Laboratoře integrované automatizace Laboratoře integrované automatizace (dále jen LABI) jsou moderní laboratoře s distančními reálnými experimenty (dále jen úlohy) přístupnými lokálně i dálkově přes internet. LABI jsou vybudovány na Institutu řízení procesů a aplikované informatiky a na Ústavu inženýrství ochrany životního prostředí Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Přístup a provádění laboratorních úloh a praktických měření při výuce aplikované informatiky a integrované automatizace a inženýrství ochrany životního prostředí je realizován pro úlohy s tepelnými, elektrickými a chemickými procesy. Přístup k úlohám LABI je pro uživatele z UTB i pro cizí uživatele, jak pro studenty, tak pro pedagogy. Všichni se stanou tak součástí globálního řešení laboratoří na celosvětové síti internet. Experimenty jsou reálná zařízení technologických modelů. Jsou vybavena moderními prostředky měření, centrálních jednotek automatizace a informatiky a ovládání. Provoz je plně automatický s výjimkou úlohy DE5, který je automatický i ruční. Řešení a realizace LABI probíhaly v týmu řešitele a dodavatelů.
Výsledky řešení LABI jsou vybudovány jako moderní laboratoře s možností dalšího rozšiřování pro studium v předmětech souvisejících s průmyslovou automatizací, aplikovanou informatikou a s inženýrstvím životního prostředí. Topologie systému LABI využívá současných možností více úrovňového propojení Internet-Ethernet a technologických sítí Profibus a ASI. Schéma je na obr.1. Internet
Internet
Klient MSIE HT TP
Klient MSIE HTTP
In te rnet
Internet
Server UTB
Klient MSIE HT TP
PC server CW5 OPC Server Switch U 51
LAN U5
SIMATIC D ATALA B SIMATIC WINC C CW5 WINC C mod el DE 1
mod el DE 2
mod el DE 3
SIMATIC WINC C
SIMATIC WINC C
TCP/IP RS2 32
mod el DE 4
mod el D E7, DE8
mod el RS2 32
SIMATIC LOGO mod el DE 9
LAN U1 Switch U 1 D ATALA B CW5 mod el DE 5
Obr.1 Topologie systému LABI
Reálné modely v systému LABI jsou: - regulace teploty (model DE1) - teplárenská soustava (model DE2) - průtokoměry (model DE3) - spojité řízení motoru (model DE4) - biochemický proces (model DE5) - propojení RS232-Internet (model DE6) - komunikace ASI- Ethernet (model DE7) - hladiny (model DE8) - měření světelného záření (model DE9). Modely DE1, DE2, DE3, DE4, DE6, DE7/8/9 jsou umístěny v areálu U5 (budova Jižní svahy) a úloha DE5 bude umístěna v budově U1 (budova FT). Řídicí systém systému LABI zajišťuje jednak úlohy napojení na síť internet, jednak řízení, regulaci, dálkové měření, sběr dat, vizualizaci, archivaci dat pro všechny modely technologických procesů. Prostředí PC server je propojeno přes síť LAN s řídicími jednotkami SIMATIC (úlohy DE1, DE3, DE4, DE7/8/9) a s řídicími jednotkami DATALAB (úlohy DE2 a DE5). Programové prostředky systému LABI a jednotlivých úloh jsou vytvořeny v prostředí CONTROL WEB, WINNCC a dalších softwarových prostředcích .
Úloha DE1 – regulace teploty Plní funkci studia a demonstrace reálného systému s uzavřeným okruhem regulace teploty. Zařízení obsahuje regulovanou soustavu s dopravním zpožděním a rozloženými parametry. Soustava je vytvořena jako tepelný proces se zdrojem tepla, oběhovým čerpadlem, třícestným regulačním ventilem , spotřebičem. Regulátor je kompaktní programovatelný číslicový regulátor s možností dálkového parametrizování. Akčním členem je jednotka pro ovládání napětí 230V/50 Hz elektrické energie. Měřené veličiny na soustavě (teploty T1, T2, T3, T4, poloha ventilu Y1) jsou napojeny na vstupní stranu centrální jednotky, jako analogové signály. Centrální typ SIMATIC S7-300.. Propojení typu PROFIBUS je mezi PLC a regulátorem.
