CC BY
134
ПОДГОТОВКА КАДРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ
УДК 621.313
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ «ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА»
В. И. Бондаренко, И. А. Орловский, A.B. Пирожок, Ю.А Крисан, В.В. Осадчий, М.Ю. Залужный
Запорожский национальный технический университет, Украина, г. Запорожье epa@zntu. edu.ua
При хорошей общей бакалаврской подготовке электромехаников в вузах Украины, предусмотренной учебными планами, практическая подготовка студентов оставляет желать лучшего, в первую очередь, из-за малого бюджета времени в учебных планах на эти цели, с одной стороны. С другой - молодой специалист, отвечая высокой планке новой техники и современной технологии, должен со студенческой скамьи иметь не только глубокие теоретические знания, владеть навыками монтажа и наладки, но и уметь квалифицированно и качественно
.
Налицо первый конфликт, конфликт временных норм качествен.
Незначительное время практик студентов, в частности специальности «Электромеханические системы автоматизации и электропривод», с одной стороны, и особенности сложной и дорогостоящей материальной базы и программного обеспечения объектов автоматизации специальности, с другой, придают в современных условиях лабораторному практикуму профилирующих дисциплин статуса одного из
.
Реальность жизнеспособности этого фактора в условиях государственного вуза находится в прямой зависимости от бюджетного финансирования по статье оборудования, которое для большинства украинских вузов колеблется в широких пределах (от плохого до очень плохого).
На лицо второй конфликт, конфликт реальных финансовых вложений с финансовыми нормами университетского бюджета.
Рождением названные конфликты обязаны старой как мир истине «ВРЕМЯ-ДЕНЬГИ». Как лирическое отступление, можно назвать и другие конфликты время-деньги в наших вузах, косвенно связанные с названными выше, например, конфликт между временем научно-педагогической деятельности преподавателя и объемом денежной массы, которую он получает за нее.
Модернизация с активным участием студентов дневной и заочной форм обучения, существующих, но устаревших лабораторных стендов, мотивирована намерением решить названую задачу «малой кровью» -
.
--
ной, дорогостоящей, работоспособной, хорошо сохранившейся и полезной механической части (электроприводы различных сложных механизмов, металлорежущие станки, промышленные манипуляторы,
-
никой), возрождения их с заменой устаревшей «начинки» на современные электронные устройства и программное обеспечение, в частности, на базе программируемых контроллеров.
Кроме того, привлечение студентов к этой работе, даже на стадии только собственно модернизации, окунет их в водоворот сложных профессиональных работ по проектированию и разработке обновленных лабораторных стендов, по демонтажу-монтажу оборудования, по написанию и отладке программного обеспечения, программированию микропроцессорных контроллеров, по наладке и испытанию отдель-
.
--
графические задания, курсовое и дипломное проектирования, при этом
-
стров, в том числе и комплексные, этой тематики, в обязательном порядке были реальными и в подавляющем большинстве случаев защита
.
Ближайшая цель модернизации - на базе существующих создать современные стендоы, в основном с компьютерным управлением от внешних систем, для лабораторного практикума, в первую очередь, для дисциплин специализации и магистерского образовательного уровня, с посильными, небюджетными затратами.
Таким стендам по плечу и достижение главной цели - возможность реализации новых технологий обучения, направленных на дальнейшее
повышение качества практической подготовки студентов к предстоящей производственной деятельности в современных условиях.
Таким образом, первый путь, ведущий к реализации заданной цели, зиждется на использовании лабораторных стендов с развитой механической частью, но морально устарелых, главным образом, по «вине» систем управления и регулирования, применительно к лабора-
.
Второй эффективный путь реализации поставленной цели основан на моделировании, большей частью физическом, в также математическом и имитационном, электромеханических устройств, средств автоматизации, а также фрагментов систем автоматизации производственных процессов при условии максимального сохранения программного
.
В этом случае лабораторные стенды лишены монументальности, внушительных и производственного вида, присущих названным выше. Они малогабаритные, в основном настольного исполнения, созданные по принципу «Мал золотник, да дорог». Отличительная особенность этих стендов - незначительное энергопотребление, что само по себе, .
И, наконец, третий путь. Это моделирование с использованием LEGO-конструкторов (Mindstorms®) различных типов. Создаются действующие модели, даже без сохранения некоторых критериев моделирования, разнообразных электромеханических устройств, как классических, так и специальных с элементами экзотики и фантастики.
Такие модели воспроизводят характер основных видов движения рабочих органов и основную структуру силовой части и системы управления моделируемых электроприводов. Системы управления координатами перемещения программируется, главным образом, на программном обеспечении LabView.
Кроме непосредственных учебных целей, рассмотренные пути являются инструментом вовлечения одаренных студентов в активную науку, в частности, как резерва кафедры, ее магистратуры, аспиранту.
Опыт кафедры в создании новых и модернизации старых лабораторных стендов, показал, что при возмущающем воздействии эффекта названных в начале статьи конфликтов, никакая мечта не станет явью без взаимовыгодного сотрудничества с отечественными и зарубежными профильными фирмами, без их программной и материальной помощи кафедре, гарантией которой может быть наличие её положительной обратной связи с фирмой (замкнутая система дружбы).
Такая система установлена у нас с фирмами «SIEMENS в Украине», INFOKOM, LENZA, Альтера, ХОЛИТ Дэйта, Moeller.
Из условия ограничения объема статьи приведем описание только некоторых, уже введенных в учебный процесс, новых или модернизированных на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок (ЭПА) Запорожского национального технического университета (ЗНТУ) лабораторных стендов:
- компьютерное управление шаговым двигателем от SCADA системы TRACE MODE;
- промышленный электромеханический робот-манипулятор М10П;
- изучение автоматизированной системы дозирования;
- изучение дистанционного управления и контроль параметров электропривода LENZE;
- исследование привода постоянного тока КТЭ-5;
- изучение автоматизации технологических процессов мойки автотранспорта.
