В статье исследован вопрос целесообразности разработки и применения специализированного учебного макета ремонтно-механического цеха для наглядной демонстрации работы законов автоматического регулирования и обучения студентов высших и средне профессиональных учебных учреждений теории автоматического управления. Теория автоматического управления — дисциплина, которая в силу своей абстрактности зачастую дается студентам учебных заведений с большими затруднениями, применение систем, наглядно демонстрирующих основные аспекты данного предмета, может повысить степень усвоения теоретического учебного материала по данной дисциплине. В данной статье приводится общая схема предполагаемого макета, описываются функциональные возможности, производится анализ актуальности применения указного учебного макета.
Ключевые слова: моделирование, учебный макет ремонтно-механического цеха, ТАУ, автоматика.
Введение. Развитие средств полупроводниковой микроэлектроники внесло значительный вклад в повышение доступности средств и систем автоматического управления. Однако, не смотря на кажущуюся легкость разработки, компоновки и программирования системы автоматического управления объектом или процессом, отсутствие необходимых навыков и компетенций в области теории автоматического управления (ТАУ), зачастую не позволяет достичь заданных оптимальных параметров работы системы в автоматическом режиме. В силу высокой степени абстракции ТАУ, а также тенденции на ухудшение уровня владения математическим аппаратом современными студентами учебных заведений, возможно говорить о том что обучающееся лицо с высокой долей вероятности может испытывать трудности в процессе освоения указанной учебной дисциплины. Так тривиальные и распространённые задачи по выбору параметров пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора [1] или более сложные задачи по автоматической подстройке параметров микропроцессорного регулятора [2], становятся для студентов задачей, которую они зачастую не способны решить самостоятельно. В настоящее время все большую популярность набирают технологии Smart обучения [3], в связи, с чем одним из возможных методов решения указанной проблемы является дополнение теоретического материала наглядной демонстрацией основных аспектов ТАУ, а также проведение лабораторных работ на макете, имитирующем свойства реальных технических систем.
Применение учебного макета ремонтно-механического цеха на базе технологий «умный дом» в учебном процессе. В настоящее время применение учебных стендов и макетов в учебном процессе находит все более широкое применение. Наиболее распространены две условные группы учебных стендов:
- Стенды для получения общетехнических компетенций, например стенды для проведения лабораторных работ по электротехнике.
- Демонстрационные и учебные стенды, разработанные для обучения работе с оборудованием конкретного производителя [4]
Коллективом авторов статьи была выдвинута гипотеза о необходимости промежуточного звена между указанными группами стендов, а именно учебный макет с одной стороны демонстрирующий общие аспекты изучаемого предмета, с другой стороны имеющий приближение к технологиям промышленного применения на реальных объектах. Одной из возможных технологий компоновки является концепция «Умного дома» [5]. Данная технология получает все большее распространение ввиду увеличения доступности микропроцессорных (МП) управляющих устройств, а также датчиков, исполнительных устройств и средств связи. Также важным фактором является упрощение процедуры программирования указанных систем, благодаря специальным программным оболочкам, программным библиотекам и адаптированным скриптовым языкам программирования МП. Однако распространение учебные макеты, реализованные по данному принципу, как правило демонстрируют общие аспекты автоматизации инженерных систем здания, так называемую «домашнюю автоматизацию». Для студентов, обучающихся по специальности автоматизация технологических процессов и производств и смежным специальностям, в рамках которых изучается ТАУ более полезным будет перенос данной технологии применительно к технологическим и производственным процессам. В рамках объекта для моделирования выбран ремонтно-механический цех. В качестве управляемых систем выбраны параметры микроклимата и освещения в помещении. Обоснование решения базируется на следующих тезисах:
Для ремонтно-механического цеха, характерны различные виды работ и применяемого оборудования (складирование, сборка, ручная обработка изделий и заготовок, механическая обработка, термическая обработка)
В виду разнообразия производимых технологических процессов для ремонтно-механического цеха характерно зонирование и локализация размещения оборудования и производственных операций, соответственно для каждой зоны характерны собственные требования к параметрам микроклимата и освещенности, а также возмущающие воздействия окружающей среды.
