ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Усложнение современных объектов исследований, рост числа и диапазонов измеряемых параметров, повышение требований к точности измерений и их быстродействию (при ограниченных возможностях оператора в восприятии и обработке больших объемов информации) приводят к необходимости автоматизации измерений и, следовательно, к снижению загруженности и роли оператора в процессе измерений.

В частности, для контроля параметров различных объектов широко применяются системы автоматического контроля (САК). В САК контролируется большое количество величин или (и) выполняется значительная обработка информации, необходимая для выдачи количественного суждения о состоянии объектов контроля [1].

В последние годы сформировалось новое направление в метрологии и информационно-измерительной технике – компьютерно-измерительные системы и их одно из наиболее перспективных направлений в развитии – виртуальные приборы. В настоящее время во многих измерительных системах применяются персональные компьютеры. Это прежде всего связано с тем, что компьютер делает измерительную систему исключительно гибкой, так как пользователь может легко изменить его программное обеспечение. Компьютерно-измерительные системы объединяют средства измерений, обработки, вычислений и управления на собственной шине персонального компьютера. Применение персонального компьютера на любом этапе научной работы дает огромный выигрыш в точности, эффективности и скорости [2].

Понятие виртуальные приборы (Virtual Instruments) появилось на стыке информационно-измерительной и компьютерной техники. Сам термин “виртуальные приборы” принадлежит американской фирме National Instruments. Виртуальный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы [3].

Появление измерительных информационных приборов и систем с применением виртуальных технологий связано:

с широким распространением персональных компьютеров, имеющих высокое быстродействие, большие объемы памяти, практически неограниченные графические возможности, позволяющие создать функционирующие в реальном масштабе времени виртуальные измерительные устройства, которые с высокой степенью подобия воспроизводят поведение тех или иных физических приборов и систем;

с созданием автоматизированных информационно-измерительных систем различного назначения;

с возможностью реализации в компактной форме приборов и модулей;

с появлением измерительного программирования, под которым понимается программирование для информационно-измерительной техники, позволяющее ей проводить измерение, контроль, диагностирование или распознавание образов, включая функции сбора, передачи, обработки, представления информации и управления измерительным экспериментом.

Приборы, и традиционные, и виртуальные, выполняют одинаковые функции. Они обеспечивают ввод/вывод, анализ данных и визуализацию результатов. Главное различие между виртуальными и традиционными приборами в гибкости подходов к построению систем. Функциональные возможности хорошо знакомых традиционных измерительных приборов заданы их производителем, и изменить эти функции достаточно проблематично. А так как никакой производитель не в состоянии охватить все многообразие реальных задач, это в значительной степени затрудняет подбор оптимального комплекта оборудования с требуемыми параметрами и его настройку. Виртуальный прибор снимает это ограничение. Основой стали открытые, а значит, доступные всем разработчикам и производителям стандарты на универсальное оборудование, что позволяет выбирать лучшие из существующих на рынке решений и компоновать из них специализированные системы. За пользователем выбор компьютерной платформы, аппаратных и программных средств, аксессуаров, максимально удовлетворяющих требованиям задачи.

Виртуальные приборы – это реализация функций измерительных приборов и средств контроля программными средствами. Данный подход дает возможность заменить дорогостоящее оборудование традиционных реальных приборов (осциллографы, вольтметры, анализаторы спектра и пр.) более дешевым, компактным и гибким, позволяющим “сконструировать” программный (виртуальный) аналог измерительного прибора на базе персонального компьютера, оснащенного платами сбора данных и другим необходимым оборудованием, а также графическим интерфейсом программного обеспечения. Причем на одном персональном компьютере могут быть одновременно воспроизведены сразу несколько реальных приборов, для этого достаточно только поменять программное обеспечение.

Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама панель с виртуальными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного измерительного прибора, такая виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям эксперимента.

Технология виртуальных приборов позволила объединить в единой системе с помощью различных интерфейсов разные приборы и задавать их совместное функционирование в единой программной среде.

При выборе оборудования для создания виртуальных приборов можно выделить из целого ряда фирм, производящих такое оборудование, корпорацию National Instruments. Вот уже почти 20 лет продукция фирмы с успехом используется во всем мире. National Instruments предлагает различные аппаратные средства для построения систем автоматизации измерения, контроля и диагностики. Кроме того, National Instruments разработал всемирноизвестное программное обеспечение LabVIEW, которое позволяет инженерам легко и быстро писать программы и эффективно осуществлять интеграцию программной части системы с аппаратной частью разного профиля.

Пакет LabVIEW – графическая альтернатива обычному программированию – предназначен для создания измерительных систем и представляет программные средства, которые требуются для при работе в области мониторинга, испытаний и измерений. С помощью LabVIEW можно создавать графические программы – виртуальные приборы вместо написания традиционных программ.

Программы в LabVIEW именуются виртуальными приборами, так как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы здесь играют ту же роль, что и функции в обычных языках программирования, и представляют собой совокупность следующих элементов:

интерактивного интерфейса с пользователем, называемого лицевой панелью, содержащей органы управления и индикаторы, которые управляются с помощью мыши или клавиатуры;

блок-схемы, конструируемой на графическом языке и являющейся исходным кодом для виртуального прибора;

условного графического символа (пиктограммы), обозначающего виртуальный прибор, и интерфейса с другими виртуальными приборами (соединителя), который выполняет ту же роль, что и список параметров функции или программы в обычных языках программирования.

Замена текстового представления программы графическим делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выражает смысл информации в более компактных единицах – именно это является главным преимуществом системы графического программирования LabVIEW.

Как уже отмечалось, именно программное обеспечение, а не аппаратура, определяет функционирование измерительного устройства, то есть все необходимые функции контроля САК выполняются программно в среде LabVIEW. LabVIEW имеет большое количество различных виртуальных приборов, реализующих основные операции автоматического контроля: прием (сбор) входных контролируемых величин, задание норм (уставок), сравнение входных контролируемых величин с заданными уставками, индикация отклонений текущих значений контролируемых величин за уставки, выдача количественных суждений о состоянии объекта контроля.

Подводя итог, можно предположить, что многие метрологические, измерительные и исследовательские задачи будут в XXI в. решаться с помощью виртуальных приборов

Е.М.Антонюк, М.Г. Шарков

Литература