CC BY
90
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
УДК 004.42
Т. О. Дугина, А. С. Бождай
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ДЛЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДЫ LABVIEW
Аннотация.
Актуальность и цели. Создание и испытание новых двигательных установок - одно из наиболее приоритетных направлений в ракетно-космической отрасли. При этом возникает необходимость разработки аппаратного и программного обеспечения для проведения стендовых испытаний и экспериментов. Использование традиционных текстово-алгоритмических языков программирования для этих целей является ресурсоемким, сложным и недостаточно наглядным путем. Цель данной работы - создание удобной для инженера технологии разработки систем мониторинга стендовых испытаний двигательных установок, использующей возможности графического программирования, а также поддерживающей гетерогенный сбор телеметрии с аналоговых и цифровых датчиков.
Материалы и методы. Используются методы графического программирования средствами блок-схем языка в, а также инструментальные возможности среды LabVIEW для разработки программного обеспечения в ракетнокосмической отрасли. При этом активно используются некоторые подходы к параллельной обработке данных, а также функционал LabVIEW в области управления внешними хранилищами данных и потокового программирования.
Результаты. Предложена функциональная структура ряда виртуальных приборов, системное использование которых составляет технологию разработки систем мониторинга и моделирования экспериментов для стендовых испытаний двигательных установок. В частности, предложена структура и графические блок-диаграммы на языке в для виртуальных приборов подготовки исходных данных для аналоговых и цифровых датчиков, самоконтроля конфигурации системы мониторинга, параллельного опроса каналов с аналоговыми и цифровыми датчиками. Рассмотрена возможность применения параллельной обработки данных для оптимизации работы системы, а также использование дисковой памяти для хранения результатов измерений.
Выводы. Представленная технология реализации основных этапов мониторинга процессов стендовых испытаний двигательных установок демонстрирует удобство данного подхода для инженеров и конструкторов, которым предоставлена возможность визуальной работы со структурными элементами и потоками данных с использованием привычных и наглядных диаграмм и схем, традиционно принятых в данной предметной области. При этом инженеру нет необходимости разрабатывать собственные структуры данных и программный код, требующие высокой квалификации в области традиционных языков и технологий программирования.
Ключевые слова: система мониторинга, стендовые испытания, датчики физических величин, LabVIEW, технология разработки, графический язык программирования, параллельная обработка данных, потоковое программирование.
T. O. Dugina, A. S. Bozhday
DEVELOPEMNT OF THE MONITORING SYSTEM FOR BENCH TESTS OF PROPULSION SYSTEMS USING LABVIEW
Abstract.
Background. The most important direction in rocket and space branch of industry is designing and testing of propulsion system. It demands the development of hardware and software for the bench tests and experiments. In this case the using of traditional textual and algorithmical programming languages is not rational because it is complicated, resource intensive and not clear. The object of this work is to prepare the development of the monitoring system for bench tests of propulsion system which would be comfortable for engineers, would use the means of graphical programming and support the heterogeneous collection of telemetry by analog and digital sensors.
Materials and methods. The paper considers the usage of methods of graphical programming G language and the tools of the LabVIEW Design System in the development of software for rocket and space branch of industry. Also this paper includes a description of usage of some approaches to parallel dataflow processing and usage of disk area by LabVIEW tools.
Results. This paper suggests a functional structure of some virtual instruments (VIs), system usage of which composes the development technology of the monitoring systems and the modeling experiments for the bench tests of propulsion systems.
For example, the authors suggest a structure and graphic block maps in G language for virtual tools of original data preparation for analog and digital sensors, slef-control of monitoring system configuration, scanning of channels with analog and digital sensors. Also the paper considers the possibility of parallel data processing for system’s work optimization and usage of disk area for monitoring results storaging.
Conclusions. The paper describes the technology of realization of the fundamental stage of monitoring which demonstrates the rationality of using LabVIEW Design System because it allows the visual work with simple structure and dataflow. This method is the most familiar for the engineers who often work with the diagrams and schemes in this subject area. Also it allows expelling the design of the complicated and bulky data structure and the specific code which need high qualification in textual programming languages.
Key words: monitoring system, bench tests, sensors of physical quantities, LabVIEW, graphical programming language, parallel processing, dataflow programming.
