Разработка и создание лабораторного стенда для проведения практических занятий

ВВЕДЕНИЕ 3
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ СТЕНДА 5
1.1 Ключевые характеристики программируемого логического контроллера (ПЛК) 5
1.2 Среда разработки программного обеспечения 13
1.3 Анализ компонентной базы и формулировка задачи 43
1.4 Электрические и функциональные схемы 49
2. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СТЕНДА 55
2.1 Описание используемых компонентов 55
2.2 Процесс сборки устройства 63
3 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 69
3.1 Подключение ПЛК-160 к персональному компьютеру 69
3.2 Разработка и описание управляющей программы 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 78
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 81
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 85
ПРИЛОЖЕНИЕ В 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 87

Весь текст будет доступен после покупки

В условиях стремительного развития промышленной автоматизации и цифровизации технологических процессов особую актуальность приобретает подготовка квалифицированных специалистов, способных эффективно работать с современными средствами автоматики, в частности с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Одним из ключевых аспектов образовательного процесса в технических вузах и колледжах является проведение практических занятий, позволяющих студентам не только освоить теоретические основы, но и приобрести навыки работы с реальным оборудованием. Однако зачастую учебные заведения сталкиваются с нехваткой специализированных лабораторных стендов, адаптированных под актуальные промышленные стандарты и учебные программы. Это обуславливает необходимость разработки и создания доступных, функциональных и безопасных обучающих стендов на базе современных ПЛК.
Целью данной выпускной квалификационной работы является разработка и создание лабораторного стенда для проведения практических занятий по дисциплинам, связанным с промышленной автоматикой и программированием контроллеров.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- изучить теоретические основы функционирования программируемых логических контроллеров и сред разработки программного обеспечения;
- провести анализ компонентной базы, необходимой для сборки стенда, и сформулировать техническое задание;
- разработать электрические и функциональные схемы лабораторного стенда;
- осуществить аппаратную реализацию стенда, включая подбор и монтаж компонентов;
- реализовать программную часть, включающую подключение ПЛК к персональному компьютеру и разработку управляющей программы для демонстрации базовых сценариев автоматизации.
Объектом исследования выступает процесс обучения студентов основам промышленной автоматики, а субъектом - разрабатываемый лабораторный стенд на базе программируемого логического контроллера ПЛК-160.
В работе применялись следующие методы исследования: анализ научно-технической литературы и нормативных документов, сравнительный анализ компонентной базы, проектирование электрических схем, аппаратное моделирование, программирование в среде разработки ПЛК, а также тестирование функциональности готового стенда.
Практическая значимость выполненной работы заключается в возможности использования созданного лабораторного стенда в учебном процессе для проведения лабораторных и практических занятий, что способствует повышению качества подготовки будущих инженеров в области автоматизации. Стенд позволяет наглядно продемонстрировать принципы работы ПЛК, отработать навыки программирования, диагностики и наладки автоматизированных систем, а также может быть адаптирован под различные учебные задачи за счёт модульной конструкции и гибкости программного обеспечения.

Весь текст будет доступен после покупки

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ СТЕНДА
1.1 Ключевые характеристики программируемого логического контроллера (ПЛК)
Под термином программируемые логические контроллеры (ПЛК, от англ. Programmable Logic Controllers, PLC) понимаются универсальные микропроцессорные системы блочно-модульной архитектуры, предназначенные для решения задач автоматизации в самых разных отраслях промышленности, техники и инженерной практики.
Обобщённая структурная схема ПЛК представлена на рисунке 1.
Аппаратная часть контроллера реализуется в виде базового модуля, включающего основную плату микропроцессорной системы и предусматривающего расширение функциональности за счёт подключения дополнительных модулей через разъёмы локальной шины и/или сетевые интерфейсы. Эти расширительные модули, входящие в состав технически регламентированного оборудования связи с объектом (УСО), выполняют нормализацию и первичную обработку как аналоговых (AI/AO), так и дискретных (DI/DO) сигналов ввода-вывода (I/O), обеспечивая корректное взаимодействие ПЛК с внешними устройствами.

Рисунок 1 – Обобщённая структурная схема ПЛК (PLC)
Микропроцессорная система программируемого логического контроллера включает в себя следующие ключевые компоненты:
1. Центральный процессор (ЦП, CPU) - как правило, реализуется на основе 32-разрядных микропроцессоров; в отдельных семействах ПЛК может быть построен на однокристальных микроЭВМ (ОМЭВМ) или микроконтроллерах;
2. Память программ, выполненная на базе флэш-памяти и функционирующая как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), предназначенное для хранения пользовательских управляющих программ, а также для долговременного сохранения данных в защищённой области;
3. Блок оперативной памяти (ОЗУ), обеспечивающий временное хранение промежуточных данных и переменных в процессе выполнения программы;
4. Сетевой интерфейс, который может быть интегрирован непосредственно в базовый модуль контроллера или реализован в виде сменного внешнего модуля;
5. Источник питания модуля ПЛК, размещаемый либо внутри корпуса контроллера, либо как отдельный монтируемый блок.
Стандартное промышленное напряжение питания для систем ПЛК, используемых в средствах контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), составляет 24 В постоянного тока (VDC).
ПЛК (PLC) представляет собой программируемый дискретный автомат (см. рисунок 2), оснащённый множеством входов, подключённых через датчики к объекту управления, и множеством выходов, связанных с исполнительными механизмами.

Весь текст будет доступен после покупки

1) ГОСТ Р 51840–2021. Программируемые контроллеры. Общие положения и функциональные характеристики. – Введ. 2022–07–01. – М.: Стандартинформ, 2021. – 36 с.
2) ГОСТ Р ИСО 13849–1–2021. Безопасность машин. Часть 1. Общие принципы проектирования систем управления, связанных с безопасностью. – М.: Стандартинформ, 2021. – 84 с.
3) IEC 61131–3:2023. Programmable controllers – Part 3: Programming languages. – 4th ed. – Geneva: International Electrotechnical Commission, 2023. – 312 p.
4) Modbus Application Protocol Specification v1.1b3. – Modbus Organization, Inc., 2021. – URL: https://modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b3.pdf
5) CODESYS Development System V3.5 SP20. User Manual. – 3S-Smart Software Solutions GmbH, 2023. – 612 p. – URL: https://store.codesys.com/codesys.html
6) Руководство пользователя ПЛК160. Версия 2.1. – ООО «Компания ОВЕН», 2023. – 142 с. – URL: https://www.owen.ru/upload/iblock/9a2/plk160_ru.pdf
7) Официальный сайт компании «ОВЕН». Программируемый логический контроллер ПЛК160. Техническое описание. – URL: https://www.owen.ru/catalog/plk160 (дата обращения: 10.01.2026)
8) Беляев А.В., Кузнецов Д.А. Современные средства промышленной автоматизации: учебное пособие. – М.: Инфра-М, 2023. – 248 с.
9) Петров И.Ю. Программируемые логические контроллеры в системах автоматизации: практикум. – СПб.: Издательство «Лань», 2022. – 192 с.
10) Шишмарёв В.Ю. Автоматизация технологических процессов: учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2023. – 352 с.

Весь текст будет доступен после покупки