Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Laboratoře integrované automatizace na UTB ve Zlíně

Laboratoře integrované automatizace na UTB ve Zlíně

Systém s názvem Laboratoře integrované automatizace (dále jen Labi) je vybudován na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně (UTB) [1], [2]. Jde o sestavu laboratoří s reálnými fyzickými modely přístupnými přes internet s možností globálního využívání v českém a anglickém jazyce, vybudovanou s ohledem na současné světové trendy jak v technice, tak i ve výuce. V současném stavu obsahuje Labi celkem devět základních řídicích úloh. V článku jsou stručně popsány celková struktura a systém řízení Labi a podrobněji některé vybrané úlohy. Předpokládá se, že čtenář s hlubším zájmem o systém má přístup k internetu, kde na webové adrese http://labi.fai.utb.cz najde podrobný popis Labi i cestu k jednotlivým úlohám.

Struktura a základy práce s Labi

Systém Labi obsahuje nyní, po ukončení první etapy vývoje a realizace, celkem devět úloh z různých oblastí řídicí techniky a k nim příslušná reálná technologická zařízení (modely DE1 až DE9). Názvy, označení příslušných fyzikálních modelů a souhrnné charakteristiky úloh jsou uvedeny v tab. 1. Současné funkční úlohy DE1 až DE9 představují základ Labi. Počet úloh v Labi není neměnný a v dalších etapách rozvoje systému bude možné k základním přidat ještě další úlohy.

Tab. 1. Úlohy aktivní na reálných modelech v systému Labi

Poř. číslo

Název úlohy

Označení modelu

Charakteristika úlohy

1

Regulace teploty

DE1

studium a demonstrace reálného systému s uzavřeným okruhem regulace teploty s regulovanou soustavou s dopravním zpožděním a rozloženými parametry

2

Teplárenská soustava

DE2

základní sestava modelu teplárenského procesu s primárním okruhem jako zdrojem a sekundárním okruhem jako spotřebičem tepla

3

Měření průtoku

DE3

umožňuje měřit průtok průtokoměry čtyř typů a jejich tlakovou ztrátu

4

Řízení otáček motorů

DE4

ovládání asynchronních motorů s integrovaným měničem frekvence při práci do zátěže

5

Biochemické procesy

DE5

provozování biochemických procesů s využitím fermentoru typu LF201); jde o specifickou úlohu; používá se jak pro výuku, tak pro výzkum a vývoj technologie bioprocesů

6

Propojení RS-232 – Labi

DE62)

umožňuje připojit k síti Ethernet/Labi různá zařízení s rozhraním RS-232

7

Propojení Profinet – AS-Interface

DE7

seznamuje se sběrnicí AS-Interface a s komunikací na vyšší úrovni mezi řídicími systémy, popř. až k Ethernetu

8

Řízení soustavy hladin

DE8

řízení polohy hladin v soustavě tří zásobníků prostřednictvím několikaúrovňového spojení AS-Interface – Ethernet (ve vazbě na model DE7)

9

Řízení zdrojů světla

DE9

ovládání čtyř různých typů zdrojů světla s použitím sběrnice AS-Interface (ve vazbě na model DE7)


1) Jde o specifickou úlohu využívanou jak pro výuku, tak i pro výzkum a vývoj technologie bioprocesů, která bude následně podrobněji představena v samostatném článku.
2) Úloha DE6 je v rekonstrukci

Systém je určen pro výukové i výzkumné účely. Používat ho lze prostřednictvím internetu nepřetržitě po 24 hodin denně, sedm dní v týdnu. Po zadání uvedené adresy http://www.labi.fai.utb.cz může zájemce na zobrazené stránce volit podrobný popis systému Labi, popř. již vybrat konkrétní úlohu, kterou hodlá použít: provést měření, ověřit již provedený experiment, studovat či – v roli přednášejícího – demonstrovat vybrané otázky, problémy či závislosti týkající se fungování modelu, měřicích řetězců či regulačních smyček a prostředků apod. Ke zvolené úloze se dostane po přihlášení zvoleným jménem a heslem. Tím získá přístup k podrobnému popisu, zadání vstupních parametrů i vlastnímu ovládání úlohy.

Systém řízení Labi

Řídicí systém Labi je určen k řízení a vizualizaci systému Labi i ostatních funkcí modelů technologických procesů v něm obsažených. Jde o heterogenní systém používající:

  • server Labi na bázi PC s uživatelským softwarem založeným na produktu Control Web,

  • průmyslové počítače (IPC) s aplikačními programy Datalab v prostředí Control Web,

  • programovatelné automaty (PLC) se softwarem vyvinutým v prostředí Step7,

  • měřicí podsystém s moderními snímači technologických veličin,

  • podsystém ovládání s regulačními ventily a s fázovým řízením toku elektrické energie.