Введение
Создание двигательных установок является одной из приоритетных задач ракетно-космической отрасли. Характерной особенностью подобных задач является проблема отладки и тестирования двигательных установок, решение которой в реальных условиях затруднительно. В некоторой степени данную проблему позволяют решать стендовые испытания, однако их орга-
низация также является дорогостоящей и труднореализуемой с технической точки зрения.
Неотъемлемым элементом испытательных стендов являются датчики физических величин. Развитие научно-технической базы в последние несколько десятилетий позволило добиться значительных успехов в разработке цифровых датчиков физических величин (ЦДФВ), которые и нашли здесь свое применение. Однако на данном этапе ЦДФВ не вытеснили до конца аналоговые датчики (АДФВ), которые являются для инженеров-испытателей более привычными.
Применение разнообразных датчиков на испытательных стендах требует разработки соответствующего программного обеспечении (ПО) для их информационного взаимодействия с блоком сбора данных (БСД). Как правило, в настоящее время достаточно часто используются системы мониторинга, реализованные с помощью текстовых языков программирования, например Си и Delphi, причем для работы с АДФВ и ЦДФВ существуют только раздельные системы. Однако в процессе модернизации стендовой базы и более широкого внедрения ЦДФВ как закономерного этапа развития необходимо также и совершенствование соответствующих систем мониторинга.
Задачи разработки и совершенствования таких систем требуют нахождения реализуемых и повторяемых решений в кратчайшие сроки, в результате чего использование текстовых языков программирования может оказаться нерациональным. Более эффективным и удобным инструментальным средством в данной сфере являются графические языки по причине использования графических образов и символов, что позволяет инженерам и ученым оперировать привычными и наглядными диаграммами и схемами. Среди современных программных решений для разработки интеллектуальных измерительных систем можно особо выделить графический язык G среды Lab-VIEW [1].
LabVIEW (англ.: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) - среда разработки и платформа для выполнения программ, использующая графический язык G, от фирмы National Instruments. По аналогии со SCADA-системами среда ориентирована на разработку систем сбора, обработки и анализа данных, поступающих с внешних источников. Однако различие заключается в том, что LabVIEW поддерживает потоковое программирование и позволяет разрабатывать виртуальные приборы (ВП) для моделирования экспериментов. Это возможно благодаря расширенной палитре функций: классические функции программирования, функции работы с внешними источниками данных (стандартные интерфейсы COM, USB, GPIB, ресурсы сетей Ethernet, базы данных и др.), функции драйверов и задач измерения и многие другие. Такое множество функций позволяет максимально упростить реализацию системы мониторинга за счет возможностей инструментальной среды. LabVIEW не требует изучать специфический синтаксис либо адаптировать модели прикладной области к возможностям языка и при этом предоставляет для работы интуитивно понятные структуры [2].
Функциональные возможности LabVIEW, в отличие от других сред программирования, оптимизированы для выполнения инженерных и исследовательских работ: блок-диаграммы языка G удобнее для ученых и инженеров, поскольку позволяют осуществлять визуальную обработку данных, модели-
ровать процессы с помощью блок-схем и диаграмм состояний, которые также отражают потоки данных.
1. Организация системы мониторинга двигательных установок
Функционирование системы мониторинга двигательных установок (ДУ) определяется прохождением ряда необходимых этапов:
1) этап конфигурирования системы мониторинга;
2) этап обнаружения датчиков в соответствии с заданной конфигурацией;
3) этап опроса паспортных данных датчиков;
4) этап измерения физических величин (давления, температуры и др.) в режиме реального времени в ходе испытания.
Первые три этапа иногда условно объединяют в одно целое - этап подготовки исходных данных. Функционал данного укрупненного этапа позволяет задавать конфигурацию, проверять работоспособность установленных в системе датчиков, а также сохранять данные о текущей конфигурации системы и при необходимости изменять ее.
Предлагаемая технология мониторинга ДУ обеспечивает подключение ЦДФВ к БСД через COM-порт, интерфейс RS-485 которого используется в полудуплексном режиме. Альтернативным вариантом подключения датчиков является беспроводное соединение [3], однако в условиях стендовых испытаний использование COM-портов для подключения является наиболее оптимальным с точки зрения надежности и стоимости.
2. Реализация этапа подготовки исходных данных для АДФВ и ЦДФВ
Этапы работы системы мониторинга ДУ реализуются разными способами для АДФВ и ЦДФВ, поэтому на всех этапах, кроме этапа измерений, для разных видов датчиков реализуются разные ВП.
