RU   EN
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

На момент написання даного реферату магістерська робота ще не завершена. Передбачувана дата завершення – травень-червень 2023 р. Повний текст роботи, а також матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після зазначеної дати.

Зміст

Вступ

Людська цивілізація постійно розвивається. Однак технічний прогрес, як і багато в нашому світі, має дві сторони: він робить наше життя комфортнішим, але його постійний супутник техногенної катастрофи. Причому чим далі ми йдемо шляхом технічного прогресу, тим масштабніші наслідки катастроф. Візьмемо для прикладу одну з найбільших в історії техногенних катастроф — аварію на Чорнобильській АЕС [7], де до трагедії призвели дії персоналу станції, який сам відключив автоматику, здатну запобігти біді. А на сумнозвісному хімічному заводі в індійському Бхопалі [8], де 1984 року від отруйного викиду постраждали півмільйона людей, автоматика була несправна або взагалі демонтована для ремонту.

На підприємствах атомної, нафтової, газової, хімічної промисловості, а також будівельної індустрії широко використовується обладнання, що працює при високих температурах та надмірному тиску. Воно є виробничою технологічною небезпекою, тому що при порушенні їх нормального режиму експлуатації або внаслідок дефектів при їх виготовленні можуть відбуватися вибухи, що супроводжуються руйнуванням будівель та обладнання, травматизмом та загибеллю людей, значними матеріальними та соціальними збитками.

Вибухи можуть бути наслідком перегріву, перепадів тиску, вібрації, гідравлічного удару та ін. На АЕС основна частина продуктів поділу в типовому реакторі міститься всередині паливних таблеток. Великий витік радіації може статися тільки при руйнуванні містять тепловиділяючих елементів. Однією з причин руйнування ТВЕЛів може бути їхнє плавлення під впливом високої температури.

Протягом останніх 15-20 років системи швидкого прототипування та напівнатурного моделювання допомагають проектувати – створювати досконалішу логіку систем управління. Наразі нові технології розширюють застосування таких систем для прискореного проектування.

Людська цивілізація постійно розвивається. Однак технічний прогрес, як і багато в нашому світі, має дві сторони: він робить наше життя комфортнішим, але його постійний супутник техногенної катастрофи. Причому що далі ми йдемо шляхом технічного прогресу, то масштабніші наслідки катастроф. Візьмемо, наприклад, одну з найбільших в історії техногенних катастроф — аварію на Чорнобильській АЕС, де до трагедії привели дії персоналу станції, який сам відключив автоматику, здатну запобігти біді. А на сумно відомому хімічному заводі в індійському Бхопалі, де 1984 року від отруйного викиду постраждали півмільйона людей, автоматика була несправна або взагалі демонтована для ремонту.

На підприємствах атомної, нафтової, газової, хімічної промисловості, а також будівельної індустрії широко використовується обладнання, що працює за високих температур і надлишкового тиску. Воно являють собою виробничу технологічну небезпеку, тому що при порушенні їх нормального режиму експлуатації або внаслідок дефектів при їх виготовленні можуть відбуватися вибухи, що супроводжуються руйнуванням будівель та обладнання, травматизмом та загибеллю людей, значними матеріальними та соціальними збитками.

Вибухи можуть бути наслідком перегріву, перепадів тиску, вібрації, гідравлічного удару та ін. На АЕС основна частина продуктів поділу в типовому реакторі міститься всередині паливних таблеток. Великий витік радіації може статися тільки при руйнуванні містять тепловиділяючих елементів. Однією з причин руйнування ТВЕЛів може бути їхнє плавлення під впливом високої температури.

Протягом останніх 15-20 років системи швидкого прототипування та напівнатурного моделювання допомагають проектувати – створювати досконалішу логіку систем управління. Наразі нові технології розширюють застосування таких систем для прискореного проектування.

1. Актуальність теми

З метою запобігання аварійним ситуаціям та техногенним катастрофам на виробництвах необхідні гібридні інтелектуальні системи, які автоматично контролюють, попереджають, захищають та сповіщають оператора про події критичного характеру, що виникають на реально функціонуючому об'єкті. Створення такої інформаційної системи є актуальним питанням.

