НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ПЕДАГОГІЧНИХ НАУК УКРАЇНИ

УНІВЕРСИТЕТ МЕНЕДЖМЕНТУ ОСВІТИ

ЦЕНТРАЛЬНИЙ ІНСТИТУТ ПІСЛЯДИПЛОМНОЇ ПЕДАГОГІЧНОЇ ОСВІТИ

ВИПУСКНА РОБОТА

на тему

РОЗРОБКА ДИСТАНЦІЙНИХ НАВЧАЛЬНИХ КУРСІВ ДЛЯ

ПІДГОТОВКИ СПЕЦІАЛІСТІВ З АВТОМАТИЗАЦІЇ

ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ ТА ВИРОБНИЦТВ З

ВИКОРИСТАННЯМ ВІРТУАЛЬНИХ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Слухач групи: и викладачів-тьюторів

(організаторів) дистанційного

навчання у ВНЗ III-IV р.а.

Пупена Олександр Миколайович

Науковий керівник: До захисту завідувач кафедри:

Дивак В.В., доцент кафедри ВОС та ІКТ

2015 р.

2

Зміст

ВСТУП.................................................................................................................................... 3

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВИКОРИСТАННЯ КОМБІНОВАНИХ ПРАКТИЧНИХ, ДИСТАНЦІЙНИХ ТА ВІРТУАЛЬНИХ ЛАБОРАТОРІЙ ПРИ ПІДГОТОВЦІ ІНЖЕНЕРІВ З АВТОМАТИЗАЦІЇ ТА УПРАВЛІННЯ .............................................................................................................................. 5

1.1.Загальний огляд 5

1.2. Практичні, імітаційні, дистанційні, віртуальні та віртуально-світові лабораторії (та інші) ............................. 6

1.3. Вбудовування лабораторій в системи електронного навчання (E-LEARNING системи) ................................ 11

1.4. Універсальні інструменти, що використовуються при розробці віртуальних лабораторних робіт ............. 13

РОЗДІЛ 2. СТВОРЕННЯ ВІРТУАЛЬНИХ ЛАБОРАТОРНИХ СТЕНДІВ ТА РОБІТ ДЛЯ КУРСІВ ПІДГОТОВКИ ІНЖЕНЕРІВ З АВТОМАТИЗАЦІЇ .................... 15

2.1. Місце та призначення лабораторних робіт в курсах підготовки інженерів з автоматизації ....................... 15

2.2. Віртуальні лабораторні стенди та комплекс лабораторних робіт для дисципліни "Контролери та їх програмне забезпечення" 20

2.3. Віртуальні лабораторні стенди та комплекс лабораторних робіт для дисципліни "Промислові мережі та інтеграційні технології" 24

ВИСНОВКИ ....................................................................................................................... 28

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ....................................................................... 30

3

ВСТУП

Актуальність роботи

На сьогоднішній день відчувається дефіцит кваліфікованих кадрів з напряму

підготовки "Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології". Це пов’язано

насамперед з розвитком автоматизації та комп'ютеризації виробничих процесів, а

також "відтоком" кваліфікованих кадрів в IT індустрію. Крім того є серйозна

проблема в підготовці кваліфікованих спеціалістів. Зокрема це стосується "старіння"

педагогічних кадрів, застарілим технічним забезпеченням випускових кафедр,

невідповідності робочих програм сучасним вимогам.

Тим не менше, ряд українських ВНЗ забезпечують достатньо високий рівень

підготовки, однак їх кількість недостатня. Окрім підготовки молодих кадрів є

нагайна потреба в перепідготовці працюючого на підприємствах персоналу причому

без тривалого відриву від виробництва. Класична дистанційна форма навчання не

підходить для виконання поставлених цілей. Кількість аудиторних лекційних занять

надзвичайно мала для донесення навіть мінімально необхідного обсягу затребуваної

інформації. Для практичної підготовки необхідні лабораторні заняття, а їх обсяг для

заочної форми навчання надзвичайно мізерний. Ці причини приводять до

необхідності організації принципово нових підходів до організації навчання, які б

дали змогу максимально ефективно використати існуючий освітній потенціал, для

можливості підготовки та перепідготовки кадрів незалежно від географічного

розташування та специфіки діяльності.

Альтернативою заочній формі є дистанційна форма навчання з використанням

новітніх ІТ-технологій. Це принципово інший спосіб навчання і потребує змін в

програмах підготовки спеціаліста, навчальних програмах, форми подачі інформації

та перевірки знань. Додатково до "класичних" задач та проблем дистанційної форми

при підготовці спеціалістів з автоматизації добавляються проблеми практичної

підготовки, які в стаціонарній формі проходить в навчальних лабораторіях,

обладнаних спеціалізованою технікою та необхідними програмними засобами. Не

дивлячись на складність цієї проблеми, вона може бути вирішена з використанням

сучасних IT технологій.

Мета дослідження полягає у визначенні способів та засобів створення

віртуальних лабораторних робіт для підготовки та перепідготовки кадрів з напряму

підготовки "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та

виробництва".

Об’єкт дослідження – дистанційне навчання спеціалістів з напряму

"Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва".

Предмет дослідження – віртуальні лабораторні роботи для підготовки

спеціалістів з напряму "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технологічні

процеси та виробництва".

4

Завдання дослідження:

- зробити аналіз використовуваних на сьогоднішній день методів та засобів для

створення мультимедійних віртуальних лабораторних робіт

- сформувати методику використання програмних засобів для ряду курсів

підготовки спеціалістів з напряму "Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані

технологічні процеси та виробництва"

- розробити лабораторні роботи з курсів "Промислові мережі та інтеграційні

технології" та "Промислові контролери" з використанням віртуальних

лабораторних стендів в комплексі дистанційної освіти

5

РОЗДІЛ 1. Теоретичне дослідження використання комбінованих

практичних, дистанційних та віртуальних лабораторій при

підготовці інженерів з автоматизації та управління

1.1.Загальний огляд

Тема віртуальних та дистанційних лабораторних робіт є дуже актуальною в

сьогоднішній день [1]-[8]. Найбільш повно стан справ по лабораторіям, які

використовуються для підготовки спеціалістів з автоматизації розкрили бразильські

дослідники у своїй роботі [1]. Вони зазначають, що однією з ключових задач

навчання інженерів з автоматизації є зменшення зазору між класичними

теоретичними курсами (наприклад ТАУ) та реальною практикою. Тому дуже

важливо дозволити студентам взаємодіяти з пристроями, системами і методами, які

максимально наближені до тих, які будуть використовуватися на виробництві.

Нажаль відтворення реального промислового підприємства у навчальній сфері є

нетривіальною задачею. Промислове обладнання є дуже дорогим (і з точки зору

придбання, встановлення і з точки зору затрат на обслуговування). Крім того,

враховуючи малий досвід практичної роби студентів, повинні також враховуватися

обмеження, які пов’язані з безпечним виконанням експериментів. Такі фактори

обмежують використання реальних промислових пристроїв та засобів в навчальних

лабораторіях.