Лабораторный стенд компьютерного управления шаговым двигателем от SCADA-системы TRACE MODE
За базовый взят, изготовленный в 80-ые годы, стенд СШД- 5 для изучения дискретных электроприводов подач металлорежущих станков с шаговым двигателем (ШД). Этот стенд включает в себя шести-фазный ШД с реактивным ротором ШД-5, силовые коммутаторы, блок питания, панель измерения сигналов, пульт управления и устаревшую систему управления на логических элементах 155 серии. На стенде предусмотрена возможность (есть разъём параллельного подключения
данных) для получения сигналов управления от внешнего устройства,
-
ру через LPT и USB порты.
Профессиональная мотивация создания обновленного стенда была обусловлена возрастающим вниманием, в последнее время, к дискретному электроприводу с силовыми ШД, основателями которого в 60-70 годы прошлого века были известные ученые Москвы, Киева, С-Петербурга: Ивоботенко Б.О., Карпенко Б.К., Ратмиров В.А., Чиликин М. Г., Сабинин Ю.О., Соколов M. М. [1-5] и другие.
-
чать и исследовать свойства, присущие дискретному электроприводу
-
ствование стенда с целью расширения и углубления исследований свойств названного привода, его достоинств и недостатков.
-
граммного обеспечения являются среды, которые имеют в своем составе менеджер проектов, текстовый редактор и симулятор, что есть в
SCADA системах. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition -диспетчерское управление и сбор данных) - программный пакет для сбора, обработки, отображения и архивации информации об объекте управления. SCADA системы используются для централизованных систем контроля и управления такими процессами как промышленное производство, генерирование, передача и распределение энергии, управления микроклиматом, переработка и прочее в непрерывном, пакетном, периодическом или дискретном режимах.
-
ного управления ШД переданы SCADA системе TRACE MODE, разработки Российской Федерации [6, 7], которая широко используется также и в Украине, ёё версии свободно предоставляются разработчиками, например, во время выставок.
,
осуществлялась следующая последовательность разработки современного стенда:
- восстановление отдельных блоков существующего стенда управления ШД;
- разработка аппаратной части (гальваническая развязка, кабели) для подключения стенда с ШД к компьютеру через LPT порт;
- разработка программных средств работы TRACE MODE с LPT портом;
- разработка блока преобразования интерфейсов USB порта в па-
;
- разработка программной связи блока преобразования интерфейсов с операционной системой и TRACE MODE;
- разработка проекта (алгоритма работы и программы) управления ШД в системе TRACE MODE (использование различных способов коммутации фаз, индикация включенных фаз, отработка заданного цикла работы);
- разработка аппаратной части для подключения датчиков тока в цепь фаз ШД и к USB порту через модуль ввода-вывода ADA;
- использование программных средств LabView для отображения
;
- разработка методических указаний для выполнения лабораторных работ;
- проведение исследований на лабораторном стенде и анализ результатов.
-
на на рис. 1. Оператор компьютера программирует SCADA систему и имеет возможность контролировать и изменять ее работу в режиме online. После задания типа порта, через который SCADA система управ-
ляет ШД, управление передается соответствующей программе. При работе через USB порт сигнал преобразовывается в параллельный код блоком преобразования сигналов USB-LPT. Сигнал в параллельном коде через блок гальванической развязки и силовые коммутаторы формирует напряжение на обмотках ШД. Нагрузка ШД осуществляется с помощью шкива, лески и пружин, упругая сила которых может изменяться, что изменяет коэффициент трения лески со шкивом. Статический момент сопротивления ШД измеряется с помощью двух динамометров. Сигналы токов в обмотках ШД через датчики и блок ADA отображаются в
Оператор ПК
_f
Управление ШД через LPT порт
1
LPT порт
Рис. 1. Электрическая структурная схема лабораторного стенда.
К двум портам USB и LPT (при наличии в компьютере), соответственно, подключается блок превращения интерфейсов USB-параллельный интерфейс, гальваническая развязка и модуль ввода-вывода ADA-1406, который подключается к датчикам тока в обмотках ШД. Задается управление ШД от компьютера или от схемы на логических элементах, которая имеется в стенде. Статорные обмотки управления ШД получают питание от силовых коммутаторов.
В лабораторном стенде используется многостаторный (два статора) ШД с переменным магнитным сопротивлением (реактивный ротор зубчатой формы).
Программное обеспечение при работе с каждым портом состоит из программы-оболочки и программы-драйверов. Программа-оболочка предназначена для создания интерфейса удобного при использован™ человеком, она выполнена в SCADA системе TRACE MODE [7]. Программа-драйверов предназначена для обработки команд, которые будут поступать от программы-оболочки и для выдачи команд в LPT и
USB порты. Первичная программа работы с LPT портом была пере-
.
юграмме LabView.
Для управления ШД через LPT порт разработана собственная программная оболочка, меню которой включает 4 готовых проекта, из них три (рабочие) для корректировки студентами и один демонстрационный. Первый проект - для знакомства с работой ШД (рис. 2). Он позволяет запускать двигатель с разными алгоритмами коммутации фаз с фиксированной угловой скоростью, осуществлять торможение и обес-точивание обмоток и ручное управление их коммутацией. Переход к меню, или другому проекту происходят с помощью навигационных кнопок в нижнем левом углу. Второй проект - для изучения характеристик двигателя на разных скоростях и при торможении. Третий проект, в котором решаются пять разных заданий, предназначен для проверки самостоятельной работы студентов. Демонстрационный проект включает в себя 4 демонстрационных режимы. Реализована возможность ручного управления коммутацией фаз ШД и работа его по разным алгоритмам коммутации. Первая демонстрационная программа отрабатывает разгон, движение с постоянной скоростью и остановку. Вторая - отрабатывает цикл работы ШД, которая включает поочередное задание разных скоростей с разным переключением фаз, реверс и паузы. Третья и четвертая программы имеют идентичные циклы, но третья отрабатывает цикл сразу, а четвертая - начинает отрабатывать цикл в заданное программой системное время. Это может быть использовано в проектах с синхронизацией цикла.
УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПРОЕКТ 1: Ознакомление с работой шагового двигателя.
I 1-12-2-23-3-34-4-45-5-55-6-61
Обесточить обмотк!
2-123-23-234-34-345-45-45S С
Рис. 2. Изображение экрана для проекта знакомства с работой ШД, подключенного через LPT порт
Для подключения ШД к компьютеру через USB порт использован преобразователь интерфейсов - "USB-параллельный код", а именно модуль UM245R USB-Parallel FIFO, фирмы FTDI. Разработанное устройство состоит из модуля UM245R, индикаторов-светодиодов и разъема для подключения блока гальванической развязки. Для организации взаимодействия модуля UM245R с программами пользователя можно использовать два типа драйверов: VCP (VIRTUAL СОМ PORT), который позволяет работать с устройством как с виртуальным СОМ портом; D2XX (USB Drivers+DLL S/W Interface) - USB драйвер и файл ftd2xx.dll, который содержит набор функций, которые экспортируются, и используется для написания программ на любом языке программирования. В программных пакетах LabView и TRACE MODE возможно использование этих функций, для этого к проекту подключается файл ftd2xx.dll и указанные функции.
Программа управления в среде TRACE MODE реализована на языке программирования ST. Для удобства выполнения исследований на стенде разработан графический интерфейс программы управления через USB порт. Этот интерфейс состоит из экранов. Первый экран имеет кнопки: выбора порядка чередования фаз при реверсе, включение одной из шести фаз, "Стоп", "Обесточить обмотки", "Частота вращения", "Закрыть", "Экран №2" - для перехода на второй экран. Элементы индикации (одинаковые в экранах 1 и 2): текстовые окна для вывода ошибки, шесть графических объектов "Эллипс" (индикаторы включенных фаз). На втором экране кнопки позволяют вводить время разгона, время работы, время торможения, выбирать направление вращения, выбирать первый экран. Связь экранов и программ осуществляется через каналы, которые соединяют аргументы программ и экранов между собой. Кнопки, текстовые поля и другие графические элементы привязываются к соответствующему аргументу.
В методических указаниях к лабораторным работам раскрыты теоретические сведения относительно ШД; отражены их основные достоинства и недостатки, отмечены пути совершенствования разнообразных систем с использованием ШД; представлены теоретические сведения относительно SCADA системы; описано подключение ШД через LPT порт и управление им с использованием скриптов, описан модуль преобразования интерфейсов для подключения стенда к компьютеру через USB интерфейс, а также использование модуля ввода-вывода ADA-1406 и программы LabView для отображения и хранения результатов, приведены программа управления ШД в TRACE MODE и программа исследования для получения диаграмм токов в обмотках управления ШД. Самостоятельно студенты реализуют в TRACE MODE алгоритмы отработки цикла работы ШД и исследуют свойства
дискретного привода. Для регистрации переходных процессов тока в одной из фаз ШД использован блок датчиков тока, разработанный в Кременчугском национальном университете [8]. На выходе датчика формируется сигнал с напряжением в диапазоне от 0 до 5 В, который поступает на вход аналого-цифрового преобразователя модуля ввода-вывода ADA-1406. В модуле есть буфер данных, который обеспечивает непрерывный цикл сбора данных при кратковременном прекращении приема данных операционной системой.
Ниже приведены фрагменты результатов, полученные студентами
на лабораторном стенде. Временные диаграммы токов в обмотке ШД
-
ния двигателя 25 об/мин и 50 об/мин. приведены на (рис. 3).
Рис. 3. Графика токов в обмотке ШДпри групповой несимметричной коммутации фаз: а - частота вращения ротора 25 об/мин: б - частота вращение ротора 50 об/мин.
Получены зависимости частоты приемистости ШД от нагрузки в режиме пуска для одиночной "1-2-3-4-5-6-1-" (рис. 4, а) и групповой несимметричной "1-1,2-2-2,3-" коммутаций фаз (рис. 4, б). По этим графиком студенты могут прослеживать эффект уменьшения частота приемистости с увеличением нагрузки.
Рис. 4. Зависимости частоты приемистости ШДот нагрузки в режиме пуска: а - одиночная коммутация фаз: б - групповая несиммет ричная коммутация фаз.
Разработанный лабораторный стенд компьютерного управления ШД от системы TRACE MODE позволяет управлять ШД от компьюте-
pa через LPT и USB порты с разными алгоритмами коммутации фаз. Использование датчиков тока, блока гальванической развязки, блока ввода-вывода ADA, программы Lab View позволяет на экране монитора наблюдать в реальном времени временные диаграммы токов ШД. Проведение лабораторных работ на стенде по разработанной методике позволяет усовершенствовать учебный процесс изучения студентами, как SCADA систем управления, так и свойств ШД.
Лабораторный стенд с манипулятором М10П
Модернизируется лабораторный стенд для изучения современных компьютерных систем автоматизации и электропривода промышленного робота-манипулятора (дальше манипулятора) М10П [9]. Такими манипуляторами были оснащены большинство кафедр электропривода и подъемно-транспортных машин в СССР. Штатно манипулятор М10П укомплектован системой числового программного управления "Контур 1", которая сложная, морально и физически устарелая, что часто
.
Цель модернизации стенда - повышение качества учебного процесса в части получения профессиональных знаний и навыков работы
на современном оборудовании ведущих фирм, в частности VIPA,
-
мах автоматизации) студентов специальности электромеханические
.
Помощь в приобретении электротехнического оборудования (смотри табл. 1), и консультации при его подключении и настройке предоставлены фирмой ООО "ДП СВ Альтера-Запорожья" (главный офис в Киеве, директор Ткаченко В.В., Запорожское отделение - директор Дужий Ю.М). Для обеспечения управления манипулятором
-
.
