Виртуальные приборы

В последние годы измерение и анализ с использованием приборов на базе компьютеров стали значительно проще. Применение виртуальных устройств продолжает расширяться. Развитие и усовершенствование компьютерной технологии делают эту концепцию более простой и популярной.

С любым названием

Так что же такое «виртуальный прибор»? Для ответа на этот вопрос нужно разобраться — что вообще означает слово «виртуальный»? В свое время оно было определено как «нечто, существующее по сути, а не в действительности, в определенной форме или с определенным названием». Сейчас слово «виртуальный» чаще используется для описания вещей, которые имитируют свои «существующие в действительности» эквиваленты. Слово «виртуальный» стало применяться для обозначения предметов, воспроизведенных на компьютере: «виртуальная память» «виртуальная машина» «виртуальная реальность». «Со временем, — говорит Тим Луди, менеджер по маркетингу продукции в Data Translation, — это прилагательное стали употреблять со словами, обозначающими то, что создано или выполнено с помощью компьютеров. Использование ПК и программного обеспечения вместо реального прибора дает возможность создавать этот прибор «с нуля».

Существует тенденция к тому, чтобы виртуальные приборы (справа) в большей степени определялись пользователем, в то время как традиционные приборы (слева) чаще всего имеют неизменную функциональность. Несмотря на то, что оба вида приборов имеют много общих архитектурных компонентов, программное обеспечение и блок измерительной цепи традиционных приборов поддерживают ограниченный перечень заданных функций. В виртуальном приборе для выполнения настройки функций сбора данных, анализа, накопления, распределения и представления данных используется программное обеспечение. (Рисунок любезно предоставлен National Instruments)

Он поясняет, что применение ПК для имитации прибора отличается от простого обмена данными с прибором с использованием ПК. «На наш [Data Translation] взгляд, конечные пользователи применяют плату сбора данных (DAQ) для тестирования, измерения или для диагностики при выполнении научно-исследовательских или опытно-конструкторских работ. При этом они берут плату вместе с определенным ПО и на базе ПК создают устройство, похожее на прибор. Одной из причин, почему они это делают, является высокая стоимость реальных приборов. Вместо того, чтобы покупать осциллограф стоимостью 15000 долл. США, для создания необходимого устройства используется плата DAQ и ПК, при этом
затраты не превышают 1000 долл. В зависимости от требуемой точности и скорости это решение может быть более экономичным, чем покупка готового прибора». (Data Translation предлагает встраиваемые в ПК платы сбора данных, в основном для решения задач тестирования и измерения. Плата DAQ будет выполнять те же операции, что и многие виды приборов).

Билл Гловер, менеджер по продуктам в BizWare Direct, считает, что помимо капитальных затрат, это дает и экономию времени. Он отмечает: «С помощью виртуальных приборов пользователь применяет существующее компьютерное оборудование для считывания показателей приборов вместо того, чтобы собирать все специализированное оборудование, необходимое для поддержки, записи и сохранения данных традиционным способом. Например, раньше традиционно использовалось считывание результатов измерения и запись данных в журнал вручную, что не всегда выполнялось своевременно и вызывало появление ошибок. Представление данных в виртуальном формате намного достовернее».

Развитие виртуальных приборов (ВП), как разъясняет Рэй Алмгрен, вице-президент по маркетингу и образовательным программам в компании National Instruments, опиралось на возможности создавать систему с помощью объединения аппаратных средств ПК, выполняющих измерение и управление, с программными средствами, что позволило пользователю определять возможности системы через это ПО. Компания N1 известна в мире как разработчик среды графического программирования Lab View.

«В 1986 году, — вспоминает Алмгрен, — идея называть программное обеспечение «прибором» многими воспринималась как несколько странная. Термин «виртуальные приборы» помог пользователям понять, что устройства являются виртуальными, а не физическими».

Виртуальные приборы создаются с помощью программных средств, что предоставляет практически неограниченные возможности для настройки интерфейса, эмулирующего панели управления традиционных приборов или для визуального представления операций управления процессом. (Рисунок любезно предоставлен National Instruments)

Сделайте их своими собственными

ВП позволяет пользователю конфигурировать измерительное оборудование так, чтобы оно отвечало специфическим требованиям. Алмгрен считает: «Главным преимуществом ВП является возможность подстройки под требования потребителя. Виртуальный прибор не обязательно должен сопрягаться с аппаратным обеспечением компьютера. Он может быть либо чистой моделью (программой), либо подключается к реальному прибору. Для управления одним или всей системой приборов из одной точки может быть создан единый интерфейс. Этот термин не означает, что вы не выполняете реальных измерений, — подчеркивает он. — Вы используете некий инструмент, чтобы определить способность прибора выполнять измерения так, как это нужно именно вам».

Система виртуальных приборов на основе Ethernet/локальной сети обеспечивает недорогой метод дистанционного обмена данными и управляющими командами с приемлемой скоростью, который предоставляет удаленное управление системой испытаний, распределенный ввод/вывод и общий доступ к производственным данным. (Рисунок любезно предоставлен National Instruments)

Создание виртуального прибора может быть выполнено на нескольких уровнях — от использования графических представлений приборов, которые находятся в пакете ПО, до текстового программирования на более сложном уровне. Программы, базирующиеся на графическом представлении, обычно легче использовать. В то время как системы на основе текстового программирования характеризуются большей точностью и управляемостью, они требуют больших программных знаний и более сложны в применении. Сегодня большинство компаний, связанных с разработкой виртуальных приборов, стараются создавать новые версии программ, которые характеризуются простотой в применении, настройке и управлении.

