Программа для учебного плана специальности 20. 05. 00 (мт-11) Объём работ, час
| Вид материала | Программа |
- Рабочая программа по курсу математика для специальности 012500 -география Составитель, 695.92kb.
- Рабочая программа Специальность Реклама Статус дисциплины, 133.73kb.
- М. К. Аммосова рабочая программа, 148.46kb.
- Программа для учебного плана специальности №20. 05., 113.17kb.
- М. К. Аммосова Кафедра математической экономики эконометрика рабочая программа, 43.58kb.
- Рабочая программа Специальность Связи с общественностью Статус дисциплины: опд, 181.84kb.
- Рабочая программа Специальность Связи с общественностью Статус дисциплины: опд, 302.75kb.
- Рабочая программа по изобразительному искусству составлена на основе федерального базисного, 148.27kb.
- Рабочая программа для направления (специальности), 68.28kb.
- Дс-01 “Большой практикум”, 55.85kb.
| Системы автоматического управления технологическим оборудованием | МТ-11. |
Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана
| Шифр дисциплины | |||
| | | | |
Кафедра: МТ-11
«Утверждаю»
Первый проректор
проректор по учебной работе
МГТУ им. Н.Э. Баумана
_______________ Е.Г. Юдин
«___» «___________» 2003 г.
Системы автоматического управления технологическим оборудованием.
Программа для учебного плана специальности 20.05.00 (МТ-11)
| | Объём работ, час | ||
| Виды учебных работ | Всего | 10 сем | 11 сем |
| | | 13 нед | 17 нед |
| Выделено на дисциплину | 231 | | |
| Аудиторная работа | 103 | 52 | 51 |
| Лекции | 77 | 26 | 51 |
| Семинары | 13 | 13 | - |
| Лабораторные работы | 13 | 13 | - |
| Самостоятельная работа | 128 | 26 | 102 |
| Домашнее задание | | | |
| Сроки выполнения контрольных мероприятий (неделя выдачи – неделя сдачи) | |||
| Домашнее задание | | | |
| Рубежный контроль | | | |
| Контрольная работа | | | |
| Контроль знаний | З | Э | Д. зач. |
Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»
Москва, 2003
Программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования в соответствии с требованиями к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированного специалиста 654100 «Электроника и микроэлектроника» по специальности 20.05.00 «Электронное машиностроение».
Раздел 1. Цели и задачи дисциплины.
Основные цели дисциплины: формирование у студентов основных представлений:
-
по методам и средствам комплексной проработки механических, электронных и программных компонентов оборудования для реализации электронных технологий в машиностроении;
по единству способов структурного построения системы целевых механизмов, системы их энергообеспечения и системы управления, сходству методов анализа и синтеза;
по структуре, аппаратному и программному обеспечению современных САУ;
по набору функций, реализуемых системой автоматического управления (САУ) и способам их реализации;
Задачами дисциплины является: изучение:
-
выбора и рационального распределения функций между механическими, электронными и программными компонентами оборудования, взаимного согласования решений между инженерами технологами, системотехниками, электрониками и программистами;
вариантности структурного построения и элементной базы современных САУ, принятию и обоснованию решений по структуре и элементной базе;
вариантности аппаратного и программного обеспечения САУ;
основных этапов комплексной разработки САУ, как неотъемлемого компонента технологической машины.
процесса разработки технического задания (ТЗ) и технического предложения (ТП) на аппаратную и программную части САУ на начальных этапах проектирования технологического оборудования;
расчета и проектирования периферийных компонентов САУ.
разработки типовой технической документации на нестандартные электронные компоненты САУ.
Раздел 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
2.1. Приобретаемые знания.
