UA   EN
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

На момент написания данного реферата магистерская работа ещё не завершена. Предполагаемая дата завершения – май-июнь 2023 г. Полный текст работы, а также материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Содержание

Введение

Человеческая цивилизация постоянно развивается. Однако технический прогресс, как и многое в нашем мире, имеет две стороны: он делает нашу жизнь комфортнее, но его постоянный спутник техногенные катастрофы. Причём чем дальше мы идём по пути технического прогресса, тем масштабнее последствия катастроф. Возьмём для примера одну из крупнейших в истории техногенных катастроф — аварию на Чернобыльской АЭС [7], где к трагедии привели действия персонала станции, который сам отключил автоматику, способную предотвратить беду. А на печально известном химическом заводе в индийском Бхопале [8], где в 1984 году от ядовитого выброса пострадали полмиллиона человек, автоматика была неисправна или вообще демонтирована для ремонта.

На предприятиях атомной, нефтяной, газовой, химической промышленности, а также строительной индустрии широко используется оборудование, работающее при высоких температурах и избыточном давлении. Оно представляют собой производственную технологическую опасность, так как при нарушении их нормального режима эксплуатации или вследствие дефектов при их изготовлении могут происходить взрывы, сопровождающиеся разрушением зданий и оборудования, травматизмом и гибелью людей, значительными материальными и социальными убытками.

Взрывы могут быть следствием перегрева, перепадов давления, вибрации, гидравлического удара и др. На АЭС основная часть продуктов деления в типичном реакторе содержится внутри топливных таблеток. Обширная утечка радиации может произойти только при разрушении содержащих их тепловыделяющих элементов. Одной из причин разрушения ТВЭЛов может быть их плавление под воздействием высокой температуры.

В течение последних 15-20 лет системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования помогают проектировать - создавать более совершенную логику систем управления. В настоящее время новые технологии расширяют применение таких систем для ускоренного проектирования.

Человеческая цивилизация постоянно развивается. Однако технический прогресс, как и многое в нашем мире, имеет две стороны: он делает нашу жизнь комфортнее, но его постоянный спутник техногенные катастрофы. Причём чем дальше мы идём по пути технического прогресса, тем масштабнее последствия катастроф. Возьмём для примера одну из крупнейших в истории техногенных катастроф — аварию на Чернобыльской АЭС, где к трагедии привели действия персонала станции, который сам отключил автоматику, способную предотвратить беду. А на печально известном химическом заводе в индийском Бхопале, где в 1984 году от ядовитого выброса пострадали полмиллиона человек, автоматика была неисправна или вообще демонтирована для ремонта.

На предприятиях атомной, нефтяной, газовой, химической промышленности, а также строительной индустрии широко используется оборудование, работающее при высоких температурах и избыточном давлении. Оно представляют собой производственную технологическую опасность, так как при нарушении их нормального режима эксплуатации или вследствие дефектов при их изготовлении могут происходить взрывы, сопровождающиеся разрушением зданий и оборудования, травматизмом и гибелью людей, значительными материальными и социальными убытками.

Взрывы могут быть следствием перегрева, перепадов давления, вибрации, гидравлического удара и др. На АЭС основная часть продуктов деления в типичном реакторе содержится внутри топливных таблеток. Обширная утечка радиации может произойти только при разрушении содержащих их тепловыделяющих элементов. Одной из причин разрушения ТВЭЛов может быть их плавление под воздействием высокой температуры.

В течение последних 15-20 лет системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования помогают проектировать - создавать более совершенную логику систем управления. В настоящее время новые технологии расширяют применение таких систем для ускоренного проектирования.

1. Актуальность темы

С целью предотвращения аварийных ситуаций и техногенных катастроф на производствах необходимы гибридные интеллектуальные системы, которые автоматически контролируют, предупреждают, защищают и оповещают оператора о событиях критического характера, возникающих на реально функционирующем объекте. Создание такой информационной системы является актуальным вопросом.