«Наша программа Measure Foundry, — говорит Луди из Data Translation, — позволяет пользователям переносить объекты, похожие на приборы, из набора инструментов в рабочую область экрана ПК, конфигурировать плату для приема данных из различных каналов в различных диапазонах и отображать их в любом виде, который необходим пользователю. Вы виртуально создаете прибор, отвечающий вашим специфическим потребностям. Это фактически работа по настройке прибора».

Настройка также явно видна в Data-NetOPC Professional от BizWare Direct, клиенте ОРС, который выполняется в Web-браузере. Этот продукт привносит виртуальную концепцию в отрасли водоснабжения и канализации, поскольку предоставляет экономичный способ регистрации и контроля множества показателей, в частности, мутности воды, на основе современной технологии, которая, однако, подает данные в старом, привычном виде.

В DataNetOPC Professional виртуальная концепция используется для накопления разнообразных значений в электронном виде и их удобного представления. Программа создает и отображает круговую диаграмму игольчатого самописца и представляет данные в формате, привычном для операций, связанных с водоснабжением и водоочисткой. (Рисунок любезно предоставлен BizWare Direct)

«В этой отрасли привыкли просматривать данные в форматах круговых диаграмм, полученных с помощью игольчатых самописцев, -отмечает Билл Гловер. — Старые традиционные бумажные диаграммы было трудно использовать и читать. Поэтому мы переложили их все в электронный формат. В нашем программном обеспечении имеются круговые диаграммы. Поскольку ПО базируется на Web, все, что нужно пользователю — это зайти по соответствующему URL и получить любую информацию в знакомом формате. Пользователь может выбрать, настроить и работать в диалоговом режиме со всеми инструментами системы».

«Виртуальная» выгода

Несмотря на то, что мало кто верит в полную замену традиционных приборов виртуальными, все едины во мнении, что концепция виртуальности становится все более распространенной. Виртуальные приборы преобладают в системах с высоким уровнем автоматизации измерений. Мало кто покупает сегодня традиционные приборы для автоматических систем испытания и контроля, предпочитая вместо этого использовать устройства, которые имеют высокий уровень программируемости и модульности.

Комплект программно-аппаратного обеспечения USB выполняет измерения с высокой точностью и в реальном времени. Пользователь может перенести объекты, похожие на приборы, из набора инструментальных средств на ПК и сконфигурировать плату для приема разнообразных данных и их вывода на определяемый пользователем дисплей, виртуально создавая прибор, отвечающий специфическим потребностям. Этот комплект включает модуль DT9836 Series и среду разработки программ тестирования и измерений Measure Foundry от DT. (Рисунок любезно предоставлен Data Translation)

ВП усиливает, а не заменяет существующие системы управления процессами. Программируемые контроллеры автоматизации (РАС) часто трудно отличить от виртуальных приборов, отмечает Алмгрен из N1, подчеркивая, что и те и другие являются программируемыми устройствами, с той разницей, что ВП нацелены на решение задач измерения, а РАС — на задачи управления.

Кроме того, целью встроенного приложения является получение максимальной выгоды от использования виртуальных приборов, в которых большинство функций основано на принципе plug-and-play, программные средства более стандартизованы, затраты меньше, а квалификация, необходимая для создания систем, намного ниже по сравнению с другими.

Шазад Сарвар, руководитель подразделения по вопросам производства и работы в режиме реального времени в Averna Technologies Inc., считает, что ВП играют ключевую роль, помогая инженерам повысить эффективность, производительность и качество. «Автоматизация испытательной ячейки APU от Honeywell (см. приложение, стр. 20) является одним из примеров, когда пользователь, благодаря виртуальным приборам, достиг быстрой отдачи вложений и незаметного на первый взгляд повышения эффективности. Благодаря своим техническим и экономическим достоинствам, ВП сохранят экспоненциальный рост в ближайшие годы».

Система виртуальных приборов может охватить все виды устройств. В этом заключается ее главное преимущество. Недавние действия таких организаций, как Interchangeable Virtual Instrument (IVI) Foundation и LXI Consortium стимулируют стандартизацию, что укрепляет концепцию ВП.

IVI Foundation представляет собой открытый консорциум, образованный в 1998 г. для решения проблем взаимозаменяемости с помощью новой технологии драйверов. Он поддерживает спецификации на базе существующих промышленных стандартов для программируемых испытательных
приборов, которые упрощают взаимозаменяемость, обеспечивают более высокую производительность и снижают стоимость разработки и эксплуатации программы.

LXI Consortium поддерживает разработку и внедрение LXI Standard, открытого, доступного стандарта. Этот стандарт устанавливает спецификации и технологии для функционального тестирования, измерения и сбора данных. LXI или LAN extensions for Instrumentation, представляет собой инструментальную платформу, основанную на промышленном стандарте технологии Ethernet и созданную для того, чтобы обеспечить модульность, гибкость и производительность небольших и средних систем. Предполагается, что определение такого стандарта, главным образом путем расширения GPIB (универсальной интерфейсной шины) до локальных сетей, позволит сделать связь между прибором и ПК более простой и дешевой.

Тем, кто впервые сталкивается с ВП, Алмгрен из N1 советует: «Программное обеспечение определяет прибор в системе виртуального инструментария. Именно ПО и есть прибор. Понимание возможностей программных средств — это именно то, что реально поможет разработчику системы виртуального оборудования получить максимальную выгоду от ВП. Как только придет такое понимание, вы сможете собрать любое устройство, удовлетворяющее вашим требованиям. При этом не нужно бояться трудностей, поскольку многие из этих инструментов действительно легки в применении»

Продолжение темы виртуальных приборов читайте в следующем номере Control Engineering Россия.