Студент должен знать:
-
методы и средства комплексной проработки механических, электронных и программных компонентов оборудования для реализации электронных технологий в машиностроении;
функции современных САУ и методы их выбора и обоснования;
основы проектирования современных распределенных (децентрализованных) САУ, их анализа и синтеза исходя из выбранных функций;
назначение, архитектуру и аппаратное построение центральных, узловых и локальных контроллеров;
-
методы постановки и выдачи четких технических заданий и технических предложений на аппаратные и программные компоненты САУ;
основы программирования управляющих контроллеров;
основы расчета и проектирования типовых периферийных компонентов САУ;
основы разработки типовой технической документации на нестандартные электронные компоненты САУ.
2.2. Приобретаемые умения.
Студент должен уметь:
-
анализировать набор функций, их аппаратную и программную поддержку в САУ, оценивать перспективность принятых решений;
разрабатывать и использовать комплексную модель оборудования для проработки ТЗ и ТП на САУ, систему целевых механизмов и систему их энергопитания;
выбирать функции САУ разрабатываемого оборудования, провести их многовариантную декомпозицию на отдельные процессы и осуществлять их локальный анализ;
вести глобальный анализ процессов и выбирать их рациональные варианты;
разрабатывать комплексную принципиальную схему машины, как совокупность кинематических, вакуумных, пневматических и других необходимых схем целевых механизмов, функциональной схемы их энергообеспечения и системы управления;
описывать работу технологической машины традиционными методами и владеть процессным подходом, т.е. уметь разработать процессную модель оборудования;
выбирать элементную базу САУ: структуру локальной вычислительной управляющей сети, состав контроллеров, стандартные интерфейсные блоки и сформулировать четкое ТЗ на нестандартные элементы;
рассчитать и спроектировать типовые периферийные компоненты САУ;
разработать типовую техническую документацию (принципиальные электрические схемы, сборочные чертежи и топологию печатных плат) на нестандартные электронные компоненты САУ;
проводить информационный поиск в интернет с целью проектирования САУ и повышения своей квалификации в этой области.
Понятия: Взаимодействие материальных, энергетических и информационных потоков в технологической машине. Система целевых механизмов, их энергообеспечения и система автоматического управления (САУ). Функция САУ, процесс, цикл и квант процесса. Ресурсы для реализации процессов. Принцип агрегатирования ресурсов по процессам. Комплексная модель технологической машины: процессная модель, комплексная принципиальная схема. Целевой, механический, энергетический и информационный интерфейс элементов технологической машины. Вычислительное ядро и устройство связи с объектом управления. Линии связи с объектом и элементарные действия САУ: дискретное управление, дискретный контроль, аналоговое управление, аналоговый контроль. Информационно-управляющие сети, типовые протоколы обмена. Структура САУ, центральные, узловые, локальные контроллеры. Параметры микропроцессорной САУ, микропроцессорного контроллера, интерфейсных плат САУ. Операционные системы "жесткого реального времени" и базовые операционные системы локальных микроконтроллеров. Программная и аппаратная поддержка функций САУ.
Методики расчета: разработки процессной модели технологического оборудования ; разработки комплексной принципиальной схемы; локального и глобального анализа процессов; проектирования локальной управляющей сети, выбора и проектирования ее компонентов (центральных, узловых и локальных контроллеров, интерфейсных плат связи с объектом); выбора и расчета линий связи с объектом, управляющих ключей, проектирования и отладки программного обеспечения САУ.
Приборы и изделия: центральные, узловые, локальные контроллеры, устройства связи с объектом управления, однокристальные микроконтроллеры, типовые электронные компоненты САУ, программно-аппаратные эмуляторы, типовые датчики и исполнительные механизмы.
2.3. Приобретаемые навыки.
Студент должен иметь навыки:
-
работы с учебно-методической литературой, научно-техническими отчетами, специальной научной периодикой;
написания реферативных обзоров по изучаемым разделам курса с элементами анализа, систематизации и обобщения;
анализа вариантов, выбора и комплектации стандартных компонентов САУ с использованием средств интернет;
разработки технической документации (принципиальных электрических схем, сборочных чертежей) на нестандартные средства САУ;
работы с аппаратно-программными эмуляторами микроконтроллеров и программирования работы типовых элементов технологического оборудования;
составления технического задания и технического предложения на компоненты технологической машины.