Таблица 1
Перечень оборудования для модернизации._
Модуль Тип Штук
Блок питания Vipa 307-1EA00 1
Процессор Vipa 314-6CF02 1
Дискретные входы DI 16 x 24 V Vipa 321-1BH01 2
Дискретные выходы D016 DC 24V 1A Vipa 322-1BH01 1
Фронтальный штекер 20 полюсов Vipa 392-1AJ00 3
Фронтальный штекер 40 полюсов Vipa 392-1AM00 1
Фронтальная DIN рельс 482 mm Vipa 390-1AE80 1
Енкодер Autonics (1000 импульсов на оборот) E40S8-200-3-T-24 3
Модернизация манипулятора заключалась в следующем: замена устаревшей системы управления "Контур 1" на контролеры VIPA, подключения компьютера для программирования контролеров и визуализации, установления энкодеров вместо индуктосинов, для которых необходимы дополнительные блоки питания и оцифровки сигналов, разработка и изготовление нового пульта оператора, разработка программы управления. Собственно проектирование модернизованного стенда выполнено студентами.
Манипулятор М10П (рис. 5) предназначен для обслуживания металлорежущих станков, в частности, для автоматической загрузки-
граммным управлением. Особенностью этого манипулятора является
движение его рабочего органа в
.
Конструкцией обеспечивается позиционирования рабочего органа по шести координатным осям. Перемещение по трем координатам
-
-
го тока "КЕМЕК" с использованием коммутатора. Операции вращения, сжатия, движение руки вперед назад реализуются пневмоприво-.
После модернизации система
-
печивает простую и удобную его
-
нирования. Работа системы управ-
мах: ручной режим без контролера; .
Автоматический режим может реализовываться:
-от контролера VIPA;
-от контролера VIPA и SCAD А системы TRACE MODE;
-от контролера VIPA и SCADA системы SIMATIC STEP 7.
В автоматическом режиме система управления, соответственно заранее написанной программе, полностью отрабатывает заданный технологический цикл, при этом вычисляются интервалы перемеще-
.
В процессе модернизации разработана принципиальная электри-
Рис. 5. Общий вид манипулятора Ml ОП.
ческая схема системы управления, в которой предвидена возможность разных способов управления оборудованием от разных источников питания при разных режимах работы. Схематическое решено задания идентификации готовности привода, сброс ошибки привода, подключение конечных и путевых выключателей, реализация возможности съезда с конечного выключателя. Реализовано подключение инкре-ментных энкодеров Autonics E40S8-1000-3-T-24, и элементов коммутатора из трех реле серии РЭП 11 для последовательного подключения двигателей с соответствующими тахогенераторами к приводу, и пяти реле серии РП - для схем логики.
Разработано программное обеспечение лабораторного стенда манипулятора М10П на базе оборудования фирмы VIPA. Для этого
-
ния: структура системы управления Simatic S7-300, набор функций, который поддерживает контролер, система ввода-вывода информации, встроенный интерфейс Ethernet. Проанализированы способы позиционирования рабочего органа манипулятора, функции для позиционирования с помощью аналоговых входов, функций абсолютно-пошагового перемещения. Разработан алгоритм управления манипулятором М10П и программа его управления на языках среды Step7. Выполнен запуск оборудования, его наладка и проверка работы. Для ручного задания разных режимов разработан пульт оператора (рис.6).
КХБ-211 и АО 16 -1603 сигнализирует состояние работы каждого из .
На манипуляторе установлены такие датчики и исполнительные органы, штук:
- датчики положения при движении по осям X, В, Ъ - всего 12,
- датчики положения пневматических механизмов -11,
- электромагнитные клапана пнемомеханизмов - 6.
Измерение перемещений в трех направлениях проводится с помощью инкрементных энкодеров, которые установлены на валы двигателей. Для установления энкодеров разработаны переходники (рис.7). Внутренний вид переоборудованного шкафа системы управле-
Рис. 6. Пульт оператора.
-
давленные тумблеры "Ас-ко1322", ТВ1-2, кнопки серии ХВ2, светодиоды, лампочки, потенциометр ППБ-ЗА для задания скорости двигателя, кнопка
.
Сигнальная индикация в виде соответствующих светодиодов
ния "Контур 1" приведен на рис. 8.
Рис. 7. Подсоединение энкодера Рис. 8 - Внутренний вид
к двигателю. переоборудующего шкафа
"Контур 1".
Определены основные направления обучения студентов современным системам автоматизации на модернизированном лабораторном стенде манипулятора М10П:
- изучения модульного программируемого контроллера SPEED7-300 фирмы VIPA, предназначенного для построения систем автомати-заций малой и средней степени сложности, а именно системы ввода-вывода информации, принципиальные схемы подсоединения к технологическому объекту и внутреннее строение контроллера;
- применение пакета для программирования контроллера STEP 7,
-
граммирования, структуры пакета и его возможностей;
- знакомство со SCADA системами и алгоритмами реализации систем управления, практическое использование SCADA систем;
- проработка принципиальных схем подключения исполнительных органов, кинематических схем манипулятора, электрической схемы коммутатора, схемы подключения датчиков и исполнительных органов;
- ознакомление с принципом соединения компьютера с программированным контроллером SPEED7-300 по протоколу Ethernet;
- ознакомление с комплектным электроприводом "КЕМЕК", предназначенным для перемещения руки манипулятора последовательно по трем координатам, при этом изучение структурных, функциональных, принципиальных схем, схем подсоединения электропривода к
контроллеру, пульту оператора и коммутатору.
В перспективе наличие современного контроллера и компьютера
дает возможность повышения точности позиционирования, добавле-
-
-
.
В ходе экспериментальной проверки работы стенда доказанная целесообразность выполненной модернизации для улучшения качества подготовки студентов, и возможность дальнейшего усовершенствования системы управления манипулятора.
Лабораторный практикум по изучению автоматизированных систем дозирования
Развитие приведенных в [10] подходов и методов преподавания
-
вершенствованию лабораторного практикума, изменению его концепции в соответствии с растущими требованиями, особенно при изуче-
.
