Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ИК
______
“____”_______2011г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Промышленные контроллеры
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: Автоматизация технологических процессов и производств (б).
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Автоматизация технологических процессов и производств в нефтегазовой отрасли
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 4; СЕМЕСТР 8;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 4
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Дискретная и микропроцессорная техника»; «Электроника»; «Информатика»; «Вычислительные машины, системы и сети »; «Технологические процессы и производства ».
КОРЕКВИЗИТЫ: «Проектирование автоматизированных систем».
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 24 часов
Лабораторные занятия 36 часов
Аудиторные занятия 60 часов
Самостоятельная (внеаудиторная) работа 60 часов
Итого 120 часов
Форма обучения очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: зачет 8-ом семестре.
Обеспечивающая кафедра: «Интегрированные компьютерные системы управления»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. т.н., профессор
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. т.н., доцент
2011
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины студент приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1 – Ц5 основной образовательной программы «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ».
Дисциплина нацелена на подготовку студентов к:
- разработке средств, способов и методов науки и техники, направленных на автоматизацию действующих и создание новых автоматизированных и автоматических технологий и производств (Ц1);
- разработке и исследованию средств и систем автоматизации и управления различного назначения, в том числе жизненным циклом продукции и ее качеством, применительно к конкретным условиям производства на основе отечественных и международных нормативных документов (Ц2);
- исследованию в области проектирования и совершенствования структур и процессов промышленных предприятий в рамках единого информационного пространства (Ц3);
- созданию и применению алгоритмического, аппаратного и программного обеспечения систем автоматизации, управления и контроля технологическими процессами и производствами, обеспечивающих выпуск высококачественной, безопасной, конкурентоспособной продукции освобождающих человека полностью или частично от непосредственного участия в процессах получения, трансформации, передачи, использования, защиты информации и управления производством (Ц4);
- исследованию с целью обеспечения высокоэффективного функционирования средств и систем автоматизации, управления, контроля и испытаний заданным требованиям при соблюдении правил эксплуатации и безопасности (Ц5).
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к дисциплинам профиля «Автоматизация технологических процессов и производств в нефтегазовой отрасли». Она непосредственно связана с дисциплинами: «Автоматизация технологических процессов и производств»; «Микропроцессорная техника. Кореквизитом является «Проектирование автоматизированных систем».
3. Результаты освоения дисциплины
При изучении дисциплины студенты должны:
Р1. Демонстрировать глубокие знания в области анализа и проектирования, достаточные для решения научных и инженерных задач автоматизации объектов нефтегазовой отрасли
Р2. Воспринимать, обрабатывать, анализировать и обобщать научно-техническую информацию, передовой отечественный опыт в области теории и проектирования систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами нефтегазовой отрасли.
Р3. Применять полученные знания для решения инновационных инженерных задач при разработке, производстве и эксплуатации современных систем автоматизации технологических процессов и производств (в том числе интеллектуальных) с использованием передовых научно-технических знаний и достижений мирового уровня, современных инструментальных и программных средств, обеспечивающих конкурентные преимущества этих систем в условиях жестких экономических, социальных и других ограничений.
Соответствие результатов освоения дисциплины формируемым компетенциям ООП представлено в таблице
Формируемые компетенции в соответствии с ООП | Результаты освоения дисциплины |
ОК-10 ОК-17 ПК-1 ПК-3 ПК-7 ПК-39 ПК-40 ПК-41 | В результате изучения дисциплины студент должен: иметь представление: · об основных проблемах и задачах, возникающих при создании и интеграции различных систем АТПП на базе промышленных контроллеров (Р1); знать и уметь использовать: · основы технологии проектирования, производства и эксплуатации промышленных контроллеров (Р2); · классификацию и сравнительные характеристики современных промышленных контроллеров, с целью их использования в решении задач автоматизации технологических процессов и производств (Р2); иметь опыт: · анализа эксплуатационных характеристик средств и систем АТПП с целью выработки требований по их модификации (Р3); · комплексирования технологических и программных средств, создания аппаратно-программных комплексов систем автоматизации и управления ( Р3); |
Расшифровка кодов формируемых компетенций представлена в Основной образовательной программе подготовки бакалавров по направлению 220700 «АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ» (м).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения
№ | Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС | Итого | Формы текущего контроля и аттестации | ||
Лек-и | Практ. зан. | Лаб. | |||||
1 | Промышленные контроллеры в структуре АСУТП | 3 | 12 | 3 | 30 | Семинар | |
2 | Сети промышленных контроллеров | 3 | 12 | 3 | 30 | Отчет по лабораторным работам | |
3 | Программирование промышленных контроллеров | 3 | 12 | 3 | 30 | Отчет по индивидуальному заданию | |
4 | Промежуточная аттестация | зачет | |||||
Итого | 9 | 36 | 9 | 90 | 144 | ||
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
4.2. Содержание разделов дисциплины
МОДУЛЬ 1. Промышленные контроллеры в структуре АСУТП
Введение
Задачи и содержание курса «Промышленные контроллеры», его место в подготовке бакалавров направления 220700 – «Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтегазовой отрасли)». Объекты автоматизации в нефтегазовой отрасли. Цели автоматизации технологических объектов. Общая постановка задачи интеграции подсистем автоматизации.
