Разработка и испытания опытного образца универсального программируемого логического контроллера для промышленной автоматизации широкого спектра задач, а также для управления отдельными устройствами различного назначения и условий эксплуатации

Отчет 128 с., 46 рис., 7 табл., 8 приложений, 14 частей, 31 источников. ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЛЕР, АВТОМАТИЗАЦИЯ, ЦИФРОВИЗАЦИЯ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ПРОШИВКА, ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА, СИСТЕМА ВВОДА-ВЫВОДА, IIOT, ОБЛАЧНЫЙ СЕРВИС, ДИСТАНЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ. Объект исследования – системы логического управления автоматизированным технологическим оборудованием. Предмет исследования – является методы, модели, программно-аппаратное обеспечение для разработки прототипа универсального программируемого логического контроллера. Цель исследования – разработать и испытать опытный образец универсального программируемого логического контроллера для промышленной автоматизации широкого спектра задач, а также для управления отдельными устройствами различного назначения и условий эксплуатации. Задачи исследования: 1. Исследование модульной структуры и архитектуры программного обеспечения опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 2. Работка принципиальной электрической схемы опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 3. Разработка печатной платы и компоновки элементов опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 4. Проведение исследований соответствия разработанного опытного образца универсального программируемого логического контроллера отраслевым требованиям, выявление недостатков и определение путей их решения. 5. Доработка опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 6. Доработка программного обеспечения опытного образца универсального программируемого логического контроллера в соответствии с проведенными исследованиями. 7. Моделирование механический и электрических воздействий опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 8. Разработка трехмерной модели корпуса опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 9. Сборка опытного образца. 10. Разработка комплекса программного обеспечения для настройки и диагностики опытного образца универсального программируемого логического контроллера 11. Тестирование программного обеспечения и отработка логики алгоритмов опытного образца универсального программируемого логического контроллера. 12. Испытания доработанного опытного образца универсального программируемого логического контроллера. Научная новизна исследования: 1. Предлагаемая структурная схема ПЛК на базе одноплатного вычислительного модуля с 64-разрядным четырехъядерным процессором позволит объединить преимущества ПЛК и персонального компьютера и одновременно с этим снизить стоимость конечного продукта в 3 раза по сравнению с конкурирующими продуктами. Применение подобной схемы позволит расширись функционал до IIoT-контроллеров. 2. В разработке предлагается использовать разработанный метод по работе с фильтрацией шума на вводах/выводах контроллера, что позволит повысить помехозащищенность в условиях промышленных помех, что повышает стабильность работы в 10 раз, чем у существующих аналогов. 3. В работе предлагается разработанный методологический базис технологий обработки поступающих с объекта управления больших данных для принятия правильных управляющих решений благодаря поддержке расширенного списка протоколов связи TCP, UDP, SSH, VNC(RFB), MODBUS и многих других. 4. Подключение дополнительных программных и аппаратных модулей позволит преобразовывать предлагаемый ПЛК в полноценный IIoT-контроллер для надежной и безопасной передачи журналов данных в облачные системы для группировки и анализа. 5. При реализации предложенного программируемого логического контроллера предлагается использовать методологию построения цифровой экосистемы предприятия на основе применения высокоскоростных протоколов по взаимодействию с системами управления и исполнительными устройствами путем наращивания количества подключаемых модулей посредством встроенных шин, Ethernet, RS-485 или других шин и протоколов связи, расширение функционала за счет подключения различных устройств к встроенным портам USB. 6. В проекте предлагается разработка библиотеки гибких алгоритмов реализации исполняемого программного обеспечения за счет использования языка высокого уровня Python, языков программирования стандарта МЭК 61131-3 и др. При этом в отличие от существующих аналогов не требуется соблюдение соответствии версий как это требуется для среды программирования CoDeSys прошивок и target-файла контроллера для нее. Процедура программирования, то есть закладки алгоритма в каждый модуль, существенно упрощена по сравнению с классическим ПЛК. По результатам выполненных работ зарегистрированы в ЕГИСУ НИОКР следующие РИД: 1. Полезная модель «Универсальный программируемый логический контроллер для промышленной автоматизации широкого спектра задач» (рег. номер 623012400245-7 от 24.01.2023). Уведомление о приеме и регистрации заявки на полезную модель в ФИПС 20.01.2023 входящий № W23002333, регистрационный № 2023101143. 