an installed SCADA system and a software package for modeling virtual objects The educational and laboratory stand provides students with the basics of installation, programming of automation equipment and control of technological objects both in full-time education and in its distance format.

Description

Полезная модель относится к учебному оборудованию, содержащему технические средства, относящиеся к области автоматизации технологических процессов и электронной вычислительной техники, и может быть использовано в высших и средних специальных учебных заведениях для проведения практических и лабораторных занятий по монтажу, наладке и программированию средств автоматизации и изучению основ управления технологическими процессами.The utility model refers to educational equipment containing technical means related to the field of automation of technological processes and electronic computing technology, and can be used in higher and secondary specialized educational institutions for practical and laboratory classes on the installation, commissioning and programming of automation equipment and the study of the basics process control.

Известен учебный лабораторный стенд "PLK-1" для изучения устройства и работы микроконтроллеров семейства PIC16F (Пат. РФ №156660, опубл. 10.11.2015), содержащий корпус, внутри которого расположены плата с микроконтроллером, плата блока питания, плата аналоговых усилителей, плата внутрисхемного программатора, плата интерфейса RS232, динамическая головка.Known educational laboratory stand "PLK-1" for studying the device and operation of microcontrollers of the PIC16F family (US Pat. RF No. 156660, publ. in-circuit programmer, RS232 interface board, dynamic head.

Недостатками данного технического решения являются отсутствие объекта управления, устаревшие интерфейсы обмена данными и отсутствие среды программирования микропроцессорного устройства, соответствующей международному стандарту IEC 61131-3.The disadvantages of this technical solution are the absence of a control object, outdated data exchange interfaces and the absence of a programming environment for a microprocessor device that complies with the international standard IEC 61131-3.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является учебно-лабораторный стенд для подготовки специалистов в области средств и систем автоматизации непрерывных технологических процессов (Пат. РФ №2459228, опубл. 20.08.2012), содержащий персональный компьютер и управляющий процессор, узловую шину, полевую шину, модули аналоговых входов-выходов, содержащие блок аналоговых входов и блок аналоговых выходов, модули дискретных входов-выходов, содержащие блок дискретных входов и блок дискретных выходов, модули ввода сигналов температурных датчиков, содержащие модуль первого датчика температуры и модуль второго датчика температуры, блок реле с индикаторами, блок эталонных источников, модуль имитаторов исполнительных элементов, датчик температуры, подключенный к модулю первого датчика температуры, и датчик температуры, подключенный к модулю второго датчика температуры, введены блок аналоговой динамической модели объекта управления с переключаемыми параметрами, выходы блока реле с индикаторами и выходы модуля имитаторов исполнительных элементов, блок мануального управления параметрами динамической модели объекта управления, блок мануального управления технологическим процессом, блок отображения состояния объекта управления с числовыми индикаторами.The closest to the claimed technical solution is an educational and laboratory stand for training specialists in the field of means and systems of automation of continuous technological processes (Patent RF No. 2459228, publ. 08/20/2012), containing a personal computer and a control processor, a node bus, a field bus, analog input-output modules containing an analog input block and an analog output block, digital input-output modules containing a digital input block and a digital output block, temperature sensor signal input modules containing a first temperature sensor module and a second temperature sensor module, a relay block with indicators, a block of reference sources, a module of simulators of executive elements, a temperature sensor connected to the module of the first temperature sensor, and a temperature sensor connected to the module of the second temperature sensor, a block of an analog dynamic model of a control object with switchable parameters, outputs of a relay block with indication torors and outputs of the module of simulators of executive elements, a block for manual control of parameters of a dynamic model of a control object, a block for manual control of a technological process, a block for displaying the state of a control object with numerical indicators.

Недостатками данного технического решения являются морально устаревшее оборудование, отсутствие возможности автоматического управления технологическим объектом с дополненными виртуальными средствами автоматизации и объектами регулирования, отсутствие возможности программирования микропроцессорного устройства управления согласно международному стандарту IEC 61131-3.The disadvantages of this technical solution are obsolete equipment, the lack of the possibility of automatic control of the technological object with supplemented virtual automation tools and control objects, the inability to program the microprocessor control device in accordance with the international standard IEC 61131-3.

