Дипломный проект тема работы разработка программного обеспечения устройства имитации тестовых сигналов
 Скачать 1.15 Mb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Автоматизация технологических процессов является важным направлением, в котором развивается производство во всем мире. Вся выполняемая ранее человеком работа, причем не только физическая, но и интеллектуальная, постепенно стремиться перейти к автоматизированному техническому процессу, который сам осуществляет производственные и прочие циклы, управляет и контролирует ими. Роль человека постепенно сводится к контролю за автоматическим процессом во многих отраслях, а не посредственное участие в нем. Автоматизация позволяет значительно увеличивать производительность труда, повысить точность производства, безопасность, экологичность, позволяет улучшать качество продукции и намного рациональнее использовать ресурсы производства, в том числе, и потенциал человека. Любой технологический процесс направлен на осуществление конкретной цели, изготовления конечной продукции, или получения иного промежуточного результата. Так, для поддержания стабильного и точного производства, необходима исправная и постоянная работа всего процесса. Для этого необходимо поддерживать все технические средства в рабочем состоянии, обеспечивающие правильные, точные показания. Следовательно, необходимы средства для проверки работоспособности системы, нахождения неисправностей и проведения качественных ремонтных работ. Одним из таких, является устройство формирования тестовых сигналов. Для которого разрабатывается программное обеспечение моей выпускной квалификационной работы. 16 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист Провер. Н. Контр. Ефремов Утверд. Горюнов Листов Консульт Лит. Разраб. Аналитический обзор 643.ФЮРА.00006 – 01 81 01 Рыбников Обходский TПУ ФТИ Группа 0711 1 Аналитический обзор существующих решений 1.1 Актуальность Без применения автоматизации технологических процессов в современном обществе не обходится ни одна отрасль производства. Наибольшее распространение получило внедрение и проектирование АСУ ТП в нефтяной, газовой и атомной промышленности, ЖКХ, энергетика, металлургия и многие другие. В АСУ ТП объектами управления являются технологические процессы, представляющие совокупность способов и средств проведения конкретных производственных операций по изготовлению промышленной продукции. В таких системах осуществляют контроль технологических параметров, определяющих режим и качество обработки, состояние механизмов и прочее. Задачей управления является оптимизация этих параметров. АСУ ТП характеризуется возможностью полного исключения человека, из контура управления. Согласно межгосударственному стандарту (ГОСТ 24.10-85), в АСУ должны быть предусмотрены контроль правильности выполнения автоматизируемых функций и диагностирование, с указанием места, вида и причины возникновения нарушений правильности функционирования АСУ. В системах имеющих измерительные каналы, должна быть предусмотрена возможность контроля метрологических характеристик измерительных каналов [1]. В настоящее время в области АСУ ТП применяется большое количество различного измерительного оборудования. При введении такого оборудования в эксплуатацию, ремонту, демонтажу, необходимо проверка его работоспособности. 17 Пусконаладочными работами является комплекс работ, включающий проверку, настройку и испытания электрооборудования с целью обеспечения электрических параметров и режимов, заданных проектом [7]. Для проверки их работоспособности необходим программно-технический комплекс, позволяющий формировать и принимать различного рода сигналы. Проведение проверки общей работоспособности и специальных функциональных возможностей измерительного и диагностического оборудования должно осуществляться как в лабораторных условиях, так и для тестирования оборудования в условиях эксплуатации. 1.2 Решения для тестирования средств АСУ ТП от L-CARD L-CARD – российская высокотехнологичная компания в области проектирования и производства электронного оборудования промышленной автоматизации с 1989 года и в настоящее время является одной из лидирующих. Компания ориентирована на мелкосерийное производство высококлассных изделий как для оснащения небольших узлов промавтоматики, так и для крупных объектов. Решение компании L-CARD представляет собой отдельные программные обеспечения, предназначенные для тестирования и управления отдельных видов модулей УСО. Примером такого ПО является LWP-Studio II (рисунок 1), предназначенного для анализатора качества электроэнергии таких как LPW- 304, LPW-305, LPW-306. (рисунок 2). Контроллер производит измерения параметров качества электрической энергии по трем каналам напряжения и трем каналам тока с передачей по интерфейсам Ethernet, RS-485 или RS-232, по протоколу MODBUS. Сигнал поступает на ЭВМ удаленного пульта управления, где установлено ПО для этого модуля. 