Обзор последних достижений в области автоматизации измерений

Введение

В данной статье рассмотрены возможности применения компьютерных технологий при решении задач измерения, мониторинга, анализа сигналов, а также управления технологическими процессами. Использование средств компьютерной автоматизации существенно облегчает и предоставляет большие возможности для решения измерительных задач и задач управления процессами.

Применение компьютерных технологий в современных системах измерения, мониторинга или управления технологическими процессами уже стало нормой жизни. Трудно себе представить мощный измерительный комплекс без компьютерного оснащения.

Современные технологии позволяют создавать многофункциональные измерительные комплексы на базе персональных компьютеров и дополнительных устройств ввода-вывода сигналов: плат аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового преобразования (ЦАП).

Большинство задач испытаний, измерений и/или исследований можно представить в виде последовательности логических действий: накопление - обработка - представление результатов (рисунок 1).

Рисунок1

В данной статье будут рассмотрены две фирмы производители программных и аппаратных средств для автоматизации измерений. Это Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ и National Instruments.

1. ZET и ZETLab-Studio

Предприятие "Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ" основано в 1992 году на базе СКБ ФГУП ВНИИФТРИ.

Основные направления деятельности предприятия:

проектирование и изготовление устройств ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов и устройств цифровой обработки сигналов;
разработка программного обеспечения для виброакустического анализа, контроля и мониторинга в промышленности и лабораторных исследованиях, в машиностроительной и нефтеперерабатывающей отраслях, в метрологических службах;
проведение испытаний на соответствие Санитарным нормам допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях (МСанПиН 001-96);
разработка программного обеспечения для цифровой обработки сигналов;
консультирование, обучение и техническая поддержка заказчиков на всех этапах нашего сотрудничества.
Предприятие "Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ" производит десятки различных модулей и устройств, на основе которых создаются системы сбора и обработки информации. Блочно-модульный принцип построения систем позволяет формировать различные программно-аппаратные комплексы, расширять возможности систем путем добавления новых модулей и улучшать технические характеристики оборудования за счет замены отдельных элементов. Гибкость модульных систем дает возможность получить именно ту функциональность, которая требуется для выполнения поставленной задачи.

На предприятии накоплен большой опыт разработки алгоритмов цифровой обработки сигналов, в том числе и для сигнальных процессоров. Созданное специалистами ЗАО "ЗЭТ" программное обеспечение позволяет пользователю одновременно анализировать различные характеристики сигналов: узкополосные, долеоктавные (в соответствии со стандартами ANSI и IEC), взаимные спектры (узкполосные, долеоктавные), спектрограммы, корреляционные функции, кепстры и т.д. Написаны пакеты программ для проведения различных видов виброакустических испытаний на вибростендах и ударных установках, поверки вибродатчиков и микрофонов, оценки метрологических характеристик. Результаты обработки сигналов сохраняются в удобном для пользователя виде.
Наши отношения с клиентами строятся на тесном взаимодействии, позволяющем оптимизировать затраты на поставляемые изделия и программное обеспечение. Индивидуальный подход к каждому клиенту делает возможным изготовление систем, максимально удовлетворяющих техническим требованиям заказчиков.

Высокие технические характеристики изделий и соответствующий им уровень профессионализма коллектива ЗАО "ЗЭТ" уже по достоинству оценили ведущие предприятия Российской Федерации в различных отраслях. Они находят применение в задачах, требующих высокую производительность и максимальную надежность. Постоянное изучение рынка современных технологий позволяет поддерживать самый высокий уровень разработок.

Гибкая ценовая политика позволяет сократить время и расходы заказчика при создании многофункциональных измерительных систем, полностью удовлетворяющих его требованиям. Мы предлагаем нашим клиентам как отдельные модули, так и законченные комплексные решения, включая доставку, установку и обучение персонала заказчика.

2.1 Области применения продукции:

Автомобильная промышленность;
Авиакосмическая промышленность;
Шум и вибрация на рынке производства бытовых приборов;
Энергетика;
Производственные шум и вибрация;
Акустический, виброакустический анализ, шумо- и тензометрия;
Контроль и диагностика стендов и деталей машин;
Непрерывный мониторинг состояния механизмов;
Автоматизированные системы управления технологическими процессами;
Области, где требуются многоканальные измерения с высоким динамическим диапазоном и малым уровнем собственных шумов.
Изделия, производимые ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ", проходят сертификацию с целью внесения в Госреестр средств измерений и утверждения типа.

Предприятие <Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ> предлагает средства для комплексного решения задач измерения и автоматизации.

Программные и аппаратные средства ZETLab компьютерной автоматизации измерений, управления и моделирования широко применяются в различных областях промышленности, научных исследованиях, а также в образовании. В составе аппаратных средств присутствуют практически все компоненты современных измерительно-управляющих комплексов: универсальные платы сбора и вывода аналоговых и цифровых сигналов, мультиметры, генераторы, распределенные измерительно-управляющие контроллеры, согласующие устройства на шинах PCI, USB и Ethernet и т.д. Используемая в ZETLab концепция виртуальных приборов позволяет значительно расширить функциональность создаваемых испытательных и измерительных систем при одновременном сокращении трудозатрат на их разработку. Среда разработки пользовательских приложений ZETLab-Studio представляет собой набор встраиваемых компонент для быстрой и эффективной разработки измерительных, контрольных и управляющих программ.

2.2 Разнообразие решений для разных задач

Решения стандартных задач измерения электрических параметров сигналов реализованы в составе ZETLab большим набором программ-приборов: вольтметры, осциллографы, генераторы, программы для спектральной обработки сигналов, самописцы, регистраторы и т.п. Для решения задач по конкретным требованиям конечных пользователей предприятие предлагает среду разработки ZETLab-Studio, позволяющую создавать многофункциональные программно-измерительные комплексы.