Задачей полезной модели является разработка учебного лабораторного стенда на базе современных отечественных программно-технических комплексов автоматизации, предназначенного для проведения практических и лабораторных занятий по монтажу, наладке и программированию средств автоматизации и изучению основ управления технологическими процессами в высших и средних специальных учебных заведениях с использованием физических объектов управления, дополненных виртуальными средствами автоматизации и объектами регулирования, как при очной, так и при дистанционной форме обучения. Технический результат - расширение функциональных возможностей учебного лабораторного стенда.The task of the utility model is the development of an educational laboratory stand based on modern domestic software and hardware complexes for automation, designed for practical and laboratory exercises on the installation, commissioning and programming of automation tools and the study of the basics of process control in higher and secondary specialized educational institutions using physical objects control, supplemented by virtual automation tools and control objects, both in full-time and distance learning. The technical result is to expand the functionality of the educational laboratory stand.

Поставленная задача решается тем, что на лицевой стороне монтажной панели лабораторного стенда расположены физическая модель технологического объекта, программируемый логический контроллер, последовательные порты RS-485 которого соединены для обмена данными с аналогичными последовательными портами модуля дискретного ввода/вывода, модуля аналогового ввода, сенсорной панели оператора, отображающей технологические параметры и обеспечивающей ввод управляющих воздействий, последовательные порты RS-485 контроллера соединены с последовательными портами программируемого реле, к первому аналоговому входу которого подключен встроенный в физическую модель датчик температуры; на монтажной панели расположено устройство задания сигналов, аналоговые входы которого подключены к аналоговым выходам программируемого реле; на монтажной панели расположено твердотельное реле, входы которого подключены к выходам устройства задания сигналов; на монтажной панели расположен датчик температуры окружающей среды, аналоговый выход которого подключен к второму входу аналогового модуля ввода программируемого реле; на монтажной панели расположено охлаждающее оборудование, входы которых соединены с выходом модуля дискретного ввода/вывода, программируемый логический контроллер выполнен с возможностью связи через порты USB Device с портом USB персонального компьютера для обмена данными с установленной SCADA-системой и пакетом прикладных программ для моделирования виртуальных объектов управления.The task is solved by the fact that on the front side of the mounting panel of the laboratory stand there is a physical model of a technological object, a programmable logic controller, the RS-485 serial ports of which are connected for data exchange with similar serial ports of the discrete input / output module, analog input module, operator touch panel displaying technological parameters and providing input of control actions, the serial ports of the RS-485 controller are connected to the serial ports of the programmable relay, to the first analog input of which a temperature sensor built into the physical model is connected; there is a signal setting device on the mounting panel, the analog inputs of which are connected to the analog outputs of the programmable relay; the mounting panel contains a solid-state relay, the inputs of which are connected to the outputs of the signal setting device; an ambient temperature sensor is located on the mounting panel, the analog output of which is connected to the second input of the analog input module of the programmable relay; the mounting panel contains cooling equipment, the inputs of which are connected to the output of the discrete input / output module, the programmable logic controller is capable of communicating via USB Device ports with a USB port of a personal computer to exchange data with the installed SCADA system and an application package for modeling virtual objects management.

Предлагаемый учебный лабораторный стенд иллюстрируется фиг. 1, 2.The proposed training laboratory stand is illustrated in Fig. 12.

На фиг. 1 показан внешний вид лицевой панели стенда, на фиг.2 - обмен данными между элементами стенда.FIG. Figure 1 shows the external view of the front panel of the stand, figure 2 - data exchange between the elements of the stand.

На фиг. 1, 2 использованы следующие обозначения:FIG. 1, 2, the following designations are used:

1 - программируемый логический контроллер;1 - programmable logic controller;

2 - модуль аналогового ввода;2 - analog input module;

3 - модуль дискретного ввода/вывода;3 - discrete input / output module;

4 - датчик температуры;4 - temperature sensor;

5 - охлаждающее оборудование;5 - cooling equipment;

6 - программируемое цифровое реле;6 - programmable digital relay;

7 - устройство задания сигналов;7 - signal setting device;

8 - твердотельное реле;8 - solid state relay;

9 - физическая модель технологического объекта со встроенным датчиком температуры;9 - physical model of a technological object with a built-in temperature sensor;

10 - сенсорная панель оператора;10 - operator touch panel;

11 - персональный компьютер;11 - personal computer;

12 - блок питания;12 - power supply unit;

13 - выключатель автоматический.13 - automatic switch.

Учебный лабораторный стенд содержит программируемый логический контроллер 1 («ОВЕН ПЛК 110-30»), выполняющий функции противоаварийной автоматической защиты систем стенда и осуществляющий постоянный обмен данными по сети RS-485 с модулем 2 аналогового ввода, на входы которого приходит сигнал с датчика 4 температуры, модулем 3 дискретного ввода/вывода, входы которого подключены к источнику питания, а к выходам подключено охлаждающее оборудование 5.The educational laboratory stand contains a programmable logic controller 1 ("OWEN PLC 110-30"), which performs the functions of emergency automatic protection of the stand systems and carries out constant data exchange via the RS-485 network with the analog input module 2, to the inputs of which a signal comes from the temperature sensor 4 , digital input / output module 3, the inputs of which are connected to the power supply, and the cooling equipment is connected to the outputs 5.