18 Рисунок 1 – Интерфейс программы LWP-Studio II В зависимости от выбранного интерфейса скорость передачи сигнала с устройств, связанных с пультом управления, самым быстрым из которых является Ethernet [8]. Программное обеспечение, LWP-Studio II, разработанное для управления и тестирования этого модуля, имеет возможность внутренней настройки параметров прибора при выборе диапазона входных напряжений, токов, схемы подключения, параметров соединения. Рисунок 2 – Анализатор качества электроэнергии LPW-305 Позволяет настраивать прибор на длительную автономную работу по сбору данных во внутреннюю память, на случай отсутствия возможности отслеживания в режиме Online. Что является полезным на стадии 19 тестирования. При эксплуатации модуля в рабочем режиме, программный комплекс позволяет получать и отображать параметры качества электрической энергии в режиме Online. Полученные данные отображаются в текстовом виде, в виде диаграмм с возможностью экспорта в файлы .xlsx и .docx. Реакция прибора на различные события, например, выхода параметров ПКЭ за установленные пределы, отображается в интерфейсе программы. LWP-Studio II, позволяет обновлять внутреннее программное обеспечение прибора LPW-305, в случае если оно выйдет из строя. В случае подключения нескольких приборов одной серии по Ethernet, возможно тестирования и управления всеми сразу при помощи одного ПО. Одним из главных недостатком является узкая направленность. Каждое разработанное ПО, направленно для тестирования приборов, разрабатываемого сомой компанией L-CARD. Нет возможности тестирования приборов других производителей. Еще одним недостатком является, отсутствие тестирования входных цепей формирования или измерения сигналов. Стоимость модуля совместно с программным обеспечением , составляет 60400 р [2]. 1.3 Решения для тестирования средств АСУ ТП от National Instruments National Instruments, или NI (NASDAQ: NATI) — американская компания, насчитывающая свыше 6000 сотрудников и имеющая представительства в 41 стране мира. Штаб-квартира компании расположена в г.Остин, Техас. National Instruments является одним из мировых лидеров в технологии виртуальных приборов и в разработке и изготовлении аппаратного и программного обеспечения для систем автоматизированного тестирования. Разработки компании National Instruments можно рассмотреть на примере регистратора сигналов NI 9219. Это Универсальный модуль, 20 предназначен для многоцелевого использования (рисунок 3). Каждый из измерительных каналов может быть сконфигурирован для работы с отдельным типом входного сигнала от датчиков. Рисунок 3 – Регистратор сигналов NI 9219 В качестве источников сигнала к модулю можно подключать датчики напряжения, тока, температуры, датчики деформации и другие. Удаленное управление осуществляется при помощи графической среды разработки LabVIEW. NI 9219 имеет шестиканальный разъем, обеспечивающий подключение четырех каналов аналогового ввода. Четыре 24-разрядных аналого-цифровых преобразователя (АЦП) одновременно оцифровывают четыре входных аналоговых канала. Схема возбуждения применяется во всех входных режимах, в которых необходимо возбуждение. АЦП совместно со схемами возбуждения реконфигурируются в каждом режиме для согласования с каждым типом датчика. На рисунке 4 представлена входная цепь для одного канала NI 9219. Схема запуска модуля NI 9219 имеет встроенную защиту по току и по напряжению. Схема автоматически переводится в выключенное состояние при вхождении в недопустимый режим работы. Диапазон измерений меняется в зависимости от типа сигнала и составляет до ± 60 В по напряжению и до ±25мА по току. 21 Рисунок 4 – Входная цепь для одного канала NI 9219 поддерживает только интеллектуальные датчики IEEE 1451.4 TEDS Class II, что является минусом если необходимо проверка датчиков работающих по другими. Режим цифрового ввода поддерживается только платформами CompactRIO и не имеет возможности подключения к другим. При использовании шасси CompactRIO модули автоматически формируют данные в необходимом формате отображения и передаются на пульт управления. Данный модуль поддерживает спящий режим с низким энергопотреблением. В спящем режиме, невозможно подключать модули, система потребляет минимальное количество энергии и рассеивает меньше тепла, чем в нормальном режиме работы [6]. LabVIEW – это графическая среда разработки, виртуальный прибор, который обеспечивает удаленное программное тестирование и управление. Позволяет создавать специализированный интерфейс пользователя с поддержкой drag-and-drop, таких как поворотные ручки, движки, тумблеры и различные индикаторы. Автоматически поддерживает параллельные многопоточные вычисления, что позволяет достигать лучших показателей производительности, обрабатывать более крупные массивы данных, использовать более сложные вычисления. Визуальные отладочные средства