Нові досягнення в інформаційних технологіях (ІТ) та Інтернет-технолоіях

породили нові парадигми і відкрили декілька нових можливостей. Зокрема це

віддалений (дистанційний) цілодобовий доступ до експериментальних засобів,

роблячи їх досяжними для студентів географічно розміщених в різних куточках

світу у будь який момент часу. Завдяки поширенню Інтернет по всьому світі,

викладачі мають можливість надати доступ до своїх навчальних матеріалів для

набагато чисельнішої аудиторії студентів. Доступні в мережі лабораторії з

дистанційними експериментальними (лабораторними) роботами стали привабливим

економічним рішенням для зростаючої кількості студентів.

Однак наявність дистанційних лабораторій не є достатньою умовою

гарантування успіху в процесі навчання. Дистанційні експерименти, які не

підкріплені методично обробленим супутнім навчальним матеріалом, який би

пояснював теоретичні основи експерименту, по суті проходяться з використанням

методу "проб та помилок". Як показала практика, такі експерименти не дали

значного ефекту, який очікувався на початку.

Для вирішення цієї проблеми доцільно поєднати можливості віддалених

лабораторій та віртуальних середовищ навчання (VLE), дозволивши комбінувати

різні методи навчання: активне, розподілене та командне. Навички, які необхідні

спеціалісту, отримуються в навчанні через активні практичні експерименти, що

виконує студент у віртуальних(дистанційних) лабораторних середовищах.

6

Розподілене навчання пов’язано з Веб-досяжністю і відповідно просторовою

гнучкістю VLE. Один з найважливіших навиків, які можна досягнути при цьому - це

можливість роботи в команді, тобто коли студенти взаємодіють між собою і з

викладачем, таким чином поширюючи знання в загальному середовищі.

1.2. Практичні, імітаційні, дистанційні, віртуальні та віртуально-світові

лабораторії (та інші)

Для інженерної та ІТ освіти лабораторні роботи мають дуже велике значення.

На сьогоднішній день доступна велика кількість технологій, що дозволяють

будувати багато різних типів лабораторій. Термінологія, яка використовується для

назв цих типів лабораторій відрізняється в різних джерелах. Тим не менше можна

умовно виділити наступні типи лабораторій, в залежності від особливостей

реалізації об’єкта дослідження:

- практичні (реальні) локальні лабораторії;

- практичні віддалені (дистанційні) лабораторії;

- імітаційні локальні лабораторії;

- імітаційні дистанційні лабораторії;

- комбіновані лабораторії;

Практичні лабораторні роботи, і відповідно лабораторії, виділяються

наступними особливостями:

1) в лабораторії повинно бути встановлене фізичне обладнання;

2) студенти, що виконують лабораторні роботи фізично присутні в лабораторії.

Обидві характеристики дають свої недоліки: високі витрати для встановлення,

експлуатації та обслуговування реального фізичного обладнання, які можуть

використовуватися тільки на обмежену кількість студентів, як із-за обмежень в

просторі лабораторії, так із-за кількості обладнання, яке може одночасно

використовуватися.

У імітаційних лабораторіях (також називаються віртуальними лабораторіями,

або VLabs) вся інфраструктура, що потрібна для лабораторій не являється

реальною, а імітується на комп’ютерах. Для моделювання та імітації поведінки

реальних об’єктів та проведення експериментів використовується різноманітне

спеціалізоване ПЗ як MatLab, LabView, Modelica і т.д. Значне збільшення

обчислювальної потужності зробила поява багато-ядерних процесорів, графічних

процесорів, доступних навіть для університетів в країнах, що розвиваються. Такі

комп’ютери дали можливість моделювати і представляти в графічному вигляді

складні технологічні процеси в близькому до реального часу.

Моделювання може проводитися в зменшеному масштабі часу відносно

реального для зменшення часу на виконання експериментів. Наприклад для

7

експериментів з управлінням рівнем у великих ємностей може зайняти декілька

годин при реальних обставинах, в може бути швидко виконана за допомогою

моделювання, залишаючи більше часу на аналізу експериментальних характеристик,

наприклад визначення сталої часу, перерегулювання і т.д. Крім того під час

імітаційного експерименту студенти можуть "зупинити час" перейти на крок назад

або виконати експеримент по часовим інтервалам, тим самим краще розуміючи

його.

Зараз у світі існує велика кількість імітаційних лабораторій. Хорошим

прикладом віртуальних лабораторій є VCLab, EasyJava (інтегрується з MatLab),

SimQuest.

Одним з головних недоліків імітаційних лабораторій є те, що вони часто

базуються на ідеалізованих моделях, які не повністю відповідають реальному

життю. У зв’язку з відмінністю теоретичних моделей та реальних може бути

пропущений важливий досвід. Альтернативою імітаційним та практичним

лабораторіям є використання віддаленого доступу до реальних лабораторій, тобто

дистанційних лабораторій. Від реальних лабораторій їх відрізняє наявна відстані

між експериментатором та експериментальним обладнанням. Дистанційні

лабораторії стають дуже популярними. Вони надають можливість отримати реальні

експериментальні дані в декількох навчальних закладах, розподіляючи фізичні

пристрої між ними і надаючи доступ усім. Крім того, в дистанційних лабораторіях

можна розширити можливості звичайних лабораторій збільшуючи кількість місць та

експериментів в декілька раз, а їх доступність поширюється на більшу кількість

студентів.

Дослідження показують, що студенти являються більш мотивовані до

готовності працювати в дистанційних лабораторіях. Деякі студенти вважають, що

дистанційні лабораторії більш ефективні ніж імітаційні. На сьогоднішній день

навчальні та дослідницькі експерименти присутні в декількох різноманітних

областях: управління дискретним виробництвом, аерокосмічні застосування, PID

регулювання, прогнозуюче управління, вбудовані комунікаційні системи, потокове

відео та аудіо та інші. Є також декілька проектів, в яких ряд закладів об'єднують

свої зусилля, щоб зробити дистанційну мережу лабораторій, таких як LabNet,

CyberLab, RwmLAB, DSP-based Remote Control Laboratory, DEEDS, NCS Laboratory,

MARVEL, RExNET, iLabs та інші.