Автоматична інформаційна система вимірювань, реєстрації та контролю - це апаратно-програмний комплекс, що реагує на непередбачуваний потік зовнішніх подій. Пристрій має реагувати на події критичного характеру, що виникають на об'єкті. Навіть якщо дві або більше зовнішні події протікають одночасно, система повинна встигнути реагувати на їх підвищення/зниження.

2. Мета та завдання дослідження, плановані результати

Мета роботи - створення системи напівнатурного моделювання процесів керування гібридним комплексом з використанням засобів графічного програмування.

Для досягнення мети було поставлено такі завдання:

  1. Створити модель функціонування енергокомплексу з використанням технології «віртуальний прилад» при її напівнатурному моделюванні.
  2. Вивчити основи програмування серед LabVIEW.
  3. Розробити в середовищі програмування LabView 2019 автоматизовану систему реєстрації та контролю результатів моделювання.
  4. Реалізувати інтерфейс діалогу дослідника з моделлю для перевищення порогового значення критерієм якості процесу.
  5. Розробити дизайн графічного представлення у динаміці результатів моделювання на створеній моделі.

Очікуваними результатами роботи є розроблена з використанням засобів графічного програмування модель енергосистеми з можливістю напівнатурного моделювання процесів керування гібридним комплексом.

В якості предмета дослідження розглядається комп'ютерна модель енергокомплексу, створена із застосуванням технології «віртуальний прилад», що допускає поєднання з натурними моделями та досліджуваними технічними пристроями під час контролю процесу випробувань комплексу.

Технологія «віртуальний прилад» дозволяє створювати системи вимірювання, управління та діагностики систем різного призначення та практично будь-якої складності, включаючи математичне моделювання та тестування цих систем, що є однією з нових та революційних технологій.

Новизна застосування віртуального приладу полягає у поєднанні фізичного експерименту та комп'ютерних технологій за рахунок створення імітаційної моделі досліджуваної установки. Розроблено підхід до автоматизації процесу контролю та фіксації показань досліджуваних процесів на базі програмного забезпечення LabVIEW.

Для вирішення поставлених завдань застосовувалися методи перевірки засобів вимірювань, метод імітаційного моделювання під час створення віртуальних моделей. Експериментальна перевірка працездатності пристрою.

3. Програмне забезпечення LabVIEW

National Instruments LabVIEW [10] є високоефективним середовищем графічного програмування, в якому можна створювати гнучкі та масштабовані програми вимірювань, управління та тестування з мінімальними тимчасовими та грошовими витратами. LabVIEW поєднує в собі гнучкість традиційної мови програмування з інтерактивною технологією Експрес ВП, яка включає автоматичне створення коду, використання помічників при конфігуруванні вимірювань, шаблони додатків і настроювані Експрес ВП. Завдяки цим особливостям і новачки, і експерти можуть легко та швидко створювати програми в LabVIEW. Інтуїтивно зрозумілий процес графічного програмування дозволяє приділяти більше уваги вирішенню проблем, пов'язаних із вимірами та управлінням, а не програмування.

Додатки, написані в LabVIEW, знаходять застосування в усьому світі в різноманітних галузях промисловості:

LabVIEW може використовуватись на всіх етапах технологічного процесу: від моделювання та розробки прототипів продуктів до широкомасштабних виробничих випробувань.[9]

LabVIEW підтримує величезний спектр обладнання різних виробників. Саме це дозволяє виконувати напівнатурне моделювання, різко спрощує математичну складову комп'ютерної моделі. Дане програмне забезпечення має у своєму складі (або дозволяє додавати до базового пакету) численні бібліотеки компонентів:

Водночас LabVIEW - дуже проста та інтуїтивно зрозуміла система. Недосвідчений користувач, не будучи програмістом, за порівняно короткий час (від кількох хвилин до декількох годин) здатний створити складну програму для збору даних та управління об'єктами, що має гарний і зручний людино-машинний інтерфейс. Наприклад, засобами LabVIEW можна швидко перетворити старий комп'ютер, з звуковою картою, на потужну вимірювальну лабораторію.

4. Системи цифрової обробки сигналів

Системи цифрової обробки сигналів набувають все більшого поширення в різних практичних додатках, замінюючи традиційні аналогові системи. Успіх цифрових систем багато в чому обумовлений їхньою компактністю, забезпеченою використанням інтегральних схем великого ступеня інтеграції, і відсутністю необхідності їх настроювання та регулювання. Відомі три різні підходи до проектування систем цифрової обробки сигналів:

Причому два підходи широко використовуються для реалізації складних алгоритмів і вимагають відповідних додаткових пристроїв.

