ВВЕДЕНИЕ Программное средство LabVIEW фирмы National Instruments, представляющее собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования при решении экологических и других задач с минимальными временными и денежными затратами.В нем используется интуитивно понятный язык графического программирования G. Его освоение не требует знания традиционных текстовых языков программирования. LabVIEW предоставляет широкие возможности для проведения вычислений и математического моделирования. Однако наиболее полно возможности LabVIEW раскрываются при создании приборов и систем для измерений физических величин в научных экспериментах, лабораторных и промышленных установках.Взаимодействие с исследователем или оператором осуществляется с помощью продуманного и простого в программировании графического интерфейса. С помощью программ-драйверов LabVIEW эффективно взаимодействует с разнообразными платами ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, модулями ввода видеосигналов, а также со специализированными модульными приборами (осциллографы, анализаторы спектра, генераторы сигналов и т.д.). LabVIEW находит применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Измерительные системы на основе виртуальных приборов отличаются своей многофункциональностью, гибкостью и низкой стоимостью как с точки зрения оборудования, так и с точки зрения затрат времени на разработку. В настоящее время LabVIEW широко применяется в следующих сферах: 1) Автомобильная промышленность 2) Телекоммуникации 3) Аэрокосмическая промышленность 4) Полупроводниковая промышленность 5) Разработка и производство электроники 6) Управленией технологическими процессами 7) Биомедицина 8) Охрана труда 9) Управление производственными рисками 10) Охрана окружающей среды 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. В ходе НИР были исследованы готовые программные продукты, созданные в программе LabVIEW. Построения трассы искусственных спутников земли с целью оперативного мониторинга о пожарной обстановке В России, в летний сезон становится не благоприятная пожарная обстановка. Согласно сведениям, полученным от МЧС в середине летнего периода, ежегодно происходит от 200 до 300 очагов возгорания. Для получения объективной, своевременной информации о лесных пожарах используется съемка Земли с спутника. Источником оперативной и объективной информации о пожарной обстановке в различных регионах является спутниковая съемка Земли. Существует несколько сервисов по доступу к спутниковым данным без возможности прогнозировать трассы искусственных спутников земли (ИСЗ) с учетом изменчивой пожарной обстановки. Возникает задача не только для обнаружения и мониторинга пожаров, но и для прогнозирования траектории пролета ИСЗ над другими 1 «горячими» объектами, например, факелами на нефтяных и газовых месторождениях. Следовательно, моделирование траектории космических объектов с учетом «горячих» точек на территории России является актуальной задачей. Среда графического программирования LabVIEW находит применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Причинами столь широкого распространения пакета LabVIEW являются возможности не только проводить измерения, анализировать измеренные величины, отображать их на графиках и в отчетах, но и, используя программируемые логические контроллеры, осуществлять управление процессами . Авторами реализован виртуальный прибор построения трассы полета ИСЗ (рис. 1). Рис. 1. Лицевая панель прибора Прибор позволяет: – регулировать и задавать высоты апогея и перигея рассчитываемой орбиты; – задавать наклонение орбиты, долготу восходящего узла, аргумент перигея и начальный аргумент широты, начальный момент времени. Органы управления и вращающихся ручек. для наглядности реализуются с помощью ползунков Виртуальный прибор реализован в виде программного комплекса, состоящего из блока диаграмм (ShowBlockDiagram) и непосредственно самой рабочей области, содержащей элементы управления и отображения рассчитываемой трассы на фоне карты Земли. BlockDiagram виртуального прибора выглядит следующим образом (рис. 2). 2 Рис. 2. BlockDiagram виртуального прибора (КО – космический объект) В левой его части расположены входные данные, необходимые для задания параметров трассы ИСЗ. Рассмотрим поочередно работу отдельных подприборов и выполняемые ими функции. В подприборе 1 StarTime(SubVI).vi задается начальный момент времени в формате: СС, ЧЧ, ДД, ММ, ГГ (рис. 3, 4). На выходе получаем значение Звездного времени на Гринвиче в радианах. Рис. 3. Иконка подприбора 1 3 Рис. 4. Код подприбора 1 4 На вход виртуального подприбора 2 eaT (SubVI).vi (рис. 5, 6) передаются параметры высоты апогея и перигея рассчитываемой орбиты ИСЗ. На выходе получаем значения эксцентриситета е, большой полуоси а и периода обращения Т космического объекта. Рис. 5. Иконка подприбора 2 Рис. 6. Код подприбора 2 Подприборы 4, 6 выполняют преобразование градусных измерений в радианные и обратно. Основной расчет массива подспутниковых точек КО происходит в цикле WhileLoop (рис. 7). 