Виртуальные приборы в промышленности и учебных заведениях России
Системы автоматизации производства за последние четверть века прошли путь от автономных мини- и микроЭВМ до распределенных систем управления, включающих персональные компьютеры, ПЛК или программируемые контроллеры автоматизации (PAC). В области ПО развитие шло от текстовых языков программирования к графическим, и на этом пути особую нишу уже в течение продолжительного времени занимает технология виртуальных приборов (ВП). Виртуальные приборы имитирут лицевую панель реального прибора на экране компьютера и используют программные средства для решения задач измерения и управления. Родоначальником технологии ВП по праву считается компания National Instruments, предложившая 20 лет назад среду графического программирования Lab VIEW.
Немного истории
Отсчет истории развития технологии виртуальных приборов в России следует, по-видимому, вести с середины 90-х гг. прошлого века, когда ее начали применять в своих разработках, такие как АСК, ЦАТИ, ИнСис Лтд. (Москва), Ви-Тэк (Санкт Петербург). С 2003 г. активную деятельность в этой области начала компания AviaOK (Таганрог).
Если рассматривать примеры внедрения систем с ВП в отечественной промышленности, то здесь, конечно, приоритет принадлежит перечисленным выше компаниям, хотя в последнее время появились публикации о работах вузовских коллективов. Анализ примеров применения по отраслям свидетельствует, что наиболее востребованной технология ВП оказалась в таких высокотехнологичных отраслях, как авиация и авиастроение, железнодорожный транспорт и радиоэлектроника. При этом данная технология использовалась преимущественно на этапах конструирования или диагностики изделий, однако представлен ряд примеров применения ВП в системах автоматизации непрерывных технологических процессов.
В разработках перечисленных компаний в качестве аппаратной основы ВП использовались, в основном, как устанавливаемые в ПК платы сбора данных (DAQ), так и платформы PXI и Compact FieldPoint. Из российских производителей необходимо отметить широкий набор виртуальных приборов на базе интерфейса USB, который под торговой маркой АКТАКОМ предлагает фирма ЭЛИКС, и набор ВП для плат сбора данных фирмы "Руднев-Шиляев" в которых связь с аппаратным уровнем обеспечивается подпрограммами (sub-VI), использующими вызов DLL.
Развитию данной технологии несомненно способствовала деятельность NI по продвижению технологии ВП в высших учебных заведениях России. В результате реализации этой программы было открыто множество учебных центров, проводятся ежегодные образовательные конференции, издается учебная литература и каталог лабораторных работ. В настоящее время лидирующие позиции в области обучения и применения технологии ВП занимают такие вузы, как МГУ им. М.В. Ломоносова, РУДН, МИРЭА, МЭИ (ТУ), МГТУ им. Н.Э. Баумана, СПбГПУ, ННГУ, Нижегородский ГТУ, КГТУ им. А.Н. Туполева, НГТУ, ОрелГТУ, УГТУ-УПИ, ТРТУ, СевКавГТУ и Тюм-ГНГУ.
Хорошим примером применения технологии ВП служит PXI-система для проведения испытаний электрических двигателей и сервисного оборудования локомотивов, разработанная в компании АСК (рис. 1). Она осуществляет мониторинг и запись 64 тестовых параметров, включая время набора скорости, токи якорей и напряжение возбуждения двигателей постоянного тока. Система построена на базе двух крейтов PXI-1044, размещенных в специально разработанном пластиковом корпусе.
Рис. 1. Система для проведения испытаний электрических двигателей локомотивов (слева) Разработки системных и лицевая панель виртуального прибора системы интеграторов
К модулям ввода-вывода подключены датчики тока (до 750 А), датчики напряжения (до 3 кВ) и цифровые линии (до 50 В). Датчики установлены на шины питания двигателей, на шину контактной сети, на шины питания системы охлаждения сервисного оборудования и на вспомогательную аккумуляторную батарею. Вся собранная информация с датчиков сохраняется на жестком диске PXI-контроллера.
Основными достоинствами системы явились возможность ее использования при наличии мощных электромагнитных помех и снижение времени установки системы в локомотиве с 8-16 часов до 20 минут.
В компании "ВиТэк" (Санкт-Петербург) технологию ВП уже свыше 10 лет успешно применяют для создания компьютеризированных переносных и стационарных систем мониторинга и диагностики технического состояния оборудования, оснащения испытательных стендов, тренажеров, контроля технологических процессов и пр.
В последние годы технология ВП начинает использоваться для построения портативных измерительных приборов на базе карманных ПК (КПК). За счет этого компании удается расширить возможности традиционных приборов, обеспечить универсальность специализированных комплексов и разработать новое поколение портативных приборов. В качестве примеров реализации перечисленных направлений можно привести балансировочный прибор К-4102, центровщик составных валов К-6101 и вибрографы на базе измерительной платы NI CF-6004 или беспроводного модуля BlueRIO, разработанного ООО "ВиТэк”. Применение модуля BlueRIO вместе с модулем NI cRIO-9233 обеспечивает ввод в КПК до четырех каналов виброускорения с совокупной частотой оцифровки до 10000 Гц для 16-битных или 7000 Гц для 24-битных данных [3].
В компании AviaOK International технологию ВП использовали при разработке наземной автоматизированной системы контроля и диагностики авиационного бортового оборудования. Построенная на базе модульных приборов PXI система позволяет осуществлять тестирование большого количества устройств авионики, включая систему электроснабжения, топливную систему, пилотажно-навигационное оборудование, оборудование радиосвязи и др. В компании также широко применяют Lab VIEW и пакет IMAQ для разработки разнообразных систем технического зрения и нового поколения устройств для лабораторных и натурных испытаний светотехнических систем самолета. Следует отметить и новинку компании — модули входных и выходных сигналов A429-4Rx и A429-4Tx для встроенных систем CompactRIO.
Из вузовских стен
Среди вузовских разработок [4] привлекает внимание комплекс средств функциональной диагностики устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики (РЗА), созданный в НГТУ (Новосибирск) и внедренный в Сибирском НИИ энергетики. В комплексе для ввода/вывода цифровых и аналоговых сигналов использовались платы серии S (PCI-6143 и PCI-6733) и серии RIO (PCI-7831 R). Задачи комплекса решались с помощью набора ВП: осциллографа, быстродействующего регистратора, анализатора векторных диаграмм и анализатора спектра, генератора аналоговых и цифровых сигналов и мультиметра.
Вторая разработка — распределенная система мониторинга климатических условий в производственных помещениях предприятия, отличающаяся применением модуля Datalogging and Supervisory Control (DCS), выполнена в ВУЗе с идентичной аббревиатурой из Нижнего Новгорода. Система обеспечивает наглядное представление о распределении температуры и влажности воздуха по территории складов, изменения показаний датчиков в динамике, просмотр истории. Интерфейс оператора и сетевой доступ к текущим и ранее сохраненным значениям температуры и влажности обеспечивается с помощью программного модуля собственной разработки.
И о перспективах
Новые возможности внедрения систем автоматизации на базе ВП в отраслях промышленности открывает вышедшая в октябре 2005 г. новая версия Lab VIEW 8. Ее девизом стала поддержка разработки систем с распределенной логикой (Distributed Intelligence). Сюда входят единая графическая платформа для программирования всех узлов распределенной системы, инструмент для обзора системы и обеспечения доступа ко всем ее узлам — Project Explorer, упрощенный программный интерфейс для совместного использования данных — переменная общего доступа (shared variable) и поддержка синхронизации внутри и между распределенными устройствами и системами с помощью новой технологии детерминированного Ethernet.
В области аппратных средств следует отметить выпуск NI новой модульной системы сбора данных интерфейсом USB — CompactDAQ. Эта платформа отлично приспособлена для измерений физических величин и сигналов с разнообразных датчиков в лабораторных, полевых и цеховых условиях. Основой системы NI CompactDAQ является 8-слотовое шасси для размещения модулей ввода-вывода с суммарной емкостью до 256 каналов. Модули обеспечивают измерения электрических, физических, механических и виброакустических сигналов в единой системе. Сочетая простоту "Plug-and-Play" USB-подклю-чения с производительностью и гибкостью технологии модульных приборов, NI CompactDAQ позволяет проводить быстрые и точные измерения в единой, компактной и недорогой системе.
Технология виртуальных приборов успешно развивается и начинает поддерживать все более серьезные системы в отечественной промышленности. Интенсивно развивается ее внедрение и в образовательную среду. Все это позо-ляет ожидать появления в ближайшем будущем новых интересных разработок и внедрений.