Didakti ko pomagalo za izvo enje nastave iz podru ja industrijskih ra unala

Danijel Marši *, Miroslav Potroško** i Goran Mal * * Tehni ko veleu ilište u Zagrebu / Elektrotehni ki odjel, Zagreb, Hrvatska

danijel.marsic@tvz.hr ** Obrtni ka škola Koprivnica, Koprivnica, Hrvatska

miroslav.potrosko@gmail.com

Sažetak - Sve ve i napredak u polju industrijske automatizacije zahtijeva i sve bolju edukaciju u enika koji e biti osposobljeni nositi se s modernim zahtjevima i

ciljevima koje name u današnje aplikacije. To nost kod regulacije i vo enja procesa, kompleksnost, zahtjevi za brzim prilagodbama parametara procesa i pouzdanost uvjetuje primjenu programirljivih logi kih kontrolera (PLC) u industriji. Zbog toga je potrebno im ranije tijekom školovanja upoznati budu e tehni are s novim trendovima u industrijskim tehnologijama. Osim teoretskih znanja, važno je omogu iti u enicima da samostalno rješavaju prakti ne problemske zadatke što je mogu e izvesti jedino u specijaliziranim laboratorijima opremljenim namjenskim didakti kim pomagalima. U enici na takvom pomagalu mogu samostalno sudjelovati u rješavanju problemskih zadataka, te povezati teorijska znanja s ponašanjem pravih industrijskih procesa. U radu je prikazana izvedba i primjena didakti kog ra unalnog laboratorijskog modela za izvo enje vježbi iz podru ja industrijskih ra unala u srednjoškolskom obrazovanju.

I. UVOD U cilju poboljšanja nastave u Obrtni koj školi

Koprivnica u kojoj se školuju u enici elektrotehni ke struke, potrebno je osigurati uvjete za kvalitetno izvo enje laboratorijskih vježbi kako bi u enici nakon završene srednje škole mogli lakše savladavati nove tehnologije, a ukoliko se odlu e za studij, imali potrebna predznanja iz podru ja automatizacije. Ovdje se prvenstveno misli na zanimanja u kojima je nastavnim planom i programom propisano održavanje nastave i laboratorijskih vježbi iz predmeta koji su usko vezani za industrijsku automatizaciju i upravljanje.

U školskim uvjetima gdje je velika frekvencija enika, najelegantnije rješenje bilo bi koristiti samo

osobno ra unalo za simulaciju rada PLC ure aja jer bi na taj na in svaki u enik mogao izvoditi vježbe i kroz simulaciju na ra unalu provjeravati rješenje. Me utim, tu nailazimo na problem jer u enik ne radi s pravim fizi kim ure ajem kojeg e kasnije susresti u svom radu. Samim time nije u mogu nosti realno upoznati i odraditi zadanu vježbu kojoj i je svrha da ga što kvalitetnije pripremi za njegov kasniji posao. Izvo enje vježbi na stvarnim ure ajima daje u eniku mogu nost da se u kasnijem radu lakše odlu i za ispravno rješenje realnih zadataka jer se s njima susretao na laboratorijskim vježbama tokom školovanja. Rješenje tog nastavnog problema je rad na

vježbama sa osobnim ra unalima u sprezi sa stvarnim industrijskim ra unalima gdje je mogu e posti i spoj izme u virtualnog i stvarnog rada sa procesnim ure ajima (senzori, aktuatori) odnosno spojem ra unala i simulatora stanja procesnih veli ina.

U strukovnim školama je vrlo važna uloga cjeloživotnog u enja i usavršavanja koje omogu uje

enicima da u kratkom vremenu kvalitetno i stru no usvoje nova znanja iz pojedinih podru ja njihova interesa i rada. Naime, znanja koja steknu tijekom školovanja mogu zbog stalnog razvoja tehnologije za kratko vrijeme zastarjeti. Me utim, upotreba simulatora stanja procesnih veli ina omogu uje u enicima stjecanje znanja osnova programiranja koja su vrlo sli na za razli ite proizvo e industrijskih ra unala tako da u kasnijem obrazovanju ili radu mogu uspješno savladati rad na razli itim tipovima istih.

Obuka studenata za rad s takvim tehnologijama zahtijeva poseban pristup predavanjima, a naro ito izvo enju laboratorijskih vježbi. Uzevši u obzir sve navedene injenice, pristupilo se izradi didakti kog pomagala namijenjenog izvo enju laboratorijskih vježbi iz podru ja industrijskih ra unala u srednjoškolskom obrazovanju. Cilj je bio olakšati obrazovni proces i pomo i u enicima u rješavanju složenih problema na realnim sustavima.

