Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Кафедра «Автоматизация, управление, мехатроника»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине
М.2.2.1 «Управление мехатронными системами
и промышленными сетями»
направления подготовки 221000. 68 «Мехатроника и робототехника»
форма обучения – очная
курс – 1
семестр – 2
часов в неделю – 1,5
всего часов – 180 (5 з.ед.)
в том числе:
лекции – 8 ч. (4 лек.)
коллоквиум – 2 ч. (2 кол.)
практические занятия – 28 ч. (10 пр. зан.)
самостоятельная работа – 144
курсовая работа – 2
экзамен – 2 семестр
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
«17» сентября 2013 года,
протокол № 2
Зав. кафедрой _____________/______________/
Рабочая программа утверждена на заседании
УМКС/УМКН
«17» сентября 2013 года,
протокол № 2
Председатель УМКС/УМКН _______/______________/
Саратов 2013
1. Цели и задачи дисциплины
Цель изучения дисциплины «Управление мехатронными системами и
промышленными сетями» состоит в обучении студентов основным принципам
управления мехатронными системами и изучение принципов и средств передачи
информации в них. Приобретение знаний и навыков проектирования и применения
сетей обмена информацией в мехатронных и робототизированных системах.
Освоение современных технологий проектирования и эксплуатации
распределенных систем автоматизации на базе промышленных информационных сетей.
Получение знаний о конструкции и применения систем управления в
мехатронике, акцентируя внимание на функционирования промышленных сетей.
Задачи изучения дисциплины является освоение методов и средств
управления мехатронными и робототехническими системами и умения
использовать различные стандарты промышленных сетей при проектировании
мехатронных устройств.
2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Дисциплина «Управление мехатронными системами и промышленными
сетями» входит в вариативную часть профессионального цикла дисциплин по
направлению подготовки магистров «Мехатроника и робототехника». Изучению
дисциплины «Управление мехатронными системами и промышленными сетями»
должно предшествовать освоение дисциплин «Программное обеспечение
мехатронных и робототехнических систем», «Управление роботами и
робототехническими системами», «Микропроцессорная техника в мехатронике и
робототехнике», «Теория автоматического управления», «Проектирование
вычислительных средств систем управления РТК».
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование компетенций
(согласно ФГОС) приведенных в табл. 1.
Таблица 1
Наименование компетенции
Код компетенции
Способен демонстрировать навыки самостоятельной научноисследовательской работы и работы в научном коллективе,
способность порождать новые идеи (креативность);
способен совершенствовать и развивать свой интеллектуальный
уровень
Способен
проводить
методами
теории
оптимизации
сравнительный анализ вариантов возможных принципиальных
решений по структуре, функционированию, конструкции,
алгоритмическому и программному обеспечению мехатронных
и робототехнических систем;
Способен глубоко осмысливать и формировать диагностические
решения проблем мехатроники и робототехники путем
интеграции фундаментальных разделов теории управления,
электроники, микропроцессорной техники, проектирования
систем
и
специализированных
знаний
в
сфере
профессиональной деятельности (в соответствии со своей
магистерской программой);
Способен разрабатывать и реализовывать комплексные
математические модели мехатронных и робототехнических
систем;
ПК 1
ПК 2
ПК 3
ПК 4
3. Требования к результатам освоения дисциплины
В результате изучения дисциплины «Управление мехатронными системами
и промышленными сетями» по направлению подготовки дипломированного
специалиста «Мехатроника и робототехника» ГОС ВПО
студент должен знать: особенности архитектуры распределенных систем
сбора данных и управления, модель открытой промышленной сети; используемые
топологии сетей; физические среды передачи данных в промышленных сетях;
основные компоненты промышленных сетей; протоколы обмена информацией;
распространенные стандартные промышленные сети; основные характеристики
промышленных сетей.
