Рабочая программа дисциплины автоматизированное управление в технических системах

УТВЕРЖДАЮ

Проректор-директор ИК

_________

«___»_____________2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ

НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 220400 – Управление в технических системах

ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ): Теория систем управления

КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр

БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.

КУРС 2; СЕМЕСТР 3;

КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 6

ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Компьютерные технологии управления в технических системах», «Современные проблемы теории управления», «Автоматизированные информационно-управляющие системы».

КОРЕКВИЗИТЫ: «Проектирование систем управления», «Системы реального времени», «Научно-исследовательская работа».

ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:

ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЭКЗАМЕН В 3 СЕМЕСТРЕ

Обеспечивающая кафедра: АиКС

ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д. т.н., профессор

РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: к. т.н., доцент

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: к. т.н., доцент

2011 г.

1. Цели освоения дисциплины

В результате освоения данной дисциплины магистрант приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1, Ц2 и Ц3 основной образовательной программы «Управление в технических системах».

Дисциплина нацелена на подготовку магистрантов к:

- междисциплинарным научным исследованиям в области автоматического и автоматизированного управления техническими объектами и технологическими процессами;

- к инженерной деятельности в области проектирования и настройки систем автоматического и автоматизированного управления;

- к проведению теоретического и практического обучения в области анализа и синтеза автоматических и автоматизированных систем управления;

- поиску и анализу профильной научно-технической информации, необходимой для решения конкретных инженерных задач, в том числе при выполнении междисциплинарных проектов.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина относится к специальным дисциплинам профессионального цикла магистерской подготовки (раздел М.2 ФГОС, и М2.В.1.2 действующего учебного плана). Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного и математического цикла (математические основы теории систем) и базовой части профессионального цикла (теория автоматического управления, компьютерные технологии управления в технических системах, автоматизированные информационно-управляющие системы, технические средства автоматизации и управления) и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для дисциплины «Автоматизированное управление в технических системах» являются специальные дисциплины магистерской подготовки : «Проектирование систем управления», «Системы реального времени», «Научно-исследовательская работа».

3. Результаты освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины магистранты должны обладать компетенциями, непосредственно указанными в ФГОС по направлению 220400, а именно:

·  способностью к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) (ПК-5);

·  способностью применять современный инструментарий проектирования программно-аппаратных средств для решения задач автоматизации и управления (ПК-7);

·  способностью использовать современные технологии обработки информации, современные технические средства управления, вычислительную технику, технологии компьютерных сетей и телекоммуникаций при проектировании систем автоматизации и управления (ПК-11);

·  способностью применять современные методы разработки технического, информационного и алгоритмического обеспечения систем автоматизации и управления (ПК-21);

После изучения данной дисциплины магистранты приобретают знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы: Р1, Р2, Р3, Р4, Р5, Р7*. Соответствие результатов освоения дисциплины «Автоматизированное управление в технических системах» формируемым компетенциям ООП представлено в таблице.

4.  Структура и содержание дисциплины

4.1.  Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения

При сдаче отчетов по лабораторным работам проводится защита результатов и сделанных выводов. По итогам выполненных ИДЗ проводится собеседование.

4.2.  Содержание разделов дисциплины

Раздел 1. Функциональная и системотехническая характеристика современных АСУ техническими системами

Многоуровневая сетевая архитектура современных систем автоматизированного управления: системный уровень управления процессами; локальные уровни управления; полевой уровень; корпоративный уровень.

Общие принципы построения сложных систем автоматизированного управления: иерархичность, распределенность, модульность. Открытые системы. Понятие компьютерной технологии. Функциональные, информационные, программные, технические и организационные аспекты процессов управления в рамках компьютерной технологии.

Многоуровневая организация процессов реального времени: организация процессов реального времени на основе детерминированных расписаний; сетевые операционные системы реального времени.

Современные тенденции развития технологий промышленной автоматизации. Расширение сфер применения сетевых технологий; внедрение гибких автоматизированных систем и интеллектуальных полевых средств автоматизации; совершенствование технологического программирования; развитие методов структурного системного анализа и проектирования

Обобщенная функциональная и системотехническая характеристика современных АСУ ТП. Иерархическая организация АСУ ТП. Типовые архитектуры АСУ ТП.