Obr. 1.

Obr. 1. Toky dat v systému Labi (CW5 – Control Web v. 5)

V systému Labi je snímán a vyhodnocován velký počet parametrů a údajů, jejichž přenosy zajišťuje systém řízení způsoby naznačenými na obr. 1. Server Labi (PC) je prostřednictvím místí sítě (LAN) spojen s řídicími jednotkami typu IPC Datalab (úlohy DE2 a DE5) a PLC (Siemens Simatic, úlohy DE1, DE3, DE4, DE7/8/9). Specifická je úloha DE6, umožňující připojit libovolné zařízení s rozhraním RS-232 k LAN, a tudíž do systému Labi.

Uživatelé systému pracují s konkrétní vybranou úlohou přímo podle své potřeby. Výjimkou je úloha DE5, jejíž uživatelé jsou kategorizováni jako „obsluha DE5“, „student“ a „klient“ s různými právy.

Obr. 2.

Obr. 2. Model DE5 (fermentor pro biochemické experimenty) při slavnostním spuštění systému Labi (zdroj: Moravské přístroje a. s.)
Obr. 3. Schéma modelu DE1 – regulace teploty

Modely DE1, DE2, DE3, DE4, DE6 a DE7/8/9 jsou umístěny v různých místnostech areálu U5 UTB (budova Jižní svahy). Úloha DE5 fyzicky pracuje v budově U1 UTB (budova Fakulty technologické UTB), vzdálené asi 3 km (obr. 2). Všechny jednotky systému jsou propojeny intranetem UTB. Síť LAN ve všech budovách UTB je typu Ethernet 100/1000 Mb/s. K vzájemnému propojení jsou použita zařízení s přepínači. Toto uspořádání umožňuje začlenit do systému Labi modely připojené k různým segmentům sítě v různých budovách UTB.

Vybrané úlohy z Labi

Z úloh DE1 až DE9 je s cílem ilustrovat možnosti systému Labi s ohledem na omezený prostor k popisu v časopise vybrána úloha DE1 – regulace teploty, a to včetně způsobu jejího ovládání, a dále modely DE3 – měření průtoku a DE7 – propojení Profinet – AS-Interface. Úloze DE5 – biochemické procesy bude pro její specifické rysy věnován zvláštní článek v některém z příštích čísel časopisu.

Obr. 3.

Úloha DE1 – regulace teploty
Úloha DE1 s názvem Regulace teploty umožňuje demonstrovat a studovat chování reálného systému s uzavřeným okruhem regulace teploty. Po stručném představení modelu DE1 je dále popsán způsob, jakým ho lze v rámci Labi používat.

Uspořádání modelu DE1
Reálný model obsahuje regulovanou soustavu s dopravním zpožděním a rozloženými parametry podle obr. 3, tvořenou zdrojem tepla E1, oběhovým čerpadlem E2, třícestným regulačním ventilem Y1, meandrem z měděného potrubí a spotřebičem tepla. Dopravní zpoždění lze nastavit změnou rychlosti otáček čerpadla E2 a polohy regulačního ventilu Y1. Teploty reprezentující stav soustavy s rozloženými parametry lze nastavit rozdělením toku tekutiny do soustavy a do obtoku.

Součástí modelu je dále kompaktní číslicový regulátor U1 (číslicový PID, typ Sipart DR21), regulující na žádanou hodnotu w regulovanou veličinu y, kterou je zvolená z teplot B2, B3 nebo B4. Výstupem z U1 je ovládán spojitý elektronický regulátor střídavého efektivního napětí (K1) v napájení elektrického ohřevu oběhové vody. Měřené teploty B1, B2, B3 a B4 jsou přivedeny jako analogové signály do centrální řídicí jednotky, kterou je PLC Simatic S7-300, z jejíchž výstupů jsou ovládány akční členy. Zadané hodnoty jsou přenášeny z PLC do regulátoru U1 prostřednictvím serveru OPC a sběrnice Profibus. Model DE1 lze provozovat ve dvou režimech, kterými jsou:

  • režim I: režim identifikace regulované soustavy,

  • režim A: činnost uzavřeného regulačního okruhu s automatickou regulací zvolené teploty v soustavě s dopravním zpožděním a s rozloženými parametry.

