Российско-германский научно-образовательный проект БГТУ-FESTO

Используя подходы к реализации инновационных научно-образовательных программ, в Балтийском государственном техническом университете «Военмех» им. Д.Ф.Устинова с июня 2005 года осуществляется российско-германский научно-образовательный проект с одной из ведущих европейских корпораций в области разработки и производства элементной базы для мехатронных систем и автоматизированных промышленных производств – фирмой ФЕСТО.

Идея проекта вызревала на протяжении более 10 лет различных форм сотрудничества между БГТУ и фирмой ФЕСТО.

ФЕСТО уже много лет ведет целенаправленную работу по продвижению на российский рынок своей высококачественной продукции. Многие предприятия уже давно и успешно используют в своем производстве элементы пневмо- и электропневмоавтоматики и промышленные контроллеры. Однако, дальнейшему  освоению российского рынка-потребителя данной продукции препятствует недостаточное количество специалистов знающих и обладающих навыками использования и сопровождения данной элементной базы. Эти обстоятельства и послужили основой для разработки и реализации научно-образовательного проекта по подготовке высококвалифицированных специалистов в области мехатронных систем и автоматизации промышленных производств.

Серьезная проблема российского образования – устаревшая материально-техническая база. И совершенно ясно, что для развития технических направлений подготовки необходим приток новых кадров и нового оборудования.

В 1995 году на основании договора об аренде между БГТУ «ВОЕНМЕХ» и ФЕСТО в университете начинает работать представительство ФЕСТО-Дидактик. Представительство включает в себя офисные помещения, в которых располагаются менеджеры по продажам оборудования ФЕСТО,  и два учебных класса, в которых преподаватели университета, познакомившиеся с учебным оборудованием и методиками обучения ФЕСТО-Дидактик, проводят семинары повышения квалификации по пневмо- и гидроавтоматике для работников предприятий, сотрудничающих с фирмой ФЕСТО и использующих ее оборудование в своих технологических процессах. Занятия студентов БГТУ в этих аудиториях имели нерегулярный  характер (практики, факультативные занятия), не были включены в учебные планы и курсы дисциплин.

Результатом многолетнего партнерства стало подписание 15 декабря 2004 года протокола о намерениях между БГТУ и концерном ФЕСТО, в соответствии с которым стороны, с целью дальнейшего развития процесса образования в БГТУ «ВОЕНМЕХ» и продвижения технических достижений международного концерна ФЕСТО на российском рынке, договорились о следующем:

  • БГТУ приступает к реализации образовательных программ в области мехатроники, робототехники, автоматизированных систем обработки информации и управления для чего выделяет площади для оборудования учебных, исследовательских и административных помещений, проводит их ремонт в согласованных объемах, разрабатывает согласованные сторонами учебные планы подготовки специалистов соответствии с ГОСами, осуществляет набор студентов;
  • ФЕСТО поставляет учебное оборудование для оснащения учебных и исследовательских лабораторий, согласованный объем средств для ремонта лабораторий, оказывает методическую помощь в разработке учебных программ.

Надо сказать, что к тому времени подготовка специалистов в БГТУ по указанным направлениям уже велась. Однако  материально-техническая база учебного процесса физически и морально устарела.

Главная задача состояла в подготовке специалистов новой формации, способных эффективно работать в новых экономических условиях, опираясь на знания приобретенные  при обучении на самом передовом дидактическом оборудовании.

Идея создания учебных центров не «при вузах», а «в вузах» с их включением в основной образовательный процесс по наиболее востребованным специальностям, связанными с автоматизацией технологических процессов и производств, возникла в ходе визита в БГТУ «ВОЕНМЕХ» представителей фирмы ФЕСТО в 1997 году.

Эта идея в 1999 году была реализована международным концерном ФЕСТО в Московском энергетическом институте (техническом университете), где был создан Российско-германский институт предпринимательства и промышленной автоматики.

15 июня 2005 года между БГТУ и концерном ФЕСТО был подписан Договор о сотрудничестве, в соответствии с которым стороны создают совместный образовательный проект (программу), целью которого является подготовка высококлассных специалистов, имеющих:

  • фундаментальную общетехническую подготовку,
  • инженерную подготовку по направлению «Мехатроника и робототехника» с применением современного учебного оборудования и учебно-методических разработок компании ФЕСТО,
  • базовую подготовку в области бизнес-администрирования,
  • лингвистическую подготовку.

Для реализации поставленной цели необходимо было в первую очередь решить следующие  задачи:

  • обеспечить учебно-организационное сопровождение проекта,
  • доработать  учебно-методический комплекс по специальности «Мехатроника» для чего разработать новый учебный план, откорректировать рабочие программы учебных дисциплин федерального компонента с их ориентацией на учебное оборудование ФЕСТО и создать новые курсы учебных дисциплин национально-регионального (вузовского) компонента,
  • создать материально-техническую базу проекта (помещения, учебное оборудование фирмы ФЕСТО).

Для организации учебного процесса создана администрация проекта, наделенная правами деканата, которая ведет всю необходимую работу со студентами. В число работников администрации (деканата) входят: руководитель образовательного проекта (на правах декана), помощник руководителя (на правах заместителя декана), документовед, программист,  лаборанты.

В настоящее время основным источником  финансовых поступлений  является оплата за обучение контрактных студентов. Так же имеется опыт  проведения консультаций и учебных семинаров для представителей промышленности. Это позволяет реализовывать проект в режиме самоокупаемости. Тем не менее, фирма ФЕСТО, заинтересованная в развитии проекта, осуществляет дополнительные поставки оборудования. 

Для реализации идеи подготовки универсального специалиста в области автоматизации производства  при его возможности работы в области управления автоматизированным производством  в рамках специальности «Мехатроника» была разработана специализация «Мехатроника и международный бизнес». Особенностями  учебного  плана этой специализации являются:

  • дополнение дисциплин федерального компонента общепрофессионального цикла  и цикла специальных дисциплин практическими занятиями и лабораторными работами сориентированными на новое учебное оборудование; подготовка курсов дисциплин национально-регионального цикла и цикла дисциплин по выбору студента с максимально возможным использованием всего имеющегося оборудования.(«Компьютерное проектирование изделий и технологий»,  «Элементы автоматики», «Гидропневмоавтоматика», «Электронные устройства мехатронных и робототехнических систем» и др.);
  • расширенная подготовка в части экономики и основ ведения бизнеса. Это обеспечивается за счет часов дисциплин специализации. Изучаются «Основы менеджмента», «Основы маркетинга», «Финансы и кредит», «Бухгалтерский учет», «Хозяйственное право»,  «Управление качеством» и другие дисциплины;
  • увеличенный объем подготовки  по  иностранному языку (основному) и изучение второго иностранного языка (дополнительного) как в части аудиторной нагрузки, так и в части самостоятельной подготовки студентов, что достигается за счет использования часов национально-регионального компонента и часов дисциплин по выбору студентов гуманитарного и социально-экономического цикла дисциплин образовательного стандарта.

В рамках решения третьей  задачи в БГТУ были созданы:

  • лаборатория пневмо- и электропневмоавтоматики,
  • лаборатория гидро- и электрогидроавтоматики,
  • лаборатория электромеханических приводов,
  • лаборатория мехатроники,
  • компьютерный класс.

Все лаборатории оснащены необходимым учебным оборудованием  и программными продуктами фирмы ФЕСТО, которые предоставлены фирмой ФЕСТО на правах долгосрочной аренды. В них проводятся занятия со студентами по следующим направлениям: пневматика, гидравлика, электромеханика и мехатроника.

Лаборатория пневмопривода предназначена для освоения студентами основ построения пневматических систем и изучения принципов работы элементов пневмоавтоматики. Лаборатория оснащена учебными стендами компании ФЕСТО (рис. 1) на 6 рабочих мест. В основную комплектацию стендов входят управляющие пневматические устройства (распределители, логические элементы, дроссели и т.д.), исполнительные устройства (цилиндры с одно- и двухсторонним управлением), блоки подготовки воздуха и др. Все пневматические устройства, входящие в комплект стендов, оборудованы креплениями на профильную плиту для быстрой сборки пневмосхем. Также в комплектацию стендов входят элементы электропневмоавтоматики: распределители с электроуправлением и устройства релейно-контактной логики. Наличие специализированных модулей ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов EasyPort в совокупности с датчиками расхода и давления позволяет проводить испытания основных элементов пневмоавтоматики, строить их характеристики и моделировать различные технологические процессы с помощью персонального компьютера. Для построения сложных автоматизированных систем используются промышленные программируемые контроллеры (PLC) фирмы ФЕСТО FEC Compact и дополнительные модули ввода-вывода.

 

Рис. 1. Стенд пневмопривода

Лаборатория гидропривода для регулярных занятий студентов оборудована учебными стендами компании ФЕСТО (рис. 2) на 4 рабочих места. Стенды укомплектованы элементами управляющей дискретной и пропорциональной гидроаппаратуры, исполнительными элементами (гидроцилиндрами и гидродвигателями), а также набором датчиков. Все гидравлические устройства оборудованы быстроразьемными штуцерами, которые обеспечивают безопасность при работе с высоким давлением гидравлики, предотвращают утечки масла из системы и позволяющими быстро собирать гидравлические схемы. Так же в комплектацию стендов входят элементы электрогидроавтоматики: распределители с электроуправлением и устройства релейно-контактной логики. Для лаборатории Основной упор в данной лаборатории делается на работу с пропорциональной гидроаппаратурой и построение многокоординатных систем с управлением от промышленных контроллеров. В работах используются контроллеры ФЕСТО FEC Compact. Студентам предоставляется возможность собирать макеты промышленных установок и разрабатывать программы управления для контроллеров.

 

Рис. 2. Стенд гидропривода

В лаборатории электропривода представлено 12 электромеханических стендов на базе шаговых двигателей (рис. 3) и синхронных двигателей (рис. 4) переменного тока компании ФЕСТО. Данная лаборатория предназначена для освоения студентами основ управления системами электропривода, а также изучения свойств различных двигателей. В состав каждого электромеханического стенда входит шаговый или синхронный двигатель, преобразователь движения с ременной передачей, который преобразует вращение вала в линейное перемещение каретки, а также силовой и управляющий контроллеры. Каждый преобразователь движения оборудован концевыми выключателями для контроля перемещения каретки. Система управления каждым видом двигателя имеет возможность программирования последовательности перемещений каретки, а также направления вращения, скорости и ускорения двигателя. С помощью сопутствующего программного обеспечения студенты имеют возможность получать различные параметры работы двигателей и строить различные их характеристики.

 

Рис. 3. Электромеханический стенд на базе

шагового двигателя

 

Рис. 4. Электромеханический стенд на базе

синхронного двигателя

Помимо стандартных учебных стендов БГТУ-ФЕСТО располагает специализированным оборудованием, с помощью которого студенты более углубленно изучают принципы функционирования автоматизированных систем, их проектирование и управление. На базе данного оборудования студентами выполняются исследовательские, курсовые и дипломные работы.

  • Двухкоординатный манипулятор-позиционер (рис. 5) на основе пневматических приводов и пропорциональной пневматики фирмы ФЕСТО. Система управления позиционера построена на базе ПЛК SPC-200, который программируется с помощью пакета WinPISA.

 

Рис. 5. Двухкоординатный манипулятор-позиционер

  • Стенд для динамических испытаний (рис. 6), основной частью которого является пневматический цилиндр с сервоуправлением. Процессом испытания управляет контроллер на базе микроконтроллера фирмы Microchip.

 

Рис. 6. Стенд для динамических испытаний

  • Стенд, имитирующий процессы пищевого производства (рис. 7). Стенд оснащен различными исполнительными элементами (насосы, клапаны с электромагнитным управлением и др.) и датчиками (ультразвуковой, расхода, температурный и др.), а также контроллером фирмы BECK. На этом стенде студенты могут разрабатывать системы человеко-машинного интерфейса в среде InTouch 9.0.

 

 

Рис. 7. Стенд, имитирующий процессы

пищевого производства

Кроме того, для проведения научно-исследовательских работ студентами старших курсов проекта были созданы лабораторные стенды:

  • Двухкоординатный гидравлический манипулятор с сервоуправлением исполнительных гидроцилиндров. Манипулятор обеспечивает высокую точность позиционирования и способен рисовать на плоской поверхности запрограммированные геометрические объекты. Кроме этого, управление им может производиться вручную, посредством ПЛК, компьютерного модуля ввода-вывода или с помощью генератора низких частот.
  • Стенд для моделирования систем на базе пропорциональной пневматики (рис. 8). Основой системы управления является контроллер на базе сигнального контроллера фирмы Silicon Laboratiries с возможностью управления по протоколу CAN. Обработка полученных данных и построение характеристик компонентов осуществляется с помощью модуля ввода-вывода EasyPort.

 

Рис. 8. Стенд для моделирования систем на базе

пропорциональной пневматики

В настоящее время студенты старших курсов изучают устройство и принципы управления промышленными сварочными роботами-манипуляторами с 6-ю степенями свободы. Основным направлением дальнейшей работы с роботами будет являться разработка нового программного обеспечения и аппаратной части для управления осевыми электродвигателями манипулятора в отдельности и манипулятора в целом.

Одним из важнейших направлений развития проекта является активизация научно-технического творчества студентов, привлечение их к реальным инженерным и исследовательским проектам в рамках студенческого конструкторского бюро и научного общества, а также повышение эффективности подготовки молодых научных кадров.

В настоящее время в рамках образовательного проекта в соответствии с реализацией Болонского соглашения ведется методическая работа по подготовке к переходу на кредитно-модульный принцип организации учебного процесса.

 

Международный проект «Синергия»

С 2006 года БГТУ-ФЕСТО участвует в Международном проекте дистанционного обучения «Синергия» в области мехатроники.  В данном проекте принимают участие 4 ВУЗа: Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф.Устинова (БГТУ), Московский энергетический институт (МЭИ), Севастопольский национальный технический университет (СевНТУ) и Омский государственный технический университет (ОмГТУ). В данный момент ведутся работы по включению в проект «Синергия» Карагандинского государственного технического университета (КарГТУ).  Во всех этих центрах имеются свои лаборатории мехатроники, где в качестве стендов используются модульные производственные станции фирмы ФЕСТО (MPS), которые реализуют различные технологические процессы и состоят из реальных промышленных компонентов (рис. 9). MPS служат для того, чтобы познакомить студентов с примерами мехатронных систем, показать, как на их базе можно автоматизировать производственные процессы, и научить управлять такими системами.

 

 

Рис. 9. Модульные производственные станции

Обучающиеся, при поддержке преподавателей, готовят программы управления разного назначения и непосредственно контролируют работу станций. В 2007 году совместными усилиями, с участием компании ФЕСТО, была создана система взаимного дистанционного доступа студентов каждого центра через Интернет к оборудованию всех остальных университетов, участвующих в проекте (рис. 10). Работа с удаленным оборудованием ведется из компьютерного класса лаборатории. Этот класс оснащен персональными компьютерами с установленным программным обеспечением Sitmens STEP7 для программирования ПЛК Siemens Simatic S7-300, под управлением которого работают модульные производственные станции. В процессе работы студенты составляют управляющие программы и пересылают их на учебные стенды других учебных центров. По обратным каналам к ним поступает телевизионная информация о работе стендов и сигналы датчиков стендов, по этим сигналам можно проводить детальный анализ процесса управления.

 

Рис. 10. Структура проекта «Синергия»

На данный момент в рамках проекта «Синергия» запущено внедрение новой системы проведения дистанционных лекций. С еще помощью возможно осуществлять Интернет-соединение с другими учебными центрами в режиме он-лайн конференций. При этом преподаватель может читать лекции по своему предмету студентам любого из 4 вузов-участников проекта. Студенты, в свою очередь, в реальном времени видят самого преподавателя, электронную версию лекции и собственноручно написанный им текст и рисунки. Основным преимуществом такого подхода к проведению занятий является то, что студенты имеют возможность прослушать лучшие по данному предмету лекции преподавателей из разных университетов, не теряя при этом визуальной связи с этим преподавателем и имея возможность задавать ему вопросы в он-лайн режиме. Дистанционно прочитанная лекция сохраняется и архивируется, благодаря чему каждый студент при необходимости может прослушать ее повторно. Следует отметить, что данная система не требует высокоскоростного интернет-соединения, благодаря чему ее внедрение в заинтересованных в сотрудничестве учебных заведениях не вызывает трудностей. В качестве дополнительного применения, дистанционная система может быть использована для проведения он-лайн конференций, семинаров и совещаний.