Практическое занятие №1. Типовые архитектуры АСУ ТП, построенных на базе средств ведущих отечественных и зарубежных производителей

Индивидуальное домашнее задание №1.Типовые структуры АСУТП.

Раздел 2. Задачи и функции отдельных уровней современных систем управления и их алгоритмизация

Основные особенности иерархических систем управления, декомпозиция системы управления на подсистемы, приоритет подсистем в принятии решений, самоуправление и координация, агрегирование информации.

Функции отдельных уровней иерархической системы управления. Оперативно-календарное планирование, координация работы отдельных подсистем, оптимальное распределение ресурсов, оперативное управление, контроль, цифровое регулирование

Задачи, возникающие при разработке иерархических систем управления, и подходы к их решению. Декомпозиция технической системы на подсистемы. Структурная, функциональная и этапная декомпозиция. Декомпозиция критерия управления технической системой, критерии управления верхнего и нижнего уровней.

Задачи отдельных уровней иерархической системы управления. Взаимосвязь задач контроля и стабилизации, оптимизации, идентификации и адаптации в структуре многоуровневого иерархического управления. Организация взаимодействия подсистем. Сущность принципов прогнозирования, оценки взаимодействия и согласования взаимодействия в организации работы иерархической АСУ. Выбор масштаба времени функционирования отдельных подсистем.

Задачи обработки информации, снимаемой с датчиков. Задачи управления и стабилизации, прямое цифровое и супервизорное управление, законы управления, стандартные и нечеткие регуляторы.

Практическая реализация систем цифрового управления. Схемы стабилизации параметров типовых технологических процессов. Функциональные схемы стабилизации температуры, расхода, уровня, давления, концентрации.

Практическое занятие №2. Цифровые регуляторы.

Практическое занятие №3. Технические средства систем цифрового управления.

Индивидуальное домашнее задание №2.Интеллектуальные регуляторы.

Раздел 3. Оптимальное управление в технических системах

Задачи оптимального управления. Формализация задач оптимального управления пуском и остановом, оптимальное управление установившимся режимом. Задача распределения ресурсов между параллельно-работающими подразделениями (аппаратами).Задачи синхронизации материальных потоков. Методы, используемые для решения задач оптимального управления.

Оптимальное управление по векторному критерию. Методы решения задач нормализации критериев, определение области компромисса, выбор схемы компромисса и учет приоритета критериев. Практические способы оптимального управления технологическими процессами. Методы решения задач оптимального управления и оперативно-календарного планирования.

Практическое занятие №4. Оптимальное управление по векторному критерию

Индивидуальное домашнее задание №3. Практические способы оптимального управления

Раздел 4. Инструментальные средства поддержки разработки и эксплуатации АСУ ТП ведущих отечественных производителей.

Состав, технические характеристики и функциональные возможности отечественных контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500, Ремиконт Р-130 с БК-1М (ЗЭиМ), Контар(МЗТА,) контроллеры семейства Trei (Круг), контроллеры производства предприятий Эмикон, ТЕКОН, Овен.

Типовые структуры АСУ ТП, построенных на базе контроллеров КРОСС-500 и ТРАСАА-500.

Характериристика SCADA-пакетов TRACE MODE, MasterScada, VNS, Круг 2000.

Методика разработки программного обеспечения операторских станций с применением SCADA-пакетов Trace Mode V 6, MasterScada V3.3.

Лабораторная работа №1. SCADA-пакет TRACE MODE 6 (4 часа).

Лабораторная работа №2. Программирование контроллеров Ремиконт Р-130 с БК1/01М в среде Isagraf.

Лабораторная работа №3. Разработка программы визуализации процесса управления установкой «Гидравлический объект» в пакете MasterScada.

Практическое занятие №5. Функциональные схемы и схемы внешних соединений технических средств АСУ ТП.

Практическое занятие №6. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500 на языке LAD.

Практическое занятие №7. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500 на языке LAD.

Практическое занятие №8. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500 на языке FBD.

Практическое занятие №9. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500 на языке FBD.

Практическое занятие №10. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500 на языке STL.

Практическое занятие №11. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500 на языке STL.

Раздел 5. Инструментальные средства поддержки разработки и эксплуатации АСУ ТП ведущих мировых производителей.

