Разработка и исследование автоматизированной системы

Некоммерческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Кафедра
Специальность
Инженерная Кибернетика
6М070200 «Автоматизация и управление»
Допущен к защите
Зав. кафедрой_____Хисаров Б.Д
«_____»_______________________20__г.
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
пояснительная записка
Тема:
Разработка
и
исследование
автоматизированной
системы
экспериментальных исследовании солнечной теплогенерирующей установки в
режиме удаленного доступа
Магистрант____________________________Дуйсенбекова Ж.С.
подпись
(Ф.И.О.)
Руководитель диссертации___________________Хан С.Г.
подпись
(Ф.И.О.)
Рецензент_____________________________Ахметов Б.С.
подпись
(Ф.И.О.)
Нормоконтроль _________________________Копесбаева А.А.
подпись
(Ф.И.О.)
Алматы, 2013 г.
6
Некоммеческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Факультет
Специальность
Кафедра
Теплоэнергетический
6М070200 «Автоматизация и управление»
Инженерная Кибернетика
ЗАДАНИЕ
на выполнение магистерской диссертации
Магистранту
Дуйсенбековой Жание Сериковне
(фамилия, имя, отчество)
Тема диссертации:
Разработка и исследование автоматизированной системы
экспериментальных исследовании солнечной теплогенерирующей установки в
режиме удаленного доступа
утверждена Ученым советом университета №109 от
«16» ноября 2011г.
Срок сдачи законченной диссертации
«20» июня 2013г.
Цель исследования:
Разработка и исследование АСЭИ СТУ, входящей в состав
учебно-научной лаборатории АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные
возобновляемые источники энергии» в режиме удаленного доступа с применением
Web-технологии в среде графического программирования LabView .
Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов или
краткое содержание магистерской диссертации:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных
чертежей)_______________________________________________________________
________________________________________________________________________
_______________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
____________________________________
Рекомендуемая основная литература__________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________
7
ГРАФИК
подготовки магистерской диссертации
Наименование разделов,
перечень разрабатываемых
вопросов
Дата выдачи задания:
Сроки представления
научному руководителю
Примечание
ноябрь 2011г.
Заведующий кафедрой___________________
(подпись)
(Ф.И.О.)
Руководитель диссертации________________
(подпись)
(Ф.И.О.)
Задание принял к исполнению
магистрант _____________________________
(подпись)
(Ф.И.О.)
8
(Хисаров Б.Д.)
(Хан С.Г)
(Дуйсенбекова Ж.С.)
Содержание
Введение ................................................................................................................................. 6
Глава 1. Современные тенденции развития теплогенерирующих установок ............... 13
1.1 Теплогенерирующая установка .................................................................................... 13
1.2 Обзор теплогенерирующих установок ........................................................................ 13
1.2.1 Солнечная теплогенерирующая установка (СТУ)................................................... 15
Глава 2. Автоматизированные лабораторные практикумы в режиме удаленного
доступа .............................................................................................................................................. 21
2.1 Обзор лабораторий удаленного доступа ..................................................................... 22
2.1.1 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им.
Н. Э. Баумана ................................................................................................................................... 22
2.1.2 Портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть internet
к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования» ................................. 24
2.1.3 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа Российского
университета дружбы народов ....................................................................................................... 26
2.1.4 Всемирная студенческая лаборатория WWSL – World Wide Student Laboratory . 27
2.1.5 Labicom.net – on-line платформа удаленного доступа к экспериментальным
комплексам для образования .......................................................................................................... 29
2.2 Сравнительный анализ ЛУД ......................................................................................... 33
Глава 3. Разработка автоматизированной системы экспериментальных исследований
«Солнечная теплогенерирующая установка» в режиме удаленного доступа ........................... 35
3.1 Постановка задачи ......................................................................................................... 35
3.2 Солнечная теплогенерирующая установка учебно-научной лаборатории АУЭС
«Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» ....................... 37
3.3 Разработка структуры и постановка задачи АСЭИ СТУ ........................................... 39
3.4 Создание web – сайта .................................................................................................... 40
3.4.1 Описание языка PHP .................................................................................................. 40
3.4.2 Фреймворк Bootstrap .................................................................................................. 41
3.4.3 Создание web – сайта АСЭИ СТУ на PHP ............................................................... 41
3.4.4 Реализация удаленного доступа к лабораторному стенду ...................................... 47
Глава 4. Разработка автоматизированного лабораторного практикума Солнечной
теплогенерирующей установки ...................................................................................................... 49
4.1 Разработка виртуальной лабораторной работы СТУ в среде Lab View Real Time . 49
4.1.1 Описание среды графического программирования LabVIEW ............................... 49
4.1.2 ВЛР «Исследование характеристик солнечной теплогенерирующей установки»
........................................................................................................................................................... 51
4.2 Разработка интерфейса для работы на физическом стенде ....................................... 54
4.3 Разработка базы данных в СУБД MS SQL .................................................................. 55
4.3.1 Системный анализ предметной области................................................................... 56
9
4.3.2 Инфологическое проектирование ............................................................................. 59
4.3.3 Датологическое проектирование............................................................................... 61
4.3.4. Физическое проектирование..................................................................................... 62
4.3.5 Создание базы с помощью MS SQL ......................................................................... 62
4.4 Результаты теплового расчета СТУ ............................................................................. 66
4.4.1 Проведение виртуальных экспериментов ................................................................ 66
4.4.2 Проведение физического эксперимента ................................................................... 70
Глава 5. Разработка лабораторных работ по вводу/выводу дискретных сигналов в
систему сбора данных NI PCI-6221 с помощью терминальной коробки DAQmx .................... 72
5.1 Система сбора данных................................................................................................... 72
5.2 Программное обеспечение для систем сбора данных NI........................................... 74
5.2.1 Инструментальный драйвер NI-DAQ ....................................................................... 75
5.2.2 Проводник по средствам измерений и автоматизации ........................................... 76
5.2.3 Обзор ВП NI-DAQmx ................................................................................................. 78
5.3 Описание учебного лабораторного стенда ССД......................................................... 78
5.3.1 Терминальная коробка для устройств сбора данных .............................................. 79
5.3.2 Кабель .......................................................................................................................... 79
5.3.3 Устройство сбора данных .......................................................................................... 80
5.4 Комплекс лабораторных работ .................................................................................... 80
5.4.1 Лабораторная работа «Изучение способов подсчета фронтов» ............................. 81
5.4.2 Лабораторная работа «Буферизированный подсчет конечного числа импульсов»
........................................................................................................................................................... 82
5.4.3 Лабораторная работа «Создание ВП для генерации отдельного импульса,
используя счетчик» ......................................................................................................................... 83
Заключение ........................................................................................................................... 86
Список литературы ................................................................................. 86_Toc359425779
Перечень сокращений ......................................................................................................... 87
Приложение А ...................................................................................................................... 88
Приложение Б ...................................................................................................................... 90
10
Введение
Сегодня как в Казахстане, так во всем мире, очень актуальны две взаимосвязанные
проблемы: эффективное потребление топливно-энергетических ресурсов и уменьшение
эмиссий углекислого газа в атмосферу. В условиях уменьшения природных запасов
органического топлива становится нерациональным сжигание угля, газа и нефтепродуктов в
многомиллионных котельных установках и индивидуальных топочных агрегатах,
вызывающее большое количество вредных эмиссий в атмосферу и существенное ухудшение
экологической обстановки в городах и мире.
Одним из действенных путей снижения использования природных ресурсов является
использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь,
солнечной энергии, аккумулируемой в грунте, водоемах, воздухе.
Актуальность и перспективность данного направления выработки энергии
обусловлены двумя основными факторами: катастрофически тяжелым положением экологии
и необходимостью поиска новых видов энергетических ресурсов. Основное преимущество
солнечной энергии – неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не
изменяет энергетический баланс планеты. Эти качества и послужили причиной бурного
развития возобновляемой энергетики не только за рубежом, но и в нашей стране развиваются
большими темпами. Одним из таких примеров является наш университет.
В Алматинском университете энергетики и связи в учебно-научной лаборатории
«Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в течение
последних 7 лет разрабатываются
несколько автоматизированных лабораторных
практикумов (АЛП) на базе автоматизированных систем экспериментальных исследований
(АСЭИ) для исследования различных объектов: фотоэлектрической станции,
ветроустановки,
котельной установки, станции метеонаблюдений, солнечной
теплогенерирующей установки, тригенерационной установки.
Основная цель работы заключается в применении новейших компьютерных
технологий и свойств сети Интернет в учебном процессе при разработке АЛП по изучению
солнечной теплогенерирующей установки (СТУ).
Принцип, заложенный в основу концепции лабораторий удаленного доступа, уже
давно используется в различных областях человеческой деятельности, в особенности в науке
и технике. Например, приборы и аппараты, предназначенные для изучения таких объектов,
прямой контакт человека с которыми по ряду причин невозможен, всегда управлялись
человеком на расстоянии, в том числе и задолго до появления персональных компьютеров и
компьютерных сетей.
В этом случае дистанционное управление аппаратурой и проведение с ее помощью
удаленных экспериментов осуществлялось с помощью
специально создаваемых
приспособлений, способных передавать команды оператора на нужное расстояние любым
доступным в то время способом – последовательностями электрических сигналов через
соединительные кабели, посредством радиосвязи и т.п. Классической иллюстрацией
подобного подхода являются:
 методы управления с Земли беспилотными летательными аппаратами и другими
искусственными космическими объектами;
 управление роботами, контактирующими с вредными или взрывоопасными
веществами;
 управление зондами для изучения верхних слоев атмосферы или проведения
глубоководных либо подземных экспериментов;
 и многое другое.
Появление и развитие сети Интернет, приведшее к значительному упрощению
электронной связи и давшее возможность легко подключиться с любого персонального
компьютера к другому персональному компьютеру или высокопроизводительному серверу в
любой точке планеты, позволило сформировать и воплотить в жизнь концепцию удаленного
11
управления оборудованием реальных лабораторий. На начальном этапе своего развития
данная концепция подразумевала только интеграцию в обучающий процесс в технических
университетах, в том числе в системе дистанционного образования. Студент, получающий
образование заочно, теперь мог выполнять задачи университетского лабораторного
практикума, не выходя из дома, при помощи своего персонального компьютера управляя
учебной аппаратурой, расположенной в университетской лаборатории.
Однако позже были постепенно реализованы на практике во многих странах другие
возможности лабораторий удаленного доступа:
 повышение эффективности обучения студентов при помощи коллективного
удаленного доступа к одной и той же экспериментальной установке;
 экономия средств на дублирование одной и той же экспериментальной установки в
студенческом практикуме, которое становится ненужным при организации к ней удаленного
доступа;
 работа на дорогостоящем уникальном оборудовании, недоступном физическим
пользователям;
 упрощение и удешевление проведения реальных научных экспериментов, не
требующих теперь приобретения реального экспериментального оборудования или
командировок в научные центры, этим оборудованием располагающие (что особенно
актуально для нашей страны);
 и другие применения, прежде всего коммерческой направленности.
Следует подчеркнуть отличие понятия «лаборатории удаленного доступа» не только
от обычной, реальной лаборатории, эксперименты в которой проводятся традиционным
способом и требуют присутствия экспериментатора возле реального оборудования. Данное
отличие очевидно. Однако, лаборатория удаленного доступа отличается и от «виртуальной
лаборатории». Доступ к виртуальной лаборатории, как и к удаленной, также осуществляется
через компьютер, в том числе, возможно, и по сети Интернет.
В случаях, когда по причинам экономического характера доступ к аппаратуре часто
бывает ограничен - самым эффективным решением проблемы является создание
виртуальных лабораторных работ. В виртуальной лаборатории всё реальное оборудование
полностью заменено симулирующей его работу компьютерной программой. Таким образом,
вместо реального физического процесса виртуальная лаборатория позволяет изучить
математическую модель физического явления.
Поэтому, виртуальная лаборатория используется исключительно для обучения. В
противовес этому, лаборатория удаленного доступа может использоваться не только для
обучения, но и для проведения реальных исследований во многих областях науки и техники
с использованием уникального дорогостоящего оборудования, установленного в
крупнейших мировых научных центрах.
Целью данной работы является разработка и исследование автоматизированной
системы экспериментальных исследований (АСЭИ) солнечной теплогенерирующей
установки (СТУ), входящую в состав учебно-научной лаборатории АУЭС
«Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в режиме
удаленного доступа с применением Web технологии в среде графического
программирования LabView
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- изучить лабораторную установку «Солнечная теплогенерирующая установка»;
- разработать АСЭИ СТУ АУЭС в режиме УД, в рамках этой задачи:
 провести аналитический обзор теплогенерирующих установок и существующих
ЛУД;
 изучить вопросы технологии удаленного доступа;
 разработать программное обеспечение АСЭИ СТУ в среде графического
программирования LabVIEW;
 создать сайт АСЭИ для работы в режиме удаленного доступа;
12
 сформировать БД на сервере Microsoft SQL и организовать связь с программным
обеспечением (ПО).
Глава 1. Современные тенденции развития теплогенерирующих установок
1.1 Теплогенерирующая установка
Теплогенерирующей установкой (ТГУ) называют комплекс устройств и механизмов,
предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей
воды. Водяной пар используют для получения электроэнергии на теплоэлектроцентралях
(ТЭЦ) или теплоэлектростанциях (ТЭС), технологических нужд промышленных
предприятий и сельского хозяйства, а также для нагрева в паровых подогревателях воды,
направляемой в системы теплоснабжения. Горячую воду используют для отопления,
вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий и
сооружений, а также для коммунально-бытовых нужд населения. Для отопления и
вентиляции также используют и нагретый воздух.
В теплогенерирующей установке создают термодинамические условия с максимально
возможной полнотой (коэффициентом полезного действия), при которых происходит
преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической) в
тепловую энергию. Тепловую энергию требуемых параметров получают путем
преобразования химической энергии органического топлива, энергии, выделяемой при
расщеплении ядерного топлива, электрической энергии, энергии солнечного излучения,
геотермальной и тепловой энергии низкого потенциала. В теплогенерирующих установках
образуется рабочее тело или носитель тепловой энергии, с помощью которого тепловая
энергия транспортируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного
потенциала. Как правило, рабочим телом для переноса тепловой энергии – теплоносителем –
служат жидкости или газы.
Системой теплоснабжения называют комплекс устройств, производящих тепловую
энергию и доставляющих ее в виде водяного пара, горячей воды и нагретого воздуха
потребителю.
Основные тенденции развития теплогенерирующих установок включают применение
централизованного теплоснабжения и автоматизированных систем управления (АСУ),
использование альтернативных источников энергии (водородной, солнечной, геотермальной,
ветровой, приливов и отливов), местных и вторичных энергоресурсов, отходов
промышленности, сельского и городского хозяйства, обеспечение минимальных выбросов
вредных веществ в атмосферу [1].
1.2 Обзор теплогенерирующих установок
В связи с разнообразием различных видов энергии, теплоносителей и условий работы
применяют следующие теплогенерирующие установки и соответствующие методы
производства тепловой энергии (см. таблица 1.1).
13
Т а б л и ц а 1.1 – Виды теплогенерирующих установок
Наименование
Источник энергии
Процесс получения энергии
1.Котельные агрегаты
Органическое
топливо
2.Атомные реакторы
Ядерная энергия
3.Электродные котлы
Электрическая
энергия
4. Гелиоустановки
Солнечная энергия
5.Геотермальные
установки
Геотермальные
воды
Окончание таблицы 1.1
6.Котлы-утилизаторы Теплота газов
7.Производство тепловой энергии
биомассы,
сельскохозяйственных
городских отходов, а также устройства
В результате экзотермических химических
реакций горения органического топлива в
окислительной
среде
образуются
газообразные
продукты
с
высокой
температурой (топочные газы) теплота от
которых передается другому теплоносителю
(воде или водяному пару).
Проходит цепная ядерная реакция деления
тяжелых ядер трансурановых элементов под
действием нейтронов. В результате ядерная
энергия преобразуется в тепловую энергию
теплоносителя (воды, в перспективе гелия),
вводимого в активную зону атомного
реактора, теплота от которого затем в атомном
парогенераторе передается воде или пару.
Преобразование электрической энергии в
тепловую
энергию
путем
разогрева
нагревателя с высоким электрическим
сопротивлением и последующей передачей
теплоты от этого нагревателя рабочему телу.
Солнечная (световая) энергия преобразуется в
тепловую энергию инфракрасного излучения.
В гелиоприемнике или солнечном коллекторе
энергия Солнца трансформируется в тепловую
энергию с последующей передачей теплоты
рабочему телу – воде или воздуху.
Проходит передача теплоты от геотермальных
вод к рабочему телу, нагреваемому за счет
тепловой энергии этих вод до заданных
нагреваемому за счет тепловой энергии этих
вод до заданных параметров.
Теплота от высокотемпературных газов
передается другому теплоносителю (воде или
пару), более удобному для дальнейшего
использования.
из Энергия
с
низким
энергетическим
и потенциалом
преобразуется
в
высокопотенциальную тепловую энергию
другого теплоносителя с затратами других
видов
энергии,
подводимых
извне
(электроэнергии в тепловых насосах).
Всем известно, что одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических
14
ресурсов является использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых
источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулируемой в грунте,
водоемах, воздухе. Основное преимущество возобновляемых источников энергии –
неисчерпаемость и экологическая чистота.
Среди возобновляемых источников энергии солнечная наиболее перспективна:
 по масштабам ресурсов;
 по распространенности;
 по экологической чистоте.
По принципу работы солнечная теплогенерирующая установка (СТУ) практически
ничем не отличается от водяной системы отопления: роль отопительного котла играет
коллектор солнечной энергии, в котором теплоноситель нагревается от энергии Солнца, роль
отопительного радиатора играет теплообменник, который отдает тепло воде, идущей к
потребителю.
Гелиосистемы могут интегрироваться в качестве дополнительного источника энергии
в систему отопления на любом традиционном энергоносителе (с газовыми, дизельными и
твердотопливными котлами). Необходимое оборудование обходится недешево, но, заплатив
за него один раз, в последующие годы Вы будете получать бесплатную энергию, тратя лишь
небольшие деньги на техническое обслуживание [2].
Преимущества гелиоустановок убедительны.

