статья: Система управления гибкими исследовательскими и технологическими стендами “Лаборатория - 2D” v. 4

Инструментальная система “Лаборатория - 2D” – реальная альтернатива применению SCADA-систем при автоматизации стендов, измерительных систем и проч.
Система поддерживает плату L-1250 и может быть подключена к другим платам "Л Кард".

РКК "Энергия". с.н.с. Диденко Е.В. тел. (095) 513-61-08.

Программно-аппаратный комплекс “Лаборатория-2D” был впервые представлен журналом СТА в 1997 г. С тех пор, мы старались ежегодно знакомить читателей с новыми возможностями, реализованными в нем, при помощи наших заказчиков (СТА 4,98; МКА 4,99). Более четко определилась сфера приложений комплекса, соответственно менялись свойства встроенного языка программирования, состав библиотек, набор сервисных инструментов. Версия 4.0 концентрирует в себе опыт, полученный нами за эти годы. По предложению пользователей, открыты курсы подготовки, разработана технология передачи комплекса в аренду. Сегодня обобщенный образ нашего заказчика позволяет сказать, что “Лаборатория-2D” это:

• Системы управления гибкими автоматизированными стендами диагностики и настройки оборудования, машин и механизмов. Модернизация стендовой базы предприятия.
• Модальный анализ конструкций (система управления стендом, анализ и представление информации).
• Автоматизированные рабочие места регулировщиков электронного и электротехнического оборудования, инженеров ОТК, специалистов по анализу нештатных ситуаций и регистраторов аварийных событий..
• Многофункциональные переносные приборы диагностики распределенных систем, узлов и агрегатов постоянно действующих машин и механизмов.
• Приборы контроля состояния подшипников без демонтажа оборудования. Виброанализ, акустическая диагностика.

Продолжая делиться итогами, позволю себе высказать некоторые замечания в адрес разработчиков аппаратных средств инструментальных систем в свете популярного среди них тезиса “...покупателю не нужны комплексные решения, он хочет создавать их самостоятельно!”

Оставляя за скобками качество и наличие документации отмечу, что драйверы к картам сбора данных делаются так, как будто в природе существует лишь один ее тип, причем в единственном экземпляре. Разработчики вольно пользуются флагами разрешения/запрета прерываний, и считают, что контроллер DMA создан исключительно для обслуживания этой карты. Как следствие – ничего комплексного без полной переписки драйвера сделать нельзя. А каково покупателю, когда драйвер в DLL, а документации нет вовсе? Нам пришлось переписать все драйверы, ко всем импортным и отечественным картам приема/передачи данных, которые были интересны нашим заказчикам.

В процессе общения с покупателями мы обнаружили некоторое непонимание разницы между серьезной инструментальной системой и SCADA-системами обильно представленными на рынке России. Похоже, это следствие того, что рекламные картинки иллюстрирующие их возможности часто одинаковы. Причем это камешек в огород рекламодателей SCADA-систем. Их основное назначение – автоматизация производства программного обеспечения рабочих мест операторов АСУ ТП. Инструментальные системы решают задачи автоматизации производства приборов и стендов исследования, диагностики и метрологического контроля объектов различной природы и степени сложности.

Эти системы имеют разное назначение и, лучшие из них, очень редко пересекаются по составу библиотек и сервисных инструментов, а следовательно, не могут конкурировать друг с другом. Наоборот, предприятие, желающее самостоятельно решать задачи автоматизации технологических процессов, приобретая SCADA-систему, поступило бы правильно, приобретя и инструментальную систему. Действительно, нельзя построить управление, не зная свойств объекта управления и многих других компонентов серьезной АСУ ТП. В этом случае разработчики требуют исходные данные от заказчика, перекладывая на него всю ответственность за их достоверность, а следовательно, и качество АСУ ТП. К тому же, если работа ведется комплексно, заказчик должен требовать некоторый парк приборов регламентного контроля и диагностики АСУ в процессе эксплуатации. Я не думаю, что эту пару тезисов можно оспорить.

Здесь имеет смысл коротко напомнить читателю назначение и состав ПО “Лаборатория-2D”, как иллюстрацию изложенных выше замечаний.

• Управление компоновкой установленного состава аппаратных средств.
• Программирование эксперимента, подключение существующих виртуальных инструментов и создание новых, построение панелей ручного управления экспериментальной установкой.
• Операции редакции/конструирования массивов цифровых данных на этапах подготовки эксперимента и вторичной обработки его результатов, линейное и гладкое восполнение или разрядка массивов цифровых данных.
• Ведение базы данных результатов эксперимента.
• Визуализация результатов численного или натурного эксперимента, простая идентификация массивов данных и управление ими в процессе визуального исследования, операции выборки и наложения.
• Операции ввода/вывода в режиме вторичной обработки данных, совмещение с файлами других инструментальных средств, документирование результатов измерений или исследований, подключение сервисных режимов вторичной обработки данных.
• Операции поточечного анализа, спектрального анализа, фильтрации, оценки погрешностей и достоверности полученных результатов.

• Среда комплекса “Лаборатория - 2D”: обработчик событий, единый для комплекса любой конфигурации, картотека-система управления базой данных массивов информации, сплайны, для восполнения и разрядки массивов измерений, система управления слоями графических представлений, система поточечных и интервальных измерений, графическая лупа, режим печати графиков с редактором текстов сопровождения.
• Редактор/конструктор массивов данных
• Визуализатор погрешности
• Конфигуратор драйвера внешних устройств
• Картотека цифровых фильтров (синтез низкочастотных, высокочастотных, полосовых и режекторных фильтров Баттерворта и Чебышева с 1 по 100 порядок включительно, анализ импульсных, переходных амплитудночастотных, фазочастотных характеристик и группового времени, хранение, автоматическая установка в программы пользователя).
• Компилятор встроенного языка программирования
• Библиотеки функциональных объектов: функции аппаратных средств, элементов управления, индикации и представления данных, статистического анализа, спектрального анализа и фильтрации, типовых звеньев и передаточных функций
• Готовые виртуальные приборы созданные по открытой технологии

Представленный перечень программных компонентов находится в одном программном блоке и подчиняется единой системе управления информационными потоками, а не является набором изолированных приложений по типу "Virtual Bench" или "Microsoft Office" ограниченно объединенных внешней операционной системой.

Как видно, даже простой список состава программного обеспечения, наглядно показывает глубокую разницу между SCADA и инструментальными системами.

В чем же отличие комплекса “Лаборатория-2D” от других инструментальных систем? Фактически все инструментальные системы, присутствующие на рынке России представляют собой язык программирования инструментальных приложений, набор специализированных библиотек к ним и ряд простых готовых решений рекламного характера, без намека на единую системную увязку. С помощью такого продукта можно относительно легко создать СКЛАД готовых к применению приборов, продавать их, пользоваться ими поодиночке, но очень сложно, а часто невозможно, построить ЦЕЛЕВОЙ СТЕНД направленный на решение конкретной задачи пользователя, где каждый прибор связан с другими единой системой управления и доступа к информации, то есть:

Иное дело ПО “Лаборатория-2D”. Инфраструктура управления потоками данных является принадлежностью встроенной операционной системы. Она всегда готова, оптимизирована и существует в неизменном виде, а не формируется по данным пользовательской программы, которую еще нужно написать. Оператору не надо думать о том, как передать результаты из одного прибора в другой, решать задачи их совместимости, строить систему управления потоками данных. Каждый объект встроенного языка программирования знает, как взять исходную информацию и как передать результат потребителю, а наличие комплексной системы инструментов сервисного обслуживания позволяет утверждать, что предложен не просто язык построения инструментальных приложений с джентльменским набором библиотек, а готовая система сбора, представления и анализа данных, в которой пользователю дается значительная свобода в организации процессов выполнения этой задачи. Являясь, фактически, системным интегратором, комплекс поддерживает одновременную и независимую работу аппаратных средств различных фирм - производителей, что дает пользователю дополнительные возможности.

Кстати, разработчики аппаратных средств, мы не ставим перед собой задачу снабдить конфигуратор внешних устройств как можно большим объемом карт приема/передачи данных. Заказчик сам определяет интересные ему аппаратные средства, финансируя подключение и адаптацию не установленных драйверов. На сегодняшний день, мы фактически пришли к насыщению списка популярных устройств, т.е. заказчика устраивает то, что там есть. Основываясь на конкретной задаче, мы можем лишь рекомендовать ему те, или иные, решения. Если Вы заинтересованы в продвижении Ваших разработок, заказывайте их интеграцию в состав ПО “Лаборатория-2D”. Ибо рынок аппаратных средств значительно шире списка подключенных устройств. Однако Вы и без меня хорошо знаете, насколько похожи характеристики карт сбора данных от различных фирм – производителей. Остаются лишь колебания в цене, известность фирмы и инерция вкусов заказчика. Мы даем до 30% скидки на стоимость аппаратных средств подключенных к нашему комплексу за счет стоимости НАШЕГО программного обеспечения, что часто является определяющим фактором, формирующим выбор заказчика.

Рис. 1. Механический эквивалент электронного регулятора.

Проиллюстрируем ряд сильных утверждений системного характера предложенных выше на внешне простой задаче, с которой к нам пришел реальный заказчик.

Рассмотрим механический эквивалент некоторого электронного регулятора, продольный разрез которого схематично изображен на рис. 1. Устройство эквивалента очень похоже на электромеханический замок. Вдоль магнитной оси соленоида C, расположен подвижный сердечник P, так, что при подаче разности потенциалов на концы соленоида, сердечник сжимал бы возвратную пружину K. Положение сердечника отслеживается датчиком перемещения D, который, в свою очередь, определяет уровень напряжения на соленоиде: чем меньше сжата пружина, тем выше напряжение на соленоиде. Регулируя напряжение питания устройства U, мы можем устанавливать равновесное положение указателя датчика перемещения. Осциллограф S регистрирует уровень напряжения питания соленоида в процессе эксперимента.

Требуется определить логарифмический декремент затухания колебаний сердечника, в процессе установления положения равновесия, при резкой смене уровня напряжения питания U, которое задается ступенчатым сигналом с генератора G.

Для полноты картины, на рис. 2, представлена реальная осциллограма напряжения питания соленоида которая, по условию заказчика, является исходным материалом для решения задачи. Очевидно, что такие данные для прямых измерений не годятся. Требуется, на входе осциллографа, установить полосовой фильтр, параметры которого пока неизвестны, или произвести вторичную обработку полученных осциллограмм с целью выделения колебаний сердечника в период установления равновесного положения. В любом случае Ваш стенд должен обладать необходимыми инструментами для выполнения этой или подобной задачи, т.е. иметь не только приборы способные выполнить такую работу, но и обеспечить для них взаимную доступность входной/выходной информации! В этом и заключается разница между комплексным стендом и тем, что заинтересованный читатель может увидеть на рынке инструментальных систем. Данный пример, мы считаем типовым, поскольку задача выделения достоверной информации стоит перед каждым исследователем, испытателем или регулировщиком оборудования, независимо от той области науки или техники, в которой он работает, будь то физик, фотометрист, прочнист или электронщик. Этот пример хорош, так же тем, что не требует от комплекса какой-либо экзотики, а лишь продуманного системного решения, хотя и по части экзотики, у нас много интересных возможностей.

Рис. 2. Осциллограмма уровня напряжения на соленоиде.

Прежде чем читать эту статью дальше, подумайте, хватило бы Вам месяца для того, чтобы справиться с этой, простой на первый взгляд, задачей. Нашему заказчику не хватило, что, в общем то, не удивительно. Демонстрируя возможности комплекса "Лаборатория-2D", мы решим ее в реальном времени и в режиме вторичной обработки сигнала. Каждый из вариантов решения занимает не более 15 минут времени.

Для работы в режиме вторичной обработки сигнала, нам понадобится встроенный спектроанализатор и встроенный эквалайзер. Для организации работы в реальном времени - встроенный спектроанализатор, встроенная картотека цифровых фильтров, и открытая штатная программа осциллографа, которая поставляется в составе ПО комплекса. Коротко напомню читателю, что же это такое, используя кадры, иллюстрирующие решение предложенной задачи.

Анализатор спектра для вторичной обработки массивов данных. Число гармоник от 0 до 4096, частотный диапазон неограничен. Шаг разбиения аргумента входного сигнала произвольный. Анализатор позволяет получить амплитуды и частоты гармоник массива входного сигнала, а так же его коэффициенты Фурье, и выдает перечисленные характеристики для любого участка зависимости изображенной на экране главной панели комплекса. Для чего пользователю достаточно просто нажать кнопку пуска этой операции.

На рис. 3, изображен участок спектра сигнала полученного с помощью виртуального осциллографа (рис. 2), входящего в состав комплекса. Фрагмент выделен встроенной лупой. Диапазон спектра между маркером и курсором соответствует упругим колебаниям сердечника. Пик справа от него - сетевая наводка 50 Гц. Оставшаяся часть спектра соответствует переходным процессам и форме напряжения питания. Табличка в верхней части окна режима интервальных измерений выдает координаты положения курсора и маркера, а так же, покоординатные расстояния между ними. В нашем случае, их частотные координаты, соответствуют границам полосы пропускания искомого фильтра, а именно [ 33.9...47.9 ] Гц.

Рис. 3. Фрагмент спектра сигнала (рис. 2), выделенный с помощью лупы, в режиме поточечных и интервальных измерений.

Картотека цифровых фильтров предназначена для решения задач синтеза цифровых фильтров, ведения их базы данных, автоматической установки фильтров в программы пользователя, полного анализа характеристик выбранного фильтра, выдачи на печать его параметров для внешнего использования. Список фильтров определяется установкой пары флагов: типа фильтра и его характеристики (рис. 4). Разрешены низкочастотные, высокочастотные, полосовые, и режекторные типы фильтров с характеристиками Баттерворта, Чебышева (прямые и инверсные). По этим данным осуществляется поиск фильтров в базе данных пользователя и вывод их параметров на панель управления. Из соображений разумности, порядок фильтров ограничен цифрой 100. Граничные частоты определяются частотой дискретизации входного сигнала. Ее изменение автоматически сопровождается корректировкой граничных частот на панели управления картотекой. Синтез фильтров осуществляется с помощью редактора, где пользователь указывает параметры полосы пропускания и полосы задержания фильтра установленного типа. По этим данным вычисляется его порядок и коэффициенты. Полученный фильтр будет гарантированно устойчивым! Запись фильтра в программу производится по команде пользователя. В этом случае фильтр получает уникальное для данной программы имя и может быть использован с помощью директивы FltFunc имеющейся в библиотеке функций спектрального анализа и фильтрации. В одну программу может быть записано произвольное количество фильтров любых разрешенных типов, порядка и характеристик. По команде может быть произведен анализ выбранного фильтра, т.е. расчет его амплитудночастотной, фазочастотной, импульсной и переходной характеристик, а также группового времени замедления, в любой комбинации на выбор пользователя. Графики полученных данных могут быть рассмотрены, проанализированы и задокументированы при поддержке всех средств комплекса "Лаборатория-2D".

Рис. 4. Панель управления картотекой ЦФ, курсор установлен на параметрах искомого полосового фильтра.

Для синтеза необходимого нам полосового фильтра воспользуемся редактором картотеки. Зададим: характеристику Баттерворта, левую полосу задержания фильтра [0...31] Гц, правую полосу задержания [49..1000] Гц, полосу пропускания [34...46] Гц, потери в полосе пропускания не более 0.1 дБ, гарантированное затухание в полосе задержания не менее 50 дБ. По завершении ввода этих данных, картотека установит расчетный порядок синтезированного фильтра, в данном случае 44. Для контроля, нажав кнопку "Анализ" и установив необходимые флаги, потребуем выдать АЧХ и ГВЗ полученного фильтра.

На рис. 5, изображена АЧХ. Ее параметры с высокой степенью точности совпадают с тем, что мы заложили в редакторе картотеки фильтров. На рис. 6 изображен график ГВЗ нашего фильтра в режиме поточечных и интервальных измерений. Белая линия на экране указывает среднее значение группового времени замедления, величина которого дана в окошке M(y,x), в нашем случае 0.09 сек, что должно соответствовать запаздыванию результата фильтрации широкополосного сигнала. Прошу не путать со временем счета, такие же результаты дал бы и аналоговый фильтр!

Рис. 5. АЧХ искомого полосового фильтра.

Рис. 6. ГВЗ искомого полосового фильтра.

Эквалайзер. Режим вторичной обработки данных. Шаг разбиения аргумента входного сигнала произвольный. Число управляемых гармоник спектра от 2 до 128, частотный диапазон неограничен. Пользователь может произвести подавление или усиление любой гармоники или поддиапазона гармоник спектра исходного сигнала. Для этого требуется курсором мыши указать интересующий Вас диапазон и, удерживая соответствующую кнопку, произвести его гладкое подавление или усиление. Результат коррекции немедленно отображается в виде графика результирующего сигнала. Такая обратная связь позволяет легко добиваться необходимого качества обработки входных данных. Режим не меняет массивы аргумента и входного сигнала. По завершении, в картотеку массивов данных, добавляется выходной массив. На рис. 7, изображен результат отсечки спектральных составляющих исходной осциллограммы не входящих в диапазон упругих колебаний сердечника (верхнее окно, желтая осциллограмма).

Рис. 7. Фильтрация сигнала (рис. 2) средствами эквалайзера.

Итак, познакомившись с необходимыми приборами, установим последовательность действий необходимых для выполнения поставленной задачи.

Независимо от способа ее решения, нам нужно выбрать карту сбора данных и организовать работу стенда (рис. 1). Заказчик потребовал, чтобы продолжительность эксперимента составляла 2 секунды, а частотный анализ охватывал бы диапазон не менее 200 Гц. Указанные требования позволяют выбрать что ни будь старенькое, дешевенькое, что есть у многих, скажем любую карту серии L-1250 от L-card, или Ла-3, Ла-4 от Центра АЦП. Любая из них, хотя и разными способами, позволяет выполнить синхронный с пуском генератора ввод данных. Организация синхронного однократного ввода целиком ложится на виртуальный осциллограф, который с одинаковым успехом функционирует с любой из этих карт. Я не буду описывать работу с этим прибором, поскольку единственное отличие нашего варианта от тех, которые предлагают другие разработчики, заключается в том, что данные полученные им, доступны любой другой подсистеме комплекса, без каких либо дополнительных действий со стороны пользователя.

Эксперимент завершен, осциллограмма на экране. Одним движением мыши мы сбрасываем осциллограф и выходим в картотеку массивов данных рис. 8), где указываем объект, с которым мы хотели бы дальше работать - нашу осциллограмму. После этого, она является одним из элементов подключенных к любой подсистеме комплекса, изображается на его главной панели в определенном для нее слое, а ее значок появляется в распределенной системе управления данными. Всего же, с помощью картотеки, можно одновременно указать до 750 объектов, которые в дальнейшем исследовать из главной панели "лаборатории" используя различные приборы вторичной обработки информации.

Рис. 8. Картотека массивов данных после эксперимента.

Возвращаясь к нашей задаче, напомним, что нам требуется найти границы частотной области упругих колебаний сердечника. Для этого, проведем спектральный анализ полученного массива данных. Используя лупу, визуально найдем частотную область колебаний. Включив режим интервальных измерений, установим на ее границах маркер и курсор, что автоматически даст нам количественные параметры этой области. Указанная последовательность операций требует от пользователя нажатия трех кнопок на главной панели и краткосрочной работе с мышью при визуальном исследовании. Результат представлен на рис. 3. Здесь нами определены параметры полосового фильтра.

Завершая режим вторичной обработки информации, передадим осциллограмму в эквалайзер и отсечем лишние участки спектра (рис. 7), получив исходный материал для расчета логарифмического декремента затухания колебаний сердечника.

Для работы в режиме реального времени, перейдем из главной панели в редактор текстов программ, где находится картотека фильтров, построим полосовой фильтр (рис. 4,5,6) и командой, установим его в текст программы осциллографа. От руки, в том месте где требуется произвести фильтрацию, введем директиву ее выполнения, указав имя фильтра и имена рабочих массивов. При запуске, осциллограф будет показывать не измерения карты сбора данных, а результат фильтрации или то и другое, по желанию пользователя. Программу можно усложнить, подключив несколько фильтров и систему управления ими.

На рис. 9, показана разница между результатом фильтрации эквалайзером, и полосовым фильтром. Синяя полоса в центре - участок осциллограммы не фильтрованного сигнала (рис. 2). Положение результатов фильтрации относительно нее, убедительно показывает, что спектральная коррекция, в отличие от методов частотной фильтрации, не вносит фазовых искажений. Область выделена лупой и передана в режим интервальных измерений. Маркер и курсор установлены на соответствующих пиках разных алгоритмов фильтрации. Табличка в верхней части окна режима выдает координаты положения курсора и маркера, а так же, покоординатные расстояния между ними. В нашем случае, разность их положения на оси времени равна 0.1 сек, что соответствует ранее сделанному прогнозу по ГВЗ (рис. 6).

Рис. 9. Наложение результатов фильтрации, для измерения времени запаздывания полосового фильтра.

Дальше все просто и одинаково. Маркер и курсор установим на соседние пики любой осциллограммы результатов фильтрации, и передадим их координаты в калькулятор, для вычисления логарифмического декремента затухания колебаний сердечника соленоида. Его величина в обоих случаях равна 0.34.

1. в процессе работы, мы не разу не вспомнили о требованиях численных метолов, размере массивов входной/выходной информации, форматах представления данных для разных приборов. Нам не понадобилось эти приборы делать;
2. мы не задумывались над тем, каким образом указать приборам стенда где взять входную информацию и куда деть выходную;
3. нам не понадобилось делать систему управления, которая взяла бы на себя ответственность за трансляцию наших решений по п. п. 1,2;
4. мы ничего не сказали, но тем не менее выполнили, задачу контроля циклограммы проведения эксперимента.

Без излишней детализации, это тот перечень вопросов, на который приходится отвечать, в процессе производства самых простых реальных стендовых решений. Ответить на него в общем виде, значит построить обобщенное системное решение для гибких стендов широкого спектра назначения. Что мы сделали и наглядно показали.

Теперь, несколько слов об идее возникновения серии ПО четвертой версии. Мы нашли способ, предоставить такую же гибкость пользовательским решениям в рамках комплекса "Лаборатория-2D". Поясню. Предположим, пользователя не устраивает наш набор виртуальных приборов и сервисных решений. Необходимо дать ему возможность восполнить пробел. Для этого, мы предлагаем мощнейший инструмент - наш компилятор, преобразованный в объект и установленный в библиотеку стандартных процедур комплекса. С помощью такого объекта можно написать управляющую программу, вызывающую другие пользовательские программы, что дает возможность создавать не только виртуальные приборы и панели управления экспериментом, но и произвольные их комбинации с собственной системой управления. В отличие от Windows, мы даем пользователю право самому определять степень пересечения памяти различных приложений, нарушая незыблемые каноны разработчиков ОС. Комбинация возможностей такого объекта настолько широка, что нам самим не ясны границы его применения. Серия ПО четвертой версии должна их определить.

Приложение:
Стенд для отработки алгоритмов управления приводами автоматики ЖРД с оценкой их точностных и скоростных характеристик.

Стенд позволяет имитировать временные характеристики бортовой вычислительной машины, на которой реализована система управления приводом, и определять:

• характеристики выбега вала привода при отключении питания и в режиме динамического торможения;
• осциллограммы токов потребляемых электродвигателями привода;
• осциллограммы углов положения вала привода и, при необходимости, его программной траектории следования;
• осциллограмму скорости движения вала привода;
• осциллограмму сигналов управления приводом;
• точность следования программной траектории вала привода;
• АЧХ привода в контуре управления.

При этом, устанавливать любые углы начального и конечного положения вала, и трубку точности датчиков в контуре управления приводом.

Рис. 10. Панель стенда.

Для измерения скорости движения вала в программу реализации стенда включен цифровой фильтр Баттерворта низкой частоты десятого порядка.

На панель стенда (рис. 10) выведены три экрана, на которых можно в реальном времени видеть осциллограммы перечисленных выше параметров, кнопки переключения режимов системы управления приводом, ручки установки начального и конечного угла вала привода и трубки точности датчика угла. Все сигналы сохраняются для их использования в режимах вторичной обработки и документирования полученных результатов. На рис.1 приведен пример исследования алгоритмов управления электроприводом дросселя 6Д110 двигателя 11Д122А.

Стенд построен из стандартного электронного оборудования различных фирм производителей, и объединен в единый комплекс средствами ПО “Лаборатория-2D”.

Программа реализации стенда написана с помощью встроенного языка программирования студентом четвертого курса МАИ в рамках его курсового проекта.