-
вого дозирования жидких красителей [11].
Внешне система управления представлена следующим образом:
реальные средства автоматизации, расположенные на стенде; про-
метрирования частотных преобразователей, схемы электрические принципиальные, отражающие связь элементов стенда с технологической линией и между собой; визуализация технологического процесса.
-
дит так: все физические входы и выходы стендового оборудования, соединены с платой коммутатора (рис. 9, где CPU - микроконтроллер, Shift reg. - сдвиговый регистр, EI, AI, DI -нормализаторы входных сигналов, USB -блок интерфейса, АО, DO - усилители выходных сигналов); в специальном файле Excel в соответствии с указанными необходимыми связями между оборудованием и объектом управления формируется пакет данных, который затем через последовательный
интерфейс передается в плату коммутатора; обмен информацией меж-
альным программным блоком, который показан на рис. 10; внутренние координаты модели определяют положение, форму, размер и цвет эле.
El
Al
l Г
CPU
USB H AO --
DI
\ \
Shift rug. .... j
«... Shift rcg. «<: |
\ \
1-1 DO
se _ц
S _8,
Analog Outputs POO PO 1 PO 2 PO 3 PO 4 PO 5 PO 6 PO 7
Commutator
Encoders Analog Inputs DIG DJ 1 Dl 2 DJ 3 Dl 4 Dl 5
§ S
Рис. 9. Аппаратная часть коммутатора.
Рис. 10. Программный блок коммутатора.
Коммутатор, который реализован на базе микроконтроллера ADuC812 фирмы Analog Devices имеет следующие технические характеристики:
- цифровые входы - 48;
- цифровые выходы - 64;
- аналоговые входы - 8;
- аналоговые выходы - 4;
- входы для энкодеров -2.
Уровень напряжения цифровых сигналов (в том числе сигналов энкодеров) составляет 24 В, диапазон изменения напряжения аналоговых входов - 0-10 В, аналоговых выходов - 2-10 В.
Опрос и выдача цифровых сигналов осуществляется с периодом около 0,1 с. Обмен информацией между коммутатором и моделью в зависимости от вычислительной мощности компьютера выполняется 2-5 раз в секунду.
Перед началом выполнения лабораторной работы запускается модель объекта управления; согласно модели налаживается коммутатор;
-
ние. Студент, наблюдая и анализируя поведение системы управления,
путем изменения программы контроллера и параметров частотных
-
гической линии в соответствии с заданием.
На рис. 11 представлен общий вид виртуальной технологической линии многокомпонентного весового дозирования жидких красителей, где обозначено: 1 - расходная емкость, 2 - управляемый клапан подачи исходного компонента, 3 - подвижная весоизмерительная емкость с индикацией количества набранной смеси, 4 - датчики положения весоизмерительной емкости, 5 - управляемый клапан слива полученной смеси красителей, 6 - ленточный транспортер для отправки готовой продукции, 7 - световой датчик наличия тары на позиции заполнения .
Рис. 11. Визуализация технологического процесса.
Задачи лабораторного практикума усложняются по мере приближения к его цели - полностью автоматического управления технологической линией с целью приготовления смеси красителей по задан.
Первая задача - инициированное внешним сигналом (например нажатием кнопки) перемещение тары, находящейся на ленточном транспортере и остановка по сигналу светового датчика (рис.11, п.7). При решении этой задачи изучаются функциональные возможности интеллектуального реле LOGO! фирмы SIEMENS [10] и приобретают.
Вторая задача - позиционирование весоизмерительной емкости в заданном положении сигналов датчиков (рис.11., п.4). В этом случае изучаются контроллер S7-200 и частотный преобразователь
Micromaster 440 [10], кроме того приобретаются навыки распределение
-
.
Третья задача - дозирование заданного количества исходного
компонента. Изучается частотный преобразователь Sinamics G110 [10],
-
вания скорости набора компонента. Приобретаются начальные понятия о процессе дозирования, в частности сочетание его быстродействия и точности путем реализации режимов "грубого" и "точного" набора.
Четвертая задача - объединение отдельных процессов перемещения транспортера, позиционирования весоизмерительной емкости и
-
товления смеси с заданным соотношением исходных компонентов. На этом этапе закрепляются полученные ранее знания, навыки и умения, кроме этого приобретаются навыки практической наладки достаточно сложных систем управления на базе современных средств автоматизации технологических процессов.
Итак, лабораторный практикум на основе предложенных подходов и методов преподавания прикладных дисциплин, благодаря одно-
-
ных задач позиционирования и дозирования, позволяет подготовить
высококвалифицированного специалиста, способного на современном
-
.
Лабораторный стенд дистанционного управления и контроля параметров электропривода LENZE
Использование новых информационных технологий позволяет во
-
са. В настоящее время трудно представить полноценную подготовку специалиста по инженерным специальностям без его ознакомления с реальными приборами и оборудованием а так же получения навыков работы с ими. Знание современных технологий открывает перед студентами широкие возможности не только в области науки, но и в дру-.
В [12] рассмотрен универсальный стенд для подготовки специалистов на основе элементной базы фирмы SIEMENS. Имеется возможность значительно расширить применение подобных стендов за счет использования технологии виртуальных приборов (ВП), популярность которых всего за несколько лет резко возросла. Технология ВП находится в постоянном развитии как за счет изменений, происходящих в компьютерной технологии, так и за счет развития контрольно-
измерительного оборудования. Используя ВП, всего за несколько ми-
мерительный прибор с отличными параметрами. ВП позволяют создавать гибкие и легко адаптируемые к новым условиям системы, которые как в настоящем, так и в будущем будут соответствовать требованиям надежности, точности и производительности.
Однако, в существующей учебной и научно-технической литера-
-
.