Выбор контроля параметров микроклимата и освещения обусловливается доступностью, наглядностью простотой реализации, удобством демонстрации различных законов регулирования и параметров настройки регулятора.
Концептуальная схема учебного макета ремонтно-механического цеха представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Концептуальная схема учебного макета ремонтно-механического цеха на базе технологии «умный дом»: Где: Т — датчики температуры; О — Датчики освещения; Л — Источники света; П — датчики присутствия; Н — устройства регулирования температуры (нагревающие элементы); А — системы вентиляции; В — датчики влажности
Как было отмечено выше для каждой из предполагаемых зон характерны свои условия управления, так, например в зоне сборки не предполагается избыточного выделения вредных веществ и теплоты в атмосферу и нет необходимости в дополнительной вентиляции (в отличие от зоны термообработки), а для складской зоны важны параметры влажности, также требуемые параметры микроклимата и освещения зоны могут отличаться в зависимости от присутствия или отсутствия в ней персонала. Необходимо отметить, что сами модели технологического оборудования должны имитировать возмущающие воздействия характерные для указанного оборудования. Блоки управления, питания и связи должны обеспечить функционирование системы, а также связь с персональным ЭВМ для управления системой и проведения лабораторных работ. В рамках указанной работы возможна как отработка алгоритмов имитации параметров микроклимата и освещения замкнутых систем [6] так и контроль за энергоэффективностью объекта, при установке соответствующих приборов учета расхода электрической энергии [7].
Алгоритм проведения лабораторных работ с помощью предполагаемого макета мог бы выглядеть следующим образом (рисунок 2)
Рис. 2. Алгоритм проведения лабораторной работы с помочью предлагаемого макета
Указанный алгоритм позволит студенту посмотреть наглядную демонстрацию параметров настройки регулятора и их воздействия на систему.
Заключение. Технологии физического моделирования в сочетания с популярными и перспективами технологиями «умного дома» позволят создать учебно-демонстрационный макет, способный потенциально вызвать заинтересованность к обучению у студентов, а также повысить степень осознания учебной дисциплины ТАУ, на основании чего можно сделать вывод о потенциальной актуальности и целесообразности проведения дальнейших исследований и разработок в указной области.
Литература:
1. Завьялов В. А. Расчёт параметров пид-регулятора / Завьялов В. А. Величкин В.А // Научно-технический вестник Поволжья — 2014. — № 5. — С. 190–192.
2. Завьялов В. А. Расчёт параметров пид-регулятора / Завьялов В. А. Морозова Н.Ю // Механизация строительства — 2008. — № 3. — С. 19–20.
3. Бектурова З. К. Возможности внедрения Smart технологий обучения в школе / З. К. Бектурова // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 7. С.125–126.
4. Байгозин Д. В., Первухин Д. Н., Захарова Г. Б. Разработка принципов интеллектуального управления инженерным оборудованием в системе «умный дом» / Д. В. Байгозин, Д. Н. Первухин, Г. Б. Захарова // Известия ТПУ. 2008. № 5. С.168–172.
5. Куц Е. В. К вопросу о высокотехнологичной среде образовательного учреждения/ Е. В. Куц // Высшее образование в России. 2012. № 7. С.156–159.
6. Беккер Ю. Л. Перспективы применения систем управления микроклиматом и искусственным освещением в замкнутых изолированных помещениях. / Ю. Л. Беккер, Р. С. Ульянов // Научно-технический вестник Поволжья. — 2014. — № 5. — С. 312–314.
7. Шиколенко И. А. Концепция применения автоматизации инженерных систем учета энергоресурсов многоквартирного дома. / И. А. Шиколенко, Ю. Л. Беккер // Научно-технический вестник Поволжья. 2014. — № 5. — С. 345–347.