Во-первых, это автономность: солнечная энергия позволяет снизить затраты на
горячее водоснабжение и в течение как минимум 8 месяцев не зависеть от возможных
отключений электроэнергии и перепадов давления природного газа;

Во-вторых, это безопасность: как в глобальном масштабе - с экологической
точки зрения, так и в процессе эксплуатации - с технической.
В итоге - Вы используете до 85% энергии Солнца на нагрев горячей воды
и 40% солнечной энергии на отопление.
1.2.1 Солнечная теплогенерирующая установка (СТУ)
Солнечная теплогенерирующая установка или же гелиосистема представляет собой
устройство, способное преобразовывать солнечное излучение в иные, пригодные для
эксплуатации, разновидности энергии (электрическую, тепловую). Наибольшее
распространение оно получило в системах горячего водоснабжения и отопления загородных
домов и коттеджей, а также в технологических процессах в различных отраслях
промышленности. Гелиосистема предоставляет возможность полностью покрыть
потребности теплого водоснабжения летом и разгрузить установки, отвечающие за обогрев
дома зимой [3].
Преимущества использования гелиосистем
Устанавливая гелиосистемы, пользователи получают экологически чистый источник
альтернативной (возобновляемой) энергии. Это современное оборудование способствует
значительной экономии семейного бюджета – за солнечную энергию, которая никогда не
иссякнет, не надо платить! Кроме того, активное внедрение гелиоустановок объясняется не
просто желанием экономить, но и заботой о природе, поскольку применение солнечной
энергии не сопровождается выбросами в окружающую среду опасных веществ, чего нельзя
сказать о традиционных разновидностях топлива. Одна гелиосистема может на протяжении
года без какого-либо вреда для человека производить до 1350 кВт часов энергии. Следует
заметить, что подобная выработка в случае применения ископаемого топлива
характеризовалась бы выбросом 450 килограммов углекислого газа.
Это оборудование поможет решить проблемы:
- нагрева воды в бассейнах;
- горячего автономного водоснабжения;
- применения в технологических целях горячей воды;
15
- полного или частичного отопления.
Конструкция и принцип работы гелиосистемы
Любая гелиосистема предусматривает наличие следующих составляющих:
1. Солнечная станция, включающая:
- расширительный бак;
- циркуляционный насос;
- регулирующий блок, оснащенный датчиком.
2. Солнечный коллектор;
3. Теплообменный бак, объемом от ста до пятисот литров.
Солнечный коллектор выступает в качестве основы гелиосистемы. Солнечные лучи
проникают сквозь солярное безопасное стекло, отличающееся высокой пропускной
способностью, и поступают на покрытие абсорбера (селективное). Тепло, благодаря
незамерзающему теплоносителю, отдается теплоприемнику или баку-накопителю.
Основные разновидности гелиосистем
Современные гелиосистемы классифицируются на следующие типы:
- одноконтурные;
- двухконтурные.
В одноконтурных установках осуществляется циркуляция воды, которая в
дальнейшем используется из бака аккумулятора. Что касается двухконтурных систем, то в
них в качестве теплоносителя выступает нетоксичная незамерзающая жидкость, которая,
после нагрева, отправляется в теплообменник бака, где отдает воде полученное тепло
(тепловую энергию).
Гелиосистема могут монтироваться на площадке неподалеку от дома, на
горизонтальной или наклонной крыше, а также устанавливаться непосредственно в неё.
1.2.1.1 Солнечные коллекторы
Солнечный коллектор (гелиоколлектор) - основной элемент любой установки, в
котором солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию. Гелиоколлектор
улавливает солнечную радиацию (прямую, отраженную и диффузную), поглощает и
преобразует ее в тепловую энергию и передачи последней теплоносителю. Гелиоколлектор
в общем случае включает в себя следующие элементы:
- светопрозрачное покрытие;
- энергопоглощающую поверхность - абсорбер;
- котел-плоские трубчатые каналы для теплоносителя;
- корпус с теплоизоляцией.
Все солнечные коллекторы условно делятся на плоские, или плоскопанельные
коллекторы, и вакуумные коллекторы (на вакуумных трубках).
Плоскопанельные солнечные коллекторы представляют собой абсорбер, элемент,
поглощающий солнечную радиацию и связанный с теплопроводной системой. С внешней
стороны элемент закрыт слоем прозрачного материала, прозрачного покрытия. Чаще всего
это покрытие выполняется из специального закаленного стекла, в котором максимально
снижено содержание металлов. Обратная сторона, для уменьшения теплопотерь закрыта
теплоизолятором. Если тепло не передается на внешние потребители, то такой плоский
коллектор в состоянии нагревать промежуточный теплоноситель до ста сорока градусов.
В настоящее время разрабатываются и применяются специальные оптические
оболочки. Поскольку из всех используемых материалов наиболее высокая теплопроводность
у меди, то она стала основным сырьем для производства абсорбера.
16
Рисунок 1.1 – Плоский солнечный коллектор
У вакуумных коллекторов главная часть – это специальная вакуумная трубка,
покрытая чернением для нагревания, в которой находится вода или антифриз. Вся
конструкция сделана по принципу устройства термоса. Вокруг полости заполненной
жидкостью для уменьшения непродуктивных потерь тепла создается своеобразная
вакуумная камера. Используя такой элемент можно нагреть воду даже в том случае, если
температура окружающей среды минусовая. С целью повышения эффективности приборов,
внутренние вакуумные трубки делаются граненой формы или в форме буквы «U». Внешняя
оболочка трубок изготавливается из боросиликатного стекла, имеющего повышенную
прочность и длительное время не теряющего своих оптических свойств [5].
Рисунок 1.2 – Вакуумный солнечный коллектор
Вакуумная колба имеет одинарную стенку и больший диаметр (70 мм) и
соответственно большую площадь поглощающей поверхности. Внутрь вакуумной колбы
помещена плоская поглощающая пластина, соединяющаяся с теплопроводящим стержнем.
Данная трубка устойчива к замораживанию и работоспособна без повреждений до -50°С.
Внутри стержня находится небольшое количество антифриза при малом давлении, поэтому
испарение жидкости начинается при достижении температуры внутри трубки +30°С. При
меньшей температуре трубка "запирается" и дополнительно сохраняет тепло. Из-за большей
площади поглощения время перехода в режим выделения тепла может быть всего 2 минуты.
1.2.1.2 Тепловой расчет СТУ
Экспериментальное определение характеристик коллекторов даёт
понимание
специфических особенностей в работе коллекторов. В работе предложена методика
теплоэнергетического расчета коллектора [6]. Для выполнения расчета необходима
исходная информация о проектируемом объекте теплоснабжения, данные о климатических
условиях местности, о свойствах теплоносителя, значения коэффициентов, строительных
норм и т.п.
17
Целью теплового расчёта плоского коллектора является определение тепловых потерь
с его поверхности и суточный КПД.
Параметры необходимые для расчета солнечного коллектора:
n — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января.
Дневное время. Угол падения солнечных лучей на наклонную и горизонтальную
поверхности в данном месте. Широтой местоположения точки φ, φ — это угол между
линией, соединяющей точку А с центром Земли 0, и ее проекцией на плоскость экватора.
Часовой угол w, Часовой угол w — это угол, измеренный в экваториальной плоскости между
проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Угол w =0 в
солнечный полдень, а 1 ч соответствует 15°. Зенитный угол z, Зенитный угол Солнца z — это
угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке А. Угол
высоты α. Угол высоты Солнца α — это угол в вертикальной плоскости между солнечным
лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма α + z равна 90°. Азимут a
Солнца, Солнца a — это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча
и направлением на юг (см. рисунок 1.4).
Для расчета располагаемого количества солнечной энергии, поступающей на
наклонную поверхность, необходимо знать углы падения солнечных лучей на наклонную и
горизонтальную поверхности в данном месте.
Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность,
имеющую азимут an и угол наклона к горизонту β, можно определить с помощью формулы
cos i  sin  (cos  (sin   cos an  cos   sin an  sin an ) 
 sin   cos   cos an )  cos  (cos   cos   cos   sin   sin  )
(1.1),
где φ – широта; δ – склонение солнца; ω – часовой угол солнца.
δ — это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на
плоскость экватора. Склонение Солнца δ в течение года непрерывно изменяется — от —
23°27' в. день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22
июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).
Рисунок 1.3 - Схема кажущегося движения Солнца по
небосводу
18
Рисунок 1.4 - Углы, определяющие положения точки А на земной
поверхности относительно солнечных лучей
Склонение Солнца в данный день определяется по формуле
  23.45 sin(360
284  n
)
365
(1.2).
Связь между дополнительными и основными углами устанавливается следующими
уравнениями:
зенитный угол
cos z  cos   cos   cos   sin   sin 
(1.3),
угол высоты Солнца h  90  z , поэтому sinh  cos z
(1.4),
азимут Солнца
(1.5).
sin a  sec h  cos   sin 
В солнечный полдень (ω=0) а = 0 при (φ>δ) и а=π при (φ<δ).
При пользовании приведенными формулами для северного полушария широта φ
берется со знаком «+», а для южного — со знаком «—», склонение Солнца б имеет знак «+»
для лета (от весеннего до осеннего равноденствия) и знак «—» в остальное время года. Угол
со изменяется от 0 в солнечный полдень до 180° в полночь, при ω <90° он имеет знак «+», а
при ω >90° — знак «—». Азимут Солнца а изменяется от 0 до 180°.
Интенсивность падающей солнечной радиации для любого пространственного
положения солнечного коллектора и каждого часа светового дня gj, Вт/м2 следует определять
по формуле
qi  Ps I s  PD I D
(1.6).
Приведенную интенсивность поглощенной солнечной радиации q, Вт/м2, следует
определять по формуле
qQj=0,96(PS QS IS + PD QD ID)
(1.7),
где QS и QD — соответственно приведенные оптические характеристики солнечного
коллектора для прямой и рассеянной солнечной радиации. При отсутствии паспортных
данных могут быть приняты QS = 0,74; QD = 0,64 — для одностекольных и QS =0,63; QD
19
=0,42 — для двухстекольных солнечных коллекторов;
Is — интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную
поверхность, Вт/м2;
ID — интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную
поверхность, Вт/м2;
PS, PD — коэффициенты положения солнечного коллектора для прямой и рассеянной
радиации соответственно.
Коэффициент положения солнечного коллектора для рассеянной радиации следует
определять по формуле
PD = cos2 b/2
(1.8),
где b —угол наклона солнечного коллектора к горизонту.
Ps = cosi/sinh
(1.9),
где i —угол падения солнечного луча на поверхность коллектора (данный параметр
будем изменять);
h—угол высоты солнца над горизонтом.
Интенсивность прямого излучения I определяется, исходя из величины оптической
массы, которая пропорциональна 1/sin hs ; где - hs угловая высота солнца. Энергетическая
освещенность прямой солнечной радиацией любой данной поверхности равна I*cosi.
Эффективность солнечных коллекторов (солнечных водонагревателей - СВН) зависит
как от их конструктивных параметров и метеорологических условий, так и от режима работы
- температуры и расхода теплоносителя.
Удельная мощность СВН (плотность поглощаемого теплового потока) может быть
определена по формуле
q  g  c p  B(( PS  QS  I S  PD  QD  I D ) / U  T0  TВХ )
(1.10),
2
где g — удельный расход теплоносителя кг/(м с);
сp =0.00418 - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·°С);
Твх - температура теплоносителя на входе в СВН, °С;
То - температура окружающей среды, °С;
U — приведенный коэффициент теплопередачи СВН, Вт/(м2°С);
Величина B определяется зависимостью
B  U /( g  c p )
(1.11).
Температура теплоносителя на выходе
TВЫХ  TВХ  (TР  TВХ ) B
(1.12),
где TР - равновесная температура СВН, т.е. та температура, которую СВН имеет при
отсутствии расхода.
Знание этой температуры имеет важное практическое значение как при
конструировании СВН, так и при проектировании солнечных установок, так как, с одной
стороны, определяет требуемые пределы термостойкости тепловой изоляции, с другой возможные термические деформации СВН.
Равновесная температура СВН
20
TР  ( PS  QS  I S  PD  QD  I D ) / U  T0
(1.13).
В тех случаях, когда СВН используют для получения воды с заданной температурой,
удельный часовой расход может быть определен с использованием графика [7].
По заданной Твых и известным Твх и Тр определяют
B  (TВЫХ  TВХ ) /(TР  TВХ )
(1.14).
Удельный расход воды с Tвых=const
g  U / B  cp
(1.15).
КПД солнечного коллектора может быть определен по формуле
  q(выробатанное) / qi (падающая )
(1.16).
Данный алгоритм теплового расчета солнечных коллекторов использовался при
разработке виртуальной лабораторной работы СТУ, а также при разработке интерфейса
физического стенда в среде графического программирования LabVIEW.
Среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments (п.
4.1.1) предназначена для создания прикладного программного обеспечения информационноизмерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки
экспериментальных данных. То есть, язык программирования LabVIEW является наиболее
удобным и подходящим языком для создания прикладного программного обеспечения
АСЭИ СТУ и организации удаленного доступа к данной установке, так как обладает всеми
необходимыми свойствами и возможностями для создания ПО и организации УД.
Глава 2. Автоматизированные лабораторные практикумы в режиме удаленного
доступа
Лаборатория удаленного доступа (ЛУД) - комплекс технических, программных и
методических средств, обеспечивающих автоматизированное проведение лабораторных и
экспериментальных исследований непосредственно на физических объектах и (или) математических моделях с использованием удаленного компьютерного доступа.
Удаленный компьютерный доступ - режим функционирования ЛУД, при котором
управление физическим объектом осуществляется с компьютера, удаленного на сколь
угодно большое расстояние от места размещения самого объекта.
Таким образом, для создания ЛУД требуются, во-первых, применение специальных
технических средств, как для автоматизации экспериментального стенда, так и для связи
управляющего компьютера с удаленным пользователем, проводящим эксперимент в режиме
сетевого управления, во-вторых, разработка прикладного программного обеспечения (ПО)
или использование в отдельных случаях специализированных пакетов программ и, втретьих, методическая поддержка лабораторных учебно-научных экспериментов.
Лабораторий удаленного доступа перед реальными лабораториями, первые обладают
несомненными преимуществами экономического характера, как то:
1) экономия средств на создание реальных экспериментальных установок при
наличии их хотя бы в единичном экземпляре в каком-либо реальном практикуме, и экономия
средств на создание реальных установок за счет отсутствия необходимости создавать
реальный интерфейс для работы с аппаратурой в лаборатории, полностью заменяя его
21
сопряжением с компьютерным сервером;
2) появление возможности работы на дорогостоящем уникальном оборудовании,
находящемся в любой стране, любом городе, любом научном центре;
3) удобство доступа к лаборатории в любое время для любого количества
пользователей, в том числе одновременно (многопользовательский интерфейс);
4) возможность предложить услуги уникального экспериментального оборудования
любому желающему на коммерческой или иной основе, там самым расширение КПД, отдачи
от уже существующей аппаратуры;
5) применение современных достижений педагогики в компьютерной реализации
удаленного доступа к традиционным экспериментам (одновременный коллективный доступ
студентов к эксперименту).
2.1 Обзор лабораторий удаленного доступа
2.1.1 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ
им. Н. Э. Баумана
Создание ЛУД, позволяющих использовать через сеть Интернет использовать
уникальные научно-учебные экспериментальные стенды МГТУ им. Н.Э. Баумана,
проводилось, начиная с 2000г. На сайте http://lud.bmstu.ru (см. рисунок 2.1) содержится
информация по четырем практикумам по различным разделам курса физики (механика,
электромагнетизм, квантовая физика), разработанных на кафедре "Физика" МГТУ им. Н.Э.
Баумана.
Начал опытную эксплуатацию автоматизированный стенд по механике
деформируемого твердого тела с удаленным доступом, на котором возможна сложная
нагрузка образцов не только продольными усилиями, но и крутящими моментами. Вместе с
практикумом этот стенд образует Интернет-лабораторию ИЛИМ по испытанию материалов
[7].
Кроме того, на данном сервере размещена информация об Интернет - лаборатории на
основе уникального объекта – одного из крупнейших в Европе радиотелескопа МГТУ им.
Н.Э. Баумана (см. рисунок 2.2) миллиметрового диапазона длин волн, к которому в
соответствии с несколькими проектами по федеральным целевым программам организован
удаленный доступ через сеть Интернет. Ввод в опытную эксплуатацию этого
автоматизированного объекта состоялся в 2004 г. С 2005 г. преимущественно используется
оборудование National Instruments.
22
Рисунок 2.1 – Главная страница сайта АЛП УД в МГТУ им. Н.Э. Баумана
Здесь проводятся практикумы по изучению аппаратуры и методов исследования
радио и астрофизических объектов через сеть Интернет посредством специально
организованной радиорелейной линии связи. Масса управляемой с помощью сетевых
технологий антенны радиотелескопа более 20 тонн. Структура программного комплекса для
поддержки удаленного управления радиотелескопом МГТУ им. Н.Э. Баумана ДИОРАМА
изображена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.2 – Радиотелескоп МГТУ им. Н.Э. Баумана
23
Рисунок 2.3 – Структура программного комплекса ДИОРАМА для поддержки удаленного
доступа МГТУ им. Н.Э. Баумана
В 2005 г. по заданию Федерального агентства по образованию МГТУ им. Н.Э.
Баумана и МЭИ (ТУ) создали специализированный сервер АЛП УД http://www.alpud.ru, на
котором размещены описания и демо-версии
более чем 50 автоматизированных
практикумов, созданных различными университетами РФ. Там же размещены и
методические материалы, призванные помочь разработчикам и пользователям в применении
сетевых практикумов удаленного доступа в учебном процессе.
Проведенный анализ разработанных АЛП УД обусловливает ряд весьма высоких
требований к профессорско-преподавательскому и вспомогательному персоналу высших
учебных заведений, где разрабатываются и будут внедряться автоматизированные
практикумы с удаленным доступом.
Эксплуатация АЛП УД в системе ИНДУС студентами как МГТУ им. Баумана, так и
других университетов, продемонстрировала в течение пяти лет заметный интерес студентов
к данной форме проведения лабораторного практикума, индивидуализацию условий
проводимого эксперимента и повышение его эффективности. Кроме того, ряд обучающихся
принял активное участие и в разработке новых лабораторных практикумов с удаленным
доступом.
Опыт работы студентов, преподавателей и научных работников технического
университета на автоматизированных комплексах в режиме удаленного компьютерного
доступа уверенно демонстрирует практическую пользу данной технологии для обеспечения
эффективности учебного процесса и научных исследований.
2.1.2 Портал «Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть
internet к комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования»
Портал "Нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом через сеть Internet к
комплексу нанотехнологического исследовательского оборудования" (см. рисунок 2.4)
создан в рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации
на 2008 - 2010 годы». Портал является инструментарием для удаленного доступа студентов,
исследователей, разработчиков к комплексу зондовых, атомносиловых и электронных
микроскопов
для
диагностики
и
комплексных
испытаний
наночастиц,
24
наноструктурированных и наномодифицированных материалов. На оборудовании
нанолаборатории осуществляется дистанционное обучение сотрудников образовательных,
научных и промышленных организаций, а также выполнение научных исследований в
области нанотехнологий.
В базовый состав оборудования нанолаборатории входят сканирующие зондовые
микроскопы расположенные в Региональном Центре Зондовой Микроскопии коллективного
пользования (РЦЗМкп) при РГРТУ:
 Solver Pro, (ОАО «НТ-МДТ», Россия);
 Ntegra Aura, (ОАО «НТ-МДТ», Россия);
Рисунок 2.4 – Главная страница сайта нанолаборатории РГРТУ
 научно-учебный комплекс Nanoeducator (ОАО «НТ-МДТ», Россия).
И оборудование расположенное в Региональном Центр коллективного пользования
«Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, (г.
Санкт-Петербург);
 просвечивающий электронный микроскоп JEM 2100-F (JEOL, Япония),
оборудованный энергодисперсионным спектрометром фирмы «Oxford Instruments» и
анализатором потерь энергии электронов фирмы «Gatan»;
 растровый электронный аналитический микроскоп JSM 7001F (JEOL, Япония);
 рентгеновский дифрактометр Discover D8 (фирма Bruker, Германия).
Данный комплекс аппаратуры включает основную номенклатуру современных
приборов для анализа свойств и структуры наночастиц и наноматериалов [11].
Особенностью реализации проекта является создание универсального подхода к
обеспечению удаленного доступа к комплексу аппаратно-программных средств минимально
зависящего от типа оборудования нанотехнологической лаборатории.
Другой особенностью является распределенный характер учебно-исследовательской
лаборатории комплексных исследований с удаленным доступом. Распределенность
подразумевает то, что оборудование физически находится в разных организациях, но доступ
к нему осуществляется через единый информационный ресурс. Такой подход обеспечивает
охват максимально широкого спектра оборудования для исследования наноструктур,
предоставляемого в режиме удаленного доступа и позволяет дальнейшее малозатратное
расширение возможностей элемента научно-образовательной инфраструктуры путем
25
подключения к информационному ресурсу оборудования других организаций [10].
Представленные особенности позволят в дальнейшем при минимальных затратах
средств расширить состав оборудования и создать распределенную учебноисследовательскую лабораторию комплексных исследований с удаленным доступом.
В результате выполнения работ по II этапу были получены следующие результаты:
1) разработаны структура и состав локальной базы данных экспериментов;
2) создана и протестирована база экспериментальных данных, размещенная на
информационно-образовательном ресурсе РГРТУ (в электронном виде);
3) разработаны учебно-методические материалы с использованием возможностей
созданного комплекса удаленного доступа к оборудованию, включающие в себя 14
лабораторных работ по изучению методов сканирующей зондовой микроскопии, растровой
электронной микроскопии и рентгенодифракционного анализа вещества;
4) проведена опытная эксплуатация системы удаленного доступа с участием двух
организаций входящих в ННС РФ;
5) выполнено анонсирование результатов работ для участников ННС.
Новизна созданной базы данных экспериментов заключается в тесной интеграции с
информационно-образовательным порталом, с помощью которого осуществляется
удаленный доступ и возможность осуществления гибкого поиска размещенных данных.
Особенность реализации удаленного доступа к оборудованию заключается в широком
спектре подключенного оборудования нанодиагностики, охватывающем основную
номенклатуру современных приборов для анализа свойств и структуры наночастиц и
наноматериалов, легкой масштабируемости удаленного доступа, информативности и
эргономичность удаленного доступа, что создает «эффект присутствия» удаленного
пользователя в лаборатории, в которой расположены исследовательское оборудование и
распределенный
характер
учебно-исследовательской
лаборатории
комплексных
исследований с удаленным доступом.
Система удаленного доступа успешно используется в Рязанском государственном
радиотехническом университете при выполнении лабораторных работ по методам
сканирующей зондовой микроскопии.
Удалённый доступ к уникальному оборудованию позволяет географически расширить
круг его потенциальных пользователей, как для целей образования и науки, так и для
привлечения субъектов бизнеса к результатам научно-исследовательской деятельности,
способствовать координации исследований и разработок в сфере нанотехнологий, а также
ускорению внедрения результатов выполняемых исследований в производство.
2.1.3 Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа
Российского университета дружбы народов
Современная тенденция в сфере автоматизации и визуализации измерений
заключается в использовании виртуальных измерительных технологий (виртуальных
приборов – ВП) взамен традиционных, часто архаичных и малофункциональных приборов и
систем. Структурной единицей АЛПУД, разрабатываемых в РУДН, является
автоматизированный лабораторный стенд.
В состав автоматизированного лабораторного стенда входят исследуемый объект,
устройства ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, подключенные к персональному
компьютеру, программное обеспечение, задающее алгоритм работы ВП и его
пользовательский интерфейс (лицевая панель ВП). При таком подходе технические
характеристики измерительного оборудования определяются многофункциональными
устройствами ввода/вывода, а функциональные и пользовательские особенности могут быть
настроены программно в зависимости от конкретной задачи, поставленной в работе. Таким
образом, реализуется принцип открытой архитектуры, позволяющий расширять
функциональные возможности создаваемых приложений не разрушая, а лишь надстраивая
их. Кроме того, использование виртуальных измерительных технологий (ВИТ) позволяет
повысить степень автоматизации и гибкость измерительной системы, а также организовать
26
дистанционный
доступ
к
измерительным
ресурсам
через
современные
телекоммуникационные сети.
При разработке и построении АЛП УД на основе ВИТ выбор устройств ввода/вывода
осуществляется с учетом следующих факторов:
1) функциональное назначение устройства (тип подключаемых источников сигналов;
измерение аналоговых сигналов; генерация аналоговых сигналов; ввод/вывод дискретных
сигналов и т.д.);
2) технические характеристики (количество каналов; максимальная частота
дискретизации и обновления; разрядность АЦП и ЦАП и т.д.);
3) функциональные возможности (возможность одновременного ввода/вывода
данных, возможность синхронизации измерительных процессов по сигналам внешних
устройств и т.д.);
4) совместимость с существующими средами программирования;
5) фирма производитель (стоимость; сроки поставок; гарантия; техническая
поддержка и т.д.).
При создании систем дистанционного управления (СДУ), как правило, решаются
следующие основные задачи:
- автоматизация и проведение измерений на локальном уровне;
- первичная математическая обработка измерительной информации средствами
автоматизированного стенда;
- создание архива измеренных данных и организация работы с базами данных;
- создание гибкого, эргономичного и интуитивно понятного интерфейса
пользователя;
- организация передачи данных по телекоммуникационным сетям (запросов на
измерения, ответов на эти запросы и результатов измерений в виде лабораторных отчетов).
В качестве средства для разработки ПО в РУДН была выбрана среда LabVIEW,
являющаяся де-факто международным стандартом при создании систем автоматизации
измерений. Предпочтение при выборе фирмы-производителя было отдано National
Instruments в силу функциональных возможностей и надежности измерительного
оборудования, а также вследствие его гармоничной интеграции с другими программными
платформами.
2.1.4 Всемирная студенческая лаборатория WWSL – World Wide Student
Laboratory
Рассмотренные схема проведения АЛП УД и типовая методика относятся к
практикумам, разработанным в образовательных учреждениях Российской Федерации.
Однако можно представить себе и значительно более глобальное обобщение
автоматизированных лабораторных ресурсов при международной кооперации в этой
области. Идея Всемирной студенческой лаборатории (WWSL – World Wide Student
Laboratory) была впервые предложена А.А. Ародзеро. Она в большей мере ориентирована на
открытое образование, хотя может использоваться для расширения учебно-научных
экспериментальных ресурсов и при традиционных технологиях обучения. Главные цели
WWSL сформулированы следующим образом: увеличить эффективность практической
подготовки студентов на современной базе экспериментальных исследований,
стимулировать интерес студентов к науке и обеспечить расширение лабораторных ресурсов
преподавателям.
На начальном этапе World Wide Web (WWW – всемирная паутина) прежде всего,
использовалась в образовательных целях тремя основными способами:
- для обеспечения студентов более широким доступом к информации;
- как инструмент связи при традиционных формах образования, с целью роста
эффективности взаимодействия между преподавателями и студентами;
- как "виртуальная классная комната", "виртуальная лаборатория", как обобщенный
27
интерфейс для обучения на расстоянии.
В основу проекта WWSL положены новые образовательные технологии, который
дополняют традиционные методы и поднимают стандарт учебного экспериментального
исследования на качественно новый уровень. Эти технологии существенно расширяют
пределы лабораторной техники, доступной для практической подготовки студентов во всем
мире. WWSL – это динамичное международное сотрудничество, основанное на совместном
использовании через сеть Интернет экспериментальных ресурсов университетов,
учреждений, исследовательских центров и компаний.
В соответствии с концепцией WWSL можно отметить следующие основные
преимущества такого подхода:
- возможность исследования явлений, ненаблюдаемых в традиционных условиях
лаборатории. В качестве примеров можно привести исследования, которые требует
проведения одновременных опытов в различных географических точках мира, в различных
окружающих средах, в течение длительных интервалов времени и т.д.;
- в результате обобщения экспериментальных данных, полученных на целом ряде
стендов, возможно, изучить "тонкие" процессы и/или процессы, которые требуют очень
большого объема данных;
- появляется возможность управлять экспериментальными проектами параллельно с
математическим моделированием, что способствует более глобальному пониманию явлений;
- любой студент, имеющий доступ к Интернету, независимо от местоположения
может участвовать в WWSL, что делает WWSL совершенным образовательным
инструментом на любом расстоянии;
- студенты имеют круглосуточный доступ к экспериментальным установкам (24 часа
в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году) и возможность работать на них в соответствии с
собственным графиком;
- преподаватели имеют возможность использовать данные экспериментов,
проводимых в режиме on-line, для чтения лекций;
- используя WWSL, студенты могут иметь доступ к данным "профессиональных"
научных экспериментов, а преподаватели могут использовать эти данные для учебного
процесса;
Рисунок 2.8 – Web-страница проекта WWSL с примером портала центра по изучению
космических лучей
- отдельные студенческие проекты могут быть объединены в виде заключительного
доклада по исследовательским работам - участие в создании такого доклада научит
студентов этике совместных исследований, повысит мотивацию и значимость их работ;
- разработка и реализация новых WWSL-блоков программного обеспечения может
хорошо быть хорошим стимулом для студентов при изучении информатики;
28
-элементы WWSL могут быть доступны не только студентам университетов, но также
и обучающимся в колледжах и средних школах.
Для реализации проекта WWSL в США организована компания DiscoverLab
Corporation, президентом которой является А.А. Ародзеро. Результатом первой ее разработки
явилось "объединение" через сеть Интернет двух лабораторий по изучению космических
лучей, одна из которых расположена в РФ (МГТУ им. Н.Э. Баумана), а другая – в США
(Университет штата Орегон). На рисунке 2.8 приведена одна из страниц проекта WWSL
(http://wwsl.net).
Разработана соответствующая инфраструктура WWSL (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Инфраструктура проекта WWSL
2.1.5 Labicom.net – on-line платформа удаленного доступа к экспериментальным
комплексам для образования
Labicom.net on-line платформа для хостинга и обеспечения работы удалённых и
виртуальных лабораторий [21].
Labicom.net
представляет
собой
интернет-платформу,
предоставляющую
программный интерфейс (API) для подключения множества удалённых лабораторий.
Labicom.net содержит также базу данных пользователей и преподавателей удалённых
лабораторий, систему резервирования времени и организации очереди, предоставляет
серверное пространство для хостинга on-line версии веб-сайта удалённой лаборатории,
обеспечивает передачу данных по безопасному протоколу (HTTPS), и т.д.
Labicom.net спроектирован таким образом, что поддерживает локализации любых
языков, делая данную платформу полезной для инженерного образования всего мира. На
настоящий момент выполнена локализация платформы на русский и английский языки. На
рисунке 2.10 представлена английский вариант стартовой страницы.
Одной из ключевых особенностей Labicom.net является кроссплатформенность. Это
позволяет осуществлять доступ к удалённым лабораториям с любых устройств и
операционных систем (Windows, MacOS, iOS, Linux, Android), поддерживающих
современные браузеры. Предполагается, что конечным пользователям не нужно
устанавливать дополнительные плагины (Adobe Flash, Java, Silverlight, Unity, LabVIEW RunTime и т.п.) для выполнения работы в on-line лаборатории, что повышает удобство работы в
портале и его надёжность.
29
Рисунок 2.10 – Английский вариант стартовой страницы www.labicom.net
Пользователям Labicom.net присваиваются роли: администратор лаборатории,
преподаватель, помощник преподавателя, студент, турист (гость). Каждой роли отводятся
характерные для неё функции. Например, администратор лаборатории определяет, в какое
время его лаборатория будет доступна для удалённого управления (рисунок 2.11). Студент
может выбрать удобное ему время из предложенных интервалов. Преподаватель может
создавать и редактировать свои учебные группы и следить за результатами выполнения
работ.
Labicom.net предоставляет удобную систему резервирования времени выполнения
работ на экспериментальном оборудовании. Данная система не требует от администратора и
конечного пользователя согласований часовых поясов и разницы во времени – каждый
пользователь работает в своём местном времени, что экономит время всех участников
удалённого эксперимента и позволяет избежать путаницы, связанной с вопросами перевода
время одного часового пояса в другой. Организация работы портала требует от
администратора лаборатории определить рабочее время данной лаборатории. Данное время
может изменяться ото дня ко дню и может содержать несколько рабочих интервалов.
Рисунок 2.11 – Интерфейс администратора лаборатории для назначения времени удалённой
работы
После того как администратор удалённой лаборатории сделал оборудование
доступным, студенты могут зарезервировать удобное для себя время из числа предложенных
временных интервалов. Пример выбора времени приведен на рисунке 2.12.
30
Длительность каждого временного интервала определяется преподавателем, исходя из
педагогических и технических соображений.
Доступ к ресурсам удалённой лаборатории осуществляется через защищённое
Интернет-соединение по протоколу HTTPS. Это позволяет безопасно передавать данные и
даёт уверенность конечным пользователям в безопасности работы в данной системе.
Рисунок 2.12 – Интерфейс студента для выбора подходящего временного интервала
работы на стенде
При работе с Labicom.net в браузере пользователя в адресной строке появляется
зелёная область защищённого соединения (рисунок 2.13)
Рисунок 2.13 – Индикация защищённого соединения www.labicom.net в адресной
строке браузера
Не смотря на всю сложность информационных технологий и программной реализации
данного портала, конечный пользователь работает только с веб-страницей, полученной с
зарегистрированного адреса и зашифрованной при помощи SSL. Labicom.net использует
только стандартные интернет-технологии (HTML, CSS, JavaScript) и не использует
платформозависимые возможности (например, технологии подобные ActiveX). Наилучшую
работу портала обеспечивают современные браузеры (такие как Google Chrome).
Пример подключенной лаборатории. Удалённая лазерная лаборатория (рисунок 2.14)
МГТУ им. Н.Э. Баумана (RLL – Remote Laser Laboratory) является первым резидентом
платформы Labicom.net. Она является ярким и характерным примером использования
интернет-технологий для улучшения качества инженерного образования.
Данная лаборатория предоставляет возможность работы с лазерным стендом по сети
Интернет. Программная часть RLL состоит из лабораторного сервера, написанного на
LabVIEW, web-сервера Labicom.net и web-клиента (интернет-приложения в браузере
пользователя).
31
Рисунок 2.14 – Стенд удалённой лаборатории RLL
Лабораторный сервер позволяет администратору лаборатории работать с
оборудованием в режиме off-line, а также наблюдать за действиями пользователя во время
использования ресурсов лаборатории. На рисунке 2.15 приведен графический интерфейс
администратора лаборатории
Приложение-клиент данной удалённой лаборатории представляет собой веб-страницу,
содержащую элементы контроля для выполнения работы на лабораторном лазерном стенде
(см. рисунок 2.16).
Рисунок 2.15 – Графический интерфейс пользователя лабораторного сервера RLL
(администратора лаборатории)
32
Рисунок 2.16 – Графический интерфейс интернет - страницы пользователя RLL
Дальнейшая работа. В настоящее время Labicom.net находится в фазе активной
разработки и тестирования. Предстоит решить технические вопросы передачи лабораторных
данных в реальном времени, эффективной передачи потокового видео с веб-камер
удалённых лабораторий, а также создать подробные руководства пользователей и
локализации на другие языки. Не смотря на большое количество работы, которое остаётся
проделать, основные элементы инфраструктуры платформы уже успешно работают, поэтому
в ближайшем будущем следует подключить другие удалённые лаборатории для дальнейшего
развития проекта и более полного тестирования.
2.2 Сравнительный анализ ЛУД
Сравнительный анализ технических характеристик достоинств и недостатков
вышеописанных ЛУД приведен в таблице 2.1.
Все выше описааные ЛУД имеют как достоинства, так и недостатки. Большим
достоинством портала «нанолаборатория РГРТУ с дистанционным доступом к комплексу
нанотехнологического исследовательского оборудования» является наличие возможности не
только проведения научных экспериментов, но и дистанционного обучения, в свою очередь
автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана
больше направлен на организацию экспериментальных исследований. На данный момент
портал РГРТУ находится в стадии тестирования, что не позволяет относиться к ней с полным
доверием, в то время как АЛП МГТУ им. Н.Э. Баумана функционирует с 2000 года.
В АЛП УД Российского университета дружбы народов отсутствует возможность
использования реального оборудования, что исключает возможность использования их
опыта в создании ЛУД в нашем университете.
Технология DiscoverLab Corporation используемая во Всемирной студенческой
лаборатории WWSL
– World Wide Student Laboratory представляет экономические и
технические затруднения для ее использования как основной при создании АСЭИ СТУ
АУЭС.
Интернет-платформа Labicom.net предоставляет готовое профессиональное решение
для задач, возникающих у большинства on-line лабораторий, и освободив педагогические и
научные коллективы от необходимости программирования одинаковых систем. Таким
образом, при использовании платформы Labicom.net создатели удалённых лабораторий
могут сконцентрировать свои усилия и средства на задачах, специфических только для
данной конкретной лаборатории, что должно улучшить её качество и сократить время
разработки и внедрения
На основании проведенного сравнительного анализа (таблица 2.1)
для
разрабатываемой АСЭИ СТУ АУЭС в качестве аналога используется автоматизированный
33
лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н.Э. Баумана [8], так как
используется наиболее доступная технология National Instruments, совместимая с
используемым оборудованием в лаборатории АУЭС «Энергосбережение и возобновляемые
нетрадиционные источники энергии». В то же время концепция создания web – сайта была
выбрана как и у портала РГРТУ.
Т а б л и ц а 2.1 – Сравнительный анализ ЛУД
Лаборатории
удаленного
доступа
Автоматизирован
ный
лабораторный
практикум
удаленного
доступа МГТУ
им. Н. Э. Баумана
Портал
«Нанолаборатори
я РГРТУ с
дистанционным
доступом к
комплексу
нанотехнологичес
кого
исследовательско
го оборудования»
АЛП УД
Российского
университета
дружбы народов
Всемирная
студенческая
лаборатория
WWSL – World
Wide Student
Laboratory
Количество
Наличие
Применяелабораторн уникально
мая
ых
го
технологи
практикумо оборудовая
в
ния
Достоинств
а
Недостатк
и
Преимущес
твенно
National
Instruments
Да
Наличие
большого
количества
уникального
оборудовани
я
Сложности
при
регистраци
и
пользовате
ля
Да
Наличие
широкого
спектра
подключенн
ого
уникального
оборудовани
я, а также
возможность
дистанционн
ого
обучения
Проект
находится
в стадии
тестирован
ия
Нет
Удобство
использован
ия,
доступность
Отсутствие
реального
эксперимен
тального
оборудован
ия
Да
Наличие
большого
количества
уникального
оборудовани
я,
международ
ный проект,
широкий
спектр
возможносте
Сложности
при
регистраци
и
пользовате
ля,
языковой
барьер
Moodle
National
Instruments
DiscoverLa
b
Corporation
50
6 научных
эксперимент
ов и
большое
количество
лабораторны
х работ
24
38
34
Labicom.net
Преимущес
твенно
National
Instruments
1
-
й
Предоставля
ет готовую
инфраструкт
уру для
размещения
лаборатории
: систему
резервации
лабораторно
го времени,
бесплатный
хостинг,
защищённы
й канал
передачи
данных
(SSLсертификат)
Проект
находится
в стадии
тестирован
ия
Глава 3.
Разработка
автоматизированной системы экспериментальных
исследований «Солнечная теплогенерирующая установка» в режиме удаленного
доступа
3.1 Постановка задачи
В Алматинском университете энергетики и связи в учебно-научной лаборатории
«Энергосбережение и
нетрадиционные возобновляемые источники энергии»
разрабатываются несколько лабораторных практикумов (АЛП) на базе автоматизированных
систем экспериментальных исследований (АСЭИ) для исследования различных объектов:
фотоэлектрической станции, ветроустановки,
котельной установки, станции
метеонаблюдений, солнечной теплогенерирующей установки, тригенерационной установки.
Цель работы заключается в применении новейших компьютерных технологий и
свойств сети Интернет в учебном процессе при разработке АСЭИ солнечной
теплогенерирующей установки (СТУ). Предназначение данной установки заключается в том,
чтобы замещать централизованное теплоснабжение и горячее водоснабжение
альтернативными источниками энергии.
АСЭИ позволяет проводить различные виды экспериментальных исследований:
выявление наиболее лучших вариантов организации тепло и электроснабжения и ГВС, сбор
и обработка измерительной информации станции метеонаблюдений и измерения солнечной
радиации, а также оценка качества выхлопных газов и др.
Задача данной работы состоит в разработке АСЭИ СТУ в режиме удаленного доступа.
В результате выполнения работ на I этапе были разработаны:
- концепция дистанционного проведения эксперимента;
- методология удаленного реального эксперимента;
- архитектура информационно-образовательного ресурса;
- прототип информационно-образовательного ресурса;
- алгоритм выполнения дистанционного эксперимента.
В рамках разработанной концепции дистанционный эксперимент должен
реализовывать следующие базовые элементы:
1) доступ пользователя к программному интерфейсу управления устройством;
35
2) многоракурсное удаленное видеонаблюдение за экспериментом;
3) аудиосвязь между оператором и удаленными пользователями;
4) сохранение данных выполненного эксперимента на компьютере удаленного
пользователя.
Представленные элементы создают «эффект присутствия» удаленного пользователя в
лаборатории в которой расположены исследовательское оборудование. Для регламентации
последовательности действий и взаимодействия оператора и пользователя при выполнении
дистанционного эксперимента необходима разработка методологии удаленного
эксперимента.
В соответствии с разработанной методологией при выполнении дистанционного
эксперимента используется следующая последовательность действий:
1) процедуры регистрации и авторизации на информационно-образовательном
ресурсе;
2) запрос на использование оборудования и заключение договора;
3) подготовка клиентского компьютера для выполнения удаленного эксперимента;
4) согласование времени выполнения эксперимента;
5) подготовка исследовательского оборудования к эксперименту, запуск сервернокоммуникационной и информационной систем обеспечения дистанционного выполнения
эксперимента;
6) выполнение дистанционного эксперимента;
7) сохранение данных в базе данных;
8) завершение соединения, протоколирование, формирование отчета о выполнении
работы.
Выполнение дистанционного эксперимента осуществляется посредством сети Internet.
Сайт (п. 4.3.1) содержит окна доступа к программному интерфейсу управления устройством,
окна видеодоступа к лаборатории и аудиоканал связи с оператором, что создает «эффект
присутствия» и обеспечивает полноценное участие в выполнении эксперимента. Сайт также
обеспечивает доступ к базе данных выполненных экспериментов и содержит
информационно-образовательные ресурсы.
В ходе выполнения работ были разработаны структура и наполнение сайта. Доступ к
комплексу оборудования для солнечных коллекторов осуществляется в соответствии с
разработанной методологией и алгоритмом выполнения дистанционного эксперимента.
Алгоритм
выполнения
работ
регламентирует
последовательность
выполнения
дистанционного эксперимента в образовательных и научных целях.
Особенностью реализации проекта является создание универсального подхода к
обеспечению удаленного доступа к комплексу аппаратно-программных средств.
Другой особенностью является распределенный характер учебно-исследовательской
лаборатории комплексных исследований с удаленным доступом. Такой подход обеспечивает
охват максимально широкого спектра оборудования для исследования солнечных излучении,
предоставляемого в режиме удаленного доступа и позволяет дальнейшее малозатратное
расширение возможностей элемента научно-образовательной инфраструктуры путем
подключения к информационному ресурсу оборудования других организаций.
В результате выполнения работ на 2 этапе были выполнены следующие действия:
 исследована солнечная теплогенерирующая установка;
 разработана структура и исследованы задачи АСЭИ СТУ;
 исследованы способы и методы организации удаленного доступа;
 разработан АЛП СТУ, для которого:
- разработан виртуальный стенд для исследования характеристик солнечной
теплогенерирующей установки и теоретического расчета в среде графического
программирования LabVIEW;
- разработан интерфейс физического стенда для проведения физических
экспериментов на солнечной теплогенерирующей установке и в среде графического
программирования LabVIEW;
36
- разработана БД результатов физического эксперимента;
- разработана методика проведения физического эксперимента в режиме
удаленного доступа;
 проведены эксперименты на СТУ в ручном режиме работы ГНУ.
3.2 Солнечная теплогенерирующая установка учебно-научной лаборатории
АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии»
Лабораторный стенд солнечной теплогенерирующей установки включает в себя
следующие основные элементы: солнечные коллектора; тепловой насос; бак аккумулятор;
теплообменник; теплоизолированный трубопровод для подачи теплоносителя (нагретой
воды) из теплообменника в солнечный коллектор; теплоизолированный трубопровод для
подачи теплоносителя из солнечного коллектора в теплообменник. На трубопроводе
установлены датчик температуры, расходомер и вентиль. Вентиль должен обеспечивать
плавную регулировку расхода теплоносителя с точностью ±1%. Солнечные коллектора
установлены на гелионавигационной установке в корзинах, закрепленных на турелях и
поворачивающихся с помощью двигателей ИМ4 и ИМ5 по тангажу. Турели установлены на
двигателях ИМ2 и ИМ3, которые поворачивают их по азимуту. Вся эта конструкция
крепится на траверсе, которую поворачивает двигатель ИМ1 по солнцу.
СТУ на базе УНЛ АУЭС «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые
источники энергии» (см. рисунок 2.1) включает в себя: 1 – солнечные коллектора, 2 –
тепловой насос, 3 – бак-аккумулятор, 4 – циркуляционные насосы, 5 – автоматический
клапан (задвижка), 6 – расходомер, 7 – вентиль с электродвигателем, 8 – датчик температуры
(термометр сопротивления), 9 – датчик давления (манометр), 10 – трехходовой клапан с
электродвигателем, 11 – расширительный бачок для сброса лишнего давления в баке
аккумуляторе, 12 – расширительный бачок для регулирования давления в системе, 13 –
ручная задвижка.
Рисунок 3.1 – Лабораторная установка СТУ
Солнечные лучи, проникая через стекло, нагревают теплоноситель. Теплоноситель
под действием циркуляционных насосов выходит из коллектора, а на его место поступает
новая порция теплоносителя. Далее нагретый теплоноситель передается по трубам в
теплообменник и отдает свое тепло воде в баке – аккумуляторе. Тепловой насос нагревает
теплоноситель до нужной температуры, находящийся в баке-накопителе, из которого уже
горячая вода подаётся в систему отопления.
37
Часть тепла от теплового насоса нагревает воду в бойлере, которая подаётся в систему
горячего водоснабжения.
Солнечные коллектора расположены на гелионавигационной установке (гелиостате).
Гелиостат - устройство для поворота солнечных панелей к солнцу под определенным
углом по тангажу и азимуту. Схема гелиостата представлена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2- Схема гелиостата
Обозначения на рисунке:
1 – опора;
2 – поворотная траверса;
3 – турель (2 штуки);
4 – корзина солнечной панели (2 штуки);
ИМ – 1 - исполнительный механизм поворотной траверсы;
ИМ – 2, ИМ – 3 – исполнительные механизмы поворота турелей (по горизонту);
ИМ – 4, ИМ – 5 – исполнительные механизмы поворота корзины (по тангажу).
ИМ – 1, ИМ – 2, ИМ – 3 поворачиваются по азимуту.
Устройство состоит из пяти двигателей с несущей траверсой. Первый основной
двигатель ИМ-1 осуществляет поворот всей траверсы по отношению к солнцу. Два двигателя
ИМ-2 и ИМ-3 вращаются вокруг своей оси и относительно траверсы, и служат для поворота
солнечных панелей по азимуту. Азимут – это часовой угол в градусах. Каждый час
изменяется на 15° от начала отсчета 12 часов дня.
Оставшиеся два двигателя ИМ-4 и ИМ-5 установлены на двух азимутальных
двигателях, и вращаясь на них, служат для поворота солнечных панелей по тангажу. Так как
наивысшая высота солнца над горизонтом в широте города Алматы не превышает 70°, то
максимальный угол поворота по тангажу принят за 90°. В нашем случае при помощи
гелиостата мы сможем менять угол наклона солнечных панелей и вычислить наилучший
угол к солнцу, при котором повысится КПД. Реальный вид гелионавигационной установки с
солнечными коллекторами изображен на рисунке 3.3.
38
Рисунок 3.3 – Гелионавигационная установка
3.3 Разработка структуры и постановка задачи АСЭИ СТУ
Основу АСЭИ составляет лабораторный сервер, подключение лабораторных
установок к которому осуществляется посредством устройства ввода-вывода, либо
устанавливаемых на его системных шинах, либо подключаемых посредствам
соответствующих портов (COM,USB), (рисунок 3.4). Под лабораторным сервером
понимается обычный персональный компьютер (ПК), который в сочетание с устройством
ввода-вывода и соответствующим программным обеспечением (ПО) реализует функции
различных измерительных приборов и позволяет автоматизировать процессы измерения и
управления.
Рисунок 3.4 – Схема АСЭИ СТУ
В рамках разработанной системы дистанционный эксперимент должен реализовывать
следующие базовые элементы:
1) доступ пользователя через web-сайт к программному интерфейсу управления
устройством;
2) передача управления контроллером NI Compact Field Point от сервера к
пользователю;
3) сохранение данных выполненного эксперимента в базе данных, а также обработка и
выполнение запросов удаленным пользователем.
Функционирование АСЭИ СТУ в режиме удаленного доступа осуществляется по
39
принципу клиент-сервер. Доступ удаленных пользователей (студент или преподаватель) к
лабораторным ресурсам осуществляется через глобальную сеть интернет. Задействованные
в системе лабораторные ресурсы носят распределенный характер, так как не требуют
локализации в рамках одного помещения, а могут являться отдельными лабораториями,
расположенными как в одном, так и в разных учебных заведениях ВУЗа, соединенными
локальной сетью. Таким образом, необходимо реализовать передачу данных между
удаленным пользователем и лабораторной установкой. Передача данных должна быть
обеспечена по двум участкам:
1) глобальная сеть интернет (удаленный пользователь - глобальный сервер системы),
2) локальная сеть ВУЗа (сервер системы - лабораторные ресурсы).
В соответствии с разработанной методологией при выполнении дистанционного
эксперимента используется следующая последовательность действий:
1) прежде всего, необходимо связаться с менеджером АУЭС и заключить договор;
2) пройти регистрацию и авторизацию на сайте АСЭИ;