Práce s modelem DE1

Uživatel na stránce http://labi.fai.utb.cz zvolí úlohu DE1, potvrdí zájem s ní pracovat a po přihlášení vybere požadovaný pracovní režim I nebo A (obr. 4).

Obr. 4.

Obr. 4. Parametrizace úlohy DE1

Režim I umožňuje soustavu experimentálně identifikovat zavedením skokové změny. Naměřená data jsou automaticky archivována se zvolenou periodou vzorkování. Úloha se zastaví buď na povel uživatele nebo automaticky po uplynutí nastavené doby. Pro režim I se zadává:

  • příkon topení (5 až 10 %),
  • otevření ventilu (5 až 100 %),
  • perioda měření (vzorkování, archivování) v rozmezí 1 až 10 minut.

V režimu A probíhá automatická regulace vybrané teploty (B1, B2, B3 nebo B4) na požadovanou hodnotu. Regulační pochod je stabilní nebo nestabilní, podle zadaných parametrů regulátoru. Uživatel může z jeho průběhu vyhodnotit příčinu nestability nebo horší kvality regulace. Pro režim A se zadává (s možností změny za chodu úlohy):

  • regulovaná teplota (jedna z teplot B1, B2, B3 a B4),
  • žádaná hodnota regulované teploty,
  • typ regulace (PID, nespojitá dvoupolohová, třístavová, PWM),
  • zesílení regulátoru (1 až 100 %),
  • integrační časová konstanta regulátoru (0,1 až 100 s),
  • derivační časová konstanta regulátoru (1 až 10 s),
  • otevření ventilu (5 až 100 %),
  • perioda měření (vzorkování, archivování: 1 až 10 min).

Během experimentu je zobrazeno schéma modelu s body, v nichž lze zobrazit měřený (žádaný) údaj. Zadaná i naměřená data lze během experimentu zobrazovat v podobě tabulky nebo grafu. Experiment může probíhat až 1 h (režimu I), popř. až 2 h (režimu A), s dobou do nového spuštění nastavenou asi na 0,5 h. Pracovat lze těmito způsoby:

  • uživatel má trvale zapnutý prohlížeč a sleduje běžící úlohu,

  • uživatel vypne prohlížeč nebo i počítač a úloha běží dál (není sledována uživatelem),

  • uživatel zastaví úlohu (tlačítkem STOP), tím se vrátí na úvodní stránku a odtud pokračuje jiným standardním způsobem (volba jiné úlohy atd. až např. vypnutí PC uživatele).

Obr. 5.

Obr. 5. Schéma modelu DE3 – měření průtoku

Uživatel po ukončení, popř. i za chodu experimentu přesune zvolený soubor s naměřenými daty do prostředí Microsoft Excel k výpočtu např. přechodové charakteristiky a obrazového přenosu (u režimu I) nebo kvality regulace pro zadané podmínky (u režimu A).

Obdobně jako s modelem DE1 se pracuje i s ostatními modely, s výjimkou již zmíněného modelu DE5.

Model DE3 – měření průtoku
Model DE3 umožňuje měřit průtok čtyřmi různými typy průtokoměrů a studovat jejich funkci a parametry. Příslušný model je tvořen hydraulickým okruhem, který obsahuje (obr. 5):

  • čerpadlo E1 a regulační ventil Y1,
  • indukční průtokoměr B1 s rozhraním Profibus,
  • Coriolisův hmotnostní průtokoměr B2 s rozhraním Profibus,
  • plováčkový průtokoměr B4,
  • snímače B5, B6 a B8 tlakové ztráty na průtokoměrech B1, B2 a B4 (po řadě),
  • průřezový průtokoměr B3 s komorovou clonou se snímačem rozdílu tlaků (B7) s rozhraním Profibus.
Obr. 6.

Obr. 6. Schéma modelu DE7 – propojení Profinet – AS-Interface

Průtokoměr B4 a snímače rozdílu tlaků B5, B6 a B7 jsou k centrální řídicí jednotce PLC Simatic S7-300 připojeny analogově, průtokoměry B1, B2 a snímač rozdílu tlaků B3 sběrnicí Profibus. Ventil Y1 je ovládán z PLC analogově. Model DE3 lze provozovat ve dvou režimech:

  • režim L: lokální režim, tj. konstantní průtok zadané velikosti,

  • režim A: automatický režim s postupným zvětšováním průtoku od minima po maximum v zadaných krocích a časových intervalech.