5 Рис. 7. Отображение блока формул 6 Значения подаются на подприбор построения графика BuildXYGraph. Цикл останавливается по команде из блока STOP. Опишем содержимое циклаWhileLoop. В подприборе вычисляется географическая широта подспутниковой точки (рис. 8, 9). Рис. 8. Иконка подприбора «Широта» Рис. 9. Код подприбора «Широта» 7 В подприборе вычисляется приращение долготы (рис. 10, 11). Рис. 10. Иконка подприбора «Приращение долготы» 8 Рис. 11. Код подприбора «Приращение долготы» Функция вычисления долготы реализована в следующем виде (рис. 12). Рис. 12. Функция вычисления географической долготы Для наглядности поставлен замедлитель времени в 10 мл сек. В результате исполнения программы получаем построение трассы в ускоренном режиме времени, а также текущие значения широты и долготы в данной точке орбиты [2]. Примеры трасс различных орбит ИСЗ представлены на рис. 13–15. 9 Рис. 13. Трасса полета КО по круговой орбите 10 Рис. 14. Трасса полета КО, находящегося на синхронной орбите Рис. 15. Трасса полета КО, находящегося на высокоэллиптической орбите Прибор не только позволяет наглядно видеть трассу полета ИСЗ, но и самим «конструировать» орбиту: изменять параметры и наблюдать трассу полета ИСЗ при различных значениях высот апогея и перигея, при различных значениях наклонения орбиты, при изменении значений долготы восходящего узла и аргумента перигея . Таким образом, использование среды графического программирования LabVIEW позволяет с высокой степенью наглядности создавать виртуальные модели и отслеживать в режиме реального или ускоренного времени динамику процесса. Данный виртуальный прибор применяется для подготовки и обучения специалистов в области управления космическими аппаратами с учетом специфики МЧС России. 11 ЛАБОРАТОРНЫЕ СТЕНДЫ «МОНИТОРИНГ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ» И «СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ» В учебных лабораториях все шире используются технические компоненты и среда графического программирования LabVIEW для создания современных рабочих мест, ориентированных на обучение различным естественнонаучным и техническим дисциплинам. Стенд «Мониторинг параметров окружающей среды» предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности», и «Охрана окружающей среды» и им подобных, а также может использоваться для обучения принципам проектирования измерительных систем. В состав стенда входят: блок датчиков физических величин, измерительная система (Compact DAQ или аналогичная) и прикладная программа измерения и регистрации данных «Ecology», разработанная в среде LabVIEW. Внешний вид стенда представлен на рисунке 1. Датчики воспринимают ряд параметров атмосферы внутри бокса. В пассивном режиме исследований эти параметры характеризуют окружающую среду, в активном – в бокс через гибкие трубки могут нагнетаться определенные газовые компоненты, изменяться давление, влажность или температура. Измеряемые величины преобразуются в сигналы электрического напряжения постоянного тока, которые после согласующих устройств поступают на входы модуля ввода- вывода NI-9201 измерительной системы Compact DAQ. Программа «Ecology» управляет процессом преобразования электрических напряжений в код, выполняет масштабирование, фильтрацию результатов измерений, отображает их на шкальных, цифровых и графических индикаторах, а также регистрирует в архивных файлах. Рис. 1. Лабораторный стенд «Ecology» 12 Данные сохраняются в формате электронных таблиц и могут быть загружены в Excel для последующей обработки. Контролируемые параметры окружающей среды и погрешности измерения № 1 2 3 4 5 Параметр Температура Давление Влажность Содержание углекислого газа2 Содержание органических испарений2,3 1 2 3 Диапазон измерения +10 С +50 С 20 кПа 110 кПа 10 % 100 % 350 6000 ppm 100 4000 ppm Погрешность измерения 2С 2% 5 %1 Не нормируется Не нормируется – приведенная погрешность измерений – используется для сравнительных измерений – датчик реагирует на угарный газ, водород, метан, изобутан, пары спирта Интерфейс оператора (рисунок 2) позволяет визуализировать изменение параметров окружающей среды в реальном времени, просматривать архивные данные, оценивать с помощью курсоров значения параметров в произвольных точках графиков, изменять режимы сбора данных и т.