Разработка учебного стенда и комплекса практических заданий для изучения ПЛК «Fatek»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ГОУ Московский Государственный Технологический Университет

«СТАНКИН»

Факультет МЕУП Кафедра компьютерных систем управления Аттестационная работа Тема: Разработка учебного стенда и комплекса практических заданий для изучения ПЛК «Fatek»

на соискание квалификации бакалавра техники и технологии по направлению 550 200 «Автоматизация и управление»

Соискатель Афанасьев А.В.

Научный руководитель, к.т.н. Козак Н.В.

Зав. кафедрой, д.т.н., проф. Мартинов Г. М.

Москва 2010

1. Анализ проблематики изучения аппаратного обеспечения и средств программирования ПЛК

1.1 Основные особенности функционирования ПЛК

1.2 Применение стандарта МЭК 61 131

1.3 Предпосылки к созданию методического пособия

1.4 Постановка задач исследования

2. Инструментальные средства построения методического процесса изучения ПЛК

2.1 Офисные приложения

2.1.1 Microsoft Office PowerPoint

2.1.2 Microsoft Office Visio

2.1.3 Microsoft Office Word

2.2 Средства хранения информации

2.3 Средства программирования ПЛК

2.3.1 Наиболее популярные среды программирования ПЛК

2.3.2 Среда программирования WinProLadder

3. Методика создания курса по изучению аппаратного обеспечения ПЛК

3.1 Формирование «базы знаний»

3.2 Выполнение этапов методики

3.2.1 Место в учебном курсе

3.2.2 Аппаратное обеспечение

3.2.3 Структура и содержание

3.2.4 Оформление

3.2.5 Проверка

3.2.6 Эволюция

3.3 Контрольные вопросы и отчетность

4. Разработка лабораторного практикума «Основы программирования логических контроллеров Fatek»

4.1 Построение учебно-демонстрационного стенда

4.2 Разработка лабораторного практикума

4.2.1 Лабораторная работа № 1 «Основы программирования ПЛК. Линейные схемы»

4.2.2 Лабораторная работа № 2 «Нелинейные схемы»

4.2.3 Лабораторная работа № 3 «Функция прерывания. Скоростной таймер и счетчик»

Выводы Список литературы

Введение

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) представляют собой микропроцессорные устройства, предназначенные для выполнения алгоритмов управления. Принцип работы ПЛК заключается в сборе и обработке данных по прикладной программе пользователя с выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства.

ПЛК (PLC — Programmable Logic Controller) были разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах: реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Использование ПЛК позволяет заменить одним устройством любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики, что увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и другими устройствами.

ПЛК не имеет ни дисплея, ни клавиатуры, ни средств интерфейса. На предприятиях контроллеры размещаются в специальных ящиках-шкафах вблизи от объекта управления. Сервис и программирование контроллеров производится через специальные системы на базе ПК, снабженных необходимым программным обеспечением и платами интерфейса. Во время руководства технологическими операциями контроллер взаимодействует с рабочими местами. Системы исполнения и датчики подсоединяются к ПЛК.

ПЛК может быть снабжен дополнительными модулями памяти с объемом, необходимым для выполнения конкретной задачи. Современные контроллеры обладают несколькими аналоговыми входами основных модулей. Новейшие контроллеры обеспечены быстродействующими счетчиками, установленными в основных модулях. Контроллер позволяет устранять поломки и проводить диагностику в удаленном режиме. Кроме того, контроллер можно дополнять новейшими опциями. Для этого нужно всего лишь снабдить контроллеры специализированными интеллектуальными модулями, которые способны автономно отрабатывать заданные функции, например, модули управления сервоприводом.

Аппаратно ПЛК является вычислительной машиной. Поэтому архитектура его процессорного ядра практически не отличается от архитектуры компьютера. Отличия заключены в составе периферийного оборудования: отсутствуют видео-плата, средства ручного ввода и дисковая подсистема. Вместо них ПЛК имеет блоки входов и выходов. Следует отметить, что некоторые фирмы-производители снабжают свои ПЛК устройствами ввода и вывода информации в него. Такие устройства называются программаторами. В частности, фирма Fatek производит несколько моделей программаторов, работающих через простой интерфейс человек-машина (ИЧМ). К основным функциям таких устройств относятся следующие — Для этого нужно всего лишь снабдить контроллеры очередными базовыми модулями; настройка параметров функций ПЛК; беспроводное считывание карт и функция дисплея сообщения и др.

Автоматизация производства в современных условиях позволяет сильно снижать издержки производства товаров. Особенно актуальным это становится в условиях мирового финансового кризиса, когда средства потребителей продукции существенно ограничены.

На сегодняшний день ни один процесс автоматизации невозможно представить без ПЛК, поскольку они предназначены для выполнения широкого спектра технологических задач в различных производственных условиях. Большое разнообразие вариантов использования ПЛК, а также практически безграничные возможности компаний-производителей контроллеров заставляют их выпускать ПЛК самого разного назначения. Именно функциональное разнообразие, а также возможность получения дополнительных необходимых опций привело к практически полному переходу систем автоматизации на базу ПЛК.

В распределенных системах каждый ПЛК решает локальную задачу Задача синхронизации управления выполняется компьютерами среднего звена АСУ. Распределенные системы выигрывают по надежности, гибкости монтажа и простоте обслуживания.

На Рис. 1 представлена типовая иерархическая структура распределенной системы управления.

Рис. 1. Иерархическая структура распределенной системы управления

Традиционная область применения ПЛК — нижний уровень автоматизированных систем управления (АСУ) предприятия — систем, непосредственно связанных с технологией производства.

