Современное производство предполагает внедрение цифровых технологий на всех этапах жизненного цикла создаваемой продукции. Наиболее интересной задачей, относящейся к развитию цифровых производств, можно назвать технологию создания и использования цифровых двойников, ставшей одним из главных направлений развития четвертой индустриальной революции (Индустрия 4.0) [1–3]. Под цифровым двойником понимают виртуальный прототип реального объекта, который полностью имитирует его характеристики и внутренние процессы. Объектом цифрового прототипирования может быть практически что угодно.
Приведем примеры внедрения технологии создания цифровых двойников в разных отраслях: реализация цифровых двойников для управления газовым промыслом описана в [4], в [5] описаны основные подходы к формированию информационной модели производственно-технологической системы машиностроительного предприятия, разработка новых решений в области использования цифровых двойников объектов атомной энергетики в [6], в [7] рассмотрена система поддержки принятия решений при подготовке нефти с использованием цифрового двойника технологической установки.
Внедрение цифровых двойников в образовательном процессе в университетах является неотъемлемой составляющей развития промышленности. В образовательную реальность уверенно входят достижения искусственного интеллекта, технологии виртуальной и дополненной реальности, большие данные и т.д. В публикации 2021 г. в журнале «Высшее образование в России» подробно рассмотрены перспективы применения цифровых двойников в образовании [8].
Немаловажным для внедрения цифровых двойников стало применение технологий дистанционного обучения, получивших широкое распространение в условиях карантинных мероприятий 2020 г. Получена возможность дистанционного обучения на виртуальных лабораторных установках или дистанционного подключения к реальным установкам в условиях введения ограничительных мер в 2020 г. По определению В.В. Трухина, «виртуальная лаборатория представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном отсутствии таковой» [9].
Внедрение технологии создания цифровых двойников, разработка виртуальных моделей реальных стендов кафедр, возможность удаленной работы в рамках образовательного процесса является актуальной задачей для университетов. Например, лабораторный практикум важен и является неотъемлемой частью занятий для закрепления теоретических положений лекционного материала путем наглядной демонстрации изучаемых явлений и процессов. Возможности, которые предоставляют виртуальные лабораторные стенды – это малая погрешность при проведении эксперимента, возможность разделять студентов на небольшие группы для выполнения работ, так как работа может проводиться на нескольких компьютерах, возможность выгрузки данных для последующей обработки, удаленная работа и т.д. [10–11].
На факультете управления и автоматизации Казанского национального исследовательского технологического университета после обновления базы стендов лаборатории систем управления химико-технологическими процессами (СУХТП) следующим шагом стало создание цифрового двойника лаборатории.
Результаты исследования и их обсуждение
Лаборатория СУХТП оснащена шестью современными лабораторными стендами, оснащенными оборудованием и средствами контроля и управления, включая оборудование фирмы ОВЕН, и дисплейным классом. Часть лабораторных стендов показана на рис. 1. На стендах лаборатории выполняются лабораторные работы: измерение температуры, измерение давления, измерение расхода и количества вещества, измерение уровня жидкости, автоматические системы регулирования, статика и динамика систем.
а) б)
Рис. 1. Лабораторные стенды СУХТП: а) стенды по измерению параметров, б) стенды по градуировке и автоматическим системам регулирования
При принятии решения о виртуализации лабораторных стендов лаборатории СУХТП преследовались следующие цели:
1. Предоставить возможность выполнять лабораторную работу на занятии индивидуально или небольшими группами.
2. Расширить функциональность стенда за счет программируемого логического контроллера.
3. Повысить интерес учащихся и приобрести первичные навыки программирования в программной среде CoDeSys.
4. Предоставить возможность работы удаленно на стендах из дома или филиала вуза.
Часть стендов лаборатории уже оцифрована и переведена нами в виртуальные стенды. По необходимости, доступ к стендам в режиме реального времени предполагается осуществлять через OwenCloud (сервис) – облачный сервис компании ОВЕН, применяемый для удаленного мониторинга, управления и хранения архивов данных приборов, используемых в системах автоматизации. Приборы подключаются к сервису по интерфейсам RS-485 (с помощью специальных сетевых шлюзов) или Ethernet (в этом случае требуется подключение приборов к сети с доступом к интернету).
