CC BY
149
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru УДК 681.5
Новые технологии в обучении программированию ПЛК
Новожилов Б.С.1*
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 08. С. 30-39.
Представлена в редакцию: 13.07.2017 © НП «НЭИКОН»
Ь ешь jn.no уогЬЛо у;Йу апс1ех. ли 1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Отмечается, что эффективное применение программируемых логических контроллеров в автоматизированных системах управления ракетно-космических комплексов тесно связано с подготовкой специалистов-технологов, способных осуществлять разработку прикладных программ. В связи со сложностью отладки разрабатываемых программ на реальном технологическом оборудовании проводится анализ возможных вариантов моделирования процессов управления и отмечается эффективность виртуализации объектов управления на компьютерах. Рассматриваются разработки компании Real Games в создании виртуальных объектов управления с помощью 3D-графики для целей обучения применению программируемых логических контроллеров в производственных системах управления. Оценены перспективы применения программных продуктов компании Real Games в подготовке специалистов для систем автоматизации технологического оборудования ракетно-космических комплексов.
Ключевые слова: программируемые логические контроллеры, обучение, ракетно-космические комплексы, виртуальные объекты управления
Благодаря достижениям в области микроэлектроники и микропроцессорной техники во всем мире получили развитие цифровые системы управления технологическими процессами на основе программируемых управляющих устройств. В России такие устройства широко распространены в производственных отраслях экономики. Отрадно, что в последние десятилетия цифровые технологии получили бурное развитие и в такой традиционно консервативной области как ракетно-космическая техника. Для ракет-носителей (РН) это связано с усложнением решаемых задач, с необходимостью повышения точности обработки информации, получаемой с бортовых систем. Например, РН семейства Союз-2 оснащены цифровой системой управления, позволяющей осуществлять расчет и ввод полетного задания в процессе предстартовой подготовки, а также перенастраивать автомат стабилизации под различную полезную нагрузку и головные обтекатели [3] В технологическом оборудовании объектов космической инфраструктуры современных ракетно-космических комплексов (РКК) применение цифровых вычислительных устройств позволяет обеспечить обработку больших объемов информации для эффективного управления
сложными технологическими процессами предстартовой подготовки. Об этом свидетельствует опыт разработки комплекса АСУТП предстартовой подготовки МТКС «Энергия-Буран» на основе микропроцессорной техники и успешное функционирование наземной инфраструктуры стартового комплекса РН Союз-2 на космодроме Куру [1].
При разработке бортовых систем управления РН обычно используют встраиваемые цифровые вычислительные устройства, специально разрабатываемые под конкретные задачи. В технологическом оборудовании РКК целесообразно применение программируемых логических контроллеров (ПЛК) - универсальных вычислительных устройств, аппаратные и программные средства которых специально адаптированы для решения задач управления техническими объектами в условиях промышленной среды [2].
Для практического применения ПЛК необходимы специалисты, обученные методам алгоритмизации технологических процессов и разработки соответствующих управляющих программ. Для этого недостаточно простого изучения различного рода руководств и учебных пособий. Необходим опыт разработки программ управления реальными технологическими процессами в оборудовании стартовых и технических комплексов. При этом в силу понятных причин речь не может идти о реальных технологических системах объектов космической инфраструктуры. Остается путь использования лабораторных стендов и учебных комплексов, с помощью которых можно моделировать типичные технологические процессы с целью обучения программированию ПЛК. На этом пути возможны различные подходы. Самыми распространенными являются решения с применением реального контроллера и имитации работы объекта управления.
Наиболее эффективным с точки зрения обучения и приобретения практических навыков работы с ПЛК является использование физических моделей, имитирующих реальные объекты управления, и реального контроллера.
Использование физического моделирования позволяет не только проверить работу разработанной программы, но и выполнить реальные электрические соединения элементов и узлов моделируемой системы управления. При этом совершенно не обязательно использовать масштабированные элементы реального объекта управления, достаточно применить устройства, принцип работы которых аналогичен имитируемым устройствам. Например, при проверке программы управления гидроцилиндрами механизма подъема можно использовать лабораторный стенд с пневмоцилиндрами, а алгоритм работы механизма воспроизвести определенной последовательностью подачи сигналов от датчиков и командных устройств на входы контроллера. Конечно, воссоздать все условия работы реальной системы управления при таком подходе сложно, но ключевые свойства системы и принцип ее работы будут сохранены.