Одно из основных преимуществ ПЛК — средства системной интеграции являются составной частью базового программного обеспечения (ПО) ПЛК (Рис. 2). Благодаря OPC-серверу, входящему в комплекс программирования ПЛК, связь с системой диспетчерского управления, базой данных (БД) и интернет-сервером устанавливается практически таким же способом, как и при настройке общедоступных устройств локальной сети ПК.

Рис. 2. Место ПЛК в АСУ ТП

Главным требованием к ПЛК всегда была и остается возможность его эксплуатации существующим техническим персоналом и возможность быстрой замены старого оборудования. Именно поэтому языки программирования ПК и встраиваемых микропроцессорных систем управления не подходят для программирования ПЛК.

Также следует отметить, что человек, изучающий или работающий непосредственно за ПЛК должен обладать достаточными знаниями об электрических цепях, принципах программирования, принципах функционирования периферийного оборудования, а также особенностях работы исполнительных устройств.

При проектировании программ управления ПЛК инженер (студент) также должен уметь работать в средах программирования (MS Visual Studio) и программах для работы с электрическими схемами (MicroSim, MultiSim).

Сложные программы управления для ПЛК должны писать только специалисты данной предметной области, поскольку для таких задач очень важно, чтобы управляющая программа была понятна техническому персоналу, который осуществляет настройку, сопровождение и ремонт оборудования. Обслуживающий персонал не должен досконально изучать программу и знать каждую ее особенность, однако должен в общих чертах представлять что происходит.

Для того, чтобы человек стал квалифицированным специалистом в области программирования ПЛК, он должен пройти обучение по данной области, причем учебный курс должен включать стандарт МЭК 61 131. После этого он сможет работать с ПЛК любой фирмы.

Если же человек уже имел опыт работы с любыми ПЛК, то полученный опыт окажется полезным и заметно упростит изучение последних инноваций.

1. Анализ проблематики изучения аппаратного обеспечения и средств программирования ПЛК

1.1 Основные особенности функционирования ПЛК

Аппаратно ПЛК является вычислительной машиной, поэтому архитектура его процессорного ядра практически не отличается от архитектуры персонального компьютера. Отличия заключена в составе периферийного оборудования — отсутствуют видеоплата, средства ручного ввода и дисковая подсистема.

Изучение принципов работы ПЛК тесно связано с применение полученных теоретических знаниях на практике. Изучение теоретических основ работы ПЛК даст только общее представление о принципе их функционирования, решение же прикладных и элементарных задач позволит полностью понять изучаемый тип контроллеров и сопровождающее его программное обеспечение (ПО).

Разнообразие производителей ПЛК имеет как свои достоинства, так и недостатки. Достоинства заключаются в конкурентной борьбе за потребителя, что приводит к снижению стоимости ПЛК с одновременным ростом их функциональности и удовлетворению практически любых запросов заказчика, т. е. решению практически любой технологической задачи.

Недостатком же является то, что большинство контроллеров имеют закрытую структуру, т. е. программируются только ПО от производителя. Переход с контроллеров одного производителя на контроллеры другого влечет не только переналадку АСУ, но и освоение среды разработки для вновь приобретенных ПЛК.

1.2 Применение стандарта МЭК 61 131

В 1979 году в рамках Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) была создана специальная группа технических экспертов по проблемам ПЛК, включая аппаратные средства, монтаж, тестирование, документацию и связь.

В настоящее время стандарт разделен на восемь частей, среди которых такие, как общая информация, языки программирования, руководства пользователя и др. В данном случае работа ведется с разделом «языки программирования».

Стандарт объединил в себя пять наиболее популярных языков программирования ПЛК (SFC, IL, ST, LD и FBD). Данное объединение позволяет переносить программы, написанные на других языках программирования, в среду МЭК с минимальными преобразованиями. Полная переносимость программа не обеспечивается, требуется некоторая адаптация и отладка, однако, они несравненно меньше, чем написание программы с нуля.

После принятия стандарта появилась возможность создания программно-независимых библиотек, которые описывают регуляторы, модули управления сервоприводами, фильтры и т. д. Постоянно появляются все более новые и совершенные библиотеки, наиболее отработанные и успешные из которых становятся коммерческими продуктами.

1.3 Предпосылки к созданию методического пособия

Создание стандарта для программирования ПЛК объединило в одну группу наиболее популярные и эффективные языки разработки программ для ПКЛ, однако, такого же нельзя сказать про обучающие пособия и лабораторные практикумы, которые существуют в настоящее время. Большинство из них написано в произвольном порядке без выдержки какого-либо единого стиля обучения слушателей.

Создание данного методического пособия позволит большинству разработчиков учебных пособий придерживаться общих правил при составлении учебных материалов, а также систематизировать и значительно ускорить разработку таких материалов.

По сути, создается некоторый шаблон, использую который, преподаватели или студенты старших курсов могут составлять учебные курсы, причем не только для ПЛК, но и для другой, схожей техники.

1.4 Постановка задач исследования

Целью работы ставится разработка рекомендаций по созданию учебного стенда и методических пособий для проведения курса лабораторных работ на базе аппаратного обеспечения программируемых логических контроллеров (ПЛК) Fatek.

Основные задачи:

· Анализ существующих лабораторных курсов в различных предметных областях;

· Формализация процесса создания материально-технической базы при построении учебно-демонстрационных стендов;

· Формирование базового набора требований к оформлению методических пособий и отчетов для лабораторных работ;

· Применение разработанных рекомендаций для создания учебно-демонстрационных стенда на базе контроллеров Fatek и методических указаний лабораторного практикума.