Представьте себе инструмент, прибор или систему, которые в точности соответствуют требованиям вашей задачи; инструмент, который собирает, анализирует, представляет данные и осуществляет управление именно необходимым вам способом. С помощью ZETLab таким инструментом может стать обычный компьютер, стоящий у вас в лаборатории или на производстве, либо компьютер типа Notebook, оснащенный дополнительными устройствами ввода информации. ZETLab-Studio - интегрированная среда разработчика для создания программ сбора, обработки данных и управления периферийными устройствами. Программирование осуществляется на любом объектно-ориентированном языке программирования Visual Basic, Visual C++, Delphi с использованием библиотечных элементов и готовых программ ZETLab. Сочетание широко используемого языка программирования и большого количества разнообразных компонент позволяет значительно сократить время разработки сложных систем при сохранении высокой скорости выполнения программ. Библиотеки современных алгоритмов обработки и анализа данных превращают средства ZETLab в универсальный инструмент создания интегрированных систем на базе персональных компьютеров.

В комплект ZETLab входит более 100 различных готовых программ, компонентов и библиотек, которые пользователи могут интегрировать в свои приложения. В основу пакета программ ZETLab заложен принцип одновременной работы многих программ и максимальное использование вычислительных мощностей программных и аппаратных средств. При использовании других пакетов разработки, которые монопольно владеют ресурсами устройств ввода-вывода, в одной программе необходимо осуществлять установку параметров ввода сигналов, вводить сигнал, обрабатывать его, создавать сигналы и отображать результаты. В пакете ZETLab необходимо всего лишь подобрать набор необходимых инструментов и связать их в один проект. Таким образом, ZETLab дает возможность избежать сложностей обычного <текстового> и <графического> программирования. Если вы ищете лучший способ программирования своих измерительных и управляющих систем без потери производительности, то ZETLab - именно то, что вам нужно.

2.3 Разработка законченной системы

Как правило, любой программный пакет покрывает только один аспект поставленной задачи, но не решает все проблемы - сбор данных, их анализ, представление и управление. ZETLab предоставляет вам все необходимые средства, объединенные единой методологией, поэтому вам вряд ли понадобится покидать среду ZETLab. В вашем распоряжении имеется свыше 50 различных готовых программ - виртуальных приборов общего назначения: осциллографы, самописцы, вольтметры, частотомеры, узкополосные и долеоктавные анализаторы, корреляторы, регистраторы, генераторы различных сигналов, фильтры верхних и нижних частот, устройство цифрового ввода-вывода и специализированных приборов: измерители нелинейных искажений, измерители амплитудно-фазовых-частотных характеристик, генераторы с обратной связью, программы для модального и порядкового анализа. На основе готовых приборов вы собираете свой испытательный или измерительный стенд или систему управления производственным циклом или систему мониторинга. Нажатием на одну кнопку вы сохраняете свой проект и можете теперь запускать его по мере необходимости.

Все виртуальные приборы-программы работают как в реальном времени, так и в режиме обработки оцифрованных сигналов в виде файлов. Средства регистрации и воспроизведения сигналов позволяет записывать сигнал и обрабатывать его с применением различных алгоритмов. Это существенно минимизирует время разработки и отладки законченной системы. Масштабируемость пакета ZETLab позволяет использовать одновременно в одном персональном компьютере несколько различных устройств ввода-вывода. Так, для медленноменяющихся сигналов можете использовать многоканальные устройства АЦП, для быстроменяющихся - высокопроизводительные АЦП. Связав в локальную сеть несколько компьютеров у вас есть возможность работать с одним измерительным трактом на нескольких компьютерах в реальном масштабе времени. Это особенно полезно при проведении учебного процесса. Также это широко используется в системах непрерывного контроля и мониторинга, когда один компьютер используется для непрерывной записи сигналов и выдачи предупреждающих сигналов, и другой - для проведения диагностики контролируемых узлов. Существенным достоинством пакета ZETLab является то, что многие виртуальные приборы в комплекте с устройствами ввода-вывода сертифицированы как средства измерения (СИ) и внесены в реестр СИ Российской Федерации. Вы можете также написать собственные приложения, управляющие виртуальными приборами и собирающими от них результаты. В этом случае существенно упрощается метрологическая аттестация собранной таким образом системы. Для создания собственных приложений и управления существующими программами используется модуль управления и автоматизации.

Все виртуальные приборы имеют возможность записать результаты в файлы для последующей обработки и анализа результатов. В пакете ZETLab предусмотрено все для создания отчетов в Microsoft Excel и Word с минимальными затратами времени и сил. Кроме того, пользователь имеет широкие возможности по манипулированию данными - запись/чтение с диска, передача по сети и печать на принтере или плоттере.

2.4 Построение собственного виртуального прибора

В ZETLab можно написать собственную программу виртуального прибора. Поскольку программное обеспечение ZETLab позволяет запускать и выполнять множество программ, то вам необходимо разделить свою задачу на несколько независимых программ. Программа виртуального прибора может быть написана на любом объектно-ориентированном языке программирования. В программу устанавливаются различные программные компоненты, отвечающие за ввод-вывод аналоговых и цифровых данных, графическое отображение двухмерных и трехмерных графиков, X-Y графиков, графиков в полярных координатах, интегральных уровней, цифровых индикаторов. В программу также можно ставить стандартные компоненты объектно-ориентированного языка: кнопки, текстовые блоки, диалоги открытия файлов и многие другие. Большое количество учебников и примеров по существующим языкам программирования позволяет изучать их до любой степени детализации. Все компоненты самодокументированны, что позволяет достаточно быстро освоить необходимые команды. В результате компиляции получается исполняемый код программы, что позволяет полностью использовать вычислительные возможности компьютера и позволяет распространять исполняемый рабочий файл программы без исходного текста программы. Полученную программу можно оформить в своем индивидуальном дизайне и использовать наравне с программами из состава ZETLab.

2.5 Структура ZETLab-Studio

ZETLab-Studio - это интегрированный набор инструментов и библиотек классов для Microsoft Visual Studio.NET и Visual Studio 6.0, которые используются при решении задач измерений и автоматизации. ZETLab-Studio существенно ускоряет процесс разработки приложений благодаря поддержке ActiveX и .NET объектов, объектно-ориентированных аппаратных измерительных интерфейсов, а также наличию дополнительных библиотек анализа данных, элементов управления, средств передачи данных по сети, мощных графических библиотек для представления данных.