II. PREDMET DIGITALNI SKLOPOVI I UPRAVLJANJE enici se nakon završetka osnovne škole mogu

odlu iti za trogodišnje odnosno etverogodišnje srednjoškolsko obrazovanje u Obrtni koj školi Koprivnica. U trogodišnjim zanimanjima autoelektri ar, elektromehani ar, elektroinstalater i elektroni ar-mehani ar se tematika vezana uz industrijsku automatizaciju pojavljuje u predmetima zadnje godine školovanja.

Jedna od nastavnih cjelina je Programirljivi logi ki kontroleri (eng. Programmable Logic Controller, dalje PLC) u kojoj se upoznaje njihova arhitektura i na in rada, a na pripadaju im laboratorijskim vježbama osnove programiranja i simulacija stanja procesnih veli ina. PLC ure aj je vrsta industrijskog ra unala koje prihva a informacije iz procesa, logi ki ih obra uje u skladu s programom izra enim od strane korisnika, te prenosi rezultate obrade na izvršne ure aje u proces [6].

1714 MIPRO 2012/CE

U zanimanju tehni ar za ra unalstvo koje traje etiri godine, znanja koja se traže od u enika su na višoj razini od trogodišnjih zanimanja. U enik ovog smjera upoznaje se sa osnovama industrijskih ra unala u posljednjoj godini školovanja u okviru predmeta Radioni ke vježbe.

Kako je prije navedeno, laboratorijske vježbe koje uklju uju rad s PLC ure ajem prisutne su u okvirnim nastavnim planovima pet zanimanja. Analiza i metodi ka razrada vježbi za svako zanimanje prešla bi okvire ovog rada zbog ega e se tematika vezana uz izvo enje vježbi usmjeriti samo na zanimanje elektroni ar-mehani ar. To je trogodišnji obrazovni program nakon kojeg o ekivana znanja i vještine u enika na podru ju industrijskih ra unala daju dovoljno znanja kako bi ih se uspješno primijenilo u daljnjem radu. Okvirnim nastavnim planom i programom tematika industrijskih ra unala smještena je unutar nastavnog predmeta Digitalni sklopovi i upravljanje koji je koncipiran kao izborni predmet u tre em razredu. Predvi ena satnica predmeta je 80 sati godišnje teoretske nastave i 32 sata laboratorijskih vježbi. Predmetni nastavnik sam odre uje trajanje laboratorijskih vježbi pojedinih nastavnih cjelina u skladu s materijalno tehni kim mogu nostima škole.

U sklopu predmeta obra uju se slijede e nastavne cjeline:

1. Mjerni pretvara i

2. Upravljanje i regulacija

3. Mikroupravlja i

4. Programirljive logi ke komponente

5. Programirljivi logi ki kontroleri - PLC

6. Osobno ra unalo

A. Teoretski dio nastave U teoretskom dijelu nastave iz podru ja industrijskih

ra unala naj eš e se koristi frontalni na in rada uz korištenje modernih nastavnih pomagala. "Teoretska nastava nužan je dio nastavnog procesa, kako bi u enici upoznali i usvojili potrebna teoretska znanja iz podru ja industrijskih ra unala koja e im kasnije trebati za uspješno izvo enje laboratorijskih vježbi [8]."

Programiranje PLC ure aja se izvodi u grafi kim programskim jezicima - ljestvi astim dijagramima ili funkcijskim blok dijagramima. Stoga je zadatak teoretske nastave da u enici upoznaju funkcije pojedinih blokova kako bi ih mogli uspješno primijeniti u konkretnim zadacima.

B. Laboratorijske vježbe Na laboratorijskim vježbama iz podru ja industrijskih

ra unala koristi se laboratorijska metoda u enja i pou avanja. U enje s pomo u laboratorijskih vježbi i prakti nih primjera omogu ava u enicima lakšu spoznaju kako neki industrijski proces funkcionira i kako efikasno realizirati upravljanje tim procesom pomo u PLC ure aja. Osim temeljnih teoretskih znanja važno je na prakti nim primjerima omogu iti stjecanje osnovnih vještina [5].

Metodom laboratorijskog rada u enici koriste programski editor, unose u njega naredbe i vrše testiranje rada izra enog programa na industrijskom ra unalu i simulatoru stanja procesnih veli ina. Najvažniji ishod

enja takvog na ina nastave je povezivanje ste enih teoretskih znanja i njihova implementacija kroz rad na stvarnim ure ajima u okviru laboratorijskih vježbi.