Úloha DE2 – teplárenské procesy Složité experimentální zařízení úlohy DE2 representuje základní sestavu modelu teplárenského procesu. Úloha se skládá s primárního okruhu reprezentující zdroj tepelné energie a ze sekundárního okruhu znázorňující soustavu spotřeby tepla. Centrální jednotka je použita typu průmyslového personálního počítače- IPC. Jedná se o výrobek DATALAB od výrobce MORAVSKÉ PŘÍSTROJE. Má 24 analogových vstupů a 8 analogových výstupů. Měřené veličiny jsou teploty, tlaky, poloha ventilů, průtoky.
Uživatel po zvolení experimentu DE1, po potvrzení zájmu provést práci s úlohou a po přihlášení se dále rozhodne, zda bude provádět práci na DE1 v režimu identifikace regulovaných soustav nebo v režimu s automatickou regulací volené teploty v primární části a v sekundární části jako v systému s dopravním zpožděním a s rozloženými parametry. Uživatel po provedení experimentu nebo i během jeho činnosti provádí přesun zvoleného souboru s naměřenými daty o provedeném experimentu do prostředí EXCEL a provede si vlastní vyhodnocení, např. - pro režim I přechodovou charakteristiku a obrazový přenos, - pro režim regulace kvalitu regulace pro zvolené hodnoty a pro skokovou změnu regulace z výchozího stavu na hodnotu zadané teploty po dobu nastaveného času..
Úloha DE3 – průtokoměry Úloha umožňuje představit 4 různé typy průtokoměrů, pracovat s nimi a studovat jejich funkci a parametry. V cirkulačním okruhu je: - průtokoměr indukční , - průtokoměr hmotnostní Coriolisův, - průtokoměr průřezový s komorovou clonou, - průtokoměr plováčkový, - měření tlakové ztráty na průtokoměrech. - Propojení typu PROFIBUS je mezi PLC a průtokoměrem indukčním, Coriolisovým a snímačem diference tlaku u průřezového průtokoměru.
Úloha DE4 – asynchronní motory a řízení jejich otáčení Spojité řízení asynchronních motorů představuje úloha DE4. Sestava úlohy obsahuje hnací asynchronní motor se spojitým integrovaným frekvenčním měničem a hnaný motor s externím frekvenčním měničem. Motor podle zadaného otáčení překonává odporový moment motoru podle jeho nastaveného otáčení. Elektronika frekvenčních měničů umožňuje
měřit i příkony pro motor hnací, příkon pro motor hnaný a počet otáčení . Frekvenční měniče jsou napojeny sběrnicí PROFIBUS na centrální jednotku typu SIMATIC S7300. Uživatel po zvolení experimentu DE4 a po přihlášení se dále rozhodne, zda bude provádět práci na DE4 v režimu lokálním pro ručně nastavené parametry měničů nebo pro režim automatický s postupným zvyšováním otáčení od minima po maximum v krocích a v daných intervalech pro oba motory.
Úloha DE5– biochemické procesy Model DE5 je určen pro provozování biochemických procesů. Technologickým zařízením je fermentor typ LF20. Základní provoz fermentoru se bude týkat bio technologických procesů, např. biologického zpracování odpadních vod a vodorozpustných organických látek ve vodním aerobním prostředí. Hlavními kriterii pro sledování a řízení takových procesů jsou vedle substrátové kinetiky. Pro provoz úlohy DE5 jsou navrženy měřicí obvody základních parametrů bioprocesů, od teploty až po elektrochemické veličiny a obvody řízení a regulace. Systém automatizace zajišťuje funkce: - automatické měření a sběr měřených dat v nastavené periodě vzorkování - archivace měřených dat v lokálním archivu - dálkový přístup přes síť internet jednak pro čtení a přenos dat z lokálního archivu, jednak pro zadání vstupních parametrů a akčních veličin biochemického procesu, - lokální řízení a práce s fermentorem přes lokální PC nebo notebook. Úloha DE5 je provozována v systému LABI ve třech režimech: Obsluha_DE5, Student a Klient.
Úloha DE6 – propojení RS232 a Ethernet Úloha DE6 umožní řešit propojení techniky s výstupem RS232 na síť Ethernet. Pro propojení je použita jednotka, typ RS/ETHERNET. Úloha je připravena napojovat různá laboratorní zařízení s rozhraním RS232 z různých předmětů.
Úloha DE7 – Hierarchický systém řízení a komunikace Úloha DE7 tvoří systém pro víceúrovňové komunikační propojení mezi systémy automatizace. Blokové schéma zapojení DE7 je na obr. 7.1. S7 - 200 CPU 224 XP 230V
CP 243-2
CP 243-1
PS 307 24V DC
2AI 14DI 1AO 10DO DE 8
Ethernet
AS-I
LOGO PG Pentium notebook
2AI 8DI
LOGO
4DO
4DO 2AI
2AO
2AI
8DI DE 9
Obr.7.1: Blokové schéma centrální jednotky PLC úlohy DE7 Model PLC od fy. SIEMENS je typu SIMATIC S7 – 200, jehož moduly jsou znázorněny jednotlivými bloky. Jádro SIMATICu tvoří modul CPU 224XP. Pomocné moduly pak tvoří analogově výstupní moduly (EM232) a komunikační moduly (CP243-1 a 2). Přímo na V/V CPU je napojena úloha Druhý modul CP243-2 vytváří síť AS-I a třetí modul CP243-1 zajišťuje propojení na Ethernet. Na síť AS-I jsou napojeny dvě jednotky mikro PLC LOGO a jednotka analogových vstupů. Na druhé LOGO je napojena úloha DE9.
Úloha DE8 – Soustava hladin v zásobnících Projekt DE8 tvoří jeden ze dvou reálných experimentů využívající přímé napojení na úlohu DE7. Úloha DE8 umožní práci s jednoduchou soustavou hladin ovládaných ve dvou zásobnících. Ponorné čerpadlo tlačí tekutinu z dolní zásobní nádrže do dvou sledovaných nádrží. Výška hladiny v nádržích se snímá pomocí kapacitních hladinoměrů. Podle polohy nastavení výpustných ventilů se řídí plnění hladin. Vstupy a výstupy z této soustavy jsou napojeny na centrální jednotku PLC, která je součástí struktury úlohy DE7. Provoz úlohy DE8 má dva režimy: identifikace a režim automatický s regulací výšky hladiny.
Úloha DE9 – Zdroje světla Projekt DE9 tvoří druhý ze dvou reálných experimentů využívající úlohy DE7, resp. jejího specifického propojení ASI a vyšší úroveň komunikace mezi systémy automatizace. Úloha DE9 umožňuje řídit 4 různé typy zdrojů světla. Jsou to jdvě klasické čiré žárovky o příkonu 15W a úsporné kompaktní zářivky o příkonu 15 W. Intenzita osvětlení je snímána luxmetrem. Čtyři zdroje světla jsou ovládány přímo reléovými výstupy z jednotky LOGO a intenzita osvětlení snímaná luxmetrem s výstupem napojeným přímo na sběrnici AS-I. Provoz úlohy DE9 má dva režimy: lokální pro manuálně nastavované kombinace zdrojů světla a měření jejich intenzity osvětlení a režim automatický s postupným přepínáním daných kombinací zdrojů.
Výstupy řešení Projekt LABI bude sloužit moderním způsobem studentům i vyučujícím. Novinkou je, že LABI bude používáno i v dálkovém přístupu. Nebude nutná fyzická přítomnost studenta u modelu. Rozšíří se tak využitelnost reálných modelů a zvýší se také ekonomická efektivnost investic do projektu. Nové laboratoře Labi se budou uplatňovat při výuce oboru Řízení procesů a Aplikované informatiky a nově mezioborově i v oblasti ekologie a ochrany životního prostředí. Náplní výuky zde jsou čistírenské procesy a způsoby likvidace kapalných odpadů. V rámci tohoto oboru bude využito LABI i pro doktorské studium. Nové laboratoře mají nový význam i pro vyučující. Během své přednášky si může vyučující použít přístup na úlohy. Může demonstrovat praktickou stránku probírané látky, může ukázat funkci modelů a použít LABI jako praktickou pomůcku. Systém LABI budou také využívat studenti doktorského studia. Budou to experimentální a výzkumné práce podle plánu studia. Takto bude možné zajistit podrobnější a hlubší řešení problematiky, bude možné provádět praktické cvičení bez fyzické přítomnosti studenta a učitele u modelu nebo ve škole a může trvale být v kontaktu s procesem.