Але існує і третій принципово інший підхід. Використовуючи програмно-технічні засоби та програмне забезпечення LabView дослідник може поєднати та ув'язати роботу комп'ютерних моделей та фізичних через перетворювачі форми інформації для дослідження функціонування напівнатурного комплексу (мал. 1).

Синхронізація процесу комп'ютерного моделювання та оцінка якості роботи керованого об'єкта в реальному масштабі часу

Малюнок 1 – Синхронізація процесу комп'ютерного моделювання та оцінка якості роботи керованого об'єкта в реальному масштабі часу
(Анімація: 8 кадрів, нескінченна кількість циклів повторення, 181 кілобайт)

Це забезпечує масу переваг, т.к. наближає умови моделювання до натурних і дозволяє уникнути труднощів відтворення нелінійних властивостей технічних компонентів досліджуваної системи. При цьому найважливішу роль відіграє процедура прототипування складних моделей при заміні їх простими прототипами, але акцентованими на достовірному відтворенні цікавих аспектів їх впливу на інцидентні вузли.

5. Прототипування

Поняття «прискорене прототипування» має особливе значення в кожному конкретному випадку. Йтиметься, наприклад, про створення гібридних моделей об'єктів, про дослідження деталей перед серійним виробництвом, про тестування коду для спеціалізованих інтегральних мікросхем за допомогою технології ПЛІС (Програмована логічна інтегральна схема) [1]. В даному випадку розглядаються методи прискореного прототипування, які застосовуються для тестування керуючих алгоритмів в умовах реального часу, перед запуском управління безпосередньо на системі, що вбудовується, що є основним завданням інженерів, що займаються моделюванням та синтезом гібридних систем управління.

Нові системи дозволяють тестувати прототипи натурних компонентів у реальному часі за допомогою модельного оточення, зменшуючи необхідність проведення дорогих або руйнівних випробувань чи розробки та використання для проектування складних математичних моделей багатозв'язкових узгоджувальних вузлів.

Перші системи прототипування давали можливість інженерам за допомогою тестування перевіряти алгоритми нових проектів та інтеграцію програмного та апаратного забезпечення на початковому етапі проектування. Ці оригінальні системи, які представляли, як правило, спеціалізовані макетні установки, що розроблялися в автомобільній та аерокосмічній галузях.

Порівняно недавно з'явилися комерційні моделі програмних та апаратних систем, які змогли забезпечити можливості швидкого прототипування та напівнатурного моделювання. Фірми-постачальники пропонували стандартні конфігурації систем, зазвичай що базуються на цифрових сигнальних процесорах (DSP) [2] або на просунутих мікропроцесорах, наприклад Digital Alpha [3] або PowerPC [4].

6. Промислове застосування

Системи швидкого прототипування та напівнатурного моделювання були особливо потрібні в автомобільній промисловості. При проектуванні автомобілів введення/виведення даних для таких функцій, як випередження запалення та кут повороту колінчастого валу, здійснювався з допомогою стандартних інтерфейсних плат. Поруч із використанням цих систем стали доступні інструментальні кошти моделювання систем, які дозволяли визначати алгоритми та інтерфейси у графічному вигляді, а також відтворювати поведінку моделей систем управління на робочій станції чи персональному комп'ютері. Після початкового імітаційного моделювання засоби моделювання сполучалися із системами швидкого прототипування та напівнатурного моделювання за допомогою автоматично генерованого коду прототипування. Оскільки кошти моделювання систем могли використовуватися разом із системами швидкого прототипування, вони стали невід'ємною частиною процесу проектування коштів керування автомобілем. Системи швидкого прототипування включали як надійні бортові системи, так і великі системи, що монтуються в стійці, підтримують велика кількість каналів введення/виводу. Стандартним процесором для систем прототипування був DSP [2] або Digital Alpha [3].

Контролер на малюнку 2 взаємодіє з установкою або двигуном через виконавчі пристрої та зчитує значення або сигнали від датчиків на установці, утворюючи замкнуту систему керування, типову для автомобільного чи аерокосмічного дизайну.

