Разработка системы управления экспериментом на лабораторной установке фотоэлектрической станции в режиме удаленного доступа на основе web-технологий
Разработка программных средств, обеспечивающих дистанционное управление экспериментом на учебно-научном оборудовании фотоэлектрической станции в учебно-научной лаборатории АУЭС "Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии".
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | диссертация |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.04.2012 |
| Размер файла | 5,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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 (рисунок 2.2) 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.
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 (рисунок 2.3) 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. В 2005 г. преимущественно используется оборудование National Instruments.
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 2.4.
Рисунок 2.4 - 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 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 Сетевая лаборатория центров коллективного пользования с удаленным доступом Сибирского федерального округа
В рамках реализации проекта «Развитие системы центров коллективного пользования с удаленным доступом» вопрос о форме организации сетевого доступа к системе лабораторного практикума и его информационно-методической поддержки однозначно решился в виде Интернет-ресурса (портала). Такой портал (www.alpsib.ru) получил название «Сетевая лаборатория центров коллективного пользования с удаленным доступом Сибирского федерального округа». Опыт показал, что наиболее эффективной организацией контента лаборатории является обеспечение его доступности для всех пользователей с одновременным использованием авторизации для доступа к специализированным интерфейсам. Фактически это комплекс интерфейсов, интерактивных форм и инструментов управления учебным процессом, связанных между собой на основе системы управления базами данных посредством телекоммуникаций и позволяющий получить доступ к лабораторным практикумам по сети Internet/Intranet.
В ходе разработки сетевой лаборатории был реализован следующий перечень сервисов:
- получение актуальной информации по вопросам работы системы лабораторных практикумов;
- непосредственное выполнение доступных для каждого студента лабораторных работ;
- получение общей информации о доступных для выполнения лабораторных работах в зависимости от выбранной специальности и дисциплины;
- получение доступа к мультимедийным электронным образовательным ресурсам;
- осуществление виртуального общения преподавателей, студентов и административного персонала;
- организация централизованной технической и методической поддержки преподавателей, студентов и администраторов по вопросам работы лабораторного практикума.
Структура сетевой лаборатории в соответствии с проектируемыми возможностями по организации учебного процесса состоит из открытых интерфейсов (групп ресурсов), доступных для всех пользователей (посетителей), и закрытых интерфейсов (групп ресурсов), доступных только для авторизованных пользователей определенных категорий.
Основная сложность состоит в определении баланса между открытыми и закрытыми ресурсами. На выбор влияет ряд факторов: строгость регистрации участников и особенности организации образовательного процесса, организация учета Интернет - трафика, наличие и организация работы административного персонала, а также ряд других факторов.
Таблица 2.2 -- Распределение основных ресурсов сетевой лаборатории
|
Открытая группа ресурсов сетевой лаборатории (общие ресурсы) |
Закрытая группа ресурсов сетевой лаборатории (персонифицированные ресурсы) |
|
|
Лента новостей |
Учебно-методическое обеспечение лабораторного практикума |
|
|
Общая информация об участвующих в проекте центрах коллективного пользования с удаленным доступом |
Интерфейс администратора центрального узла аппаратно-программных комплексов |
|
|
Каталог доступных для выполнения лабораторных работ |
Интерфейс администратора центра коллективного пользования |
|
|
Информация о сетевой лаборатории и о проекте в целом |
Кабинет преподавателя |
|
|
Контактная информация |
Рабочий стол студента |
|
|
Форум (открытые разделы) |
Форум (закрытые разделы) |
|
|
Расписание работы АПК |
Мультимедийные электронные образовательные ресурсы по дисциплинам и модулям учебных курсов |
|
|
Интерфейс авторизации пользователей |
Учебно-методические материалы по тематике развития информационных технологий и их применения в образовании |
Представленное в таблице 2.2 распределение ресурсов созданной сетевой лаборатории, позволяет оперативно управлять учебным процессом, строго регламентировать возможности пользователей каждого учебного заведения, разграничить Интернет - трафик, административные и образовательные ресурсы, сделать их персонифицированными.