3) подать заявление на выполнение лабораторной работы на физическом стенде;
4) согласовать время выполнения эксперимента;
5) подготовка исследовательского оборудования к эксперименту;
6) выполнение дистанционного эксперимента;
7) сохранение данных в базе данных;
8) завершение соединения, протоколирование, формирование отчета о выполнении
работы.
АСЭИ решает такие задачи как: определение количество тепловой энергии падающей
на коллектор, удельная мощность коллектора, температура теплоносителя на выходе, КПД
коллектора, тепловые потери, и т.д.
3.4 Создание web – сайта
Web – сайт был написан на языке PHP и создан с помощью фреймворка Bootstrap.
3.4.1 Описание языка PHP
PHP — это язык программирования, который давно уже перерос свое название. Дело в
том, что первоначально это был просто набор макросов, предназначенных для создания
несложных личных Web-страниц, и название РНР — не более чем аббревиатура от слов
personal home page (личная домашняя страница). Но со временем набор макросов превратился в полноценный язык программирования, с помощью которого можно создавать развитые Web-узлы, обменивающиеся информацией с современными базами данных.
По мере того как развивались возможности языка, росла и его популярность. По
данным компании NetCraft (http://www.netcraft.com), на ноябрь 1999 г. технология РНР
использовалась более чем на 1 миллионе Web-узлов, а к февралю 2000 г. эта цифра достигла
1,4 млн. По данным компании E-Soft, PHP — это самый популярный модуль для сервера
Apache, оставивший позади даже ModPerl.
В настоящее время создатели РНР называют его обработчиком гипертекста
(HyperText Preprocessor). Это язык программирования, используемый на стороне сервера
(server side scripting language), конструкции которого вставляются в HTML-текст.
В отличие от обычного HTML-текста Web-страницы, программа на РНР не передается
браузеру, но обрабатывается препроцессором РНР или его модулями. Фрагменты HTMLтекста при этом остаются без изменений, а операторы РНР выполняются и результат их
обработки вставляется в HTML-текст, после чего все вместе передается браузеру. Программа
на РНР может делать запрос к базе данных, создавать графические изображения, читать и
записывать файлы, общаться с внешними серверами, то есть возможности такой программы
практически не ограничены.
40
Фрагменты программного кода (так называемые сценарии) РНР записываются прямо в
коде HTML Web-страниц. При этом они помещаются внутрь особого парного тега <?php.. .
?>. Давайте наберем в Блокноте вот такой HTML-код, содержащий небольшой сценарий РНР
(выделен полужирным шрифтом):
<HTML>
<HEAD>
<TITLE>Пример в PHP</TITLE>
</HEAD>
<BODY>
<?php echo "<p>Добро пожаловать!</p>"; ?>
</BODY>
</HTML>
Оператор вывода echo выводит строковое значение, указанное после него, в то место
страницы, где сам находится. Что касается самого строкового значения, то оно заключено в
двойные кавычки (это важно!) и содержит HTML-код обычного абзаца, содержащего слово
Добро пожаловать!
3.4.2 Фреймворк Bootstrap
Bootstrap – это open source фреймворк, созданный на базе JavaScript и CSS и
оперирующий отдельным языком, представляющим собой расширение каскадных таблиц —
LESS. Фреймворк обладает множеством встроенных инструментов, которые могут
использоваться вместе с HTML или с любыми системами управления контентом (включая
WordPress), поддерживающими внешние стили. Таким образом, его можно применять для
создания любых веб-сайтов. Фреймворк содержит в себе определение базовых стилей для
всех основных возможностей, применяющихся на сайтах: для аккордеонов, уведомлений,
выпадающих списков, групп кнопок, каруселей, лейблов, списков, модальных окон,
навигационных панелей, навигационных вкладок,
3.4.3 Создание web – сайта АСЭИ СТУ на PHP
Программное обеспечение лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные
возобновляемые источники энергии» выполнено на LabVIEW версии 8.5 и имеет
возможность установки сервера .vi, что позволяет выполненным и исполняемым файлам
доступ в сети. На нынешнем этапе тестирование программ выполнялась в локальной сети, в
дальнейшем планируется выход в глобальную сеть. Блок-схема алгоритма программы
управления экспериментом в ЛУД СТУ АУЭС предоставлена на рисунках 3.5-3.7.
Подробное описание алгоритма работы на сайте по данным блок-схеме приведены ниже.
На главной странице (см. рисунок 3.8) пользователь может выбрать следующие
вкладки, которые будут доступны только после регистрации:
 Выбрать виртуальные лабораторные работы;
 Учебный материал;
 Подать заявку на проведение эксперимента.
С помощью главного меню страницы есть возможность перейти на вкладки
«Регистрация» (где вводятся все данные студента для получения доступа к работе на
физическом стенде в режиме удаленного доступа), «Расписание» (содержит список
студентов, дату и время проведения работы) и «Контакты» (см. рисунок 3.9) (содержит
контактные данные университета).
Для того чтобы провести экспериментальные исследования на установке в режиме
удаленного доступа, необходимо перейти по ссылке «Как стать участником научного
эксперимента» (см. рисунок 3.10), где пользователь может найти всю необходимую
информацию.
Листинг web-сайта на языке PHP приведен в приложении А.
41
После заключения договора с университетом, необходимо далее перейти на вкладку
«Регистрация» (см. рисунок 3.11) и ввести свои данные, а также запомнить свой пароль и
логин, которые были введены при регистрации для получения доступа к закрытой до этого
момента информации.
Выбрав ссылку «Автоматизированная система экспериментальных исследований»
(см. рисунок 3.12), пользователь переходит на страницу, где перечислены четыре
автоматизированных лабораторных практикумов (АЛП), выбрав один из которых можно
провести работу (но только после подачи заявки на выполнение эксперимента).
После регистрации и подачи заявки на выполнение эксперимента, пользователь
заходит на страницу данной установки, т.е. АСЭИ СТУ (см. рисунок 3.13), в которой можно:
 прочитать описание установки нажав на «Описание СТУ»;
 перейти к работе на физическом стенде в режиме УД нажав на «Провести
работу»;
 перейти к работе на виртуальном стенде, нажав на «ВЛР»
 в случае возникновения интереса к среде графического программирования
LabView перейти по ссылке «LabView».
42
начало
Главная
страница
Авторизация
Нет
Регистрация
Да
Оформление
заявки
Подать заявку
Учебные
материалы
Изучение
материалов
Виртуальная
лаб. работа
Работа на вир.
стенде
АСЭИ
ФЭС
АСМиИ
СР
СТУ
КиТУ на
базе ДГ
Работа на физ.
стенде
Нет
Выйти из
сайта?
Да
конец
Рисунок 3.5 – Блок-схема алгоритма программы управления экспериментом в ЛУД СТУ
АУЭС
43
П/П «Работа на
вирт. стенде»
Описание
вирт. работы
Нет
Приступить
к работе?
Да
Ввод исх.
данных
Получение
результатов
Да
Начало?
Нет
Выход из п/п
Рисунок 3.6 – Блок-схема алгоритма подпрограммы «Работа на виртуальном стенде»
44
Рисунок 3.7 – Блок-схема алгоритма подпрограммы «Работа на физическом стенде»
45
Рисунок 3.8 – Главная страница сайта АСЭИ СТУ
Рисунок 3.9 – Вкладка «Контактные данные»
Рисунок 3.10 – Вкладка «Как стать участником научного эксперимента»
Рисунок 3.11 – Вкладка «Регистрация»
46
Рисунок 3.12 – Страница «АСЭИ»
Рисунок 3.13 – страница «АСЭИ СТУ»
На странице «Провести работу» (см. рисунок 3.14) необходимо ввести свой логин и
пароль и нажать на кнопку «войти».
Рисунок 3.14 – страница «Провести работу»
3.4.4 Реализация удаленного доступа к лабораторному стенду
47
После идентификации имени и пароля откроется доступ к эксперименту. Появится
интерфейс программы (см. рисунок 3.15), разработанной в LabVIEW. В данной части
программы осуществляется передача управления от сервера к клиенту для управления
контроллером National Instruments Compact Field Point. Пользователю необходимо собрать
схему и выбрать режим гелионавигационной установки (ГНУ). После чего следует перейти к
работе на физическом стенде, нажав на кнопку «Перейти на Физический стенд».
Описание блок диаграммы:
1 – условия загорания проводов между оборудованием;
2 – Case выбор режима ГНУ;
3 - Case выбора открытия файла (физический стенд): Open VI Reference (открытие
новой лабораторной работы), Invoke Node (активировать ее);
4 – сброс кнопок: Reinitialize to Default;
5 – кнопка «Перейти на физический стенд».
Рисунок 3.15 - Интерфейс передачи управления контроллером
4
1
5
2
3
Рисунок 3.16 – Блок – диаграмма
48
После нажатия на кнопку «Перейти на физический стенд», пользователь переходит
непосредственно к работе на физическом стенде и анализирует реальные данные,
получаемые от СТУ. То есть, перед ним открывается интерфейс физического стенда,
описанный в подразделе 4.2
После анализа и работы на физическом стенде, пользователь на вкладке «Расчеты»
нажав на кнопку «Обработка данных», переходит непосредственно к работе с данными,
занесенными в БД. То есть, открывается интерфейс «Обработка данных», где пользователь
выполняет запросы к БД, описанные в подразделе 4.3. После этого он завершает удаленный
эксперимент, нажав на кнопку «STOP».
Глава 4.
Разработка
автоматизированного лабораторного практикума
Солнечной теплогенерирующей установки
4.1 Разработка виртуальной лабораторной работы СТУ в среде Lab View Real
Time
Для создания прикладного программного обеспечения компьютерных систем сбора и
обработки измерительной информации сегодня применяются специализированные средства,
использующие принцип объектно-ориентированного программирования. Среди таких
средств наиболее развитой и универсальной является среда графического программирования
Lab VIEW фирмы National Instruments.
4.1.1 Описание среды графического программирования LabVIEW
Среда графического программирования Lab VIEW фирмы National Instruments
предназначена для создания прикладного программного обеспечения информационноизмерительных систем, а также различных компьютерных систем сбора и обработки
экспериментальных данных.
National Instruments LabVIEW – признанный лидер среди промышленных
программных средств разработки систем моделирования, управления и тестирования. С
момента появления в 1986 г. инженеры и ученые во всем мире стали применять LabVIEW на
всех стадиях разработки изделий, добиваясь при этом более высокого качества, сокращая
время выхода продукции на рынок, повышая эффективность проектирования и производства.
Графическое программирование и использование принципа потока данных LabVIEW
естественным образом привлекает ученых и инженеров, поскольку открывает интуитивно
понятный подход к созданию автоматизированных измерительных и управляющих систем.
Сочетание языка потокового программирования со встроенными функциями ввода-вывода,
элементами управления и индикаторами интерактивного пользовательского интерфейса
делает выбор LabVIEW идеальным для ученых и инженеров.
Система LabVIEW включает в себя:
- ядро, обеспечивающее работоспособность программных процессов, разделение
аппаратных ресурсов между процессами;
- компилятор графического языка программирования "G";
- интегрированную графическую среду разработки, выполнения и отладки программ;
- набор библиотек элементов программирования в LabVIEW, в том числе библиотеки
графических элементов пользовательского интерфейса, библиотеки функций и подпрограмм,
библиотеки драйверов, библиотеки программ для организации взаимодействия с
измерительно-управляющими аппаратными средствами и т.п.;
- развитую справочную систему;
- обширный набор программ-примеров с возможностью как тематического, так и
алфавитного поиска.
Программирование в системе LabVIEW максимально приближено к понятию
алгоритм. После того, как вы продумаете алгоритм работы своей будущей программы, вам
49
останется лишь нарисовать блок-схему этого алгоритма с использованием графического
языка программирования "G". Не потребуется думать о ячейках памяти, адресах, портах
ввода-вывода, прерываниях и иных атрибутах системного программирования. Данные будут
передаваться от блока к блоку по "проводам", обрабатываться, отображаться, сохраняться в
соответствии с вашим алгоритмом. Мало того, сам поток данных будет управлять ходом
выполнения вашей программы. Ядро LabVIEW может автоматически использовать
эффективные современные вычислительные возможности, такие как многозадачность,
многопоточность и т.п. Процесс программирования в LabVIEW похож на сборку какой-либо
модели из конструктора. Программист формирует пользовательский интерфейс программы "мышкой" выбирает из наглядных палитр-меню нужные элементы (кнопки, регуляторы,
графики и т.д.) и помещает их на рабочее поле программы. Аналогично "рисуется" алгоритм
- из палитр-меню выбираются нужные подпрограммы, функции, конструкции
программирования (циклы, условные конструкции и прочее). Затем также мышкой
устанавливаются связи между элементами – создаются виртуальные провода, по которым
данные будут следовать от источника к приемнику. Если при программировании случайно
будет сделана ошибка, например какой-то провод будет подключен "не туда", то в
большинстве случаев LabVIEW сразу обратит на это внимание программиста. После того,
как алгоритм – блок-схема нарисован, программа готова к работе. Помимо библиотек,
входящих в состав комплекта поставки системы LabVIEW, существует множество
дополнительно разработанных программ. Многие из них свободно доступны через Internet.
Собственные разработки пользователей, накопленные в процессе работы, могут размещаться
в новых библиотеках и могут быть многократно использованы в дальнейшем.
Система программирования LabVIEW имеет встроенный механизм отладки
приложений. В процессе отладки разработчик может назначать точки остановки программы,
выполнять программу "по шагам", визуализировать процесс исполнения программы и
контролировать любые данные в любом месте программы. Система LabVIEW позволяет
защитить программы от несанкционированного изменения или просмотра их исходного
кода. При этом разработчик может либо использовать пароли на доступ к приложениям,
либо вовсе удалить исходный код из работающего приложения [9].
Созданную в среде LabVIEW прикладную программу принято называть Виртуальным
прибором (ВП).
В состав прикладной программы на LabVIEW входят две основные
составляющие:
- лицевая панель виртуального прибора (Front Panel);
- функциональная панель или блок-диаграмма (Diagram).
Лицевой панелью (Front panel) (см. рисунок 3.4) называется окно, через которое
пользователь взаимодействует с программой.
Рисунок 4.1 –Лицевая панель LabVIEW
50
Рисунок 4.2 - Блок-диаграмма
Лицевая панель (Front Panel) представляет собой интерактивный пользовательский
интерфейс виртуального прибора, имитирующий лицевую панель традиционного прибора.
На ней могут находиться ручки управления, кнопки, графические индикаторы и другие
элементы управления (controls), которые являются средствами ввода данных со стороны
пользователя, и элементы индикации (indicators) – средства вывода данных из программы.
Лицевая панель в основном состоит из совокупности элементов управления (controls) и
индикаторов (indicators) (см. рисунок 3.4). Элементы управления позволяют пользователю
ввести данные: они передают данные в блок-диаграмму виртуального прибора. Индикаторы
отображают выходные данные, являющиеся результатами выполнения программы.
Блок-диаграмма (Block Diagram) является исходным программным кодом ВП,
созданным на языке графического программирования LabVIEW. Блок-диаграмма
представляет собой реально исполняемое приложение. Компонентами блок-диаграммы
являются: виртуальные подприборы, встроенные функции LabVIEW, константы и структуры
управления. Объекты лицевой панели представлены на блок-диаграмме в виде
соответствующих терминалов (terminals), через которые данные могут поступать от
пользователя в программу и обратно.
Блок-диаграмма LabVIEW соответствует строкам текста в обычных языках
программирования вроде С или Basic - это такой же реально исполняемый код.
4.1.2 ВЛР
установки»
«Исследование
характеристик
солнечной
теплогенерирующей
При разработке виртуального стенда лабораторного практикума использовался метод
имитационного моделирования. Под имитационным моделированием понимают машинное
моделирование на ЭВМ, воссоздающее режим функционирования исследуемой системы с
использованием математической модели объекта исследования и модели случайных
воздействий.
Виртуальные модели воспроизводят погрешности, возникающие в приборах при
измерении входной величины и учитывают их случайный характер.
Экспериментальное определение характеристик коллекторов даёт
понимание
специфических особенностей в работе коллекторов. В работе предложена методика
теплоэнергетического расчета коллектора. Для выполнения расчета необходима исходная
информация о проектируемом обьекте теплоснабжения, данные о климатических условиях
51
местности, о свойствах теплоносителя, значения коэффициентов, строительных норм и т.п.
Целью теплового расчёта плоского коллектора является определение тепловых потерь
с его поверхности и суточный КПД.
Пользовательский интерфейс для работы на виртуальном стенде содержит 2 вкладки:
окно оператора и расчеты. На вкладке «Окно оператора» представлена структурная схема
солнечной теплогенерирующей установки и располагаются элементы управления входных
параметров, задаваемых оператором (см. рисунок 4.3). На вкладке «Расчеты» располагаются
элементы отображения расчетных данных (см. рисунок 4.4).
Рисунок 4.3 – Пользовательский интерфейс для работы на виртуальном стенде
Рисунок 4.4 – Интерфейс расчетных данных для виртуального стенда
На рисунке 4.5 представлена блок-диаграмма программы АЛП СТУ. На данной блокдиаграмме запрограммирован интерфейс виртуального стенда, представленного на рисунке
4.3 [12].
52
1
8
2
9
11
5
6
7
3
1
4
Рисунок 4.5 – Блок – диаграмма интерфейса виртуального стенда
1 – Входные сигналы, подаваемые с фронт панели в подпрограмму «Расчет КПД», где
проводится расчет кпд первого коллектора согласно формулам, описанным в разделе
(1.2.1.2). Перечень данных входных сигналов:
 угол наклона коллектора к горизонту;
 широта;
 число слоев остекления 1 коллектора;
 температура на входе;
 теплоемкость 1 коллектора;
 азимут поверхности 1 коллектора;
 расход теплоносителя 1 коллектора.
2, 3, 7, 8, 9 – Выходные данные, получаемые от подпрограммы «Расчет КПД»:
 коэффициент положения коллектора при рассеянной радиации;
 приведенная оптическая характеристика при рассеянной радиации;
 зенитный угол 1, 2 коллектора;
 угол падения солнечных лучей;
 кпд коллектора;
 оптический кпд;
 тепловые потери;
 удельная мощность;
 температура на выходе;
 расчетная температура;
 солнечная радиация, падающая на коллектор;
 интенсивность (i);
 угол высоты солнца;
 приведенная оптическая характеристика при прямой радиации;
 коэффициент положения коллектора при прямой радиации.
4 – дневное время, задаваемое в подпрограмму «Расчет КПД»;
5,11 – подпрограмма «Расчет КПД», выполняющая расчет КПД солнечного коллектора;
6 – Входные сигналы, подаваемые с фронт панели в подпрограмму «Расчет КПД», где
проводится расчет кпд первого коллектора согласно формулам, описанным в подразделе
(1.2.1.2). Перечень данных входных сигналов:
 угол наклона коллектора к горизонту;
53
 широта;
 число слоев остекления 2 коллектора;
 температура на входе;
 теплоемкость 2 коллектора;
 азимут поверхности 2 коллектора;
 расход теплоносителя 2 коллектора.
10 – панель, содержащая две вкладки: «окно оператора» и «расчеты».
4.2 Разработка интерфейса для работы на физическом стенде
Разработанный интерфейс для физического стенда визуализирует входные сигналы,
полученные с датчиков физического установки с помощью контроллеров NI Compact Field
Point, среды графического программирования LabView. Это угол наклона коллектора к
горизонту, азимут поверхности, температура на входе и выходе, температура окружающей
среды и другие показатели.
Пользовательский интерфейс для работы с физическим стендом (см. рисунки 4.6 и
4.7) имеет 2 вкладки: физический стенд и расчеты. На вкладке «Физический стенд»
располагаются элементы отображения параметров, получаемых непосредственно с датчиков
(см. рисунок 4.6). На вкладке «Расчеты» располагаются элементы отображения массивов
выходных данных и графиков зависимостей КПД от параметров: азимута поверхности и
угла наклона коллектора к горизонту (см. рисунок 4.7).
Рисунок 4.6 - Пользовательский интерфейс для работы на физическом стенде
54
Рисунок 4.7 – Интерфейс выходных данных для работы на физическом стенде
Разработанная блок-диаграмма представлена на рисунке 4.8
1 – DB Tools Open Connection является одним из основных объектов ADO, который
представляет
соединение
с
OLE DB (источник данных) [13]. Подключение объекта содержит методы для установки
тайм-аутов и хранения информации о соединении;
2 – расчет КПД коллектора по формулам, описанным в разделе 1.2.1.2.
3 - получение данных от таблицы, в том числе дату и время (Get Date/Time string), а
также преобразование этих данных в формат нужный для базы данных (To variant);
8
2
7
6
1
3
4
5
Рисунок 4.8 – Часть блок диаграммы интерфейса физического стенда: расчет кпд
одного коллектора
4 – DB Tools Insert Data – передает данные в таблицу базы данных, определяемую по
соединению, создавая новую строку в таблице;
5 – Передача данных в таблицу базы данных под именем «kol»;
6 - DB Tools Close Connection – закрытие соединения с базой данных путем закрытия
доступа к ссылке, определяющей это соединение;
7 – Запись данных в таблицу с помощью следующих компонентов:
 Merge signals – объединяет два или несколько сигналов и выводит один
выходной;
 Build Table – преобразует данные в необходимые для записи в таблицу и
передает в таблицу.
8 – построение графиков зависимостей кпд от азимута поверхности, угла наклона
коллектора к горизонту и от потерь.
На рисунке 4.8 приведена часть блок-диаграммы интерфейса физического стенда, где
показан тепловой расчет коллектора. Так как, тепловые расчеты коллекторов идентичны, то
на рисунке 4.8 отображен, расчет одного коллектора.
4.3 Разработка базы данных в СУБД MS SQL
Процесс проектирования базы данных включает несколько этапов [15]:
 Системный анализ предметной области;
 Инфологическое проектирование;
 Датологическое проектирование;
 Физическое проектирование.
55
4.3.1 Системный анализ предметной области
Цель: выявить основных пользователей будущей базы данных (б/д) и их требования к
ней. То есть задачи, которые будет решать база данных.
Этапы проведения системного анализа:
1) Обоснование необходимости разработки б/д (содержательная постановка
задачи в которой описана предметная область и цель создания б/д);
2) Определение будущих пользователей б/д и анализ их деятельности (диаграмма
as is) и их информационные потребности (to be);
3) Анализ форм входных и выходных потоков данных (DFD - диаграмма);
4) Разработка алгоритма обработки данных (минимспецификации в виде
диаграммы деятельности).
В качестве средства управления жизненным циклом разработки применяется
методика Rational Unified Process семейства Rational Rose.
В среде Rational Rose существует несколько диаграмм:
 диаграмма прецедентов;
 диаграмма действий;
 диаграммы состояний;
 диаграммы последовательностей и кооперации.
Диаграмма прецедентов – это графическое представление всех или части актеров,
прецедентов и их взаимодействий в системе. В каждой системе обычно есть главная
диаграмма прецедентов, которая отображает границы системы и основное функциональное
поведение системы. Другие диаграммы могут создаваться при необходимости.
Требуется разработать информационную систему (ИС) для автоматизации учета
эффективности работы ГНУ и количества пользователей, работающих на ней. Система
должна предусматривать режим введения системного каталога, отражающего перечень
режимов ГНУ:
1) ручной;
2) с ЗУ-50;
3) автоматический;
4) с постоянной разницей;
5) жесткий режим;
6) подсолнух.
При выборе любого из режимов с 2 солнечных батарей, расположенных на ГНУ
снимаются автоматически данные о:
1) угол наклона к горизонту;
2) азимут поверхности;
3) расход теплоносителя;
4) температура на входе;
5) температура на выходе;
6) теплоемкости;
7) температура окружающей среды;
8) время снятия данных;
На основании этих данных после переключения режима рассчитывается КПД и
строятся графики зависимости КПД от температуры окружающей среды, угла наклона к
горизонту, азимута поверхности.
БД используют оператор и пользователи из других университетов. Пользователи
могут просматривать графики за любой день и любой режим, а также наличии аварийных
ситуаций.
Сведения о пользователе должны содержать:
1) Название учебного заведения.
2) Специальность.
56
3) Курс.
4) Код доступа, уникальный для каждого учебного заведения.
5) Логин.
6) Пароль.
Разрешается работать с установкой 1 пользователю не более 1 часа. При работе
пользователя с ГНУ всем остальным запрещается доступ к ней. Пользователи из одного
учебного заведения не могут работать параллельно с двух компьютеров.
Администратор следит за эффективностью работы ГНУ, аварийными ситуациями,
передачи управления ГНУ пользователям и пишет отчет о работе за день, который заносится
в БД и передается руководству.
Администратор должен иметь:
1) Логин.
2) Пароль.
При работе с ГНУ записывается
1) Время начала работы.
2) Имя пользователя.
3) Время окончания работы.
4) Режим работы на ГНУ.
5) Аварийные ситуации (необязательно).
Примеры диаграммы прецедентов приведены на рисунках 4.9-4.10.
Рисунок 4.9 - Диаграмма прецедентов AS IS
57
Рисунок 4.10 – Диаграмма прецедентов TO BE
DFD —диаграммы потоков данных (см. рисунок 4.11). Так называется методология
графического структурного анализа, описывающая внешние по отношению к системе
источники и адресаты данных, логические функции, потоки данных и хранилища данных, к
которым осуществляется доступ.
Диаграмма потоков данных (data flow diagram, DFD) — один из основных
инструментов структурного анализа и проектирования информационных систем.
Рисунок 4.11 - DFD —диаграмма
Внешними сущностями диаграммы является ГНУ и Оператор.
ГНУ –
гелионавигационная установка, с которой снимаются данные:
1) Угол наклона к горизонту.
2) Азимут поверхности.
3) Расход теплоносителя.
4) Температура на входе.
5) Температура на выходе.
6) Теплоемкости.
7) Температура окружающей среды.
8) Время снятия данных.
Также снимаются данные об авариях.
Оператор пишет отчет об эффективности работы ГНУ и количестве пользователей,
работавших на ней.
Хранилищами являются каталог и список о количестве пользователей.
В каталоге содержатся графы: данные с ГНУ, режимы работы ГНУ, рассчитанный
КПД, графики и отчет оператора.
Список о количестве пользователей формируется при регистрации студентов.
Потоки данных:
 данные об авариях ГНУ передает для подсчета количества аварий за день;
 данные с ГНУ необходимы для подсчета КПД и построение графиков зависимости
КПД от данных;
 после подсчета количества аварий, расчета КПД эти значения передаются в
каталог;