Разработанный стенд [13] состоит из серверной части, содержащей электропривод серии 8200 Vector фирмы LENZE с использованием технологии ВП фирмы National Instruments, подключенный через интерфейс RS-232 к системному блоку компьютера, а также клиентской части, которая может быть установлена на любом компьютере, включенном в сеть (рис. 12 - общий вид стенда; рис. 13 - структура стенда).
Рис. 12. Лабораторный стенд на основе электропривода LENZE.
Программная часть измерительной системы содержит набор ВП, обеспечивающих измерение основных характеристик исследуемого объекта. Виртуальные инструменты представляют набор программных средств, который позволяет использовать компьютер как специализированный электронный прибор. Графический интерфейс ВП имитирует передние панели реальных приборов. С помощью "мыши" можно имитировать воздействия на "органы управления" - кнопки, переключатели, регуляторы, "нарисованные" на экране монитора в виде передней панели имитируемого прибора. Набор виртуальных инструментов, образующих подсистему измерения, определяется характером измеряемых параметров. Система включает следующие приборы: тахометр; многоканальный осциллограф; построитель частотных характеристик; цифровой вольтметр.
Рис.13. Структура лабораторного стенда.
Передняя панель виртуальных инструментов показана на рис. 14. Рабочим местом пользователя является компьютер с установленным специализированным программным обеспечением (ПО). Технология ВП позволяет создавать на базе компьютера измерительные приборы которые дают полную информацию о работе электропривода в реальном масштабе времени. При этом компьютер превращается в полнофункциональное рабочее место учебной лаборатории, оснащенное
.
-
ном компьютере (клиентской части) возможно наблюдать за работой электропривода в реальном масштабе времени через WEB камеру, которая находится на стенде. Для возможности управлять электроприводом с удаленного компьютера а также контролировать его параметры работы используется протокол клиент-сервер DataSocket и TCP IP.
Подсистема измерений реализована на основе функционального модуля E82ZAFL, который связывает регуляторы привода LENZE через модуль Feldbus LenzeLECOM-A (RS-232) с СОМ-портом компьютера и далее информация передается виртуальному инструменту. Подключение WEB камеры происходит через USB порт. Необходимые переключения, а также коммутация измерительных каналов производятся путем подачи управляющих команд. Программное обеспечение серверной и клиентской частей стенда написано на языке графического программирования G в среде LabVIEW, который является чрезвычайно удобным для программирования задач ввода- вывода и обработки сигналов [14, 15].
Виртуальному инструменту LabVIEW отведена самая ответственная роль в управлении процессом. Предварительный анализ возмож-
ш
Рис. 14. Панель виртуальных инструментов стенда.
ностей LabVIEW показал, что система содержит все необходимые функции и виртуальные инструменты для быстрого и высокоэффективного построения экспериментальной системы. Кроме того, стабильность в работе и отсутствие "зависаний" виртуального инструмента позволяют LabVIEW смело доверить управление ответственным процессом. Реализованная в пакете LabVIEW концепция, по которой все программы, называемые виртуальными устройствами, имеют
фронтальную панель и структурно-алгоритмическую схему, позволя-
-
вания, в полной мере соответствует общепринятым представлениям о технических устройствах управления. Эта концепция стимулировала разработку и включение в пакет различных приборов, которые обычно размещаются на лицевых панелях, включая стрелочные приборы, цифровые индикаторы, осциллографы, кнопки, ключи, светодиоды и т.п., а также предоставление пользователю возможности редактирования
приборов и создания новых. Для описания функциональных свойств
-
мирования, простой в усвоении и удобный в работе. На рис. 15 приведена структурно-алгоритмическая схема контроля частоты вращения двигателя в среде LabVIEW.
Рис.15. Структурно-алгоритмическая схема контроля частоты вращения двигателя в среде LabVIEW.
Разработанный лабораторный стенд используется в учебном процессе в рамках локальной сети кафедры для создания автоматизированных лабораторных практикумов для специалистов по дисциплинам Компьютерные системы электроприводов, Компьютерные технологии автоматизации и особенно для дисциплин магистерской подготовки.
-
чении, когда студенты, находясь дома, через Internet могут выполнять
.
Разработанный стенд дистанционного управления и контроля параметров электропривода, основными элементами которого являются измерительно-управляющая аппаратная часть, WEB камера с применением технологии виртуальных приборов и персональный компьютер
с программной средой фирмы National Instruments, позволяет дистан-
-
ском моделировании процессов.
Лабораторный стенд исследования привода постоянного тока КТЭ-5
Стенд предназначен для изучения студентами расчета и настройки регуляторов обратной связи по току, ЭДС или скорости; исследования влияние коэффициентов обратных связей на переходные процессы в электроприводе; получение навыков настройки параметров и режимов
.
Структура лабораторный стенда представлена на рис.16, где ПК -
-
ем, А - адаптер RS-232, КТЭ - комплектный электропривод КТЭ5-АС 25/440 выпускаемый НПП «Преобразователь-комплекс» (г. Запорожье), ТН - согласующий силовой трансформатор 380/220В, ГЦ С - щит силовой, ЩУ - щит управления, ДПТ1 - двигатель постоянного тока 2ПБ112МГ, ДПТ2 - двигатель постоянного тока 2ПН100Ь, СК - силовой кабель, ОСС - обратная связь по скорости (может использоваться как тахогенератор так и инкрементный датчик).
0 0 вв| 1 о о И Ш ш&ш а а в i
СК
дт
№
о В о а
П В
D □□
i
1 Г
Рис. 16. Структурная схема лабораторного стенда.
Режим работы и параметры регуляторов возможно вводить как не посредственно с пульта управления, так и с помощью персонального компьютера подключенного через специальный адаптер (обеспечивающий гальваническую развязку) по протоколу Я8-232. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам на расстоянии до 20 м.
Система управления КТЭ позволяет выбирать обратную связь по току, ЭДС или скорости и изменять параметры ПИ регуляторов.