Раздел 3. Содержание дисциплины.
| № п/п | Раздел дисциплины | Лекции, ч. | УПР., ч. | ЛР, ч. | Реком. лит-ра |
| | 10 семестр | 26 | 13 | 13 | |
| 3.1. | Цель и задачи курса. Назначение и функции САУ. | 2 | | | [1] |
| 3.2. | Вариантность построения САУ. | 4 | 2 | | [1] |
| 3.3. | Структурное построение САУ технологическим оборудованием. | 4 | | | [1 ] |
| 3.4 | Электронные компоненты для периферийных устройств САУ. | 2 | 5 | | [1,2] |
| 3.5. | Типовые однокристальные микроконтроллеры. | 8 | 6 | 5 | [1,3] |
| 3.6. | Построение центральных и узловых контроллеров. | 8 | -- | 8 | [1] |
| | 11 семестр | 51 | -- | -- | |
| 3.7. | Методы и средства комплексной проработки механических, электронных и программных компонент технологической машины. | 4 | | | [1,4] |
| 3.8. | Процессный подход к описанию работы технологической машины. | 4 | | | [1,4] |
| 3.9. | Этапы проработки ресурсной и процессной моделей. | 14 | | | [1,4] |
| 3.10. | Основы проектирования, выбора и программирования локальных микроконтроллеров. | 10 | | | [1,4] |
| 3.11. | Комплектация центральных и узловых контроллеров. Основы программирования | 8 | | | [1,4] |
| 3.12. | Проектирование и комплектация периферийных устройств и линий связи в САУ. | 8 | | | [1,4] |
| 3.13. | Разработка технической документации на нестандартные электронные компоненты САУ. | 3 | | | [1,4] |
Содержание разделов дисциплины:
3.1. Предмет и задачи курса. Назначение и функции САУ.
Структура курса и его место в учебном плане. Состав оборудования для электронных технологий в машиностроении: система целевых механизмов, система их энергопитания и система управления, их взаимодействие. Функции САУ (основные целевые, сервисные функции и функции коррекции цели) и элементарные действия САУ: дискретное управление, дискретный контроль, аналоговое управление, аналоговый контроль. Единство механических, электронных и программных компонент, вариантность распределения функций. Процесс разработки технологического оборудования и задачи инженера разработчика (2 часа).
3.2. Вариантность построения САУ.
Анализ вариантов САУ на примере промышленного робота: синхронные механические, пневмомеханические, электропневмомеханические САУ, асинхронные САУ с «жесткой логикой», САУ со штеккерной панелью, с РПЗУ, микропроцессорные САУ, САУ на однокристальных микроконтроллерах, на свободно программируемых контроллерах и т.п. Реализуемые функции, способы описания работы, анализ преимуществ и недостатков. (4 часа).
3.3. Структурное построение САУ технологическим оборудованием.
Топология типовой микропроцессорной управляющей сети: центральные, узловые и локальные контроллеры. Типовой контроллер: вычислительное ядро, устройство связи с объектом. Линии связи, ключи, исполнительные механизмы, датчики. Малые локальные микропроцессорные сети, сети класса Feldbus, тенденции развития и рекомендации по применению. (4 часа).
3.4. Электронные компоненты для периферийных устройств САУ.
3.4.1. Типовые дискретные элементы: диоды, светодиоды, биполярные, полевые и IJBT- транзисторы, тиристоры и симисторы, назначение, тенденции развития и использования, практические рекомендации к расчету и выбору.
3.4.2. Операционные усилители и схемы их включения. Идеальный операционный усилитель, основные правила и примеры расчета при различном включении. Технологическое исполнение операционных усилителей и их реальные параметры, рекомендации по практическому применению.