Какие бы средства вы ни использовали для сбора данных - на шинах PCI, USB, Ethernet, модули от 24 разрядов до 10 МГц - ZETLab-Studio предоставляет вам все средства разработки высокоуровневого интерфейса программирования приложений (API) в удобной вам среде разработки.

ZETLab-Studio предоставляет полный набор функций анализа и обработки данных измерений. С помощью ZETLab-Studio вы сможете воспользоваться широким набором таких средств анализа и обработки данных, как спектральный анализ, статистическая и цифровая обработка сигналов, фильтрация сигналов и быстрое преобразование Фурье. В силу того, что анализ выполняется вашим приложением сбора данных, вы получаете возможность сохранения в файл уже обработанные результаты измерений.

Для каждого типа измерений ZETLab-Studio предоставляет пользовательские элементы интерфейса, которые можно, при необходимости, размещать и совмещать произвольным образом для решения каждой конкретной задачи. Среди доступных элементов управления имеются различные кнопки, ручки, ползунки, светодиоды и измерительные приборы. Для представления результатов анализа имеются программы отображения данных в графическом виде, двух и трехмерной графике, в полярных координатах, с аналоговым эффектом послесвечения электронно-лучевой трубки. Удобная система масштабирования графиков, плавное перемещение курсора, сохранение графических данных для отчетов в редакторах Excel и Word позволяют быстро получать необходимые результаты для последующей печати. Широкий набор элементов, имеющихся в ZETLab-Studio, позволяют осуществлять более информативное представление данных, по сравнению с традиционными приборами.

Вне зависимости от задачи, скорость выполнения программы является важнейшим фактором анализа данных. Библиотеки анализа используют максимум вычислительных возможностей персонального компьютера. Виртуальные приборы оптимизированы для использования математического сопроцессора, MMX, SSE1, SSE2 и технологии HyperThreading. Кроме того, существуют специализированные библиотеки, использующие вычислительные возможности цифровых DSP-процессоров, установленных на платах АЦП и ЦАП фирмы <Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ>.

Для каждого этапа решения задач измерения и обработки сигналов (см. рисунок 1) в ZETLab-Studio реализованы отдельные компоненты. Пользователь может компоновать их в своей программе для создания своих приложений как в конструкторе. Все эти кубики оптимизированы по быстродействию и надежности. Для любой задачи могут быть подобраны оптимальные аппаратные и программные средства, для того чтобы эффективно решить задачу.

Ввод-вывод аналоговых и цифровых сигналов производится через сервер данных. Он спроектирован в соответствии с требованиями общепромышленного стандарта для SCADA систем - OPC. Сервер осуществляет подключение к драйверам устройств, синхронизацию потоков данных от различных устройств ввода-вывода, обеспечивает одновременное подключение нескольких различных типов устройств.

Пользовательская программа подключается к серверу данных при помощи одной команды. Одновременно к серверу может подключаться несколько пользовательских программ. Данные от аналого-цифровых преобразователей поступают в программу пользователя в плавающей запятой в заданных единицах измерения: в Вольтах, Паскалях, м/с2. Единицы измерения задаются в программе редактирования файлов параметров. Программа пользователя может создавать виртуальные каналы, которые существуют наравне с физическими каналами и могут обрабатываться другими программами, также как и физические каналы. Программа пользователя также может создавать данные для цифро-аналогового преобразователя и передавать их через сервер. Сервер может работать в режиме реального времени и в режиме чтения оцифрованных данных. Причем пользовательская программа будет с одинаковым успехом работать и в реальном режиме и в режиме чтения данных из файла. При объединении нескольких компьютеров в одну локальную сеть можно объединить и потоки данных от серверов данных и таким образом реализовать распределенную систему обработки сигналов.

Для передачи результатов измерений и управляющих команд из одной программы в другую служит модуль управления и автоматизации. Пользовательская программа также может подключаться к этому модулю. Использование модуля подразумевает связь между программами типа ведущий - ведомый.

Любая программа, связанная с измерениями, автоматизацией и управлением должна обрабатывать оцифрованные аналоговые данные и цифровые данные. Для упрощения работы с такими данными используется DLL-библиотека обработки сигналов.

Библиотека обработки сигналов включает в себя программы работы с массивами данных и оптимизирована для процессоров Intel Pentium IV с системой команд MMX и SSE.
Результаты обработки могут быть представлены в графическом виде. Все что вам надо сделать - это поместить на свою форму графический ActiveX элемент в нужном месте и придать ему необходимые свойства: цвета сетки, надписей, графиков, типы линий, количество отображаемых графиков, количество точек графика. Свойства компонентов можно изменять как на этапе проектирования программы, так и в ходе выполнения программы. Затем, в процессе работы программы, полученные результаты в виде массива необходимо передавать в графический элемент. Это делается одной командой. Графический элемент сам прорисовывает все графики без мерцания и <снега> на экране. В графических элементах реализовано масштабирование графиков по всем осям, передвижение курсора и отображение положения курсора. Для этого вам не надо писать ни единой строчки кода. Программа пользователя может считывать положение курсора на графике и выполнять какие-либо действия связанные с вашими требованиями.

Применение современных компьютерных технологий на каждом этапе работы измерительных и автоматизирующих процессов позволяет существенно упростить сам процесс измерения и управления, повысить точность и надежность выполнения технологических циклов.

Описанная среда разработки ZETLab-Studio полностью удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к системам автоматизированного проектирования измерительных и комплексов.