Недостатком такого подхода являются материальные и финансовые затраты, связанные с необходимостью приобретения нужных, зачастую дорогостоящих, устройств, их монтажом, обслуживанием и хранением. Кроме того, единовременно работать на лабораторном стенде могут 1 - 2 человека. Альтернативой подобной ситуации может послужить эмуляция реального объекта управления.
Такое решение позволяет проводить тестирование разрабатываемых программ без выхода на реальный объект управления или его физическую модель. Это исключает риск травмирования обучающихся или повреждение оборудования. Наиболее просто такой подход можно реализовать при разработке систем логического управления, где используются источники дискретных сигналов состояния объекта и исполнительные устройства релейного типа. В качестве примера можно привести программируемые контроллеры серии SIMATIC S7-200, для которых компания Siemens выпускала имитаторы входов, представлявших собой модуль с набором двухпозиционных выключателей. Аналогичные модули компания Siemens выпускает в настоящее время и для новой серии программируемых контроллеров S7-1200. На рис. 1 показан модуль симулятора SIM 1274 на 8 дискретных входов для контроллера SIMATIC S7-1212 [7, стр. 3/101]. При отладке разрабатываемой программы такой модуль закрепляют в отверстиях винтовых клемм локальных входов контроллера и используют для подачи на эти входы логических сигналов. При этом каждый выключатель модуля имеет известный адрес в памяти контроллера. Работу разрабатываемой программы контролируют по состоянию дискретных выходов контроллера.
Рис. 1. Модуль симулятора входных дискретных сигналов
Для работы с реальными аналоговыми сигналами могут быть использованы различные имитаторы аналоговых сигналов, которые представляют собой сравнительно дорогие устройства. Более эффективным является использование ресурсов самого контроллера. Для этого потребуется наличие у контроллера аналоговых входов/выходов и программа, задающая требуемые параметры генерируемого аналогового сигнала. Следует отметить также, что некоторые модели программируемых контроллеров имеют встроенные аналоговые задатчики, с помощью которых можно имитировать реальные аналоговые сигналы. Однако, их число в составе контроллера сильно ограничено (например, подключаемый модуль симулятора аналоговых входов для контроллера БШАТЮ Б7-1200 имеет два потенциометра), а точность задания аналогового сигнала невелика.
Использование имитаторов входных сигналов контроллера не требует больших материальных затрат, однако не дает наглядного представления работы автоматизируемого
объекта. Это превращает тестирование разрабатываемых программ в трудоемкий процесс, снижая эффективность обучения.
Повысить эффективность обучения программированию ПЛК можно созданием реалистичных виртуальных объектов управления с помощью 3D-графики. Значительных успехов в этом направлении достигла компания Real Games LDA (Португалия), разрабатывающая образовательное программное обеспечение для учебных заведений и других организаций на основе новейших разработок в области компьютерных технологий. Ею был разработан ряд образовательных продуктов для обучения современным технологиям промышленной автоматизации, в том числе - применению ПЛК в производственных системах управления.
Первым программным продуктом компании Real Games в указанной области явился комплекс ITS PLC (Interactive Training System for PLC - Интерактивная обучающая система для ПЛК), который представляет собой образовательный и обучающий инструмент для подготовки специалистов в области ПЛК [5].
Особенностью комплекса является применение в нем виртуальных объектов управления, представляющих собой компьютерную анимацию реальных технических устройств и систем. Создаваемая на экране компьютера полностью интерактивная имитация отражает современный уровень компьютерных технологий в области 3 D-графики и звука, в создании высоко реалистичных виртуальных промышленных объектов.
