ЦП Автоматизированные системы управления и промышленная безопасность

Пилипенко А.В.

В настоящее время существует достаточно много развивающих и обучающих информа-ционных систем и компьютерных программ. Большинство из них представляют собой мультимедийные программы, построенные для обучения людей различного возраста тем или иным наукам в интерактивном или диалоговом режиме работы с компьютером. Их не-достатком является то, что обучающийся находится в виртуальном пространстве и не может ощущать физический смысл процессов, которым обучается. Особенно это бывает ощутимо при изучении технических дисциплин. Комплекс LEGO: RoboLab, использующий-технологии LabView, является обучающей и развивающей информационной системой, позво-ляющей не только программировать, но и создавать различные реальные модели роботов и автоматизированных систем.
1. Введение
Среда программирования RoboLab фирмы LEGO Daсta A/S позволяет легко освоить ос-новы робототехники и познать азы программирования.
В RoboLab используется специально созданная версия среды графического программиро-вания LabVIEW фирмы National Instruments с более простыми функциями и упрощенным интерфейсом, что позволяет ей быть доступной даже для детей. Учитывая, что LabVIEW является в то же время мощным инструментом для измерений и контроля сигналов и позволяет получать результаты различных измерений в реальном времени с нескольких приборов, анализируя их, то комплекс RoboLab может стать средством моделирования для разработчиков автоматизированных систем и роботов.
2. Результаты работы
На кафедре Прикладной математики и информатики совместно с кафедрой Автопласт был разработан автоматизированный комплекс «Автокар» (пример системы представлен на рис.1), состоящий из конвейера, на который помещаются грузы различной массы и передви-гаются по нему с заданной скоростью и автокара. Груз с конвейера падает в ковш автокара, датчик фиксирует наличие груза и начинает перемещаться на определенное расстояние, ко-торое задается программно. Процесс создания «готового изделия» достаточно прост. Из кон-структора LEGO, как в детской игре, собирается аппарат или какое либо устройство, слож-ность и функциональное предназначение которого зависит, в первую очередь, от фантазии «изобретателя». Таким образом, осуществляются такие этапы проектных работ, как органи-зация образа и цели и сборка модели. На следующем этапе осуществляется выбор и подклю-чение датчиков (в нашем случае датчик усилия) и моторчиков для организации различных перемещений (у нас получилось 3 моторчика на автокаре и 1 на конвейере). Чтобы эта сис-тема начала работать в автоматизированном режиме, необходимо подключение программи-руемого блока RCX и написание управляющей программы (рис. 2, 3) средствами LabVIEW RoboLab. Далее осуществляется регулировка и окончательная настройка системы.

Пилипенко А.В.

С каждым днем разрабатываются достаточно совершенные комплексы лабораторных работ по различным предметам. Однако не каждое учебное заведение готово потратить многозначные суммы на приобретение этого оборудования. В таких ситуациях становится незаменимым программное обеспечение, позволяющее имитировать работу реального оборудования, которое может работать на уже имеющихся в учебном заведении компьютерах. Причем, точность работы виртуальных приборов, как правило, выше чем у учебного оборудования. 
Целью данной работы является разработка автоматизированной системы обучения, включающей в себя виртуальные лаборатории и системы тестов по дисциплинам естественно-научного и общепрофессионального блоков.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие зада-чи:
1. Анализ вопроса.
2. Создание алгоритмов управления автоматизированной системы.
3. Подбор программного обеспечения и оборудования.
4. Создание имитационных моделей.
5. Калибровка программ для достижения максимальной точности. 
6. Проведение экспериментов и проверка адекватности автоматизиро-ванной системы.
7. Определение эффективности АС.
Одним из этапов в создании автоматизированной системы являлась разработка имитационной модели лабораторной работы по физике «Исследование спектров атомов ртути и водорода, определение постоянной Ридберга по спектру водорода». В современной квантовой механике строго доказано, что атомы каждого химического элемента имеют присущий только им набор возможных стационарных энергетических состояний. Переходы между этими состояниями и образуют спектр частот излучения (или поглощения), характерный только для данного элемента. Именно поэто¬му оказывается возможным отождествление химического элемента по его спектру испускания или поглощения, т.е. качественный спектральный анализ.
Число спектральных линий одинаковых атомов может быть очень велико. Например, спектр железа только в видимой и ультрафиолетовой областях содержит около 60 тысяч линий. Y других много электронных атомов число линий того же порядка. Следовательно, не исключено случайное совпадение некоторых частот в спектре различных атомов, что называется в спектроскoпии "наложением" линий.

