CC BY
0УДК 004:37.016 И. Г. Румановский, Н. А. Калинников, А. А. Александров
АНАЛИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ РАЗРАБОТКИ SAAS ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
Румановский И. Г. - канд. техн. наук, доцент кафедры «Инженерные системы техно-сферной безопасности» Тихоокеанского государственного университета, 001776@pnu.edu.ru; Калинников Н. А. - магистрант, Тихоокеанский государственный университет, 012432@pnu.edu.ru; Александров А. А. - магистрант, Тихоокеанский государственный университет, 012571@pnu.edu.ru
В статье представлено описание технологии интеграции кроссплатформен-ной графической среды разработки приложений по технологии SaaS (Scilab, LabVIEW и SimInTech) в электронную образовательную среду (ЭОС) университета. Выполнен анализ технологий организации сетевого доступа из электронного учебного курса, созданного в среде LMS Moodle к облачным сервисам Scilab, LabVIEW и SimInTech. Предложена блок схема структурного моделирования в виртуальной среде. Рассмотрена технология организации процесса виртуального моделирования мехатронных систем. Представлены результаты разработки виртуальной мехатронной системы для применения в ЭОС университета применительно к задачам управления технологическими процессами. Применение данной технологии позволит преподавателям создавать виртуальные лабораторные работы, сопряженные с действующим реальным лабораторным или технологическим оборудованием и использовать их в своих сетевых электронных учебных курсах.
Ключевые слова: электронная образовательная среда; программный интерфейс, сервер, SaaS, WEB-система; Scilab, LabVIEW, SimInTech, виртуальная система, программная среда, блок-диаграмма, мехатронная система, клиент.
Введение
В современном образовательном процессе находят широкое применение системы дистанционного обучения. В нашем университете на протяжении ряда лет применяется в учебном процессе электронная образовательная среда на основе LMS Moodle v3.11.5. Необходимо отметить, что вопрос организации дистанционного обучения по дисциплинам естественно-научного характера стоит намного острее, чем для дисциплин социально-гуманитарного блока. Несмотря на наличие встроенного конструктора курса с набором элементов для
© Румановский И. Г., Калинников Н. А., Александров А. А., 2022
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 4 (67)
ЗГ|
организации интерактивного образовательного процесса, в том числе с встроенными системами видеоконференцсвязи остаётся открытым вопрос о способе проведения в таких условиях практических и лабораторных занятий по таким дисциплинам, как физика, химия, материаловедение и другим техническим дисциплинам. Этим обусловлена востребованность создания виртуальных лабораторных работ, программных продуктов, способных создавать цифровые модели различных физических явлений.
Тенденция развития виртуальных лабораторных комплексов предполагает применение программных продуктов, которые могли бы настраиваться под требования различных предметных областей [1-4, 6-8]. Механизм работы такой лаборатории следующий, один объект с комплектом оборудования находится в сетевом доступе, сервер измеряет и контролирует реакции объекта, принимает и обслуживает задания от сетевых клиентов - рабочих мест лаборатории. Один из модулей подобной лаборатории обеспечивает обмен информацией между оборудованием, подключенным к серверной части, и удаленным рабочим местом через сеть Internet. При этом от клиентской части требуется лишь наличие программы-браузера и ряда заранее установленных специализированных библиотек. Структура web-системы с удаленным доступом представлена на рис. 1 [1].
Учебно-методические материалы
i
Сервер
"Г"'
1Н—I
.....
Персональный комгтьтотср N
Рис. 1. Структура WEB-системы с удаленным доступом
При реализации данного подхода возможно получение принципиально новых преимуществ:
- один сервер круглосуточно работающей виртуальной лаборатории обслуживает большое число учебных групп университета;
- создаются уникальные условия для активизации самостоятельной работы студентовс дорогостоящим оборудованием, поскольку выполнять зада-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
ния можно в любое удобное время и в любом месте в том числе дистанционно;
- может быть применена индивидуальная траектория обучения - студенты тратят на выполнение заданий столько времени, сколько каждому необходимо в зависимости от уровня знаний и навыков;
- преподаватели освобождаются от рутинной работы, могут сосредоточиться на творческой интерпретации методик, индивидуализации заданий с учетом способностей и навыков студентов, создании авторских учебных курсов.