Назначение, состав, технические характеристики и функциональные возможности контроллеров зарубежных фирм-производителей: Siemens, Allen-Bradley, Schneider Electric, Motorola, OMRON, Advantech.

Типовые структуры АСУ ТП, построенных на базе контроллеров Simatic S7 с применение сетей Industrial Ethernet, MPI, Profibus.

Состав программных пакетов Isagraf, STEP 7, разработка прикладного программного обеспечения на языках FBD, LD, ST, LAD, STL.

Состав и функциональные возможности SCADA-пакетов WinCC, Genesis, Intouch, RealFlex, Citect, FIX, RTAR/plus.

Методика разработки программного обеспечения операторских станций с применением WinCC и Genesis.

Лабораторная работа №4. Программный пакет WinCC.

Лабораторная работа №5. Создание мнемосхем в среде WinCC.

Лабораторная работа №6. Создание статических форм систем управления среде WinCC (4 часа).

Лабораторная работа №7. Динамизация мнемосхем в среде WinCC (4 часа).

Лабораторная работа №8 .Создание проекта и работа с тегами в SIMATIC WinCC.

. Лабораторная работа №9. Программный пакет STEP 7.

Лабораторная работа №10. Конфигурирование аппаратных средств контроллера Simatic S7-300.

Лабораторная работа №11. Конфигурирование аппаратных средств контроллера Simatic S7-400.

Лабораторная работа №12. Программирование дискретных модулей ввода-вывода контроллера Simatic S7-300 на языке «STL».

Лабораторная работа №13. Разработка программ обработки аналоговых сигналов в контроллерах Simatic S7-300.

Лабораторная работа №14. Разработка программ регулирования контроллера Simatic S7-300 с помощью средств пакета STEP7(4 часа).

Практическое занятие №12. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400 на языке LAD.

Практическое занятие №13. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400 на языке LAD.

Практическое занятие №14. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400 на языке FBD.

Практическое занятие №15. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400 на языке FBD.

Практическое занятие №16. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400 на языке STL.

Практическое занятие №17. Разработка информационно-управляющих программ для контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400 на языке STL.

Практическое занятие №18. Обслуживание контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400.

Индивидуальное домашнее задание №5.Промышленные микропроцессорные контроллеры и SCADA ведущих отечественных и мировых производителей.

4.3.  Распределение компетенций по разделам дисциплины

Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.

5.  Образовательные технологии

При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций.

Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:

-  самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины при выполнении курсовой работы с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы;

-  поиск справочных материалов на лабораторных занятиях с использованием компьютерных технологий;

-  выполнение курсовой работы по проблемно-ориентированным, поисковым, творческим заданиям.

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 магистрантов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и электронных источников информации по заданной проблеме и выбранной теме курсовой работы;

-  выполнении четырех индивидуальных домашних заданий;

-  переводе материалов из тематических информационных ресурсов с иностранных языков;

-  изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку;

-  изучении теоретического материала к лабораторным занятиям;

-  подготовке к защите лабораторных работ;

-  подготовке к защите курсовой работы;

-  подготовке к экзамену.

6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:

-типовые структуры АСУ ТП;

- SCADA-системы - WinCC, MasterScada;

- конструкция и технические характеристики контроллеров КРОСС-500, ТРАССА-500; организация ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов;

- конструкция и технические характеристики контроллеров Simatic S7-300, Simatic S7-400; организация ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов;

- языки программирования контроллеров стандарта IEC 1131-3;

- применение нечетких множеств в задачах автоматизации.

6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа

(ТСР) направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала магистрантов и заключается в:

-  поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе научных публикаций по определенной теме исследований;

-  анализе теоретических основ автоматизированного управления, технических и функциональных характеристик аппаратных и программных средств систем автоматизированного управления;

-  выполнении расчетно-графических работ в процессе выполнения курсового проекта;

-  исследовательской работе и участии в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.

6.2.1. Примерный перечень курсовых проектов

1. Программное обеспечение визуализации процесса регулирования температуры на базе SCADA WinCC.

2. Программное обеспечение визуализации процесса регулирования уровня на базе SCADA Trace Mode.