п. Рис. 2. Рабочие окна программы Ecology Лабораторный стенд «Система автоматического регулирования» оснащен системой распределенного сбора данных и управления Compact FieldPoint, компьютером с сенсорным монитором TPC-2006 производства корпорации National Instruments и блоком лабораторным «Термостат-2» в качестве объекта управления. Этот стенд предназначен для изучения и разработки алгоритмов автоматического управления и регулирования, а также для обучения принципам проектирования систем измерения и управления. Структурная схема стенда показана на рисунке 3. 13 LAN Компьютер с сенсорным экраном RLY-425 TC-120 2120 Ethernet ЭДС PWM-520 Compact FieldPoint Коммутатор Вкл/ выкл ШИМ Блок лабораторный Термостат-2 TPC-2006 Рис. 3. Структурная схема стенда «Система автоматического регулирования» Система Compact FieldPoint и компьютер TPC-2006 связаны между собой сетевым коммутатором, к которому, при необходимости, может быть подключен и компьютер разработчика прикладных программ. 14 Нагреватель термостата включается через релейный модуль cFP-RLY-425, измерение температуры производится с помощью термопары и модуля cFP-TC-120. Регулирование температуры осуществляется путем изменения скорости охлаждающего воздушного потока, создаваемого вентилятором, для управления которым используется модуль широтно-импульсных модуляторов cFP-PWM-520. Внешний вид стенда представлен на рисунке 4. Рис. 4. Внешний вид стенда «Система автоматического регулирования» Исследование объекта и алгоритмов регулирования, разработка алгоритмов может выполняться с помощью прикладной демонстрационной программы, состоящей из двух программных модулей. Первый модуль реализует алгоритм управления и исполняется в контроллере реального времени системы распределѐнного сбора данных и управления Compact FieldPoint. Второй модуль, исполняемый в панельном компьютере с сенсорным экраном Touch Panel Computer, представляет собой интерфейс оператора и обеспечивает возможность задания графика изменения температуры в термостате, параметров ПИДрегулятора, визуализации процесса регулирования в различных форматах, управления работой системы. Фотографии с экрана панельного компьютера изображены на рисунке 5. 15 Рис. 5. Интерфейс оператора лабораторного стенда «Система автоматического регулирования» В процессе экспериментов студенты определяют характеристики рассчитывают и вводят коэффициенты ПИД-регулятора, оценивают регулирования и, при необходимости, корректируют параметры системы. объекта, качество Для обучения принципам проектирования систем измерения и управления стенд должен быть доукомплектован персональным компьютером с установленной системой графического программирования LabVIEW, модулями LabVIEW Real-Time Module, LabVIEW Touch Panel Module и 16 LabVIEW PID Control Toolkit и, возможно, другими модулями и библиотеками функций LabVIEW. При этом возможно обучение особенностям решения практических задач с использованием этих высокоуровневых проблемноориентированных программных модулей и библиотек, а у студентов и преподавателей больше свободы в выборе структурной организации систем, алгоритмов и способов реализации сбора данных и управления. 1. Используемое оборудование и ПО В состав лабораторного стенда «Мониторинг параметров окружающей среды» входит: Блок датчиков параметров окружающей среды с блоком питания. Система измерительная NI Compact DAQ с модулем ввода-вывода NI-9201. Программа измерения и регистрации данных «Ecology», выполненная в среде графического программирования LabVIEW 8.5. В состав лабораторного стенда «Система автоматического регулирования» входит: Блок лабораторный «Термостат-2» с блоком питания. Система распределенного сбора данных и управления NI Compact FieldPoint в составе: контроллер cFP-2120, модули cFP-TC-120, cFP-RLY-425, cFP-PWM-520, объединительная панель cFP-BP-8, коннекторный блок cFP-CB-1, блок питания PS-5. Панельный компьютер с сенсорным монитором TPC-2006 (TPC-2005). Демонстрационная программа выполнена в среде графического программирования LabVIEW 8.5 с использованием модулей LabVIEW Real-Time Module, LabVIEW Touch Panel Module и LabVIEW PID Control Toolkit. Заключение Лабораторные стенды и приборы и модели созданные в программе LabVIEW применяются в процессе обучения студентов и сотрудников, а так же в других областях деятельности, благодаря стоимости разработки, не требовательности к квалифицированности персонала и ряда других факторов. 17