Для работы с АДФВ в LabVIEW необходимо использовать функции сбора данных DAQmx, относящиеся к поколению драйверов NI-DAQ для связи с приборами. Данные функции позволяют выбирать класс измерений и сигналов, в частности, аналоговый ввод и вывод [4]. Такая функция привязывается к конкретному физическому каналу с одним аналоговым датчиком. Типы аналоговых датчиков и их параметры жестко задаются внутри разрабатываемой программы, что является некоторым минусом использования АДФВ по сравнению с ЦДФВ.
Использование ЦДФВ позволяет устанавливать несколько датчиков на один физический канал. Поэтому для них процесс конфигурирования системы заключается в задании количества и типов датчиков, подключенных к каждому из используемых каналов. Встроенные инструменты Visa Serial Port среды LabVIEW позволяют реализовать автоматическое обнаружение рабочих COM-портов в виде двух простых виртуальных приборов. Такой подход эффективнее использования текстовых языков программирования (например, Си), которые требуют разработки и заполнения громоздких структур данных, высокой квалификации программиста (манипулирование «чистыми» WinAPI-функциями) и большого объема кода [5].
Обнаружение ЦДФВ реализуется за счет алгоритма последовательного опроса внутри каждого из каналов. В случае присутствия в системе датчик с соответствующим идентификатором посылает в канал свой тип и номер. Для
устранения проблемы возможных коллизий устанавливается временная задержка между отправкой запроса в канал и считыванием данных из буфера СОМ-порта. ВП обнаружения не имеет отображаемой лицевой панели и реализуется в виде блок-диаграммы с организацией параллельного опроса каналов системы (рис. 1).
Рис. 1. Блок-диаграмма ВП обнаружения ЦДФВ
На данном этапе разработки системы мониторинга ВП обнаружения реализует параллельный опрос пяти каналов одновременно за счет использования объектов синхронизации. При конфигурации системы в шесть каналов и больше ВП опрашивает параллельно пять первых каналов, после чего переходит ко второй пятерке, либо меньшему числу оставшихся каналов. Подобное ограничение предлагается исключительно для удобства отладки, однако теоретически возможна организация и параллельного поиска ЦДФВ сразу по всем каналам системы.
Механизм опроса паспортных данных ЦДФВ схож по реализации с механизмом обнаружения. Разница заключается в наличии блоков формирования команды и расшифровки ответов датчиков (рис. 2), а также в том, что опрос каналов осуществляется не параллельно, а последовательно.
Такой подход к автоматизированному обнаружению ЦДФВ и опросу их паспортных данных существенно повышает адаптивность всей системы мониторинга, что выгодно отличает предлагаемую технологию от существующих аналогов.
3. Организация контроля за конфигурацией системы
В ходе функционирования системы мониторинга ДУ важную роль играют средства контроля за ее конфигурацией, позволяющие в автоматизированном режиме генерировать конфигурационные отчеты (с возможностью интерактивного контроля и сохранения результатов на жесткий диск) (рис. 3).
Channels
Array In Channels
Рис. 2. Блок-диаграмма ВП получения паспортных данных ЦДФВ
Рис. 3. Интерфейс ВП отображения конфигурации системы
Средства текстовых языков программирования чрезмерно усложняют процесс программного создания и форматирования подобных файлов. Среда LabVIEW позволяет формировать документы формата «*.doc», однако для этого требуется наличие предустановленного пакета Microsoft Office, что тоже не оптимально [4]. Данная проблема решается подключением дополнительной библиотеки Exaprom PDF, которая представляет собой бесплатный набор инструментов для генерации отчетов в формате PDF. Результат работы ВП автоматического создания отчета приведен на рис. 4.
4. Реализация этапа измерений физических величин
Главной проблемой систем мониторинга подобного класса является число используемых датчиков: индивидуальный опрос каждого из них требует выделения вычислительных и временных ресурсов [6]. В условиях, когда измерения осуществляются в определенный, ограниченный период времени, применение такого способа может привести к несвоевременному получению данных, либо к их потере. Поэтому целесообразнее использовать параллельную обработку данных, что позволит получать данные через фиксированные промежутки времени, минимально возможные в условиях конкретного стенда.