ITS PLC имеет три редакции:
• ITS PLC Professional - предоставляет обучающимся возможность использовать аппаратный ПЛК в типичной промышленной среде с полным пониманием того, как осуществляется управление технологическими объектами. Версия работает с всеми ведущими производителями ПЛК: Allen-Bradley, Festo, Hitachi, Mitsubishi, Moeller, Omron, Schnuder. Siemens, Unitronics и многими другими.
• ITS PLC MHJ-Edition - разработанная совместно с компанией MHJ-software (Германия) эта версия обеспечивает высококачественное вопроизведение работы промышленных систем управления на базе ПЛК S7-300/400 компании Siemens с применением симулятора S7-PLCSIM или недорогого встроенного симулятора WlnSPS-S7.
• ITS PLC ATG-Edition - разработана для работы в среде имитации AUTOMGEN без применения внешнего контроллера, а также для изучения и практического применения языка последовательного структурного программирования GRAF SET.
Для обучения программированию ПЛК ITS PLC предлагает пять виртуальных производственных технологических систем:
• Сортировка (Sorting),
• Пакетирование (Batching),
• Паллетизатор (Palletizer),
• Подъем и размещение (Pick & Place),
• Автоматизированный склад (Automatic Warehouse).
Каждый из объектов - это визуальная имитация производственной системы с виртуальными датчиками и приводами, позволяющая максимально реалистично воспроизвести управление системой с помощью ПЛК. ITS PLC позволяет детально рассмотреть работу виртуального объекта управления с несколких точек наблюдения с помощью предустановленных виртуальных камер. Графический интерфейс всех виртуальных систем одинаков: кроме собственно технического объекта он содержит инструменты, необходимые для работы. На рис. 2 в качестве примера показан виртуальный объект «Сортировка». На дисплей выведены поля Меню, настройки дискретных датчиков и приводов, а также Панель управления, позволяющая управлять процессом в ручном или автоматическом режиме и контролировать ход процесса.
Рис. 1. Экран объекта управления «Сортировка»: 1 - панель управления; 2 - меню; 3 - панель настройки
Задача, решаемая в среде ITS PLC, - разработка для ПЛК прикладной программы управления каждым виртуальным объектом (или его частью), как если бы это был реальный производственный объект. Создание прикладной программы осуществляется в среде разработки проекта автоматизации для того контроллера, который применяется в проекте.
При использовании ПО ITS PLC обмен информацией происходит между виртуальным объектом и ПЛК с помощью специального интерфейсного блока на основе модуля сбора данных (DAQ) Advantech USB-4750 с 32 изолированными каналами ввода/вывода. На входы модуля подаются дискретные сигналы с выходов ПЛК, управляющих состоянием исполнительных устройств в объекте управления, а выходы модуля имитируют сигналы дискретных датчиков и командных устройств (кнопок), установленных на объекте управления. На рис. 3 показан состав аппаратно-программного комплекса ITS PLC.
Модуль DAQ имеет фиксированную аппаратную конфигурацию входных и выходных каналов. Поскольку каналы ввода/вывода ПЛК разных производителей могут быть выполнены по-разному, коммуникации входных и выходных цепей модуля USB-4750 для
его использования должны выполняться в соответствии с конкретным типом ПЛК, используемым в обучении.
Рис. 3. Технические средства комплекса ITS PLC
Недостатком комплекса ITS PLC является ограниченный набор предлагаемых технических объектов, а также фиксированное количество датчиков и приводов и их привязка к местам установки. С другой стороны, необходимость использования реального контроллера позволяет лучше изучить особенности его включения в систему управления.
Следующим шагом компании Real Games LDA в создании обучающих систем для ПЛК стал программный продукт FACTORY I/O, основанный на инновационной технологии создания виртуальных 3-мерных индустриальных систем и построения собственных сценариев технологических процессов [4]. Такой подход делает процесс обучения еще более интересным и увлекательным.
Разработчики добавили в FACTORY I/O возможность передачи аналоговых сигналов между виртуальными объектами и ПЛК. Для реализации этой возможности модуль Ad-vantech USB-4750 должен быть заменен на модуль Advantech USB-4704, имеющий 8 цифровых каналов ввода/вывода, 8 каналов аналогового ввода и 2 канала аналогового вывода.