2. National Instruments и LabView 8

Компания National Instruments является разработчиком и лидером технологии виртуальных приборов - революционной концепции, изменившей подходы и методику проведения измерений и разработки систем автоматизации. Максимально используя возможности компьютеров и современных информационных технологий, виртуальные приборы позволили повысить производительность и снизить стоимость решений за счет применения гибкого и простого в освоении программного обеспечения, такого как среда графического программирования LabVIEW, а также модульного оборудования, такого как, например, модули стандарта PXI, предназначенного для сбора данных и управления приборами. Заказчиками компании являются инженеры, ученые и технические специалисты, работающие в самом широком спектре отраслей и технологий. Штаб-квартира компании National Instruments расположена в г. Остин (Техас, США), число её сотрудников превышает 3100; компания имеет представительства в 41 стране. В течение года компания поставляет свою продукцию более чем в 25 тысяч компаний, расположенных в 90 странах мира. Последние 5 лет журнал FORTUNE называет NI одним из 100 лучших работодателей США. В 2006 году журнал BusinessWeek включил National Instruments под номером 14 в рейтинг компаний, где лучше всего начинать свою карьеру.

National Instruments LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами. LabVIEW сочетает в себе гибкость традиционного языка программирования с интерактивной технологией Экспресс ВП, которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые Экспресс ВП. Благодаря этим особенностям и новички, и эксперты могут легко и быстро создавать приложения в LabVIEW. Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет уделять больше внимания решению проблем, связанных с измерениями и управлением, а не программированию.

Достоинства LabVIEW:

Полноценный язык программирования
Интуитивно понятный процесс графического программирования
Широкие возможности сбора, обработки и анализа данных, управления приборами, генерации отчетов и обмена данных через сетевые интерфейсы
Драйверная поддержка более 2000 приборов
Возможности интерактивной генерации кода
Шаблоны приложений, тысячи примеров
Высокая скорость выполнения откомпилированных программ
Обучение и техническая поддержка мирового уровня
Совместимость с операционными системами Windows2000/NT/XP, Mac OS X, Linux и Solaris.
Широта применения

Приложения, написанные в LabVIEW, находят применение во всем мире в разнообразных отраслях промышленности:

Автомобильная промышленность
Телекоммуникации
Аэрокосмическая промышленность
Полупроводниковая промышленность
Разработка и производство электроники
Управленией технологическими процессами
Биомедицина
Благодаря своей гибкости и масштабируемости, LabVIEW может использоваться на всех этапах технологического процесса: от моделирования и разработки прототипов продуктов до широкомасштабных производственных испытаний. Применение интегрированной среды LabVIEW для измерения сигналов, обработки результатов и обмена данными повысит производительность всего предприятия.

LabVIEW 8.20 - юбилейная версия платформы для графической разработки управляющих, измерительных и встраиваемых систем.

8 августа 2006 г. - Сегодня компания National Instruments, мировой лидер в области технологии виртуальных приборов, объявила о выпуске LabVIEW 8.20, 20-й, юбилейной версии платформы для графической разработки управляющих, измерительных и встраиваемых систем. LabVIEW 8.20 расширяет возможности LabVIEW по созданию промышленных приложений благодаря внедрению новых расширенных алгоритмов анализа и контроля, улучшенному менеджменту распределённых систем и поддержке новых целевых платформ для человеко-машинных интерфейсов (ЧМИ). Примерами новых технологий являются библиотеки LabVIEW, позволяющие инженерам значительно ускорить разработку высокопроизводительных и надёжных систем на базе ПЛИС и модуль LabVIEW Touch Panel Module, предназначенный для разработки ЧМИ на базе Windows CE. Внедряя технологии, упрощающие разработку промышленных систем на аппаратном уровне и поддерживая новые типы дисплеев, LabVIEW 8.20 позволяет инженерам и машиностроителям в рамках одной среды разрабатывать и проводить измерения, анализ и управление на базе ПЛИС, а также программировать взаимодействие с существующими системами и создавать ЧМИ.

Единое ПО для проведения измерений, анализа, управления и визуализации

Среда LabVIEW всегда была признана одной из самых популярных программ для проведения измерений. LabVIEW 8.20 сохраняет те же лидирующие позиции, но кроме того, расширяет свои возможности на область промышленных приложений. LabVIEW Touch Panel Module и новые возможности разделяемых переменных (shared variables) по работе с наладонными устройствами помогут инженерам быстро разработать ЧМИ на базе Windows CE и добавить его к своей измерительной/управляющей системе. Разделяемые переменные позволяют напрямую отображать данные с контроллера реального времени на интерфейсе оператора, который в промышленных системах часто реализуется на базе наладонных устройств. В модуле LabVIEW 8.20 Datalogging and Supervisory Control Module, предназначенном для разработки систем с большим количество каналов, появились средства программной настройки каналов, что позволяет разработчикам динамически задавать до 2500 каналов. Кроме того, LabVIEW 8.20 увеличивает скорость передачи данных в распределённых системах, созданных на базе Ethernet, в два раза, и обеспечивает взаимодействие с уже присутствующим оборудованием и ПО благодаря встроенной поддержке OPC и Modbus.

<Успех LabVIEW на протяжении более чем 20 лет обусловлен простотой графического программирования, которой может воспользоваться большая аудитория инженеров, работающих в самых разных областях> - сказал Дж. Тручард, президент и один из основателей National Instruments. .

Усовершенствованные алгоритмы анализа и управления

С LabVIEW инженеры могут разрабатывать самые разные системы управления, начиная от простого ПИД регулятора, заканчивая сложными динамическими регуляторами. Это позволяет им использовать нужные алгоритмы в зависимости от конкретных условий приложения, не переходя из одной среды разработки в другую. В последней версии LabVIEW скорость выполнения цикла ПИД регулятора увеличена в 14 раз, а производительность функций модуля LabVIEW Simulation Module, предназначенного для разработки сложных алгоритмов управления, - в 9 раз. Теперь можно разрабатывать самые сложные модели управляющих систем, состоящие из более чем 1000 узлов.

Для того, чтобы помочь инженерам в создании на базе ПЛИС систем защиты механизмов, в модуль LabVIEW FPGA 8.20 добавлены новые функции мониторинга и генерации тревог, а также фильтры различных типов. Благодаря сочетанию выносливости и малых размеров систем CompactRIO с надежностью реализации алгоритмов на ПЛИС и простотой программирования на LabVIEW FPGA, теперь возможно внедрение самых мощных систем защиты механизмов.