Формирование персонифицированных групп ресурсов сетевой лаборатории наложило определенные требования к выбору ее технологической платформы. Возникла необходимость обеспечить высокую функциональность и гибкость программных средств, а также простую модернизацию уже написанного программного кода. Было принято решение использовать платформу ASP.NET фирмы Microsoft, которая является единой платформой для разработки web-приложений и содержит службы, необходимые для построения web-приложений, отвечающие поставленным задачам. Технология ASP.NET упрощает техническую реализацию доступа к базам данных и содержит простую модель для написания логической структуры программы, запускаемой на уровне приложения. При создании сетевой лаборатории были использованы Web Forms и веб-службы XML, а также их комбинации. Каждая из форм или служб поддерживается одной и той же инфраструктурой, что позволяет использовать схемы проверки подлинности, кэшировать часто используемые данные или настраивать конфигурацию приложения.
Фактически, каждый зарегистрированный в сетевой лаборатории центр коллективного пользования получает возможность доступа к лабораторному практикуму в соответствии со своими направлениями подготовки специалистов и изучаемыми дисциплинами. Реализация сервисов сетевой лаборатории дает возможность организовать индивидуальную работу студентов, которая заключается в независимом выполнении лабораторных работ с удаленным доступом.
Открытая группа ресурсов сетевой лаборатории обеспечивает общее информационное сопровождение пользователей, находится в режиме «только для чтения» и, решает частные задачи: освещение наиболее значимых событий и изменений в работе сетевой лаборатории и системы лабораторных практикумов, публикация перечня доступных лабораторных работ, обеспечение обратной связи, организация расписания работы, а также авторизация пользователей.
Закрытая группа ресурсов сетевой лаборатории распределяется между следующими категориями пользователей: администратор центрального узла (ЦУ) аппаратно-программных комплексов с удаленным доступом, администратор центра коллективного пользования с удаленным доступом, преподаватель (тьютор), студент. Каждая категория пользователей получает доступ к персонифицированным управляемым укрупненным группам ресурсов в виде специализированных интерфейсов.
В сетевой лаборатории реализованы следующие специализированные интерфейсы (рисунок 2.7):
1. Рабочий стол студента.
2. Кабинет преподавателя.
3. Интерфейс администратора ЦКП УД.
4. Интерфейс администратора ЦУ АПК УД.
Авторизовавшись как «Студент», пользователь получает доступ к виртуальному рабочему столу студента. Основная работа студента в сетевой лаборатории заключается в изучении методических материалов и выполнении лабораторного практикума по своей специальности в составе учебной группы. Для всех лабораторных работ, размещенных в сетевой лаборатории, разработано методическое обеспечение в соответствии со следующей структурой: «Название лабораторной работы»; «Цель, задачи лабораторной работы»; «Краткие теоретические сведения»; «Описание аппаратно-программного комплекса»; «Задание на лабораторную работу»; «Требования к оформлению отчета»; «Контрольные вопросы»; «Ход выполнения работы»; «Список литературы и Internet-ресурсов». Все разделы структуры методического обеспечения каждой лабораторной работы представлены в сетевой лаборатории в виде гипертекстовых документов, адаптированных для использования внутри сетевого пространства.
Авторизовавшись как преподаватель, пользователь получает доступ к кабинету преподавателя. Кабинет преподавателя является специализированным интерфейсом, позволяющим осуществлять мониторинг и установку статуса выполнения лабораторных работ студентами в составе учебных групп с помощью электронного журнала. Электронный журнал в табличной форме содержит Ф. И. О. студентов, номер зачетной книжки в составе учебных групп. В этой же области приведены номера лабораторных работ и показан статус их выполнения.
Студент, выполнив лабораторную работу, оформляет отчет о проведенных измерениях и полученных результатах. Отчет рецензируется преподавателем и при достигнутых положительных результатах лабораторная работа переводится в статус зачтенной.
Авторизовавшись как «Администратор», пользователь получает доступ к специализированному интерфейсу администратора ЦКП УД. Интерфейс позволяет управлять списками преподавателей, студентов и учебных групп.
Администратор центрального узла АПК УД сетевой лаборатории имеет возможность управлять любыми модулями сетевой лаборатории для всей сети ЦКП.
Таким образом, в сетевой лаборатории реализованы полностью функциональные интерфейсы на современной технологической платформе, позволяющие обеспечить в полной мере организацию учебного процесса на базе центров коллективного пользования с удаленным доступом. В качестве основных направлений развития сетевой лаборатории является развитие в ней модуля электронного тестирования в сетевом режиме и блока моделирования, позволяющего сравнить работу реальных лабораторных макетов с их математическими моделями.
2.1.3 АЛП УД Российского университета дружбы народов
2.1.3.1 Назначение и состав автоматизированного лабораторного практикума удаленного доступа (АЛП УД)
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 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 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;
- 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;
-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)..
2.1.5 Сравнительный анализ ЛУД
Сравнительный анализ технических характеристик достоинств и недостатков вышеописанных ЛУД приведен в таблице 2.3.
Исходя из табличных данных, можно сделать вывод о том, что используемая технология ASP.NET предназначена для лабораторий преимущественно виртуальных без использования оборудования. Этот факт показывает невозможность использования данной технологии для разработки ЛУД ФЭС АУЭС.
В АЛП УД Российского университета дружбы народов отсутствует возможность использования реального оборудования, что исключает возможность использования их опыта в создании ЛУД ФЭС АУЭС.
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 ЛУД ФЭС АУЭС.
На основании проведенного сравнительного анализа для разрабатываемой ЛУД ФЭС АУЭС в качестве аналога используют автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ м.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».
Таблица 2.3 - Сравнительный анализ ЛУД
|
Лаборатории удаленного доступа |
Применяемая технология |
Количество лабораторных практикумов |
Наличие уникального оборудования |
Достоинства |
Недостатки |
|
|
Автоматизированный лабораторный практикум удаленного доступа МГТУ им. Н. Э. Баумана |
Преимущественно National Instruments |
50 |
Да |
Наличие большого количества уникального оборудования |
Сложности при регистрации пользователя |
|
|
Сетевая лаборатория центров коллективного пользования с удаленным доступом Сибирского федерального округа |
ASP.NET (Microsoft) |
15 |
Да (преимущественно виртуальные стенды) |
Удобство использования, дружелюбный интерфейс |
Малая распространенность |
|
|
АЛП УД Российского университета дружбы народов |
National Instruments |
24 |
Нет |
Удобство использования, доступность |
Отсутствие реального экспериментального оборудования |
|
|
Всемирная студенческая лаборатория WWSL - World Wide Student Laboratory |
DiscoverLab Corporation |
38 |
Да |
Наличие большого количества уникального оборудования, международный проект, широкий спектр возможностей |
Сложности при регистрации пользователя, языковой барьер |
2.2 Лаборатория удаленного доступа ФЭС АУЭС
2.2.1 Программные средства сетевого управления оборудованием ЛУД
В АУЭС для проведения автоматизированных лабораторных практикумов с удаленным доступом разработана структура подсистем автоматизированного лабораторного практикума ФЭС АУЭС на примере системы ИНДУС МГТУ им. Н.Э.Баумана. При ее создании задача с самого начала ставилась так, чтобы удаленный пользователь не только получал данные эксперимента, но и мог активно изменять условия его проведения, а режимы эксперимента были индивидуальными для каждого студента. В ней предусмотрены также тестирование пользователей перед допуском к удаленному пульту управления стендом и возможность контроля правильности обработки данных преподавателем, который находится вместе со студентом на удаленном рабочем месте пользователя.
Для проведения удаленного лабораторного практикума система включает наглядные и простые в усвоении методические пособия, необходимые как для подготовки к выполнению лабораторной работы, так и для написания отчета после проведения эксперимента и обработки данных.
В рамках системы автоматизации лабораторного практикума ФЭС АУЭС методическая поддержка обеспечивается обучающей подсистемой АОС, а контроль усвоения изложенных теоретических материалов, описания стенда и методики эксперимента реализуется с помощью подсистемы тестирования.
Рассматриваются следующие подсистемы программного обеспечения ЛУД:
1) Подсистема телекоммуникаций.
2) Обучающая подсистема
3) Подсистема тестирования
4) Справочная подсистема
5) Подсистема идентификации пользователя
6) Подсистема программирования условий эксперимента
7) Подсистема имитации эксперимента
8) Подсистема визуализации данных эксперимента
9) Подсистемы управления и измерения
10) Объектовая подсистема и подсистема измерений - стендовая часть лабораторной установки.
Назначение подсистем ЛУД:
1) Подсистема телекоммуникаций обеспечивает связь удаленного пользователя с Web-сервером и Web-сервера с управляющим компьютером. Эта связь может осуществляться по различным протоколам в зависимости от оборудования и системного программного обеспечения.
2) Обучающая подсистема содержит полную информацию об экспериментальном стенде (оборудование, измерительные приборы и т.п.), краткие теоретические положения, методику измерения и т.д. в объеме, достаточном для подготовки к проведению лабораторной работы и написания отчета.
3) Подсистема тестирования предназначена для контроля усвоения знаний о стенде, физических принципах и методике эксперимента, без которого студент не допускается к активному проведению опытов.
4) Справочная подсистема содержит текстовые, табличные и графические данные, необходимые для обработки результатов эксперимента.
5) Подсистема идентификации пользователя проверяет, имеет ли пользователь право на управление установкой в настоящий момент, и обеспечивает проведение эксперимента в данное время только одним пользователем.
Рисунок 2.10 - Подсистемы ЛУД ФЭС АУЭС
6) Подсистема программирования условий эксперимента позволяет в интерактивном режиме настроить стенд на требуемые условия проведения опытов. При этом производится текущий контроль допустимых параметров эксперимента.
7) Подсистема имитации эксперимента позволяет до проведения активных экспериментов знакомиться с пультом управления стендом и имитировать элементарные операции настройки условий эксперимента, чтобы снизить затраты времени на реальный эксперимент.
8) Подсистема визуализации данных эксперимента позволяет наглядно представить результаты эксперимента в форме, удобной для их дальнейшей обработки.
9) Подсистемы управления и измерения позволяют перенастраивать лабораторный стенд и осуществлять его функционирование в заданном пользователем режиме работы, а также осуществлять измерение заданных параметров.
10) Объектовая подсистема и подсистема измерений представляет собой стендовую часть лабораторной установки.
Для решения поставленных задач построена структурная схема автоматизированного лабораторного стенда и сетевой лаборатории АУЭС.
В качестве исследуемого объекта в лаборатории удаленного доступа ФЭС АУЭС используется солнечные батареи. Связь исследуемого объекта с операторским пунктом осуществляется посредством устройства ввода/вывода информации, роль которого выполняет Comact field point cFP-2020.
Операторский пункт - включает в себя персональный компьютер, с установленной операционной системой семейства Windows NT и выше, и программное обеспечение LabVIEW Real Time.
На рисунке 2.11 представлена структурная схема сетевой лаборатории ФЭС АУЭС. Администратор данной лаборатории производит запуск серверов, тем самым подключая оборудование к серверу, что позволяет ЛУД использовать это оборудование в сети.
Пользователь имеет возможность проводить эксперименты в ЛУД ФЭС АУЭС после получения необходимого на то разрешения у администратора. Для получения доступа к эксперименту пользователю необходимо пройти тестирование.
После получения доступа у администратора, пользователю необходимо ознакомиться с методической частью, описывающей проведение эксперимента на ФЭС.
2.2.1 Принципы построения и структура ЛУД системы управления учебным экспериментом
Разработанные в АУЭС автоматизированные лабораторные практикумы оснащены в большинстве своем оборудованием, в котором традиционные измерительные приборы и средства автоматизации заменяются их цифровыми аналогами, измерительная часть и диспетчерские функции которых реализованы посредством устройств ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов, а пользовательский интерфейс - программно (виртуальный прибор - ВП). Для сохранения общности построения традиционной измерительной техники и ее виртуального аналога интерфейс ВП выполнен в виде лицевой панели обычного прибора. Использование коммуникационных возможностей применяемых программно-аппаратных решений позволило обеспечить удаленный доступ к разработанным ресурсам, сохраняя традиционную форму проведения лабораторных занятий. Сохранение аналогии дистанционного лабораторного практикума с реальным необходимо для обеспечения полноценности дистанционных лабораторных работ в учебно-методическом плане.
· В рамках диссертационной работ был создан лабораторный практикум по возобновляемым источникам энергии на базе АУЭС. К настоящему времени интегрирован комплексный автоматизированный лабораторный практикум «Изучение фотоэлектрических станций»
Основными компонентами системы являются:
- удаленный пользователь;
- главный сервер;
- лабораторная установка ФЭС;
- Вычислительные центры ВУЗа и компьютерные классы.
Основу ЛУД составляет лабораторный сервер, подключение лабораторных установок к которому осуществляется посредствам устройства ввода-вывода, либо устанавливаемых на его системных шинах, либо подключаемых посредствам соответствующих портов (COM,USB).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.
Функционирование ЛУД осуществляется по 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).
Система дистанционного образования строится на основе интеграции широко применяемых интернет -технологий, таких кА РНР, СУБД и решений на базе LabVIEW. Эти технологий на сегодняшний день широко распространены и являются фактически стандартов для разработки WEB-серверов. Поэтому интеграция LabVIEW- решений именно с этими технологиями считается наиболее перспективной.
В состав измерительной системы входит:
· многофункциональная плата ввода/вывода NI cFP-2020, модули ввода/вывода ТС-120, RTD-120, DO-403.
Как уже было замечено, особенностью созданного АЛП УД является использование принципа открытой архитектуры, который позволяет увеличивать количество доступных лабораторных работ.
Аппаратно-программный комплекс средств доступа к удаленному лабораторному оборудованию предназначен для дистанционного выполнения работ лабораторных практикумов по физико-математическим, инженерным и техническим специальностям с осуществлением реальных измерений и управлением реальными лабораторными установками через телекоммуникационные сети общего пользования (локальные вычислительные сети, Интернет). Работа на лабораторных стендах и установках осуществляется в реальном масштабе времени по компьютерной сети в последовательном многопользовательском режиме доступа к каждому объекту исследования. Также возможно параллельное выполнение учащимися лабораторных работ в режиме моделирования при запуске демо-версии приложений. Однако и в этом случае виртуальные приборы в демо-версии полностью сохраняют функциональные особенности своих реальных аналогов. Таким образом, предпочтительным является вариант, при котором студенты сначала тренируются работать на так называемом виртуальном тренажере лабораторной установки и только после приобретения определенного навыка смогут получить доступ к управлению реальным лабораторным стендом.
Комплекс работает под управлением операционных систем семейства Microsoft Windows® и представляет собой набор программ и аппаратных модулей, использующих технологии, компоненты и средства корпорации National Instruments®. Управляющие программные оболочки лабораторных установок созданы в программной среде LabVIEW и представляют собой виртуальные панели, отображающие на экране персонального компьютера все необходимые ручки управления, органы контроля и визуального отображения хода экспериментального исследования. Для выполнения лабораторных работ установка программной среды LabVIEW не обязательна.
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ лаборатория удаленного доступа фотоэлектрической станции АУЭС
Для разработки программного обеспечения в лаборатории удаленного доступа «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии» использовалась среда графического программирования LabVIEW.
3.1 Описание среды графического программирования LabVIEW
National Instruments LabVIEW представляет собой высокоэффективную среду графического программирования, в которой можно создавать гибкие и масштабируемые приложения измерений, управления и тестирования с минимальными временными и денежными затратами. LabVIEW сочетает в себе гибкость традиционного языка программирования с интерактивной технологией экспресс ВП, которая включает в себя автоматическое создание кода, использование помощников при конфигурировании измерений, шаблоны приложений и настраиваемые экспресс ВП. Благодаря этим особенностям и новички, и эксперты могут легко и быстро создавать приложения в LabVIEW. Интуитивно понятный процесс графического программирования позволяет уделять больше внимания решению проблем, связанных с измерениями и управлением, а не программированию.
Современные средства разработки прикладного программного обеспечения предоставляют широкий выбор инструментов, как для опытных программистов, так и для не искушенных в программировании пользователей. Эти средства позволяют создавать пользовательские программы непосредственно на стандартных языках программирования, например C/C++, Basic, а также с помощью специальных библиотек, являющихся основой ряда инструментальных программных средств. Пакеты для разработки прикладного программирования для систем автоматизации по своему основному назначению разделяются на следующие группы:
- пакеты программ LabVIEW, Measurement Studio, LabWindows/CVI, Agilent VEE и т.п. ориентированы, в основном, на использование в системах автоматизации лабораторного эксперимента и испытаний, хотя могут применяться и при создании других приложений, не связанных с взаимодействием с измерительно - управляющим оборудованием;
- пакеты LabVIEW/DSC, Lookout, InTouch, "Трейс Моуд" предназначены для создания прикладного программного обеспечения в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП) и промышленной автоматики (системы SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition). По способу программирования эти пакеты делятся на следующие:
- текстовые или текстово - графические (Pascal, Delphi, LabWindows/CVI, Measurement Studio, Visual Basic, Visual C/C++), использующие элементы визуального текстового программирования для создания пользовательского интерфейса приложения и ориентированные в первую очередь на опытных программистов;
- графические объектно-ориентированные (InTouch, "Трейс Моуд"), основанные на применении графических образов объектов АСУТП в качестве элементов программирования;
- графические функционально-ориентированные (LabVIEW, LabVIEW/DSC, Agilent VEE), использующие функционально-логический принцип конструирования (рисования) и графического представления алгоритмов программ.
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 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.
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) (рисунок 3.2) называется окно, через которое пользователь взаимодействует с программой.
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).
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.
Окно блок-диаграммы содержит исходный графический код виртуального прибора LabVIEW (рисунок 3.4).
Рисунок 3.4 - Пример графического кода блок-диаграммы
Блок-диаграмма LabVIEW соответствует строкам текста в обычных языках программирования вроде С или Basic - это такой же реально исполняемый код [9].
3.2 Разработка WEB-страницы ЛУД ФЭС АУЭС
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 ФЭС АУЭС предоставлена на рисунке 3.5.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 3.5 - Блок-схема алгоритма программы управления экспериментом в ЛУД ФЭС АУЭС
Описание блок - схемы
Блок 1 является началом программы.
Блок 2 представляет интерфейс главной страницы ЛУД ФЭС АУЭС, представленной на рисунке 3.6.
Блок 3 является методической частью, в которой описана методика выполнения работы и эксперимента.
Блоки 4, 5 представляет собой программу АОС, которую необходимо скачать и установить на месте проведения эксперимента.
Блок 6 является интерфейсом программы проведения эксперимента.
В блоках 7, 8 предлагается скачать программу для обработки результатов эксперимента и обработать их по стандартной методике обработки данных.
Блок 9 предлагает вернуться в начало программы или перейти к блоку 10 - завершение программы.
Блоки 11-18 является описанием проведения эксперимента в блоке 6.
В блоке 11 проверяется правильность сбора схемы.
Блоки 12-17 являются блоками выбора режима управления гелионавигационной установкой.
В блоке 18 производится сбор и архивация данных с ФЭС.
3.2.1 Разработка программы ЛУД ФЭС АЭУС
На начальной странице (рисунок 3.6) предоставлена информация об университете и кафедрах принимавших участие в разработке лаборатории «Энергосбережение и нетрадиционные возобновляемые источники энергии». После ознакомления с данной информацией нажимается кнопка перехода к следующей странице «Далее».
На следующей странице предоставлена информация о том, как правильно выполнять работу и проводить эксперименты.
Для получения информации о проведении работы служит кнопка «Методика выполнения работы», а для получения информации об эксперименте кнопка «Методика проведения эксперимента». После ознакомления с информацией выполняется переход на следующую страницу по нажатию кнопки «Далее», либо переход на начальную страницу нажатием кнопки «Назад».
Следующей страницей является «Тестирование» (рисунок 3.8), на данной странице предоставлена информация о тестировании и программе тестирования, которую можно скачать нажатием кнопки «Скачать архив». Кнопка «Обновить» необходима для обновления информации о программе тестирования. По окончанию тестирования и получения результатов, пользователю предоставляется пароль для перехода к проведению эксперимента. Данный пароль вводится в окно ввода пароля с последующим нажатием кнопки «Далее», что приведет к переходу к эксперименту. В случае если пользователь решил вновь ознакомиться с методической частью следует нажать на кнопку «Назад».
По окончанию тестирования пользователю откроется доступ к эксперименту, посредством получения пароля, и возможность перейти к проведению эксперимента, предварительно введя полученный пароль в поле ввода пароля. После перехода откроется страница проведения эксперимента.
Первой страницей откроется Сбор схемы (рисунок 3.9), где пользователю необходимо собрать схему установки. У пользователя есть возможность использования установки отдельными частями, в зависимости от того, какая поставлена цель. В случае если пользователь выбрал все компоненты установки, то следует перейти к странице управления гелиостатом, нажав на кнопку «Гелиостат». Если же первый элемент установки не выбран, можно пропустить этот пункт.
На странице управления гелиостатом пользователь выбирает, в каком режиме будет работать установка, режимы работы описаны в пункте 1.2.2.2 данной работы.
На странице «Снятие данных с ФЭС» пользователю необходимо выбрать место для сохранения результатов измерения и вести наблюдение за параметрами установки.
На странице «Видеонаблюдение» можно наблюдать за движением гелиостата. На данном этапе работы видео отсутствует из-за отсутствия необходимых камер слежения.
После проведения всех измерений пользователь должен перейти на страницу обработки данных нажатием кнопки «Далее». Выполнив необходимые расчеты, пользователь должен нажать кнопку «Стоп». Либо перейти в начало для выполнения всех операции заново.
3.2.1 Описание блок-диаграмм ПО ЛУД ФЭС АУЭС
Код программы представлен на рисунке 3.14.
Рисунок 3.14 - Блок-диаграмма программы
Информационная часть загружается в браузер внутри программы, элемент Active X, для того, чтобы показать пользователю всю информацию в более наглядном виде с изображениями и формулами. Это позволяет пользователю получить более полную информацию без скачивания дополнительных файлов, что экономит время и трафик, так как для большинства пользователей трафик на интернет довольно сильно ограничен. На рисунке 3.15 показана часть кода программы, выполняющая загрузку информационной части в браузер программы. Для этого используется Invoke Method - Navigate (рисунок 3.15 - 1) элемента ActiveX - Web Browser.
Функция Concatenate Strings (рисунок 3.15 - 2) объединяет имя файла и адрес сервера (рисунок 3.15 - 3). Это выполнено для более удобной отладки и настройки программы, а также удобство при переносе сервера. На данном рисунке указан локальный адрес компьютера, так как программа находится на стадии отладки, в дальнейшем предусмотрено выполнение перехода на расширенные адреса в сети интернет с возможностью использования лаборатории не только в сети одного университета, но и для использования желающими по всему миру, где есть доступ в интернет.
Рисунок 3.15 - Часть блок-диаграммы программы «Открытие информационной части программы»
На рисунке 3.16 представлен основной код программы ЛУД ФЭС АУЭС. Он состоит из цикла While Loop и Event Structure. Цикл While Loop позволяет программе выполняться до того как пользователь не завершит работу, а Event Structure обрабатывает события такие как нажатия на кнопки внутри программы, что позволяет экономить процессорное время компьютера. Это значит что программа, выполняясь, ждет событие и позволяет компьютеру произвести, какое либо действие помимо программы, что не оказывает влияния на быстродействие компьютера. На рисунке 3.17 показано количество обрабатываемых событий.
Рисунок 3.16 - Блок-диаграмма основной код
Рисунок 3.17 - Блок-диаграмма «Количество обрабатываемых событий»
3.2.2 Подпрограмма «Структурная схема»
На странице «Собрать схему» используется подпрограмма «Структурная схема». Данная подпрограмма позволяет пользователю в зависимости от цели исследования собрать схему ФЭС. Переключением рубильников пользователь может выбрать исследуемую часть установки, либо, включив все рубильники исследовать полностью установку. Если включить только элемент «Фотоэлемент на турелях» пользователь исследует характеристики только солнечных панелей. Если включить только аккумуляторную станцию, то пользователь исследует аккумуляторы. Так же с инвертором. Если включить только его, то исследуется только инвертор, посредством изменения нагрузок на него.
Блок-диаграмма подпрограммы представлена на рисунке 3.19. Она довольно проста, обусловлено это тем, что данная подпрограмма выполняет роль включателя или выключателя структурной схемы ФЭС. Данная подпрограмма посредством контроллера управляет переключателями, установленными на промежутках между элементами установки.
Рисунок 3.19 - Блок-диаграмма подпрограммы Структурная схема
3.2.3 Программа тестирования ЛУД ФЭС АУЭС
Окно запуска
Окно «Запуска» это первое окно, которое появляется перед преподавателем или студентом при запуске программы тестирования. Оно содержит три кнопки, выбор, которых соответствует переходу на соответствующее окно, либо выходу из программы.
Данная блок-диаграмма отображает принцип работы программы при нажатии на кнопку «Выход». Кнопка «Выход» на лицевой панели, соответствует кнопка «stop» на блок-диаграмме (1). При нажатии на эту кнопку происходит остановка всей программы «Тест» и окна закрываются, закрытие происходит при помощи блока (2) [10].