Автоматическая информационная система измерений, регистрации и контроля — это аппаратно-программный комплекс, реагирующий на непредсказуемый поток внешних событий. Устройство должно реагировать на события критического характера, возникающие на объекте. Даже если два или более внешних события протекают одновременно, система должна успеть реагировать на их повышение/понижение.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы - создание системы полунатурного моделирования процессов управления гибридным комплексом с использованием средств графического программирования.

Для достижения цели были поставленные следующие задачи:

  1. Создать модель функционирования энергокомплекса с использованием технологии «виртуальный прибор» при полунатурном ее моделировании.
  2. Изучить основы программирования в среде LabVIEW.
  3. Разработать в среде программирования LabView 2019 автоматизированную систему регистрации и контроля результатов моделирования.
  4. Реализовать интерфейс диалога исследователя с моделью для случая превышения порогового значения критерием качества процесса.
  5. Разработать дизайн графического представления в динамике результатов моделирования на созданной модели.

Ожидаемыми результатами работы является разработанная с использованием средств графического программирования модель энергосистемы с возможностью полунатурного моделирования процессов управления гибридным комплексом.

В качестве предмета исследования рассматривается компьютерная модель энергокомплекса, созданная с применением технологии «виртуальный прибор», допускающая сопряжение с натурными моделями и исследуемыми техническими устройствами при контроле процесса испытаний комплекса.

Технология «виртуальный прибор» позволяет создавать системы измерения, управления и диагностики систем различного назначения и практически любой сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем, что является одной из новых и революционных технологий.

Новизна применения виртуального прибора заключается в совмещении физического эксперимента и компьютерных технологий за счёт создания имитационной модели исследуемой установки. Разработан подход к автоматизации процесса контроля и фиксации показаний исследуемых процессов на базе программного обеспечения LabVIEW.

Для решения поставленных задач применялись методы проверки средств измерений, метод имитационного моделирования при создании виртуальных моделей. Экспериментальная проверка работоспособности устройства.

3. Программное обеспечение LabVIEW

National Instruments LabVIEW [10] 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.

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

LabVIEW может использоваться на всех этапах технологического процесса: от моделирования и разработки прототипов продуктов до широкомасштабных производственных испытаний.[9]

LabVIEW поддерживает огромный спектр оборудования различных производителей. Именно это позволяет выполнять полунатурное моделирование, резко упрощающее математическую составляющую компьютерной модели. Данное ПО имеет в своём составе (либо позволяет добавлять к базовому пакету) многочисленные библиотеки компонентов:

Вместе с тем LabVIEW - очень простая и интуитивно понятная система. Неискушённый пользователь, не являясь программистом, за сравнительно короткое время (от нескольких минут до нескольких часов) способен создать сложную программу для сбора данных и управления объектами, обладающую красивым и удобным человеко-машинным интерфейсом. Например, средствами LabVIEW можно быстро превратить старый компьютер, снабжённый звуковой картой, в мощную измерительную лабораторию.

4. Системы цифровой обработки сигналов

Системы цифровой обработки сигналов получают все большее распространение в различных практических приложениях, замещая традиционные аналоговые системы. Успех цифровых систем во многом обусловлен их компактностью, обеспеченной использованием интегральных схем большой степени интеграции, и отсутствием необходимости в их настройке и регулировке. Известны три различных подхода к проектированию систем цифровой обработки сигналов:

Причём два подхода широко применяются для реализации сложных алгоритмов и требуют соответствующих дополнительных устройств.

Но существует и третий принципиально иной подход. Используя программно-технические средства и программное обеспечение LabView исследователь может совместить и увязать работу компьютерных моделей и физических через преобразователи формы информации для исследования функционирования полунатурного комплекса (рис. 1).

Синхронизация процесса компьютерного моделирования и оценка качества работы управляемого объекта в реальном масштабе времени

Рисунок 1 – Синхронизация процесса компьютерного моделирования и оценка качества работы управляемого объекта в реальном масштабе времени
(анимация: 8 кадров, бесконечное число циклов повторения, 181 килобайт)

Это обеспечивает массу преимуществ, т.к. приближает условия моделирования к натурным и позволяет избежать трудностей воспроизводства нелинейных свойств технических компонент исследуемой системы. При этом важнейшую роль играет процедура прототипирования сложных моделей при замене их простыми прототипами, но акцентированными на достоверном воспроизведении именно интересующих аспектов их воздействия на инцидентные узлы.