2. Инструментальные средства построения методического процесса изучения ПЛК

2.1 Офисные приложения

2.1.1 Microsoft Office PowerPoint

Существует надежный способ эффективно и, вместе с тем, просто и наглядно донести свои идеи или разработки до любой аудитории. Необходимо создать выразительную презентацию, выполненную с применением современных технологий, а затем продемонстрировать ее на публичном выступлении. На сегодняшний день приложение PowerPoint 2003 является лучшим программным средством, позволяющим создавать грамотные, впечатляющие презентации. Принимая во внимание тот факт, что PowerPoint 2003 является частью пакета Microsoft Office 2003, можно с уверенностью сказать, что любой пользователь, знакомый либо с программой Word, либо с программой Excel, сможет просто интуитивно в той или иной степени освоить основные элементы программы PowerPoint, поскольку в ее интерфейсе используются меню и панели инструментов, оформленные с Word и Excel в едином стиле.

PowerPoint 2003 содержит средства и инструменты для создания слайдовых презентаций любого назначения — деловых, научных, рекламных, и любой профессиональной направленности — бизнес-презентаций, презентаций для научных конференций, презентаций, которые будут демонстрироваться в режиме «нон-стоп» на стендах выставок, и любых других типов презентаций.

Созданные презентации можно демонстрировать на экране компьютера или с использованием проектора, а также публиковать презентации в Web — PowerPoint позволяет делать это в нескольких режимах. Данная особенность очень актуальная в последнее время, так как в наши дни активно развивается система дистанционного образования.

Приложение PowerPoint также позволяет создавать видео-презентации, являющиеся своеобразным гибридом обычной слайдовой презентации и видеоролика. Создаются видео-презентации с помощью программы Microsoft Producer, являющейся логическим дополнением PowerPoint.

2.1.2 Microsoft Office Visio

Microsoft Office Visio 2003 используется для построения схем и диаграмм различного типа, а также наглядного представления бизнес-процессов. Программа ориентирована на широкий круг пользователей и позволяет повысить эффективность работы как организации в целом, так и отдельных разработчиков.

MS Visio 2003 предназначена для создания деловых и технических диаграмм, для лучшего понимания и организации сложных процессов и систем. В ней в полной мере, благодаря большому набору готовых фигур готовых фигур Microsoft SmartShapes, реализована технология разработки Drag-and-drop. Эта технология позволяет быстро проектировать блок-схемы и диаграммы путем перетаскивания объектов в рабочую область программы (Рис. 3). Стоит отметить, что данная технология в современных операционных системах получила широкое применение и является одним из главных способов взаимодействия с компьютером в графическом интерфейсе пользователя (GUI).

Богатая коллекция готовых фигур Microsoft SmartShapes, а также удобные возможности для их поиска как на компьютере, так и в интернете, существенно упрощают процесс построения блок-схем и диаграмм.

Visio 2003 использует ориентированную на различную профессиональную тематику средства для создания технических блок-схем и диаграмм:

· Timeline

Диаграмма этапов выполнения проекта служит для создания горизонтальной и вертикальной шкал времени для отражения основных этапов и интервалов жизненного цикла проекта или процесса. Интервалы на шкале времени могут указываться в годах, кварталах, месяцах и т. п.

· Electrical Engineering

Усовершенствованные формы Electrical Engineering (EE) в выпуске Visio Professional 2003 упрощают создание диаграмм и предоставляют поддержку стандарта международных символов электрических схем.

· Mechanical engineering

Visio 2003 предлагает два шаблона для технического проектирования: диаграмма Fluid Power и диаграмма Part & Assembly. ДиаграммаFluid Power применяется при разработке гидравлических и пневматических систем с использованием механических и электронных элементов управления. Диаграмма Part & Assembly поддерживает создание специальных геометрических фигур, используемых в технических чертежах, с помощью точных геометрических элементов с возможностью проставления размеров и комментариями, предоставляя все необходимое для реализации решения.

· Software

Visio 2003 поддерживает небольшое количество диаграмм Software, включая универсальный язык моделирования (UML). UML — это система обозначений для представления основных понятий, процессов, взаимодействий и связей. Единое представление для обмена идеями на основе поставленных задач и программных возможностей позволяет обеспечить свободное взаимодействие при разработке программного обеспечения.

Также можно отметить следующие важные особенности MS Visio 2003:

· Интеграция данных путем их извлечения из диаграмм Visio и импорта в приложения в формате Microsoft Office Access 2003, Microsoft Office Excel 2003, Microsoft Office Word 2003, XML и другие. Включение Visio 2003 в мощные программные продукты на базе Microsoft.NET для удовлетворения конкретных задач.

· Создание наглядных диаграмм для их представления аудитории;

· Режим исправления позволяет отслеживать комментарии, изменения форм и рукописные примечания;

· Публикация и совместная работа с диаграммами, используя возможность их сохранения в виде веб-страницы.

Рис. 3. Окно программы MS Office Visio 2003

2.1.3 Microsoft Office Word

Текстовый редактор Microsoft Word 2003 представляет собой интегрированную среду для создания и редактирования документов сложной структуры. Он обеспечивает ввод, редактирование и форматирование текста, вставку диаграмм, таблиц и рисунков, обмен данными с другими приложениями Windows, например Excel, Access, Power Point, работу с гипертекстовыми документами, просмотр Web-страниц и размещение документов на Web-страницах, подготовку писем и их рассылку по электронной почте. Наличие средств форматирования текста, вставки фотографий и рисунков позволяет использовать Word 2003 как малую издательскую систему. Внешний вид редактора представлен на Рис. 4.

