Кафедра _Вычислительных систем и информационной безопасности____________
(наименование кафедры, обеспечивающей преподавание дисциплины)
Дисциплина Б.3.23.1 «Информационно-измерительные и управляющие системы» (профессиональный цикл)
(шифр с указанием цикла подготовки, наименование дисциплины)
Статус дисциплины вариативная по выбору
(базовая, вариативная, вариативная по выбору, факультативная)
Направление 230100 Информатика и вычислительная техника
(код и наименование направления или специальности)
Профиль (и) (при наличии) -
(наименование профиля)
Форма обучения_____очная________________________________________________
(очная, очно - заочная, заочная)
Объем дисциплины______216_____________________________________________
(общий объем дисциплины, час.)
Общая трудоёмкость дисциплины __6___ зачётных единиц
Распределение по видам занятий
| Семестр | Учебные занятия (час.) | Трудоёмкость (в зет) | В интерактивной форме, час | Наличие курсовых проектов (КП), курсовых работ (КР), расчетных заданий (РЗ) | Форма промежуточной аттестации (зачёт, экзамен) | ||||||
| Всего | Аудиторные | СРС | |||||||||
| Всего ауди-торных | Лек-ции | Лабора-торные работы | Практи-ческие занятия (семинары) | В семестре | В сессию | ||||||
| - | - | нет | зачет | ||||||||
| - | нет | экзамен | |||||||||
| Всего | - | - | - |
Рабочая программа дисциплины
Содержание дисциплины
6.1.1. Тематический план дисциплины
карта компетенций дисциплины «Информационно-измерительные и управляющие системы»
(наименование дисциплины)
1. Перечень компетенций дисциплины
| Код компетенции | Формулировка компетенции | |
| ОК-10 | использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования | |
| ОК-11 | осознает сущность и значение информации в развитии современного общества; владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации | |
| ПК-2 | осваивать методики использования программных средств для решения практических задач | |
| ПК-3 | разрабатывать интерфейсы «человек-ЭВМ» | |
| ПК-9 | участвовать в настройке и наладке программно-аппаратных комплексов | |
| ПК-10 | сопрягать аппаратные и программные средства в составе информационных и автоматизированных систем | |
| ПК-11 | инсталлировать программное и аппаратное обеспечение для информационных и автоматизированных систем | |
| ПК-20 | Разрабатывать и реализовывать алгоритмы управления, сбора, обработки и хранения данных в управляющих, информационно-измерительных и других технических системах, включая их программно-техническую реализацию для микроконтроллеров и мобильных устройств |
2 Компонентный состав дисциплины
| Технологии формирования компетенций и перечень тем | ||
| Лекции | Лабораторные работы | СРС |
| Модуль 1 «Общие представление об информационно - измерительных и управляющих системах (ИУС)» – 1 ЗЕТ Форма текущей оценки – защита лабораторных работ, промежуточной – зачет Результат освоения: Знать: 1,3-6; Уметь: 13; Владеть: __ - ___ | ||
| 1. Введение. (1 ч) | Вводное занятие (1час) 1. Создание проекта в среде Trace Mode (2 часа) | ПЛк ПЛр |
| 2. Общие принципы построения и обобщенная структурная схема ИУС (2ч) | ||
| 3. Классификация и виды ИУС (2 ч) | ||
| Модуль 2 «Программно- техническое обеспечение ИУС» – 2 ЗЕТ Форма текущей оценки – защита лабораторных работ и сдача расчетного задания, промежуточной – зачет. Результат освоения: Знать: 2,6-8, 10; Уметь: 11-14; Владеть: 15,18 | ||
| 4 Программное обеспечение ИУС (2 часа) | 2. Создание статического и динамического изображения (2часа) 3. Программирование на языках Texno ST и Texno FBD (4 часа) 4. Программирование на языках Texno IL и Texno SFC (4 часа) 5. Создание отчета тревог и СПАД – архива (4 часа) | ПЛк ПЛр |
| 5. Методы и средства измерения электрических величин (4 часа) | ||
| 6. Методы и средства измерения неэлектрических величин (4 часа) | ||
| 7. Протоколы и интерфейсы ИУС (2 ч) | ||
| 8. Аппаратное обеспечение, промышленные компьютеры и контроллеры (1 час) 9. Исполнительные механизмы систем автоматизации и устройства ввода – вывода (1 час) | ||
| Модуль 3 «Теоретические основы ИУС» – 2 ЗЕТ Форма текущей оценки – защита лабораторных работ и сдача расчетного задания, промежуточной – зачет. Результат освоения: Знать: 1,6, 9; Уметь: 13-14; Владеть: 15-19 | ||
| 10. Введение (2 часа) | 6. Программирование ПЛК (4 часа) 7. Программирование автоматических регуляторов (4 часа) 8. Исследованиехарактеристик беспроводной сети ZigBee (4 часа) 9. Программирование узлов беспроводной сети ZigBee (4 часа) 10. Исследование характеристик радиомодемов P2P (2 часа) | ПЛк ПЛр |
| 11. Теория информации и кодирования (2 часа) | ||
| 12. Статистическая теория ИИС (2 часа) | ||
| 13. Методы математического моделирования и оптимального проектирования (2 часа) | ||
| 14. Методы нелинейной обработки сигналов (2 часа) 15. Теория нечетких множеств (2 часа) 16. Прочие методы синтеза и анализа ИУС (2часа) | ||
| Модуль 4 «Примеры практических реализаций ИУС» – 1 ЗЕТ Форма текущей оценки – защита лабораторных работ и сдача расчетного задания, промежуточной – зачет. Результат освоения: Знать: 3,5-8; Уметь: 14; Владеть: ____ | ||
| 17. Технологические решения для систем «умный дом» (4 часа) | 11. Изучение работы распределенной ИИС многоточечного мониторинга (2 часа) 12. Изучение работы системы автоматизированной диагностики сердечно-сосудистой деятельности (2 часа) | ПЛк ПЛр |
| 18. АСУ ТП и информационно-измерительные системы на базе SCADA – систем (2 часа) | ||
| 19. Технологические решения для бортовых систем транспортных средств (2 часа) |
Примечания:
1. В результатах освоения приведены номера пунктов из перечней знаний, умений и навыков, перечисленных ранее в разделе 5.4.
3. СРС включает в себя подготовку к лекциям (ПЛк), лабораторным работам (ПЛр). Подробнее объем и содержание СРС раскрыты в конце данного подраздела, а также в разделах 6.2.1, 6.2.2; 2.
2. Все лекции имеют продолжительность 2 часа, лабораторные работы разбиваются на – 4-х часовые занятия
Ниже приведено развернутое содержание приведенных в таблице дидактических единиц и технологий формирования компетенций с указанием рекомендуемой литературы
Лекционный курс (39 часов)
Модуль 1. Общие представление об информационно - измерительных и управляющих системах (ИУС) - 5 часов, 7-й семестр
Тема 1. Введение. (1 ч) [1,2,3,5-8]
Общее представление об информационно-измерительных и управляющих системах. Сходства и различия между информационно-измерительной и управляющей системами. Основные задачи дисциплины и ее взаимосвязь с другими дисциплинами. Историческая справка. Области практического применения полученных знаний и навыков. Структура курса. Требования к зачету, экзамену и уровню усвоения материала.
Тема 2. Общие принципы построения и обобщенная структурная схема ИУС (2 ч) [1-8].
Основные термины и определения, используемые в ИУС. Общие принципы построения и обобщенная структурная схема. Основные компоненты ИУС и их назначение. Датчики, блок обработки данных (вычислитель) и исполнительные устройства. Программно-аппаратные средства вычислительной техники. Интерфейсы ИУС.
Тема 3. Классификация и виды ИУС (2 ч) [1-8].
Требования, предъявляемые к ИУС. Краткое описание и сравнительная характеристика ИУС различного назначения. Интеллектуальные, автоматические и автоматизированные ИУС.
Измерительные и телеизмерительные системы. Системы автоматического контроля и технической диагностики. Системы распознавания образов. Статистические измерительные системы. САПР. АСНИ. Автоматизация управленческого труда. АРМы. Компьютеризированные и микроконтроллерные измерительные и управляющие системы. Требования, предъявляемые к ИУС. Краткое описание и сравнительная характеристика ИУС различного назначения. Интеллектуальные, автоматические и автоматизированные ИУС. Измерительные и телеизмерительные системы. Системы автоматического контроля и технической диагностики. Системы распознавания образов. Статистические измерительные системы. САПР. АСНИ. Автоматизация управленческого труда. АРМы. Компьютеризированные и микроконтроллерные измерительные и управляющие системы. АСУ ТП. Автомобильная электроника.
Модуль 2. Программно- техническое обеспечение ИУС – 12 часов, 7-й семестр
Тема 4. Программное обеспечение ИУС(2 ч) [1,6,14,16-17].
SCADA – системы и тенденции их развития. SCADA как типичный представитель программного обеспечения ИУС. Общее представление о SCADA – системах. Уровни, основные термины и основные компоненты SCADA – систем: тэги/каналы, алармы /журналы, графики/диаграммы/charts, PLC/ПЛК, УСД.
Программирование SCADA – систем. Типовые алгоритмы обработки данных. Языки программирования и подходы к организации данных.Варианты и диалекты языков: текстовый язык – список инструкций IL (Instruction List), напоминающий универсальные языки программирования язык структурированного текста ST (Sructured Text). Графические языки LD (Ladder Diagram – язык релейных диаграмм), графический язык программирования на уровне функциональных блоков и логических элементов FBD (Functional Block Diagram), графический язык для описания алгоритма работы в виде блок – схемы алгоритма SFC (Sequantional Functional Chart – содержит шаги со входом, выходом и действиями, а также переходы – типа блок-схем алгоритмов), редактор функциональных блоковых диаграмм CFC (Continuous Functional Chart)
Краткая сравнительная характеристика SCADA – систем: IsoGraf, Круг2000, Trace Mode, Wizcon, Овен - CoDeSys. Система Trace Mode. Основные модули системы: Softlogic, Scada/HMI, MES= Manufactoring Execution System (планирование, контроль и управление производственными заданиями), EAS= Enterprise Asset Management (управление основными средствами и ремонтом), HRM = Humen Resource Management (управление персоналом и кадрами)..
Тема 5. Методы и средства измерения электрических величин (2 ч) [1,4,5,7,8,18-22].
Измерительные схемы и методы общего назначения. Прямые, косвенные и совокупные измерения. Активные и пассивные параметрические методы измерения. Методы подавления помех: дифференциальные схемы и статистические методы. Классификация электроизмерительных устройств, их математические модели и алгоритмы измерения. Преобразователи электрических и магнитных величин. Аналоговые (электромеханические) и цифровые электроизмерительные приборы. Сигма-дельта АЦП. Измерительные генераторы и синтезаторы частоты: назначение и основные технические характеристики (ОТХ), методы прямого цифрового синтеза (DDS – Digital Direct Synthesizers). Электронные осциллографы – разновидности (аналоговые, цифровые, USB, стробоскопические): ОТХ и функциональные возможности. Измерение частоты и временных интервалов. Измерение фазового сдвига. Измерение тока, напряжения и мощности. Анализаторы спектра, импульсных и амплитудно-частотных характеристик. Измерители характеристик случайных процессов. Измерение нелинейных искажений и параметров модулированных сигналов. Измерение параметров и характеристик компонентов цепей и устройств с сосредоточенными и распределенными параметрами, в том числе конденсаторов, резисторов, кабельной продукции, микросхем и полупроводниковых приборов. Измерители параметров и характеристик СВЧ – устройств. Измерители характеристик случайных процессов. Измерители качества источников электроэнергии
Тема 6. Методы и средства измерения неэлектрических величин (4 ч) [1,4,5,7,9,15,18-25].
Классификация первичных измерительных преобразователей (ПИП) неэлектрических величин, методов и средств измерения. Реостатные, тензорезистивные, емкостные, пьезоэлектрические, индуктивные, трансформаторные, индукционные, магнитоупругие, термоэлектрические, терморезистивные, фотоэлектрические, ионизационные, электрохимические, гальваномагнитные, кулонметрические, оптико-электронные преобразователи. Основные методы измерения: магнитные, оптические, оптико-электронные, фотоэлектрические, электромеханические, ионизационные, радиоизотопные, магнитные, акустические, химотронные, оптические. ПЗС. Основные виды измерений: измерение механических величин и других свойств изделий; линейных и угловых размеров, уровней, расстояний; измерение магнитных величин; скоростей, перемещений и параметров движения; положения, размеров и формы; температуры, давления, влажности и усилий; расхода и количества; концентрации и химического состава /свойств веществ. Задачи идентификации и подсчета изделий и распознавания образов. Особенности измерения и контроля для быстропротекающих процессов, биологических объектов, охраняемых объектов и других специфических видов объектов и процессов. Электронная микроскопия, ЯМР и томография.
Тема 7. Протоколы и интерфейсы ИУС (2 ч) [4-8,26-30].
Беспроводные локальные компьютерные сети (WLAN – wireless local area networks) на основе протоколов Wi-Fi (IEEE 802.11) и WiMax (IEEE 802.16): основные сравнительные характеристики вариантов реализации протоколов a – n. Беспроводные сенсорные сети (БСС) на основе технологии ZigBee (протоколов высокого сетевого уровня, использующих автономно работающие миниатюрные маломощные радиопередатчики, использующие для связи стандарт IEEE 802.15.4-2006, https://www.zigbee.org/): общее представление о БСС, технологии применения и организации сети, используемые в БСС; эмуляция работы БСС на примере эмулятора TOSSIM. IEEE 802.15.4-2006.
Тема 8. Аппаратное обеспечение, промышленные компьютеры и контроллеры (1 ч) [4-8,26-30].
Радиомодемы P2P (Point to Point – точка в точку). Спутниковые системы навигации GPRS и ГЛОНАСС. Промышленные компьютеры и программируемые логические контроллеры (ПЛК): особенности исполнения и применения, сравнительная характеристика широкого применения (фирма Овен, ICP CON и другие). Сетевая аппаратура индустриального стандарта фирмы MOXA. Оборудование для радиочастотной идентификации (RFID – radio frequency identification).
Тема 9. Исполнительные механизмы систем автоматизации и устройства ввода - вывода(1 ч) [1,4,5,7,8,23-27].
Электропривод. Сервопривод. Частотные преобразователи. Твердотельные реле. IGBT, FET – транзисторы и драйверы силовых ключей. HMA (Human – Machine Interface, человеко–машинный интерфейс). Акустические и световые сигнализаторы, индикаторы и устройства отображения информации. E-ink – мониторы и сенсорные панели.
Модуль 3. Теоретические основы ИУС - 14 часов, 8-й семестр.
Тема 10. Введение (2часа) [1-9].
Теоретическая база ИУС. Общее представление о методах синтеза и анализа ИУС. Перечень дисциплин, используемых для проведения синтеза и анализа и их краткая характеристика. Общее представление об информационных процессах и сигналах:
Понятия информации. Ее свойства. Информационные процессы и системы. Основы семиотики.
Тема 11. Теория информации и кодирования (2часа) [1-9,11].
Общее и назначение, объем информации по Хартли, Шеннону и Колмогорову, свойства и меры информации, Основы теории сжатия сигналов, основы помехоустойчивого кодирования.
Тема 12. Статистическая теория ИИС (2часа) [1-8,11]
Общее представление о статистической и информационной теории измерительных устройств. Многомерные функции распределения. Преобразования случайных процессов. Функции риска. Виды решающих правил и оценок. Интервальные минимаксные оценки.
Тема 13. Методы математического моделирования и оптимального проектирования (2часа) [3]
Клеточные автоматы, методы Монте-Карло, визуализация решений. Методы оптимального проектирования: проблема выбора критериев оптимизации. Оптимизация по интегральному критерию. Многокритериальная оптимизация.
Тема 14. Методы нелинейной обработки сигналов (2часа) [1-8,11]
Эвристические алгоритмы «плавающие» пороги, дискриминантные, взвешенные и пр. методы выделения информации о центре гауссоиды. Методы математической морфологии морфологические операции эрозии и дилатации. Примеры нелинейной обработки сигналов.
Тема 15. Теория нечетких множеств (2часа) [1-8,11]
Общее представление о функции принадлежности, лингвистической переменной. Операции с лингвистической переменной. Области применения. теории нечетких множеств.
Тема 16. Прочие методы синтеза и анализа ИУС (2часа) [1-8,11]
Системный анализ: общее представление и основные понятия. Оптимальные и адаптивные системы: общее представление об оптимальных, нелинейных и адаптивных системах управления. PID – регуляторы. Линейные методы фильтрации: статистические методы, оптимальные фильтры. Теория принятия решений: общее представление и основные понятия. Нейросетевые методы: принципы построения и виды; этапы решения; примеры применений. Общее представление о вейвлет – преобразованиях, конечных ортогональных преобразованиях, о теории игр и теории массового обслуживания, генетических алгоритмах, фрактальном анализе.
Модуль 4. Примеры практических реализаций ИУС – 8 часов, 8-й семестр
Тема 17. Технологические решения для систем «умный дом» (4 ч) [1,4,5,20-22].
Распределенные и автономные системы ограничения доступа. Охранные системы заграждающего и упреждающего типов. Системы регулировки и мониторинга температурного режима (на примере систем фирмы Viessman). Системы видеонаблюдения и видеорегистрации: IP – камеры и IP – серверы, квадраторы, системы выделения движения и другие устройства. Медиацентры и BarBone – системы. Домашние беспроводные компьютерные сети. Краткая характеристика технологий систем умный дом Х10, C-Bus, EIB, LonWorks, AM, Crestron, BACnet.
Тема 18. АСУ ТП и информационно-измерительные системы на базе SCADA – систем. (2 ч) [1,4,5,16-18].
Автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ). Автоматизированные системы коммерческого и оперативного контроля и учета потребления тепла на стороне потребителя и источника (АСКУТ): общие требования, используемые технические средства, особенности эксплуатации и технического обслуживания. Роботы и робототехнические комплексы. Автоматические и автоматизированные линии.
Тема 19. Технологические решения для бортовых систем транспортных средств (2 ч) [1,4,5,24-26].
Системы технической диагностики. Протоколы автомобильных систем. CAN – интерфейс. Системы обеспечения безопасности автомобиля: системы поддержки курсовой устойчивости (варианты реализации, общие принципы работы, основные функции). Системы охраны транспортных средств: функции и принципы работы автономных и спутниковых систем. Навигационные системы на базе систем технического зрения и GPS- навигации.
Лабораторные работы (85 часов).
Литература основная [1-2], дополнительная [5-7,8], методические указания [10], материалы [12-15] и ресурсы [17]
Модуль 1-2. Работа со SCADA системой Trace Mode. 7-й семестр, 17 часов.
Вводное занятие. Знакомство с лабораторным стендом в части работ по ИУС. Изучение и сдача правил техники безопасности (1 часа) [1-2,5-7,10]
Работа №1. Создание проекта в среде Trace Mode. Установка и ознакомление со SCADA–системой, создание и настройка каналов, освоение вывода информации на экран (2 часа) [10,14,17]
Работа №2. Создание статического и динамического изображения. Знакомство с интерфейсом и со стандартными объектами, предназначенными для создания статических и динамических изображений (2 часа, вес 1) [10, 14,17]
Работа №3. Программирование на языках Texno ST и Texno FBD. Приобретение начальных навыков программирования на языках Texno ST и Texno FBD в процессе реализации системы АСУ ТП (4 часа, вес 2) [10, 14,17]
Работа №4. Программирование на языках Texno IL и Texno SFC. Приобретение начальных навыков программирования на языках Texno IL и Texno SFC в процессе реализации системы АСУ ТП (4 часа, вес 2) [10, 14,17]
Работа №5. Создание отчета тревог и СПАД – архива. Знакомство с отчетом тревог, СПАД – архивом в процессе создания отчета тревог и архива значений (4 часа, вес 1) [10, 14,17]
Модуль 3-4. Работа с программно-техническими компонентами ИУС. 8-й семестр, 22 часа.
Работа №6. Программирование ПЛК. Изучение характеристик промышленных контроллеров i7188 фирмы ICP CON или ARM SAM Cortex TM-3 и методов их программирования. (4 часа, вес 1) [10,12].
Работа №7. Программирование автоматических регуляторов. Изучение характеристик технических средств автоматизации фирмы ОВЕН и методов их программирования. (4 часа, вес 1) [10,22].
Работа №8. Исследование характеристик беспроводной сети ZigBee. Изучение характеристик беспроводной сети и скорости передачи данных в зависимости от расстояния между узлами (4 часа, вес 1) [10,12].
Работа №9. Программирование узлов беспроводной сети ZigBee. Изучение инструментальной среды для программироования ZigBee модулей, изучение готовых библиотек и разработка простейших программ (4 часа, вес 1) [10,12].
Работа №10. Исследование характеристик радиомодемов P2P. Изучение характеристик беспроводной сети и скорости передачи данных в зависимости от расстояния между узлами и алгоритмов обработки сигналов на основе радиомодемов P2P(2 часа, вес 1) [10,12].
Работа №11. Изучение работы распределенной ИИС многоточечного мониторинга. Изучение структуры ИИС, ее программно-технического обеспечения, разработка по индивидуальными заданиям алгоритмов для сбора, обработки и визуализации информации. (2 часа, вес 1) [10,12].
Работа №12. Изучение работы системы автоматизированной диагностики сердечно-сосудистой деятельности. Изучение структуры кардиологического диагностического комплекса, ее программно-технического обеспечения, разработка по индивидуальными заданиям алгоритмов для сбора, обработки и визуализации информации. (2 часа, вес 1) [10,13].
Подготовку к лабораторным работам и оформление по ним отчетов студенты выполняют самостоятельно за счет времени, отводимого на СРС. Каждая работа защищается. В защиту входит как отчет по результатам выполнения предложенного в лабораторной работе задания, так и знание соответствующего этой работе теоретического материала
Самостоятельная работа
Целью самостоятельной работы студентов является углубление, усвоение и закрепление знаний по изучаемым разделам дисциплины. Лекции предназначены преимущественно для раскрытия системообразующих методологических основ курса. Фактологический же материал и понятийный каркас теории осваивается в основном во время самостоятельной работы. Самостоятельное освоение большей части учебного и справочно-методического материала осуществляется в течение всего семестра при выполнении лабораторных работ и подготовки к зачету и экзамену. Для самостоятельной работы используется основная и дополнительная литература и конспект лекций. Координация самостоятельной учебной деятельности осуществляется преподавателем во время проведения занятий и на консультациях. Текущий контроль освоения материала проводится в процессе приема лабораторных работ
Структура часов на СРС:
Общий объем СРС равен 138 часам (102 часам в семестре и 36 в сессию) и распределяется по различным его видам и по семестрам следующим образом:
| Семестр | Подготовка к лекциям | Подготовка к лабораторным работам и их защите | Выполнение и защита расчетного задания | Подготовка к зачету и экзамену | Литература для подготовки к лекциям, сессии | Итого |
| 50 [10] | [1-2,5-9] | |||||
| 17 [10] | [1-2,5-6,11] | |||||
| Итого | - | - |
Для организации СРС используются регламентирующие и учебно-методические документы:
· график проведения и защиты лабораторных работ;
· формы отчетности;
· учебная программа дисциплины;
· учебные материалы;
· методические указания по выполнению лабораторного практикума;
· список рекомендуемой литературы;
· вопросы для самоконтроля.
Элементы творчества являются обязательными при выполнении лабораторных работ по дисциплине. Студенты должны, опираясь на общую методику выполнения лабораторных работ, выполнить лабораторные работы по индивидуальному варианту, самостоятельно определяя технологический процесс получения необходимых для подготовки отчета данных. Кроме того, при защите работы приветствуется неординарность исполнения отчета.
Индивидуальные задания предусматривают получение студентами навыков самостоятельной учебной деятельности в рамках единой для всех тематики заданий.
Регулярные консультации (не реже 1 раза в неделю) и контроль процесса защиты лабораторных работ являются обязательным элементом организации учебного процесса по дисциплине в рамках СРС.
Вся необходимая для самостоятельной работы информация содержится в библиографических источниках [10-11].