По сети RS-485 контроллер 1 принимает данные от программируемого цифрового реле 6 и передает все данные на сенсорную панель 10 оператора и через кабель USB в SCADA-систему, установленную в персональный компьютер 11, позволяющие отслеживать все параметры технологического объекта и осуществлять управление ими. Аналоговые выходы программируемого цифрового реле 6 присоединены к входам устройства 7 задания сигналов, позволяющего производить переключение с автоматизированного управления на мануальное и обратно. Выходы устройства 7 задания сигналов подключены к входам твердотельного реле 8, выполняющего функции регулирующего органа, а выходы твердотельного реле 8 соединены с входами физической модели 9 технологического объекта, аналоговые сигналы со встроенного датчика температуры которого поступают на первый аналоговый вход программируемого цифрового реле 6.Through the RS-485 network, controller 1 receives data from a programmable digital relay 6 and transmits all data to the operator's touch panel 10 and via a USB cable to a SCADA system installed in a personal computer 11, which makes it possible to monitor and control all parameters of a technological object. The analog outputs of the programmable digital relay 6 are connected to the inputs of the signal setting device 7, which allows switching from automated control to manual control and vice versa. The outputs of the signal setting device 7 are connected to the inputs of the solid-state relay 8, which performs the functions of a regulating body, and the outputs of the solid-state relay 8 are connected to the inputs of the physical model 9 of the technological object, the analog signals from the built-in temperature sensor of which are fed to the first analog input of the programmable digital relay 6.

Функции программируемого цифрового реле 6 и программируемого логического контроллера 1 разделены, соответственно, на управление процессом и противоаварийную автоматическую защиту модели технологического объекта, а обмен данным осуществляется по протоколу RS-485.The functions of the programmable digital relay 6 and the programmable logic controller 1 are divided, respectively, into process control and emergency automatic protection of the technological object model, and the data exchange is carried out via the RS-485 protocol.

При получении от физической модели 9 технологического объекта сигналов, превышающих допустимые значения температуры, контроллер 1 подает сигналы по сети RS-485 в модуль 3 дискретного ввода/вывода на включение охлаждающего оборудования 5 и в программируемое цифровое реле 6 на отключение сигнала, поступающего на его аналоговые выходы до тех пор, пока температура технологического объекта не достигнет температуры окружающей среды, замеряемой датчиком 4 температуры.When receiving signals from the physical model 9 of the technological object that exceed the permissible temperature values, controller 1 sends signals via the RS-485 network to the discrete input / output module 3 to turn on the cooling equipment 5 and to the programmable digital relay 6 to turn off the signal coming to its analog outputs until the temperature of the process object reaches the ambient temperature measured by the temperature sensor 4.

При изучении работы программируемого логического контроллера обучающийся разрабатывает программу на одном из языков программирования, входящих в международный стандарт IEC 61131-3, например, на свободно распространяемом программном обеспечении (ПО) CoDeSys v2.3, в соответствии с заданием. Разработанный код программы при подключении к контроллеру автоматически загружается в его постоянную память.When studying the work of a programmable logic controller, the student develops a program in one of the programming languages included in the international standard IEC 61131-3, for example, on the free software (software) CoDeSys v2.3, in accordance with the assignment. The developed program code, when connected to the controller, is automatically loaded into its permanent memory.

При изучении работы программируемого цифрового реле обучающийся разрабатывает программу на языке FBD в свободно распространяемом программном обеспечении (ПО) Owen Logic, в соответствии с заданием. Разработанный код программы при подключении к программируемому реле автоматически загружается в его постоянную память.When studying the operation of a programmable digital relay, the student develops a program in the FBD language in the freely distributed Owen Logic software, in accordance with the assignment. The developed program code, when connected to a programmable relay, is automatically loaded into its permanent memory.

Лабораторный стенд содержит сенсорную панель 10 оператора, на которой представлены информация об объекте управления и кнопки управления. Функционирование лабораторного стенда происходит согласно программным кодам, загруженным в памяти контроллера 1 и программируемого цифрового реле 6.The laboratory stand contains a touch panel 10 for the operator, which presents information about the control object and control buttons. The laboratory stand operates according to the program codes loaded in the memory of controller 1 and programmable digital relay 6.