III. PLC URE AJ I PROGRAMSKA PODRŠKA

A. PLC ure aj serije ZelioLogic Laboratorijske vježbe se izvode na kompaktnim PLC

ure ajima serije Zelio Logic, tvrtke Schneide Electric. Ure aj je odabran zbog jednostavnosti pisanja programa, simulacije i pra enja izvršavanja programa. Za potrebe izrade simulatora odabran je model koji sadrži 8 digitalnih ulaza od kojih 4 mogu raditi kao analogni za prihvat istosmjernog naponskog signala (eng. Voltage Direct Current, dalje VDC) u rasponu 0-10 VDC. Izlazni dio ovog ure aja sadrži 4 relejna digitalna izlaza.

Slika 1. Odabrani PLC ure aja serije Zelio Logic

B. Programska podrška ZelioSoft 2 Svaki proizvo PLC ure aja u pravilu uz kupljeni

proizvod daje i programsku podršku za programiranje koja je kombinacija editora, prevodioca i programa za komunikaciju izme u osobnog ra unala i PLC ure aja. Programska podrška za PLC ure aje serije Zelio Logic se naziva ZelioSoft 2 u ijem editoru u enici unose program u obliku funkcijskih blok dijagrama (eng. Function Block Diagram, dalje FBD) kao što prikazuje Slika 2.

Slika 2. Unos programa u FBD programskom jeziku

MIPRO 2012/CE 1715

FBD je grafi ki programski jezik u kojem su upravlja ke funkcije podijeljene u niz funkcijskih blokova me usobno povezanih tokom signala kao u elektroni kim strujnim krugovima. Funkcijski blok može sadržati jednostavne logi ke uvjete (I, ILI, NILI, itd.), vremenske lanove, broja e i ostale upravlja ke funkcije.

Nakon što je program napisan u enici ga mogu testirati slanjem u radnu memoriju stvarnog PLC ure aja. Njegovi ulazi i izlazi su spojeni sa simulatorom procesnih veli ina koji puno realnije od programske simulacije pokazuje kako e se ponašati procesni ure aj.

IV. SIMULATOR STANJA PROCESNIH VELI INA Upotrebom simulatora stanja procesnih veli ina u

sprezi sa stvarnim PLC ure ajem u enici lakše povezuju rad mjerne, sklopne i upravlja ke opreme iz industrijskih postrojenja sa izradom programske podrške za PLC ure aje. Radna okolina u enika na laboratorijskim vježbama se sastoji od osobnog ra unala sa programskom podrškom ZelioSoft 2 koje je komunikacijskim kabelom povezano s PLC ure ajem. Ulazi i izlazi PLC ure aja su spojeni sa simulatorom stanja procesnih veli ina - didakti kim ure ajem koji u enicima omogu uje testiranje ispravnosti izra enog programa u itanog u memoriju PLC ra unala. Kako se radi o simulatoru, na ulaze PLC ure aja se ne spajaju spajati stvarni senzori, nego se njihovo stanje mijenja pomo u preklopki ako se radi o digitalnim ulazima, odnosno pomo u potenciometara ako se radi o analognim ulazima. Jednako tako, na digitalne izlaze PLC ure aja se ne stvarni aktuatori nego signalne lampice za prikaz njihovih stanja [1]. Slika 3. prikazuje raspored osnovnih elemenata na prednjoj plo i izra enog simulatora stanja.

Slika 3. Prednja plo a simulatora stanja procesnih veli ina

Odabrano je rješenje koje u enicima omogu ava zadavanje digitalnih ulaznih stanja i analognih ulaznih vrijednosti te prikaz digitalnih izlaznih stanja PLC ure aja. S lijeve strane prednje plo e smještene su preklopke kojima se uklju uje ili isklju uje pojedini digitalni ulaz PLC ure aja. Na ulaze IB-IE se osim digitalnih signala mogu dovoditi i analogni signali koji se mijenjaju u granicama od 0 do 10 VDC. Konfiguracija

vrste signala na ovim ulazima vrši se prilikom programiranja samog PLC ure aja. Zbog mogu e kombinacije dviju razli itih vrsta signala na istim fizi kim ulazima, na simulator su dodani preklopnici koji omogu uju prebacivanje izme u digitalnog ili analognog signala. U slu aju odabira analognog signala se podešavanje ulaznog napona izvodi preko pripadaju eg potenciometra uz istovremeno pra enje vrijednosti napona svih etiriju ulaza PLC ure aja na ugra enom voltmetru.