А.В. Пилипенко

Постановка задачи

В лабораторных исследованиях материалов, стандартизации деталей и загото-вок широко используются технические измерения с применением механических и электронных приборов с различной степенью точности. Электронные измерительные приборы достаточно дорогие, их целесообразно использовать при массовом произ-водстве деталей. Механические приборы просты в применении, но не обладают вы-сокой точностью, вместе с тем процесс их использования является достаточно тру-доемким. Предлагаемая автоматизированная система позволяет устранить эти не-достатки.

Описание решения

В работе используется модуль NI Vision Assistant, позволяющий осуществлять фильтрацию, захват, обработку , анализ и редактирование изображений, получаемых с различных видеокамер, настройками работы которых может управлять этот же мо-дуль.
На структурной схеме (рисунок 1) отображен принцип работы системы, где от оператора О поступает входящий сигнал Х на ЭВМ, после обработки команды из ЭВМ поступает сигнал на цифровую камеру ЦК, которая фиксирует информацию об объек-те измерения и отправляет полученную информацию на ЭВМ, после обработки ЭВМ выдает запрашиваемую информацию оператору. Обработка снимков проводится по методу сравнения с эталоном.

Рисунок 1 – Структурная схема автоматизированной системы

А.В. Пилипенко

С помощью современных технологий можно превратить обычный персональный компьютер в мощную информационно-измерительную систему с метрологическими характеристиками мирового уровня. Это позволяет заменить десятки дорогостоящих приборов одной такой системой. Потратив 30 тысяч рублей можно получить компьютерный эквивалент приборного оборудования, стоимость которого составляет несколько миллионов рублей. Эта замена открывает нам новые возможности, т.к. за счет новых технологий появляется возможность изучить физические явления, скрытые от непосредственного наблюдения, и автоматизировать эксперимент.
В качестве примера, рассмотрим работу по изучению зависимости полезной мощности, полной мощности и КПД от отношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления. 

Рис. 1 Лицевая панель лабораторной работы

На электрической схеме лабораторной установки, работающей в режиме анимации (рис. 1), источники с различными ЭДС и внутренними сопротивления-ми могут быть поочередно подключены к внешней нагрузке. Ток I и напряжение на резисторе Rе определяются по показаниям вольтметров 1и 2. Режим разомкнутой цепи осуществляют отключением нагрузки ключом К.

Повышение качества подготовки студентов по фундаментальным дисциплинам на младших курсах возможно за счет организации учебного процесса с использованием интеграционных моделей, которые реализуют межпредметные связи при обучении математике, физике, информатике, теоретической механике и другим дисциплинам. Одним из инструментов, реализующим интеграционную модель межпредметных связей, на наш взгляд, являются информационные технологии.
Изучение квантовой физики сопровождается лекциями, практическими занятиями, лабораторным практикумом. Этот раздел общей физики не изучается в школе и является новым для студентов младших курсов. Более того, явления квантовой физики достаточно сложные, лабораторный практикум, в виду ограниченности часов, не может в полном объеме рассмотреть их и оказать методическую помощь в их понимании. Вместе с тем, по другим дисциплинам, например, информатике, имеется курсовое проектирование, которое, на наш взгляд, целесообразно было бы направить на разработку имитационных моделей, сайтостроение по трудно усвояемым разделам дисциплин естественно-научного или общепрофессионального блока, по физике, в частности. Информационные технологии более привлекательны студентам, вызывают активность и дают возможность не просто усвоить материал за счет поиска информации, набора текста, редактирования программ, но реализовать интеграционных моделей, междисциплинарные связи. 
На базе курсового проектирования по «Информатике» и лабораторных работ по «Физике» при активном участии студентов разработан мультимедийный учебно – методический сайт «Квантовая физика». Сайт включает следующий учебный материал:
1.Квантовая природа излучения: тепловое излучение, фотоэффект, тормозное рентгеновское излучение, эффект Комптона, кванты света, диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств излучения.
2.Элементы квантовой механики: гипотеза Луи де Бройля, свойства волн де-Бройля, уравнение плоской волны де Бройля, необычайные свойства микрочастиц, соотношение неопределенностей Гейзенберга, границы применимости классической механики, волновая функция ее статистический смысл, уравнение Шредингера. 
.3.Изучение статистических характеристик квантово - механических закономерностей: узкий электронный пучок, дифракция электронов.
4. Решение уравнения Шредингера 
Сайт включает многочисленные дополнительные и иллюстративные материалы, которые помогают студентам понимать сложные явления квантовой физики.
При организации сайта использовались различные программные средства.
Для создания анимации использовалась программа Macromedia FlashMX.

Рис.1 Фотоэффект