3.4.3. Типовые цифровые компоненты САУ. Комбинационные логические и последовательностные схемы (КЛС и ПС). Типовые ячейки КЛС и их схемотехническое и технологическое исполнение (ТТЛ, ТТЛШ, p-МОП, n-МОП, k-МОП схемы, другие исполнения). Параметры и нагрузочная способность. Рекомендации по применению. Триггеры (асинхронные - синхронные, статические - динамические), RS, T, JK, счетные триггеры. Тристабильные элементы. Типовые интегральные компоненты: счетчики, дешифраторы, регистры, буферные элементы, схемы памяти (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ, флэш-память, ОЗУ статические и динамические), тенденции развития и рекомендации по применению.
3.4.4. Аналогово-цифровые компоненты: аналоговые ключи, мультиплексор-селекторы, цифроаналоговые преобразователи, тенденции развития и рекомендации по применению Аналогово-цифровые преобразователи. Методы АЦП, преимущества и недостатки. Типовые АЦП, тенденции развития и рекомендации по применению. (2 часа - лекции, 5 часов - семинары).
3.5. Типовые однокристальные микроконтроллеры.
Обзор семейств. Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-51. Устройство, карта памяти, подключение внешней памяти программ и данных, таймеры-счетчики и их режимы, приемопередатчик, система прерываний. Система команд.
Основы программного обеспечения: особенности построения управляющих программ, методы разработки и отладки, обеспечение надежности. (8 часов - лекции, 6 часов - семинары).
3.6. Построение центральных и узловых контроллеров.
3.6.1. Назначение, функции и особенности построения центральных контроллеров. Реализация человеко-машинного интерфейса. История развития: контроллеры семейства «Орион» и «УТК-5» – набор шин, состав, преимущества и недостатки. (3 часа).
3.6.2. Платформа IBM PC, как основа современных контроллеров: история и тенденции развития, архитектура, набор шин, конструктивы. Шина ISA, протоколы обмена, карта памяти, распределение ресурсов, аппаратное и программное обеспечение подключения периферийных модулей (устройств связи с объектом управления) к шине. Особенности программирования. (5 часов).
3.7. Методы и средства комплексной проработки механических, электронных и программных компонент технологической машины.
3.7.1. Обработки материальных потоков, потоков энергии и информации в технологической машине. Тенденции развития средств обработки этих потоков. Функции технологической машины: основные целевые, сервисные функции и функции коррекции цели. Ресурсы и процессы технологического оборудования, ресурсная и процессная модели их связь.
3.7.2. Состав ресурсной модели и ее роль в комплексной проработке механических, электронных и программных компонент. Комплексная принципиальная схема. Техническое задание и техническое предложение на структурно-компоновочное решение и отдельные компоненты технологической машины. Состав интерфейса компонента машины. Целевой, механический, энергетический и информационный интерфейсы.
3.7.3. Состав процессной модели и ее роль в комплексной проработке механических, электронных и программных компонент. Цель, этапы и методы проработки ресурсной и процессной моделей. Что, для чего и как делать? Роль и задачи ведущего разработчика при комплексной проработке механических, электронных и программных компонент. Концепции последовательной проработки и ее недостатки. Концепции параллельной комплексной проработки. (4 часа).
3.8. Процессный подход к описанию работы технологической машины.
Последовательный процесс. События, как результат действий и условия для их инициализации. Локальные и глобальные (системные события). Алфавит процесса. Уровни описания последовательного процесса, его цель (функция), критерии начала и окончания, режимы проведения. Виды последовательных процессов, цикл и квант процесса. Примеры. (4 часа).
3.9. Этапы проработки ресурсной и процессной моделей.
Этап 1. Выбор и детализация основных функций машины. Деление директивной технологии на последовательные процессы.
Этап 2. Локальный анализ процессов, уяснение цели, выявление критериев начала, физических принципов и режимов проведения, выбор управляющих, управляемых и контролируемых переменных, требуемых ресурсов и критериев окончания процесса. Описание последовательностью событий, выявление системных и локальных событий.
Этап 3. Глобальный анализ и «сшивка» процессов. Выявление конфликтов, уточнение описания процессов.