Od simulatora stanja se o ekuje stabilnost i pouzdanost u radu tokom duljeg vremena korištenja zbog ega je kod izrade projekta vo eno ra una o mehani koj

izdržljivosti ure aja. PLC ure aj je smješten iznad prednje plo e simulatora stanja kao što prikazuje Slika 4.

Slika 4. Simulator stanja u radnoj okolini u enika

V. ORGANIZACIJA LABORATORIJSKIH VJEŽBI Kako bi se laboratorijske vježbe iz podru ja

industrijskih ra unala mogle kvalitetno i u inkovito izvoditi potrebno je to no definirati zadatke i ciljeve koji e se izvo enjem vježbe ostvariti. Cilj laboratorijskih

vježbi iz podru ja industrijskih ra unala je da u enici samostalnim vježbanjem ili radom u grupi rješavaju konkretne primjere upotrebe PLC ure aja u svakodnevnom životu. Osnovni zadatak laboratorijske nastave je da se u enike nakon provedenih vježbi osposobi za samostalan rad sa industrijskim ra unalima. "Tako er, zadatak laboratorijskih vježbi je da u enici koriste svoje sposobnosti i kreativnost u pronalaženju što jednostavnijeg rješenja postavljenog problema [7]."

Svaku nastavnu cjelinu predmeta Digitalni sklopovi i upravljanje prati odgovaraju i broj sati laboratorijskih vježbi. Konkretno, za nastavnu cjelinu vezanu uz PLC ure aje potrebno je odraditi sljede e laboratorijske vježbe:

1. Gra a PLC ure aja, dijelovi, princip rada

2. Programski paket ZelioSoft2 - su elje i primjena

3. Logi ki sklopovi u FBD programskom jeziku

4. Direktno pokretanje trofaznog asinkronog motora

5. Školsko zvono (naredbe timera i broja a)

6. Semafor (razli ite kombinacije timera i broja a)

7. Regulacija temperature (primjena analognih ulaza)

8. Komunikacija PLC ure aj - osobno ra unalo

1716 MIPRO 2012/CE

Nastavnik laboratorijskih vježbi treba u uvodnom dijelu sata ponoviti ona znanja koja su važna za izvo enje vježbe. "Kako bi laboratorijske vježbe bile što u inkovitije potrebno je da aktivnostima u enika prethode pismene ili usmene instrukcije nastavnika koje sadrže cilj, zada e i pitanja na koja trebaju odgovoriti [9]."

Prilikom izvo enja laboratorijskih vježbi koristi se metoda samostalnog obavljanja pokusa koja omogu uje

eniku da sam svojim samostalnim radom dolazi do novih spoznaja. "Konstruktivisti ki pristup u enju, gdje student samostalnim radom izra uje programsku podršku za simulirane sustave, podešava i programira ure aje u za to prilago enom nastavnom okruženju, pokazao se kao najbolji za prou avanje takve tematike [3]."

"Uloga nastavnika na ovakvim vježbama svodi se na ulogu voditelja, a nikako predava a [4]." Obilježja laboratorijske vježbe iz podru ja industrijskih ra unala su sljede a:

- enik je u središtu rada, a nastavnik je u pozadini na raspolaganju u enicima za eventualna pitanja i sugestije;

- vježba se izvodi prema pripremljenim nastavnim materijalima od strane nastavnika koje u enici dobiju na po etku sata;

- nema velike razlike u postavljenim ciljevima i rezultatima vježbe;

- dolazi do procesa samovrjednovanja jer u enik može sam zaklju ivati o rezultatu svoga rada;

- motivacija u enika je ve a nego u razrednoj nastavi.

Tokom izvo enja laboratorijskih vježbi iz podru ja industrijskih ra unala potrebno je pro i kroz sljede e tri faze nastave:

1. Uvodni dio

Nastavnik uvodi u enika u rad ponavljanjem potrebnog teoretskog gradiva i postavlja kratka pitanja na koje u enici odgovaraju. Postavljena pitanja se nalaze na radnim listovima za u enike i dio su priprema koje u enici samostalno izvršavaju prije dolaska na vježbe. Nakon toga priprema se u enike za rad kroz najavu cilja i zadatka vježbe.

2. Samostalno izvo enje laboratorijske vježbe

Na po etku vježbe u enici samostalno rade u programskom editoru na rješenju postavljenog problema i provjeravaju to nost napisanog programa te prema potrebi korigiraju nedostatke. Nakon toga samostalno prebacuju program u memoriju PLC ure aja i vrše provjeru rada programa upotrebom osnovnih elemenata na prednjoj plo i simulatora stanja.

