Виртуальная платформа
Любую технологическую программу лучше тестировать на реальном оборудовании. Это позволяет найти неточности в коде и алгоритмах, которые заложены в его работу. На этапе подготовки специалистов, в процессе обучения, когда опыта программирования ПЛК еще недостаточно, лабораторные макеты играют важнейшую роль – развивают навык у инженеров предвидеть возможные последствия ошибки в программе. Для этого создаются макеты реальных устройств, станков или даже целых автоматизированных производственных участков.
Стенды фирмы ОВЕН и компании «CAMOZZI Automation»
На кафедре КИТАМ в лаборатории «Промышленной автоматизации и мехатроники им. С.В. Денисова »в учебный процесс внедрено несколько специализированных учебных стендов в которых промышленные программируемые логические контроллеры и средства автоматизации объединены с учебными макетами. Это и стенд фирмы ОВЕН «Автоматизация управления вентиляцией на производственном предприятии», Учебно-методические лабораторные комплексы от компании «CAMOZZI Automation» – «Пневматика», «Пневмоприводы и мехатроника».
Лабораторный макет штамповочного автомата
Также в лаборатории собственноручно преподавателями и студентами создаются комплекты учебного оборудования и исполнительных устройств для проведения лабораторных работ. С помощью таких комплектов постепенно создается действующая модель автоматизированного участка сбора средств радиоэлектроники для моделирования основных принципов работы современного производства в рамках концепции Industry 4.0.
Уже изготовлено и внедрено в учебный процесс такие макеты: учебный контроллер, программируемый; модуль дискретного ввода-вывода; модуль аналогового ввода; макет штамповочного автомата; макет световой колонны; модульный ПЛК в основе которого работает мини-ПК Raspberry PI.
Преимущество лабораторных макетов – это возможность наглядно увидеть результаты работы программы для ПЛК в действии на примере реального оборудования. Лаборатории макеты созданные для учебного процесса.
Создание визуального интерфейса в IDE Codesys
Особенности применения макетов – это их ограниченное количество и возможность работать с ними только при проведении лабораторных работ, или после обучения в научных студенческих кружках. Но, как показывает практика, некоторые студенты хотят продолжать исследования уже дома, выполняя индивидуальные задания, или изучающие внеплановые материалы. В таких случаях возникает закономерный вопрос – как обеспечить каждого желающего персональным лабораторным стендом. Ответ находится на поверхности: использовать виртуальные аналоги реальных макетов.
Концепция виртуальных макетов предусматривает возможность наиболее полно имитировать поведение реальных устройств. Это касается и анимации перемещения подвижных частей прибора и способов подключения к самому макету.
Некоторые интегрированные среды разработчика имеют встроенные средства визуализации с помощью которых инженер может создавать графические интерфейсы управления и отображения информации, получаемой от датчиков. Например, в IDE Codesys такой компонент Visualisation, который позволяет создавать различные экраны визуализации с помощью графических примитивов.
Есть и такие инструменты, которые позволяют только писать программный код на одной из технологических языков программирования, или на традиционной для программистов языке и не имеют никакой возможности визуального отображения состояния работы оборудования.
Дистанционное обучение внесло свои коррективы в график учебного процесса и показало важность каждой составляющей в подготовке современных специалистов «аппаратных» специальностей. Уже на первых неделях остро ощущалось отсутствие возможности использования специализированных макетов студентами дома при выполнении лабораторных работ. Поэтому было решено создать универсальную программную платформу для виртуализации уже существующих лабораторных макетов и разработки новых. В основу платформы была заложена возможность взаимодействия с виртуальным устройством через несколько коммуникационных протоколов: Serial Protocol, Modbus TCP / IP, Inter-Process Communication. Последний выбрано потому, что почти невозможно виртуальный макет интегрировать в существующий.
Также принимались во внимание компетенции профессиональной подготовки будущих специалистов, и современные тенденции разработки средств радиоэлектроники с использованием Arduino среди студентов и даже школьников.
Например, Serial Protocol широко используется во время сочетание периферийных устройств с контроллерами Arduino, а также не менее популярным в промышленной автоматизации. Реализация данного протокола в виртуальном макете дает возможность использовать его не только для соединения со средой разработки программного средства и отладки написанной программы, но и для самостоятельного использования программы, как независимого виртуального устройства.
Протокол Modbus TCP / IP используется в промышленности для соединения средств автоматизации в единую промышленную сеть. При создании программного обеспечения для проверки правильности функционирования с определенной версией ПЛК без наличия самого устройства в различных IDE встраивают возможность программной симуляции. Но, например, в интегрированной среде Codesys есть существенный недостаток – это не возможность протестировать алгоритм взаимодействия между несколькими устройствами с использованием коммуникационных протоколов, а также отсутствие прямого доступа из программы, работа которой симулируется, к объекту управления. Использование протокола Modbus TCP / IP в сочетании с Codesys Control Win V3, дает возможность совместить среду Codesys и виртуальный макет непосредственно в режиме симуляции.
В процессе обучения основам программирования ПЛК используется программное средство LDmicro. Этот проект динамично развивается, имеет открытый исходный код, и превращает обычный микроконтроллер в «промышленный» контроллер, программируемый с помощью технологической языка LD. Сейчас этот проект уже распространился на такие семейства, как AVR, PIC, STM, ESP, Arduino. Таким образом, студенты могут использовать имеющиеся у них модули на базе указанных микроконтроллеров для самостоятельной сборки средств автоматизации их собственных проектов. Наличие открытого кода позволило сделать необходимые изменения в работе программы и добавить такую функцию, как обмен данными между совсем независимыми программами через именованные каналы (Named Pipes) с помощью технологии IPC (Inter-Process Communication).
Соединив все эти технологии удалось создать универсальную платформу для дальнейшего развития виртуализации лабораторных учебных макетов. Она состоит из трех уровней: коммуникационного, обработки данных, визуализации.
Общий коммуникационных уровень используется для взаимодействия со сторонними программными средами разработки технологических программ, или даже с аппаратными средствами.
Уровень накопления и обработки данных используется для обмена информацией между нижним и верхним уровнями. На данном уровне выполняется интерпретация переменных, используемых в технологической программе и массивами данных, с которыми работают графические компоненты.
Визуализация процесса происходит на верхнем уровне. Он создается средствами программирования на языке C # и его внешний вид зависит от принципа действия того макета, действие которого симулируется и может быть реализована как 3D или 2D-анимация. С помощью встроенного редактора свойств назначаются переменные и закрепляются за соответствующими графическими компонентами. В дальнейшем, полученные данные визуализируются, а динамические компоненты, например, кнопки, генерируют поток информации, которая влияет на ход работы технологической программы. Таким образом происходит эмуляция работы реального устройства.
Такая структура позволила разрабатывать различные виртуальные макеты с нужным графическим наполнением, но основываясь на общем принципа взаимодействия со средствами разработки технологических программ, заложено на нижних уровнях. Постепенно дополняя коммуникационный уровень поддержкой новых протоколов, будет расширяться сфера применения уже существующих виртуальных макетов.
(с) проф. кафедры КИТАМ Новоселов С.П.