Добавление к физической модели 9 объекта управления лабораторного стенда виртуальных технологических объектов осуществляется с использованием пакетов прикладных программ, включающих в свой состав семейство технологий ОРС, например, таких, как Matlab, Scilab, Simintech.The addition of virtual technological objects to the physical model 9 of the control object of the laboratory bench is carried out using software packages that include the family of OPC technologies, for example, such as Matlab, Scilab, Simintech.

Выполнение лабораторных работ в дистанционном формате осуществляется посредством использования специализированного программного обеспечения, находящегося в свободном доступе, например, Chrome Remote Desktop, TeamViewer. В дистанционном формате выполнение лабораторных работ возможно в оффлайн и онлайн режимах под контролем преподавателя.Laboratory work in a remote format is carried out using specialized software that is freely available, for example, Chrome Remote Desktop, TeamViewer. In a remote format, laboratory work can be performed offline and online under the supervision of a teacher.

Учебный лабораторный стенд на базе программируемого логического контроллера (например «ОВЕН ПЛК 110-30» и программируемого цифрового реле, представляет собой не только полнофункциональный учебный стенд для изучения особенностей монтажа, наладки и программирования средств автоматизации, но и гибкую платформу для разработки и реализации различных схем автоматизированного управления технологическими объектами, поэтому он может быть использован в учебном процессе при изучении дисциплин, связанных с разработкой и эксплуатацией систем управления технологическими процессами.A training laboratory stand based on a programmable logic controller (for example, "OWEN PLC 110-30" and a programmable digital relay, is not only a full-function training stand for studying the features of installation, commissioning and programming of automation equipment, but also a flexible platform for the development and implementation of various schemes automated control of technological objects, so it can be used in the educational process in the study of disciplines related to the development and operation of technological process control systems.

Преимуществом учебного лабораторного стенда является возможность его непрерывной модернизации по мере появления более современных технических и программных средств автоматизации, добавления к физической модели объекта управления виртуальных технологических объектов, выполнения практических и лабораторных занятий в дистанционном формате, использование современных отечественных программных и технических средств автоматизации.The advantage of the educational laboratory stand is the possibility of its continuous modernization as more modern hardware and software for automation appears, adding virtual technological objects to the physical model of the control object, performing practical and laboratory exercises in a remote format, using modern domestic software and hardware automation.

Claims (1)

Учебно-лабораторный стенд для изучения технических средств автоматизации и основ управления технологическими процессами, на монтажной панели которого расположены физическая модель технологического объекта, программируемый логический контроллер, устройство задания сигналов, твердотельное реле, датчик температуры окружающей среды, охлаждающее оборудование, при этом последовательные порты RS-485 программируемого логического контроллера соединены для обмена данными с аналогичными последовательными портами модуля дискретного ввода/вывода, модуля аналогового ввода, сенсорной панели оператора, а также с последовательными портами программируемого цифрового реле, к первому аналоговому входу которого подключен встроенный в физическую модель технологического объекта датчик температуры; аналоговые входы устройства задания сигналов подключены к аналоговым выходам программируемого реле; входы твердотельного реле подключены к выходам устройства задания сигналов; аналоговый выход датчика температуры окружающей среды подключен к второму входу аналогового модуля ввода; входы охлаждающего оборудования соединены с выходом модуля дискретного ввода/вывода; программируемый логический контроллер выполнен с возможностью связи через порты USB Device с портом USB персонального компьютера для обмена данными с установленной SCADA-системой и пакетом прикладных программ для моделирования виртуальных объектов управления.An educational and laboratory stand for the study of technical means of automation and the basics of control of technological processes, on the mounting panel of which there is a physical model of a technological object, a programmable logic controller, a signal setting device, a solid-state relay, an ambient temperature sensor, cooling equipment, while serial RS- 485 programmable logic controller are connected for data exchange with similar serial ports of the discrete input / output module, analog input module, operator touch panel, as well as serial ports of the programmable digital relay, to the first analog input of which a temperature sensor built into the physical model of the technological object is connected; analog inputs of the signal setting device are connected to the analog outputs of the programmable relay; the solid state relay inputs are connected to the outputs of the signal setting device; the analog output of the ambient temperature sensor is connected to the second input of the analog input module; the inputs of the cooling equipment are connected to the output of the discrete input / output module; the programmable logic controller is configured to communicate via USB Device ports with a USB port of a personal computer for data exchange with an installed SCADA system and an application package for simulating virtual control objects.

Images