Этап 4. Проработка комплексной принципиальной схемы машины. Принцип агрегатирования ресурсов по процессам. Многообразие вариантов агрегатирования. Синхронизация процессов при агрегатировании, синхронные и асинхронные схемы агрегатирования.
Этап 5. Построение КПС целевых механизмов машины (КПС механики).
Этап 6. Построение КПС системы энергообеспечения и системы управления. Исходные данные и результаты этапа.
Этап 7. Разработка КПС САУ. Исходные данные и результаты этапа. Принятие решения по структуре управляющей сети, составу и виду отдельных контроллеров.
Этап 8. Выбор вспомогательных функций машины. Сервисные функции и функции коррекции цели, их роль при эксплуатации оборудования электронных технологий, повышение безотказности, ремонтопригодности и долговечности за счет рационального выбора сервисных функций.
Этап 9. Уточнение и оформление КПС. Согласование материальных, энергетических и информационных потоков КПС, таблицы привязки потоков. Формирование и описание целевого, механического, энергетического и информационного интерфейса компонентов технологической машины.
Этап 10. Состав, исходные данные и формирование и оформление ТЗ и ТП на программное обеспечение машины. (14 часов).
3.10. Проектирование и выбор локальных микроконтроллеров.
Выбирать или проектировать? Свободно программируемые контроллеры – обзор семейств. Основы выбора. Программирование свободно программируемых контроллеров.
Проектирование микроконтроллеров: портовая и шинная архитектура. Подключение внешней памяти программ и данных, организация и дешифрация памяти, реализация дискретного и аналогового управления и контроля, согласование микроконтроллера с объектом управления, активные и пассивные способы борьбы с помехами, программными и аппаратными сбоями. Типовые супервизорные схемы и примеры их использования.
Организация программного обеспечения локальных микроконтроллеров. Базовая операционная система: состав и основные функции.
Подключение типовых объектов управления: аппаратная и программная поддержка. (10 часов).
3.11. Комплектация центральных и узловых контроллеров.
Еще раз о составе. Рекомендации по выбору вычислительного ядра.
Набор периферийных модулей и их типовой функциональный состав: контроллер шины, управляющие регистры и регистры обмена, функциональная и интерфейсная часть.
Особенности программирования элементарных действий. Проблемы защиты от аппаратных и программных сбоев.
Реализация процессного подхода в программном обеспечении, обзор систем "жесткого реального времени" и тенденций и противоречий их развития. (8 часов).
3.12. Проектирование и комплектация периферийных устройств и линий связи в САУ. Еще раз о линиях связи. Длинные линии и радиоканал. Особенности построения линий аналогового контроля и управления, потенциальные и токовые линии, 0 - 20 и 4 -20 мА. Элементарные линии или сети класса Fieldbus? Протоколы и примеры использования сетей. Обеспечение надежности линий связи и ключей. Примеры расчета линий связи и ключей.
Периферийные модули распределенных САУ. (8 часов).
3.13. Техническая документация на нестандартные электронные компоненты САУ. Состав технической документации. Основные правила оформления принципиальных электрических схем. (3 часа).
Раздел 4. Практические занятия.
| № п/п | Номер р/дисц. | Сем. | Тема практического занятия | Объем, ч. |
| 4.1. | 3.2 | 10 | Обсуждение вариантности САУ. Описание работы асинхронной САУ автоматными графами, алгоритмами и последовательными процессами | 2 |
| 4.2. | 3.4. | 10 | Расчеты линий связи с объектом. Выбор и расчет ключевых элементов. Расчет схем обработки сигнала на операционных усилителях. | 3 |
| 4.3. | 3.5 | 10 | Изучение аппаратной части и основ программирования локальных микроконтроллеров. Подключение и программирование типовых объектов. | 6 |
Раздел 5. Лабораторный практикум.
| № п/п | Номер р/дисц. | Сем. | Тема лабораторного практикума | Объем, ч. |
| 5.1 | 3.5 | 10 | Получение практических навыков программирования и отладки однокристальных микроЭВМ. Разработка и отладка программ для управления шаговым двигателем. | 6 |
| 5.2. | | 10 | Изучение работы типового периферийного модуля центрального контроллера. Аппаратное подключение и программная поддержка дискретного управления и дискретного контроля, аналогового управления и аналогового контроля. | 5 |
| 5.3. | | 10 | Изучение средств программирования центральных контроллеров. Средства разработки MMI (3 часа). | 3 |
Раздел 6. Самостоятельная работа.
| № п/п | Номер р/дисц. | Сем. | Тема самостоятельной работы | Объем, ч. |
| 6.1. | | | Самостоятельная проработка курса лекций, курсовое проектирование, подготовка к лабораторным работам, к зачету и экзаменам. | 128 |
| 6.2. | | | Самостоятельная проработка курса. | 12 |
| 6.3. | 3.4 | 10 | Домашнее задание 1. Подготовка реферата по вариантности построения САУ (Выдача – 2 неделя, сдача – 6 неделя) | 4 |
| 6.4. | | | Домашнее задание 2. Проектирование и расчет линий связи с объектом (Выдача – 6 неделя, сдача – 10 неделя) | 10 |
Раздел 7. Курсовое проектирование, курсовая работа.
| № п/п | Сем. | Тема самостоятельной работы | Объем, ч. |
| 7.1. | 11 | Курсовой проект. Цель проекта - закрепление знаний и умений, полученных в лекционных курсах цикла, получение навыков и умений координировать работу над одним проектом со специалистами разного профиля: технологами, механиками, электрониками и программистами. Объем курсового проекта не менее 5 листов формата А1 и 30-50 листов расчетно-пояснительной записки. Предметом курсового проектирования является комплексная разработка механических, электронных и программных компонентов технологического оборудования, разработка структурной схемы и комплектация САУ в совокупности с машиной в целом, разработка принципиальных электрических схем на нестандартные компоненты САУ. Объектом проектирования являются технологическое оборудование и оснастка, исследовательские стенды, прорабатываемые студентами в рамках проводимого на кафедре инженерного практикума. Допускается выполнение проектов по индивидуальным заданиям в ранее проводимых на кафедре НИР, НИОКР и других исследований. | 102 |
Студент должен выполнить следующие объемы работ:
| 20% объема работ | | Разработка процессной модели объекта проектирования. |
| 40% объема работ | | Разработка комплексной принципиальной схемы целевых механизмов (КПС механики). |
| 60% объема работ | | Разработка комплексной принципиальной схемы системы энергообеспечения и системы управления. |
| 80% объема работ | | Разработка принципиальной электрической схемы нестандартного компонента САУ. |
| 100% объема работ | | Согласование КПС и процессной модели, постановка ТЗ и ТП на компоненты машины, оформление расчетно-пояснительной записки. |
Раздел 8. Учебно-методические материалы.
8.1. Рекомендуемая литература.
- Конспект лекций по курсу на электронных носителях.
- Хоровиц П., Хилл У., Искусство схемотехники: В 3-х томах. Пер. с. англ.- 4-е изд. - М.: Мир, 1993.
- Однокристальные микроЭВМ. М.: МИКАП, 1994, - 440 с.
4. Рябов В. Т. Проект "Методы и средства комплексной проработки механических, электронных и программных компонентов оборудования электронных технологий". Методические указания. МТ-11, 2000г.
5. Рябов В. Т. Программирование работы шагового двигателя. Методические указания для проведения лабораторных работ. 1998 г.
Программа составлена: Рябов В. Т., доц., к.т.н._________________
Программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МТ-11.
Заведующий кафедрой МТ-11.
Волчкевич Л. И.___________________ «____» __________ 2003 г.
Одобрена методической комиссией факультета МТ
Председатель методической комиссии факультета МТ
(Ф.И.О.) ___________________ «____» __________ 2003 г.
Программа согласована с методическим отделом
Васильев Н. В. ___________________ «____» __________ 2003 г.