 из каталога данные о КПД передаются для построения графика, в свою очередь
готовые графики помещаются в каталог;
58
 для написания отчета необходимо просмотреть все данные с каталога и данные о
количестве пользователей, после чего готовый отчет передается в каталог.
4.3.2 Инфологическое проектирование
На данном этапе по результатам проведения исследования предметной области
строится инфологическая модель.
Цель: Исследование предметной области с точки зрения разработчика б/д, т.е.
проведения анализа информационных объектов предметной области. Инфологическая
модель представляет собой описание будущей б/д, представленная с помощью естественного
языка (диаграмм, таблиц) и других средств, понятных как разработчику, так и пользователю.
Существует несколько подходов к описанию инфологической модели, один из них
подход, основанный на применении ER – диаграмм.
Этапы инфологического проектирования:
1) выделение информационных объектов (сущностей) в заданной предметной
области;
2) описание информационных объектов;
3) определение информационных связей между сущностями;
4) построение инфологической модели на уровне сущности;
5) описание атрибутов;
6) выделение первичного ключа;
7) построение инфологической модели на уровне ключей и атрибутов.
Инфологическое проектирование (т.е. построение модели данных) осуществлялось на
инструментальном CASE-средстве Erwin на основе методологии IDEF1X [16].
4.3.2.1 Инструментальное CASE-средство Erwin
Для создания моделей данных в ERwin можно использовать две нотации: IDEF1X и IE
(Information Engineering).
Методология IDEF1X – язык для семантического моделирования данных, основанных
на концепции сущность-связь. Диаграмма сущность-связь предназначена для разработки
модели данных и обеспечивает стандартный способ определения данных и отношения между
ними.
Сущность в методе IDEF1X является независимой от идентификаторов, или просто
независимой, если каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован
без определения его отношений с другими сущностями. Сущность называется зависимой от
идентификаторов, или просто зависимой, если однозначная идентификация экземпляра
сущности зависит от его отношения к другой сущности.
ERwin является наиболее популярным пакетом моделирования данных среди
профессиональных разработчиков благодаря полной поддержке широкого спектра СУБД
самого разного класса, включая Oracle, DB/2, Sybase, Informix, MS SQL Server, SQLBase, CA
Ingres, Rdb, AS/400, Progress, Interbase, Watcom, в том числе: Clipper, dBase, Access, Fox,
Paradox.
CASE-средство ERwin предназначено для разработчиков, проектировщиков БД,
системных аналитиков для построения модели данных в процессе разработки технического
проекта информационной системы. С помощью ERwin разработчик может, используя
визуальные средства, описать логическую модель данных. На основе логической модели
создается физическая модель для конкретной СУБД с использованием хранимых процедур и
триггеров. Результатом работы по созданию физической модели может стать генерация
структуры базы данных [11].
4.3.2.2 Инфологическое проектирование с помощью Erwin
59
Инфологическая модель базы данных показана на рисунке 4.12.
Рисунок 4.12 – Инфологическая модель БД «GNU»
Описание атрибутов, входящих в сущности:
Т а б л и ц а 4 . 1 - Data_GNU
Id_data
Уникальный номер сбора данных
Datatime_data
Дата и время снятия данных
Angle
Угол по тангажу
Azimut
Угол по азимуту
Rashod
Расход теплоносителя
T_vihod
Температура на выходе коллектора
T_vhod
Температура на входе коллектора
C
Теплоемкость теплоносителя
T_okr
Температура окружающей среды
Т а б л и ц а 4 .2 - Avariya
Id_avarii
Уникальный номер для сущности авария
Datetime_avarii
Дата и время, когда произошла авария
Number_error
Номер ошибки, т.е. место, где случилась авария
Т а б л и ц а 4.3 - Katalog
id_kataloga
Номер записи в каталоге
Rezhim
Режим поворота коллектора
KPD
КПД установки
avariya
Наличие или отсутствие аварий
Т а б л и ц а 4.4 - Polzovat
Id_klienta
Номер пользователя
VUZ
Название ВУЗа
60
Speciality
Kurs
Kod_VUZa
Address_VUZa
Специальность пользователя
Курс на котором обучается пользователь
Код необходимый для доступа в базу, уникальный для каждого
ВУЗа
Страна, город, улица, дом
Т а б л и ц а 4.5 - Otchet
id_otcheta
Номер отчета
KPD_1
Средний КПД по режиму 1
KPD_2
Средний КПД по режиму 2
KPD_3
Средний КПД по режиму 3
KPD_4
Средний КПД по режиму 4
KPD_5
Средний КПД по режиму 5
KPD_6
Средний КПД по режиму 6
Avariya
Количество аварий
Rezhim
Режим поворота коллектора
Kol-vo_polz
Количество пользователей за день
4.3.3 Датологическое проектирование
На данном этапе производится построение датологической модели на базе
инфологической модели.
Цель: описание свойств понятий предметной области, их взаимосвязь и ограничения.
То есть построение модели с учетом выбранной модели данных.
1) Этапы датологического проектирования:
2) Преобразование отношений;
3) Нормализация сущностей;
4) Построение полной атрибутивной модели.
Даталогическая модель базы данных GNU показана на рисунке 4.13.
Рисунок 4.13 – Даталогическая модель БД «GNU»
Описание атрибутов новой сущности
61
Т а б л и ц а 4 .6 - Adress_VUZa
id_adressa
Номер адреса
Gorod
Город, в котором находится ВУЗ
Strana
Страна, в которой находится ВУЗ
Ylica
Улица, на которой находится ВУЗ
Number_doma
Номер дома, в котором находится ВУЗ
4.3.4. Физическое проектирование
Цель построение модели данных с учетом выбранной СУБД, т.е. разработка схемы б/д
для конкретной СУБД.
Этапы физического проектирования:
1) все простые сущности превращаются в таблицы, имя сущности становится именем
таблицы;
2) каждый атрибут становится столбцом с тем же именем.
3) компоненты уникального идентификатора сущности превращается в первичный
ключ таблицы;
4) указание ограничений целостности проектируемой б/д и краткое описание таблиц и
их полей.
Физическая модель базы данных GNU показана на рисунке 4.14, создана в программе
автоматически.
Рисунок 4.14 – Физическая модель БД «GNU»
4.3.5
Создание базы с помощью MS SQL
4.3.5.1 Описание MS SQL
Microsoft SQL Server — система управления реляционными базами данных (СУБД),
разработанная корпорацией Microsoft. Основной используемый язык запросов — Transact62
SQL, создан совместно Microsoft и Sysbase. Transact-SQL является реализацией стандарта
ANSI/ISO по структурированному языку запросов (SQL) с расширениями [18]. Используется
для работы с базами данных размером от персональных до крупных баз данных масштаба
предприятия; конкурирует с другими СУБД в этом сегменте рынка.
Инструментальные средства MS SQL:
- документация SQL Server Books Online;
- программа SQL Server Configuration Manаger;
- службы SSIS, в том числе программа-мастер Import/Export Wizard;
- программа bcp;
- программа Profiler;
- программа sqlcmd.
Документация Books Online – наиболее важное инструментальное средство, которое
можно найти в составе программного обеспечения SQL Server. Документация Books Online
представляет собой превосходный быстродействующий справочник, к которому всегда
можно обратиться с любого компьютера.
Чаще всего программой SQL Server Configuration Manаger пользуются
администраторы, занимающиеся настройкой конфигурации компьютеров в целях
обеспечения доступа к базе данных. Опции настройки конфигурации, которыми можно
управлять с помощью программы, подразделяются на два типа:
- управление службами;
- настройка конфигурации сети.
Программа bcp – это утилита с интерфейсом командной строки, предназначенная
исключительно для ввода и вывода значительных объемов отформатированных данных в
СУБД. Программа bcp применялась как основное средство массовой загрузки и выгрузки
данных задолго до того, как были созданы службы SSIS, а в настоящее время основной
объем работы по осуществлению операций импорта и экспорта данных передан от
программы bcp к службам SSIS.
Программа Profiler позволяет получить сведения о том, что происходит в серверном
программном обеспечении, даже в таких безвыходных ситуациях, когда не остается больше
никаких других возможностей. Программа Profiler представляет собой инструментальное
средство текущего контроля в реальном времени [19].
Программа sqlcmd – инструментальное средство, которое позволяет выполнять
пакетные файлы, состоящие из операторов SQL.
Объекты SQL Server:
- базы данных – группа объектов, которая включает по крайней мере набор объектов
таблиц, а также чаще всего другие объекты (хранимые процедуры и представления,
относящиеся к определенной совокупности данных, которые хранятся в таблицах базы
данных;
- индексы – это объект, который существует только в пределах инфраструктуры
конкретной таблицы или представления, представляет собой набор поисковых значений,
отсортированных определенным образом;
- журналы транзакций;
- сборки;
- таблицы – аналог бухгалтерского журнала и электронной таблицы Excel, состоит из
данных заголовка и данных тела;
- отчеты;
- файловые группы – группы, в которые входит каждый файл базы;
- каталоги полнотекстного поиска – отображения данных, позволяющие ускорить
поиск конкретных блоков текста в столбцах, для которых разрешен полнотекстовый поиск;
- диаграммы – визуальное представление проекта базы данных, включает все
таблицы, имена всех столбцов каждой таблицы и все связи между таблицами;
- определяемы пользователем типы данных – дополнения к типам данных,
определяемым системой;
63
- представления – виртуальная таблица, средство получения заранее
запланированного отображения и преобразования данных, хранящихся в таблицах;
- роли;
- хранимые процедуры – упорядоченная последовательность операторов TransactSQL, оформленных в виде единого логического модуля;
- пользователи – идентификатор для некоторого лица, желающего войти в систему для
работы с СУБД.;
- пользовательские функции.
4.3.5.2 Создание базы данных с помощью запросов в MS SQL
Создание таблиц, их ключей и атрибутов [17]
create table data_GNU (
id_data int not null primary key,
date_data date not null,
time_data time not null,
angle int not null,
azimut int not null,
rashod int not null,
t_vihod int not null,
t_vhod int not null,
t_okr int not null)
Рисунок 4.15 – Таблица «data_GNU»
create table avariya (
id_avarii int not null primary key,
date_avarii date not null,
time_avarii time not null,
number_error int not null)
Рисунок 4.16 – Таблица «avariya»
create table polzovatel (
id_klienta int not null primary key,
VUZ char(20) not null,
speciality char(40) not null,
kurs int not null,
kod_VUZa int not null,
data_prisut date not null,
time_prisut time not null)
64
Рисунок 4.17 – Таблица «polzovatel»
create table katalog (
id_kataloga int not null primary key,
rezhim char(8) not null,
avariya char(5),
KPD real,
id_avarii int foreign key references avariya(id_avarii),
id_data int not null foreign key references data_GNU(id_data))
Рисунок 4.18 – Таблица «katalog»
create table otchet (
id_otcheta int not null primary key,
KPD_1 real,
KPD_2 real,
KPD_3 real,
KPD_4 real,
KPD_5 real,
KPD_6 real,
avariya char(40),
kol_vo_polzovat int,
id_klienta int not null foreign key references polzovatel(id_klienta),
id_kataloga int not null foreign key references katalog(id_kataloga))
Рисунок 4.19 – Таблица «otchet»
Пример автозаполнение значений КПД в каталог:
update katalog
set KPD = (data_GNU.t_vihod-data_GNU.t_vhod)*100/data_GNU.t_vihod from data_GNU
where data_GNU.id_data=katalog.id_data
Создание процедур нахождения среднего значения КПД и общего количества
пользователей:
65
create procedure sred_KPD_1 as
declare @KPD1 int
select @KPD1=avg(KPD)
From katalog
Where rezhim=’rezhim 1’
Update otchet
Set KPD_1=@KPD1
Create procedure avariya as
Declare @Kol int
Select @Kol=count(id_avarii)
From avariya
Update otchet
Set avariya=@Kol
Create procedure polz as
Declare @Kol_p int
Select @Kol_p=count(id_klienta)
From polzovatel
Update otchet
Set kol_vo_polzovat=@Kol_p
Вызов процедур можно осуществить с помощью команды exec.
Приведем пример создания запросов [20]
Select avg(KPD) ”КПД”, rezhim ”Режим”
From katalog
Group by rezhim
Рисунок 4.20 – Результат запроса КПД с режимом
4.4 Результаты теплового расчета СТУ
4.4.1 Проведение виртуальных экспериментов
На основании приведенных методов расчета в подразделе 1.2.1.2, проведены
эксперименты на виртуальном стенде (п. 4.1.2).
Параметры необходимые для расчета солнечного коллектора:
n — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января. Дневное время. Угол падения
солнечных лучей на наклонную и горизонтальную поверхности в данном месте. Широтой
местоположения точки φ, φ — это угол между линией, соединяющей точку А с центром Земли 0, и ее проекцией на плоскость экватора. Часовой угол w, Часовой угол w — это угол,
измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии,
соединяющей центры Земли и Солнца. Угол w =0 в солнечный полдень, а 1 ч соответствует
15°. Зенитный угол z, Зенитный угол Солнца z — это угол между солнечным лучом и
нормалью к горизонтальной плоскости в точке А. Угол высоты α, Угол высоты Солнца α —
это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на
горизонтальную плоскость. Сумма α + z равна 90°. Азимут a Солнца, Солнца a — это угол в
66
горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.
Величины Q, U, f определяют расчетным путем или экспериментально в
лабораторных и натурных условиях. Экспериментально, как правило, определяют U (табл.
4.7).
Т а б л и ц а 4 .7 – Приближенные значения Q и U для выпускаемых СВН
Число слоев QS
QD
U, Вт/м2·°С
остекления
при скорости ветра до при скорости ветра до 10
5 м/с
м/с
Один
0,73
0,64
8
11
Два
0,63
0,42
5
5,5
1-ый программный эксперимент.
Цель работы:
Определение эффективности использование плоского коллектора с одинарным и
двойным остеклением, в условиях Казахстана (Алматы) за год.
Условия эксперимента:
коллектор неподвижен (азимут коллектора = const, угол наклона = const);
данные берутся среднемесячные;
температура на входе и расход теплоносителя постоянен;
обычный плоский коллектор;
число слоев остекления – 1 и 2;
широта Алматинская – 43.4º;
интервал времени – год.
Определения параметров:
количество тепловой энергии падающей на коллектор;
удельная мощность коллектора;
температура теплоносителя на выходе;
КПД коллектора;
тепловые потери.
Т а б л и ц а 4 . 8 – Исходные данные эксперимента
Интенсивность Интенсивность
прямой
рассеянной
солнечной
солнечной
радиации
радиации
падающею на
падающею на
горизонтальну
горизонтальну Температура
Дневное ю поверхность
ю поверхность
на входе
2
2
Месяц
время (ч) IS (Вт/м )
ID (Вт/м )
t1(°C)
Январь
12:00
73.3796
42.1296
20
Февраль
12:00
106.944
60.3009
20
Март
12:00
139.005
71.875
20
Апрель
12:00
191.435
80.4398
20
Май
12:00
237.5
93.75
20
Июнь
12:00
262.269
90.0463
20
Июль
12:00
273.38
77.3148
20
Окончание таблицы 4.8
67
Температура
оружающего
воздуха t0(°C)
-11.5
-8.9
0.8
10.3
16
23.3
24.9
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
12:00
12:00
12:00
12:00
12:00
240.625
196.296
129.63
77.1991
59.375
73.3796
61.1111
48.3796
38.6574
31.25
20
20
20
20
20
22.7
15.6
8
-1.2
-8.2
Т а б л и ц а 4 . 9 – Исходные данные эксперимента
Месяц
Азимут
коллектора(°)
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
(коллектор
направлен на
юг)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Угол наклона
коллектора(°)
(коллектор
расположен
параллельно к
горизонту)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Теплоемкость
теплоносителя
(Дж/кг·(°С))
Расход
теплоносите
ля (кг/м2·с)
Количество
тепловой
энергии
падающей на
коллектор
(Вт/м2)
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.004187
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
0.03
62.217
106.492
179.783
291.899
415.988
474.025
444.651
330.502
216.162
125.799
62.6132
46.4444
Т а б л и ц а 4 . 1 0 – Результаты программного эксперимента для коллектора с
одинарным остеклением
Удельная
Тепловые
мощность
Температура на
потери
2
Месяц
(Вт/м )
КПД(%)
выходе t2(°C)
(Вт/м2)
Январь
-219.289
0
-9.0965
281.506
Февраль
-164.273
0
-1.79669
270.765
Март
-26.9198
0
16.4281
206.703
Апрель
138.705
47.5181
38.4042
153.194
Май
281.322
67.6275
57.3275
134.666
Июнь
387.49
81.7446
71.4145
86.5351
Июль
379.001
85.2357
70.2881
65.6496
Август
273.025
82.6092
56.2265
57.4771
Сентябрь
126.063
58.3189
36.7268
90.0986
Октябрь
-6.673
0
19.1146
132.472
Окончание таблицы 4.10
Ноябрь
-132.147
0
2.46596
194.76
Декабрь
-203.116
0
-6.95058
249.56
Т а б л и ц а 4 . 1 1 – Результаты программного эксперимента для коллектора с
двойным остеклением
68
Месяц
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Удельная
мощность (Вт/м2) КПД(%)
-129.091
-88.084
10.2204
133.534
244.272
321.533
311.889
225.11
113.354
14.9083
-74.2746
-120.986
0
0
5.68486
45.7465
58.7208
67.8304
70.1423
68.1114
52.4393
11.8509
0
0
Температура
Тепловые
на выходе
потери
t2(°C)
(Вт/м2)
2.87142
191.308
8.3125
194.576
21.3561
169.563
37.718
158.365
52.4114
171.716
62.6629
152.492
61.3832
132.762
49.8689
105.392
35.0404
102.808
21.9781
110.89
10.1448
136.888
3.94686
167.43
500
Удельная мощность (Вт/м2)
400
300
200
Одинарное остекление
100
двойное остекление
0
-100
-200
-300
Рисунок 4.21 – График зависимости удельной мощности коллектора (Вт/м2) от времени года.
Рассмотрены коллектора с одинарным остеклением и двойным
Вывод по эксперименту:
Определив параметры солнечного коллектора при данных условиях можно сделать
вывод, что установка эффективно работает с Апреля по Сентябрь. На эффективность
установки существенно влияет окружающая температура, время года, коэффициент
теплопроводности и местоположение установки.
2-ой программный эксперимент.
Цель работы:
Определение тепловых потерь в атмосферу, изменяя температуру теплоносителя на
входе в коллектор.
Условия эксперимента:
69
Изменяем температуру на входе от t1=-5°C до t1=60°C;
азимут коллектора = 0°, угол наклона коллектора = 21°;
Окружающая температура t0=20°C;
Расход теплоносителя постоянен g = 0.03(кг/м2·с);
Обычный плоский коллектор;
Число слоев остекления – 1;
Широта Алматинская – 43.4º;
Определения параметров:
Удельная мощность коллектора;
Тепловые потери.
Т а б л и ц а 4 . 1 2 – Результаты численного эксперимента
Температура на
Тепловые потери
Удельная
входе в коллектор t1(°C)
(Вт/м2)
мощность (Вт/м2)
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
-97.336
-55.2617
-13.1874
28.8869
70.9613
113.036
155.11
197.184
239.259
281.333
323.407
365.482
407.556
449.63
570.515
528.441
486.367
444.292
402.218
360.144
318.069
275.995
233.921
191.846
149.772
107.698
65.6235
23.5492
Вывод по эксперименту:
Результаты эксперимента показывают, что температура теплоносителя на входе
существенно влияет на эффективность коллектора. Для получения максимального эффекта
от солнечного коллектора, температура теплоносителя на входе должна быть не выше
температуры окружающего воздуха.
4.4.2 Проведение физического эксперимента
Эксперимент на реальном оборудовании (п. 4.2).
Цель работы:
Исследовать влияние положения солнечного коллектора на теплопроизводительность.
Условия эксперимента:
Режим ГНУ: ручной
Коллектор активен (варьируется параметры - азимут коллектора, угол наклона
коллектора относительно горизонта);
Окружающая температура t0=20°C;
Температура на входе t1=20°C
Расход теплоносителя постоянен g = 0.03(кг/м2·с);
70
Плоский коллектор;
Число слоев остекления – 1;
Широта Алматинская – 43.4º;
Определения параметров:
Количество тепловой энергии падающей на коллектор;
Удельная мощность коллектора;
Температура теплоносителя на выходе;
КПД коллектора;
Тепловые потери.
Т а б л и ц а 4 . 1 3 – Результаты эксперимента
Количество
тепловой
энергии
Угол
падающей
Азимут
наклона
на
Удельная
коллектора
коллектора коллектор
мощность
(°)
(°)
(Вт/м2)
(Вт/м2)
Юг(0)
0
436.09
331.195
Запад(90)
0
436.09
331.195
Север(180)
0
436.09
331.195
Восток(-90)
0
436.09
331.195
Юг(0)
30
468.705
357.152
Окончание таблицы 4.13
Запад(90)
30
373.317
283.908
Север(180)
30
277.778
210.548
Восток(-90)
30
373.317
283.908
Юг(0)
45
435.497
332.568
Запад(90)
45
300.59
228.979
Север(180)
45
165.469
125.225
Восток(-90)
45
300.59
228.979
Юг(0)
60
373.954
286.226
Запад(90)
60
208.713
159.345
Север(180)
60
43.208
32.2609
Восток(-90)
60
208.713
159.345
Юг(0)
90
191.331
146.915
Запад(90)
90
0.468621 0.359831
Север(180)
90
0.00E+00 0.00E+00
Восток(-90)
90
0.468621 0.359831
71
КПД
(%)
75.9465
75.9465
75.9465
75.9465
76.1999
76.0502
75.7973
76.0502
76.3651
76.1764
75.6789
76.1764
76.5405
76.3465
74.6643
76.3465
76.7856
76.7851
0
76.7851
Температура Тепловые
на выходе
потери
t2(°C)
(Вт/м2)
63.9448
104.895
63.9448
104.895
63.9448
104.895
63.9448
104.895
67.389
111.552
57.6706
47.9367
57.6706
64.1271
50.3823
36.6156
50.3823
57.9782
41.1428
24.2806
41.1428
39.4936
20.0477
20
20.0477
89.4087
67.2298
89.4087
102.929
71.6114
40.2438
71.6114
87.7276
49.3679
10.947
49.3679
44.4164
0.10879
0
0.10879
Рисунок 4.22 – График зависимости удельной мощности коллектора (Вт/м2) от положения
коллектора.
Вывод по эксперименту:
Исследовав данные можно сделать вывод, что положения солнечного коллектора
относительно солнца существенно влияет на теплоэффективность. В данном случае работа
коллектора будет наиболее эффективно при следующих данных: Азимут αп= 0° (коллектор
направлен на юг) и угол наклона β = 30°.
Глава 5. Разработка лабораторных работ по вводу/выводу дискретных сигналов
в систему сбора данных NI PCI-6221 с помощью терминальной коробки DAQmx
5.1 Система сбора данных
Система сбора данных (ССД) — комплекс средств, предназначенный для работы
совместно с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и
осуществляющий автоматизированный сбор информации о значениях физических
параметров в заданных точках объекта исследования с аналоговых и/или цифровых
источников сигнала, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.
По способу сопряжения с компьютером системы сбора данных можно разделить на:
ССД на основе встраиваемых плат сбора данных со стандартным системным
интерфейсом (наиболее распространен — интерфейс PCI);
ССД на основе модулей сбора данных с внешним интерфейсом (RS-232, RS-485,
USB);
ССД, выполненные в виде крейтов. (магистрально-модульные ССД) (КАМАК,VXI);
Группы цифровых измерительных приборов (ЦИП) или интеллектуальных датчиков
(для их организации применяются интерфейсы: GPIB (IEEE-488),1-wire, CAN, HART.
По способу получения информации ССД делятся на:
- сканирующие;
- мультиплексные (мультиплексорные, иногда говорят «многоточечные»);
- параллельные;
72
- мультиплицированные.
Последний тип ССД практически не используется в силу своего исключительно
низкого быстродействия. Единственное достоинство ССД этого типа — относительная
простота — полностью нивелируется современными технологиями изготовления
интегральных схем.
Сканирующий принцип построения ССД используется для измерения поля
распределения параметров: тепловизор, аппарат УЗИ, томограф используют для получения
первичной информации именно ССД сканирующего типа. Параллельными системами сбора
данных следует считать ССД на основе интеллектуальных датчиков (ИД), каждый ИД суть
одноканальная ССД со специализированным интерфейсом. Исторически же первыми
параллельными ССД были ССД, где у каждого датчика «личным» был только АЦП, а сбор и
обработка данных осуществлялась многопроцессорной ЭВМ. Параллельные системы пока
еще не вытесняют мультиплексорные, в силу своей аппаратурной избыточности. Однако в
ряде случаев параллельный принцип привлекателен: когда есть недорогие готовые ИД и
недорогой канал связи (система на интерфейсе 1-Wire), либо при небольшом числе каналов
(выпускаются счетверенные сигма-дельта АЦП) и т. п.
Мультиплексная (мультиплексорная) ССД имеет на каждый измерительный канал
индивидуальные средства аналоговой обработки сигнала и общий для всех каналов блок
аналого-цифрового преобразования (помимо самого АЦП в него обязательно входит
«антиалиасинговый» ФНЧ, устройство выборки хранения, опционально — схема защиты и
схема формирования знакового разряда). Наибольшее распространение в настоящее время
имеют именно мультиплексные системы сбора данных.
Типовая система сбора данных (рисунок 5.1) является мультиплексной и содержит в
себе следующие узлы: сигналы, датчики, исполнительные механизмы, согласование сигнала,
приборы для сбора данных, и программное обеспечение.
Рисунок 5.1 – Стандартная система сбора данных
Обозначения: 1 – сигнал, 2 – терминальный узел, 3 – кабель, 4 – устройство сбора
данных, 5 – компьютер [10].
Сбор данных начинается с физического явления, которое надо измерить. Таким
физическим явлением является комнатная температура, интенсивность светового потока,
давление внутри сосуда, сила, с которой воздействуют на объект и многие другие вещи.
Преобразователь, или датчик, - это прибор, который конвертирует физическое явление в
измеримый электрический сигнал, такой как напряжение или сила тока. Существуют
специфические преобразователи для различных приложений, такие как термопары для
измере-ния температур, тензодатчики - для давления, или микрофоны - для звука.
73
Иногда преобразователи генерируют сигналы слишком сложные или слишком опасные для
измерения их напрямую с помощью прибора для сбора данных. Например, при работе с
высокими напряжениями, помехонасыщенной средой, или экстремально высокими или
низкими сигналами, согласование сигнала очень важно для эффективной системы сбора
данных. Согласование сигнала увеличивает до максимума точность системы, дает
возможность датчикам правильно функционировать, и гарантирует безопасность системы.
Некоторое оборудование для сбора данных имеет встроенное согласование сигнала таким
образом, что можно соединить датчик напрямую с каналом ввода данных.
Оборудование для сбора данных действует как интерфейс между компьютером и
внешним миром. Первоначально оно функционирует как прибор, который оцифровывает
входящие аналоговые сигналы таким образом, чтобы компьютер мог их интерпретировать.
Прочий функционал оборудования для сбора данных включает аналоговый выход, цифровой
ввод/вывод, счетчики/таймеры, триггеринг и графики синхронизации.
Программное обеспечение трансформирует ПК и оборудование для сбора данных в
полностью
завершенный
механизм
по
сбору
данных,
их
анализу,
и
визуализации. Существует 2 основных уровня ПО в системе сбора данных: программный
драйвер и прикладное программное обеспечение. Программный драйвер представляет собой
канал коммуникации между прикладным ПО и оборудованием. Прикладное ПО является
средой разработки, в которой можно создать приложение, отвечающее специфическим
требованиям клиента, или программу, основанную на механизмах конфигурации системы с
помощью заданных функциональных инструментов. Прикладное ПО добавляет возможности
для анализа и визуализации к программному драйверу.
Совместно с персональной ЭВМ, оснащенной специализированным программным
обеспечением, система сбора данных образует информационно-измерительную систему
(ИИС). Попросту говоря — это многоканальный измерительный прибор с широкими
возможностями обработки и анализа данных. На основе ИИС могут быть построены
различные автоматизированные системы управления (АСУ), среди которых:
информационно-логические комплексы (то, что называют еще АСУ технологическими
процессами), информационно-вычислительные комплексы (автоматизированная система
научных исследований - АСНИ), информационно-диагностические комплексы и
информационно-контролирующие системы.
5.2 Программное обеспечение для систем сбора данных NI
Одним из основных компонентов системы сбора данных является программное
обеспечение. Компьютер получает необработанные данные через устройство сбора данных.
Программное обеспечение также управляет DAQ системой, посылая DAQ устройству
команды, когда и с каких каналов получать данные.
Обычно программное обеспечение для DAQ систем содержит драйвера и прикладное
программное обеспечение. Драйвера – уникальное программное обеспечение для данного
устройства или типа устройств, включающее набор команд, принимаемых данным
устройством. Прикладное программное обеспечение, такое как LabVIEW, посылает
драйверные команды, такие как получить и возвратить значение напряжения термопары.
Прикладное программное обеспечение служит также для отображения и анализа полученных
данных.
Измерительные устройства компании NI включают инструментальный драйвер NIDAQ – набор виртуальных приборов, используемых для настройки, сбора и отправки данных
в измерительные устройства.
Измерительная система содержит следующее программное обеспечение:
- NI-DAQ – программное обеспечение для управления DAQ устройством.
- Проводник по средствам измерений и автоматизации (Measurement & Automation
Explorer – MAX) – программное обеспечение для взаимодействия LabVIEW и NI-DAQ.
- LabVIEW – программное обеспечение, используемое для создания приложения,
74
которое отправляет команды драйверу и получает, анализирует и представляет данные.
5.2.1 Инструментальный драйвер NI-DAQ
Инструментальный драйвер NI-DAQ 7.0 содержит два типа драйверов –
традиционный NI-DAQ и NI-DAQmx, каждый со своим собственным программным
интерфейсом (API), настройкой оборудования и программного обеспечения. Драйвер NIDAQ используется для взаимодействия с DAQ устройствами компании National Instruments,
такими как многофункциональные устройства ввода/вывода сигналов, SCXI модули
согласования сигналов и коммутационные модули. В данной дипломной работе
разрабатываются виртуальные приборы с использованием только NI-DAQmx.
Драйвер NI-DAQ совместим со следующими приложениями и средами
программирования:
- LabVIEW;
- Measurement Studio;
- Microsoft Visual C/C++;
- Microsoft .NET Languages;
- Visual Basic;
- ANSI C.
Традиционный NI-DAQ – обновление NI-DAQ 6.9.x, ранней версии NI-DAQ.
Традиционный NI-DAQ содержит те же ВП и функции и работает таким же образом, что и
NI-DAQ 6.9.x.
NI-DAQmx – новейшая версия инструментального драйвера NI-DAQ, содержащая
новые виртуальные приборы (рисунок 5.2), функции и средства разработки для управления
измерительными устройствами.
Рисунок 5.2 – Виртуальные приборы инструментального драйвера
NI-DAQ
NI-DAQmx содержит пользовательский интерфейс и набор инструментов для
программирования и настройки DAQ устройства. По сравнению с предыдущими версиями
инструментального драйвера NI-DAQmx отличается следующими преимуществами:
- DAQ Assistant (Помощник по сбору данных) – графический интерфейс настройки
измерительных задач, каналов и масштабов в NI-DAQmx для дальнейшего использования в
LabVIEW 7.0 и т.д. DAQ Assistant используется для генерации NI-DAQmx кода для
выполнения задач и настройки каналов или для использования NI-DAQmx кода в другой
системе сбора данных. DAQ Assistant можно запустить из LabVIEW либо из MAX.
- Увеличенная производительность, включая более быстрые операции поточечного
аналогового ввода/вывода и многопоточный режим работы.
- Более простой программный интерфейс (API) создания DAQ приложений с
75
использованием меньшего количества функций и ВП, чем в более ранних версиях NI-DAQ.
- Расширенная функциональность в LabVIEW, включая узлы свойств (Property
Nodes) для сбора данных и улучшенная поддержка типа данных «осциллограмма» для
операций аналогового и цифрового ввода/вывода.
- Похожие
программные
интерфейсы
приложений
для
ANSI
C,
LabWindows™/CVI™, Measurement Studio, включая оригинальный интерфейс .NET и C++.
Традиционный драйвер NI-DAQ и NI-DAQmx поддерживают различные наборы устройств
сбора данных [1].
5.2.2 Проводник по средствам измерений и автоматизации
Между NI DAQ и LabVIEW функционирует связующая программа, называемая MAX
(Measurement and Automation Explorer программа анализа измерений и автоматизации). МАХ
(Приложение Б, рисунок Б.1) является программным интерфейсом Windows, который
предоставляет возможность доступа ко всем платам NI. Он используется для конфигурации и
тестирования аппаратной составляющей любого программно технического комплекса NI
[12].
Проводник по средствам измерений и автоматизации (MAX) – приложение,
работающее в операционной системе Windows, которое устанавливается во время установки
NI-DAQ. MAX используется для настройки и тестирования программного обеспечения и
оборудования NI, создания новых каналов и интерфейсов, просмотра присоединенных
устройств и приборов. При создании ВП с использованием традиционного NI-DAQ
необходимо использовать MAX для настройки устройства.
Для запуска программы нужно дважды щелкнуть кнопкой мыши на иконке
Measurement & Automation на рабочем столе Windows. MAX содержит следующие
функциональные категории:
окружение данных (Data Neighborhood);
устройства и интерфейсы (Devices and Interfaces);
приборы IVI;
масштабы (Scales);
данные за прошлое время (Historical Data);
программное обеспечение (Software);
ВП регистрации заданий (VI Logger Tasks).
Раздел Окружение данных (Data Neighborhood) предоставляет доступ к ярлыкам
быстрого вызова настройки физических каналов вашей системы, включая виртуальные
каналы и задачи сбора данных. Как правило, ярлыки имеют названия, описывающие
назначение соответствующих каналов. Данный раздел содержит утилиты для тестирования и
перенастройки этих каналов. Из этой вкладки можно запустить Помощника по сбору данных
для создания и настройки параметров виртуальных каналов и задач.
Помощник по сбору данных (DAQ Assistant) – это графический интерфейс для
создания измерительных каналов и задач.
– Канал NI-DAQmx устанавливает соответствие информации о конфигурации, такой
как масштаб и пределы входного сигнала, с определенным физическим каналом. Можно
настроить параметры канала и одновременно дать ему описательное имя. Это имя
используется для обеспечения доступа к этому каналу и его конфигурации в LabVIEW или
задаче по сбору данных. Можно описать канал, решить, какой тип измерительного
преобразователя он будет использовать, установить рабочий диапазон (определить
усиление), выбрать тип заземления, назначить необходимое масштабирование для
виртуального канала и дать ему описательное имя вместо порядкового номера. Например,
предположим, что нулевой канал на испытательной коробке присоединен к датчику
температуры. Для этого канала можно создать виртуальный канал и назвать его Датчик
Температуры. Возможно создание виртуальных каналов для аналогового и цифрового
ввода/вывода, а также ввода/вывода сигналов счетчика. В этом случае обращение к каналу
76
по имени (Датчик Температуры) вместо номера (0) поможет вам запомнить назначение
данного канала.
– Задача NI-DAQmx – это набор каналов с одинаковыми временными параметрами и
синхронизацией. Задача сохраняет параметры измерения или генерации, которую
необходимо произвести. Каналы, составляющие задачу, могут использоваться в нескольких
задачах (глобальный канал) или назначаться только одной определенной задаче (локальный
канал). Во время создания задачи можно создавать новые каналы, или же формировать
задачу, используя каналы, уже созданные с использованием помощника по сбору данных.
Вкладка Устройства и интерфейсы (Devices and Interfaces) отображает список
установленного и обнаруженного оборудования NI. Вкладка Устройства и интерфейсы также
содержит панели тестирования, утилиты самопроверки и самокалибровки для настройки и
тестирования устройств.
Утилита Self-Test (Самопроверка) запускает внутренний тест устройства сбора
данных с тем, чтобы убедиться, что все ресурсы назначены должным образом и что
устройство сконфигурировано правильно.
Утилита Test Panel (Панель тестирования) проверяет функциональные возможности
аналогового и цифрового ввода/вывода, а также ввода/вывода сигналов счетчика устройства
сбора данных. Эту утилиту используют для проверки функционирования устройства или
настройки системы непосредственно из NI-DAQmx. Если устройство не работает в режиме
тестирования, то оно не будет работать и в LabVIEW. Если возникли проблемы со сбором
данных при программировании в LabVIEW, поиск неисправности стоит начинать с запуска
утилит самопроверки и панели тестирования.
Утилита Reset (Возврат в исходное состояние) возвращает DAQ устройство в
состояние, принятое по умолчанию.
Утилита Properties позволяет настроить и просмотреть конфигурацию RTSI и
дополнительных устройств, используемых совместно с вашим DAQ-устройством.
Системные ресурсы, занимаемые устройством, такие как область памяти и запрос
прерывания, отображаются во вкладке Attributes (Атрибуты) в правой части окна настройки
в MAX.
Утилита Self-Calibrate (Самокалибровка) производит внутреннюю калибровку
устройства сбора данных.
Раздел Scales (Масштабы) показывает все настроенные в данный момент шкалы и
содержит программы тестирования и перенастройки этих шкал. В этом разделе можно также
запустить DAQ Assistant для создания новых шкал.
DAQ Assistant (Помощник по сбору данных) используется для создания произвольных
шкал, которые можно применить для существующих виртуальных каналов. Для того чтобы
не перепутать шкалы, каждый из них может иметь свое собственное имя и описание.
Произвольная шкала может иметь один из следующих типов:
- Linear (Линейный) – шкала, определяемая формулой y = mx + b;
- Map Ranges (Соответствие диапазонов) – шкалы, при которых диапазон
масштабированных значений пропорционален диапазону необработанных значений;
- Polynomial (Полиномиальный) – шкала, определяемая формулой
y = a0 + (a1 • x) + (a2 • x2) + … + (an• xn);
- Table (Табличный) – шкала, в которую вводится необработанное значение и
соответствующую ему масштабированную величину в формате таблицы.
Раздел программного обеспечения (Software) показывает уже установленные
программные продукты NI. Иконка каждого программного продукта является одновременно
ярлыком его быстрого запуска. Этот раздел также содержит Software Update Agent (Агент
обновления программного обеспечения). Задачей Агента является проверка на наличие
обновлений программного обеспечения National Instruments. Если установленный продукт не
будет последней версией, то Агент откроет Web страницу на сайте ni.com с целью закачки
новейшей версии.
Основной компонент NI-DAQmx – файл nidaq32.dll – осуществляет непосредственные
77
вызовы функций DAQ устройства. Роль, которую выполняет nidaq32.dll, зависит от того, из
какого приложения к нему обращаться. И MAX и LabVIEW могут взаимодействовать с NIDAQmx. MAX используется в основном для настройки и тестирования устройства сбора
данных. MAX не только помогает настроить устройства, но также показывает, какие
устройства присутствуют в системе. С этой целью MAX должен взаимодействовать с
Диспетчером Устройств и реестром Windows [1].
5.2.3 Обзор ВП NI-DAQmx
Для разработки приложений сбора данных в среде графического программирования
LabVIEW необходимо рассмотреть элементы управления DAQmx:
 Элементы управления именами DAQmx - элементы управления именами DAQmx
расположены в палитре Controls»All Controls»I/O»DAQmx Name Controls. Палитра DAQmx
Name Controls содержит элементы управления для задания имен задач, каналов, физических
каналов, терминалов, шкал, номеров устройств и переключателей (коммутаторов).
Поскольку перед тем, как программировать в LabVIEW, задачи и каналы обычно
настраиваются в MAX, то чаще всего необходимо использовать элементы управления Task
Name (Имя задачи) и Channel Name (Имя канала). Параметры физического канала,
терминала, шкалы и номера устройства конфигурируются в MAX при создании и настройке
задачи или канала. Настроенные задачи и каналы автоматически заполняют выпадающие
меню (menu rings) элементов управления DAQmx Task Name и DAQmx Channel Name.
 DAQmx – ВП сбора данных - для разработки приложений контроля, сбора данных
и управления приборами с использованием оборудования NI-DAQ и NI-SWITCH применяйте
ВП NI-DAQmx, расположенные в палитре Functions»All Functions»NI Measurements»DAQmx
– Data Acquisition.
Палитра DAQmx - Data Acquisition содержит константы, виртуальные приборы (ВП), узлы
свойств и подпалитры (в приложении Б).
5.3 Описание учебного лабораторного стенда ССД
Кабель
Терминальная
коробка DAQmx
Компьютер с программным
обеспечение для ССД
Рисунок 5.3 – Лабораторный стенд для ССД
Данный стенд представляет собой стандартную систему сбора данных и содержит 3
основных составляющих аппаратной части: терминальная коробка (испытательная коробка),
кабель и устройство сбора данных (рисунок 5.3).
78
5.3.1 Терминальная коробка для устройств сбора данных
Терминальная коробка (терминальный блок) представляет собой устройство для
подсоединения сигналов. Она состоит из винтовых и пружинных зажимов (клемм,
терминалов) для подсоединения сигналов и разъема для подключения кабеля, соединяющего
терминальную коробку и DAQ-устройство.
Испытательная коробка для устройств сбора данных (рисунок 5.4) – специальная
терминальная коробка, сконструированная для образовательно-демонстрационных целей.
Она имеет 3 кабельных разъема для различных типов устройств сбора данных и пружинные
клеммы для подсоединения сигнальных проводов. Возможно использование 3 каналов
аналогового ввода, один из которых присоединен к температурному датчику, и 2 канала
аналогового вывода.
Рисунок 5.4 – Терминальная коробка
Испытательная коробка содержит генератор функций, имеющий переключатель
частотного диапазона и ручку управления частотой. Генератор функций может генерировать
синусоидальный и прямоугольный сигналы. Зажим заземления расположен между клеммами
синусоидального и прямоугольного сигналов.
Кнопка цифрового триггера генерирует TTL импульс для запуска либо остановки
операций аналогового ввода и вывода. При нажатии на кнопку триггера сигнал изменяется
от +5 вольт до нуля и возвращается опять в прежнее состояние 5 вольт после отпускания
кнопки. Светодиодные индикаторы работают в режиме обратной логики, так что, когда в
линиях состояние «включено», индикаторы выключены и наоборот.
Испытательная коробка содержит квадратурный энкодер. После поворота ручки
управления шифратором он генерирует 2 последовательности импульсов. Дополнительные
клеммы предусмотрены для входных/выходных сигналов 1 счетчиков DAQ-устройства.
Испытательная коробка имеет также реле, разъем для термопары и гнездо для микрофона
[10].
5.3.2 Кабель
Кабель передает сигнал от терминальной коробки к DAQ-устройству. Кабели имеют
конфигурации с 100, 68 и 50 контактами. Выбор конфигурации зависит от терминальной
коробки и устройства сбора данных, которые используется. Кабели, как и терминальные
коробки, могут быть экранированными и нет.
79
5.3.3 Устройство сбора данных
В качестве устройства сбора данных в данном лабораторном стенде используется NI
PCI-6221 (PXI – PCI с расширенными возможностями тактирования и синхронизации). В
отличие от PXI систем PCI имеет меньше функциональных возможностей, но удовлетворяет
требованиям для изучения систем сбора данных на базе учебных занятий в силу цены и
наличию всех необходимых модулей сбора, как аналоговых и дискретных, так и модули для
счетчиков, таймеров и других.
PCI является одним из наиболее широко распространенных внутренних шин для
персональных компьютеров. PCI-устройства с точки зрения пользователя самонастраиваемы
(Plug and Play). После старта компьютера системное программное обеспечение
обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине,
и распределяет ресурсы.
5.4 Комплекс лабораторных работ
Комплекс лабораторных работ включает в себя:
Часть 1 - Введение в систему сбора данных
Часть 2 - Аналоговый ввод/вывод
Часть 3 - Цифровой ввод/вывод:
 изучение способов подсчета фронтов;
 усовершенствованный подсчет фронтов;
 генерация импульса
Главное меню программы имеет вид (рисунок 5.5)
Рисунок 5.5 – Главное меню комплекса лабораторных работ
Для выбора лабораторной работы необходимо сначала кликнуть мышкой на раздел:
«Введение в систему сбора данных», «Аналоговый ввод/вывод» или
«Цифровой
ввод/вывод», а затем выбрать название лабораторной работы.
80
После
выбора лабораторной работы перед студентами возникает окно для
регистрации. Данные о студенте переносятся в Excel, куда записываются ФИО студента,
группа, № выполняемой лабораторной работы, время начала и окончания, а также для работ
с тестированием - результаты тестирования студента.
5.4.1 Лабораторная работа «Изучение способов подсчета фронтов»
Цель работы: изучение простейшего и буферизованного способов подсчета фронтов
дискретных сигналов счетчиком.
1. Откройте лабораторную работу «Изучение способов подсчета фронтов».
2. Перед Вами появится лицевая панель работы (рисунок 5.6)
Рисунок 5.6 – Лицевая панель лабораторной работы «Изучение способов подсчета фронтов»
3. Изучите блок-диаграмму ВП (Приложение Б, рисунок Б.2)
4. Внешним проводом присоедините канал A импульсного датчика положения
(quadrature encoder) на терминальной коробке к информационному входу нулевого счетчика
(Counter 0 Source).
5. На лицевой панели выберите нулевой счетчик Dev1/ctr0 из выпадающего списка
«Счетчик».
6. Запустите ВП. Поверните ручку импульсного датчика положения (quadrature
encoder) на терминальной коробке. Индикатор «Подсчет» на лицевой панели должен
увеличить свое значение. Это значит, что датчик положения генерирует импульс, который
поступает на информационный вход нулевого счетчика. Индикатор «Подсчет в двоичной
системе» и светодиоды переводят сигнал счетчика в двоичную систему.
7. Остановите ВП.
8. Измените ВП для непрерывного буферизированного подсчета по блок-схеме
(рисунок 5.7):
81
Рисунок 5.7 – Блок-схема лабораторной работы «Непрерывный буферизированный подсчет»
При непрерывном буферизированном подсчете источник сигнала на входе разрешения
определяет, когда текущее значение счетчика переместится в регистр отсчетов во встроенной
памяти.
9. ВП DAQmx Timing настраивает тактирование и размер буфера (число выборок на
канал) для задачи. Для использования внутреннего генератора DAQ устройства выберите
опцию Sample Clock выпадающего меню конфигуратора.
10. Создайте элементы управления: Rate (частота), active edge(активный фронт),
source(источник), вызывая контекстное меню терминалов ВП DAQmx Timing, выбирая в них
опцию Create»Control (Создать»Элемент управления).
11. Создайте константу для терминала Samples per chanel ВП DAQmx Timing,
выбирая в них опцию Create»Constant (Создать»Константу) и выберите Continious Samples
(непрерывная выборка).
12. Переключитесь на лицевую панель и выберите следующие значения для новых
элементов управления:
 Источник (триггер): /Dev 1/PFI0;
 Активный фронт: Rising;
 Частота: 10000;
 Начало отсчета (число заносимое в буфер до запуска программы): любое число от
0 до 100.
13. Запустите ВП. Поверните ручку импульсного датчика положения на
терминальной коробке и обратите внимание, что значение индикатора данных на лицевой
панели не меняется. Нажмите кнопку цифрового триггера на терминальной коробке, чтобы
зафиксировать и считать значение счетчика: при нажатии кнопки цифрового триггера
текущее значение отсчета фиксируется в регистре отсчетов.
14. Пересохраните ВП и дайте новое имя. Закройте ВП.
5.4.2 Лабораторная работа «Буферизированный подсчет конечного числа
импульсов»
Цель работы: изучение буферизованного способа подсчета фронтов дискретных
сигналов счетчиком.
1. Откройте лабораторную работу «Изучение способов подсчета фронтов».
2. Перед Вами появится лицевая панель работы (рисунок 5.8)
82
Рисунок 5.8 – Лицевая панель лабораторной работы «Буферизированный подсчет конечного
числа импульсов»
3. Изучите блок-диаграмму ВП (Приложение Б, рисунок Б.3)
4. Присоедините меандр с выхода функционального генератора на вход разрешения
(Gate) счетчика 0
5. Выберите значения счетчика: Dev1/ctr0, # Выборок на канал: 1000, Частота: 1000
6. Источник: /Dev X/PFI9, где Х соответствует номеру вашего DAQ устройства. PFI9
– контакт, по умолчанию используемый для входа счетчика (Gate) счетчика 0
7. Запустите vi. Вы должны увидеть обновляемое значение, находящееся в регистре,
всякий раз. когда нарастающие фронты меандра будут приходить на вход разрешения
счетчика.
5. Сохраните и закройте vi.
5.4.3 Лабораторная работа «Создание ВП для генерации отдельного импульса,
используя счетчик»
Цель работы: изучение генерации дискретных сигналов с использованием счетчика.
1. Откройте лабораторную работу «Создание ВП для генерации отдельного
импульса, используя счетчик».
2. Перед Вами появится лицевая панель работы (рисунок 5.9)
83
Рисунок 5.9 – Лицевая панель лабораторной работы «Создание ВП для генерации отдельного
импульса, используя счетчик»
В данном упражнении вы будете выводить сигнал, заданный в терминах частотных
параметров, подобным же образом можно выводить сигнал, заданный в терминах
импульсных или временных параметров.
3. Пересохраните работу в свою папку, созданную в «Мои документы»: File – Save as.
4. Для создания ВП измерительного прибора постройте блок-диаграмму по блоксхеме на рисунке 5.10
Рисунок 5.10 – Блок-схема лабораторной работы «Создание ВП для генерации отдельного
импульса, используя счетчик»
5.1 Для создания виртуального канала, измеряющего период у ВП DAQmx Create
Virtual Channel выберите опцию Counter Output»Pulse Generation»Frequency из выпадающего
меню конфигуратора
Щелкните правой кнопкой мыши на вводах duty cycle, frequency, counter, idle
state и initial delay и выберите Create»Control из контекстного меню.
5.2 Для запуска задачи, поместите ВП DAQmx Start Task, расположенный в палитре
Functions»All Functions»NI Measurements»DAQmx – Data Acquisition, на блок-диаграмму.
5.3 Для установки задержки до окончания выполнения, поместите ВП DAQmx Wait
Until Done. Этот ВП ожидает завершения выполнения генерации.
Этот ВП нужен для того, чтобы быть уверенным, что генерация будет
84
завершена, прежде чем задача будет остановлена. Установите время ожидания,
щелкая правой кнопкой мыши на вводе timeout и выберите Create»Constant из контекстного
меню. По умолчанию время ожидания равно 10 секундам.
5.4 Поместите ВП DAQmx Stop Task, для останавки выполнение задачи.
5.5 Для элементов управления на лицевой панели установите следующие значения:
- Счетчик: /Dev X/ctr1, где X соответствует номеру вашего DAQ устройства.
- Скважность: 0.5.
- Частота: 0.5.
- Основное состояние: Low.
- Начальная задержка: 0.25.
5.4 Присоедините выход счетчика 1 к входу source счетчика 0 и аналоговому входу 1
на испытательной коробке.
5.6 Откройте ВП Continuous Acquire with MIO
5.7 Для элементов управления на лицевой панели ВП Continuous Acquire with MIO
установите следующие значения:
- Физические каналы: Dev X/ai1, где X соответствует номеру вашего DAQ устройства
- #выборок на канал: 1000
- Частота выборки: 10000
5.8. Запустите ВП Continuous Acquire with MIO.
5.9. Запустите ВП Single Pulse Generation. Вы должны увидеть импульс, появившийся
на графическом индикаторе ВП Continuous Acquire with MIO. Обратите внимание, что сигнал
имеет сначала низкий уровень, затем высокий, а затем снова низкий уровень.
Примечание. Простейший способ увидеть импульс – это отключить автоматическое
масштабирование оси Y. Это можно сделать, щелкая правой кнопкой мыши на графике (ВП
может быть запущен) и выбирая AutoScale Y из контекстного меню, чтобы убрать выделение
этой опции. Наилучший диапазон для наблюдения импульсов – от -2 до 6.
5.10 Остановите ВП Continuous Acquire with MIO.
5.11 Откройте ВП Simple Edge Counting
5.12 Установите для элемента управления Счетчик значение /Dev X/ctr0, где X
соответствует номеру вашего DAQ устройства.
5.13 Запустите ВП Simple Edge Counting.
5.14 Запустите ВП Single Pulse Generation и обратите внимание, что значение на
индикаторе данные ВП Simple Edge Counting возрастает.
5.15 После окончания работы закройте все ВП. Не сохраняйте никаких изменений.
85
Заключение
Среди возобновляемых источников и снова употребляемых энергий на нынешний
день наиболее усвоены – энергия ветра, Солнца, тепла Земли, энергия водотоков. Они
являются устойчивыми потоками механической, световой и тепловой энергий.
Возобновляемые энергетические ресурсы (ВЭР) – берущаяся и употребляемая в
промышленности биомасса, обыденные и сельскохозяйственные эмиссии.
Использование возобновляемых источников является решением проблем
ограниченности запасов энергии. Запасы любого приведенных источников энергии
достаточны для повседневных потребностей людей в настоящем и будущем.
В связи с актуальностью использования и изучения возобновляемых источников
энергии, а также организация удаленного доступа к физическим установкам, была выбрана
тема данной дипломной работы «Автоматизированная система экспериментальных
исследований солнечной теплогенерирующей установки в режиме удаленного доступа».
Разработанная система позволяет удаленно управлять экспериментом, предоставляется
возможность исследовать характеристики солнечной теплогенерирующей установки,
анализировать и обрабатывать данные, получаемые от установки.
В данной работе достигнута поставленная цель: разработана автоматизированная
система экспериментальных исследований (АСЭИ) солнечной теплогенерирующей
установки (СТУ) на базе учебной научной лаборатории АУЭС «Энергосбережения и
нетрадиционные возобновляемые источники энергии» в режиме удаленного доступа с
применением технологий National Instruments, и решены следующие задачи:
1.
Изучены технологии удаленного доступа при построении автоматизированной
системы экспериментальных исследований на примере системы ИНДУС МГТУ им.
Н.Э.Баумана, в то же время разработка web-сайта проводилась на примере портала
Нанолаборатории РГРТУ;
2.
Проведен
аналитический
обзор
теплогенерирующих
установок
и
существующих ЛУД: АЛП УД МГТУ им. Н. Э. Баумана, портал Нанолаборатории РГРТУ,
АЛП УД Российского университета дружбы, Всемирная студенческая лаборатория WWSL
– World Wide Student Laboratory, портал Labicom.net;
3. Изучена лабораторная установка «Солнечная теплогенерирующая установка»;
4. Разработана АСЭИ СТУ АУЭС в режиме УД, с этой целью:

разработано программное обеспечение АСЭИ СТУ в среде графического
программирования LabVIEW ;

создан сайт АСЭИ для работы в режиме удаленного доступа;

сформирована БД на сервере Microsoft SQL и организована связь с
программным обеспечением (ПО).
Список литературы
1.
Фокин В.М. Теплогенерирующие установки систем теплоснабжения.- М.:
«Издательство Машиностроение - 1», 2006. - 240 с.
2.
Интернет-ресурс: http://12-Geliosistemy.htm
3.
Интернет-ресурс: http://teplovye-nasosy.com.ua
4.
Интернет-ресурс: http://www.domteplo.ru
5.
Интернет-ресурс: http://Тепловой_насос.htm
6.
Н.В.
Харченко.
Индивидуальные
солнечные
установки.—М.:
ЭнергоатомИздат, 1991.
7.
Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии (Пер. с англ.). 86
М.: Энергоатомиздат, 1990.
8.
Зимин A.M. Лаборатории удаленного доступа в практической подготовке
инженеров XXI века. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 64с.
9.
National Instruments. Учебный курс Lab View основы 1.- Май 2003.
10.
Системы сбора данных. Учебный курс.
11.
Lab VIEW для всех / Джеффри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. – М.: ДМК
Пресс; Прибор Комплект, 2005. – 544с.
12.
Суранов А. Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс, 2005. 512 с;
13.
LabVIEW Database Connectivity Toolkit.
14.
Вендров А.М. Проектирование программного обеспечения экономических
информационных систем: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Финансы и статистика,
2005. - 544 с: ил.
15.
Аксенов К.А., Клебанов Б.И. Работа с CASE-средствами BPwin, ERwin. – Е.:
ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет УГТУ-УПИ, 2004. – 50 с.
16.
Ешпанова М.Д., Ибраева Л.К., Сябина Н.В. Проектирование баз данных.
Методические указания к выполнению расчетно-графических работ для студентов всех форм
обучения. – Алматы: АУЭС, 2010. – 27 с.
17.
Д. Артемов, Г. Погульский, М. Альперович. Microsoft SQL Server 7.0:
установка, управление, оптимизация. М.: ДМК, 2000.
18.
И. Ф. Астахова, А. П. Толстобров, В. М. Мельников. SQL в примерах и задачах.
СПб. 2003.
19.
Филипп Андон, Валерий Резниченко. Язык запросов SQL. Учебный курс. М.:
Пресс, 2005.
20.
Дронов В.А PHP, MYSQL и Dreamweaver MX 2004. Разработка интерактивных
web-сайтов. – СПб.: БХВ-Петеребург, 2005. – 448 с.: ил.
21.
Интернет-ресурс: https://labicom.net/new_homepage.php
Перечень сокращений
Сокращение
Расшифровка
АУЭС
АСЭИ
АЛП
БД
ВЛР
Алматинский Университет Энергетики и Связи
Автоматизированная система экспериментальных исследований
Автоматизированный лабораторный практикум
База данных
Виртуальная лабораторная работа
ГНУ
Гелионавигационная установка
ИМ
ЛУД
Исполнительный механизм
Лаборатория удаленного доступа
МГТУ
Московский государственный технический университет имени Н. Э.
Баумана
ПК
ПО
РГРТУ
СВН
СТУ
УД
УНЛ
Персональный компьютер
Программное обеспечение
Рязанский государственный радиотехнический университет
Солнечные водонагреватели
Солнечная теплогенерирующая установка
Удаленный доступ
Учебно-научная лаборатория
87
Приложение А
Листинг web-сайта на языке PHP
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"
"http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">
<html>
<head>
<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=windows-1251">
<title>Главная страница</title>
<link href="style.css" rel="stylesheet" type="text/css">
<style type="text/css">
<!-p {margin-left: 10px;margin-right: 10px;}
.стиль1 {
color: #FFFFFF;
font-weight: bold;
font-size: 24px;
}
.стиль11 {
font-family: "Times New Roman", Times, serif;
font-size: 18px;
}
.стиль18 {
font-size: 20px;
color: #000033;
font-weight: bold;
}
.стиль21 {color: #FFFFFF}
.стиль22 {
font-size: 20px;
font-weight: bold;
color: #000000;
}
.стиль23 {color: #000000}
.стиль24 {color: #000000; font-size: 20px; }
.стиль25 {font-weight: bold}
-->
</style>
</head>
<body>
<table width="928" height="808" border="1" align="center" class="main_bborder">
Продолжение приложения А
<tr>
<td width="918" height="233" align="left" valign="middle" class="footer"><p
class="стиль1"><cite>Учебно-Научная Лаборатория АУЭС <br>
" Энергосбережение и нетрадиционные <br>
возобновляемые источники энергии "</cite></p>
<?php include"bloks/header.php";?>
</tr>
<tr> <td height="399"><table width="100%" height="395" border="0">
<tr>
88
<style>
a{
text-decoration: none; /* Отменяем подчеркивание у ссылки */
}
</style>
<td width="290" height="391" class="sidebar"><p align="left"><dfn><a href="unl.php"
class="стиль22">Автоматизированная
система
экспериментальных
исследований
</a></dfn></p>
<p
align="left"><dfn><span
class="стиль25"><a
href="http://aues.kz/"
class="стиль24">Алматинский Университет Энергетики и Связи</a></span></dfn></p>
<p align="left"><strong><dfn><a href="company.php" class="стиль24">Как стать
участником научного эксперимента </a></dfn></strong></p>
<p
align="left"
class="стиль18"><dfn><a
href="handbook.htm"
class="стиль23">Справочник</a></dfn></p>
</td>
<td width="611"><table width="470" height="396" border="0" align="center">
<tr>
<td width="226" height="186" align="center" valign="middle"><a href="vlr.php"><span
class="стиль21">Виртуальные лабораторные работы </span><img src="img/praktik.jpg"
alt="VLR" width="179" height="137" align="middle"></a></td>
<td width="234" align="center" valign="middle"><a href="books.php"><span
class="стиль21">Учебный материал </span><img src="img/book.jpg" alt="book" width="184"
height="138" align="middle"></a></td>
</tr>
<tr>
<td
height="204"
align="center"
valign="middle"><a
href="unl.php"><span
class="стиль21">Автоматизированная система экспериментальных
Продолжение приложения А
исследований </span><img src="img/avt1.jpg" alt="avt1" width="180" height="148"
align="middle"></a></td>
<td
align="center"
valign="middle"><a
href="apply.php"><span
class="стиль21">Подать заявку для работы на физическом стенде </span><img
src="img/claim_button.jpg" alt="claim" width="179" height="146" align="middle"></a></td>
</tr>
</table></td>
</tr>
</table></td>
</tr>
<tr>
<td height="166" valign="top" class="sidebar"><p align="justify" class="стиль11">Сайт
"Учебно-Научная Лаборатория Алматинского университета энергетики и связи
"Энергосбережние и нетрадиционные возобновляемые источники энерги""
является инструментарием для
удаленного доступа студентов, исследователей,
разработчиков к комплексу автоматизированных лабораторных практикумов исследования
различных видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии. </p>
<p align="justify" class="стиль11">Подробнее о процедуре регистрации и порядке
выполнения научных экспериментов и дистанционного обучения читайте в разделе «Как
стать участником научного эксперимента».</p>
</td>
</tr>
</table>
</body>
</html>
89
Приложение Б
Разработка виртуальных лабораторных работ по дискретному вводу/выводу
Рисунок Б.1 - Программа анализа измерений и автоматизации MAX: создание канала
температуры
Палитра DAQmx - Data Acquisition
DAQmx Task Name Constant (Константа имени задачи DAQmx) – Содержит список всех
задач, которые создали и сохранили, используя DAQ Assistant.
 DAQmx Global Channel Constant (Константа имени глобального канала DAQmx) –
Содержит список всех виртуальных каналов, которые создали и сохранили, используя
Помощника по сбору данных. Выберите Browse (Обзор) для использования нескольких
каналов.
б) Виртуальные приборы:

- DAQmx Create Virtual Channel VI (ВП Создать виртуальный канал DAQmx)
– Создает виртуальный канал или ряд каналов и добавляет их в задачу. Конфигуратор этого
полиморфного виртуального прибора задает тип канала ввода/вывода (например, аналоговый
ввод, цифровой вывод или вывод сигнала счетчика), тип измерения или генерации, которая
будет произведена (например, измерение температуры, генерация напряжения или подсчет
событий) и в некоторых случаях тип используемого датчика (например, термопару или
резистивный температурный детектор для измерений температуры).
Эта функция устанавливает набор тех же настроек, которые производились в MAX
при создании виртуального канала. Применяйте этот ВП, если при функционировании ваша
программа может периодически менять номер физического канала, но не другие важные
параметры, такие как режим подключения терминалов или шкалу. Для задания номера DAQ
устройства и действующего физического канала, в который подается сигнал, используйте
выпадающее меню физических каналов.
90

- DAQmx Read VI (ВП DAQmx Чтение) – Считывает данные из тех задач
либо каналов, которые задали. Конфигуратор этого полиморфного виртуального прибора
задает формат получаемых данных, а также тип процедуры: считать ли за раз одну выборку
или несколько, и считывать ли из одного или нескольких каналов.

- DAQmx Write VI (ВП DAQmx Запись) – Записывает данные в заданную
вами задачу или каналы. Конфигуратор этого полиморфного виртуального прибора задает
формат записываемых данных, записать ли за раз одну выборку или несколько, и записывать
в один или несколько каналов.

- DAQmx Wait Until Done VI (ВП DAQmx Задержка до окончания
выполнения) – Ожидает завершения измерения или генерации. Используйте этот ВП для
уверенности в окончании заданной операции перед остановкой задачи.

- DAQmx Timing VI (ВП DAQmx Тактирование) – Настраивает число
выборок для сбора или генерации и создает буфер, когда это необходимо. Конфигуратор
этого полиморфного виртуального прибора задает тип временных характеристик,
используемых в задаче.

- DAQmx Trigger VI (ВП DAQmx Триггер) – Настраивает триггеры для
задачи. Конфигуратор этого полиморфного виртуального прибора задает триггер и его тип.

- DAQmx Start Task VI (ВП DAQmx Запуск задачи) – Переводит задачу в
состояние выполнения для начала измерения или генерации. Использование этого ВП
необходимо для некоторых приложений и необязательно для других.

- DAQmx Stop Task VI (ВП DAQmx Остановка задачи) – Останавливает
задачу и возвращает ее в состояние, в котором она находилась до использования ВП DAQmx
Start Task или ВП DAQmx Write со значением на входе autostart (автозапуск) TRUE (Истина).

- DAQmx Clear Task VI (ВП DAQmx Сброс задачи) – Сбрасывает задачу.
Перед сбросом этот ВП останавливает задачу, если это необходимо, и освобождает все
ресурсы, зарезервированные задачей. Нельзя использовать задачу после того, как ее
сбросили, если не воссоздать ее заново.
в) Узлы свойств:

- DAQmx Channel Property Node (Узел свойств DAQmx канала)
– Узел свойств с уже выбранным классом DAQmx канала. Щелкните правой кнопкой на узле
свойств и выберите из контекстного меню Select Filter (Выбрать фильтр), чтобы узел
содержал только свойства, поддерживаемые определенным устройством, установленным в
системе, или свойства, поддерживаемые всеми устройствами в системе.

- DAQmx Timing Property Node (Узел свойств DAQmx
тактирование) – Узел свойств операции DAQmx тактирование. Щелкните правой кнопкой на
узле свойств и выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел содержал только
свойства, поддерживаемые определенным устройством, установленным в системе, или
свойства, поддерживаемые всеми устройствами в системе.

- DAQmx Trigger Property Node (Узел свойств DAQmx триггер) –
Узел свойств операции DAQmx триггер. Щелкните правой кнопкой на узле свойств и
выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел показывал только свойства,
поддерживаемые определенным устройством, установленным в системе, или свойства,
поддерживаемые всеми устройствами в системе.
91

- DAQmx Read Property Node (Узел свойств DAQmx чтение) –
Узел свойств операции чтения DAQmx. Щелкните правой кнопкой на узле свойств и
выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел показывал только свойства,
поддерживаемые определенным устройством, установленным в системе, или свойства,
поддерживаемые всеми устройствами в системе.

- DAQmx Write Property Node (Узел свойств DAQmx запись) –
Узел свойств операции записи DAQmx. Щелкните правой кнопкой на узле свойств и
выберите из контекстного меню Select Filter, чтобы узел показывал только свойства,
поддерживаемые определенным устройством, установленным в системе, или свойства,
поддерживаемые всеми устройствами в системе.
г) Помощник по сбору данных:
- DAQ Assistant Express VI (Экспресс-ВП Помощник по сбору данных)
– Создает, редактирует и запускает задачи, используя NI-DAQmx [1].
Продолжение приложения Б
Рисунок Б.2 – Блок- диаграмма лабораторной работы «Изучение способов подсчета
фронтов»
Рисунок Б.3 – Блок- диаграмма лабораторной работы «Буферизированный подсчет конечного
числа импульсов»
92
Рисунок Б.4 – Блок- диаграмма лабораторной работы «Создание ВП для генерации
отдельного импульса, используя счетчик»
93