Przyrządy wirtualne – przyszłość pomiarów

Postęp rozwoju sprzętu komputerowego i oprogramowania dał inżynierom możliwość własnoręcznego budowania projektowanych urządzeń, wykorzystywanych następnie znacznie efektywniej i bardziej kreatywnie.
Wiele lat temu pewien profesor badał wpływ leków na ludzką tkankę. Prezentacja, jakiej był autorem pewnego dnia, składała się ze slajdów, przedstawiających wygenerowane komputerowo wyniki, obrazujące dane z biologicznego systemu monitorowania.

Przyrządy wirtualne stają się coraz bardziej konfigurowalne, podczas gdy przyrządy tradycyjne często mają niezmienną funkcjonalność. Pomimo tego, że oba typy oprzyrządowania (tradycyjne i wirtualne) mają wiele wspólnych komponentów, tradycyjne przyrządy mają oprogramowanie oraz pakiet możliwych połączeń o ograniczonej liczbie stałych funkcji. Oprzyrządowanie wirtualne natomiast wykorzystuje oprogramowanie, które pozwala w pełni konfigurować zagadnienia akwizycji analizy, przechowywania, współdzielenia i prezentacji danych (Ilustracja dzięki National Instruments)

– Nie mogę nawet zaprogramować własnego imienia w BASIC-u (język programowania) – powiedział do słuchaczy, a następnie pokazał wirtualny instrument, który stworzył, a następnie dane, które uzyskał za pomocą oprogramowania, komputera PC i karty przetworników analogowo-cyfrowych. – To jest znacznie prostsze, niż wam się wydaje – uśmiechnął się.
W rzeczy samej: monitorowanie, pomiary i analiza z użyciem instrumentów opartych na komputerach PC stała się znacznie prostsza.
Liczba aplikacji wirtualnych urządzeń ciągle wzrasta. Z pewnością służy temu rozwój technologii  komputerowych. Dzięki temu koncepcje są coraz prostsze, bardziej efektywne i coraz popularniejsze.
Ale gdyby tak inaczej nazwać…
Co to takiego? – ten wirtualny instrument… A właściwie co rozumiemy pod pojęciem „wirtualnego czegokolwiek”? Jedna z definicji podaje, że wirtualny to taki, który „istnieje jako treść, nie jako rzeczywisty fakt, forma czy nazwa” (American Heritage Dictionary). Coraz częściej jednak pod pojęciem „wirtualny” rozumiemy: naśladujący
swój rzeczywisty odpowiednik.

Określenie wirtualny przypisuje się (w sensie obliczeniowym) rzeczom, symulowanym przez komputer: wirtualna pamięć, wirtualna maszyna, wirtualna rzeczywistość. – Przez lata przymiotnik ten był używany do opisywania rzeczy, które są tworzone przez komputery lub wprowadzane do komputerów – mówi Tim Ludy, menedżer ds. marketingu w firmie Data Translation. – Wykorzystanie komputera PC oraz oprogramowania zamiast instrumentu pozwala na ponowną kreację danego instrumentu. Użycie komputera PC do naśladowania instrumentu różni się od instrumentu zbudowanego z użyciem komputera PC.

Oprzyrządowanie wirtualne oparte jest na oprogramowaniu. Pozwala to na niemalże nieograniczoną swobodę konfiguracji interfejsu, emulującego tradycyjny panel sterujący czy wizualizację stanu procesu sterowanego (Ilustracja dzięki National Instruments)

– Z naszego punktu widzenia (firmy Data Translation, która oferuje karty akwizycji danych do komputerów PC, szczególnie dla celów testowania i pomiarów; karty takie mają funkcjonalność wielu współczesnych instrumentów pomiarowych) użytkownicy końcowi używają kart akwizycji danych DAQ (Data AcQuisition) dla celów testowania i pomiarów oraz w celu realizacji funkcji R&D (ang. Research and Development – badawczo-rozwojowych). Ludzie kupują kartę wraz z dowolnym oprogramowaniem, a następnie budują przyrządy pomiarowe na bazie komputera PC. Jednym z powodów takiego działania z pewnością są koszty.
– Zamiast kupować oscyloskop za 15 000 USD, używają kart akwizycji danych i komputera PC do budowy systemu pomiarowego za jedyne 1 000 USD. Zależnie od potrzeb – precyzji, dokładności, prędkości – opcja taka może być znacznie bardziej opłacalna niż kupowanie rzeczywistego instrumentu pomiarowego. 
– Poza głównymi kosztami głównie oszczędzany jest czas – stwierdza Bill Glover, menedżer produkcji w firmie BizWare Direct. – Dzięki wirtualnym instrumentom użytkownicy używają komputerów w celu prowadzenia odczytu i rejestracji danych procesowych, zamiast dodawać nowe specjalistyczne oprzyrządowanie konieczne do obsługi, zapisywania czy logowania danych w tradycyjny sposób. 
 
Przyrządy wirtualne oparte w działaniu na sieciach Ethernet/LAN umożliwiają tanią komunikację, wymianę danych oraz komend sterujących na odległość. Dowolność konfiguracji, możliwości zdalnego serwisu, rozproszenie wejść/wyjść oraz współdzielenie danych procesowych w ramach przedsiębiorstwa – nie są już niczym nieosiągalnym (Ilustracja dzięki National Instruments)

– Przykładowo ludzie, którzy odczytywali stan mierników i zapisywali dane w notatnikach,  często popełniali błędy. Po prostu dane są znacznie bezpieczniejsze w formacie wirtualnym.
– Wirtualne oprzyrządowanie wyrosło z możliwości zdefiniowania systemu jako kombinacji  sprzętu komputerowego, dokonującego pomiarów i sterowamia, z oprogramowaniem pozwalającym użytkownikowi na pełne zdefiniowanie możliwości takiego wirtualnego przyrządu – wyjaśnia Ray Almgren, wiceprezes ds. marketingu i kontaktów z uczelniami wyższymi w firmie National Instruments.
Firma National Instrumets znana jest ze swych pomysłów rozwoju, urzeczywistnianych między innymi w ramach produktu LabView. – W 1986 roku powiedzenie, że w oprogramowaniu jest jakiś instrument, brzmiało na prawdę dziwnie – wspomina pan Almgren. – Pojęcie „wirtualne oprzyrządowanie” pomogło użytkownikom zrozumieć, że przyrządy są wirtualne, a nie rzeczywiste.


  Przyrządy wirtualne pomagają zautomatyzować procedury kontrolne, ale również zwiększają produktywność

Wykorzystanie SCXI oraz platformy LabView do automatyzacji akwizycji danych w procesie testowania zewnętrznych jednostek mocy (APU) w firmie Honeywell – dzięki aplikacji możliwa stała się integracja wielu elementów, koniecznych do testowania jednostek APU. (Zewnętrzne jednostki zasilania wykorzystywane są w silnikach odrzutowych, pojazdach wojskowych, rakietach czy statkach kosmicznych).

Porównanie zautomatyzowanego systemu:

  • akwizycji,
  • kontroli,
  • konfiguracji,
  • kalibracji,
  • realizacji sekwencji testujących,
  • generowania raportów;

który daje w rezultacie dokumentację elektroniczną (bez użycia papieru), skutkuje zwiększeniem komfortu pracy o około 600%, w porównaniu z systemami nie zautomatyzowanymi.

Firma Averna Technologies, dostarczyciel technologii, kierowała projektem. Firma realizuje implementacje zautomatyzowanych systemów, dostarczając rozwiązania z takich obszarów, jak:

  • testowanie,
  • pomiary,
  • automatyzacja i sterowanie,
  • aplikacje wizyjne,
  • robotyzacja,
  • oprogramowanie dla procesów wytwórczych.

Typowa aplikacja kontrolna wymaga setek przetworników dla badania sygnałów procesowych. Sygnały, związane są ze sterowaniem i pomiarami paliwa w silnikach, mocy, prędkości. Dodatkowe pomiary obejmują temperatury otoczenia, temperatury silnika, ciśnienia, monitorowanie komunikacji i poziomu wibracji.

Niezautomatyzowany proces testowania jednej jednostki zajmuje około 12 godzin. Firma Averna wykorzystała platformę SCXI National Instruments, która wpasowała się w istniejącą infrastrukturę bez konieczności stosowania dodatkowych przetworników czy wprowadzania zmian w okablowaniu.

Jeden 12-slotowy SCXI zawiera zestaw modułów kształtujących sygnały z więcej niż 100 punktów wejść/wyjść. Oprogramowanie LabView, wraz z wielofunkcyjną kartą DAQ, zostało użyte do odczytu i sterowania sygnałami testującymi podczas kontroli APU.

Tablica rozdzielcza (patrz rysunek) pobiera i wyświetla dane procesowe, pozwalając operatorowi na interakcję z systemem testującym. Procedury testowania i zarządzanie nimi są znacznie uproszczone. Płyta czołowa wirtualnego pulpitu sterującego oszczędza godziny ręcznych konfiguracji dzięki prostej i szybkiej konfiguracji sprzętu z poziomu oprogramowania.

Pozwala jednocześnie na dostęp do wszystkich pomiarów w procesie z poziomu jednego tylko okna programu. Daje również użytkownikowi możliwość interakcyjnego sterowania i ustawiania procedury testującej. Wbudowana funkcjonalność pracy w sieci umożliwia prowadzenie monitorowania procesu z wielu lokalizacji (również stosunkowo odległych).

Dodatkowo, zastosowanie systemu Proligent (rozwiązania programowego, ułatwiającego zarządzanie dokumentacją produktów, zawierającego definicje procedur testujących, informacje na temat kalibracji urządzeń, standardów komunikacji oraz innych) pozwoliło uzyskać pełną kontrolę programową sprzętu testującego z poziomu innych aplikacji systemu Microsoft Windows.

Kompletna procedura testująca może zostać aktywowana całkowicie bez udziału operatora.

Informacje na temat tej aplikacji uzyskaliśmy dzięki uprzejmości pana Shahzad Sarwar,dyrektora działu rozwiązań przemysłowych i czasu rzeczywistego w firmieAverna Technologies Inc. oraz od firmy National Instruments. 


Zrób je sam

VI (Virtual Instruments) pozwalają użytkownikom na konfigurację instrumentów zgodnie ze specyficznymi wymaganiami – stwierdza Almgren. – Ich główną zaletą jest konfigurowalność. Zadaniem wirtualnego instrumentu nie jest łączenie się i pobieranie danych ze sprzętu. Może to być zarówno „czysta” symulacja (programowa) jak i połączenie z rzeczywistym przyrządem pomiarowym.

Pojedynczy interfejs może zostać utworzony w celu sterowania jednym przyrządem, bądź całym systemem pomiarowym – wszystko to z jednego miejsca – interfejsu.

 Oprogramowanie DataNetOPC Professional wykorzystuje koncepcję wirtualną w celu gromadzenia wartości wielu zmiennych procesowych w sposób elektroniczny, a następnie prezentowania ich w bardzo komfortowy sposób. Oprogramowanie pozwala na utworzenie i wyświetlanie danych identycznie jak na rejestratorze kołowym, znanym z procesów wodno-kanalizacyjnych (Ilustracja dzięki BizWare Direct)

 

– Określenie „wirtualne” nie oznacza, że nie wykonujemy pomiarów. Używamy narzędzia programowego w celu zdefiniowania możliwości przyrządów – w taki sposób, jaki jest dla nas najbardziej wygodny. Tworzenie wirtualnego instrumentu może odbywać się na wielu poziomach, od zastosowania graficznej reprezentacji przyrządów dostarczonej przez oprogramowanie aż do programowania w językach tekstowych na bardziej wyszukanym poziomie.

Programy oparte na językach graficznych zwykle są prostsze w użyciu. Programy tworzone w językach tekstowych oferują znacznie większą precyzję i swobodę kontroli – wymagają jednakże szerszej wiedzy programistycznej; są przy tym trudniejsze w użyciu.

W dzisiejszych czasach większość firm zaangażowanych w wirtualne oprzyrządowanie dokłada starań w celu zwiększenia prostoty użytkowania, konfigurowalności oraz prostoty dalszego rozwoju oprogramowania.

– W naszym oprogramowaniu można „przeciągać” instrumentopodobne obiekty z przybornika na obszar projektu w komputerach PC, a następnie skonfigurować pulpit tak, aby przyjmował dane z różnych kanałów, różnego typu i z dowolnego przedziału wartości – tłumaczy pan Ludy z firmy Data Translation. – Wirtualnie przygotujemy dowolny przyrząd, który spełni nasze wszystkie – nawet wyszukane – wymagania.

Konfigurowalność jest oczywistą cechą oprogramowania DataNetOPC Professional firmy BizWare Direct. Jest to oprogramowanie klienckie, działające w ramach przeglądarki stron www.

Produkt ten wprowadza koncepcję wirtualną do przemysłu wodno-kanalizacyjnego. Realizowane jest to poprzez ekonomiczny zapis i monitorowanie wielu wartości zmiennych procesowych – przykładowo zmętnienie wody. Używane są nowe technologie, jednakże dane prezentowane są nadal w starej, tradycyjnej formie.

– Przemysł ten jest ciągle przyzwyczajony do tego, że dane prezentowane są w formie papierowego zapisu na rejestratorach kołowych – zauważa Bill Glover. – Stare, tradycyjne, papierowe formularze z tabelami były trudne w użyciu i z czasem również trudne do odczytania. Dlatego przenieśliśmy je wszystkie do formatu elektronicznego. A co ważne, posiadamy w naszym oprogramowaniu również rejestratory kołowe.

Od kiedy oprogramowanie bazuje na technologii www, wszystko, co musi zrobić użytkownik, ogranicza się do wejścia na wskazany adres URL, aby pobrać z systemu pomiarowego rejestrowane dane, w wygodnym formacie, przystosowanym do dalszej obróbki. Użytkownicy mogą wybierać, konfigurować i porozumiewać się ze wszystkimi przyrządami w systemie.

Interfejs USB pomiędzy sprzętem pomiarowym a oprogramowaniem zapewnia wysokiej jakości pomiary, realizowane w czasie rzeczywistym. Użytkownik techniką „przeciągnij-i-upuść” wybiera instrumenty z przybornika, konfigurując przy tym urządzenia tak, aby możliwe było podłączenie różnego rodzaju danych, a następnie przedstawianie ich w postaci graficznej (również w pełni skonfigurowanej przez użytkownika). Tak zaprojektowane przyrządy pomiarowe (na ekranie komputera PC) z pewnością zadowolą nawet wymagających użytkowników. Przedstawiony na rysunku system zawiera moduł serii DT9836 oraz oprogramowanie DT Measure Foundry (Ilustracja dzięki Data Translation)

 

Wirtualny skarb

Niewielu użytkowników wierzy, że oprzyrządowanie wirtualne całkowicie zastąpi tradycyjne, jednakże wszyscy zgodnie twierdzą, że koncepcja wirtualności stanie się niebawem wszechobecna.

Instrumenty wirtualne dominują wszędzie tam, gdzie pomiary są z różnych względów zautomatyzowane. Niewielu użytkowników kupuje tradycyjne zautomatyzowane przyrządy kontrolno-pomiarowe, preferując wykorzystanie urządzeń programowalnych i bardzo często modułowych. Przyrządy wirtualne raczej powiększają istniejące systemy sterowania procesami, aniżeli wypierają istniejące – tradycyjne.

– Programowalne sterowniki automatyki są często trudne do odróżnienia od oprzyrządowania wirtualnego – zauważa pan Almgren z firmy National Instruments.

VI skupiają się bardziej na pomiarze, podczas gdy w rozwiązaniach PAC (Programmable Automation Controllers) większą uwagę przywiązuje się do sterowania.

Dodatkowo, określony obszar opanowany jest przez instrumenty wirtualne, przynoszące przeogromne zyski. Wiele funkcji jest wykorzystywanych na zasadzie „podłącz-i-uruchom”, oprogramowanie jest często ustandaryzowane, koszty są niższe, a poziom wiedzy, konieczny do zbudowania systemu, jest, najprościej rzecz ujmując, coraz niższy (z uwagi na prostotę rozwiązań).

Zdaniem pana Shahzada Sarwara, dyrektora działu rozwiązań przemysłowych w firmie Averna Technologies Inc.: – Przyrządy wirtualne odgrywają kluczową rolę w procesie wspierania inżynierów w drodze do zwiększenia wydajności, produktywności oraz jakości projektowanych aplikacji.

– Przykładem, w którym zwrot kosztów poniesionych na inwestycję, związaną z zastosowaniem przyrządów wirtualnych, był wyjątkowo szybki, jest automatyzacja testów zewnętrznych jednostek mocy firmy Honeywell (ang. Auxiliary Power Units – APU; patrz rysunek). Poza szybkim zwrotem inwestycji firma Honeywell dostrzegła wiele korzyści, które wydają się nieuchwytne na pierwszy rzut oka, jak wygoda pracy czy wzrost wydajności. Z takimi cechami technicznymi oraz zaletami ekonomicznymi wirtualne oprzyrządowanie z pewnością stanie się niezwykle popularne w nadchodzących latach.

Niedawne decyzje, podjęte przez organizacje, takie jak: Interchangeable Virtual Instrument Foundation czy LXI Consortium, promują standaryzację, znacznie umacniając w ten sposób samą koncepcję. Organizacja IVI Foundation jest otwartym konsorcjum, założonym w 1998 roku, której celem jest nakłanianie do popularyzacji zagadnień wymienności wśród wielu nowych technologii. Promuje ona również opracowanie specyfikacji dla oprogramowania przyrządów kontrolnych, upraszczających wymienność informacji, która powoduje, że zwiększa się wydajność, redukowane są koszty opracowania i rozwoju oprogramowania.

Organizacja ta bazuje na istniejących standardach przemysłowych – w celu przygotowania specyfikacji upraszczających wymianę informacji między urządzeniami; podwyższenie wydajności i uproszczenie obsługi jest wtedy naturalną konsekwencją.

Organizacja LXI Consortium promuje rozwój i wprowadzanie standardu LXI – otwartego, dostępnego standardu, określającego specyfikacje i technologie dla funkcjonalnej kontroli, pomiaru oraz akwizycji danych w przemyśle.

LXI, lub inaczej LAN eXtensions for Instrumentation, to platforma instrumentalna, bazująca na topologii Ethernetu przemysłowego. Technologia ta dodatkowo dostarcza modularności, zapewnia elastyczność oraz zwiększa osiągi zarówno małych, jak i dużych systemów.

Zdefiniowanie takiego standardu – zasadniczo poprzez rozszerzenie standardu GPIB dla sieci LAN – wydaje się znacznie ułatwić oraz obniżyć koszty komunikacji pomiędzy przyrządami zbudowanymi na komputerach PC.

Pan Almgren, z firmy National Instruments twierdzi: – Oprogramowanie definiuje pozycję przyrządu w wirtualnym systemie pomiarowym. Ciągłe uzupełnianie wiedzy na temat możliwości narzędzi programowych da przyszłemu projektantowi wirtualnego oprzyrządowania możliwości maksymalizacji zysków ze stosowania instrumentów wirtualnych.

ce

Artykuł pod redakcją
Krzysztofa Pietrusewicza
z Instytutu Automatyki Przemysłowej
Politechniki Szczecińskiej