Унифицированный стендовый комплекс

виртуальных измерительных приборов на базе аппаратно-программного комплекса ZETLAB и ZETVIEW

Ни для кого не секрет, что успех современного промышленного предприятия зависит от многих факторов: квалификации работающего персонала, объемов выпускаемой продукции, востребованности выпускаемой продукции на рынке, организации труда и т.д. Одним из таких факторов является уровень автоматизации технологических процессов на предприятии, выпускающем серийную продукцию.

В современной промышленности системы автоматического управления и контроля применяются практически везде, невозможно найти стадию производства, в которой нет необходимости автоматизировать тот или иной процесс. В области научных интересов людей, занимающихся разработками в области автоматизации на предприятии, имеет место множество объектов исследования, к каждому из которых требуется свой подход, например:

  • управление скоростью вращения электрических приводов;
  • точное позиционирование якоря шаговых двигателей с целью применения в точных системах автоматики;
  • регулирование температуры в рабочем помещении с целью поддержания определенного микроклимата;
  • контроль электрических параметров различных устройств автоматики и многое другое.

Если рассматривать в качестве примера электронную промышленность, то можно выделить одно из самых популярных направлений в области автоматизации предприятий такого типа. Этим направлением является создание и внедрение унифицированных стендовых комплексов виртуальных измерительных приборов (УСК ВИП). УСК ВИП реализуют на основе аппаратно-программных средств вычислительной техники функции применяемых в настоящее время контрольно-измерительных приборов для проведения контроля радиоэлектронных компонентов, сборочных элементов и единиц и собранных на их основе узлов. Стендовые комплексы обеспечивают полную автоматизацию контрольно-проверочных и измерительных операций на основных этапах производства изделий, автоматизированное формирование протоколов измерений в заданных форматах и их архивацию в электронном виде на машинных носителях информации.

Основная часть

Как правило, базовые универсальные стендовые комплексы виртуальных измерительных приборов создаются в двух модификациях: мобильного переносного комплекса и стационарного комплекса.

Можно выделить две основные составляющие: аппаратную часть и программную часть. Аппаратная часть универсального стендового комплекса виртуальных измерительных приборов состоит из:

  • промышленного персонального компьютера в комплекте с монитором и принтером для регистрации результатов измерений;
  • источника бесперебойного питания;
  • модулей с платами аналого-цифрового преобразования (АЦП), реализующими аналого-цифровое преобразование сигналов;
  • модулей с платами цифрового синтеза и генерации сигналов и цифро-аналогового преобразования (ЦАП) сигналов;
  • согласующего устройства.

Программная составляющая комплекса может варьироваться в достаточно широких пределах в зависимости от конкретной задачи, но в большинстве случаев представляет собой:

  • набор комплектных драйверов — программ управления модулями с платами аппаратной части;
  • прикладное программное обеспечение, реализующее виртуальный прибор со средствами визуализации регистрируемых сигналов, как в графическом, так и в табличном виде;
  • специализированное программное обеспечение, позволяющее создавать автоматизированные рабочие места операторов по наблюдению за состоянием технологического процесса и управления им;
  • базы данных эталонных и регистрируемых сигналов;
  • универсальное программное обеспечение, позволяющее производить арифметические и логические операции и фильтрацию сигналов, поступающих с блоков АЦП, из ранее записанных файлов;
  • программа самодиагностики при включении комплекса;
  • набор программ в режиме «Проверка»;
  • набор программ в режиме «Отладка»;
  • набор программ в режиме «Ремонт»;
  • редактор эталонных сигналов;
  • редактор входных сигналов;
  • редактор выходных сигналов.

Программная составляющая комплекса может варьироваться в достаточно широких пределах в зависимости от конкретной задачи, но в большинстве случаев представляет собой:

Состав аппаратно-программного комплекса определяется объектом измерений и задается исходными данными объектов измерений. Создаваемый УСК ВИП является модифицируемым комплексом, состав которого определяется необходимым для объекта измерения набором модулей с технологическими платами и соответствующим программным обеспечением.

Исходными данными для создания универсальных стендовых комплексов виртуальных измерительных приборов являются:

Изделия универсальных стендовых комплексов виртуальных измерительных приборов обеспечивают выполнение контрольно-проверочных операций в условиях заводской эксплуатации в помещениях цехов, лабораторий и др., а также в полевых (полигонных) условиях.

База данных эталонных и регистрируемых сигналов обеспечивают запись и хранение сигналов в удобной для пользователя форме, поиск по дате, обозначению сигнала и другим атрибутам. Комплекс запускается полностью при включении персонального компьютера. Программа самодиагностики запускается автоматически при включении комплекса и проверяет его на наличие необходимых связей блоков комплекса, включение питания на всех блоках и функционирование.

Набор программ в режиме «Проверка» обеспечивает полную проверку работоспособности проверяемого объекта в автоматическом режиме с выдачей на экран сообщения об исправности и выдачей протокола на принтер.