2. Программа на ЭВМ «Программа обнаружения аномалий в открытых протоколах связи ПЛК» (рег. номер. 623012400246-4 от 24.01.2023). Уведомление о приеме и регистрации заявки на полезную модель в ФИПС 20.01.2023 регистрационный № 2023610756/69. Результаты исследования способствовали достижению всех параметров Технического задания:  отслеживанию состояние дискретных входных сигналов;  управлению дискретными выходами;  осуществлению приема / передачи данных по интерфейсам RS-232, RS-485 и Ethernet;  осуществлению по протоколам Modbus RTU, TCP, UDP поддержки стороннего оборудования;  подключению мониторов для вывода информации на них через встроенный порт HDMI (мониторы не имеющие HDMI, могут быть подключены через переходники)  осуществлению прямого подключения контроллера к сети Интернет, подключению к OpenVPN для создания приватной распределенной сети Результаты выполненных работ обеспечили достижение количественных параметров, определяющих выполнение научно-техническим продуктом своих функций:  Напряжение питания контроллера: от 18 до 30 В постоянного тока при Т > минус 10 °С (номинальное 24 В)  Потребляемая мощность, не более: 6 Вт  Количество дискретных входов: 8  Количество транзисторных выходных каналов: 8  Напряжение «логической единицы» от 15 до 30 В  Напряжение «логического нуля» от минус 3 до плюс 5 Можно сделать вывод, что по результатам проведения работ, очерченных календарным планом, была достигнута цель выполнения НИОКР и полностью решены все поставленные задачи. Использование результатов НИОКР востребовано сферой промышленной автоматизации широкого спектра задач, а также для автоматизированного управления отдельными устройствами различного назначения и условий эксплуатации. Категориями потенциальных потребителей выступает корпоративный сегмент, индивидуальные предприниматели, частные заказчики, имеющие потребности в автоматизации широкого спектра задач, а также для управления отдельными устройствами различного назначения и условий эксплуатации. Это и инжиниринговые компании, системные интеграторы, а также конечные заказчики – промышленные предприятия, имеющие в своем составе линии автоматизации и цеха, автоматик и приобретающие для этих целей программируемые логические контроллеры Рост потребности в ПЛК происходит сейчас опережающими темпами по сравнению с общим ростом отраслей промышленности. Ожидается что лидирующие позиции по внедрению средств автоматизации на период 2025-26 года будет занимать обрабатывающая промышленность. За ними последуют сегменты наиболее чувствительные к качеству продукции – это отрасль пищевой промышленности и производства напитков. Так же драйвером спроса выступает, помимо создания новых производственных мощностей, активная модернизация оборудования, установленного еще 20- 30 назад и уже давно не отвечающего современным требованиям. Значительную долю занимает также плановая замена и ремонт ПЛК на уже работающих производствах. Ожидается также, что рынок будет расти благодаря реализуемой ФЦП «Цифровая экономика РФ», призванной развивать компетентности как ответ на стратегические вызовы «Индустрии 4.0», в которой основное внимание уделяется автоматизации процессов, промышленному Интернету вещей (IIoT), облачным вычислениям и др. Особенностью сегмента рынка сбыта выступает то, что приобретение товара на нём является для потребителя обязательной в силу создания новых производственных мощностей (в условиях ограниченности человеческих ресурсов), активной модернизации оборудования, а также плановой замены и ремонта ПЛК на уже работающих производствах. Результат НИОКР – универсальный ПЛК планируется продавать на рынке Российской Федерации в категории программируемых устройств на рынке промышленной автоматизации. Его могут использовать предприятия и организации для автоматизации широкого спектра задач (B2C-сегмент), а также для управления отдельными устройствами различного назначения для частных лиц, например, камеры, входные ворота, освещение, климат-контроль и пр. (B2B-сегмент). В этой связи результат НИОКР – прототип универсального ПЛК имеет несомненное конкурентное преимущество ввиду своей многофункциональности благодаря расширенному функционалу удаленных серверов и поддержки стороннего оборудования в составе различных автоматизированных системах контроля и управления производственными и технологическими процессами, управления вендинговым и другим оборудованием.