В программном отношении FACTORY I/O представляет собой интерактивную изолированную среду (sandbox) для обучения технологиям автоматизации на базе ПЛК, в которой пользователь может строить и симулировать в реальном времени промышленные технологические системы и использовать их с аппаратными или программными ПЛК. Для работы FACTORY I/O требуется всего 600 МБ дискового пространства.
Поскольку FACTORY I/O позволяет пользователю не только имитировать работу технических объектов на экране компьютера, но и самостоятельно создавать их, предусмотрена работа программы в двух режимах - режим редактирования и режим исполнения.
Современная редакция FACTORY I/O отражает стремление компании к частичному или полному отказу от аппаратных средств и переходу к виртуальной среде обучения [6]. В частности, при работе с реальными контроллерами уже нет необходимости в примене-
нии модуля DAQ, так как соединение ПЛК со средой разработки осуществляется с применением технологии промышленного Ethernet (Profinet). В составе пакета предусмотрены соответствующие драйверы ввода/вывода для ряда наиболее распространенных ПЛК. Кроме того, в самой полной версии FACTORY I/O (Ultimate) имеется SDK (Software Development Kit) - пакет программных средств для разработки пользователем собственных драйверов.
Таким образом, программный комплекс FACTORY I/O является платформой для обучения ПЛК разных производителей, однако, наряду с другими технологиями может быть использован при работе с микроконтроллерами, компьютерными ПЛК (SoftPC) и шиной Modbus.
FACTORY I/O существует в нескольких редакциях:
• MHJ-Edition - для программного ПЛК с симулятором WInSPS-S7 V6
• SIEMENS-Edition - для S7-PLCSIM 5.5, S7-PLCSIM S7-1200, S7-PLCSIM S7-1500 или реальные ПЛК с соединением Ethernet: LOGO!, S7-1200, S7-1500, S7-300/400
• Modbus & OPC Client DA-Edition - для изучения широко распространенных технологий автоматизации
• Allen Bradley-Edition - для обучения программированию ПЛК Allen Bradley (Mi-cro800, MicroLogix, SLC 5/05, Logix5000)
• Ultimate Edition - Все редакции а одном пакете
Разработанный с ориентацией на доступность в применении комплекс FACTORY I/O позволяет быстро строить виртуальный технологический комплекс, используя распространенные машинные узлы и части (конвейеры, рольганги, поворотные столы, подъемники, платформы, сенсоры, кнопки, световые индикаторы и многое другое). Общее число таких узлов и частей достигает 80.
Графический интерфейс пользователя FACTORY I/O претерпел значительные изменения. На рис. 4 показан один из экранов FACTORY I/O версии v.2, который дает представление о новом интерфейсе программы. Для него характерны большие размеры рабочего поля и перенос инструментов на панель главного меню. Остальные панели вызываются на экран при использовании соответствующего инструмента. На рисунке показана часть технологической установки, в которой использованы элементы, показанной справа на экране панели выбора объектов.
Ключевым элементом FACTORY I/O являются видеокамеры, позволяющие детально рассматривать работу автоматизируемого объекта. В составе пакета имеется три типа камер: кругового обзора, «летящего» обзора и персонального обзора, имитирующего наблюдение с уровня роста человека.
FACTORY I/O включает в себя более 20 готовых сцен разного уровня сложности, относящихся к типовым промышленным приложениям. Сцены имеют статус read only, однако пользователь может настраивать их в соответствии с разработанным им алгоритмом.
Рис. 4. Экран сборки объекта управления: 1 - инструмент управления виртуальными видеокамерами; 2 - рабочее поле; 3 - главное меню; 4 - панель инструментов; 5 - панель выбора виртуальных объектов
Особого внимания заслуживает версия Starter Edition, представляющая собой учебный комплекс начального уровня. Она включает в себя продукт CONTROL I/O - независимый от производителя симулятор ПЛК, который разработан специально для пакета FACTORY I/O. Версия Starter Edition позволяет начинающим пользователям создавать системы управления без приобретения реальных аппаратных ПЛК.
CONTROL I/O включает в себя большинство характерных для реальных ПЛК функций. Пользователю доступны такие функциональные блоки, как счетчики и таймеры, такие функции, как логические и математические операторы, операторы сравнения и др. CONTROL I/O полностью интегрирован с FACTORY I/O, обеспечивая пользователю возможность наблюдать работу симулятора непосредственно из редактора контроллеров.
Следует отметить, что все версии FACTORY I/O имеют методическое обеспечение в виде различных руководств, учебных пособий и консультаций. Выпущен также сборник упражнений, основанный на образовательном комплексе ITS PLC и адресованный как преподавателям, так и учащимся, специализирующимся в области промышленной автоматизации.
Единовременно проходить обучение FACTORY I/O может целый класс. При этом у преподавателя имеется возможность блокировать некоторые опции с помощью пароля, предлагать учащимся завершить построение систем, найти ошибки в функционировании или причины отказов.
В целом, FACTORY I/O представляет собой эффективный инструмент для подготовки будущих техников и инженеров по ряду учебных программ, таких как промышленная автоматизация, мехатроника, электротехника, приборостроение и многих других.
Для инженеров-технологов и разработчиков наземного технологического оборудования РКК программный комплекс FACTORY I/O дает возможность создавать виртуальные объекты, в которых воспроизводятся процессы, характерные для технологических агрегатов и систем.
Например, виртуальный объект Tank представляет собой вертикальный цилиндрический резервуар высотой 3 м и диаметром 2 м, в котором могут быть установлены датчик текущего значения уровня жидкости и емкостные датчики начального и конечного уровней заполнения. Заполнение и опорожнение резервуара осуществляется по отдельным клапанам с пневматическим приводом (рис. 5).
Такой объект можно использовать для моделирования процессов заправки баков РН компонентами топлива, а также процессов регулирования уровня и расхода жидкости с применением команд ПИД-регулирования, имеющихся в составе практически всех современных ПЛК.
Для создания виртуальных систем управления дискретными процессами предстартовой подготовки, характерными, например, для систем подвода и отвода наземных коммуникаций или контроля положения элементов механических агрегатов можно использовать виртуальные объекты позиционирования и соответствующие датчики.
Рис. 5. Сцена заполнения вертикального резервуара жидкостью
Для решения этих задач в среде FACTORY I/O могут быть использованы не только перечисленные выше ПЛК известных мировых производителей, но и программируемые контроллеры российских производителей, например, компании Fastwel. Однако, для этого необходимо использование версии Ultimate Edition с применением аппаратных интерфейсов на базе DAQ-модулей компании Advantech.
Таким образом, рассмотренные программные продукты компании Real Games вполне могут быть использованы не только для обучения инженеров-технологов работе с ПЛК, но и для отработки программного обеспечения ПЛК в системах управления технологическим оборудованием стартовых и технических комплексов. Это позволит ускорить процесс внедрения цифровых технологий в автоматизацию технологических процессов в объектах космической инфраструктуры.
Список литературы
1. АСУ технологическим оборудованием стартового комплекса РН «Союз» в Гвианском космическом центре / И. Васильев, Ф. Кириленко// СТА. 2011. №4. С. 54 - 60.
2. Парр Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженера / Э. Парр; пер. 3-го англ. изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. 516 с.
3. Системы управления ракет-носителей Союз-2, Союз-СТ, Союз-2-1В. http://www.npoa.ru/catalog/raketno-kosmicheskaia-promyshlennost/sistemy-upravleniya-raket-nositeley-soyuz-2-soyuz-st-soyuz-2-1v.html.
4. FACTORY I/O: Next-gen PLC Training. - URL: http://realgames.co/#products.
5. ITS PLC Professional Edition. URL: http://realgames.co/its-plc.
6. Next-gen PLC Training: 3D FACTORY SIMULATION. URL: http://factoryio.com.
7. SIMATIC S7-1200 basic controller. / SIMATIC ST70 2015, chapter 3, page 3/101. URL:http://www.automation.siemens.com.