Model DE7 – propojení Profinet – AS-Interface
Na modelu DE7 se lze seznámit se sběrnicí AS-Interface a s formami komunikace na vyšší úrovni mezi řídicími systémy, popř. i po Ethernetu (obr. 6). Základem modelu je PLC Simatic S7-200 s komunikačním rozhraním jak pro síť LAN/Ethernet, tak pro sběrnici AS-Interface, k níž jsou připojeny dva řídicí mikromoduly typu LOGO! a analogový signál z modelu DE9. Ke vstupům a výstupům jednotky S7-200 je současně připojen model DE8 a k jednomu z modulů LOGO! model DE9. Programové vybavení zahrnuje Simatic Net – OPC Server, Simatic PDM, Basic SW v. 5.2, OPC Server S7-200, Soft Comfort v. 5.0, Simatic Net PB a WinCC Flexible 2004.

Způsob řešení projektu Labi

Projekt Labi byl řešen v týmu řešitele a dodavatelů po těchto etapách:

  • vypracování projektového úkolu,
  • vypracování projektového zadání pro části: PC server, řídicí systém Datalab pro úlohy DE2 a DE5, řídicí systém Simatic pro úlohy DE1, DE3, DE4, DE7/8/9, propojení pro úlohu DE6,
  • projekty podsystémů měření a regulace pro jednotlivé úlohy,
  • systémová a programová struktura Labi a jednotlivých úloh,
  • pořízení, montáž a zapojení modelů,
  • uvedení do chodu a ověření úloh.

Projekt Labi byl realizován dodavatelsky. Důvodem byl požadavek na profesionální řešení se zárukou funkce po dobu alespoň dvou let.

Využití Labi

Programové vybavení Labi umožňuje na dálku sledovat a ovládat procesy na celkem devíti reálných modelech, a realizovat tak mnoho různých automatizačních úloh využitelných při výuce předmětů oboru automatizace a informatika na Fakultě aplikované informatiky UTB ve Zlíně.

Hlavním přínosem Labi je možnost zpřístupnit podrobnější a hlubší řešení problematiky systémů automatizovaného řízení při provádění praktických cvičení sice bez fyzické přítomnosti studenta a učitele u modelu, popř. ve škole, a přesto při jejich trvalém kontaktu s realizovaným procesem.

Studenti se nejenom mohou odkudkoliv prostřednictvím Labi seznamovat s prvky měřicí techniky, řídicími jednotkami a akčními členy, ale mohou také identifikovat regulované soustavy, sestavovat regulační obvody a tvořit programy pro řízení procesů (s použitím systému Control Web).

Systém Labi poslouží také studentům doktorského studia při jejich experimentální výzkumné práci. Dále najde uplatnění při výzkumné a vývojové činnosti pracovníků UTB v rámci grantů, projektů ministerstva, zakázek z oblasti péče o životní prostředí, z různých oblastí průmyslu apod. Zde se nabízejí témata jako výzkum nových algoritmů řízení, otázky nejistot měření, využití nových typů senzorů a jejich ověřování, technologické aspekty při projektování automatizačních systémů atd. V budoucnu bude možné dosavadní reálné modely v Labi rozšířit a přidat i nové úlohy podle požadavků výuky a výzkumu.

Závěr

Systém Labi – Laboratoře integrované automatizace, je výsledkem řešení projektu Fondu rozvoje vysokých škol, realizovaného během druhé poloviny roku 2005 a první poloviny roku 2006. Představuje systém reálných modelů mechanických, elektrických, termodynamických a chemických procesů. Součástí modelů je také automatizační technika a informatika. Systém je určen k použití při výuce předmětů oborů automatizace, nformatiky a inženýrství ochrany životního prostředí, a to jak studenty, tak vyučujícími. Jednotlivé úlohy lze použít i při řešení úkolů výzkumu a vývoje během doktorského studia nebo při ostatních výzkumných aktivitách univerzity.

Veškerá data jsou kdykoliv přístupná přes síť Internet kterémukoliv návštěvníkovi webové stránky projektu Labi. Systém je připraven k použití v češtině a v angličtině.

Literatura:
[1] HRUŠKA, F.: Internet a laboratoře integrované automatizace. Jemná mechanika a optika, 2006, roč. 51, č. 2, s. 43–46.
[2] HRUŠKA, F.: New laboratory of integrated automation. In: Proceedings of the 16th International DAAAM Symposium, Opatia, Croatia 19.–22. 10. 2005, pp. 165–166, ISBN 3-901509-46-1.

Odkazy na internet:
http://labi.fai.utb.cz

doc. Ing. František Hruška, Ph.D.,
ústav elektroniky a měření,
Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně
(hruska@fai.utb.cz)