Принципы построения учебных лабораторных комплексов на базе программно - управляемых информационно-измерительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы построения учебных лабораторных комплексов на базе программно - управляемых информационно-измерительных систем

Соков О.А.

Laboratory works as means of getting and reviewing of new knowledge should vividly demonstrate basic regularity, set in lection course. Both physical and virtual models of the processes being studied can be applied to each subject under consideration. Optimal combinations of these facilities are supplied by NI technical assistance and LabVIEW software.

Лабораторные работы как средство получения и закрепления новых знаний должны наглядно демонстрировать основные закономерности, излагаемые в курсе лекций. Применительно к каждой рассматриваемой дисциплине могут использоваться как физические, так и виртуальные модели изучаемых процессов. Оптимальное их сочетание обеспечивают технические средства компании National Instruments и программная среда LabVIEW.

Лабораторные занятия - специфическая и одна из наиболее продуктивных форм самостоятельной работы студентов и приобретения новых знаний. Не случайно наиболее трудоемкие для изучения дисциплины имеют параллельные курсы - экспериментальная и теоретическая физика, экспериментальная и теоретическая аэродинамика, теория подобия и теплотехнический эксперимент. Вместе с тем для их проведения нужна современная и постоянно обновляющаяся лабораторная база, отражающая новации как в самих производственных процессах и оборудовании, так и в способах контроля и управления производством. Естественно и стремление полного охвата практикумом всего курса. В связи с этим, основными тенденциями в создании учебного лабораторного оборудования в последние годы становятся разработка и тиражирование типовых лабораторных комплексов для каждой конкретной дисциплины [1]. Как правило, такие комплексы рассчитаны на проведение большого числа лабораторных работ. Они охватывают большинство разделов курса и позволяют дифференцировать состав практикума для всех имеющихся в вузе специальностей. При этом, однако, из учебного процесса выпадает или смотрится анахронизмом уже существующая, зачастую уникальная лабораторная база кафедр, которая, к сожалению, не обновлялась в течение многих лет и оснащена устаревшими приборами.

В то же время именно оригинальные разработки сложившихся педагогических коллективов и научных школ представляют собой одно из достоинств вузов, по которым молодежь выбирает место учебы. Выходом из создавшегося положения является периодическая модернизация лабораторной базы кафедр на основе внедрения новых технических средств и гибких информационных технологий, адаптирующихся к уже установленному оборудованию и открытых к дальнейшему совершенствованию. Ставшее фактом широкое использование компьютеров позволяет создать в каждом учебном заведении информационно-измерительные системы, ориентированные на автоматизацию лабораторных исследований [2]. Именно этот подход может содействовать формированию и развитию современных лабораторных комплексов, отражающих специфику региона, историю развития дисциплины, научные и педагогические достижения кафедр.

Основа лабораторных комплексов - экспериментальные установки. В промышленных установках так же используемых для выполнения лабораторных работ, существо реализуемых процессов чаще всего скрыто от непосредственного наблюдения, оснащение средствами измерения минимальное, а автоматическая регистрация измеряемых параметров, как правило, отсутствует. Такие установки мало информативны. Проведение на них лабораторных работ не соответствует дидактическим принципам. Результатом лабораторных занятий должно являться самостоятельно выработанное представление студента об изучаемом явлении и его основных закономерностях. Эта задача реализуется при непосредственном наблюдении и изучении физического процесса. Промышленные образцы, мнемосхемы, виртуальные модели обычно используются как дополнительные средства обучения для пояснений изучаемого материала. Фактически учебные лабораторные установки наиболее дорогостоящая и наукоемкая часть лабораторного оборудования. Они должны разрабатываться специально и прямо соответствовать основным целям курса. Отдельно должны рассматриваться тренажеры, задачей которых является как раз отработка практических действий на промышленном оборудовании. Однако и здесь современные программно-управляемые системы способны моделировать десятки и сотни различных производственных ситуаций, в том числе и аварийных, которые недопустимо осуществлять практически.

В связи с тем, что лабораторные эксперименты требуют одновременного наблюдения изменения нескольких параметров, необходимо применение автоматизированных систем сбора, обработки и представления получаемых данных. При использовании традиционных самопишущих приборов появляются операции считывания результатов измерений, преобразования их в цифровые величины, ввода полученных массивов в стандартные программы статистической обработки и т.д. В этих операциях теряется часть полезной информации, появляются дополнительные погрешности, непродуктивно используется время занятий. Преимуществом использования современных компьютерных технологий является возможность построения при ограниченном наборе технических средств практически неограниченных по мощности и адаптивным возможностям автоматизированных систем измерения [3]. Оптимальное сочетание этих возможностей обеспечивают программная среда LabVIEW, пакеты ее многочисленных приложений и технические средства компании National Instruments , являющейся мировым лидером в области измерений и анализа экспериментальных данных.

Модульная платформа программных и технических средств информационно-измерительных систем для автоматизированных лабораторных комплексов по процессам и аппаратам пищевых производств, сконструированная нами с помощью этих средств, представлена на рис. 1.

Первый уровень этой платформы определяется как ряд учебных лабораторных установок, оснащенных различными измерительными датчиками и преобразователями. Обычно в большинстве установок используются недорогие резистивные датчики, с помощью которых измеряются усилия, полное и дифференциальное давления, уровни жидкости, скорость и влажность воздуха, угловые и линейные перемещения, вибрации, скорости тел и их ускорения. Датчики могут быть и индуктивными, емкостными, генераторными и т.д. Существуют стандартные для 8 типов сигналов согласующие блоки, которые нормируют выходной сигнал датчиков до стандартного уровня ±10 В. Выбором соответствующего аналогово-цифрового преобразователя PCI, PXI на 12 или 64 входных каналов можно обеспечить работу практически любой установки. В составе лабораторного комплекса датчиков может быть во много раз больше. Экономичное, малозатратное решение состоит в поочередной работе различных установок, подключаемых к одной и той же информационно-измерительной системе. При этом каждый из датчиков может иметь индивидуальную градуировку, которую вносят в ПК заранее или получают тарировкой этого датчика в составе комплекса. Характеристики каждого из используемых датчиков могут быть существенно нелинейными и задаваться в виде сложных аналитических зависимостей или таблиц. Таким образом, в компьютере создается каталог используемых датчиков.

Рисунок 1- Модульная платформа технических и программных средств National Instruments для автоматизированных лабораторных комплексов

При запуске программы работы той или иной установки система автоматически распознает нужный датчик, идентифицирует его по номеру или названию установки и измеряемой величине, и далее использует именно его характеристику. При замене или установке нового датчика, их характеристики тоже могут вводиться автоматически при тарировке в составе комплекса. Жесткая распайка выходов датчиков на унифицированном разъеме, запоминаемая ПК, является простым способом, исключающим неправильную адресcовку сигналов. Для связи с каждой установкой нами используется специальный экранированный многоканальный кабель. Это не единственное техническое решение. При установке на каждый датчик специальных программируемых контроллеров адресный опрос десятков и сотен датчиков с частотой до 200кГц может осуществляться по единой двухпроводной шине. В недалекой перспективе- создание беспроводных датчиков.

Питание резистивных датчиков осуществляется от аккумулятора напряжением 12 В емкостью 1,5-2,5 А-ч. На лицевую панель проведения каждого эксперимента выведен индикатор напряжения. Для простейших датчиков измеренное напряжение питания может использоваться для корректировки результатов измерений, т.е. своего рода компенсации падения напряжения. national instruments компьютерная система

Следующий уровень - измерительные сервисы. Они представляют собой программные модули, обеспечивающие сбор данных и осуществление измерений доступным для пользователя способом. Сами по себе необработанные данные редко содержат полезную информацию в необходимом для анализа виде. В начале нужно преобразовывать исходные сигналы, убирать шумовые искажения, корректировать аппаратные ошибки или компенсировать температурные воздействия. В состав серверов входят драйверы измерительных и вспомогательных приборов, инструменты для их калибровки, конфигурирования и управления информационными массивами. Прикладная среда LabVIEW позволяет моделировать программируемые устройства, создавать и использовать их прототипы, быстро создавать специализированные системы измерения и управления экспериментом.

Третий уровень - тестовые модули, которые автоматизируют процессы измерения для каждой лабораторной работы. Архитектура программ NI удобна для управления разрабатываемой информационно-измерительной системой. Благодаря полностью самостоятельно настраиваемому программному обеспечению, создаваемая система становится гибким инструментом для формирования огромных массивов данных.

Наличие в среде LabVIEW широкого спектра анализаторов и библиотек различных приложений позволяет упростить и ускорить разработку программных модулей обработки данных для конкретных лабораторных работ (четвертый уровень). Здесь могут быть использованы стандартные программы статистической обработки массивов с определением математического ожидания, дисперсии, максимального и минимального значений измеряемой величины; дифференцирование изменяющегося по времени сигнала, спектрального анализа быстропротекающих процессов, вычисление корреляционных функций, анализа дисперсности частиц и расшифровка показаний сложных анализаторов.

Эксперимент по совершенствованию обучения с использованием автоматизированных лабораторных комплексов более 2-х лет проводится на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» ОрелГТУ и на кафедре «Пищевая инженерия» Пятигорского технологического университета. Замена многочисленных измерительных приборов централизованной информационно-измерительной системой на базе LabVIEW уже на первом этапе позволила резко сократить сроки разработки и освоения новых лабораторных работ. Заметную экономию средств можно получить уже при трех лабораторных установках. Основные результаты апробации состоят в следующем.

При использовании многоканальных компьютерных систем сбора, обработки и представления данных уникальное лабораторное оборудование, имеющееся в вузах, колледжах и школах, может быть коренным образом модернизировано и приведено в соответствие современному уровню образовательных технологий

2. Защиты выполненных студентами лабораторных работ показывают, что наибольший эффект достигается в улучшении их ориентации в изучаемом материале. Мы относим это на долю формирования самостоятельного представления о дисциплине в целом. Это именно тот эффект, достижение которого является целью лабораторных занятий.

3. Благодаря возможности визуального наблюдения за протеканием процессов, при одновременном построении графиков изменения параметров, значительно повышается понимание студентами изучаемых явлений. Так, например, переход активного гидродинамического слоя в фонтанирующий режим, сопровождающийся резким изменением перепада давления, дает запоминающийся пример связи и трансформации физических явлений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2- Лицевая панель лабораторной работы по изучению перемешивания пищевых материалов

4. В процессе обучения на созданном лабораторном комплексе дополнительно возникают положительные моменты, которые в большей мере используются уже в курсе «Контроль и регулирование технологических процессов пищевых производств с применением ЭВМ». Это демонстрация современных методов мониторинга и управления технологическими процессами, составления баз данных, документирования отчетности, анализа аварийных ситуаций и т.д.

В заключение можно отметить, что прогресс в образовании связан с развитием способности студентов самостоятельно изучать новые сложные явления и использовать эти знания на производстве. Этому в значительной мере способствует совершенствование лабораторной базы и методик лабораторного эксперимента. Технические средства и компьютерные технологии National Instruments позволяют решать эту задачу наиболее эффективным образом.

Литература

1. Всероссийская конференция «Современная образовательная среда». Тезисы докладов.- М.: Государственный институт системной интеграции,-2001.-152с.

2. Малахов Н.Н., Горбачев Н.Б., Папуш Е.Г. Опыт совершенствования обучения на базе установок маломасштабного эксперимента. - Саранск. МГПИ им. М.Е. Евсевьева, Журнал «Учебный эксперимент в высшей школе», - №2,-2003.-С. 45-49

3. Малахов Н.Н., Горбачев Н.Б., Папуш Е.Г. Опыт эксплуатации автоматических лабораторных комплексов с использованием компьютерных технологий National Instruments. Сборник трудов международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments.-М.: РУДН,-2003.- С.57-60

Размещено на Allbest.ru