В лаборатории СУХТП установлен классический лабораторный стенд для выполнения двух лабораторных работ (рис. 2): «Измерение расхода» и «Измерение уровня». Для выполнения лабораторных работ нами разработан виртуальный лабораторный стенд для измерения расхода и уровня жидких сред [12–14]. Однако полный переход на виртуальную лабораторию может привести к тому, что выпускники не научатся работать с приборами, с которыми они могут столкнуться на производстве. Поэтому использовать виртуальные стенды нужно в случаях, когда это необходимо, понимая, что они обладают как рядом преимуществ, так и рядом ограничений. Та же самая выгрузка результатов может осуществляться на аппаратном уровне. Достаточно иметь сетевой шлюз. Виртуальная лаборатория может быть дополнением реальных лабораторных стендов. Например, при выполнении одной лабораторной работы несколькими группами возникают сложности. Лаборатория, в которой расположен стенд, оснащена компьютерной техникой. Это позволит разработав и установив на компьютеры модель лабораторного стенда, распараллелить группы, выполняющие одинаковую работу.
а) б)
Рис. 2. Лабораторный стенд по измерению расхода и уровня жидкости: а) фото стенда в лаборатории, б) структурная схема стенда
Как указывалось, лаборатория оснащена приборами ПО «ОВЕН», которое выпускает контроллеры с возможностью программирования их в среде CoDeSys. Это и явилось определяющим фактором при выборе среды программирования. Программирование осуществлялось на языке CFC, который является дальнейшим развитием языка FBD. Этот язык был специально создан для проектирования систем управления непрерывными технологическими процессами [13–15].
Разработка виртуального лабораторного стенда началась с определения числовых параметров виртуального лабораторного стенда (рис. 3). Были определены параметры емкости, в которую поступает жидкость: объем 50 л, высота 50 см, длина основания 50 см, ширина основания 20 см.
Рис. 3. Виртуальный лабораторный стенд в ходе выполнения лабораторной работы по измерению уровня жидкости ёмкостным уровнемером
Для лабораторной работы по измерению уровня жидкости емкостным уровнемером были определены время наполнения бака, расход жидкости при наполнении бака и сливе жидкости из бака: время наполнения бака, которое определено с учетом оптимизации времени выполнения лабораторной работы, 100 с; расход жидкости при наполнении бака 0,5 л/с; расход при сливе жидкости из бака 0,5 л/с; исходя из вышеуказанных параметров, был посчитано, что за 1 мс уровень жидкости в баке увеличивается на 0,005 мм; для лабораторной по измерению расхода, расход жидкости устанавливается на лабораторном стенде.
Виртуальный лабораторный стенд объединяет две лабораторные работы и включает:
1. Бак, который наполняется жидкостью.
2. Уровнемерное стекло, которое служит действительным показателем уровня жидкости в баке.
3. Уровнемерный комплект, состоящий из чувствительного элемента ёмкостного уровнемера и вторичного прибора с показывающим экраном.
4. Расходомерный комплект, состоящий из поплавкового расходомера и вторичного прибора с показывающим экраном.
5. Два вентиля подачи жидкости в бак и один вентиль слива жидкости из бака.
6. Насос для подачи жидкости в установку.
7. Трубопроводы.
8. Тумблер для задания лабораторной работы.
9. Секундомер.
10. Кнопка включения/выключения автоматического режима.
Для начала работы с виртуальным стендом необходимо:
1. Включить насос подачи воды в установку. Для этого необходимо нажать левой кнопкой мыши на изображение насоса, находящееся в левом верхнем углу виртуального стенда. Индикатором включения насоса служит изменение его цвета на зеленый и поступление воды в установку, что также отображается изменением цвета доступной для жидкости части трубопровода.
Графическому элементу «Насос» соответствует булевая переменная проекта NASOS. Пока насос не включен, т.е. NASOS = FALSE, программа не позволит выполнять никаких других действий по эксплуатации стенда. Данное свойство настраивается в конфигурации графических элементов [13–15], составляющих стенд.
2. После того как насос включен, необходимо тумблер переключить в то положение, которое соответствует выполняемой лабораторной работе: лабораторная работа № 6 «Измерение расхода» либо лабораторная работа № 15 «Измерение уровня». Одновременное включение обоих параметров недоступно. Активное положение тумблера характеризуется зеленым цветом, неактивное – красным. Положениям тумблера соответствуют булевые переменные проекта LR6 и LR15.
После того как активировано одно из положений тумблера – лабораторная работа № 6 или лабораторная работа № 15 – включается соответствующий измерительный комплект, и установка считается подготовленной для выполнения лабораторной работы.
Вентилю подачи воды во время выполнения лабораторной работы № 6 соответствует булевая переменная проекта VENTIL_3. Вентилю слива воды из бака соответствует булевая переменная VENTIL_2. Значения секундомера хранятся в переменной P_T типа TIME. Значения расхода – в переменной Q типа REAL.