Если инженер уже имеет алгоритмы управления, разработанные в других программах, он легко сможет интегрировать свои модели в LabVIEW для того, чтоб обеспечить их реализацию в жестком реальном времени и для проведения аппаратно-программного моделирования hardware-in-the-loop. C помощью Simulation Interface Toolkit 3.0 в LabVIEW 8.20 можно внедрять модели, созданные в среде MathWorks, Inc Simulink. А новая утилита Externel Model Interface, появившаяся в LabVIEW 8.20, позволяет модулю LabVIEW Simulation Module обмениваться данными с моделями, разработанными в средах таких производителей, как Dynasim и Plexim GmbH.

Инструменты для быстрой разработки и прототипирования систем управления

LabVIEW 8.20 ускоряет процесс разработки систем управления на базе промышленных компьютеров, ПЛИС и контоллеров автоматизации благодаря подходу графического программирования. Воспользоваться преимуществами ПЛИС - высокой производительностью и надежностью работы - для решения задач управления сейчас очень просто благодаря новой утилите LabVIEW FPGA Wizard, которая автоматически генерирует код для ввода/вывода сигналов в ПЛИС и осуществления тактирования. Теперь инженеры могут сфокусировать своё внимание на разработке алгоритма работы управляющей системы, а не на сложном низкоуровневом программировании.

Код для ПЛИС, разработанный в LabVIEW FPGA 8.20, может быть загружен на PCI плату для осуществления быстрого и недорогого прототипирования контроллеров, или внедрён на платформы PXI и CompactRIO для создания надёжных промышленных систем. Кроме того, с помощью модуля LabVIEW Embedded Development Module инженеры впервые могут загружать сложные алгоритмы управления, разработанные в LabVIEW, на 32-битные микропроцессоры.

О National Instruments

Компания National Instruments (www.ni.com) - основоположник и лидер в технологии виртуальных приборов (virtual instrumentation), которая коренным образом изменила подходы к созданию средств измерений и автоматизации для инженеров и ученых. Используя возможности современных компьютеров и информационных технологий, концепция виртуальных приборов позволила увеличить производительность труда при создании аппаратно-программных комплексов и снизить их себестоимость. Это стало возможным благодаря легко интегрируемому программному обеспечению, такому как графическая среда разработки приложений NI LabVIEW, и модульному контрольно-измерительному оборудованию для шин PXI, PCI, PCI Express, USB и Ethernet. Компания National Instruments имеет штаб-квартиру в г.Остин (Техас, США), число её сотрудников составляет более 4000 человек. NI имеет представительства в 40 странах мира. В течение последних семи лет журнал FORTUNE включает компанию National Instruments в сотню лучших компаний США.

NI LabVIEW - единая платформа для управления, измерений и моделирования

Уже почти 20 лет инженеры и ученые используют среду графического программирования National Instruments LabVIEW для создания автоматизированных систем сбора данных и управления приборами, которые нашли применение как в исследовательских и испытательных лабораториях, так и на технологических производственных линиях. Все это время среда LabVIEW постоянно совершенствовалась - благодаря регулярному выходу новых версий, а также выпуску специализированных модулей, библиотек и дополнений, обусловленных пожеланиями пользователей и исследовательской работой коллектива разработчиков LabVIEW, и фактически стала стандартом в ряде областей науки и техники (рис. 1). Согласно своей фундаментальной идее, LabVIEW позволила инженерам, не имеющим глубоких знаний и опыта в традиционном программировании, быстро создавать сложные автоматизированные системы измерений и управления. Но в своем развитии LabVIEW стала больше, чем просто языком программирования. LabVIEW предоставляет пользователю широкую гамму инструментов, которые образуют графическую платформу разработки для моделирования, управления и тестирования. В данной статье кратко рассматриваются инструментальные средства и библиотеки, которые продвигают платформу LabVIEW в новые, все более перспективные отрасли промышленности и на новые сегменты рынка высоких технологий.

Проектирование и разработка на единой платформе

В связи с бурным развитием технологий за последние 20 лет, включая увеличение производительности полупроводниковых приборов и уменьшение их размеров в соответствии с законом Мура, повсеместным внедрением компьютеров и микропроцессоров, развитием стандартов связи и сетевых технологий, инженеры были вынуждены в равной степени увеличивать сложность процессов разработки, производства и тестирования новых продуктов.

LabVIEW имеет множество преимуществ в различных областях разработки приложений и отраслях промышленности. Кроме этого, компания National Instruments дополнила среду программирования внедрением целого семейства дополнительных модулей и библиотек для расширения круга решаемых задач. Данная платформа полностью перекрывает потребности трех базовых областей применений:

Автоматизированные системы измерения и тестирования
Промышленные системы контроля и управления
Проектирование и отладка встраиваемых систем
Автоматизированные системы измерения и тестирования на платформе LabVIEW

Для приложений автоматизированного тестирования LabVIEW предоставляет широкий набор средств для ввода и вывода сигналов с различного аппаратного обеспечения, а также функции специализированного анализа, необходимые для проведения измерений в различных областях. Кроме этого, платформа содержит целый спектр инструментов для задач автоматизации и обработки данных:

Интерактивные измерения. С помощью пакета NI SignalExpress вы можете интерактивно использовать виртуальные приборы (встраиваемые либо автономные приборы, управляемые с компьютера) для проведения необходимых вам измерений и анализа сигналов. Для проведения оценочных, быстрых и простых измерений, когда даже простейшее программирование избыточно, NI SignalExpress помогает за считанные минуты сконфигурировать процедуру измерения, сравнить результаты с данными моделирования и сохранить их на компьютере.
Автоматизированные системы испытаний. С помощью пакета NI TestStand вы можете разработать структурированную последовательность испытаний, представляющих собой отдельные программы LabVIEW (либо модули других систем программирования), со сложной логикой принятия решений <тест прошел/не прошел> для управления общим ходом испытания. Кроме того, NI TestStand легко интегрируется в единые информационные системы предприятия (ERP) для предоставления результатов в базы данных либо для отслеживания испытуемых изделий через автоматизированные системы управления производством (MES).
Для проведения автоматизированных измерений LabVIEW содержит пакеты анализа, оптимизированные для различных измерительных задач:

Тестирование линий связи - средства обработки и генерации сложных модулированных сигналов и усовершенствованные функции для проведения спектральных измерений, расширяющие возможности библиотек, содержащихся в базовом комплекте LabVIEW
Измерение виброакустических сигналов - модули для исследования динамических акустических сигналов с целью оценки качества звука, или проведения структурных испытаний
Мониторинг состояния машин и механизмов- специализированные алгоритмы порядкового анализа вращающихся частей механизмов (вэйвлет-анализ, совместный частотно-временной анализ)
Обработка изображений - средства для автоматизированного визуального контроля и приложений машинного зрения.
Платформа для промышленных системы измерения и управления на базе LabVIEW

Для создания приложений управления LabVIEW содержит отдельный набор специализированных библиотек, дополняющих графическую платформу методами управления, функциями распределенного мониторинга и управления, АСУТП, а также возможностями управления в реальном времени.

С помощью LabVIEW вы можете использовать единую платформу для разработки и развертывания собственных концепций управления, применяя различные подходы и технологии, такие как:

ПИД-регулирование - Используйте преимущества этой технологии для относительно простого создания промышленных приложений управления.
Расширенное управление - LabVIEW содержит средства разработки алгоритмов оптимального управления на основе признанных моделей контроллер-объект, либо управление на базе принятых/выданных сигналов с учетом усовершенствованной идентификации системы. Кроме того, к LabVIEW поставляется дополнительная библиотека для непрерывного контроля работы динамических систем, позволяющая использовать указанные модели совместно с традиционными функциями управления, такими как передаточные функции, интеграторы, дифференциаторы и цепи обратной связи.
Управление движением - Используется для управления электроприводами и промышленными механизмами.
Повторное воспроизведение опытных сигналов - Это уникальная возможность воспроизводить ранее сохраненные измерительные данные (ход нагрузок в автомобильной технике, сигналы переходных процессов в электронике и связи и т.д.) для проведения модельных испытаний или отладки прототипов изделий и устройств.
Модуль LabVIEW Real-Time для промышленных платформ является идеальным выбором для реализации алгоритмов управления в производственных системах. Тем не менее, ряд пользователей из отраслей проектирования машин и промышленного управления считают, что расширение возможностей LabVIEW для программирования ПЛИСов, интегрированных в узлы ввода/вывода, является ещё более надежным методом внедрения управляющих алгоритмов. Если вы запрограммируете функциональность оборудования через встроенную ПЛИС, то это оборудование оказывается гораздо более защищенным и надежным в производственном процессе. Обеспечение тесной взаимосвязи между программированием встраиваемых ПЛИС и приложениями промышленного управления с помощью интуитивно понятного подхода графического программирования является уникальным преимуществом использования LabVIEW.

Для разработки распределенных систем мониторинга и управления LabVIEW имеет системные возможности более высокого уровня, такие как занесение информации в базу данных, алгоритмы принятия решений, обеспечение безопасности.

Платформа для разработки и отладки встраиваемых систем на базе LabVIEW

Разработчики в основном знакомы с LabVIEW как со средством проведения измерений. Однако LabVIEW продолжает приобретать популярность и как инструмент создания универсальных алгоритмов для инженеров и ученых во многих сферах деятельности. Сочетание развитых библиотек для обработки сигналов и управляющих алгоритмов с готовыми к использованию инструментальными средствами позволяет быстро проектировать, создавать прототипы и разворачивать системы с помощью LabVIEW. Ниже приведены некоторые ключевые свойства платформы LabVIEW, используемые при проектировании систем.

Обширная библиотека анализа и математических функций. LabVIEW содержит сотни математических функций, охватывающих широкий спектр традиционных алгоритмов в областях математического анализа, обработки сигналов, вероятности и статистики, систем управления, представляющие собой основу любого пользовательского алгоритма.
Естественная интеграция с устройствами ввода/вывода - Поскольку реальные физические данные очень легко получить с помощью LabVIEW, вы, несомненно, оцените удобство проверки и отладки созданных алгоритмов на примере реальных данных.
Аппаратные платформы для создания систем реального времени - алгоритмы LabVIEW можно выполнять на платформах реального времени с интегрированным вводом/выводом. С помощью модульных аппаратных средств National Instruments CompactRIO и PXI можно быстро создавать прототипы встраиваемых систем, использующих процессоры, ПЛИС для встроенной логики и широкий спектр оригинальных устройств ввода/вывода.
Одна платформа, множество приложений

Во многих областях современной промышленности, начиная от исследовательских лабораторий до конструкторских бюро, создающих распределенные и встраиваемые системы, платформа графической разработки LabVIEW увеличивает производительность труда инженеров и ученых. Сочетание интуитивно понятного графического языка программирования, поддержки широкого набора устройств ввода/вывода и растущего сообщества пользователей, участвующих в развитии платформы LabVIEW, делает успешным создание принципиально новых приложений. Переходя на более эффективный графический принцип разработки, однако продолжая использовать открытую среду программирования LabVIEW для воплощения разработанных алгоритмов и обмена данными со средствами моделирования, можно модернизировать средства разработки и сократить временные затраты на всех этапах жизненного цикла изделий.

LabVIEW 8 возможности распределенного интеллекта для решения задач управления, измерений и проектирования

Что первое приходит Вам на ум, когда Вы слышите о распределенной системе? Многопроцессорная система, параллельно обрабатывающая несколько задач? Или электронная платежная система для работы с заказами со всего мира? Сеть беспроводных датчиков, отслеживающих состояние <умного дома>? Все эти примеры объединяет общая идея - распределение ресурсов системы для решения поставленной задачи. Благодаря повышению производительности современных микроэлектронных устройств при одновременном снижении их стоимости, инженеры и ученые нашли эффективные решения сложнейших задач путем добавления процессоров и <интеллектуальных> микропроцессорных компонентов в свои системы. И, как следствие, современные контрольно-измерительные устройства и системы все больше становятся распределенными.