5. Прототипирование

Понятие «ускоренное прототипирование» имеет особый смысл в каждом конкретном случае. Речь может идти, например, о создании гибридных моделей объектов, об исследовании деталей перед серийным производством, о тестировании кода для специализированных интегральных микросхем с помощью технологии ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема) [1]. В данном случае рассматриваются методы ускоренного прототипирования, применяемые для тестирования управляющих алгоритмов в условиях реального времени, перед запуском управления непосредственно на встраиваемой системе, что является основной задачей инженеров, занимающихся моделированием и синтезом гибридных систем управления.

Новые системы позволяют тестировать прототипы натурных компонентов в реальном времени с помощью модельного окружения, уменьшая необходимость проведения дорогостоящих или разрушающих испытаний или разработки и использования для проектирования сложных математических моделей многосвязных согласующих узлов.

Первые системы прототипирования давали возможность инженерам с помощью тестирования проверять алгоритмы новых проектов и интеграцию программного и аппаратного обеспечения на начальном этапе проектирования. Эти оригинальные системы, представлявшие, как правило, специализированные макетные установки, разрабатывались в автомобильной и аэрокосмической отраслях.

Сравнительно недавно появились коммерческие модели программных и аппаратных систем, которые смогли обеспечить возможности быстрого прототипирования и полунатурного моделирования. Фирмы-поставщики предлагали стандартные конфигурации систем, обычно базирующиеся на цифровых сигнальных процессорах (DSP) [2] или на продвинутых микропроцессорах, например Digital Alpha [3] или PowerPC [4].

6. Промышленное применение

Системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования были особенно востребованы в автомобильной промышленности. При проектировании автомобилей ввод/вывод данных для таких функций, как опережение зажигания и угол поворота коленчатого вала, осуществлялся с помощью стандартных интерфейсных плат. Одновременно с внедрением этих систем стали доступны инструментальные средства моделирования систем, которые позволяли определять алгоритмы и интерфейсы в графическом виде, а также воспроизводить поведение моделей систем управления на рабочей станции или персональном компьютере. После первоначального имитационного моделирования средства моделирования сопрягались с системами быстрого прототипирования и полунатурного моделирования с помощью автоматически генерируемого кода прототипирования. Поскольку средства моделирования систем могли использоваться совместно с системами быстрого прототипирования, то они стали неотъемлемой частью процесса проектирования средств управления автомобилем. Системы быстрого прототипирования включали как надёжные бортовые системы, так и большие монтируемые в стойке системы, поддерживающие большое число каналов ввода/вывода. Стандартным процессором для систем прототипирования был DSP [2] или Digital Alpha [3].

Контроллер на рисунке 2 взаимодействует с установкой или двигателем через исполнительные устройства и считывает значения или сигналы от датчиков на установке, образуя замкнутую систему управления, типичную для автомобильного или аэрокосмического дизайна.

Блок-схема системы управления

Рисунок 2 – Блок-схема системы управления

Эта графическая модель может быть запущена и испытана для проверки работы системы управления и целостности модели установки. Подобным же образом автоматически генерируемый программный код (рис. 3) со стороны установки модели может применяться в моделировании откликов и работы установки с целью тестирования прототипных контроллеров в реальном времени на промышленном оборудовании полунатурного моделирования.

Автоматическое генерирование кода

Рисунок 3 – Автоматическое генерирование кода

Автоматическое генерирование кода применяется для быстрого прототипирования, полунатурного моделирования и развёртывания встроенных систем.

Ранее системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования разрабатывались либо автомобильными и аэрокосмическими компаниями, либо поставщиками фирменных систем. Это были уникальные встроенные системы, которые требовали внутренней поддержки и обслуживающего персонала. Фирменные поставщики предлагали ассортимент стандартных конфигураций и, при необходимости, предоставляли годовые контракты на техническое обслуживание и клиентскую поддержку. Системы обоих типов были довольно дорогими, что ограничивало их применение компаниями с соответствующим бюджетом.