делают процесс оптимизации кода для параллельных вычислений простым и наглядным. Позволяет считывать и записывать двоичные данные, текстовые и XML-файлы. Подключение к любым устройствам и приборам может осуществляться при помощи USB, RCI, Ethernet, RXI и многих других [4]. Виртуальный прибор состоит из основных трех частей. Это лицевая панель, 22 представляющая пользовательский интерфейс виртуального прибора. Ввод данных осуществляется с мыши и клавиатуры после данные в виде текста, диаграмм и в любом другом, отображаются на мониторе. Второй частью является блок-диаграмма, сто представляет и себя исходный программный код виртуального прибора. Компонентами блок-диаграммы являются: виртуальные приборы более низкого уровня, встроенные функции LabVIEW, константы и структуры управления выполнением программы. Объекты на лицевой панели представлены в виде блок-диаграмм в качестве терминалов, где происходит переход данных от пользователя к программе и обратно. Третьей частью является иконка и соединительная панель. Иконка – это графическое представление виртуального прибора, которая может использоваться в качестве объекта на блок-диаграмме другого виртуального прибора. Соединительная панель передает данные в виртуальный прибор из блок-диаграмм и определяет входные и выходные данные виртуального прибора [9]. Как и многие зарубежные аналоги, это решение имеет высокую стоимость. Например, регистратор сигнала с датчиков NI 9219, вместе с ПО LabVIEW, возможно приобрести по цене 155300 р. И на сегодняшний день не каждая отечественная компания может себе позволить закутиться подобным оборудованием. Еще одним главным недостатком является отсутствие возможности аппаратного управления [4]. 1.4 Решения для тестирования средств АСУ ТП от АКТАКОМ Торговая марка Актаком объединяет в себе широкий спектр контрольно- измерительной аппаратуры мирового класса. Компания Актаком лидер в поставках измерительного оборудования и приборов от зарубежных и отечественных производителей. Под маркой Актаком выпускается только 23 гарантированно надежное оборудование для решения широкого круга измерительных задач. Компания АКТАКОМ осуществляет проверку различных модулей УСО большим количеством приборов, каждый из которых имеет собственное программное обеспечение. Приставляют они различные отдельные осциллографы, генераторы, анализаторы и прочие приборы. Некоторые приборы имеют возможность удалённого управления, как пример, генератор сигналов произвольной формы (рисунок 5). Рисунок 5 – Генератор произвольной формы АНР-3121 USB Двухканальный виртуальный цифровой генератор сигналов произвольной формы представляет собой 12-разрядный цифровой прибор в стандартном конструктиве приборов серии «USB-лаборатория АКТАКОМ», и выдает сигнал произвольной формы или сигнал одной из стандартных форм (синусоидальная, прямоугольная, треугольная и некоторые другие) по двум каналам одновременно. Задание формы и параметров сигналов производится пользователем с помощью компьютера независимо для каждого из каналов. Отсутствие ручного управления ведет к тому, что нет возможности тестирования прибора на месте, в случае уволенного места расположения ПК. Прибор имеет общий для обоих каналов вход внешней синхронизации для запуска генерации по внешнему событию. Генератор сигналов также вырабатывает выходной сигнал для синхронизации запуска других приборов. 24 Управление прибора осуществляется при помощи программного обеспечения AKTAKOM Arbitrary Generator (рисунок 6). Рисунок 6 – Интерфейс программного обеспечения генератора сигналов произвольной формы AAG АКТАКОМ Arbitrary Generator Приложение обеспечивает обнаружение и составление списка доступных к работе приборов, подключённых к компьютеру локально (по интерфейсу USB) или через сеть Ethernet/Internet; инициализацию и тестирование выбранного экземпляра прибора. ПО обеспечивает управление всеми параметрами, доступными для настройки этого типа аппаратуры (см. описание поддерживаемых приборов) и запись данных, задающих форму сигнала, в память прибора. Данные формы сигнала могут задаваться пользователем графически, в виде математической формулы (есть встроенный калькулятор формул) или двоичной последовательности: выбраны из списка стандартных сигналов (синус, прямоугольник, треугольник, пила, вспышка, импульс) или быть загружены из ранее сохранённого файла независимо для каждого канала. Также позволяет задавать форму сигналов для двух каналов одновременно в виде параметрической кривой, т. е. в виде двухмерной фигуры Лиссажу. 25 При тестировании модулей разного назначения, аналоговых и дискретных сигналов, счетчиков импульсов и прочих, необходимо закупить большое количество оборудования, для каждого датчика отдельно, что является экономически не целесообразным. К примеру стоимость осциллографа аналогового ACK-1021 стоимость составляет 57525 рублей, генератора сигналов ADG-1010 – 28733 рублей, анализатора спектра АКС-101 – 307154 и других. Направленность каждого из приборов на один вид сигналов является недостатком, что приводит к отсутствию возможности тестирования различного вида модулей одним прибором. А так же не все приборы имеют возможность удаленного тестирования, и прилагаемого к ним ПО [4]. 26 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист Провер. Н. Контр. Ефремов Утверд. Горюнов Листов Консульт Лит. Разраб. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 643.ФЮРА.00006 – 01 81 01 Рыбников Обходский Меньшикова TПУ ФТИ Группа 0711 5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 5.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения В данной части работы проводится оценка коммерческой ценности разрабатываемого программно-технического комплекса. Стоит помнить о том, что коммерческая привлекательность исследования зависит не только от технических характеристик полученного продукта, но и от того, насколько проект востребован, какова будет его стоимость и сколько времени потребуется для выхода на рынок. На эти вопросы призвана ответить экономическая часть данной работы. Для определения конкурентоспособности продукта и направлений ее повышения большое значение имеет анализ конкурентных технических решений. Необходимо оценить их сильные и слабые стороны. Для этого может быть использована любая имеющаяся информация о продукте-конкуренте, которая может быть наглядно представлена в виде оценочной карты. Бк1 – это разработки компании National Instruments. Компания является одним из мировых лидеров в технологии виртуальных приборов и в разработке и изготовлении аппаратного и программного обеспечения для систем автоматизированного тестирования. Анализ конкурентных технических решений целесообразно проводить с помощью оценочной карты (таблица 2) 27 Таблица 2 – Оценочная карта для сравнения конкурентных технических решений (разработок) Критерии оценки Вес критерия Баллы Конкурентоспособность Бф Бк1 Кф К1 Диапазон сигналов 0,15 3 5 0,45 0,75 Виды сигналов 0,15 4 5 0,6 0,75 Удаленное управление 0,10 5 1 0,5 0,1 Виртуализация устройства 0,17 5 5 0,85 0,85 Поддержка одновременного подключения нескольких модулей разного назначения 0,25 5 3 1,25 0,75 Проверка наличия подключения к COM порту 0,08 5 1 0,4 0,08 Качество интерфейса 0,05 5 4 0,25 0,2 Простота эксплуатации 0,02 5 5 0,1 0,1 Стоимость 0,03 5 1 0,15 0,03 Итого: 1 42 30 4,55 3,61 28 В соответствии с соотношением: 4, 55 1, 3 3, 61 ; (4.1) можно сделать вывод, что разработка достаточно конкурентно способна. Из таблицы 2 можно сделать вывод о том, что наиболее важными параметрами являются удаленное программное управление и поддержка одновременного подключения нескольких модулей разного назначения. 5.2 FAST-анализ В качестве объекта fast-анализа выступает разрабатываемое устройство формирования тестовых сигналов и программное обеспечения. Основной функцией, выполняемой объектом, является проверка работоспособности тестируемых модулей АСУТП. Главная, основные и вспомогательные функции приведены в таблице 3. Таблица 3 – Функции, выполняемые устройством Наименование процесса Выполняемая функция Ранг функции Главная Основ- ная Вспо- мога- тельная Проверка корректности передачи сигнала Обеспечивает передачу сигнала на тестируемое устройство х 29 Продолжение таблицы 3 Проверка корректности приема сигнала Обеспечивает прием сигнала с тестируемого устройства х Отображение результатов приема и передачи сигналов Обеспечивает индикацию всех принятых отправленных сигналов х Далее необходимо построить матрицу смежности таблица 4. Таблица 4 – Матрица смежности Функция 1 Функция 2 Функция 3 Функция 1 = = = Функция 2 = = = Функция 3 = = = На следующем этапе необходимо построить матрицу качественных соотношений функций, нумерация функций такая же как и в предыдущей таблице: Таблица 5 – Матрица качественных соотношений функций Функция 1 Функция 2 Функция 3 Итого Функция 1 1 1 1 3 Функция 2 1 1 1 3 30 Продолжение таблицы 5 Функция 3 1 1 1 3 ∑ 9 Задача анализа стоимости функций заключается в том, что с помощью специальных методов оценить уровень затрат на выполнение каждой функции. Сделать это возможно с помощью применения нормативного метода. Расчет стоимости функций приведен в таблице 6. Таблица 6 – Определение стоимости функций Наименование процесса Выполняемая функция Трудоемкость детали, норм- ч Себестоимость, тыс.р. Проверка корректности передачи сигнала Обеспечивает передачу сигнала на тестируемое устройство 0,0002 42 Проверка корректности приема сигнала Обеспечивает прием сигнала с тестируемого устройства 0,0002 42 Отображение результатов приема и передачи сигналов Обеспечивает индикацию всех принятых отправленных сигналов 0,0002 42 Информация об объекте исследования, собранная в рамках предыдущих стадий, на данном этапе обобщается в виде функционально-стоимостной диаграммы изображенной на рисунке 15. |