Виртуальная лаборатория ZETLab на примере построения распределенной системы управления виброиспытаниями в учебной лаборатории

Перед учебными лабораториями ВУЗов, обучающими технических специалистов, нередко возникает задача проведения лабораторных исследований с применением дорогостоящей аппаратуры, присутствующей на кафедре в единственном экземпляре. Также нередки случаи, когда необходимо проводить сеанс одновременных групповых лабораторных занятий с использованием одних и тех же данных. Либо может возникнуть необходимость соблюдения некоторых условий эксперимента, связанная с громоздкостью и сложностью подготовительных работ, например, преподаватель включает аппаратуру и проводит необходимые настройки, а студенты начинают обработку данных, поступающих на их АРМ (рис. 1). Подобные задачи возникают при обучении специалистов различных специальностей:

Рисунок 1. Функциональная схема распределенной системы автоматического управления и контроля в лаборатории ВУЗа

Задачи подобного рода могут быть решены с применением аппаратно-программного комплекса (АПК) ZETLab. Подчеркнем, что возможность создания подобной распределенной системы, работающей с одним и тем же набором данных, является отличительной и очень востребованной особенностью АПК ZETLab.

Среди прочих достоинств АПК ZETLab отметим наличие множества готовых программных модулей (>100 ед.) по цифровой обработке сигналов как в реальном времени, так и в режиме постобработки в различных областях человеческой деятельности. Кроме того, в АПК разработан универсальный механизм доступа к данным, поддерживающийся многими современными объектно-ориентированными языками программирования в таких средах, как Visual Studio (C++, C#, VB6, VB.Net), Builder, Delphi, LabView, что позволяет использовать ZETLab и при проектировании своих собственных алгоритмов или методов.

В общем случае ZETLab – это универсальный измеритель: интеллектуальные устройство с функциональностью АЦП/ЦАП, имеющее интерфейс с ПК (каждое устройство поддерживает одну из следующих опций USB, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, RS-232/485 и пр.). Как известно, любой датчик преобразовывает контролируемую величину в электрический сигнал (возможно и в оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений. То есть сигнал с датчика, пропорциональный воздействию какой-либо физической величины на сам датчик, считывается АЦП аппаратной части комплекса ZETLab. Далее, сигнал, но уже в цифровом виде, поступает на ПК и может быть использован в соответствии с выбранным пользователем алгоритмом функционирования.

Таким образом, ZETLab – это "виртуальная лаборатория", в качестве измерительной части использующая реально существующую аппаратуру (АЦП или более сложный прибор – анализатор спектра), а для регистрации, обработки и выработки управляющего воздействия применяющая идеологию виртуальных приборов (вольтметр, амперметр, осциллограф, анализатор спектра, ПИД-регулятор и пр.). В АПК поддерживается функциональность распределенной системы управления (РСУ), то есть проектируемая АСУТП должна характеризоваться наличием распределенной системы ввода/вывода и децентрализованной обработкой данных. Требования к современной РСУ: отказоустойчивость и безопасность, простота разработки и конфигурирования, поддержка территориально распределенной архитектуры, единая конфигурационная БД, развитый ЧМИ.

Рассмотрим в качестве типичного примера использование ZETLab для создания распределенной испытательной лаборатории вибродиагностики (рис. 2) в изучении методов и алгоритмов, решающих задачи неразрушающего контроля (контроль свойств и параметров объекта, при котором не должна быть нарушена пригодность объекта к использованию и эксплуатации).

Рисунок 2. Cхема прохождения данных от датчика до верхнего оператора АРМ в лаборатории вибродиагностики

В лабораторной комнате представлен всего лишь один комплект измерительной аппаратуры, включающий вибростенд, усилитель сигнала и измеритель вибрации (аналого-цифровой преобразователь – анализатор спектра и комплект вибродатчиков), используемый так же, как система управления виброиспытаниями. Данные измерительной аппаратуры передаются на индивидуальные АРМ, соединенные с измерителем при помощи промышленного Ethernet, что дает возможность использования аппаратуры на значительных расстояниях. Далее студенты (разработчикиАСУ или системные инженеры) проектируют свои собственные алгоритмы обработки полученной информации или выполняют лабораторное задание.

Функциональность каждого из студенческих АРМов может быть различной. На базовой станции (ПК) основного рабочего места реализуется функциональность системы управления виброиспытаниями, работающая по различным алгоритмам:

Широкополосная случайная вибрация (ШСВ). Цель испытания – определение способности изделий, элементов и аппаратуры выдерживать воздействие случайной вибрации заданной степени жесткости, а также выявление возможных механических повреждений и/или ухудшения заданных характеристик изделия для решения вопроса о пригодности образца. Во время испытания образец подвергают воздействию случайной вибрации с заданным уровнем в пределах широкой полосы частот. Вследствие сложной механической реакции образца и его крепления это испытание требует особой тщательности при его подготовке и проведении;

Синусоидальная вибрация на фиксированных частотах. Цель испытания – выявление механических дефектов и/или ухудшения заданных характеристик, а также сопоставление полученных результатов с требованиями соответствующей технической документации для определения степени годности элементов, аппаратуры и других изделий (далее – образца) к воздействию вибрации заданной степени жесткости. В некоторых случаях это испытание может быть использовано для определения конструктивной прочности образцов и/или изучения их динамических характеристик.

Кроме того, на основе степеней жесткости может быть проведена классификация элементов по различным категориям;

На вспомогательных рабочих местах (ПК) студенты могут реализовывать произвольные алгоритмы обработки полученных с вибропреобразователей (датчиков) данные, не нарушая работу системы в целом:

Существенно, что каждый из перечисленных выше алгоритмов может быть реализован двумя способами: с применением уже написанных программных модулей в случае изучения свойств контролируемого объекта, но также и с применением программирования, в случае, например, изучения основ цифровой обработки сигналов.

Таким образом, используя ZETLab можно получить гибкую и масштабируемую РСУ с минимальными затратами. ZETLab используется как система сбора и обработки данных от устройств, подключенных к ПК (анализаторы спектра, платы АЦП/ЦАП, мультиметры), и как система управления. За счет использования коммутации базовой станции и АРМ по средствам промышленной сети Ethernet возможно подключение системы не только к локальной сети, но и интеграция с глобальной сетью Internet, и при необходимости наблюдение за работой системы удаленно. А используя Wi-Fi концентраторы можно создать беспроводное соединение с устройствами в случае невозможности или при неудобстве организации проводной линии связи с измерителем. Испытательные стенды, по функциональности аналогичные разработке, описанной в статье, и созданные на базе АПК ZETLab, успешно функционируют во многих крупнейших учебных и научно-исследовательских институтах, например, во Всероссийском научно-исследовательском институте физических и радиотехнических измерений, Институте космических исследований РАН, Научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта, Московском государственном университете путей сообщения и других, а также на многих предприятиях военно-промышленного комплекса и стратегического назначения.

В любой части настоящего сайта могут иметься неточности и технические ошибки. В содержание могут периодически вноситься изменения и/или поправки.

Россия, Москва, Зеленоград, проезд 4922 (Озерная аллея), дом 4 стр. 5. Схема проезда.
Тел./Факс: +7(495)739-39-19 (многоканальный); E-mail: info@zetlab.ru, sale@zetlab.ru.
GPS координаты: долгота 37°13′14.57″E (37.220713) широта 55°59′1.3″N (55.983695)