Хоч на перший погляд концепції практичних, імітаційних та дистанційних

лабораторій дуже різні і дещо суперечливі, більш детальний аналіз показує деякі

цікаві загальні риси. Перш за все слід відмітити, що у практичних лабораторіях

студенти працюють безпосередньо біля пристрою і неправильна їх експлуатація

може потягнути за собою небезпечні ситуації для обладнання, студентів та

персоналу. Враховуючи необхідність безпечної експлуатації лабораторних робіт

студентами більшість практичних лабораторій для вивчення дисциплін промислової

8

автоматики включають в себе системи безпеки, такі як блокувальні пристрої,

автоматичні системи захисту а також віддаленого контролю та супервізорного

управління. У деяких випадках студенти можуть взаємодіяти тільки через засоби

людино-машинного інтерфейсу (ЛМІ), так що навіть у випадку фізичних

експериментів між експериментатором та об’єктом знаходиться комп’ютер. Нерідко

також буває, що такі ЛМІ розміщуються в диспетчерських, аналогічно як і на

реальному виробництві, ізольовано від фізичних об’єктів.

Це приводить до того, що в усіх видах розглянутих вище лабораторій

(практичні, імітаційні чи дистанційні) експерименти проводяться опосередковано

через комп’ютер, стираючи межі між ними, цим самим роблячи "психологію

присутності" більш важливою ніж технологію.

Враховуючи плюси та мінуси фізичних та імітаційних експериментів, можна

побачити що в деякому сенсі вони являються взаємодоповнюючими, так що

поєднання обидвох дає додаткові переваги. Імітаційне моделювання, хоч і не є

реальним, має деякі особливості, які можуть бути використані в різних навчальних

сценаріях. Одна з головних переваг використання імітаційних лабораторій полягає в

тому, що вони можуть бути легко повторно відтворені. Студенти можуть

використовувати декілька копій (реплікацій) одних і тих саме моделей одночасно.

Як вже згадувалося, ще одна перевага використання імітаційного моделювання в

тому, що студенти можуть прискорити повільну динаміку систем для швидкої

отримання результатів. Крім того, проблеми безпеки виходу імітаційної змінної за

межі не так важливі як в фізичному експерименті, так як процес не може зашкодити

життю і здоров'ю людини.

Наявність переваг різних типів експериментів стало мотивацією для створення

стратегії взаємодоповнюючих компонентів, яка була розроблена, щоб дозволити

поєднання реальних (фізичних) і імітаційних компонентів в навчанні інженерів з

автоматизації. Основна ідея передбачає, що студенти, як правило, взаємодіють як з

реальним так і імітованим об’єктом через засоби ЛМІ. Таким чином ЛМІ забезпечує

тільки відображення стану та опосередковане управління, тому експериментатори

не в змозі відрізнити чи працюють вони з реальним обладнанням чи з імітатором.

Імітаційні компоненти можуть бути комбіновані з реальним обладнанням для

ілюстрації різноманітних навчальних ситуацій. Для прикладу, імітаційне

виробництво може використовуватися для оцінки та контролю можливих наслідків

спрацювання, уникаючи пошкодження фізичного обладнання, яке могло би

відбутися в реальному виробництві у випадку помилок в алгоритмі керування. А

імітований регулятор, взаємодіючий з реальним процесом може допомогти краще

оцінити поведінку регульованої змінної. Використання імітованого виробництва

разом з імітаційним алгоритмом управління може бути дуже корисним, оскільки

змінюючи налаштування швидкості поведінки повільних технологічних процесів

можна пришвидшити процеси ідентифікації та параметрування.

9

Наведена вище ідея знайшла розвиток в концепції віртуальних лабораторій.

Віртуальні лабораторії являють собою середовища розподіленого моделювання, які

призначені для виконання інтерактивного моделювання математичних моделей

реальних систем, який по суті значить віртуальний доступ до імітаційної

лабораторії. По відношенню до цього визначення важливо відмітити, що

термінологія, яка використовуються в існуючій літературі не являються

послідовною і часто є заплутаною. У таблиці 1 коротко показані основні

характеристики типів лабораторій, які обговорювалися вище.

Таблиця 1. Класифікація лабораторій

доступ обладнання Тип лабораторії

локальний

реальне практичні лабораторії

імітаційне імітаційні лабораторії

віддалений (дистанційний)

реальне дистанційна лабораторія

імітаційне віртуальна лабораторія

віддалений або/та локальний

реальне/імітаційне

взаємозалежні компоненти

Зовсім недавно були зроблені великі досягнення в таких областях як

комп’ютерна графіка, змішана реальність та віртуальна реальність. Віртуальна

реальність визначається як "переживання, в якому людина оточена тривимірними

комп’ютерно-генерованими представленнями, здатна пересуватися у віртуальному

світі і побачити його з різних кутів, щоб досягнути його, захватити його, і змінити

його".

Інше визначення віртуальної реальності як "таке, в якому користувач

знаходиться в інтерактивній обстановці що є або реальною з віртуальним

розширенням реальності (доповнена реальність) або віртуальною з розширенням

фізичними(реальними) засобами (доповнена віртуальність) "

Базуючись на вищенаведених визначеннях, "змішана або доповнена реальність"

визначена як реальний, прямий або непрямий вид практичних лабораторій, де

фізичні пристрої доповнені комп’ютерно-генерованими елементами чуттєвого

введення звуку, відео, графіки або іншої інформації. Інтерфейси змішаної реальності

можуть накладати графіку, відео і аудіо на реальний світ і відображати результат на

планшетних та вмонтованих дисплеях з відображенням інформації. З них студенти

можуть отримати інформацію про структуру та поведінку обладнання і як на ньому

працювати. Аналогічним чином можна побудувати цифровий макет в 2D та 3D

перспективі, для графічного представлення пристрою в віртуальних лабораторіях,

що дає можливість графічно представити реальні пристрої їх віртуальними

моделями. Приклад гнучкої експериментальної конфігурації є система

deriveSERVER.

10

Додатково до інших підходів, концепція "відчуття знаходження на місці" може

бути широко розширена через занурення користувача в навколишнє середовище.

Тобто користувачі повністю бачать себе в лабораторії (відчуття поглинання). Вони

вивчають цей віртуальний світ (метавсесвіт) через свої аватари, тому віртуальна

присутність приймається всіма користувачами, особливо під час взаємодії.

Порівняно з іншими електронними інструментами для дистанційного зв’язку,

представлення метавсесвіту покращує почуття знаходження там (в класі), а не бути

безтілесним спостерігачем, як в більшості 2D віртуальних середовищах.

Прикладами доступного програмного середовища, що може використовуватися для

побудови лабораторії віртуальних світів є Second Life, Active Worlds AWEDU, Open

Simulator та Open Wonderland. Враховуючи, що за допомогою цих інструментів

можна побудувати додатки, аналогічні іграм, але з метою професійного

використання (у даному випадку для цілей освіти), вони називаються "серйозні

ігри".

У цій області є декілька термінів, якими користуються при застосуванні

віртуальних світів як платформу для віртуальних лабораторій. Визначення

“FutureLabs” використовується для відношення цієї теми до проекту ScienceSim.

Дослідники з університету Деусто і Іспанії використовують Second Life для

побудови «WebLabs», де віртуальні об’єкти зв’язані з програмними утилітами,

розроблені для програмування microbot'а (маленького робота). Після програмування

робота, користувач може подивитися відео поведінки робота онлайн в Second Life.

Вони назвали їх лабораторію як “Second Labs”. В тому ж напрямку MIT дослідники

скористувалися реалізацію бувшого Wonderland (тепер Open Wonderland) як

розсадник для цілого ряду фізичних експериментів з їх iLabs. Ці реалізації

посулговуються Java-технологіями та їх концепцією TEAL (Technology Enabled

Active Learning) для підвищення дидактичності в деяких реалістичних

експериментах з фізики.

Більшість теперішніх реалізацій лабораторій на базі віртуальних світів,

змішаної реальності, додаткової реальності і віртуальної реальності покладаються

тільки на комп’ютерні медіа–інтерфейси між студентом та лабораторією. Хоч ці

інтерфейси мають підвищену здатність генерувати дуже реалістично візуалізацію,

вони як правило надають тільки візуальні та звукові зворотні зв’язки, які можуть

бути достатніми для деяких застосувань. Однак, в окремих областях навчання,

наприклад інженерів з автоматизації або медицині, теж важливі такі почуття як

смак, запах, температура, рівновага і прискорення. Це породило розвиток того, що

можна назвати "лабораторією множини почуттів", які доповнюють лабораторії на

базі віртуальних світів додатковими інтерфейсами, таким як тактильні (дотик),

теплові і т.д. Взаємодія може бути зроблена з одним або декількома користувачами

на одному і тому ж самому фізичному місці і включають різні почуття.

11

1.3. Вбудовування лабораторій в системи електронного навчання (E-

LEARNING системи)

Вище розглянута еволюція лабораторій, що активувалася з розвитком ІТ. Однак

досвід показав, що наявність цих різних видів лабораторій не являється достатнім

для забезпечення успіху у процесі навчання інженерів з автоматизації. Наприклад,

дистанційні лабораторні експерименти, стратегія яких базується на методі "спроб і

помилок" без додаткового навчального матеріалу, мають набагато меншу

ефективність, ніж очікувалося. Крім того, цілодобова доступність лабораторій також

вимагає цілодобової доступності вчителів та тьюторів для забезпечення онлайнової

допомоги. Для того, щоб полегшити ці проблеми, дистанційні експерименти можуть

бути інтегровані з віртуальними навчальними середовищами (VLEs) для управління

і надавання навчальних матеріалів до і під час експерименту. Автори [1] вважають,

що такі комп’ютерно-підтримувані суміщені середовища (Computer Supported

Collaborative Environments CSCEs) для навчання інженерів з автоматизації та

керування повинні включати:

- загальну робочу область для освітніх засобів і теоретичних матеріалів

модулів – віртуальний простір для розміщення загального навчального

матеріалу (як правило виконуються VLEs);

- 3D соціальний інтерфейс – відповідає за надання можливості користувачу

занурюватися у віртуальний всесвіт, що керується середовищем e-learning

- зворотній зв'язок користувача і адаптація контенту – використовується

для створення автоматичного зворотного зв’язку та/або адаптації

контенту (навчального матеріалу)

- інтеграція лабораторії або експериментів з системами електронного

навчання (VLEs)

- система навчання, що включає декілька моделей користувачів і може

автоматично дати вказівку (зазвичай називається інтелектуальними

системами навчання)

- підтримка роботи команди та співробітництва між студентами

- розширення відчуття занурення – використання декількох рівнів систем

реагування не тільки зору та слуху а також смаку, температури, балансу і

т.д.

- концепція серйозних ігор – використання ігор-подібних рішень, які

захватують увагу і навчають під час розгляду

На сьогоднішній день немає такої реалізації системи, яка б інтегрувала усі

вказані функції, але є декілька цікавих робіт, які включають дві або більше із цих

характеристик і які будуть обговорюватися нижче.

12

Використання віртуальної реальності, як інструменту для навчання було

запропоновано і обговорено декількома дослідниками. Інтерфейси комбінованої

(змішаної) реальності дозволяють створювати загальні робочі області, які

суміщають переваги віртуальних середовищ в контакті з реальним навколишнім

середовищем. Накладання інформації використовується для можливості розмови віч

на віч, виробництва загальних інтерактивних віртуальних моделей. У цьому випадку

методи комбінованої реальності може виробити загальне почуття реальності

присутності. Таким чином підходи комбінованої реальності ідеальні для мульти-

користувацьких колективних лабораторій та робочих застосунків

Майстерність колективного навчання в основному пов’язана з соціально-

конструкціоністською педагогічною лінією навчання. Колабораторії (загальний

робочий простір) – є добре відомими асоціаціями колективних інструментів з

дистанційними лабораторіями (експерементами). Це рішення приносить не тільки

підтримку співробітництва, але і сприяє тому, що декілька студентів взаємодіють в

одному експерименті.

Інтерактивні VLEs є ефективними педагогічними ресурсами, які добре

підходять для веб і дистанційної освіти. Їх інтерактивність заохочує студентів грати

більш активну роль в процесі навчання і забезпечує реалістичний практичний

досвід. Крім того VLEs широко використовується для науки, навчання в таких

областях як машинобудування, фізика, математика або біологія, оскільки вони

надають доступ через загальнодоступні Веб-сайти для практичних експериментів з

будь якої точки світу. Тим не менше, більшість VLEs, що добавлені в середовище

Web-навчання призначені для індивідуального використання, і вони не дозволяють

колективно діяти студентам і викладачам або групам для здійснення якоїсь

діяльності. Інтеграція VLEs всередині середовища колективного навчання можна

побачити в eMersion. Ця Web-сумісна платформа вміщує декілька VLEs за

допомогою яких студенти можуть експериментувати і добиватися результатів разом

з іншими студентами та викладачами.

Злиття Web-сумісних VLEs та Віртуальних Світів представляє один із підходів

під назвою SLOODLE, проект що описує злиття 3D-сприйняття світу Second Life з

платформою MOODLE для відображення на Веб-сумісний навчальний клас з

навчальним середовищем та інтерактивними об’єктами. Спільнота SLOODLE-

партнерства розробила опен-соурс безкоштовний пакет, який включає в себе

скрипти і модуль MOODLE (набір файлів PHP) забезпечуючи прямі посилання

ресурсів VLE на HTTP і XML-RPC запити.

Електронна навчальна Лабораторія сонячної енергетики має систему

комплексного навчання (MOODLE) з декількома навчальними матеріалами і

"вікторини" для визначення рівня розуміння. Спочатку студенти повинні пройти

декілька теоретичних випробувань, після чого система надає доступ до

дистанційного експерименту, тобто реальної сонячної електростанції. Є також

13

аналогічні системи для експерименту по налаштуванню PID. Аналіз

експериментальних даних дає можливість визначити проблеми в налаштуваннях

PID і автоматично виводить який навчальний матеріал повинен бути розглянутий

студентами.

1.4. Універсальні інструменти, що використовуються при розробці

віртуальних лабораторних робіт

З впровадженням ІТ технологій в освіту, дуже популярними в якості

середовища розробки віртуальних лабораторій стало використання

загальнодоступних інструментів моделювання та анімації. На відміну від наведених

вище методів та спеціалізованих інструментів вони не призначені безпосередньо для

створення віртуальних лабораторій чи віртуальних світів а також для застосування у

VLE. Однак вони широко використовуються спеціалістами з автоматизації або ВЕБ-

розробниками, а їх поєднання дає досить ефективні результати в навчанні. Нижче

розглянемо деякі з них.

Середовище моделювання Matlab та вбудована утиліта Simulink призначені

перш за все для розрахунку динамічних моделей, побудованих в матричному

вигляді системи диференційних рівнянь або в графічному вигляді передаточних

функціональних блоків. Для студента та науковця це середовище дає можливість

дослідити об’єкт та систему управління на імітаційній моделі а також зробити

розрахунок певних параметрів. Це один з професійних інструментів дослідника-

інженера з автоматизації. Сучасні версії Matlab включають в себе реал-тайм модуль,

який дає можливість проводити імітаційне моделювання в реальному часі. Наявність

стандартних інтерфейсів обміну з робочим середовищем (OPC, ODBC та ін.) дають

можливість інтегрувати базу даних реального часу Matlab практично з будь-яким

сучасним програмним забезпеченням рівня АСУТП (SCADA/HMI, промислові

контролери, тощо). Таким чином, при розробці прикладного програмного

забезпечення для управляючого контролера чи проекту SCADA/HMI, замість

реального об’єкту можна скористатися його імітаційною моделлю. Таким підходом

користуються зокрема в навчальних закладах України таких як КПІ та ін.

LabView – спеціалізоване програмне забезпечення, призначене для побудови

програмного комплексу обробки даних та ЛМІ. В Україні це середовище найшло

широке застосування в якості SCADA/HMI-програми. Наявні прості засоби

програмування (на мові функціональних блоків, подібно до Simulink) а також

інтуїтивно-зрозумілий інтерфейс зробив цю програму дуже популярною серед

інженерів з автоматизації. Повний комплекс ПЗ для розробки алгоритму та людино-

машинного інтерфейсу а також наявні драйвери вводу/виводу надають можливість

зробити як віртуальні лабораторні роботи, так і змішані чи практичні. Можливість

розгортання Веб-серверу надає дистанційний доступ до лабораторних робіт. Про

практичний досвід використання LabView для побудови віртуальних та

14

дистанційних лабораторних робіт можна знайти багато посилань в Інтернеті,

зокрема [10]-[11].

HTML5. По великому рахунку це універсальний засіб як для розробки ВЕБ-

інтерфейсу, так і для імітації, так як базується на використанню JavaScript та інших

сучасних ВЕБ-технологій. Однак використання його в чистому вигляді мало

підходить для спільноти викладачів та спеціалістів з автоматизації.

FLASH-анімація – дуже зручний і швидкий спосіб побудувати віртуальну

лабораторію з дистанційним або локальним доступом. Наявна мова програмування

ActionScript робить це середовище дуже гнучким, а плагіни для всіх сучасних

браузерів дають можливість користуватися нею студентам на будь якому гаджеті.

Хоч технології FLASH прогнозують витіснення технологією HTML5, поки вона є

однією з найбільш поширених.

Java – ще одна технологія, яка використовується для виконання платформо-

незалежних програм. Вона доступна в багатьох браузерах, однак поступово

витісняється технологією HTML5.

CoDeSys – середовище розробки та виконання для систем реального часу

(контролерів) а також засобів людино-машинного інтерфейсу. Для спеціалістів з

автоматизації це середовище зрозуміле в усіх аспектах, так як там використовуються

стандартні мови програмування контролерів (МЕК-61131) та стандартні підходи для

розробки ЛМІ. Наявні стандартні бібліотеки алгоритмів дають доволі великі

можливості для швидкого створення імітаційної моделі об’єкта управління. На

сьогоднішній день з’явилися недорогі одноплатні комп’ютери типу Raspberry з

інтегрованим середовищем виконання CoDeSys. Таке використання дає можливість

зробити лабораторний комплекс змішаного типу, так як до контролеру можуть бути

підключені фізичні пристрої. Наявний ВЕБ-інтерфейс робить можливим

забезпечення дистанційного доступу до лабораторної установки.

15

РОЗДІЛ 2. Створення віртуальних лабораторних стендів та робіт для

курсів підготовки інженерів з автоматизації

2.1. Місце та призначення лабораторних робіт в курсах підготовки

інженерів з автоматизації

До циклу професійної і практичної підготовки бакалавра з напряму

"Автоматизація і комп'ютерно-інтегровані технології" відносяться такі дисципліни:

- Прикладна механіка та основи конструювання

- Електротехніка та електромеханіка

- Електроніка та мікросхемотехніка

- Мікропроцесорна техніка

- Теорія автоматичного керування

- Метрологія, технологічні вимірювання та прилади

- Технічні засоби автоматизації

- Ідентифікація та моделювання об'єктів автоматизації

- Системний аналіз складних систем управління

- Об'єкти автоматизації галузі

- Контролери та їх програмне забезпечення

- Гнучке автоматизоване виробництво та роботизовані комплекси

- Автоматизація технологічних процесів та виробництв

- Проектування систем автоматизації

- Інтегровані системи управління

- Людино-машинні інтерфейси

- Автоматизований електропривід

- Оптимальні системи управління

- Мікропроцесорні системи управління електроприводом

- Промислові мережі та інтеграційні технології

Більшість з наведених курсів включають лабораторні роботи, які повинні

проводитися з використанням спеціалізованого обладнання та/або програмного

забезпечення. Виділимо ті дисципліни, які читаються на випускових кафедрах і

потребують спеціалізованого обладнання, це:

- Електроніка та мікросхемотехніка

- Мікропроцесорна техніка

16

- Метрологія, технологічні вимірювання та прилади

- Технічні засоби автоматизації

- Ідентифікація та моделювання об'єктів автоматизації

- Контролери та їх програмне забезпечення

- Гнучке автоматизоване виробництво та роботизовані комплекси

- Людино-машинні інтерфейси

- Мікропроцесорні системи управління електроприводом

- Промислові мережі та інтеграційні технології

Серед наведених вище дисциплін існує ряд готових рішень для проведення

віртуальних лабораторних робіт. Це "Електроніка та мікросхемо-техніка" та

"Мікропроцесорна техніка". Ці дисципліни дуже широкого застосування, тому для

них розроблена велика кількість інструментів проектування, що як правило

включають утиліти для перевірки роботи системи, які по суті моделюють реальний

об’єкт. Для "Електроніки та мікросхемо-техніки" об’єктами є це цифрові плати та

електронні пристрої, а для "Мікропроцесорна техніки" – це мікроконтролери, які

останнім часом набули дуже широкого вжитку.

В інакшому положенні знаходяться інші дисципліни. Нижче для кожної з них

наведений короткий опис змісту лабораторних робіт, рекомендації до розробки

віртуальних стендів та відомості про досвід їх використання.

Метрологія, технологічні вимірювання та прилади

Метою лабораторних робіт для цієї дисципліни є ознайомлення з методами та

способами вимірювання, принципами функціонування засобів вимірювання та

повірка приладів зразковим. Для проведення таких робіт потрібне промислове

дороге обладнання, кваліфікований лаборант, підготовка установки її періодична

перевірка та ремонт обладнання. На території України більшість лабораторій КВПіА

(Контрольно-вимірювальних приладів та автоматизації) у навчальних закладах

морально застаріла і потребує модернізації. При цьому вартість засобів КВПіА на

сьогоднішній день не по кишені більшості ВНЗ, і купляється як правило

меценатами. Наявність віртуальних лабораторних установок потрібна в даному

випадку не тільки для можливості дистанційного навчання а і для проведення

лабораторних досліджень на фізично відсутньому обладнанні.

На кафедрі ІАСУ НУХТ під керівництвом І.В.Ельперіна було проведено

комплекс робіт по розробці віртуальних лабораторних стендів КВПіА. На рис.1 та

рис.2 показані приклади екранів лабораторних установок для ознайомлення з

роботою та повіркою приладів.

17

Рис.2. Екран віртуального робочого місця проведення лабораторної

роботи по вивченню принципів роботи рівнемірів з дисципліни Метрологія,

технологічні вимірювання та прилади.

Рис.1. Екран віртуального робочого місця проведення лабораторної роботи

по вивченню принципів роботи манометрів з дисципліни Метрологія,

технологічні вимірювання та прилади.

18

Порядок проведення роботи на віртуальній лабораторній установці практично

нічим не відрізняється від проведення на реальній. Студент робить такі саме дії,

однак з використанням засобів вводу з клавіатури та миші.

Технічно ці лабораторні установки реалізовані з використанням технології

ADOBE FLASH (див.1.4), що надає можливість інтегрувати їх у будь які ВЕБ-

середовища навчання. У наступному (2016) році даний комплекс лабораторних

робіт планується інтегрувати в платформу MOODLE разом з усім курсом.

Технічні засоби автоматизації (ТЗА)

Лабораторні роботи присвячені вивченню принципів роботи локальних засобів

управління та регулювання, перетворювачів та виконавчих механізмів. Для

проведення даних лабораторних робіт також потрібне дороге обладнання. По

великому рахунку всі рекомендації, які наведені для попередньої дисципліни

стосується і ТЗА. Крім того в даній дисципліні доречно застосовувати імітаційні

розширення реальної лабораторної установки, для забезпечення додаткових

можливостей, наприклад повтор експерименту віртуальним способом (прокрутка

ретроспективи), порівняння віртуального і реального експерименту для визначення

джерел та величин збурень, тощо. На кафедрі ІАСУ НУХТ, деякі реальні

(практичні) лабораторні установки мають додаткові імітаційні модулі з наявним

ЛМІ (рис.3).

Рис.3. Робота лабораторної установки з імітаційним розширенням

(НУХТ каф. ІАСУ).

19

Такі розширення дають можливість спростити і прискорити експерименти та їх

обробку а також знизити ризик людського фактору при отриманні

експериментальних даних.

Ідентифікація та моделювання об'єктів автоматизації

Для проведення реальних лабораторних робіт, дана дисципліна потребує

фізичного об’єкта управління. Усі фізичні установки, які певним чином пов’язані з

виробництвом мають ряд особливостей, які дуже ускладнюють їх репрезентацію в

навчальному процесі. Найбільш суттєвими недоліками їх є інерційність,

небезпечність експлуатації і потреба в спеціальних лабораторіях з необхідними

наявними матеріалами та реактивами. Альтернативою є розробка імітаційних

моделей в якомусь комп’ютерному середовищі.

У розділі 1.4 наведено декілька можливих технологій, які можуть бути

використані для цього. Усі вони в більшій чи меншій мірі підходять для проведення

віртуальних експериментів. Перевагою такого підходу є те, що перелік можливих

об’єктів для ідентифікації значно розширюється, а набір можливих варіантів взагалі

необмежений. Усі інші переваги імітаційних моделей були наведені вище.

Гнучке автоматизоване виробництво та роботизовані комплекси

Для лабораторних робіт необхідні різнорідні маніпулятори, що працюють як на

електричному так і на пневматичному чи гідравлічному живленні. Все наведене

вище справедливо і для даної дисципліни. Серед лідерів у створенні спеціалізованих

лабораторій (в т.ч. віртуальних) можна виділити фірму FESTO.

Людино-машинні інтерфейси

Дана дисципліна передбачає лабораторні роботи по створенню проектів для

спеціалізованих засобів людино-машинного інтерфейсу (ЛМІ) та SCADA

(супервізорного управління та збору даних). Особливістю даних робіт є те, що

перевірка працездатності та ефективності проекту перевіряється в момент

налагодження, який потребує зв’язку з реальним промисловим контролером, який в

свою чергу потребує наявність об’єкту управління. Таким чином для перевірки

роботи ЛМІ необхідно забезпечити зв'язок з реальним або імітаційним контролером.

Контролер в свою чергу повинен бути зв’язаний з реальним або віртуальним

об’єктом. Деталі реалізації цих рівнів описаний нижче в розділах 2.2 та 2.3.

Дисципліна ЛМІ по суті включає два несиметричні розділи: функціонування

засобів ЛМІ та розробка проектів для засобів SCADA/HMI. Перший розділ повинні

вивчати не тільки студенти з галузі автоматизації але і інженери-технологи, оскільки

ті являються користувачами цих систем. Тому перші користуються середовищем

розробки, а другі – середовищем виконання. Враховуючи, що сучасні SCADA-

системи надають можливість доступу через WEB, людино-машинний інтерфейс

виконання може бути доступне студенту в онлайн режимі, не маючи

спеціалізованого платного ПЗ (середовища виконання), на якому студент може

20

проводити свої досліди. З кінця 2015 року на кафедрі ІАСУ НУХТ був запущений

пробний проект з використанням ВЕБ-сервісу MoviconX (http://www.iasu-

nuft.pp.ua/timcasova-storinka) з метою використання в дисциплінах Автоматизація

виробничих процесів.

2.2. Віртуальні лабораторні стенди та комплекс лабораторних робіт для

дисципліни "Контролери та їх програмне забезпечення"

Автором був розроблений комплекс віртуальних стендів для дисципліни

"Контролери та їх програмне забезпечення", який може використовуватися без

наявного об’єкту управління для перевірки працездатності роботи програми на

етапах налагодження. Як відомо, налагодження програми на ПЛК по можливості

проводять в три етапи:

1. перед впровадженням на об’єкт;

2. доводка програми на об’єкті перед пуском установки;

3. доводка програми на об’єкті в режимі експлуатації.