На этой блок-диаграмме представлены события, которые происходят при нажатии на кнопку «Запустить тест», такие как, открытие подпрограммы «Тест» и «Чтение файла вопросов». Программа «Тест» появляется перед пользователем в открытом режиме (Standard), а программа «Чтение файла вопросов» в скрытом режиме (Hidden).
Блок- диаграмма показывает, что при выборе кнопки «Запуск настроек», происходит запрос по вводу пароля (1-подпрограмма «Вода пароля»), если введенный пароль совпадает с паролем известным только преподавателю, то открывается «Окно настроек», в противном случае программа останавливается.
Подпрограмма «Тест»
Окно «Тест» появляется, если в программе «Окно запуска» была нажата кнопка «Запустить тест». В этом окне студент может выбрать режим, в котором будет тестироваться, нажав на соответствующую кнопку, либо кнопу «Стоп» и перейти в «Окно запуска».
В зависимости от выбранного режима, вопроса, ответа, нажатия той или иной кнопки происходит переключения между событиями (1) и выполняется программа, написанная внутри данного события. Блок-диаграмма соответствует выбору вопроса (выбор вопроса доп) и ответа (выбор прав ответа доп), она запоминает ответ на этот вопрос, записывая в массив (dop otv).
Подпрограмма «Ввод пароля»
Подпрограмма «Ввод пароля» предназначена для защиты от несанкционированного доступа к просмотру результатов прохождения теста и доступа к настройкам.
На блок-диаграмме изображено событие по нажатию кнопки «ОК» в окне «Ввод пароля».
Подобные документы
Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии, технологии их освоения. Возобновляемые источники энергии в России до 2010 г. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской обл.
реферат [3,1 M], добавлен 27.02.2010Полезный отпуск теплоты с коллекторов станции ТЭЦ, эксплуатационные издержки. Выработка и отпуск электрической энергии с шин станции. Расход условного топлива при однотипном оборудовании. Структура затрат и себестоимости электрической и тепловой энергии.
курсовая работа [35,1 K], добавлен 09.11.2011Характеристика возобновляемых источников энергии: основные аспекты использования; преимущества и недостатки в сравнении с традиционными; перспективы использования в России. Способы получения электричества и тепла из энергии солнца, ветра, земли, биомассы.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 30.07.2012Изучение учебно-программной документации дисциплины "Электротехника и электроника". Характеристика основного назначения трансформаторов. Передача и использование электрической энергии. Устройство, конструкция и рабочий процесс однофазного трансформатора.
контрольная работа [2,1 M], добавлен 01.04.2021Основные способы получения энергии, их сравнительная характеристика и значение в современной экономике: тепловые, атомные и гидроэлекростанции. Нетрадиционные источники энергии: ветровая, геотермальная, океаническая, энергия приливов и отливов, Солнца.
курсовая работа [57,0 K], добавлен 29.11.2014Необходимость перехода от невознобновляемых на возобновляемые источники энергии. Переход от ископаемого топлива к водородной энергетике. Разработка новых экономичных и экологически чистых способов производства энергии. Национальные водородные программы.
презентация [15,4 M], добавлен 13.07.2015Назначение компрессорной станции. Устройство компрессорного цеха. Автоматизация газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р "Уфа". Анализ методов и средств повышения достоверности виброметрической информации. Разработка компьютерной модели датчика вибрации.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 16.04.2015Изучение особенностей использования ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. Анализ состояния российской энергетики, проблем энергосбережения. Расчет плоского солнечного коллектора и экономии топлива, биогазовой и ветродвигательной установок.
курсовая работа [261,7 K], добавлен 10.03.2013Обоснование выбора рода тока и рабочего напряжения электрической станции проекта. Выбор типа, числа и мощности генераторных агрегатов. Выбор устройств автоматизации проектируемой электрической станции. Разработка схемы распределения электроэнергии.
курсовая работа [4,9 M], добавлен 17.02.2015Разработка структурной схемы электрической части станции. Распределительное устройство высшего и генераторного напряжения. Выбор коммутационных аппаратов, токоведущих частей, изоляторов, средств контроля и измерения. Расчет токов короткого замыкания.
курсовая работа [722,7 K], добавлен 06.01.2012