Интеграция ЬМ8 МооШе в образовательный процесс существенно упрощает обучение, но в процессе изучения технических сфер науки (электромеханика, автоматика, космонавтика, строительство) необходимо использовать структуры, модели, системы и т.д. Мехатроника - это системное понятие включающая в себя элементы точной механики, электротехники и компьютерного управления технологическими процессами обеспечивающими проектирование и производство качественно новых механизмов, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.
Мехатроника развивается с помощью взаимосвязи технических и цифровых областей науки: прецизионной механики, электротехники, микроэлектроники, информационных технологий, силовой электроники и других научно-технических дисциплин. Результат различных вычислений в электроники, механике и компьютерном управлении можно считать «истинно ме-хатронным» только тогда, когда его компоненты образуют систему, обладающую принципиально новыми свойствами, которых не наблюдается у составляющих её частей.
Основная цель мехатроники, как научной дисциплины, заключается в разработке принципиально новых функциональных агрегатов, блоков, модулей, которые реализуют двигательную функцию, которая используется в качестве основы для подвижного интеллектуального оборудования и системы. В связи с этим, предметом мехатроники становятся технологические процессы проектирования и выпуска систем и машин, способных реализовать требуемый двигательный функционал. Методика, применяемая в мехатронике, основана на взаимной интеграции технологий, элементов структуры, информационных процессов и энергии из целого перебора естественнонаучно-технических и инженерно-технических направлений (информатики, точной механики, микроэлектроники, автоматического управления и т. п.), имеющих различную физическую природу и, все вместе, закладывают в основе мехатроники её междисциплинарную сущность. Таким образом, стремясь к системному подходу мехатроника воплощает в себе преодоление классического научного принципа декомпозиции.
Использование мехатронных систем в обучающих целях в настоящее время сопровождается интегрированной средой разработки, которая поддерживает технологию SaaS. Она представляет собой одну из форм облачного вычисления, модель сервиса, в которой пользователи получают готовую прикладную программу, полностью обслуживаемой провайдером. В этой модели
ЗГ|
поставщик самостоятельно устанавливает приложение, предоставляя доступ к функциям с устройств клиента, обычно посредством мобильного приложения и веб-браузера.
Актуальность данной работы заключается в применении и разработке виртуальной лаборатории по мехатронным системам в образовательных, технических, энергетических и т.д. сферах деятельности интегрированных систем разработки с применением технологии 8аа8.
Таким образом, для виртуального моделирования мехатронной системы с использованием технологии 8аа8 необходимо решить несколько взаимосвязанных задач:
- выбор интегрированного программного средства для создания виртуальной мехатронной системы;
- реализация программного управления виртуальной мехатронной системы с компьютера (сервера);
- реализация сетевого взаимодействия с указанным программным обеспечением в пределах локальной вычислительной сети лаборатории;
- обеспечение удаленного сетевого подключения к сети лаборатории - это необходимо для интегрирования виртуальной лабораторной работы в электронный учебный курс, разработанный в среде ЬМ8 МооШе.
Технология 8аа8 (Программное обеспечение как услуга)
Основным преимуществом SaaS-модели для пользователей является отсутствие затрат на установку, обновление и поддержку работы оборудования, а также работающего на нем ПО.
В модели SaaS:
- приложение приспособлено для удаленного использования;
- одно приложение используется несколькими клиентами (приложение коммунально);
- оплата принимается либо как ежемесячная абонентская плата, либо в зависимости от объема операций;
- техническая поддержка приложения включена в услугу;
- модернизация и обновление приложения происходит оперативно и доступно для клиентов.
Ключевым фактором, объясняющим экономическую целесообразность SaaS, является «эффект масштаба» — провайдер SaaS обслуживает единое программное ядро, которое используют все клиенты, и потому расходует меньшее количество ресурсов в сравнении с управлением отдельными копиями программного обеспечения каждого пользователя. При этом, использование единого программного ядра позволяет оптимизировать вычислительные мощности и снизить пиковую нагрузку отдельным пользователям. Все это позволяет SaaS-провайдерам значительно снизить затраты на эксплуатацию ПО. В результате стоимость услуг для конечного пользователя такого ПО ниже, чем издержки, возникающих при использовании стандартной модели лицензирования, особенно при платном лицензировании.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
Другой ключевой фактор - уровень обслуживания SaaS. SaaS-провайдер способен обеспечить уровень поддержки и обслуживания ПО в работоспособном состоянии, которые недоступны для внутренних IT-отделов компаний. Особенно ярко это проявляется при работе с SaaS-провайдером контракта по SLA-контракту.
На данный момент можно отметить несколько основных факторов стимулирования использования ПО по запросу клиентов и развитие данных продуктов разработчиками.
Положительные факторы SaaS для заказчиков:
- не нужна установка ПО на рабочие места пользователей - доступ к ПО осуществляется через обычный WEB-браузер (реже через специальную программу-клиент) ;
- радикальное снижение затрат на внедрение системы в организации. Это затраты на аренду помещения, организацию дата-центра, оплату труда сотрудников и т. д.;
- снижение затрат на техническую поддержку и обновление внедренных систем (вплоть до их полного отсутствия);
- быстрота развертывания, обусловленная наименьшими затратами времени на внедрение системы;
- понятный интерфейс - большинство сотрудников уже привыкли к использованию веб-сервисов;
- ясность и прозрачность платежей, защита инвестиций;
- мультиплатформенность - пользователь не зависит от программно-аппаратной платформы, выбранной разработчиком;
- возможность получить более высокий уровень обслуживания ПО.
Положительные факторы SaaS для разработчиков:
- рост популярности веб-сервисов для конечных пользователей;
- развитие WEB-технологий, обширный функционал возможностей веб-приложений и простота их реализации;
- быстрые процессы внедрения и сравнительно низкие затраты ресурсов на обслуживание конкретного клиента;
- лёгкое проникновение на глобальные рынки;
- отсутствие проблем с нелицензионным распространением ПО;
- в отличие от стандартной модели, SaaS-клиент привязывается к разработчику - он не может отказаться от услуг разработчика и продолжать использовать систему. Таким образом, обеспечивается защита инвестиций разработчика в процесс продаж;
- в долгосрочном периоде доходы от SaaS могут превысить доходы от продаж лицензий и оказания технической поддержки (даже с учётом расходов на хостинг и управление приложениями);
- разработчик выбирает рабочую программно-аппаратную платформу из соображений технической и экономической эффективности, а не из соображений её распространенности у возможных пользователей ПО.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 4 (67)
Аппаратно-программные средства создания мехатронных систем
Моделированием и проектирование мехатронных систем происходит на макроуровне и для автоматизации процесса создания и исследования математической модели таких систем используется методология структурного моделирования, блок-схема которой приведена на рисунке 2 [9].
Рис. 2. Блок-схема структурного моделирования
Структурное моделирование состоит из нескольких этапов:
- на первом этапе проводится анализ математической модели объекта исследования с целью ее структуризации на отдельные, функционально самостоятельные подсистемы, выявляется характер взаимосвязей подсистем. Используя библиотеку типовых блоков или создавая новые типы блоков, в графическом редакторе создается структурная схема модели объекта;
- на втором этапе в редакторе параметров задаются численные характеристики модели. При этом используются механизмы, позволяющие структурировать параметры модели по сфере их действия в пределах структурной схемы;
- на третьем этапе выбираются тип исследования (расчета), задаются параметры выбранного численного метода, формируются средства отображения текущих результатов расчета и вид сохранения данных моделирования
РАБОТКИ SAAS ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИ- ЖЛНЖ ТОГУ. ЯШ. № 4 (67)
для последующего анализа.
При запуске на расчет автоматически (на основании анализа топологии структурной схемы) формируется математическая модель объекта исследования в виде системы нелинейных дифференциально-алгебраических уравнений (ДАУ):
( x(t) =fx(t),u(t),t); (1)
lj(t) = g(x(t),u(t),y(t),t, ()
( xk+i = fd(xh uk); bk = gd(xb uk, уД
где система уравнений (1) описывает непрерывные, а система (2) - дискретные блоки.