Вентилю подачи воды во время выполнения лабораторной работы № 15 соответствует булевая переменная проекта VENTIL_1. Значения уровня хранятся в переменной L типа REAL. Код программы, отвечающий за работу установки по наполнению бака жидкостью до определенного уровня и с определенным расходом, представлен на рис. 4.
Рис. 4. Код программы, программирующий подачу жидкости в бак
Рис. 5. Код программы, реализующий прерывания изменения уровня
Также программой предусмотрено остановка работы насоса в том случае, если уровень жидкости больше 500 мм. И автоматическое закрытие вентиля слива жидкости, когда её уровень опускается до 0 мм. Реализация данных функций в коде программы представлена на рис. 5.
Разработанный виртуальный лабораторный стенд включает все элементы и выполняет все функции реального лабораторного стенда. Стенд дополнили автоматическим режимом, так как выбранная среда программирования CoDeSys специализируется на прикладном программировании программируемого логического контроллера (ПЛК), была поставлена задача перенести программу после завершения на ПЛК и дополнить ей реальный лабораторный стенд.
Автоматический режим предполагает, что при выборе на лабораторном стенде номера лабораторной работы и нажатии кнопки включения автоматического режима «AUTO», все действия на лабораторном стенде будут выполняться автоматически.
Водяной насос при автоматическом режиме включается автоматически, также включается вентиль подачи воды. Вентиль подачи воды остается в открытом положении 10 с, после этого он автоматически закрывается на 30 с. В это время пользователь снимает показания с уровнемерного стекла и с экрана емкостного уровнемера.
По истечении 30 с вентиль подачи воды снова открывается. Такой цикл повторяется до тех пор, пока уровень в баке не достигнет максимального: 500 мм. Когда уровень в баке достигает верхнего предела, насос и вентиль подачи воды автоматически выключаются.
Далее лабораторная работа выполняется автоматически при обратном ходе. Автоматически открывается вентиль слива воды, и уровень воды в емкости начинает уменьшаться. Вентиль слива воды остается в открытом состоянии 10 с после истечения этого времени он автоматически закрывается на 30 с. В это время пользователь снимает показания с уровнемерного стекла и экрана емкостного уровнемера. Затем вентиль слива воды снова открывается, и такой цикл происходит, пока уровень в баке не достигнет 0 мм. Когда уровень в баке достигает нижнего придела, вентиль слива воды выключается, выполнение лабораторной работы завершается. Для того чтобы заново начать выполнение лабораторной работы № 15 в автоматическом режиме, необходимо повторно нажать на кнопку «AUTO». Графическому элементу кнопке «AUTO» соответствует булевая переменная проекта AUTO_MODE.
Код программы, отвечающий за включение автоматического режима и выполнение лабораторной работы при прямом ходе, представлен на рис. 6.
Рис. 6. Код программы, отвечающий за включение автоматического режима выполнения работы
Рис. 7. Код программы, реализующий выполнение работы при прямом ходе
Представлена часть программы, реализующая выполнение лабораторной работы № 15 при прямом ходе в автоматическом режиме (рис. 7). Часть кода для автоматизации выполнения лабораторной работы на виртуальном лабораторном стенде выступает в качестве надстройки к основному коду.
Настройка ПЛК осуществлялась в среде CoDeSys. В режиме настройки и отладки (в среде программирования это режим эмуляции), студентам предоставляется возможность изменить настройки и посмотреть, как это влияет как на работоспособность самой программы, так и на выходные параметры. Такая «тренировка» позволит будущим специалистам овладеть базовыми навыками программирования на языке CFC.
Как было показано выше, лабораторный виртуальный стенд может работать в двух режимах (ручном и AUTO).
В автоматическом режиме лабораторные работы выполняются без необходимости управления и контроля виртуальным стендом. Выполнение лабораторных работ в автоматическом режиме позволит студентам ознакомиться с работой ПЛК.
Заключение
Таким образом, виртуальный лабораторный стенд в настоящее время, когда, казалось бы, дистанционный режим обучения совсем недавно был превалирующим, а актуальность такого рода разработок достаточно высока, является незаменимым помощником при проведении лабораторных занятий. Кроме того, виртуальный стенд может заменить реальный при его поломке, но только в плане непрерывного проведения образовательного процесса, так как возможность непосредственного контакта студентов с реальными приборами является определяющим фактором, позволяющим приобретать необходимые навыки работы с контрольно-измерительными приборами.
Аналогичные виртуальные стенды в рамках создания цифрового двойника лаборатории СУХТП планируется разработать для всех стендов лаборатории. Практическая актуальность внедрения цифровых двойников обуславливается возможностью значительного повышения эффективности образовательного процесса.