По умолчанию в окне редактора Word присутствуют две панели инструментов: Стандартная и Форматирование. Стандартная панель инструментов содержит кнопки, дублирующие основные команды главного меню. Панель инструментов форматирования содержит кнопки для форматирования текста и абзацев.

Имеется четыре режима редактирования:

· общий;

· Web-документа;

· разметки страниц;

· структуры документа.

Обычный режим используется для ввода и редактирования текста. Стили, колонтитулы, рисунки и колонки в этом режиме не отображаются. Однако, в этом режиме отображаются линии разрыва страниц и разделов.

Режим Web-документа позволяет просматривать Web-страницы. В этом режиме кнопки режимов просмотра документа не отображаются.

Режим разметки страниц позволяет отобразить все элементы форматирования и все объекты, внедряемые в документ. В этом режиме все элементы отображаются так, как будут выглядеть при печати. Поэтому этот режим можно считать основным режимом для ввода и редактирования текста.

Режим структуры позволяет создать структуру документа. В этом режиме можно просматривать структуру документа, менять уровень просмотра, перемещать целые разделы путем перетаскивания заголовков, изменять уровень заголовков. Управлять выбором режимом просмотра документов можно с помощью команд меню Вид или кнопок выбора режима просмотра.

Редактор поддерживает создание оглавление, которое является неотъемлемой частью большинства текстовых документов. Вставка оглавления предельно упрощена. Для вставки оглавления необходимо написать заголовки и подзаголовки к тексту документа и оформить их с помощью стилей заголовков. Редактор позволяет создавать до 9 уровней заголовков.

Рис. 4. Текстовый редактор Microsoft Office Word 2003

2.2 Средства хранения информации

В качестве средства хранения информации рассмотрим программный продукт компании Microsoft — Microsoft Visual SourceSafe.

Microsoft Visual SourceSafe (VSS) является одним из самых популярных средств поддержки коллективной работы. Оно включает в себя хранилище исходных текстов, система контроля версий, система контроля содержимого Web-сервера. Используется для координации работы в группе, разработки для смешанных платформ, повторного использования компонентов.

VSS позволяет хранить в общем хранилище файлы, разделяемые несколькими пользователями, для каждого файла хранится история версий. VSS входит в состав пакета Microsoft Visual Studio и интегрирован с продуктами этого пакета.

Система полностью интегрирована со средами разработки Visual Basic, Visual C++, Visual J++, Visual InterDev и Visual FoxPro, а также с приложениями Microsoft Office, она обеспечивает простой для использования проектно-ориентированный контроль версий. Visual SourceSafe работает со всеми типами файлов, которые создаются системами языков программирования, средствами разработки или приложениями. Пользователи могут работать как на уровне файлов, так и на уровне проектов, способствуя повторному использованию файлов. Проектно-ориентированные возможности системы Visual SourceSafe повышают эффективность выполнения ежедневных задач управления, связанных с групповой разработкой приложений и созданием Web-узлов.

VSS обладает следующими особенностями:

· Хранится история изменения файлов, что позволяет безболезненно вернуться к предыдущим версиям проекта;

· Предупреждение случайного перезаписывание кода с использованием возможностей блокировки файлов (Check Out), визуального слияния (Visual Merge) и отчета о различиях (Difference Reporting);

· Обеспечивается контроль версий файлов любого типа, созданных на любом языке программирования, в любом средстве разработки или приложении;

· Интерфейс Visual SourceSafe 6.0 использует знакомый вид и возможности Windows Explorer.

2.3 Средства программирования ПЛК

Системное программное обеспечение (СПО) непосредственно контролирует аппаратные средства ПЛК. СПО отвечает за тестирование и индикацию работы памяти, источника питания, модулей ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального времени. Система исполнения кода прикладной программы является составной частью СПО.

Код прикладной программы размещается в энергонезависимой памяти, чаще всего это электрически перепрограммируемые микросхемы. Изменение кода прикладной программы выполняется пользователем ПЛК при помощи системы программирования и может быть выполнено многократно.

Использование программаторов в наши дни довольно редко в виду ряда недостатков данного способа набора управляющих команд для ПЛК. В большинстве случаев для программирования ПЛК универсального назначения применяют ПК. Процесс разработки и отладки программного обеспечения происходит при помощи специализированных комплексов программ, обеспечивающих комфортную среду для работы программиста. Главная задача таких комплексов состоит в автоматизации работы разработчика прикладной системы. Во многих из них сформировался ряд особенностей и возможностей, который позволяет относить данные комплексы к средствам быстрой разработки. Большинство комплексов программирования ПЛК содержит ряд инструментов разработки, которые являются общими практически для всех. Это:

· Встроенные редакторы;

· Текстовые редакторы;

· Графические редакторы;

· Средства отладки;

· Менеджеры проекта;

· Средства импорта и экспорта проектов;

2.3.1 Наиболее популярные среды программирования ПЛК

Ниже рассмотрены наиболее популярные в мире комплексы разработки проектирования. Все они оснащены полным набором средств быстрой разработки и отладки программ, однако в каждом из них присутствуют уникальные элементы компании-разработчика. Каждый комплекс имеет демонстрационную версию для ознакомления, в которых содержится достаточное количество примеров программ.

· CoDeSys (3S Smart Software Solutios)

CoDeSys — это один из самых развитых и функционально полных инструментов программирования МЭК 61 131−3.

· MULTIPROG wt (Klцpper und Wiege Software GmbH)

Удобный и красивый инструмент программирования с широкими возможностями моделирования и визуализации. Система исполнения базируется на собственной операционной системе реального времени ProConOS, которая управляет исполнением пользовательских задач.

