INOVACE PŘEDMĚTU MIKROELEKTRONICKÉ SYSTÉMY - LOKÁLNÍ A VZDÁLENÁ SPRÁVA ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ

VŠB TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta strojní KATEDRA AUTOMATIZAČNÍ TECHNIKY A ŘÍZENÍ INOVACE PŘEDMĚTU MIKROELEKTRONICKÉ SYSTÉMY - LOKÁLNÍ A VZDÁLENÁ SPRÁVA ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ Závěrečná zpráva grantového projektu Fondu rozvoje VŠ MŠMT ČR F1/a/2691/2006 Odpovědný řešitel: Ing. Jaromír Škuta, Ph.D. Ostrava prosinec 2006

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -1- Obsah ÚVOD 2 POČÁTEČNÍ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY 2 CÍLE ŘEŠENÍ A ZPŮSOB JEJICH SPLNĚNÍ 2 PREZENTACE VÝSLEDKŮ ŘEŠENÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU 4 NÁVAZNOST 5 ČERPÁNÍ FINANČNÍCH PROSTŘEDKŮ 5 HOSPODAŘENÍ S PROSTŘEDKY FONDU ROZVOJE A VŠ ZA ROK 2006 6 ZÁVĚR 6 POUŽITÁ LITERATURA 7 PŘÍLOHA 1. ZMĚNA OBSAHU PŘEDMĚTU MIKROELEKTRONICKÉ SYSTÉMY 8

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -2- Úvod Tato závěrečná zpráva se týká grantového projektu Fondu rozvoje vysokých škol České republiky, který byl řešen na katedře Automatizační techniky a řízení, Fakulty strojní VŠB - TU Ostrava, v roce 2006 po dobu jednoho roku. Grantový projekt byl zařazen do kategorie F1/a - Inovace studijních předmětů a jeho cílem bylo rozšíření osnov předmětu Mikroelektronické systémy o problematiku dálkové správy řídicích systémů. Pro praktické cvičení této problematiky bylo vytvořeno specializované pracoviště a byly vytvořeny konfigurační moduly umožňující demonstrovat jak lokální, tak vzdálenou správu řídicích systémů. Dále byly vytvořeny učební texty pro výuku této problematiky. Současně je projekt konkrétním příspěvkem k zlepšení experimentální složky výuky magisterského studia oboru Automatické řízení a inženýrská informatika. Počáteční stav řešené problematiky V laboratořích katedry ATŘ 352, Fakulty strojní, VŠB TU Ostrava, byly v rámci diplomových a bakalářských prací vytvořeny modely reálných technologií. Tyto laboratorní úlohy používají pro řízení systémy na basi jednočipových počítačů, PLC, IPC. Tak jako v reálných podmínkách se jednotlivé úlohy od sebe liší podle toho jaký řídicí systém použijeme a jakou technologii řídíme. Pro všechny tyto úlohy byl použit na vyšších stupních hierarchické struktury SCADA/MMI systém Control Web 2000 nebo Control Web 5. Tyto úlohy se využívají v rámci cvičení z předmětů Mikroelektronické systémy, Prostředky automatického řízení, Měření a senzorová technika, Měření a senzory. Tyto úlohy pracovaly nezávislé na sobě a odděleně. V programu předmětu Mikroelektronické systémy je velká část věnována řídicím systémům na nejnižší úrovni. Jejich konfigurace je z pohledu vzdáleného přístupu dosti omezená. Lze ji provádět právě prostřednictvím SCADA/MMI systémů. Cíle řešení a způsob jejich splnění V přihlášce grantového projektu byly vytýčeny následující cíle: 1. Rozšíření výuky předmětu Mikroelektronické systémy - zpracovat návrh a zkonfigurovat pracoviště umožňující vzdálený přístup k dílčím