Блок-схема системи керування

Малюнок 2 – Блок-схема системи управління

Ця графічна модель може бути запущена та випробувана для перевірки роботи системи управління та цілісності моделі установки. Подібним чином автоматично генерований програмний код (мал. 3) з боку установки моделі може застосовуватися в моделюванні відгуків та роботи установки з метою тестування прототипних контролерів у реальному часі на промисловому устаткуванні напівнатурного моделювання.

Автоматичне генерування коду

Малюнок 3 – Автоматичне генерування коду

Автоматичне генерування коду застосовується для швидкого прототипування, напівнатурного моделювання та розгортання вбудованих систем.

Раніше системи швидкого прототипування та напівнатурного моделювання розроблялися або автомобільними та аерокосмічними компаніями, чи постачальниками фірмових систем. Це були унікальні вбудовані системи, які вимагали внутрішньої підтримки та обслуговуючого персоналу. Фірмові постачальники пропонували асортимент стандартних конфігурацій та, за необхідності, надавали річні контракти на технічне обслуговування та клієнтську підтримку. Системи обох типів були досить дорогими, що обмежувало їх застосування компаніями з бюджетом.

Проте такі компанії, як Eaton [5] та Caterpillar [6], залучені ціною та можливістю масштабування систем на основі ПК, почали тестування і визначили, що персональні комп'ютери можуть виконувати значну кількість завдань швидкого прототипуванню і напівнатурному моделюванню. Вони стали встановлювати системи на базі ПК на існуюче обладнання з меншими витратами на одну систему. Перші експерименти обох Підприємств привели в результаті до того, що тепер більшість їх діяльності була зосереджена на цих засобах у рамках процесу розробок вбудованих систем управління.

Компанія Eaton [5], виробник трансмісійних компонентів для вантажних автомобілів, сконструювала гнучкий прототип комбінованого вантажного автомобіля для середніх умов експлуатації, обладнаний блоком управління, розробленим за допомогою засобів модельного проектування. Оскільки ця гібридна трансмісія являла собою прототип, Eaton [5] випробувала всю систему на динамометричному часі, що працює в реальному масштабі часу стенд з комп'ютерним керуванням. Інженери Eaton [5] розробили та виконали ряд різних сценаріїв випробувань і перед випробуваннями у реальних дорожніх умовах протестували всі компоненти лабораторії. Eaton [5] тестувала блок управління як частину всієї системи на комбінованому стенді для швидкого прототипування та напівнатурного моделювання.

Щоб знизити витрати часу та коштів, а також звести до мінімуму небезпечні фактори, пов'язані з дорожніми випробуваннями, Eaton [5] також знадобилося розробити імітатор для напівнатурного моделювання Даний імітатор повинен був зімітувати в реальному часі весь силовий ланцюг вантажівок у середніх. та важких умовах експлуатації (включаючи динаміку двигуна, основну муфту зчеплення, трансмісію, карданний вал, покришки та дорогу). Імітатор також повинен був мати електричний зв'язок з важелем перемикання швидкостей, регулятором трансмісії та іншими системами автомобіля, забезпечити подачу та отримання сигналу, і навіть автоматизоване тестування з допомогою експлуатаційних даних.

В останні роки суттєво збільшилася підтримка, яку комп'ютерні системи швидкого прототипування надають пристроям вводу/виводу. Підтримка простого аналогового та цифрового введення/виводу, а також підтримка лічильників/таймерів тепер доповнена більш досконалою широтно-імпульсною підтримкою модуляції, енкодерів, лінійних/обертаючих диференціальних трансформаторів, синусно-косинусних обертових трансформаторів та інших розширених можливостей введення/виведення. Наявність компонентів комп'ютерного апаратного забезпечення у поєднанні з підтримкою програмних драйверів, а також швидке зростання продуктивності процесорів ПК підняли комп'ютерні системи швидкого прототипування на рівень продуктивності, порівнянний з рівнем фірмових систем, з меншими витратами комерційно доступне обладнання. Завдяки підвищенню продуктивності та можливостям введення/виводу ціла низка автомобілебудівних та авіакосмічних компаній ввів у свої процеси проектування комп'ютерні системи швидкого прототипування та напівнатурного моделювання.

Список джерел

  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.