Программа «Link» установленная на персональном компьютере позволяет, помимо настройки параметров системы управления и режима работы, работать с КТЭ в двух режимах: осциллографа (в этом режиме имеется возможность одновременного просмотра не более двух параметров); регистратора «След» (в этом режиме имеется возможность одновременного просмотра не более 16 (ограничено программой) параметров, таких как токи, напряжения, ЭДС, углы открытия тиристоров, параметры регуляторов, частоту вращения заданную и реальную).
Использованию двух двигателей постоянного тока соединенных между собой механически, один из которых запитан от КТЭ, а второй -используется в режиме генератора постоянного тока, позволяет моделировать переменную величин} нагрузки, а также резкий наброс и сброс ее. Параметры работы ДПТ2 контролируются с помощью измерительных приборов ЩУ.
Для проведения лабораторного практикума студенты рассчитуют параметры заданной обратной связи и опробуют их на виртуальной модели, вводят их в КТЭ при помощи пульта управления или персонального компьютера, выполняют настройку режима работы, согласно выданным скоростным диаграммам, производят включение стенда в заданной последовательности и проверяют правильность коэффициентов обратной связи на холостом ходу. В дальнейшем, изменяя нагрузку согласно нагрузочной диаграмме, путем изменения сопротивления в
О.С. ш, I
0.8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 v Г) 1
1Ал Г / к Мл, \JW
/2 /
/ /
Ал- \J
1
\
\
\ Ам Wi
J /
2 4 6 8 10 12 Рис. 17. Характеристики переходных процессов, полученные с помощью программы «Link»: 1-угловая скорость; 2 - ток якоря.
работающей в режиме
генератора, регистри-
-
-
граммы «Link».
-
pa, на рис. 17 приведе-
-
ка и угловой скорости,
-
нении нагрузки. При
этом работа электро-
-
жиме, с реверсом электродвигателя.
Итак, в лабораторном практикуме на стенде с КТЭ-5 студенты закрепляют теоретическую подготовку в изучении переходных процессов электропривода постоянного тока и осваивают современные программные средства, а также овладевают навыками наладки и эксплуа-
-
дов.
Лабораторный стенд для изучения автоматизации технологических процессов мойки автотранспорта
-
ской мойки автомобилей, предназначена для изучения технологического процесса реального объекта, приобретения знания, умений и
-
ров.
Данный стенд можно отнести к автоматизированной системе научных исследований, на нем реализуются сразу два основных вида физического моделирования: техническое (действующие модели) моделирование и масштабное (или стендовое), так называемое макетирование.
-
ки необходимо управляющее устройство. Приоритет отдан в пользу контроллеров фирмы Siemens, как надежного и зарекомендовавшего в промышленности оборудования. В данном случае могут подключатся две линейки микропроцессорных контроллеров фирмы Siemens LOGO и SIMATIC S7-200, как самые простые и дешёвые, в тоже время самые распространенные, также не исключена возможность применения панелей оператора или контроллеры других фирм, которые имеются на кафедре.
Созданная модель электромеханической системы автомойки на базе конструктора фирмы Staudinger GmbH [16] значительно облегчает процесс изучения реального прототипа. Моек подобного типа сегодня
существует очень много, один из прототипов показан на рис. 18. Такая
-
го устройства и принципа работы автомойки.
Модель (рис.19), работающая в прямоугольной системе координат, позволяет воспроизводить практически любой фрагмент цикла работы автомойки во времени, используя истинные технологические параметры: скорость рабочего движения и подачу. Этот стенд может применяться так же и для практического обучения обслуживающего персонала автомоек и персонал с обслуживания, проектирования и
.
Рис. 18. Автоматическая Рис. 19. Физическая модель
мойка автотранспорта. компактной мойки
Автоматическая мойка автотранспорта производит наружную мойку легковых автомобилей и микроавтобусов в полностью автоматическом режиме по одной из выбранных программ. Запуск программы производится клиентом (режим самообслуживания) или оператором. Автомойка представляет собой П-образную конструкцию (портал), которая перемещается вдоль неподвижного автомобиля, выполняя при этом различные моечные функции (нанесение пены, мойка высоким давлением, мойка днища, мойка колесных дисков, мойка щетками с нанесением шампуня, ополаскивание и тому подобное. Портальные мойки имеют большую производительность до 10-12 автомобилей в час [17]. Они используются или на автономных специализированных мойках, или на крупных станциях технического обслуживания.
Модель (рис. 19), имитирующая автоматизированную мойку, представляет собой неподвижную платформу, на которой установлена неподвижная модель легкового автомобиля и мобильный П-образный портал, осуществляющий линейное рабочее движение вдоль большой оси кузова модели автомобиля, в прямом и обратном направлениях. На портале установлены три приводные щетки, одна горизонтальная, верхняя по отношению к кузову, и две боковых вертикальных. Все щетки имеют рабочее вращательное движение, которое осуществля-
.
Моделируемый процесс «мытья» таков, программный цикл начи-
. -
нии до максимального приближения к кузову. Изменение вертикальной координаты горизонтальной щетки при таком движении зависит от высоты и конфигурации кузова (профиля) (при горизонтальном пе-
ремещении это переменные величины). Траекторию такого движения контролируют два оптических датчика формы кузова по всему пути в прямом направлен™ до останова портала (от сигналов конечных выключателей).
-
щения портала. При этом горизонтальные щетки, как и в случае перемещения в прямом направлении, контролируются оптическими датчиками форм кузова. Когда портал достигнет первоначального крайнего положения, горизонтальные щетки перемещаются вверх до крайнего верхнего положения (контроль от сигнала с конечных выключателей). После этого щетки прекращают свое вращательное движение. Процесс «мытья» боковых поверхностей кузова вертикальными щетками идентичен в прямом и обратном направлениях.
Стенд в своем составе имеет: 5 электроприводов, два из которых реверсивные, 4 концевых выключателя, 2 оптических датчика. Для связи с промышленным контроллером имеется по 6 цифровых входов и выходов. Поскольку за основу берется оборудование фирмы Siemens, программирование осуществляется в среде Step 7. Все это позволяет разнообразить задания студентам на лабораторном практикуме, к примеру, изменить последовательность или продолжительность отдельных операций или действий, разработать зимние и летние циклы функционирования автомойки, поменять профили моделей автомоби-.