Перший етап дає змогу максимально наблизити програму до робочого стану ще

на етапі проектних робіт. Відсутність робочого об’єкту вимагає від розробника

програмного забезпечення імітації сигналів від датчиків, відповідно до умов

функціонування цього об’єкту. Розробник чітко повинен уявляти як працює об’єкт,

для того щоб імітувати сигнали в правильній послідовності та діапазонах сигналу.

Так, наприклад, типовою помилкою недосвідчених розробників є імітація при

Рис.4. Операторський екран для роботи віртуальної лабораторної роботи

(демо-проект) на сайті кафедри ІАСУ НУХТ.

21

наборі рідини спрацювання верхніх датчиків рівня перед нижніми, тоді як рівень

набирається поступово.

Для зручності налагодження програми ще до виїзду на об’єкт можна

використовувати різного типу імітатори – як фізичні так і програмні. У комплексі

лабораторних робіт (7 робіт) для перевірки ряду програм використовуються

програмні імітатори, створені тими самими програмними засобами розробки, як і

сама програма управління (UNITY PRO). Ту частину програми, яка імітує об’єкт

управління надалі будемо називати програмою імітації, а створенні на ній моделі –

імітаційними моделями.

Хоч приведені імітаційні моделі об’єктів значно спрощені аніж в

спеціалізованих професійних пакетах імітаційного моделювання, їх можна

використати для перевірки правильності роботи реальних програм. Крім того, ці

моделі можна використати при налагодженні людино-машинного інтерфейсу, як це

було наведено вище.

При налагодженні програми на реальному контролері, імітаційна програма

використовує його ресурси, що треба враховувати при створенні моделей. У

імітаторі ПЛК використовуються ресурси ПК, що не накладає таких обмежень.

Враховуючи, що задачею імітаційного моделювання в нашому випадку є груба

перевірка роботи програми, визначимо деякі особливості цих імітаційних моделей:

- імітаційні моделі повинні відображати сутність процесу (структурна

адекватність), однак не обов’язково бути параметрично адекватними реальному

об’єкту;

- враховуючи використання ресурсів програмою імітації того ж контролеру в

якому виконується програма управління, модель повинна бути максимально

простою і викликатися з періодом достатнім для даного типу об’єкта;

- імітаційні моделі повинні мати можливість виклику у прискореному або

сповільненому масштабі часу;

Для кожної лабораторної роботи підбирався об’єкт, який найбільш підходить

для даної теми. Таким чином, обмеження у виборі об’єкту практично відсутнє, він

зумовлений виключно навчальними цілями. На рис.5-7 показані приклади графічних

екранів імітації для останніх 3-х лабораторних робіт.

22

Практичний досвід показує велику ефективність використання таких імітаційних

об’єктів. Студент самостійно може працювати над вирішенням задачі,

заглиблюючись в неї максимально ефективно. Наявність таких імітаторів робить

студента не прив’язаним до лабораторної установки а також вчить його

використовувати імітаційне моделювання для налагодження програм в професійній

діяльності.

Рис.5. Операторський екран для виконання лабораторної роботи по

програмуванню контролера на мові SFC.

23

T

V1

Рис.6. Операторський екран для контролю та управління процесом

нагрівання в підігрівнику 1 в лабораторній роботі по програмуванню

каскадного регулятору

Рис.7. Операторський екран для контролю та управління процесом

нагрівання в підігрівнику 1 в лабораторній роботі по програмуванню блоку

SERVO

24

2.3. Віртуальні лабораторні стенди та комплекс лабораторних робіт для

дисципліни "Промислові мережі та інтеграційні технології"

Практична підготовка по курсу промислові мережі та інтеграційні технології

потребує наявної лабораторної бази з використанням програмованих контролерів,

промислових мереж, комп’ютерної мережі та спеціалізованого програмного

забезпечення. У зв’язку з переходом НУХТ на дистанційну форму навчання у січні-

лютому 2016 року виникло питання розробки лабораторного курсу з в

використанням віртуальних засобів навчання на платформі MOODLE. Перед

автором курсу виникло ряд питань, які потребували вирішення:

- принципова можливість проведення лабораторних робіт на імітаційних

засобах

- коригування робочого плану відповідно до особливостей дистанційної

форми

- коригування навчальних матеріалів відповідно до зміни робочого плану

та інших особливостей дистанційного курсу

- врахування несумісності платформ ПК робочих місць студентів

- максимальна незалежність від швидкості доступу до Інтернет

- вирішення задач імітації обладнання та програмно-технічних комплексів

без використання додаткових фінансових витрат

На дані стадії (грудень 2015 року) розроблений теоретичний лекційний

матеріал та практичні заняття (рис.8). Поки лабораторні заняття проходять

апробацію в лабораторіях та автономних робочих станціях. Курс доступний за

посиланням http://cde.nuft.edu.ua/course/view.php?id=9 (відкритий доступ для гостя).

25

Нижче розглянемо основні підходи, які були використані при розробці віртуальних

лабораторних робіт.

Принципова можливість проведення лабораторних робіт на імітаційних

засобах.

В якості базових тем для вивчення в курсі вибрані найбільш популярні на

сьогоднішній день технології, зокрема стандартні послідовні інтерфейси, Modbus та

TCP/IP. Велика гама доступних утиліт для діагностування та налагодження дає

можливість зосередитися саме на цій темі.

Коригування робочого плану відповідно до особливостей дистанційної

форми.

Дистанційне навчання дало можливість добавити в план дисциплін додатковий

(необов’язковий для вивчення) матеріал з повним комплексом тестів для

самоперевірки. З іншого боку, враховуючи що дистанційна форма навчання займає

всього половина навантаження, теми розподілені таким чином, щоб лабораторні

заняття проблематичні для створення імітаційної лабораторії були проведені в

реальних (практичних лабораторіях).

Рис.8. Частина екрану дистанційного курсу навчання "Промислові

мережі та інтеграційні технології"

26

Коригування навчальних матеріалів відповідно до зміни робочого плану

та інших особливостей дистанційного курсу.

Дистанційна форма навчання дала можливість комбінувати різні форми подачі

матеріалу, контрольних засобів та зворотного зв'язку. На даному етапі записані

відеолекції, які студент може подивитися у будь-який момент часу. Згодом

планується ввести мультимедійні лекції з використанням анімації FLASH. У якості

контрольних засобів використані класичні діяльності "тести" та "завдання".

Врахування несумісності платформ ПК робочих місць студентів.

Враховуючи роботу спеціалізованого ПЗ на платформах Windows XP вирішено

використати механізм віртуальних машин. Колективом викладачів записаний образ

віртуальної машини Virtual Box, куди інстальовані усі необхідні програми для

проведення віртуальних робіт. Образ видається студенту по місцю або

завантажується з файлового серверу в Інтернет. Враховуючи доволі великий об’єм

образу (4 Гб) перше є переважним.

Студент інсталює Virtual Box на свою платформу (підтримується велика

кількість ОС), і підключає образ віртуальної машини. Таким чином, незалежно від

особливостей хостової машини та ОС, програмне забезпечення буде працювати

однаково.

Максимальна незалежність від швидкості доступу до Інтернет.

Незалежність від швидкості Інтернет досягається шляхом використання

локального імітаційного моделювання. Тобто через платформу дистанційного

навчання завантажуються усі необхідні матеріали, після чого студент виконує

лабораторні роботи в режимі офлайн.

Вирішення задач імітації обладнання та програмно-технічних комплексів

без використання додаткових фінансових витрат.

Це є однією із самих важких задач для вирішення. Комплекс лабораторних робі

включає теми.

1. Призначення та загальні властивості промислових мереж

2. Реалізація фізичного рівня промислових мереж та стандартні послідовні

інтерфейси.

3. Мережі MODBUS

4. MODBUS Serial та Modbus/TCP

5. Мережа Ethernet

6. Протоколи TCP/IP

Для адаптації лабораторних робіт з використанням послідовних комунікаційних

портів було використано безкоштовний програмний засіб імітації СОМ-портів ПК

27

com0com (http://sourceforge.net/projects/com0com/?source=navbar ). Слайд з

поясненнями принципів використання утиліт показаний на рис.9.

Ця утиліта дає можливість створювати віртуальні СОМ-порти, які зв’язані між

собою. Таким чином дві комп’ютерні програми можуть спілкуватися між собою

через СОМ-порт наче з реальним обладнанням.

Для перевірки роботи з Modbus у практичних (фізичних лабораторіях) є

спеціалізоване обладнання (контролери, ПЛК) в якості знаходження джерела даних.

Для віртуального середовища в кості заміни реального ПЛК була вибрана RunTime

система CoDeSys (див.1.4), яка на 2 години виконання є безкоштовною, після чого її

треба перевантажити. Середовище виконання CoDeSys по суті являється софт-ПЛК

під Windows. Для нього розроблена програма управління разом з імітаційною

моделлю процесу управління, який надає доступ до своїх ресурсів через Modbus

RTU (підімкнувши до COM-порту ПК) та Modbus TCP (через наявні TCP/IP

з'єднання). Таким чином для клієнтського програмного забезпечення немає різниці

чи це реальний контролер чи софт-контролер, так як воно підключається через

Modbus.

Усі інші утиліти та програмне забезпечення були вибрані з урахуванням

специфіки навчання та їх безкоштовності.

Рис.9. Утиліта com0com

28

Висновки

Аналіз використовуваних на сьогоднішній день методів та засобів для

створення мультимедійних віртуальних лабораторних робіт показав:

1. Віртуальні та дистанційні лабораторні роботи є невід'ємною частиною

дистанційного навчання для практичної підготовки інженера з автоматизації

2. На сьогоднішній день є велика кількість методів та засобів розробки та

впровадження віртуальних, дистанційних та комбінованих лабораторних робіт

та лабораторій, які показали свою дидактичну ефективність навіть в

порівнянні з класичними практичними лабораторними установками

3. Віртуальні та дистанційні лабораторні стенди мають багато переваг перед

традиційними практичними:

a. відсутність необхідності купівлі дорогого обладнання

b. цілодобовий доступ до лабораторії

c. доступ з любого куточку світу

d. можливість моделювання процесів, принципово неможливих в

реальних лабораторіях

e. відсутність обмежень пов’язаних з небезпекою пошкодження

обладнання та людини

f. можливість прискорити, сповільнити чи зупинити експеримент

g. можливість гнучкого плану експерименту

h. економія часу та ресурсів

i. використання разом з дистанційною формою навчання

4. Досліди показали, що наявність самих лабораторних робіт є недостатнім, їх

необхідно інтегрувати в електронний навчальний комплекс VLE для

максимальної ефективності навчання

5. Електронні засоби дають можливість при роботі з віртуальними

лабораторними роботами сформувати у студента додаткові навички суспільної

роботи (соціальна складова), укріпити практичні навички та підвищити

зацікавленість студента до матеріалу.

6. Додаткові технології віртуальних світів значно підвищують ефективність

дистанційного навчання

7. У якості інструментів розробки віртуальних лабораторних робіт можна

користуватися класичними інструментами інженера з автоматизації

За результатами дослідження було розроблено комплекс пропозицій щодо

використання програмних засобів для ряду курсів підготовки спеціалістів з напряму

29

"Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва",

зокрема:

- призначення лабораторних комплексів

- можливі варіанти реалізації лабораторних робіт

- приклади реалізації деяких робіт на кафедрі ІАСУ НУХТ

Було розроблено лабораторні роботи з курсів "Промислові мережі та

інтеграційні технології" та "Промислові контролери" з використанням віртуальних

лабораторних стендів в дистанційному комплексі навчання.

30

Список використаних джерел

1. C. Pereira, S. Paladini, F.M. Schaf "Control and Automation Engineering Education:

combining physical, remote and virtual labs" // Systems, Signals and Devices (SSD),

2012 9th International Multi-Conference on

2. A. Hofstein and V. N. Lunetta, “The laboratory in science education: Foundations for

the Twenty- First Century,” Science Education, vol. 88 (1), pp. 28–54, 2004.

3. J. Ma and J. Nickerson, “Hands-on, simulated, and remote laboratories: A

comparative literature review,” ACM Computing Surveys, vol. 38 (3), 2006.

4. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, Dec. 2009.

5. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 10, Oct. 2010

6. L. Gomes and J. G. Zubía, Advances on Remote Laboratories and e-Learning

Experiences. Bilbao: University of Deusto, Spain, 2007.

7. J. G. Zubía and G. R. Alves, Using Remote Labs in Education - Two Little Ducks in

Remote Experimentation, Bilbao: University of Deusto, Spain, 2011.

8. Виртуальные лаборатории. [Електронний ресурс]: - Режим доступу:

http://kpfu.ru/docs/F324157708/Virtualnye.laboratorii.pdf

9. Использование виртуальных приборов в процесе изучения специальных

дисциплин в технических колледжах [Електронний ресурс]: - Режим доступу:

http://lab-centre.ru/mess192.htm

10. Виртуальные практикумы по электротехнике в среде LabVIEW [Електронний

ресурс]: - Режим доступу: http://lab-centre.ru/mess227.htm

11. Разработка виртуальной лабораторной работы «Имитационное моделирование

погрешностей канала измерения температуры» в среде LabVIEW [Електронний

ресурс]: - Режим доступу: http://lab-centre.ru/mess226.htm