студент должен уметь: оценивать требования к сетям передачи
информации; выбирать тип промышленной сети, физический канал и протокол;
проектировать простейшие средства сопряжения с сетью; применять стандартные
средства конфигурирования и тестирования промышленных сетей; разрабатывать
программное обеспечение для обслуживания процесса обмена информацией;
использовать стандарты промышленных сетей при создании мехатронных и
роботехнических систем.
студент должен владеть: знаниями о назначении и используемых уровнях
модели открытых промышленных сетей; о разновидностях и особенностях
физического и канального уровней сетей; об области применения
распространенных
стандартных
промышленных
сетей;
о
принципах
программирования узлов сети.
4. Содержание лекционного курса
№
Всего
№
темы часов лекции
1
2
Тема лекции. Вопросы, отрабатываемые на лекции
3
1
2
1
2
2
2
3
2
3
4
2
4
5
2
5
Введение в дисциплину. Содержание, задачи и организация
изучения дисциплины. Литература. Основные понятия и
функции открытых промышленных сетей (ПС). Основные
характеристики ПС
Топология сетей. Разновидности топологических схем –
звезда, кольцо, шина. Свойства различных топологий и
принципы взаимодействия узлов в сети. Протоколы обмена
данными. Полевые сети и сети среднего уровня.
Физический уровень реализации сетей. Интерфейсы RS232/422/485, Ethernet, беспроводные коммуникационные
каналы. Общая характеристика, порты и аппаратная
реализация.
Методы повышения помехозащищенности в сетях.
Методы повышения помехозащищенности на физическом и
канальном уровнях. Контрольные суммы и способы их
вычислений.
Пропускная способность промышленной сети.
Способы оценки пропускной способности. Иерархия
промышленных
сетей
и
согласование
пропускной
6
2
6
способности
между уровнями
сетей
в системах
автоматизации.
Полевые сети. Общая характеристика промышленных
сетей HART. Разновидности сетей HART, режимы обмена
данными. Особенности реализации физического уровня.
Принцип взаимодействия узлов, структура сообщений,
основные функции, способы обеспечения достоверности
передачи информации, диагностические возможности.
5. Перечень практических занятий
№
темы
Всего
№
часов занятия
1
1
2
8
3
1-5
2
4
6
3
6
7
4
6
8
Тема практического занятия. Вопросы, отрабатываемые на
практическом занятии
Общая характеристика промышленных сетей Modbus.
Разновидности сетей Modbus, режимы обмена данными.
Особенности режимов и протоколов Modbus ASCII и
Modbus RTU. Принцип взаимодействия узлов, структура
сообщений, основные функции, способы обеспечения
достоверности передачи информации, диагностические
возможности.
1. Изучение протокола ПС Modbus.
2. Изучение протокола ПС Modbus.
3. Анализатор протокола Modbus.
4. Разработка узла сбора данных для сети Modbus –
Разработка системы сбора данных и управления на
основе серверов Modbus.
Общая характеристика промышленных сетей CAN.
Разновидности сетей CAN, режимы обмена данными.
Особенности реализации физического уровня. Принцип
взаимодействия узлов – мультимастерность и арбитраж,
структура сообщений, основные функции, способы
обеспечения
достоверности
передачи
информации,
диагностические возможности.
Общая характеристика промышленных сетей Profibus.
Разновидности сетей Profibus, режимы обмена данными.
Особенности реализации физического уровня. Принцип
взаимодействия узлов, структура сообщений, основные
функции, способы обеспечения достоверности передачи
информации, диагностические возможности.
Общая
характеристика
промышленных
сетей
Foundation Fieldbus. Разновидности сетей Foundation
Fieldbus, режимы обмена данными. Особенности реализации
физического уровня. Принцип взаимодействия узлов,
структура сообщений, основные функции, способы
обеспечения
достоверности
передачи
информации,
5
4
9
6
4
10
диагностические возможности.
Аппаратные средства промышленных сетей. Краткая
характеристика контроллеров интерфейсов RS-232/485.
Контроллеры сетей CAN и Foundation Fieldbus. Модемы,
повторители, мультиплексоры.