Среда LabVIEW, реализующая принципы потокового программирования, позволяет автоматически распараллеливать выполнение кода. Поэтому разработка многопоточных приложений в данном случае является достаточно
простой задачей. Участки кода, имеющие параллельно расположенные узлы, определяются встроенным компилятором. Для их исполнения реализуются отдельные потоки, т.е. параллелизм может обеспечиваться автоматически средствами инструментальной среды, а не специально написанным кодом. Также возможно использование объектов синхронизации и тактируемых структур. Последние позволяют реализовать повторение фрагментов кода в определенном порядке с заданными задержками и временными интервалами, причем приоритет выполнения и временные характеристики могут изменяться динамически. В текстовых языках с последовательным выполнением команд организация параллельных процессов всегда должна быть реализована явным образом, при этом она сопряжена с большим объемом исходного кода и требует от разработчика специальных знаний.
Конфигурация системы
05.12*2013, 2:14
Конфигурация канала COM4
Сегмент. номер Тип и номер датчика Вес ед. МЗР Нач. точка Код ед. иэы. Вес ед. МЗР Т Нач. точка Т Код ед. иэы. Т Коэф. А Коэф. В Коэф. С
1 ДДВ018 ( 020008} 0 г 0 09766 0,000000 2 - - - - - -
2 ПЛИ088 ( 020004} - - 21 - - - 0,000000 ОгОООООО 0,010742
3 ПЛИ088 { 020006} - - 21 - - - 0,000000 0,000000 о,оооооо
Рис. 4. Пример страницы отчета о конфигурации системы
Упрощенный вариант организации параллельного опроса каналов с АДФВ и ЦДФВ схематично изображен на рис. 5. Тактируемые циклы позволяют строго задать период итерации, временную задержку между итерациями и приоритет, что позволяет синхронизировать процесс опроса датчиков по времени. Обмен данными между циклами организуется с помощью функций очередей. Эти функции используются для накопления данных в очереди с последующим их извлечением в виде отдельных элементов или массива всех элементов. Это позволяет не только распараллелить опрос различных каналов, но и вынести обработку полученных с АДФВ отсчетов в отдельный цикл. Пример реализации опроса каналов с ЦДФВ приведен отдельно на рис. 6. Таким образом, существенно возрастает производительность системы, что приводит к увеличению точности и своевременности результатов мониторинга.
Значительное количество датчиков в системе, а также продолжительные периоды их опроса ставят под сомнение возможность использования оперативной памяти для хранения результатов измерений. Среда LabVIEW позволяет накапливать данные на дисковой памяти, обеспечивая произвольный доступ к ним, высокую скорость записи/чтения при общей компактности хранения. При этом на физическом уровне генерируются двоичные файлы (с расширением гетерогенных потоков данных - от числовых последо-
вательностей до осциллограмм и цифровых таблиц. Кроме того, среда позволяет встраивать в разрабатываемое графическое ПО стандартные диалоговые интерфейсы просмотра Мш8-файлов (рис. 7).
University proceedings. Volga region
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Щ TDMS File Viewer
File contents * Pcoperties Values (table) 1 Analog values [graph] 1
Э j 2013-12-05-02-16. tdma 0 -j Measured Data Ш1И088-020004/C0H4 ПЛИ088-020006/C0H4 Ч-1Ш
8E+27-
ЩАВ102-010001/C0H2;
ДДВ018-020008/С0И4 7E+27- 6,5E+27- ■
6E+27-M S,5E+27- I 1
S S 5E+27-^ о 4,5E+27- 1 I I Hi 1
iiiiii iiiii iiiiii
2,5E+27- Ii ■ iii
mi iiiiii iiiiii Iiiiii iiiii
l,5E+27- 1E+27- ii I HI iii III! fill ill
5E+26- ii I! III II II ID i III !l! ill
< nil ,| f> - 0 3:00:00,000 [Settings... | Loaded values ... 3: 00000 0:50, 000 [] 3:01:^ 0,00 elp 3:02:16,933 I Quit |
Рис. 7. Окно просмотра результатов измерений
Таким образом, разработка ВП для этапа измерений сводится к реализации параллельных узлов для СОМ-портов с использованием стандартных интерфейсов сбора данных, механизмов управления очередями и дисковой памятью, а также некоторыми функциями для работы с временными параметрами мониторинга.
Для обеспечения возможности переносимости ПО используется ВП автоматического определения свойств конкретного аппаратного обеспечения, а также соответствующие встроенные инструменты LabVIEW: при компиляции в установочный файл целесообразно включить компонент LabVIEW RunTime Engine, что позволит использовать разрабатываемую систему мониторинга на компьютерах, где не установлена данная среда программирования.
