Введение

Компьютерные системы измерения и управления применяются для управления сложными промышленными объектами, при испытаниях сложных образцов техники (от гидротурбин до сотовых телефонов, изделий бытовой и промышленной электроники), для управления технологическими процессами (АСУ ТП), для автоматизации проведения и обработки данных физического эксперимента (САФЭ или АСНИ).

Основная задача физического эксперимента – обнаружение и установление функциональной связи между параметрами, описывающими состояние физической системы, и последующее физическое объяснение обнаруженной закономерности.

Таким образом, экспериментальное исследование включает три основные этапа:

• измерение и накопление результатов измерений;

• аналитическое описание;

• физическое объяснение.

Объектом исследования может быть:

• промышленная установка (например, гидротурбина) или ее часть;

• натурная или полунатурная модель установки;

• экспериментальная установка, позволяющая воспроизводить физическое явление.

Экспериментальное исследование может быть качественным и количественным. Цель качественного эксперимента – установить сам факт существования физического явления (например, кавитации) и, может быть, сформулировать рабочую гипотезу о физической сущности явления или его описании. Цель количественного эксперимента – установление количественных связей между параметрами, характеризующими явление. С помощью количественного эксперимента рабочая гипотеза может быть подтверждена или отвергнута.

Эксперимент может быть пассивным или активным. В первом случае экспериментатор может только измерять параметры, характеризующие состояние объекта, не имеет возможности как -либо влиять на объект. (Пример – задача изучения сейсмической активности, солнечной активности). Во втором случае экспериментатор управляет состоянием объекта и изучает его реакцию (отклик) на управляющее воздействие.

Общетеоретической базой организации экспериментальных исследований является теория планирования и обработки результатов научного и инженерного экспериментов [1,2].

Экспериментальное исследование может проводиться и без использования средств автоматизации.

Использование средств автоматизации эксперимента дает возможность изучать быстропротекающие процессы (типа взрыва), многопараметрические явления, сложные процессы, характеризующиеся большими объемами получаемой информации. При использовании автоматизированной системы реализация функций управления установкой, измерения, обработки данных возможна в реальном масштабе времени, т.е. в темпе проведения эксперимента. Благодаря этому существенно и принципиально расширяется класс исследуемых явлений и процессов.

САФЭ включает в себя одну или несколько ЭВМ и большой арсенал технических средств измерения и управления. Состав и техническое исполнение ТС ИУ могут существенно отличаться в зависимости от степени сложности, особенностей, пространственного расположения объекта автоматизации и условий его эксплуатации.

Примером может быть автоматизированная установка для исследования явлений, связанных с прохождением ударной волны в низкотемпературной газоразрядной плазме (ФТИ РАН им А.Ф.Иоффе) [3]¹.

Рис. 1

1 – разрядная камера; 2 – катод; 3 – анод; 4 – изолирующий фланец; 5 – блок питания камеры и гасящее устройство; 6 – ресивер; 7 – вентиль откачки; 8 – вентиль напуска газа; 9 – манометр; 10 – шаговый двигатель; 11 – электромагнитная ударная труба; 12 – линзы шлирен-системы; 13 – оптическая щель; 14 – оптический нож; 15 – осветители; 16 – фотоприемник шлирен-системы и предусилитель; 17 – фотоприемник вспышки; 18 – предусилитель вспышки; 19 – блок питания; 20 – вакуумный насос; 21, 22 – линзы шлирен-системы; 23 – штанга измерительная с датчиком.

Цель экспериментов заключается в исследовании явлений, возникающих при движении сверхзвуковых летательных аппаратов на скоростях до 1 км/сек.

На экспериментальной установке для исследования этих явлений изучается эффект взаимодействия ударной волны с низкотемпературной плазмой. Плазма и ударная волна создаются путем электрического разряда в атмосфере инертного газа.

При изучении явлений, связанных с прохождением ударной волны в низкотемпературной газоразрядной плазме, имеет место ряд факторов, преодоление которых невозможно без использования средств автоматизации. К числу таких факторов относятся:

• Высокие скорости протекания процесса. Регистрацию сигналов с датчиков было необходимо обеспечить в наносекундном интервале времени.

• Необходимость получения информации о моменте прихода ударной волны в исследуемую точку пространства с высокой степенью точности (порядка 20 нс) и надежности.

• Необходимость применения косвенного метода определения прихода ударной волны в точку пространства в ряде исследований.

• Наличие высокого уровня электромагнитных помех (высоковольтные и сильноточные импульсные разряды), возникающие в процессе проведения эксперимента, что требует применения аппаратных и программных средств фильтрации сигналов.

• Большие объемы данных, получаемых в результате проведения экспериментов, и сложные алгоритмы их обработки.

Автоматизированная система управления выполняет следующие функции:

• Автоматически по программе позиционирует пьезодатчик в определенную точку пространства в разрядной камере;

• Автоматически по программе включает и выключает гашение плазмы;

• Включает разрядник, создающий ударную волну;

• Регистрирует момент вспышки (появления ударной волны);

• Регистрирует моменты прохождения фронта ударной волны через контрольные сечения ударной трубы;

• Вычисляет в реальном времени параметры движения (скорость и замедление) ударной волны;

• Запускает аппаратуру регистрации сигнала с пьезодатчика в вычисленный по определенным параметрам движения ударной волны и расположением пьезодатчика момент достижения ударной волной пьезодатчика;

• Регистрирует момент достижения ударной волной пъезодатчика;

• Регистрирует аналоговый сигнал с пъезодатчика.

Сложность и уникальность установки, высокие скорости исследуемых процессов (время эксперимента составляет около 800 мксек), измерение наносекундных временных интервалов, регистрация сигналов пьезодатчика с точностью до нескольких наносекунд в динамическом диапазоне около 60 дБ (поскольку важно измерить характер сигнала в момент достижения фронтом ударной волны определенного участка плазмы и исследовать процесс затухания сигнала) с частотой порядка 100 МГц было бы невозможно без автоматизированной системы для управления экспериментом, сбора и обработки данных.

Высокие требования к быстродействию средств автоматизации типичны и для для ряда других физических экспериментов, например, при исследовании флуктуаций тока микроплазм в высоковольтных кремниевых p-n структурах².

Пример универсальной системы автоматизации физического эксперимента

При автоматизации экспериментальных исследований зачастую необходимо анализировать большие объемы данных, что требует значительных вычислительных ресурсов. Поэтому для управления экспериментом и анализом его результатов используются различные вычислительные машины, зачастую на несколько порядков отличающиеся друг от друга по вычислительной мощности.

Представленная ниже система разрабатывалась по заказу головного института Газпрома - Всесоюзного Научно-Исследовательского Института Природных Газов и Газовых Технологий.

К системе предъявлялись следующие требования:

• количество каналов для сбора экспериментальных данных не менее 128

• частотный диапазон измерений - от 0,1 Гц до 1 ГГц

• разрешение по частоте сигнала - 1 МГц

• разрешение по фазе сигнала - 0,01 градуса фазы

• скорость съема информации - от 100 Ksample/s до 1 Gsample/s

• временной интервал и ширина разрешения импульса сигнала - 1 нс

• регулируемые напряжения питания устройств - 0 - 120 В, 0 - 30 A

• точность установки параметров устройства питания - не более 1 мс

• диапазон выходных сигналов с датчиков - 0-60 мВ, 0-1 В, 0-60 В;

• допустимые погрешности измерения выходных сигналов с датчиков - 0-60 мВ: 0,0001%, 0-1 В: 0,0001%, 0-60 В: 0,0001%

Основное требование к системе - она должна иметь возможность работы с различными типами экспериментальных установок, обеспечивая минимальное время адаптации системы к новой экспериментальной установке. Окончательная конфигурация аппаратных средств и программного обеспечения приведена на рис. 2

Рис. 2

Компьютерную систему измерения и управления нижнего уровня можно представить в виде рис. 3:

Рис. 3

Основными элементами КСИУ являются (рис. 4):

• объект автоматизации ;

• датчики;

• исполнительные устройства;

• контрольно-измерительная аппаратура и источники эталонных сигналов

• и собственно средства автоматизации:

• ЭВМ

• средства преобразования и ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов. (называемых в технической литературе аппаратурой УСО. УСО – устройства сопряжения с объектом).

Типичными элементами аппаратуры УСО являются нормирующие преобразователи, измерительные усилители, аналоговые и цифровые мультиплексоры и демультиплексоры, цифровые регистры и счетчики, АЦП, ЦАП.

На ЭВМ в КСИУ возлагаются задачи:

• управления аппаратурой сбора данных в реальном времени;

• формирование и выдача управляющих воздействий на объект автоматизации;

• управление контрольно-измерительной аппаратурой и источниками эталонных сигналов;

• отображение информации о состоянии объекта автоматизации;

• формирование знаков внимания оператору при возможных критических или аварийных ситуациях.

Для этого необходимо, чтобы все элементы КСИУ имели средства системного сопряжения с ЭВМ, т.е. программно управлялись от ЭВМ. Поэтому средства системного сопряжения (интерфейс) также являются неотъемлемым элементом КСИУ.

Пользователь

Рис. 4

Создание средств автоматизации автоматизированных систем измерения и управления складывается из совокупности связанных задач:

• выбора структуры и состава ТС КСИУ в соответствии с конкретной задачей управления;

• расчета требований к техническим характеристикам всех ТС, входящих в состав КСИУ на основе технических требований к техническим характеристикам ИУ в целом;

• выбора интерфейса для системного сопряжения всех ТС в единый комплекс, управляемый от ЭВМ;

• разработки алгоритмов, временных диаграмм и программ для автоматизированной системы измерения и управления, включая программы:

• управления аппаратурой;

• математической обработки;

• графического пользовательского интерфейса.

Для создания средств интерфейса пользователя и математической обработки данных могут использоваться наряду с Visual C++ также LabView и LabWindows/CVI. LabWindows/CVI представляет собой интегрированную среду для разработки программного обеспечения систем измерения и управления, включающую кроме стандартных библиотек, типичных, например, для С++, следующие библиотеки:

• управления аппаратурой, подключаемой к компьютеру с помощью стандартных интерфейсов;

• сложных видов математической обработки;

• создания средств графического пользовательского интерфейса.

Простые системы измерения и управления, созданные на базе компьютера и аппаратуры измерения и управления, подключенной к компьютеру с помощью интерфейса, называют виртуальными приборами.

Технология виртуальных приборов

Виртуальные приборы состоят из компьютера, снабженного функциональными контрольно-измерительными модулями (например, модулем ввода/вывода данных), и программного обеспечения, которые в комплексе образуют систему, идентичную традиционным приборам. Виртуальные приборы позволяют использовать всю вычислительную мощь, производительность, графические и сетевые возможности современных персональных и промышленных компьютеров [4].

Традиционные приборы, такие как осциллографы или генераторы сигналов, как правило, ориентированы на выполнение одной, в лучшем случае нескольких специфических задач, определяемых их производителем. Обычно пользователь не может существенно расширить функциональность своего оборудования. В свою очередь функциональность виртуальных приборов в основном определяется возможностями программного обеспечения, а значит, может быть легко адаптирована к конкретной задаче, решаемой инженером.

С помощью современных сред разработки виртуальных приборов, таких как LabWindows/CVI и LabVIEW, инженеры получают возможность создания приложений и пользовательского интерфейса, наилучшим образом ориентированных на выполнение какой-либо определенной задачи. В LabVIEW и LabWindows/CVI вы имеете возможность размещения на лицевых панелях ваших виртуальных приборов таких элементов как кнопки, переключатели, лампочки, ручки регулировки, циферблаты, графические панели и т.п., что позволяет воссоздавать внешний вид традиционных приборов.

Контрольные вопросы и задачи

1. Какие устройства присутствуют в компьютерной системе измерения и управления?

2. Какой эксперимент называют активным?

3. Какой эксперимент называют пассивным?

4. Какой эксперимент называют качественным?

5. Какой эксперимент называют количественным?

6. В чем выражаются преимущества виртуальных приборов перед традиционными?