-
ских процессов мойки автотранспорта позволяет научить студентов
-
дами, так и принципам организации замкнутых систем позиционирования с оптическими датчиками расстояния, а так же использованию таймеров, циклов и прерываний на базе современных промышленных контроллеров. Все это направленно на углубление практических навыков будущих высококвалифицированного специалиста [18]. Так же
-
личных выставках и «днях открытых дверей», где в достаточной сте-
,
специальность, да и профессию Инженер в целом. Список литературы
1. Ратмиров Б.К. Шаговые двигатели для систем автоматического управления / Б.К. Ратмиров, Б.А. Ивоботенко - М. - Л.: Госенергоиздат, 1962. - 128 с.
2. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями; под редакторша. М. Г. Чиликина/ Б.А. Ивоботенко, В.П. Рубцов, J1. А Садов-
скийидр. - M.: Энергия, - 1971. - 624 с.
3. Шаговые электродвигатели / Б.К. Карпенко, В.И. Ларченко, Ю.А. Прокофьев. - К.: Техника, - 1972. - 216 с.
4. Автономные дискретные электроприводы с силовыми шаговыми двигателями / Ю.А. Сабинин, В.И. Кулешов, M. М. Шмырева. - Л.: Энергия, - 1980. - 160 с.
5. Соколов M. М. Дискретный электропривод электротермических установок / M. М. Соколов, В.П. Рубцов. - М.: Энергоатомиздат. -1986. - 120 с.
6. Авторизованные учебные центры TRACE MODE и T-Factory. http://www.adastra.ru/edu/ - электронный ресурс.
7. Подключение контроллеров к SCADA TRACE MODE по протоколу Modbus. http://www.adastra.ru/products/drivers/modbus/ - элект-
.
8. Калшов А.П. Комп'ютерний лабораторний комплекс для ви-вчення цифрових систем керування з функщею ¿м1тацп технолопчного навантаження / А.П. Калшов, О.В. Прггченко, Д.Г. Мамчур // Вюник КДПУ ím. М.Остроградського. - Кременчук : КДГТУ, 2009. - Вип. 3/2009 (56). Частина 1. - С. 8-12.
9. Модершзащя обладнанням ф1рми VIPA лабораторного стенда з машпулятором М10П / I.A. Орловський,. O.I. Крат,. Т.С. Храпаль., М.В. Сердюк // Електромехашчш i енергозбер1гаюч1 системи. - Кременчук: КрНУ, 2012. - Вип. 3/2012 (19). С. 597-599.
10. Бондаренко B.I. Сучасш тдходи i методи викладання прикла-дних дисциплш при тдготовщ фах1вщв з електромехашки: Z B.I. Бондаренко, A.B. Пирожок, В.В. Осадчий. // Вестник НТУ ХПИ. -Харьков, - 2010, -№28, - С. 588-589.
11. Бондаренко B.I. Лабораторний практикум з вивчення автома-тизованих систем керування: / B.I. Бондаренко, A.B. Пирожок,
B.В. Осадчий. - Электротехнические и компьютерные системы. Киев. -Техника, -2011. -№3,-С. 488-487.
12. Разработка универсального стенда электропривода на основе элементной базы фирмы "SIEMENS" / [Квашин В.О., НаливайкоА.М., Колесникова Г.В., Шульга A.A.]. Вестник НТУ ХПИ. - Харьков, -№30, -2008. - С. 134-136.
13. Лабораторный стенд дистанционного управления и контроля параметров электропривода LENZE / Ю.А. Крисан, И.А. Орловский, А.Е. Боровенский, М.А. Галица // Вюник Кременчуцького пол1техшч-ного ушверситету. - Кременчук. - 2009. - Вип. 3/2009 (056), част. 2-
C. 124-126.
14. Тревис Дж. Lab VIEW для всех / Джеффри Тревис/ [Пер. с англ. Н. А. Клушин]. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. - 544 с.
15. Загидуллин Р. Ш. Lab VIEW в исследованиях и разработках / Р.Ш. Загидуллин. - М.: Горячая линия - Телезапятых, 2005. - 352 с.
16. Конструктор фирмы Staudinger GmbH . http://www.staudinger-est.de/ - электронный ресурс.
17. Марков О.Д. Станции технического обслуживания автомобилей. / О.Д. Марков. - К.: Кондор, 2008. - 536 с.
18. Гладырь А.И. Учиться автоматизации / А.И. Гладырь // Пи-КАД, - №3, - 2007. С.20-23.
УДК 006.91
РАСЧЕТ СХЕМЫ ЗАЩИТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
ПРИБОРА
Ю.С. Артамонов
Магнитогорский государственный технический университет
им. 1 '.И. Носова, Россия, г. Магнитогорск
При проведен™ лабораторных работ студенты, не имея навыков электрических измерений, зачастую допускают перегрузку электроизмерительных приборов, приводящую к их порче или даже к необратимому разрушению. Особенно осторожного обращения требуют высокочувствительные микроамперметры магнито-электрической системы, тепловые приборы и приборы с термопреобразователями, имеющие малую перегрузочную способность по току. Для их защиты применяют различные схемы, в том числе шунтирование прибора полупроводниковыми диодами. Выбору параметров элементов диодной защиты с сохранением класса точности прибора посвящена эта статья.
Рассматриваемая схема изображена на рис. 1 (штриховые линии - вариант защиты прибора с термопреобразователем для измерения переменного тока). В идеальном случае, пока ток через измерительный прибор 1„ меньше тока его полного отклонения 1„.ЛШКс., ток через диод /|7) должен быть равен нулю, а при дальнейшем увеличении тока / диод должен пропускать ток 1]2)>0, шунтируя цепь прибора.
Iv
Рис. 1. Схема защиты