3. Программное обеспечение визуализации процесса регулирования расхода на базе пакета MasterSCADA.

4. Программное обеспечение системы регулирования давления в магистральном нефтепроводе.

5.Программное и техническое обеспечение системы регулирования температуры перегретого пара.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств)

Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам:

- самостоятельного выполнения лабораторных работ;

- оценки выполненных магистрантами ИДЗ;

- защиты отчетов по лабораторным работам;

- защиты курсовой работы и демонстрации полученных в ней результатов;

- экзамена в третьем семестре (для выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины).

7.1. Требования к содержанию экзаменационных билетов

Экзаменационные билеты включают 2 теоретических вопроса и расчетный пример. Теоретический вопрос может содержать в себе 3 – 4 коротких вопросов, требующих конкретных ответов, исходя из которых, можно легко определить степень владения материалом.

7.2. Примеры экзаменационных билетов

1)  языки программирования стандарта IEC 1131-3 и их характеристика;

2)  состав и функции SCADA-пакета TRACE MODE 6;

3)  протокол передачи данных по сети Modbus.

8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины)

Основная литература

1.  Меньков основы автоматизированного управления. - Учебник для вузов. - М.: Издательство Оникс, 2005.

2.  Андреев средства систем управления технологическими процессами нефтяной и газовой промышленности: Учебное пособие.-М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. , 2005.

3.  Андреев средства систем управления технологическими процессами нефтяной и газовой промышленности: Учебное пособие.-М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. , 2005.

4.  , Хазанова автоматизации с использованием программируемых логических контроллеров: Учебное пособие.-М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2005.

5.  Многоуровневые информационно-управляющие системы реального времени для топливно-энергетического комплекса России: монография / Нижегородский государственный университет им. (ННГУ) ; под ред. . — Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского ун-та, 2007.

6.  SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП. –М: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2004.

Вспомогательная литература

1.  , Корнеева программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУ ТП. –М: Научтехлитиздат, 2001.

2.  Петров контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного программирования.- М.:СОЛОН-Пресс, 2004.

3.  Цифровые системы автоматизации и управления.-СПб.: Невский Диалект, 2001.

4.  , , SCADA-системы: взгляд изнутри.- М: Издательство РТСофт, 2004.

5.  Плетнев технологических процессов и производств в теплоэнергетике : учебник для студентов вузов / . — 4-е изд., стер. — М.: МЭИ, 2007.

6.  Интерфейсы ПК: Справочник. - СПб: Питер, 1999.

Интернет-ресурсы:

1. Справочник инженера по АСУТП

Доступ: http://automation-system. ru/spravochnik-inzhenera/category/root/3.html

2. Техническая документация по контроллерам КРОСС-500, ТРАССА-500.

Доступ: http://www.zeim.ru

3. MasterScada. Доступ: http://www.insat.ru

4. Интеллектуальные системы управления. Учебное пособие. Доступ:

http://www.twirpx.com/file/255588/

9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)

а) промышленные микропроцессоные контроллеры Ремиконт Р-130 с БК1/01М, Simatic S7224 XP, Simatic S7-314C -2DP, Simatic S7-414-2;

б) станция распределенного ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов ЕТ 200;

в) текстовый дисплей TD 200;

г) электронные и имитационные модели объектов управления 1÷4 порядка;

д) операторские станции на базе ПК со SCADA-пакетом WinCC;

д) программный пакет STEP 7;

е) программный пакет Isagraf;

ж) программный пакет Trace Mode 6.0.

10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:

Индивидуальные домашние задания, – в дополнение к основной программе студентам необходимо самостоятельно ознакомиться c возможностями и основными приемами работы в одной из систем разработки специализированного программного обеспечения по заданию преподавателя:

·  SCADA-системы - WinCC, MasterScada ;

·  интегрированная среда разработки программ для микропроцессорных контроллеров на языках по МЭК1131 – ISaGRAF, STEP 7.

·  Интеллектуальное и оптимальное управление в технических системах.

Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по направлению подготовки «Управление в технических системах», профиль «Управление и информатика в технических системах».

Автор:

Программа одобрена на заседании кафедры АиКС ИК

(протокол № __8__ от «_2__» ___06____ 2011 г.).

Рецензент: