Виртуални и разпределени измервателни системи

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2015

Виртуални и разпределени измервателни системи

Hастолните електронни уреди са мощни, но скъпи и предназначени да изпълняват една или повече функционални, специфични задачи, определени и заложени от производителя. В общия случай потребителят няма възможност да разшири функциите им или да ги пригоди към нуждите си.

Бутоните и ключовете по тях са вградени схеми и съответно функциите, достъпни за потребителя са специфични. Понякога и специфичните технологии и скъпите елементи, използвани при конструирането на уредите, ги правят с висока цена и слабо приети от пазара.

Бързото развитие на компютърните технологии през последните двадесет години доведе след себе си разработването на нови принципи, методи и технологии за измерване и автоматизация на процеси и обекти. Резултат от това развитие е концепцията за виртуалните инструменти.

Виртуалният инструмент е съставен от стандартен, индустриален компютър или работна станция, снабдена с подходящо програмно осигуряване (софтуер), ефикасна апаратна част (в последните години бързо навлиза използването на т. нар. plug-in хардуер) и драйверни програми. Всички тези компоненти изпълняват функциите на традиционните инструменти.

В днешно време виртуалните инструменти са широко приети от индустрията концептуално и все повече биват имплементирани в реалния производствен процес - разработват се нови приложения, подобрява се качеството на продуктите и се понижава цената им.

Виртуалните инструменти представляват фундаментално изместване от традиционните хардуерни уреди и системи към софтуерни такива, които използват предимствата на компютърните технологии за производителност, визуализация, връзка с външна среда и обекти, при това изпълнението може да се извършва върху стандартен десктоп компютър, работна станция или лаптоп.

И макар че компютърните и цифрови технологии в хардуерен аспект (подобряване на компютърните конфигурации, производство на по-високо ефективни интегрални схеми и т. н.) претърпяват значителен прогрес в последните две десетилетия, софтуерът е този, който прави възможно създаването на виртуални инструменти.

Концепцията за виртуалните инструменти
Обикновено производителите на уреди вграждат специфични функции на дадена архитектура и фиксирани интерфейсни връзки на измервателните инструменти. По този начин се ограничава приложимостта на тези устройства. На практика, времето, необходимо за извършване на измервателна процедура и запис, анализ на данните и генериране на резултат, е голямо.

Появата на микропроцесорите в измервателната техника доведе до бързо модифициране на технологията на измервателните уреди и много скоро се появиха компютърно базираните измервателни технологии.

Според концептуалния модел всеки потребител управлява системата, която се намира върху конкретна машина (компютър). Структурата на управление е единична и е формирана от комбинация между потребител и програма, която управлява няколко уреда, свързани чрез интерфейсна шина.

Измервателната част на модела има три елемента – събиране на измервателни данни или сигнали, обработка и анализ на измервателна информация и представяне на резултатите. Концепцията за виртуалните инструменти е често използвана практика в някои индустриални измервателни процеси, но не винаги се отнася в този смисъл.

Според някои разбирания виртуалните инструменти са компютърно базирани и представляват система за съхранение, обработка и представяне на измервателна информация. Според други виртуалният инструмент е компютър, оборудван с различни програми и софтуер, включително и драйвери за различни периферии, аналогово-цифрови преобразуватели и цифрово-аналогови преобразуватели, представляващи алтернатива на скъпото конвенционално оборудване. Нито едно от двете твърдения не е грешно.

Събирането на данни чрез компютър може да бъде направено по различни начини и поради това разбирането на архитектурата на измервателния уред е важно.

Виртуалният инструмент може да бъде определен като интеграция на сензори (повече за виртуалните сензори може да прочетете в бр. 1/2015 на сп. Инженеринг ревю) чрез PC, оборудван със специфичен хардуер за събиране на данни и софтуер, които позволяват добиване на измервателни данни, тяхната обработка и представяне. Виртуалният инструмент заменя традиционния, използвайки т. нар. лицев панел, който е върху монитора на компютъра. Лицевият панел е интерактивен.

Индустриалните приложения обаче изискват високи скорости, големи дистанции и мултиплатформеност по отношение на връзката с различни други устройства от различни производители – всичко това на база отворен индустриален мрежов протокол.

Предизвикателството пред виртуалните инструменти е да задоволят тези изисквания.
Производителят на виртуален инструмент може да използва серийна комуникация, базирана на RS 232 стандарт или паралелна, базирана на GPIB (познат още като HP-IB, IEEE 488.1-2 или IEC 625.1-2), компютърна шина или VXI.

Основните категории виртуални инструменти са:
А. Графичен лицев панел върху компютърния монитор, с който се управляват модули и инструменти. При това може да има няколко разновидности – управляваният модул е тип plug-in DAQ карта, управляваният уред използва GPIB или сериен порт или VXI платка.
Б. Графичен лицев панел без използване на никакви физически инструменти, свързани с компютър. Вместо това компютърът събира и анализира данните от файлове или други компютри в неговата мрежа, или изчислява данните чрез използване на математически модели, симулирайки процеси или събития.

Когато се осъществява връзка с компютър, както е в случая, описан в подточка А, се свързват сензори, GPIB или серийни инструменти, както и VXI инструменти.

Тази структура е резултат от международна стандартизация, позволяваща повече свобода при използването на инструменти от различни производители (типичен пример е появата на стандарта IEEE 488.2). Основните характеристики на виртуалните инструменти, описващи тяхната функционалност, са: повишаване на функционалността на традиционните инструменти чрез използване на компютър; отваряне на архитектурата на инструмента; широк обхват на признание и приемане на софтуерните разработки, свързани с виртуалния инструментариум.

Основни компоненти на виртуалните инструменти
Основните градивни единици на всички виртуални инструменти включват компютър, екран, специфичен софтуер, интерфейс (чрез който компютърът се свързва с хардуер) и инструментариум.

Компютър и екран – тези компоненти са сърцето на виртуалния инструмент. Важна особеност е компютърната конфигурация да посреща изискванията на софтуера.
Софтуер – ако компютърът е сърцето, то софтуерът е мозъкът на виртуалния инструмент. Той определя функционалността и персонализира виртуалната система. Най-общо софтуера се разделя на три нива – регистърно, драйверно и високо. Програмирането на регистърно ниво е най-трудно, докато това на високо е значително улеснено, особено след навлизането на графичните програмни езици и среди за програмиране.

Интерфейс – в индустрията най-широко разпространени в момента са четири вида интерфейси – серийният RS232, паралелният GPIB, PCI и VXI.
Инструментариум - трябва да се отбележи, че виртуалните инструменти не елиминират или заменят хардуерно определените уреди напълно. За да се извършат измервания в реална среда, винаги ще е необходим и хардуер, сензор, филтър и т. н.

Разпределени измервателни системи
Съвременна тенденция в свързаността на измервателните системи е разширяване на областта, покривана от тези системи в географски смисъл. Това поставя допълнително ограничение към използването на такива системи. В случаите на голямо предприятие една структурирана мрежова измервателна система може да бъде приспособена чрез мащабиране на приложението й към географски регион.

Географски разделен процес може да бъде управляван чрез компютърна мрежа, свързана в разпределена измервателна система. В този случай комуникационните закъснения не могат да бъдат пренебрегнати. Това е така, защото трафикът в компютърната мрежа не е пренебрежим поради броя на свързаните машини и големината на комуникационния поток.

Още в по-голяма степен това важи, когато публична мрежа се използва за връзка между измервателни единици. Напоследък LAN мрежите се считат за вид измервателна шина от гледна точка на измервателната техника и системите за управление.

В последното десетилетие повишаването на скоростта и надеждността на комуникационните мрежи позволява лесна размяна на информация и команди между компютри, свързани в локална или широка (LAN или WAN) мрежа, каквато е интернет. По този начин и чрез използване на програмируеми инструменти се развиват измервателните лаборатории, географски разпределени и едновременно достъпни за няколко потребители, намиращи се в различни точки по света.

Обикновено интернет-базиран софтуер се използва за осигуряване на миграция на данни по различни комуникационни пътища. Мултикомпютърните изчислителни системи са ефективни в изграждането на сложни системи като се преодоляват ограниченията, определени от ресурса на една машина или възможния брой сигнали, които могат да бъдат събрани и обработени.

За изграждане на мрежовата структура се използват TCP/IP протоколи, Етернет технология и/или DаtaSocket. DаtaSocket е софтуерна технология за Windows, която прави споделянето на измервания в мрежа лесно все едно се записва информация във файл. Използва се URL адрес по същия начин, по който го използваме за отварянето на някоя интернет страница.

Тази технология е много добра, когато искаме пълно управление на разпределението на измервателни данни, но не сме запознати със спецификите на TCP/IP протоколите. Критична точка във всички разпределени измервателни системи е работата в реално време, която трябва да се има предвид при изграждането им, за да се осигури правилно функциониране на системата.

Чрез разпределена измервателна система измерванията могат да бъдат извършени дистанционно и данните да бъдат публикувани през Интернет. С еволюцията на хардуерните и софтуерните технологии тези системи стават все по-мощни. На съвременните системи са присъщи потребителски приложения, чрез които потребителите могат да управляват измервателните процеси през интернет, да разполагат с достъп до събраните данни за обработка и анализ на резултатите.

Технологията на виртуалните инструменти позволява изграждането на приложения за разпределени системи, които да бъдат достъпни отвсякъде през стандартен уеб браузър и да имат лесен и удобен за употреба интерфейс (лицев панел). Тези приложения имат един или повече измервателни възли, които са физически разделени от компютъра, който ги управлява и събира данните. Дистанционните измервания често изискват високоскоростен пренос на данни и предполагат свързването на няколко клиента към един измервателен процес.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top