3. Završni dio sata

Nakon obavljenog prakti nog dijela vježbe u enik iznosi zaklju ke o postavljenom problemu i svojem rješenju. Objašnjava princip rada izra enog programa i rezultate dobivene prilikom testiranja istog. Nastavnik u skladu s odgovorima, motivaciji i pra enju u enika na satu vrši evaluaciju rada odgovaraju om ocjenom.

Uvo enje simulatora stanja u nastavni proces visokoškolskog obrazovanja rezultiralo je pove anjem prosje nih ocjena i smanjenjem broja izlazaka na ispit kod generacija studenata koje su laboratorijske vježbe odra ivale na taj na in, kao u [2]. Sli ni rezultati se

ekuju i u srednjoškolskom obrazovanju.

VI. ZAKLJU AK Didakti ko pomagalo, ija je izvedba prikazana u

ovom radu, se koristi za izvo enje nastave iz podru ja industrijskih ra unala u srednjoj strukovnoj školi. Prilikom izrade idejnog rješenja simulatora stanja procesnih veli ina uvažene su postoje e potrebe nastavnog programa i uvjete laboratorija. Samom projektiranju prethodila je konzultacija s kolegama, te su zajedni ki doneseni zaklju ci uklju eni u projekt.

Metodološka razrada priprema i samog izvo enja nastave laboratorijskih vježbi iz podru ja industrijskih ra unala je izra ena sukladno smjernicama za izvo enje strukovne teoretske nastave. Za korišteni PLC ure aj izra ena su pisana objašnjenja potrebna za uspješno svladavanje procesa programiranja na razini prilago enoj srednjoškolskom uzrastu, a u skladu s nastavnim planom i programom. U enik na laboratorijskim vježbama dobiva nastavne materijale pisane na na in da sve vježbe može izvesti samostalno, bez potrebe za vo enjem od strane nastavnika.

Simulator stanja procesnih veli ina dodatno poboljšava prikaz realnih industrijskih procesa u kojima se upravljanje vrši pomo u PLC ure aja i u enicima je na taj na in omogu eno izravno sudjelovanje u samom procesu. Iako je izvo enje nastave laboratorijskih vježbi iz podru ja industrijskih ra unala na simulatoru stanja tek po etak, autori se nadaju da e se školski laboratorij Obrtni ke škole Koprivnica u bliskoj budu nosti mo i još kvalitetnije opremiti i time još više podi i kvaliteta izvo enja nastave.

LITERATURA [1] M. Potroško: Izrada didakti kog pomagala za izvo enje nastave iz

podru ja industrijskih ra unala, diplomski rad br. E149, Tehni ko veleu ilište u Zagrebu, Politehni ki specijalisti ki diplomski stru ni studij, Specijalizacija elektrotehnika, Zagreb, 2011.;str. 69.

[2] Goran Mal , Mato Fruk, Damir Josi : PLC's State Simulator, Computers in education (CE), MIPRO 2005.; str. 4.

[3] Velimir Rajkovi , Goran Mal , Danijel Marši : Izvo enje nastave iz podru ja procesnih ra unala, Computers in education (CE), MIPRO 2008.; str. 5.

[4] Goran Mal , Biljana Stojakovi , Danijel Marši : Izvo enje nastave iz podru ja industrijskih ra unalnih mreža, Computers in education (CE), MIPRO 2007.; str. 1.

[5] Milivoj Puzak, Danijel Marši , Goran Mal : Laboratorijski model DeviceNet industrijske mreže u HVAC sustavu, Computers in education (CE), MIPRO 2007.; str. 1.

[6] Goran Mal , Danijel Marši : Programirljivi logi k kontroleri, skripta za kolegij Procesna ra unala, Tehni ko veleu ilište u Zagrebu, Elektrotehni ki odjel, Zagreb, 2009.; str. 9.

[7] Matijevi Milan, Radovanovi Diana: Nastava usmjerena na enika, ŠKOLSKE NOVINE d.o.o. Zagreb, 2011.; str. 129.

[8] Turkovi Ivan: Nastava strukovno-teorijskih predmeta u srednjim školama, Informator, Zagreb, 1997.; str. 124.

[9] Petri evi Dušan: Metodika strukovno teoretske nastave, Pu ko otvoreno u ilište Zagreb, 2004.; str. 153.

MIPRO 2012/CE 1717