Промышленная автоматика, промышленный ПК,
промышленный контроллер.
Основные характеристики и особенности использования промышленных контроллеров, промышленных компьютеров и ПЛК в области автоматизации. Сравнительные характеристики и оценки, стандартизация в области аппаратных платформ и шинных интерфейсов, современные аппаратные платформы для решения задач АТПП.
Архитектура промышленных контроллеров
Определения микроконтроллеров и промышленных контроллеров. Назначение и область применения микроконтроллеров и промышленных контроллеров. Обобщенная структурная схема микроконтроллера и промышленного контроллера Назначение их отдельных устройств: центрального процессора, генератора тактовых импульсов, параллельных портов ввода и вывода информации, последовательных портов, контроллера локальной вычислительной сети, аналого-цифровых преобразователей, каналов с широтно-импульсной модуляцией выходных сигналов, таймеров, шин адреса, данных и управления, внутренней и внешней памяти, контроллера прерываний. Центральный процессор. Программно-логическая модель центрального процессора. Назначение и общая характеристика отдельных устройств центрального процессора. Арифметико-логическое устройство. Регистры специального назначения. Регистры общего назначения.
Роль абстрактной модели OSI
Абстрактная модель OSI для сетевых коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Различные уровни сетевой модели OSI, взаимодействие уровней.. Доступ к сетевым службам, представление и кодирование данных, управление сеансом связи, транспортный уровень, логическая адресация, физическая адресация, бинарная передача.
МОДУЛЬ 2. Сети промышленных контроллеров
Промышленные контроллеры представленные на российском рынке
Программируемые логические контроллеры компаний Siemiens AG, Bernecker&Rainer, Delta Electronics, Rockwell Automation, Schneider Electric, Omron, Advantech, GE Fanuc, НПП Автоматика-С, Овен. Характеристики и особенности применения в задачах автоматизации промышленного производства
Выбор средств коммуникации
Последовательный интерфейс передачи данных RS-485. Полевые шины на основе RS-485. Протоколы ProfiBus и ModBus. Режим последовательной передачи ModBus RTU. Промышленные сети Industrial Ethernet, HART, AS-Interface. Промышленная сеть CAN, виды кадров, механизм контроля ошибок, протоколы высокого уровня CAN.
Топология линий связи промышленной сети
Понятие топологии сети, кольцевая топология, шинная топология, звездообразная топология, древовидная топология. Их достоинства и недостатки. Системы адресации узлов промышленной сети. Коммутация, определение маршрутов, метод коммутации пакетов, метод коммутации каналов.
Среды передачи информации
Кабели на основе витых пар. Коаксиальные кабели. Оптоволоконные кабели. Бескабельные каналы связи, радиоканал передачи информации, инфракрасный канал передачи информации. Согласование, экранирование и гальваническая развязка линий связи в промышленных сетях.
МОДУЛЬ 3. Программирование промышленных контроллеров
Проектирование программного обеспечения ПЛК
Разработка программного обеспечения ПЛК. Языки программирования IEC 1131. Конфигурирование модулей ввода/ вывода ПЛК. Структурная схема взаимосвязи программного обеспечения устройств полевого уровня - ПЛК - SCADA.
Языки программирования стандарта IEC 1131-3
Графические языки программирования Язык релейной (лестничной) логики Ladder Diagram. Язык функциональных блоков FBD. Язык диаграмм состояний SFC. Текстовые языки программирования. Язык программирования ПЛК IL (Instruction List). Язык программирования ПЛК Structured Text (ST).
Система программирования OpenPCS
Редактор POU. Синтаксически-управляемый редактор описания. Описание в синтаксически-управляемом режиме. Ввод программы на языках IL, LD, FBD, ST. Сохранение программы. Проверка синтаксиса Исправление ошибок. Редактирование программы. Менеджер системы Workbench.
Непрерывная функциональная схема
Стили и символы. Структура OPENCFC-редактора. Создание и редактирование программы. Программы отладки в режиме онлайн. Последовательность выполнения. Изменение интерфейса блока. Составные блоки. Языковые расширения.
4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по модулям дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины (модули) | ||||
1 | 2 | 3 | ||||
1. | ОК-10 | х | ||||
2. | ОК-17 | х | ||||
3. | ПК-1 | х | ||||
4. | ПК -3 | х | ||||
5. | ПК -7 | х | ||||
6. | ПК-39 | х | ||||
7. | ПК-40 | х | ||||
8. | ПК-41 | х | ||||
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности студентов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.
Методы и формы активизации деятельности | Виды учебной деятельности | ||||
ЛК | Семинар | ЛБ | КС | СРС | |
IT-методы | х | х | х | х | х |
Командная работа | х | х | х | х | |
Индивидуальное задание | х | х | |||
Защита рефератов | х | х | х | ||
Опережающая СРС | х | х | х | х | |
Подготовка докладов на конференции | х | х | х |
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
- изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с использованием компьютерных технологий;
- самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;
- закрепление теоретического материала при проведении лабораторных работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC)
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
- работе студентов с лекционным материалом, поиске и анализе литературы и электронных источников информации по заданной проблеме и выбранной теме выпускной квалификационной работы,
- выполнении индивидуальных заданий,
- изучении теоретического материала к лабораторным занятиям и подготовке ответов на контрольные вопросы по лабораторным работам,
- подготовке докладов на научно-практические конференции российского и международного уровня,
- переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков,
- подготовке к экзамену.
6.2 Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
- поиск необходимых сведений о компонентах промышленных сетей в сети Internet,
- поиск дополнительной информации о современных промышленных контроллерах
- освоение функциональных возможностей пакета Infoteam OpenPCS для выполнения лабораторных работ по курсу,
- поиск необходимых сведений о альтернативных программных средах разработки программного обеспечения для промышленных контроллеров,
-изучение рекомендаций IEC по использованию стандартизированных языков программирования,
6.3 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
ТСР направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала бакалавров и заключается в:
- поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе научных публикаций по определенной теме исследований,
- анализе теоретических и фактических материалов по заданной теме, проведении расчетов, составлении схем и моделей на основе сценариев работы технологического оборудования и производства,
- исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.4 Примерный перечень научных проблем и направлений научных исследований:
1. Применение протокола CAN в сетях промышленных контроллеров.
2. Промышленные сети HART.
3. Применение AS-Interface.
4. Применение протокола ModBus в сетях промышленных контроллеров.
5. Применение протокола Profibus.
6. Применение протокола InterBus.
7. Применение протокола LonWorks.
8. Применение протокола Foundation FieldBus.
6.5 Лабораторные занятия:
1. Изучение основных свойств инструментальных средств Infoteam OpenPCS.
2. Создание ресурса и программ для ПЛК на языке стандарта IEC 6 1131-3 Structured Text .
3. Создание программ для ПЛК на языке стандарта IEC 6 1131-3 Ladder Diagram
4. Отладка программ для ПЛК на языках стандарта IEC 6 1131-3 Structured Text и Ladder Diagram в среде Infoteam OpenPCS
5. Создание программ для ПЛК на языке стандарта IEC 6 1131-3 Instruction List
6. Создание программ для ПЛК на языке стандарта IEC 6 1131-3 Function Block Diagram
7. Отладка программ для ПЛК на языках стандарта IEC 6 1131-3 Instruction List Function Block Diagram в среде Infoteam OpenPCS
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости бакалавров осуществляется по результатам:
- самостоятельного (под контролем преподавателя) выполнения лабораторной работы,
- оценки выполнения индивидуального задания работ,
- оценки подготовленных студентами рефератов и презентаций,
- устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий, защите отчетов по лабораторным работам и во время экзамена в восьмом семестре (для выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины),
- экзаменационной оценки по дисциплине.
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают два типа заданий:
1. Теоретический вопрос.
2. Проблемный вопрос.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
1. Промышленный контроллер и промышленный компьютер в задачах промышленной автоматики. ПЛК, виды ПЛК.
2. Языки программирования ПЛК. Стандарт IEC 6 1131-3
3. Система программирования ПЛК OpenPCS
4. Сетевая модель OSI. Уровни, взаимодействие уровней.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)
Основная литература
1. Втюрин системы управления технологическими процессами. Программно-технические комплексы: Учебное пособие для студентов специальности 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств". - СПб: СПбГЛТА, 20с.
2. Петров контроллеры. Стандартные языки и инструменты / Под ред. проф. . – М.: СОЛОН-Прессб 20с. ил.
Дополнительная
1.Система программирования Open PCS от infoteam. Руководство пользователя. – Томск, 20с.
2. Готшальк контроллеры. Микропроцессорные системы энергетических объектов. Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2с.
3., Корнеева программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП.- М.: «Промышленные АСУ и контроллеры», 2001. – 312 с.
4. , Кузмичев регуляторы и микропроцессорные контроллеры. - Тула: Тул ГУ, 20с.
9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
При изучении основных разделов дисциплины, выполнении лабораторных работ бакалавров используют оборудование, оснащенное автоматизированными системами с выводом данных на персональные компьютеры.
Испытательные стенды ф. Элеси (ИФУГ 421ххх. ххх).
При освоении дисциплины используется прикладное программное обеспечение:
1. Пакет программ Infoteam OpenPSC 2006.
* приложение – Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение семестра.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ 220700 (б) в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по направлению и профилю подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств (в нефтегазовой отрасли)».
Автор :
Программа одобрена на заседании кафедры ИКСУ ИК
(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).