Однако такие компании, как Eaton [5] и Caterpillar [6], привлечённые ценой и возможностью масштабирования систем на основе ПК, начали тестирование и определили, что персональные компьютеры могут выполнять значительное количество задач по-быстрому прототипированию и полунатурному моделированию. Они стали устанавливать системы на базе ПК на существующее оборудование с гораздо меньшими затратами на одну систему. Первые эксперименты обеих компаний привели в результате к тому, что теперь большая часть их деятельности была сосредоточена на этих средствах в рамках процесса разработок встроенных систем управления.

Компания Eaton [5], производитель трансмиссионных компонентов для грузовых автомобилей, сконструировала гибкий прототип комбинированного грузового автомобиля для средних условий эксплуатации, который был оборудован блоком управления, разработанным с помощью средств модельного проектирования. Поскольку эта гибридная трансмиссия представляла собой прототип, Eaton [5] испытала всю систему на работающем в реальном масштабе времени динамометрическом стенде с компьютерным управлением. Инженеры Eaton [5] разработали и исполнили ряд различных сценариев испытаний и перед испытаниями в реальных дорожных условиях протестировали все компоненты в лаборатории. Eaton [5] тестировала блок управления как часть всей системы на комбинированном стенде для быстрого прототипирования и полунатурного моделирования.

Чтобы снизить затраты времени и средств, а также свести к минимуму опасные факторы, связанные с дорожными испытаниями, Eaton [5] также потребовалось разработать имитатор для полунатурного моделирования. Данный имитатор должен был сымитировать в реальном времени всю силовую цепь грузовиков в средних и тяжёлых условиях эксплуатации (включая динамику двигателя, основную муфту сцепления, трансмиссию, карданный вал, покрышки и дорогу). Имитатор также должен был иметь электрическую связь с рычагом переключения скоростей, регулятором трансмиссии и другими системами автомобиля, обеспечить подачу и получение сигнала, а также автоматизированное тестирование с использованием эксплуатационных данных.

В последние годы существенно увеличилась поддержка, которую компьютерные системы быстрого прототипирования предоставляют устройствам ввода/вывода. Поддержка простого аналогового и цифрового ввода/вывода, а также поддержка счётчиков/таймеров теперь дополнена более совершенной поддержкой широтно-импульсной модуляции, энкодеров, линейных/вращающихся дифференциальных трансформаторов, синусно-косинусных вращающихся трансформаторов и других расширенных возможностей ввода/вывода. Наличие компонентов компьютерного аппаратного обеспечения в сочетании с поддержкой программных драйверов, а также быстрый рост производительности процессоров ПК подняли компьютерные системы быстрого прототипирования на уровень производительности, сравнимый с уровнем фирменных систем, с меньшими затратами и коммерчески доступным оборудованием. Благодаря повышению производительности и возможностям ввода/вывода целый ряд автомобилестроительных и авиакосмических компаний ввёл в свои процессы проектирования компьютерные системы быстрого прототипирования и полунатурного моделирования.

Список источников

  1. Что такое ПЛИС – Википедия [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F....
  2. Цифровой сигнальный процессор – Википедия [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D....
  3. DEC Alpha – Википедия [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/DEC_Alpha.
  4. PowerPC – Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.bmstu.wiki/PowerPC.
  5. О компании EATON – Официальный сайт комании EATON [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://www.eaton.com/ru/ru-ru/company....
  6. О компании Caterpillar – Официальный сайт комании Caterpillar: Режим доступа: https://www.caterpillar.com/ru/company.html.
  7. Авария на Чернобыльской АЭС – Википедия [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D....
  8. Бхопальская катастрофа – Википедия [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%85%....
  9. Сфера применения LabVIEW – StudFiles [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://studfile.net/preview/42690....
  10. National Instruments Россия, СНГ, Балтия, LabVIEW. Вводный курс / National Instruments Россия, СНГ, Балтия – [Россия, Москва, 2008]. – 52 с.