· ISaGRAF (CJ International)

Данная среда разработки не обладает какими-либо ограничениями на аппаратную платформу. Существует возможность трансляции проекта в С текст.

Главная особенность программы — аппаратно независимый генератор TIC кода (Target Independent Code), благодаря которому система интерпретирующего типа очень проста в адаптации.

· OpenPCS (Infoteam Softaware GmbH)

Уникальная особенность комплекса заключается в использовании языка IL в качестве промежуточного кода. Элементы программ, выполненные на любом МЭК-языке, можно копировать в буфер обмена Windows и вставлять в программу на другом языка с автоматическим перекодированием. Для достижения высокого быстродействия в составе комплекса присутствуют компиляторы машинного кода для ряда распространенных процессоров. Симулятор ПЛК позволяет производить обучение и отладку без внешней аппаратуры.

· SoftCONTROL (Softing GmbH)

Комплекс имеет минимальные требования как к ПЛК, так и к ПК. Язык С интегрирован в систему и может применяться в пользовательских программах наравне с другими языками МЭК.

2.3.2 Среда программирования WinProLadder

Среда программирования WinProLadder предназначена для создания управляющих программ на контроллерах фирмы Fatek. Написание программ осуществляется на языке Ladder Diagram (LD) — релейных диаграмм. Это графический язык, основанный на принципах релейно-контактной логики, элементами которой являются контакты, обмотки реле, вертикальные и горизонтальные перемычки и т. д. Предназначен для программирования промышленных контроллеров (ПЛК). Синтаксис языка удобен для замены логических схем, выполненных на релейной технике. Ориентирован на инженеров по автоматизации, работающих на промышленных предприятиях. Обеспечивает наглядный интерфейс логики работы контроллера, облегчающий не только задачи программирования и ввода в эксплуатацию, но и быстрый поиск неполадок в подключаемом к контроллеру оборудовании. На сегодняшний день язык LD является самым популярным языком программирования для ПЛК в мире.

Рис. 5. Используемые языки программирования ПЛК

Программа на языке релейной логики имеет наглядный и интуитивно понятный инженерам-электрикам графический интерфейс, представляющий логические операции, как электрическую цепь с замкнутыми и разомкнутыми контактами. Протекание или отсутствие тока в этой цепи соответствует результату логической операции (true — если ток течет; false — если ток не течет). Данный язык не требует от оператора ПЛК специальных знаний в области программирования, особенно с применением языков высокого уровня.

Общие характеристики среды WinProLadder

Программа работает на всем знакомом Windows-интерфейсе, поэтому изучение внешнего вида и устройства меню не представляет программисту ПК большой трудности. Все операции выполняются путем выбора их с помощью мыши. Программа позволяет создавать проекты для разных моделей ПЛК (Рис. 6, Рис. 7) различной степени сложности, редактировать их, экспортировать и импортировать данные из других проектов.

Рис. 6. Создание нового проекта

Рис. 7. Выбор модели ПЛК

Редактирование программы может осуществляться несколькими способами:

· С помощью пункта Edit главного меню;

· С помощью палитры компонентов, которая, однако, не содержит полного перечня команд редактирования;

· С помощью контекстного меню, вызываемого нажатием на правую клавишу мыши (Рис. 8,9).

Рис. 8. Меню Edit

Рис. 9. Контекстное меню Раздел View позволяет настраивать внешний вид программы — выбирать необходимые панели инструментов, задавать размер символов в рабочей области приложения, представлять программу в виде языке LD или в мнемоническом стиле.

Внешний вид программы представлен на (Рис. 10).

Главное меню содержит в себе все возможные меню для работы с проектами, файлами проектов и т. д.

Линейка инструментов включает наиболее важные и часто используемые операции, которые могут быть активированы нажатием клавиши мыши в данной области.

В палитре компонентов находятся кнопки, которые используются для создания и редактирования релейно-контактных схем.

Строка текущего состояния показывает информацию о состоянии подключения к ПЛК, статусе подключения, текущую позицию курсора, использование памяти, режим ввода или перезаписи.

Дерево проектов — это область, отражающая текущий проект в иерархическом дереве, а также другую справочную информацию о проекте.

Окно лестничных диаграмм (рабочая область). В этой области пользователь может создавать или просматривать релейные схемы. Каждое окно может содержать один и более программных блоков, переход которые осуществляется с помощью клавиши табуляции.

Рис. 10. Окно программы WinProLadder

Программа позволяет подключаться к ПЛК несколькими способами (последовательный порт, модем, интернет или USB), настраивать тип и способ подключения, задавать скорость передачи данных, время задержки, номер порта, размер передаваемых данных и т. д.

Рис. 11. Подключение к ПЛК

При создании соединения с ПЛК в специализированном ПО также существует возможность автоматического определения модели устройства, к которому будет подключаться пользователь.

Рис. 12. Автоопределение способа подключения к ПЛК

В случае, когда требуется изменить конфигурацию или параметры работа протокола обмена данными ПЛК с ПК существует возможность создания подключения вручную. В данном случае пользователь самостоятельно задает имя подключения, способ соединения с ПЛК (Serial line RS 232/485, Modem, Internet), указывает параметры функционирования COM-порта во время работы ПЛК. После создания подключения WinProLadder выдает окно о статусе системы ПЛК (Рис. 13).

Рис. 13 Окно статуса ПЛК

Также программа позволяет проверять синтаксис написанной программы и вести статистику использованных элементов релейно-контактных схем.

Рис. 14. Окно статистики программы

WinProLadder поддерживает большой набор средств конфигурирования ПЛК (раздел «Дерево проектов», Рис. 10). В него входят:

· Конфигурирование системы (конфигурация входов/выходов, распределение памяти, установка регистров ROR);

· Управление РКС (главная программа, подпрограммы);

· Редактирование таблиц (ASCII, ссылок, регистров, таблица параметров и программы сервопривода и т. д.);

· Вставка комментариев (к программе, к ветви программы, к отдельному элементу программы);

· Страница статуса;

· Нумерация входов/выходов.

3. Методика создания курса по изучению аппаратного обеспечения ПЛК Целью любой лабораторной работы является предоставление студенту практических знаний и навыков, которыми будет подкрепляться его теоретическая база. На данный момент уже создано огромное количество лабораторных работ различного профиля, которые выполняются студентами практически во всех высших учебных заведениях и не только. Однако научно-технический прогресс постоянно подталкивает процесс обучения. С каждым годом от студентов требуются всё новые знания, поэтому появление новых лабораторных, лекционных курсов, а также специальностей, и даже целых предметных областей неизбежно. Задача разработки новых лабораторных практикумов и сейчас стоит перед кафедрами многих вузов.

Предлагается методика, используя которую можно создавать учебные пособия для проведения лабораторных работ на баз аппаратного обеспечения ПЛК. Поскольку в большинстве случаев от разработчиков требуется создание целого курса, то далее будет рассматриваться алгоритм создания лабораторного практикума такого курса.

Алгоритм делится на совокупность этапов, последовательное выполнения которых приводит автора курса к успешному результату. Структурная схема алгоритма представления на Рис. 15.

Рис. 15. Алгоритм создания курса лабораторных работ

3.1 Формирование «базы знаний»

«База знаний» представляет собой совокупность информации, которая необходима разработчику лабораторного практикума. Структура базы знаний представлена на Рис. 16. В нее входят такие документы, как:

ь Техническое описание аппаратного обеспечения ПЛК;

ь Описание составных частей учебного стенда;

ь Техника безопасности при работе со стендом;

ь Нормативные документы по правилам подключения электрической аппаратуры;

ь Научно-методическая литература;

ь Правила оформления отчетов по лабораторным работам и др.

Рис. 16. База знаний

К справочной литературе относятся те источники данных, которые не вошли в вышеуказанный список, однако были использованы при написании лабораторного практикума.

3.2 Выполнение этапов методики

3.2.1 Место в учебном курсе

Перед тем как приступать непосредственно к созданию лабораторного практикума требуется провести подготовительные действия, чтобы получить ответы на два основных вопроса:

· Какие цели у лабораторного практикума?

· Какие цели у каждой лабораторной работы?

· Для этого следует определить:

· Предметную область лабораторного практикума;

· Курс, факультет, специальность студентов, для которых предназначен лабораторный практикум;

· Связь с лекционным курсом и курсом семинарских занятий;

· Количество лабораторных работ и их уровень сложности;

· Набор знаний и навыков, которые студент должен будет освоить.

На данном этапе также необходимо сформировать шаблоны и спецификации для формируемых документов, на основе которых будет оформлен лабораторный практикум.

программируемый логический контроллер стенд

3.2.2 Аппаратное обеспечение

После проведения подготовительных действий нужно определить, какая потребуется материально-техническая база для воплощения задуманного в жизнь. Если аппаратное обеспечение уже есть, то на его основе и следует создать лабораторные установки. Если же требуемого аппаратного обеспечения нет, то его нужно приобрести, опираясь на те цели, которые стоят перед лабораторным практикумом.

В работе используются ПЛК фирмы Fatek модели FBe. (Рис. 17) Данные ПЛК являются многофункциональными, легко программируемыми и бюджетными контроллерами. Это обеспечивает возможность их активного применения в различных областях: ПЛК подходит для выдачи управляющих заданий в соответствии с сигналами датчиков и тумблеров, а также позволяет осуществлять одним или несколькими приводами. ПЛК созданы на базе оригинальной микросхемы, в состав которой входит более 120 000 логических элементов. Микросхема совмещает в себе функции центрального процессора, аппаратного логического решателя, четырех высокоскоростных портов связи, программных таймеров и т. д.

Основные элементы главного блока ПЛК:

1. 15Pin D-Sub — основной разъем блока соединения с 1 или 3 COM портами.

2. Индикатор передачи данных «485».

3. Индикатор заряда батарей «BTL».

4. Индикатор ошибки «ERR».

5. Клеммы питания 24 В и цифровых входов.

6. Индикаторы состояния цифровых входов (Xn).

7. Выходной разъем расширения для подключения кабелей от блоков расширения.

8. Индикаторы состояния цифровых выходов (Yn).

9. Клеммы сетевого питания и цифровых выходов.

10. Индикатор работы «RUN».

11. Индикатор питания «POW».

В зависимости от типа поставленной задачи ПЛК может быть оснащен транзисторными/релейными и дифференциальными выходами с PNP или NPN логикой (от 2 до 256 входов/выходов). Максимальная частота коммутации входов/выходов в зависимости от их типа от 5 до 200 кГц (и до 920 кГц для дифференциальных входов/выходов).Функциональные возможности главного блока ПЛК могут быть расширены следующими блоками:

· Расширения аналоговых входов;

· Расширения цифровых входов;

· Расширения численных В-В;

· Светодиодными индикаторами;

· Устройствами ручного ввода информации (программаторами);

ПЛК обладает следующими функциональными возможностями:

· Наличие различных логических и арифметических функций;

· Работа с дробными числами;

· Контроль позиции датчика положения;

· Управление двигателем/приводом по Step/Dir, аналоговому сигналу или цифровому интерфейсу;

· Реализация контура положения;

· Линейная интерполяция (до 4-х осей);

· Функция ПИД-регулирования;

· Наличие аппаратных прерываний (в том числе по срабатыванию входа или счетчика)

ПЛК может взаимодействовать с ПК несколькими способами. Наиболее распространенные из них — это порты связи RS232, RS485 и Ethernet. Также существует возможность создания соединения по ASCII или 2-х скоростному бинарному коду. В ПЛК реализована поддержка встроенных протоколов FATEK, Modbus, RTU/TCP или протоколов, определенных самим пользователем.

Довольно простая конструкция ПЛК Fatek позволяет без особенных затруднений соединяться с приводами и с человеко-машинными интерфейсами HMI (имеется опыт работы с приводами Control Techniques, KEB, Panasonic, Mecapeon панелями фирм M2I, Hi-Tech и т. д.).

Программирование контроллера осуществляется в собственной, прилагаемой бесплатно, среде программирования на языке с лестничной логикой. В среде предусмотрено более 300 различных функций, однако для большинства программ достаточно овладеть 20−30 функциями. Вся документация по контроллерам, включая описание всех функций, переведена на русский язык.

Рис. 17. Главный блок ПЛК Fatek серии FBe

3.2.3 Структура и содержание Структура и содержание составляются для каждой лабораторной работы в отдельности, и в общем случае они должны состоять из трёх частей:

· Теоретическая;

· Общая практическая;

· Индивидуальная.

В теоретическую часть лабораторной работы следует включить достаточный для её выполнения материал описаний. При этом наибольшее количество материала нужно помещать в первую лабораторную работу и сокращать его объём в последующих. В общей практической части рекомендуется рассмотреть прикладную задачу и её решение на основе изложенной теории, либо несколько простых поясняющих примеров. Индивидуальная часть должна содержать варианты заданий для студентов[10].

Рассмотренное выше деление, не всегда требуется использовать. Однако в зависимости от целей и предметной области лабораторной работы нужно определить названия и количество её основных частей.

При составлении структуры и содержания следует использовать те шаблоны оформления, которые были приняты ранее. Пример шаблона представлен на Рис. 18.

Рис. 18. Требования к оформлению лабораторных работ

3.2.4 Оформление

На этом этапе каждую лабораторную работу необходимо проверить на соответствие её оформления тем шаблонам и спецификациям, которые были приняты на начальном этапе. В соответствии со структурой и содержанием лабораторной работы требования к оформлению могут быть скорректированы.

Также, при оформлении пособий для проведения лабораторных работ рекомендуется использовать приёмы, обращающие внимание студента на наиболее важные моменты в работе. Вот основные из них:

· Визуальное выделение;

· Повторение ключевых фраз;

· Использование графических объектов;

· Использование таблиц;

· Составление словаря терминов и сокращений

3.2.5 Проверка

На заключительном этапе для каждой лабораторной работы следует проверить:

· Соответствие цели лабораторной работы её содержанию;

· Возможность достижения поставленных целей;

· Соответствие аппаратному обеспечению обучающих стендов;

· Достаточность описания для выполнения лабораторной работы.

Когда лабораторная работа сделана и её начинают применять для обучения студентов, могут быть выявлены незамеченные ранее ошибки. В этом случае работу следует пересмотреть, выполняя все этапы процесса разработки.

3.2.6 Эволюция

Переход на этот этап, т. е. повторное выполнение всех этапов разработки, обосновывается необходимостью расширения или изменения целее и задач курса лабораторных работ. Например, если на замену пришло новое оборудование, в соответствии с которым требуется внести изменения в лабораторную работу, или поменялись цели всего практикума.

3.3 Контрольные вопросы и отчетность

Для проверки усвоенных знаний студентов после каждой лабораторной работы должен быть составлен список контрольных вопросов. В него должны войти вопросы, затрагивающие ключевые аспекты теоретической и практической части лабораторной работы.

После выполнения всех заданий для сдачи лабораторных работ каждый студент должен будет составить отчет о ее выполнении, который должен быть оформлен в соответствии с ГОСТ 7.32−91 или ГОСТ 2.105−95.

4. Разработка лабораторного практикума «Основы программирования логических контроллеров Fatek»

4.1 Построение учебно-демонстрационного стенда

В соответствии с поставленными целями и задачами в процессе работы был проведен анализ языков программирования ПЛК и различных лабораторных практикумов по техническим и педагогическим дисциплинам. Был проведен обзор наиболее популярных на сегодняшний день сред программирования ПЛК, в том числе среды разработки WinProLadder.

По итогам анализа были сформированы задачи для создания учебного стенда и методических рекомендаций по написанию лабораторного практикума для ПЛК Fatek. На основе целей лабораторного практикума были сформированы общие требования для создания учебного стенда. Следуя им, у разработчика стенда не должно возникнуть проблем в процессе разработки.

По результатам анализа специальной педагогической и другой литературы была сформирована структура всего лабораторного практикума и каждой лабораторной работы в отдельности. Задания составлены таким образом, чтобы сделать процесс изучения ПЛК и программного обеспечения к нему максимально эффективным. Сформирован комплекс требований к оформлению методических пособий, а также для отчетов по выполнению лабораторных работ.

В соответствии с составленными требованиями к оборудованию был создан учебно-демонстрационный стенд на основе аппаратного обеспечения ПЛК Fatek (Рис. 19). На базе этого стенда могут проводиться лабораторные работы по изучению структуры и принципу функционирования ПЛК, основ программирования ПЛК, решению задач управления техническими процессами и др.

Рис. 19. Учебный стенд

4.2 Разработка лабораторного практикума

В качестве практического примера реализации разработанных рекомендаций был создан комплекс практических упражнений, состоящий из трех лабораторных работ для изучения ПЛК Fatek.

В каждой лабораторной работе присутствует три части:

· Теоретическая;

· Общая практическая;

· Индивидуальная;

Объем каждой части соответствует указанным в методических рекомендациях требованиям.

4.2.1 Лабораторная работа № 1 «Основы программирования ПЛК. Линейные схемы»

Лабораторная работа посвящена знакомству с устройством и принципом работы ПЛК Fatek. Описываются основные составляющие ПЛК и их назначение. Рассматриваются основы программирования ПЛК при помощи языка лестничных диаграмм (LD) и создание линейных схем при помощи среды разработки WinProLadder.

Дается подробное описание языка релейно-контактных схем (РКС), последовательной и параллельной логики, а также приводится сравнение между обычными РКС и РКС в ПЛК.

В общей практической части рассматривается пример программы по управлению автоматическим дверями, имеющими фотоэлемент, который регистрирует наличие объекта вблизи створок дверей. Решение представлено на Рис. 20.

Рис. 20. Программа управления автоматическими дверями

4.2.2 Лабораторная работа № 2 «Нелинейные схемы»

В работе рассмотрены наиболее распространенные нелинейные схемы, используемые при построении РКС такие, как селективное разветвление/схождение, одновременное разветвление/схождение, переход, различные виды циклов и др. Представлена реализация как я на языке обычных РКС, так и в среде WinProLadder. Каждый пример сопровождается подробным описанием каждого шага программы.

В общей практической части приводится решение программы по управлению двумя светофорами на пешеходном переходе. Решение задачи представлено на рис.

Рис. 21. Решение задачи по управлению светофором

В конце работы представлено приложение, состоящее из простых примеров программ, которые демонстрируют возможности среды WinProLadder. При выполнении индивидуальной части студенты могут их использовать в своих работах.

4.2.3 Лабораторная работа № 3 «Функция прерывания. Скоростной таймер и счетчик»

В данной работе проводится изучение функций для создания программ обработки прерываний, подпрограмм, а также работы со скоростными таймерами и счетчиками. В результате освоения теоретической и практической части в индивидуальных заданиях будет представлены задачи, направленные на отработку теоретических знаний и созданию программы с использованием прерываний для решения производственной задачи.

В теоретической части рассматривается понятие прерывания — его назначение, практическая реализация и его виды. Показывается структура прерывания и порядок его обслуживания ПЛК. Приведен список основных команд, работающих с прерываниями.

В общей практической части представлен пример программ по обработке прерываний. На Рис. 22, Рис. 23 показана программа с прерыванием по внутренним меткам времени.

Рис. 22. Главная программа

Рис. 23. Программа обработки прерывания

Выводы В процессе работы получены следующие результаты:

1. Проведен анализ существующих лабораторных курсов в различных предметных областях. Его итог представлен в таблице 1. Результаты показывают, что в большинстве курсов по изучению ПЛК присутствуют лабораторные стенды, групповые занятия и индивидуальные задания, но не во всех осуществляется контроль знаний, полученный после прохождения курса, и не везде имеется возможность изменения лабораторного курса с учетом каких-либо новых требований к нему.

2. В соответствии с поставленными целями лабораторного практикума к учебно-демонстрационному стенду были сформированы и предъявлены следующие требования:

· Простота конструктивного исполнения и управления стендом;

· Возможность реализации наиболее распространенных задач управления;

· Наглядность представления работы ПЛК и его дополнительных блоков;

· Стенд должен быть устойчив к механическим вибрациям, которые могут возникнуть при эксплуатации;

3. Для оформления методических рекомендаций с целью максимально повысить эффективность излагаемого материала был разработан комплекс приемов, представленный в п. 3.2.4.

Для повышения уровня грамотности в области технической документации был разработан комплекс требований к оформлению отчетности по лабораторным работам, представленный на Рис. 18.

4. Был разработан комплекс практических занятий для изучения ПЛК Fatek на основе созданного лабораторного стенда.

1. Петров И. В., Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. проф, В. П. Дьяконова.- М.: СОЛОН-Пресс, 2004. — 256 с: ил. — (Серия «Библиотека инженера»)

2. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: архитектура и применение. Москва, Машиностроение 1992

3. Парр Э., Программируемые контроллеры: руководство для инженера / Э. Парр; пер. 3-го англ. изд. — М. БИНОМ, Лаборатория знаний, 2007. — 516 с.: ил.

4. Минаев И. Г., Программируемые логические контроллеры — практическое руководство для начинающего инженера / И. Г. Минаев. В. В. Самойленко. — Ставрополь: АГРУС, 2009. — 100.

5. Деменков Н. П., Языки программирования промышленных контроллеров: Учебное пособие / Под. ред. К. А. Пупкова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 172 с.: ил.

6. Мишин ГЛ., Хазанова О. В. Системы автоматизации с использованием программируемых логических контроллеров: Учебное пособие. — М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005. — 136 с.

7. Спека, М.В., Microsoft PowerPoint 2003. Самоучитель. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. — 368 с.: ил.

8. Лебедева М. Б. Методическая система организации и проведения лабораторно-практических работ по курсу информатики: [ПТУ]// М. Б. Лебедева/ Новые информационные технологии в профессионально-техническом образовании. — СПб., 1994. -С. 58−66

9. Организация и проведение лабораторно-практических работ в курсе информатики при изучении прикладных программ: Метод. рекомендации/ Центр. ин-т повышения квалификации руководящих работников и специалистов проф. образования Министерства образования РФ. — СПб.: Б.и., 1995. -106с. -ISBN 5−7328−0077−9: 9000.00р. 300 экз.