Заключение
Разработка систем мониторинга двигательных установок, основанных на обмене данными через различные порты, затруднительна без использования специализированных функций обработки внешних потоков данных. Отсутствие подобных функций в текстовых языках программирования, необходимость в дополнительных объемных структурах данных, а также чрезмерная сложность и громоздкость кода - все это делает неудобным использование таких языков для данного класса задач.
Предлагаемая технология позволяет реализовать систему мониторинга двигательных установок в виде наглядных и простых в сопровождении блок-диаграмм ВП. Наличие в среде LabVIEW специализированных инструментов дает возможность организовать работу с цифровыми и аналоговыми датчиками, обработку событий интерфейса, а также оперативное создание и отображение графиков и диаграмм. Кроме того, ускоряется и упрощается реализация параллельной обработки данных.
Появление цифровых датчиков физических величин как закономерного этапа развития датчико-преобразующей аппаратуры приводит к постепенному вытеснению аналоговых датчиков. Однако последние более привычны для инженеров испытательных стендов, поскольку являются хорошо знакомым, проверенным и отлаженным инструментом измерения и контроля. Достоинством предлагаемой технологии является возможность частично заменить датчики на цифровые, не исключая при этом из работы аналоговые. Это позволяет пользователям системы работать в гетерогенной (цифро-аналоговой) измерительной среде, выгодно сочетая преимущества обоих подходов.
Список литературы
1. Катков, А. Н. Принципы разработки интеллектуальных измерительных систем на базе LabVIEW / А. Н. Катков, В. Н. Новиков // Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments : сб. ст. XI Междунар. науч.-практ. конф. - М., 2012. - С. 68-70.
2. National Instruments LabVIEW. Быстрая разработка // Официальный сайт National Instruments. - URL: http://www.labview.ru/labview/what_is_labview/rapid_development. php (дата обращения: 7 сентября 2013 г.).
3. Бершадский, А. М. Разработка и моделирование гетерогенных
инфраструктур для беспроводного информационного обеспечения процессов мониторинга / А. М. Бершадский, А. Г. Финогеев, А. С. Бождай // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. -№ 1 (13). - С. 36-45.
4. Суранов, А. Я. LabVIEW 8.20. Справочник по функциям / А. Я. Суранов. -М. : ДМК Пресс, 2007. - 536 с.
5. Яшкардин, В. Программирование COM-портов. Все о промышленном программировании / В. Яшкардин. - URL: http://www.softelectro.ru/proglang.html (дата обращения: 3 апреля 2013). Загл. с экрана.
6. Богомолова, Н. Е. Стратегия группового опроса датчиков в сетях мониторинга / Н. Е. Богомолова, А. Ю. Маликов // Наука и Образование. - 2012. -№ 5. - С. 347-352.
References
1. Katkov A. N., Novikov V. N. Inzhenernye i nauchnye prilozheniya na baze tekhnologiy National Instruments: sb. st. XI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. [Engineering and scientific application on the basis of the National Instruments technologies: proceedings of XI International scientific and practical conference]. Moscow, 2012, pp. 68-70.
2. Available at: http://www.labview.ru/labview/what_is_labview/rapid_development. php (accessed 7 September 2013).
3. Bershadskiy A. M., Finogeev A. G., Bozhday A. S. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tekhnicheskie nauki [University proceedings. Volga region. Engineering sciences]. 2010, no. 1 (13), pp. 36-45.
4. Suranov, A. Ya. LabVIEW8.20. Spravochnikpofunktsiyam [LabVIEW 8.20. Function reference]. Moscow: DMK Press, 2007, 536 p.
5. Yashkardin V. Programmirovanie COM-portov. Vse o promyshlennom programmiro-vanii [COM port programming. Everything about industrial programming]. Available at: http://www.softelectro.ru/proglang.html (accessed 3 April 2013).
6. Bogomolova N. E., Malikov A. Yu. Nauka i Obrazovanie [Science and education]. 2012, no. 5, pp. 347-352.
Дугина Татьяна Олеговна студентка, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Бождай Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор, кафедра систем автоматизированного проектирования, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Dugina Tat'yana Olegovna Student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Bozhday Aleksandr Sergeevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of CAD-systems, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 004.42 Дугина, Т. О.
Технология разработки системы мониторинга для стендовых испытаний двигательных установок с использованием среды LabView /
Т. О. Дугина, А. С. Бождай // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 1 (29). - С. 5-16.