Набор программ в режиме «Отладка» обеспечивает покаскадную диагностику проверяемого объекта с возможностью выдачи на экран сигналов в графическом и табличном виде. Также обеспечивается отображение сигнала в контрольных точках и сравнение его с эталоном. Как правило, отображение сигнала происходит в реальном времени с подстройкой.

Набор программ в режиме «Ремонт» обеспечивает поиск неисправного элемента в режиме «ведомый щуп», то есть указывает оператору, в какую контрольную точку поставить щуп с отображением на экране топологии печатной платы с указанием самой контрольной точки. При установке щупа в указанную контрольную точку обеспечивается сравнение реального сигнала с эталонным.

Редактор эталонных сигналов имеет возможность корректировки эталонных сигналов администратором системы. Корректировка обеспечивает возможность формирования новых сигналов любой формы.

Редактор входных сигналов обеспечивает возможность изменять параметры сигналов, добавлять необходимые сигналы на указанные контакты, формировать сигналы, как в ручном режиме, так и путем ввода их в цифровом виде.

Редактор выходных документов обеспечивает возможность корректировки формата и содержимого выходных документов, создания новых форм и подключения их в тестовые программы.

Редакторы эталонных, входных сигналов и выходных документов имеют интерфейс с тестовыми программами для автоматической корректировкой исходной информации.

Унифицированные стендовые комплексы виртуальных измерительных приборов являются перспективными решениями в области автоматизации технологических процессов по контролю различных параметров устройств автоматики на предприятии, и соответственно, создаются на базе различных аппаратно-программных продуктов. Одним из таких решений являются типовые УСК ВИП, разработанные на базе устройств и программного обеспечения ZETLAB и ZETVIEW [1]. Схема аппаратной части такого типового стенда представлена на рисунке 1.


Рис. 1. Схема аппаратной части УСК ВИП

Из схемы видно, что аппаратная часть универсальных стендовых комплексов виртуальных измерительных приборов состоит из следующих функциональных единиц:

Программируемый источник питания

Программируемый источник питания предназначен для подачи напряжения питания на проверяемое изделие. Выбор источника питания основывается на его технических характеристиках и требованиях к питанию устройства, параметры которого измеряются. Как правило, эти требования указываются в технических условиях. Также важны и функциональные характеристики источника, которые предусматривают программирование источника через интерфейс RS-232 при подключении к компьютеру. Именно эта характеристика нашла свое применение в SCADA-системе ZETVIEW, где существует специальные компоненты, которые осуществляют управление реальным устройством, а, следовательно, такой подход очень удобен при автоматизации техпроцессов, в частности, для осуществления питания проверяемого устройства в УСК ВИП.

Анализатор спектра ZET 017-U8

Для измерения выходных параметров проверяемого изделия необходимо измерительное устройство с соответствующими метрологическими характеристиками, а также с возможностью взаимодействия со SCADA-системой ZETVIEW. В качестве такого устройства используется многофункциональный анализатор спектра ZET 017?U8, который предназначен для измерения параметров спектральных составляющих сигналов, корреляционной структуры сигналов, генерации электрических сигналов с нормированными параметрами. Подключение анализатора к персональному компьютеру осуществляется по шине USB 2.0 или по интерфейсу Ethernet. Кроме того, тип анализаторов спектра ZET 017 внесен в Государственный реестр средств измерений под № 39236-08.

При использовании виртуальных приборов на основе ZET 017-U8, входящих в SCADA-систему ZETVIEW, производится как измерение выходных сигналов усилителя с требуемой точностью, так и генерация управляющих сигналов, что освобождает от комплектования разрабатываемого комплекса отдельным устройством для генерации сигналов.

Таким образом, анализатор спектра ZET 017-U8 обеспечивает как формирование тестирующих сигналов, подаваемых на вход проверяемого изделия, так и анализ параметров сигналов, принимаемых с выхода проверяемого изделия.

Пульт контроля

Чтобы обеспечить создание режимов, требуемых для проверки изделия, необходим пульт контроля, который это будет выполнять. Пульт контроля типовых УСК ВИП выполняет различные функции:

  • подачу питающих напряжений от программируемого источника питания на изделие;
  • коммутацию входных и выходных цепей изделия, если это требует алгоритм его проверки;
  • подключение тестирующих сигналов с генератора (выхода анализатора спектра) на входы изделия;
  • подключение цепей изделия, подвергаемых проверке, на входные каналы анализатора спектра.
  • прием и преобразование телеметрической информации;
  • коммутацию нагрузки и т.д.

Исходя из этого, в состав пульта контроля может входить:

  • коммутационный блок ZET 453 — устройство, устанавливаемое на модуль АЦП-ЦАП ZET 210. Блок состоит из 16 сигнальных реле, управляемых цифровым выходом модуля. Управление осуществляется с помощью компонента ZETVIEW «Коммутационный блок». Модуль служит для создания автоматизированных стендов и рабочих мест.
  • модуль АЦП-ЦАП ZET 210, обеспечивающий работу коммутационного блока. ZET 210 имеет цифровой порт, выходы которого соответствуют стандарту TTL 3.3 В, чего вполне достаточно для переключения реле коммутационного блока.
  • модуль АЦП-ЦАП ZET 220 и ZET 230 для подачи на проверяемое изделие синхронного тестового воздействия, так как каждое из устройств имеет 4 выходных канала для генерации электрических сигналов с задаваемыми параметрами.
  • усилитель ZET 412, обеспечивающий гальваническую развязку цепей. Питание усилителей осуществляется от шины USB персонального компьютера или от внешнего источника питания +5 В, что делает их поистине универсальным средством при построении компьютерных систем измерений с использованием модулей АЦП и ЦАП.
  • устройство для приема телеметрической информации стандарта RS232, RS485 и др. для дальнейшего преобразования и передачи ее на персональный компьютер.
  • различные виды электрических нагрузок для максимальной схожести режима проверки изделия и режима его реальной работы в конечном изделии [3].

Компьютер (системный блок, клавиатура, мышь, монитор и принтер).

Из схемы видно, что компьютер в представленной системе выполняет все управляющие функции, а именно через компьютер осуществляется управление программируемым источником питания, анализатором спектра и пультом контроля. Через ЭВМ проходит весь поток оцифрованных данных с проверяемого усилителя, а также производится отображение результатов на мониторе и вывод на печать через принтер. Компьютер выбирается исходя из требований по работе на нем программного обеспечения ZETVIEW и ZETLAB.

Все узлы комплекса объединяются между собой соединительными кабелями в соответствии со структурной схемой соединений, представленной на рисунке 2.


Рисунок 2. Структурная схема УСК ВИП

Помимо аппаратной части, следует также рассмотреть и программную часть представленного стенда. Она выполняется в виде SCADA-проекта в среде ZETVIEW [2]. Функционально программу можно разделить на 3 страницы: «Главное меню», «Режим отладки», «Режим проверки».

При запуске проекта перед пользователем появляется окно «Главное меню», один из вариантов которой представлен на рисунке 3. В этом окне расположены кнопки перехода в режимы проверки и отладки изделия, а также вводится информация для формирования отчета после проверки изделия.


Рисунок 3. Окно «Главное меню»

Если перейти в режим отладки устройства, то перед оператором открывается окно «Режим отладки», один из вариантов которого представлен на рисунке 4. В данном окне отладчику устройства предоставляются максимальные возможности по ручному управлению УСК ВИП для создания различных режимов, а именно управление программируемым источником питания, коммутационными блоками пульта контроля и т.д. Используя пошаговые инструкции, отладчик может в максимально быстрые сроки выявить неисправность изделия и принять меры по ее устранению.


Рисунок 4. Окно «Режим отладки»

Если перейти в режим проверки устройства, то перед оператором открывается окно «Режим проверки», примерный вид которого представлен на рисунке 5. В этом окне осуществляется автоматическая проверка изделия на соответствие основным требованиям и характеристикам, взятым из технических условий. Каждый из заявленных параметров проверяется по отдельности, либо делается общая проверка изделия, по результатам которой выдается отчет в виде текстового документа.


Рисунок 5. Окно «Режим отладки»

Один из типовых унифицированных стендовых комплексов виртуальных измерительных приборов, который предназначен для проверок изделий, серийно выпускаемых электронной промышленностью, представлен на рисунке 6.


Рисунок 6. Общий вид типового УСК ВИП в сборе

Унифицированный стендовый комплекс виртуальных измерительных приборов представляет собой компактный стенд, который в масштабах крупного предприятия является выгодным решением при проведении технического контроля на соответствие заявленным требованиям.

Очевидны преимущества автоматизированного стенда перед ручной аппаратурой:

  • автоматическое задание режимов проверки;
  • наличие встроенных защитных функций при проверке устройства;
  • сокращение времени проверки устройства;
  • автоматическое формирование отчета о проверке;
  • удобное и наглядное представление результатов проверки.

Одним из главных критериев при разработке комплекса является разработка аппаратно-программного продукта, использование которого не должно вызывать затруднений у обычного пользователя, поскольку очевидна ориентация на модульность в построении системы, а также интуитивно понятный оператору интерфейс программной части.

Использование рассмотренных комплексов повышает производительность процессов технического контроля, а значит, является перспективным и предпочтительным при решении таких задач промышленности, как повышение производительности и снижение себестоимости контрольных операций.

Список литературы:

1) //zetlab.ru

2) Демкин В.И., Кабанова А.Б, Кононов В.Ю., Щагин А.В. Основы автоматизации техпроцессов — М.: Высшее образование, 2009 г.

3) Кестер У. Аналого-цифровое преобразование. Пер. с англ. Под ред. Е. Б. Володина — М.: Техносфера, 2007 г.