Тем не менее, разработка измерительных и управляющих систем, включающих несколько вычислительных узлов, не так проста, как может показаться на первый взгляд. При программировании распределенных систем специалисты столкнулись с целым классом новых проблем, к решению которых существующие средства разработки оказались не вполне пригодны. National Instruments LabVIEW 8 представляет новую технологию <распределенного интеллекта>, ориентированную именно на этот класс задач, и включающую в себя следующие средства:

Возможность программирования нескольких целевых платформ, таких как персональные, промышленные, портативные и встраиваемые компьютеры
LabVIEW Project - новая интерактивная среда управления распределенными системами из единой программной оболочки
LabVIEW Shared Variable - новый коммуникационный интерфейс, позволяющий упростить обмен данными между различными устройствами и программами, входящими в распределенную систему
Средства синхронизации и тактирования как устройств, входящих в распределенную систему, так и нескольких распределенных систем
Распределенные системы проектирования, управления и измерений

Создание распределенных систем требует новых, оригинальных подходов к программированию. Например, беспроводные датчики (wireless sensors) образуют самоорганизующуюся сеть, узлы которой самостоятельно устанавливают связь друг с другом. Очевидно, что специалисты, работающие с такой технологией, столкнутся с совершенно новыми проблемами в области программного обеспечения. И хотя некоторые проблемы возникают только при реализации конкретных систем, многие инженеры и ученые уже сейчас начинают испытывать схожие трудности при программировании распределенных систем. В качестве примеров можно привести системы испытания автомобильной электроники, смартфоны, комплексы технического зрения и промышленного мониторинга, а также комплексы синхронизированных автоматизированнх тестовых станций.

Проблемы разработки распределенных систем

Вы встретите распределенные системы в самых различных отраслях промышленности, на различных фазах жизненного цикла изделий, тем не менее, всем приложениям, использующим такого рода системы присущи схожие сложности:

Программирование приложений, использующих многопроцессорную архитектуру, в том числе и смешанную - с микропроцессорами, ПЛИС и цифровыми сигнальными процессорами
Эффективный обмен данными между несколькими процессорами, расположенными как непосредственно на одной печатной плате, так и внутри единого инструментального шасси или объединенными через сеть
Объединение всех узлов в завершенную систему, с решением задач тактирования и синхронизации составляющих ее узлов
Интеграция в единой системе различных типов ввода-вывода, таких как высокоскоростной аналоговый или цифровой, а также техническое зрение и управление движением
Добавление иных сервисных функций по обмену данными между узлами, включая протоколирование, выдачу сигналов тревог и взаимодействие с информационными системами корпоративного уровня
Использование новых возможностей NI LabVIEW 8 позволяет разрешить большинство из вышеперечисленных проблем.

Программирование распределенных систем с вычислительными узлами разного типа

Распределенные системы обычно состоят из узлов, выполняющих различные функции - датчиков, приборов, автономных подсистем. Все эти узлы так или иначе взаимодействуют с главной системой, которая осуществляет управление, мониторинг и протоколирование данных. В настоящее время разработчикам распределенных систем приходится пользоваться разными средствами для программирования различных узлов. Более того, доступное на рынке стандартное оборудование не всегда может удовлетворить специфическим требованиям к системе. Поэтому для реализации особых алгоритмов применяется конфигурируемое аппаратное обеспечение, чаще всего на основе ПЛИС, что влечет за собой ощутимое усложнение разработки и требует более высокой квалификации разработчика в области специальных средств и языков программирования.

LabVIEW 8 призвана разрешить данную проблему, предоставляя единую универсальную среду разработки для программирования разнотипных узлов. Используя LabVIEW, Вы создаете код, который может выполняться на таких вычислительных платформах, как персональные компьютеры, устройства реального времени, устройства и подсистемы на базе ПЛИС. В единой оболочке LabVIEW сочетает специфические функции для решения совершенно разнотипных задач, например, функции распознавания образов и классификации объектов для систем автоматизированного видеоконтроля, построение траектории движения для управления электроприводами, измерение аналоговых и цифровых сигналов. Традиционно каждая из этих задач требовала применения отдельных специализированных программных продуктов. LabVIEW также содержит библиотеку расширенного анализа сигналов, а также развитые средства коммуникации с Интернет для удаленного управления и мониторинга.

Способность универсального программного средства преодолеть ограничения стандартной функциональности узла позволяет резко снизить сложность разработки и в той же мере повысить производительность труда инженера-разработчика распределенных систем.

Коммуникации и обмен данными

При создании распределенных измерительно-управляющих систем как правило используются различные средства и протоколы обмена данными. Реализация процедур обмена данными между процессорами, особенно работающими в режиме реального времени и во встраиваемых системах, без снижения производительности их работы, часто представляет собой трудную задачу. И хотя существует множество стандартов и протоколов обмена - например, TCP/IP, Modbus, UDP и OPC - ни один из них сам по себе не в состоянии удовлетворить всем требованиям различных задач. Кроме того, программные вызовы функций (API) различных протоколов отличаются между собой. Поэтому разработчики и системные интеграторы при создании комплексной системы автоматизации вынуждены использовать несколько коммуникационных протоколов. Для обеспечения детерминированного обмена данными между узлами системы часто приходится прибегать к таким дорогостоящим решениям, как использование аппаратно-реализованной <зеркальной памяти> (reflective memory). Одним из способов решения данного класса задач является устранение жесткой привязки определенного транспортного уровня и протокола к его программному вызову (API) в среде разработки. В этом случае вы можете использовать множество протоколов в рамках одного и того же программного кода, тем самым значительно сокращая время разработки и отладки приложения.

Технология распределенного интеллекта LabVIEW 8 призвана разрешить эти трудности за счет унификации процедур обмена данными через единый, гибкий и открытый коммуникационный протокол, поддерживающий различные процессоры, устройства реального времени, а также изделия сторонних разработчиков. Новые Переменные Общего Доступа (Shared Variables) в LabVIEW 8 являются уровнем абстракции транспортного протокола, адаптированы к передаче сложных типов данных, характерных для расширенных приложений с распределенных системах, и легко масштабируются до использования в функциях высокого уровня - протоколирования и тревожной сигнализации. Переменные Общего Доступа позволяют обмениваться данными между всеми узлами распределенной системы, включая узлы, работающие под управлением ОС жесткого реального времени, а также предоставляют доступ к историческим базам данных и операторским консолям с Web-интерфейсом. Вы можете легко сконфигурировать переменные при помощи интерактивных диалогов, осуществляя привязку пользовательских элементов управления и индикации к источникам данных в узлах распределенной системы.