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -3- řídicím subsystémů na bázi jednočipových počítačů, programovatelných logických automatů a průmyslových PC. 2. Rozšíření znalostí studentů o nové trendy v problematice návrhu hierarchických řídicích systémů. 3. Vytvoření mobilního pracoviště pro reálnou výuku této problematiky - rozšířit laboratoř reálných modelů, zaměřenou na výuku v oblasti prostředků automatizační techniky, o mobilní pracoviště specializující se na dálkovou správu a konfiguraci řídicích podsystémů a použít toto pracoviště při praktických cvičeních. Rozšíření a modifikace stávajících laboratorních úloh o programové moduly umožňující vzdálenou správu. Vytvoření speciálních modulů spustitelných na mobilním pracovišti a podporující komunikací s dílčími řídicími podsystémy. Ověření funkčnosti a možností tohoto mobilního pracoviště 4. Vytvoření technické dokumentace a její následné využití ve výuce - vytvoření doprovodného učebního textu k tomuto pracovišti pro následné využití ve výuce. Tento doprovodný učební text bude rozšiřovat již existující škálu učebních textů dostupných na www serveru fakulty (http://www.fs.vsb.cz). 5. Vytvoření metodiky návrhu těchto systémů. 6. Prezentace dosažených výsledků na konferencích - prezentace dosažené výsledků před odbornou veřejností, předpokládá se účast na konferencích zaměřených na výukový proces, kterých se řešitel již v minulosti několikrát účastnil a získal z nich řadu podnětů pro vlastní práci, např. Seminář ASŘ 2006 (Pořadatel: VŠB-TU Ostrava, FS, místo konání: Ostrava). Tyto cíle jsou splněny následujícím způsobem: Ad.1 Byla rozšířena osnova předmětu Mikroelektronické systémy o problematiku tvorby SCADA/MMI aplikací pro dálkovou a lokální správu řídicích systémů s využitím nástrojů systému Control Web 2000 a Control Web 5 jako jsou lokální a vzdálené moduly, CwNetDrv ovladač, HTTPD komponenta. V rámci inovované výuky se studenti seznámí jak s tvorbou těchto aplikací, postupem při návrhu jednotlivých modulů, tak

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -4- s vazbami mezi nimi, tj. datovým propojením dílčích části hierarchické struktury řízení, což je důležitou části pro dálkovou správu řídicích systémů. Důležitým přínosem je i zobecnění návrhu těchto řídicích systémů. Ad.2 Byly vytvořeny podklady ve formě učebních textů, které se zabývají použitým SCADA/MMI systémem (Control Web 2000, Control Web 5), jeho nástroji a vlastnostmi umožňující návrhy a realizace systémů pro dálkovou správu. Byly zohledněny nejnovější technologie a trendy v této problematice. Ad.3 Z prostředků grantu bylo financováno a vytvořeno nové mobilní pracoviště umožňující dálkovou správu vybraných laboratorních úloh. Pro toto pracoviště bylo nutno modifikovat nebo vytvořit moduly v systému Control Web 2000, Control Web 5 podporující dálkovou správu řídicích systémů. Dále byly rozšířeny stávající laboratorní úlohy o nové technické prostředky (IPC DataLab PC1200, PC/LCD) hlavně s ohledem na rostoucí nároky systému Control Web 5. Ad.4 V průběhu řešení projektu vznikalo mnoho doprovodných učebních textů jak pro popis dílčích laboratorních úloh a jejich návrh, tak pro zvládnutí obecných postupů návrhů těchto řídicích systémů. Ad.5 S ohledem na vybraný SCADA/MMI systém jeho nástroje a možnosti byla vytvořena obecná metodika návrhu systému pro dálkovou správu řídicích systémů, která se stala součásti výuky. Ad. 6 Jedním z výstupů grantového projektu byla publikace příspěvku na konferenci ARaP 2006. Jelikož byly použity také části aplikací a zkušenosti z let předcházejících je nutno připomenout v této souvislosti příspěvky z předešlých konferencí např. ASŘ 2005. Za prezentací výsledků lze považovat i učební texty pro výuku předmětu Mikroelektronické systémy umístěné na http://352lab.vsb.cz. Prezentace výsledků řešení grantového projektu Výsledky řešení jsou zpracovány ve formě závěrečné zprávy hodnotící dosažené cíle, poznatky z realizace a z ověřování konkrétních výstupů. Zpráva bude

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -5- publikována ve formátu WWW stránek na fakultním WWW serveru, který je dostupný na URL adrese http://www.fs.vsb.cz. Prezentací výsledků jsou i učební texty umístěné na výukovém serveru http://352lab.vsb.cz/serverfinalver/jenpronase/dalsprs.htm. Realizované postupy a výsledky byly průběžně prezentovány na odborných akcích pořádaných vysokoškolskými pracovišti příbuzných oborů a zařazovány do výukového procesu. Do prezentace výsledků řešení grantového projektu lze zařadit referáty na konferencích (konference konající se v blízké budoucnosti). Dílčí výsledky byly již prezentovány např. na konferenci ARaP 2006. ŠKUTA, J. Dálková správa řídicích systémů v prostředí Control Web 5. In Automatizace, regulace a procesy 2006. Dimart s.r.o.. Brno, 21,-22,11. 2006. ISBN: 80-903844-0-4. Prezentací je zajisté i možnost využití mobilního pracoviště při výuce předmětů zabývajících se touto nebo podobnou problematikou. Návaznost Výsledky tohoto projektu navazuji na předešlé trendy ve výuce předmětů zabývajících se problematikou řízení a automatizaci na Katedře automatizační techniky a řízení Strojní fakulty, především v oblastí monitorování a konfigurace pomocí SCADA/MMI systémů. Vytvořené mobilní pracoviště umožňuje studentům v rámci praktických cvičení reálně pracovat s řídicími systémy laboratorních úloh a provádět jejich konfiguraci a vzdálenou správu. Při vzdálené správě jsou využity nejnovější technologie, se kterými se budou setkávat i v technické praxi. Tato cvičení jim umožní lepší přípravu pro budoucí uplatnění v praxi. Čerpání finančních prostředků Čerpání finančních prostředků bylo v souladu s plánovanými cíly a finanční rozvahou grantového projektu. Na řešení projektu bylo přiděleno 120 000,- Kč v kategorii NIP (dotace FRVŠ) a 32 000,- Kč (dotace pracoviště). Mzdové prostředky na řešení projektu zahrnují pouze symbolické odměny pro řešitele 8 000,- Kč. Přidělené finanční prostředky byly využity na vytvoření mobilního pracoviště umožňující dálkovou správu vybraných laboratorních úloh (40 000,-Kč), pro inovaci a

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -6- vybavení experimentálních pracovišť v laboratoři H 303 (PC/LCD400, PC1200, IO DataLab. 80 tis. Kč) a pro provozní materiál zajišťující tvorbu nových úloh a výuku (zálohovací média, el. součástky, externí pam. jednotky, náplň do tiskárny 25 000,- Kč), které budou dále využívány, jak ve výuce studentů magisterského i bakalářského studia, tak i pro samostatnou činnost studentů v rámci řešení svých diplomových a disertačních prací. Vybrané laboratorní úlohy umožňují vzdálenou správu z mobilního pracoviště s využitím WIFI technologie jak v rámci intranetu tak v rámci internetu přes VPN klienta. Přehled čerpání prostředků z FR VŠ je uveden v následující tabulce. Drobné změny financováni v jednotlivých položkách byly způsobeny rozdílem cen požadovaných komponent v době podání přihlášky a cen stávajících. Hospodaření s prostředky Fondu rozvoje a VŠ za rok 2006 Technické prostředky Mobilní pracoviště (Přenosný komunikační terminál s rozhraním ) Inovace stávajících úloh (PC/LCD400, PC1200, DataLab ) Rozšíření lab.úloh (WL167, HDD, materiál GM, AP, Paměť ) Plánovaná částka [Kč] Použitá částka [Kč] 40 000,- 39 292,- 80 000,- 79 286,- 25 000,- 26 422,- Součásti financování projektů byla finanční odměna řešiteli, dle schváleného rozpočtu přihlášeného projektu (8 tis. Kč). Závěr Výsledky řešeného grantu rozšíří možnosti praktické výuky na Katedře automatického řízení Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava o dálkovou správu řídicích systémů s využitím prostředí SCADA/MMI (Control Web 2000 a Control Web 5). Vzniklé mobilní pracoviště umožní studentům lépe pochopit možnosti, výhody a způsoby nasazení takovýchto systémů v reálných podmínkách. Lze si na reálných modelech ověřit a otestovat nástroje SCADA/MMI systémů umožňující dálkovou správu řídicích systémů na nejnižší úrovni řízení jak pomocí datové sítě tak pomocí průmyslových sítí. Přínosem je i možnost rozšíření tohoto pracoviště o dálkovou správu nově vznikajících modelů např. v rámci diplomových a bakalářských prací.

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -7- Výsledky tohoto grantu jsou součástí inovace obsahu předmětu Mikroelektronické systémy v části zabývající se touto problematikou v rozsahu 3-4 přednášek a cvičení. Vzniklé doprovodné učební texty jsou přístupné na adrese http://352lab.vsb.cz/serverfinalver/jenpronase/dalsprs.htm v rámci intranetu pro studenty fakulty. Při řešení tohoto grantu vznikly v rámci diplomových prací úlohy, na kterých lze demonstrovat dálkovou správu řídicích systémů s využitím LAN sítě, WLAN a ILAN. Financování projektu z prostředků FRVŠ významně pomohlo k dalšímu zkvalitnění magisterského studia absolventů Fakulty strojní, VŠB-TU Ostrava. Použitá literatura [1] CONTROL WEB 2000. 1995. Manuál. Alcor - Moravské přístroje, a.s.,1995. Dostupný z www: <URL:http//www.mii.cz>. [2] DEMBOWSKI, K., HEINIGE, K. & SCHMIED, L. 1997. PC v tabulkách. UNIS Publishing s.r.o. 1997. [3] GARETT, P. 1987. Computer Interface Engineering for Real-Time Systems. New Jersey, Pr. Hall New Jersey, 1987, ISBN 0-13-163023-7. [4] HRBÁČEK, J. 1999. Komunikace mikrokontroléru s okolím. Praha, BEN-technická literatura, 1999, ISBN 80-86056-42-2. [5] INTOUCH. 2003. Webové stránky. Dostupné z www: <URL:http//www.pantek.cz >. [6] I&C Energo. 2003. Webové stránky. Dostupné z www: <URL:http//www.ic-nergo.cz/>. [7] KAINKA, B. 1997. Využití rozhraní PC, měření, řízení a regulace pomocí standardních portů PC. Praha, HEL, 1997, ISBN 80-902059-3-3. [8] MALINA, Z. 2001. Promotic 2000 software pro vizualizaci a řízení. Automa, červen 2001, č. 6. [9] MAŘÍK, V. 2002. Aktuální trendy v průmyslové automatizaci. Automatizace, listopad 2002, č. 11. [10] OSTERLOH, H. 2002. TCP/IP kompletní průvodce. Praha, Softpress 2002. ISBN 8086497348. [11] ŠKUTA, J. 2002. Web Cam Using for Real-time Tasks Monitoring in Control Web 2000 System. In Proceedings of 3rd International Carpathian Control Conference. Ostrava, VŠB TU Ostrava, 27. - 30. 5. 2002, s. 463-467. ISBN 80-248-0089-6. [12] ŠKUTA, J. Využití krokového motoru k natáčení směrové antény pro wi-fi komunikaci. In WORKSHOP 2005. Ostrava : FS VŠB-TU Ostrava, 16. 2. 2005, 4 s. ISBN 80-248- 0750-5. [13] ŠKUTA, J. Ovládání a monitorování alarmu pomocí PIC16F84A. In Proceedings of XXX. Seminary ASR '05 Instruments and Control. Ostrava : Katedra ATŘ, VŠB-TU Ostrava, 29. 4. 2005, s. 433-436. ISBN 80-248-0774-2. [14] VACEK, V. 1999. Praktické použití procesoru PIC. Praha, BEN-technická literatura, 1999, ISBN 80-86056-56-7. [15] VLACH, J. 1997. Počítačová rozhraní, přenos dat a řídicí systémy. Praha, BENtechnická literatura, 1997, ISBN 80-85940-17-4.

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -8- Příloha 1. Změna obsahu předmětu Mikroelektronické systémy Obsah předmětu Mikroelektronické systémy pro letní semestr 2004/2005 1. Př. Úvodní seznámení - obsah předmětu, základní zákony elektrotechniky, rozšíření rozsahů měřicích přístrojů, základní typy el. signálů, simulace el. obvodů pomocí PC. 2. Př. Pasivní obvodové prvky a jejich vlastnosti a řazení ( rezistor, odpor, cívka), polovodičové součástky (dioda, tranzistor, tyristor, triák), tvorba tištěných spojů. 3. Př. Operační zesilovače, vnitřní struktura, základní zapojení a jejich využití pro zpracování signálů. Obsah inovovaného předmětu Úvodní seznámení - obsah předmětu, základní zákony elektrotechniky, rozšíření rozsahů měřicích přístrojů, základní typy el. signálů, simulace el. obvodů pomocí PC. Pasivní obvodové prvky a jejich vlastnosti a řazení ( rezistor, odpor, cívka), polovodičové součástky (dioda, tranzistor, tyristor, triák), tvorba tištěných spojů. Operační zesilovače, vnitřní struktura, základní zapojení a jejich využití pro zpracování signálů. 4. Př. Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO pro zpracování signálů. pro zpracování signálů. 5. Př. Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO Převodníky U/U, I/U, U/I, U/f, f/u,., speciální IO pro zpracování signálů (Pokračování). pro zpracování signálů (Pokračování). 6. Př. Typy modulací signálů a princip jejich realizace. Typy modulací signálů a princip jejich realizace. 7. Př. Jednočipové mikropočítače řady PIC, vnitřní struktura, popis a přístup k registrům. Jednočipové mikropočítače řady PIC, vnitřní struktura, popis a přístup k registrům. 8. Př. Vývojové prostředí pro tvorbu programu (jednočipové mikropočítače řady PIC). Základní instrukce a tvorba algoritmu dle zadání úlohy. Vývojové prostředí pro tvorbu programu (jednočipové mikropočítače řady PIC). Základní instrukce a tvorba algoritmu dle zadání úlohy. 9. Př. Rozšiřující moduly pro vyšší řady procesorů PIC. Rozšiřující moduly pro vyšší řady procesorů PIC. 10. Př. Nasazení SCADA/MMI pro monitorování a řízení, volba OS, vývojové prostředí Control Web 2000. Nasazení SCADA/MMI pro monitorování a řízení, volba OS, vývojové prostředí Control Web 2000. 11. Př. Vývojové prostředí Control Web 2000 (pokračování). Vývojové prostředí Control Web 2000 (pokračování). 12. Př. Postupy při tvorbě rozsáhlých distribuovaných systémů řízení, otevřenost SCADA/MMI systémů, využití LAN, MODEMY. Možnosti dálkové správy řídicích systémů na nejnižší úrovni řízení ( propojení řídicích systémů s nadřazenou úrovni, definice vazeb mezi jednotlivými úrovněmi, definice rozhraní z pohledu dálkové správy řídicích systémů ). 13. Př. Možnosti propojení SCADA/MMI systému s technickými prostředky na nejnižší úrovni Přenosové cesty pro konfiguraci řídicích systémů řízení na nejnižší úrovni (možnosti systému Control hierarchické struktury řízení, průmyslové sítě ILAN. Web 5, komunikace pomocí LAN, WLAN a ILAN ). 14. Př. Časová rezerva Systémový návrh pracovišť určených pro vzdálenou konfiguraci řídicích systémů hierarchické struktury řízení. První dvě přednášky a cvičení (12, 13) jsou věnovány základním stavebním prvkům systému Control Web 2000 a Control Web 5, které umožňují dálkovou správu řídicích systémů. Jsou zde také definovány možnosti a způsoby konfigurace řídicích systémů na nejnižší úrovni řízení. V závěrečné přednášce (14) jsou všechny tyto nabyté zkušenosti využity pro systémový návrh aplikací v systému Control Web 2000 nebo Control Web 5 podporující dálkovou správu řídicích systémů.

Závěrečná zpráva grantového projektu FR MŠMT ČR -9- Vlastní cvičení se skládat ze dvou části z nichž jedna je věnována procvičování látky probrané na přednáškách. V druhé části cvičení studenti pracují ve skupinách na zadaných projektech (tvorba samostatných modulů systému Control Web 5 s definovaným rozhraním pro komunikaci mezi sebou) jejichž součástí je dálková správa řídicích systémů. Zde se naučí týmové práci, která je při řešení těchto rozsáhlých projektů nutností.