Средства разработки программного обеспечения для
промышленных сетей. Специальные библиотеки системы
графического программирования LabVIEW – VISA, Modbus,
CAN. Разработка прикладного программного обеспечения.
Сервера Modbus: ASCII, RTU, TCP.
6. Перечень лабораторных работ
№
темы
Всего
часов
Наименование лабораторной работы. Вопросы,
отрабатываемые на лабораторном занятии
1
2
3
7. Задания для самостоятельной работы студентов
№
темы
Всего
Часов
Вопросы для самостоятельного изучения (задания)
Литература
1
2
3
4
1. Подготовка к практическим занятиям – 46 часов.
2. Изучение теоретического материала – 54 часов.
3. Расчетно-графическая работа – 44 часов.
8. Расчетно-графическая работа
Не предусмотрена учебным планом
9. Курсовая работа
Целью расчетно-графической работы является разработка программ разбора
сообщений протокола Modbus, оценки пропускной способности сегмента сети или
программы обслуживания контроллера.
10. Курсовой проект
Не предусмотрен учебным планом
11. Вопросы для зачета
Не предусмотрен учебным планом
12. Вопросы для экзамена
1. Модель OSI стандартной промышленной сети.
2. Каковы основные требования к открытой промышленной сети?
3. Достоинства и недостатки топологических схем промышленной сети.
4. Краткая характеристика портов RS-232/422/485.
5. Краткая характеристика порта Ethernet.
6. Основные характеристики промышленных сетей и способы их оценки.
7. Способы организации взаимодействия узлов сети.
8. Как обеспечивается помехозащищенность промышленных сетей?
9. Общая характеристика сетей HART.
10. Общая характеристика сетей Modbus Serial.
11. Из каких полей состоит запрос (ответ) сети Modbus ASCII (RTU)
12. Общая характеристика стандарта сети CAN.
13. Структура фрейма протокола CAN.
14. Общая характеристика сетей Profibus.
15. Общая характеристика сетей Foundation Fieldbus.
16. Как разрешаются коллизии в сетях с несколькими ведущими?
17. Контроллеры промышленных сетей.
18. Инструментальные средства тестирования сетей.
19. Библиотека функций Modbus среды LabVIEW.
20. Библиотека функций CAN среды LabVIEW.
21. Конфигурирование серверов в среде LabVIEW.
13. Тестовые задания по дисциплине
14. Образовательные технологии
15. Список основной и дополнительной литературы по дисциплине
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для
вузов. 2-е изд. В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: Питер, 2003. – 864 с.
2. Деменков Н.П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП:
Учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 328 с.
3. LabVIEW Fundamentals. National Instruments Corp, 2005.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.
2. Ослэндер Д.М. Управляющие программы для механических систем:
объектно-ориентированное проектирование систем реального времени /
Д.М.Ослэндер , Дж. Р.Риджли, Дж.Д. Ринггенберг. М.: БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2004.
ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ИЗДАНИЯ
1. Современные технологии автоматизации. Журнал. Изд-во "СТА-ПРЕСС".
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
1. http://www.scada.ru
2. http://www.osp.ru (Журнал сетевых решений/LAN)
3. http://asutp.interface.ru (Портал автоматических систем управления
технологическими процессами)
4. http://web.ni.com
5. http://www.vitec.ru
16. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Для обеспечения образовательного процесса по дисциплине используются
лекционные аудитории, оборудованные техническими средствами (проектор) для
демонстрации презентаций, видематериала; компьютерный класс для проведения
практический занятий и самостоятельных работ. Программный пакет Matlab
Instrument Control Toolbox, среды LabVIEW
Рабочую программу составил доц. каф. АУМ
«___»_______/ Пчелинцева С.В./
17. Дополнения и изменения в рабочей программе
Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры
«17» сентября 2013 года,
протокол № 2
Зав. кафедрой проф. _______________/ _____________/
Внесенные изменения утверждены на заседании
УМКС/УМКН
«17» сентября 2013 года,
протокол № 2
Председатель УМКН ________/______________/