Разработка, отладка и загрузка кода на узлы распределенной системы

Обмен данными и командами между различными узлами - это только одна из трудностей разработки распределенных систем. Управление исходным программным кодом для каждого из узлов и загрузка исполняемого кода на все распределенные узлы также представляет собой серьезную задачу для разработчиков. Только в простейшем случае система состоит из однотипных вычислительных узлов, исходный программный код располагается на центральном компьютере и синхронно переносится на все узлы. В реальном, более сложном случае, в системе присутствуют узлы различного типа (смешанная архитектура), исполняемый код которых различен, причем не все узлы одновременно могут быть доступны для управления и перепрограммирования.

Новая оболочка управления проектами в LabVIEW 8 (LabVIEW 8 Project) хранит исходные коды и настройки всех узлов распределенной системы, включая ПК, контроллеры реального времени, системы на базе ПЛИС, портативные (карманные) компьютеры. Проект также предоставляет множество новых средств для совместной разработки и управления крупным приложением коллективом разработчиков, такие как:

Интегрированные средства управления исходным кодом, совместимые с ведущими программными продуктами подобного назначения, например, Visual SourceSafe, Perforce, Rational ClearCase, PVCS, MKS и CVS
Библиотеки Проектов (Project Libraries), содержащие исходные коды в виде модульных, унифицированных функций, которые можно многократно вызывать из различных подсистем
Средства для хранения настроек устройств управления и ввода/вывода данных, входящих в состав каждого из узлов распределенной системы
Создание спецификаций, определяющих и хранящих многочисленные опции и настройки дистрибутивов исходного кода, отладки и компилляции исполняемого кода, а также описание процессов окончательной загрузки приложений на удаленные узлы
Используя возможности распределенного интеллекта в LabVIEW 8, Вы значительно облегчаете процесс разработки распределенных систем. Все узлы и устройства - процессоры реального времени, ПЛИС, традиционные приборы, программируемые контроллеры автоматизации с OPC, карманные компьютеры - отображаются в окне Проекта LabVIEW, что упрощает конфигурирование и управление системой. Вы можете добавлять в Проект LabVIEW платформы исполнения, даже если они в данный момент времени работают в автономном режиме или недоступны - это также ускоряет проектирование и разработку системы с временно отсутствующими компонентами. Из простой и дружественной оболочки Проекта LabVIEW, Вы можете наблюдать, редактировать, загружать, выполнять и отлаживать программный код, работающий на любом узле системы. Вы можете также в реальном масштабе времени отслеживать взаимодействие между различными узлами системы. Эта возможность позволяет улучшить синхронизацию и коммуникации в системе на всех этапах ее создания - проектирования, разработки и отладки, тем самым значительно сокращая полное время разработки.

Синхронизация отдельных узлов системы с множеством процессоров и платформ исполнения

Важной составляющей частью разработки распределенной системы является организация совместной работы интеллектуальных узлов - координация и синхронизация их действий. Во многих распределенных системах такое взаимодействие осуществляется через операции ввода-вывода при помощи датчиков, исполнительных устройств и непосредственной генерации специальных сигналов синхронизации. Зачастую инженеры-разработчики прибегают к аппаратной реализации процедур синхронизации и тактирования узлов через ПЛИС и служебные сигнальные линии, интегрированные в системные шины устройств. LabVIEW 8 предлагает новое детерминированное Ethernet-решение для надежной синхронизации узлов в распределенных системах. Новая Переменная Общего Доступа LabVIEW (LabVIEW Shared Variable) может иметь жесткую привязку ко времени ее обновления и поэтому может быть использована для построения сложных распределенных систем управления с коррелированными измерительными и управляющими каналами, раположенными в различных узлах. Вместо применения дорогостоящих карт <зеркальной памяти>, LabVIEW 8 обеспечивает простое, недорогое и стандартизированное решение по тактированию и синхронизации узлов системы в сети с периодом синхронизации 100 мкс и точностью +5 мкс.

LabVIEW 8 представляет возможности распределенного интеллекта

Современные тенденции показывают, что разрозненные контрольно-измерительные системы предприятий объединяются в распределенные системы более высокого уровня с полной интеграцией вычислительных и управляющих ресурсов. LabVIEW 8 является высокоэффективной, но простой в использовании оболочкой для проектирования, управления, запуска и синхронизации распределенных систем. Для удовлетворения ваших текущих и перспективных потребностей LabVIEW обеспечивает:

Поддержку различных архитектур и платформ исполнения, таких как персональные, промышленные, портативные и встраиваемые компьютеры, в том числе многопроцессорные системы с ПЛИС и цифровыми сигнальными процессорами, а также системы, работающие под управлением ОС жесткого реального времени.
Мониторинг и управление распределенными узлами системы из единой интерактивной оболочки Проекта LabVIEW (LabVIEW Projet)
Упрощение передачи данных между различными вычислительными узлами при помощи новой Переменной Общего Доступа LabVIEW 8 (LabVIEW Shared Variable)
Поддержку множества вариантов синхронизации и тактирования узлов распределенных систем через новую технологию детерминированного Ethernet.
Графическая платформа разработки приложений LabVIEW способствует повышению производительности труда инженеров и ученых - от разработки простых лабораторных стендов до создания сложнейших распределенных систем с интеллектуальными узлами. Уникальное сочетание простых графических средств разработки, поддержки широкого спектра устройств ввода-вывода, возможностей программирования распределенных систем и быстрорастущего сообщества пользователей делает платформу LabVIEW передовым продуктом, используемым для решения задач проектирования, управления и измерений.

Список использованных источников

Интернет сайты: