Технология разработки систем мониторинга двигательных установок с использованием среды LabVIEW на примере системы стендовых испытаний

УДК 004.42

ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДЫ LABVIEW НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

Т. О. Дугина

TECHNOLOGY OF DEVELOPMENT OF MONITORING SYSTEM FOR PROPULSION SYSTEMS BY LABVIEW IN CASE OF BENCH TESTS SYSTEM

T. O. Dugina

Аннотация. Рассмотрены основные проблемы разработки систем мониторинга, применение среды LabVIEW для их решения, а также преимущества данной среды перед текстовыми языками программирования в этом вопросе.

Ключевые слова: система мониторинга, датчики, LabVIEW, параллельная обработка, потоковое программирование, двоичные файлы.

Abstract. This article is about the main problems in development of monitoring system, using the LabVIEW in this sphere and its advantages over the text programming languages.

Key words: monitoring system, sensors, LabVIEW, parallel processing, stream programming, binary files.

Одной из приоритетных задач ракетно-космической отрасли является проектирование и создание двигательных установок (далее - ДУ). Их характерной особенностью является невозможность отладки и тестирования в реальных условиях. Частичным решением данной проблемы можно назвать стендовые испытания, важным элементом которых являются цифровые датчики физических величин (далее - ЦДФВ). Их использование подразумевает наличие программного обеспечения (далее - ПО), взаимодействие с блоком сбора данных (далее -БСД). В основном для реализации используются текстовые языки программирования, например Си и Delphi. Однако такой подход не всегда рационален.

В настоящее время все большую популярность в России набирает LabVIEW (англ. Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) - среда разработки и платформа для выполнения, использующая графический язык «G». По направлению среда близка к SCADA-системам и при этом поддерживает потоковое программирование и моделирование экспериментов. Расширенная палитра функций позволяет максимально упростить реализацию системы мониторинга за счет возможностей среды. LabVIEW позволяет работать с интуитивно понятными структурами и не требует изучения специфического синтаксиса и адаптации моделей прикладной области к возможностям языка [1]. Учитывая то, что задачи разработки подобного программного обеспечения требуют нахождения реализуемых и повторяемых решений в кратчайшие сроки, можно предположить рациональность использования данной среды.

Работа системы мониторинга должна включать два этапа:

1) этап подготовки исходных данных, в ходе которого задается начальная конфигурация системы, в соответствии с которой осуществляется обнаружение ЦДФВ и опрос паспортных данных;

2) этап измерений в режиме реального времени.

Этап подготовки исходных данных является наиболее длительным, поскольку настройка испытательного стенда может длиться несколько дней.

Рассматриваемая в качестве примера система диагностики ИСМД-1 обеспечивает подключение ЦДФВ к БСД через COM-порт, интерфейс RS-485 которого используется в полудуплексном режиме. Альтернативным вариантом подключения датчиков является беспроводное соединение [2], однако в условиях стендовых испытаний использование COM-портов для подключения является наиболее оптимальным в плане надежности и стоимости.

В данной системе обнаружение ЦДФВ объединено с конфигурированием в пункт «Подготовка сети», а получение паспортных данных выделено отдельным пунктом и включает также составление отчетов о конфигурации системы мониторинга.

Процесс конфигурирования системы заключается в задании количества и типов датчиков, подключенных к каждому из используемых каналов. Среда LabVIEW позволяет реализовать автоматическое обнаружение рабочих СОМ-портов в виде простых виртуальных приборов (далее - ВП), один из которых представлен на рис. 1. Текстовые языки программирования (например Си) в этом случае требуют заполнения громоздких структур, знания «чистых» WinAPI-функций и большого объема кода [3].

Рис. 1. Реализация ВП автоматического обнаружения рабочих СОМ-портов

Обнаружение ЦДФВ реализуется за счет алгоритма последовательного опроса внутри каждого из каналов. В случае присутствия в системе датчик с соответствующим идентификатором посылает в канал свои тип и номер. В результате возникает проблема коллизий, которая решается за счет установки временной задержки между отправкой в канал запроса 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.

На данном этапе работы 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 к меньшему числу оставшихся каналов. Впоследствии планируется преобразовать данный ВП к виду ВП измерений, что позволит организовать параллельный поиск датчиков по всем каналам системы сразу.

Механизм опроса паспортных данных схож по реализации с механизмом обнаружения датчиков. 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.

Рис. 2. Блок-диаграмма ВП получения паспортных данных ЦДФВ

Для любой системы мониторинга необходимы функции, обеспечивающие контроль над ее конфигурацией, в частности - автоматически создаваемые отчеты. В ПО диагностики ДУ реализовано как отображение конфигурации системы на экран и в файл отчета.

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. 3.

Наиболее интересным этапом в плане реализации является этап непосредственно измерений. Главной проблемой систем мониторинга является число используемых ЦДФВ: индивидуальный опрос каждого датчика требует излишних ресурсов производительности и времени [5]. Целесообразнее в таком случае использовать параллельную обработку данных.

Конфигурацид системы 05.12.2012, 2:14

Конфигурация канчла COM4

Сегмент, ноиер Тип и нокер датчика Вес ед. МЭР Нач. точка Код ед. и»м- Вес ед. МЗР Т Нач. точка Т Код ед. изи. Т Коэф. А Коэф. В Коэф. с

1 ДДВ01Э ( 02 ооо al 0,009766 0,000000 2 - - - - -

2 ПЛИ0Й8 ( 020004t - - 21 - - - 0,000000 0,000000 0,010742

3 плиова ( 020006» - - 21 - - - 0,000000 0,000000

Рис. 3. Пример страницы отчета 101

'сна«'

СЬюы1а Ату Ь

[Ссеам- Тшэд £аиг« |ИН:|

6уЦ5 ГОН* I

«191 №

1ммеД Рка|

Рис. 4. Пример реализации параллельного опроса каналов

Среда LabVIEW, реализующая принципы потокового программирования, позволяет автоматически распараллеливать выполнение кода. Поэтому разработка многопоточных приложений 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 разработки, а не специально написанным кодом. Возможно использование объектов синхронизации и тактируемых структур (рис. 4). В текстовых языках с последовательным выполнением команд организация параллельного исполнения кода всегда должна быть реализована явным образом. При этом она занимает большой объем кода и требует от разработчика специфических знаний.

Длительность измерений и количество датчиков системы исключают использование оперативной памяти для хранения результатов. Среда LabVIEW позволяет накапливать, сортировать данные и обеспечивать произвольный доступ к ним с высокой скоростью при минимальном объеме дисковой памяти с помощью двоичных файлов потока данных с расширением .tdms. Реализация работы с такими файлами проста, кроме того, среда позволяет встраивать в разрабатываемое ПО стандартное диалоговое окно для их просмотра (рис. 5).

Рис. 5. Окно просмотра результатов измерений

Свойство переносимости ПО обеспечивается реализацией ВП автоматического определения свойств конкретного аппаратного обеспечения, а также встроенными инструментами LabVIEW: при компиляции в установочный файл можно включить компонент «LabVIEW Run-Time Engine», что позволит использовать программный модуль на компьютерах, где не установлена данная среда программирования.

Разработка программных модулей взаимодействия ЦДФВ с БСД подразумевает под собой использование специализированных функций для работы с внешними потоками данных в условиях параллельного выполнения. Применение текстовых языков программирования в этом случае нерационально.

Блок-диаграммы ВП, созданных в среде LabVIEW, наглядны и просты в сопровождении. Реализация циклов и функций обработки событий, а также отображение в диалоговом окне графиков и таблиц данных значительно упрощены. Наличие в среде специализированных функций с интуитивно понятным интерфейсом позволяет максимально ускорить получение и обработку данных из внешних потоков. В результате значительно снижается время разработки и повышается удобство использования. Также вышерассмотрен-ные возможности распараллеливания потоков и встроенных средств повышают производительность разрабатываемого ПО и обеспечивают переносимость.

Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности использования среды LabVIEW в разработке систем мониторинга двигательных установок и в реализации других алгоритмов обмена данными с различными внешними источниками.

Список литературы

1. National Instruments LabVIEW. Быстрая разработка. - URL: http://www.labview.ru/ labview/what_is_labview/rapid_development.php (дата обращения: 7 сентября 2013).

2. 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. - С. 36-46.

3. Яшкардин, В. Программирование COM-портов / В. Яшкардин. - URL: http://www.softelectro.ru/proglang.html (дата обращения: 03.04.2013).

4. Суранов, А. Я. LabVIEW 8.20 : справочник по функциям / А. Я. Суранов. - М. : ДМК Пресс, 2007. - 600 с.

5. Богомолова, Н. Е. Стратегия группового опроса датчиков в сетях мониторинга / Н. Е. Богомолова, А. Ю. Маликов // Наука и образование. - 2012. - № 5. - С. 95-100.

Дугина Татьяна Олеговна Dugina Tatiana Olegovna

студентка, student,

Пензенский государственный университет Penza State University E-mail: tat.xs.ard@gmail.com

УДК 004.42 Дугина, Т. О.

Технология разработки систем мониторинга двигательных установок с использованием среды LabVIEW на примере системы стендовых испытаний /

Т. О. Дугина // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2014. - № 1 (9). - С. 99-104.