В системе (1) представлены следующие параметры:
х, u, y - векторы состояний, входов и выходов, соответственно; fx, u), g(x, u, y) - известные нелинейные функции. В системе (2) представлены следующие параметры:
х, u, y - векторы дискретных состояний, входов и выходов, соответственно;
fd(xk, uk), gd(xk, uk, yk) - известные дискретные нелинейные функции; k - индекс такта квантования по времени дискретной системы. Одной из известных инструментальных систем для создания виртуальных мехатронных систем является среда для разработки и конструирования моделей Scilab, разработанная группой ESI. Мощная среда графического программирования этой технологии позволяет реализовать требуемые модели объектов исследования, а также использовать широкий ряд аппаратного обеспечения и набор средств, идеально подходящий для создания серьезных ме-хатронных систем при изучении различных дисциплин. При использовании среды программирования Scilab разработчик получает следующие преимущества:
1) гибкость создаваемых приложений при построении мехатронных систем, которая достигается в зависимости от требований решаемой задачи, используемой компьютерной платформы, необходимости насыщения системы дополнительными средствами анализа и отображения данных;
2) высокие эргономические показатели создаваемых виртуальных систем с точки зрения разрабатываемого человеко-машинного интерфейса измерительных систем;
3) широкий набор инструментов, предусматривающий:
- разработку интерфейса пользователя, работающего с измерительным и управляющим оборудованием;
- обработку результатов эксперимента;
- разработку сетевых приложений;
- поддержка удаленных баз данных;
4) возможность включения разрабатываемых приложений в программные модули, написанные на других языках (C, C++, Fortran).
Согласно GNU GPL (общая национальная лицензия) программа Scilab -это лицензированное программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое гарантирует конечным пользователям свободу для запуска, изучения, совместного использования и модификации программного обеспечения.
Математический аппарат при моделировании системы управления ме-хатронной системой в Scilab сводится к решению системы линейных дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка [11]:
h
У«+1 = Уп+ б (ki + 2k2 + + k4), (3)
где
ki = Ax^ yJ, hh
hh k2 = f (xn+ ^yn+ 2к1), hh k3 =f (xn+ ^ yn+ 2k2j ,
k4 = f(xn + h, yn + Акз),
где h - величина шага сетки по x.
Еще одной специализированной программной средой является LabVIEW, разработанная компанией National Instruments. Благодаря мощной среде программирования на языке «G», основанной на архитектуре потоков данных, позволяет реализовать виртуальный прибор с наглядной лицевой панелью, описывающий внешний интерфейс виртуального прибора и блочную диаграмму, описывающею логику работы виртуального прибора.
LabVIEW поддерживает огромный набор оборудования и некоторые различные компоненты:
- для соединения внешних устройств с наиболее распространёнными интерфейсам и протоколам (RS-232, GPIB-488, TCP/IP и пр.);
- для удалённого управления ходом эксперимента;
- для управления роботами и системами машинного зрения;
- для генерации и цифровой обработки аналоговых и цифровых сигналов;
- для использования разнообразных математических методов обработки данных;
- для визуализации данных и результатов их обработки (включая 3D-
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
модели);
- для моделирования усложненных систем;
- для хранения информации в базах данных и генерации отчётов;
- для взаимодействия с другими приложениями в рамках концепции COM/DCOM/OLE.
Согласно ОСТ 9.2-98 программная продукция компании National Instruments (LabVIEW, LabWindows, LabWindows/CVI и др.) - это сертифицированное инструментальное средство разработки программного обеспечения для универсальных систем общего назначения. Аппаратура компании полностью соответствует международным стандартам измерительных управляющих устройств и систем [1].
Среди отечественных программных средств по динамическому моделированию мехатронных систем стоит упомянуть SimlnTech, предназначенную для расчётной проверки работы систем управления сложными техническими объектами. SimlnTech осуществляет моделирование технологических процессов, протекающих в различных объектах, с одновременным моделированием системы управления, и позволяет повысить качество проектирования систем управления за счет проверки принимаемых решений на любой стадии проекта.
SimlnTech предназначен для подробного исследования и анализа процессов нестационарного характера в ядерных и тепловых энергоустановках, в системах автоматического управления и мехатронных системах, в следящих приводах и роботах, а также в любой технической системе, описание динамики которой можно представить в виде систем дифференциально-алгебраических уравнений и/или реализовано методами структурных моделей. Основными направлениями использования SimlnTech являются создание моделей, проектирование алгоритмов управления, их отладка на модели объекта, генерация исходного кода на языке С для программируемых контроллеров [10].
SimlnTech может:
- использоваться для моделирования нестационарных процессов в физике, в электротехнике, в динамике машин и механизмов, в астрономии и т. д., а также для решения нестационарных краевых задач (теплопроводность, гидродинамика и др.);
- функционировать в многокомпьютерных моделирующих комплексах, в том числе и в системах удаленного доступа к технологическим и информационным ресурсам;
- функционировать как САПР при групповой разработке и сопровождении жизненного цикла изделия (проекта) при модельно-ориентирован-ном подходе к проектированию.
SimlnTech содержит библиотеки типовых блоков для моделирования:
- теплогидравлики/пневматики;
- электроцепей, в действующих и мгновенных значениях;
- силовых машин гидравлических/пневматических;
- механических взаимодействий;
- точечной кинетики нейтронов;
- баллистики космических аппаратов;
- динамики полета летательных аппаратов в атмосфере;
- электрических приводов;
Кроме того, SimlnTech можно применять для создания различных интерфейсов управления (SCADA), протоколами обмена, такие как UDP, TCP/IP, RS и т.д. В нынешнее время большую необходимость набирают приложения или сервисы, работающие с нейроными сетями и обработкой видеоинформации, что в SimInTech тоже используется.
Программное управление мехатронной системой, как лабораторным стендом
Рассмотрим задачу управления системой. При ее реализации необходимо предусмотреть, что помимо управления натурным экспериментом (т. е. реальной лабораторной установкой, подключенной к компьютеру с помощью некоторого интерфейса) может быть реализовано и управление вычислительным (имитационным) экспериментом с программной моделью. Технология компьютерных измерительных приборов на базе программы Scilab объединяет аппаратные средства и программное обеспечение с промышленными компьютерными технологиями для решения измерительных задач и задач автоматического регулирования причем свойства этих решений в значительной степени определяются пользователями. Компьютерная измерительная система может быть собрана из различных аппаратных и программных компонентов. Для контроля и управления каким - либо процессом или тестирования того или иного устройства могут быть использованы разнообразные технические средства измерений. При известном физическом принципе действия этих устройств, после подключения их к компьютеру они могут стать составной частью компьютерной измерительной системы (рис. 3) [11].
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
Программное средство
Аналоговый сигнал ^\J\/\f\f\f^
Цифровой сигнал
Рис. 3. Схема подачи/вывода сигналов в мехатронной системе
В инструментальной среде LabVIEW приветствуется использовать аппаратные средства как отечественного, так и импортного производства. Наилучшая совместимость в режиме работы "из коробки" достигается при использовании аппаратуры, изготовленной компанией National Instruments. Компания National Instruments специализируется в области разработки встраиваемых и распределенных технических устройств средств сбора данных (DAQ, Data Acquisition) и драйверов к ним, а также является разработчиком программного комплекса LabVIEW.
Распространенные методы сбора данных реализуются с помощью встраиваемых в компьютер устройств и автономных измерительных приборов, приборов, поддерживающих интерфейс GPIB, систем стандарта PXI (расширение шины PCI для измерительной техники) и даже приборов с портом RS-232. Обработка экспериментальных данных облегчается встроенными средствами математического анализа среды LabVIEW.
В отечественной программе SimlnTech используется структура создания мехатронных систем, и не только, такая же, как и у Scilab, но спектр инструментов и блоков, а также самих готовых субструктур (двигателей, гидроприводов и т.д.) больше. В отличие от Scilab и LabVIEW компилятор SimlnTech позволяет наблюдать реакцию системы или объекта за каждый шаг дискретизации (свое рода отладка программы). Это позволяет при промежуточных значениях сделать анализ системы и внести коррективы.
Представим интерфейс пользователя с собранной системой автоматического регулирования температуры и результатами этой системы в Scilab. В данной системе используется два выходных сигнала с использованием обратной связи: температура датчика и температура комнаты. Когда температура комнаты выше заданного предела, датчик старается снизить эту температуру (рис. 4).
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 4 (67)
Рис. 4. Интерфейс с блок-диаграммой терморегулитора и результатами в 8сПаЪ
РАБОТКИ SAAS ДЛЯ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИ- ВЕСТНЖ ТСГУ. 2)22 № 4 (67)
В LabVIEW тоже соберем терморегулятор и представим его лицевую панель и блок-диаграмму виртуального прибора. Как видно из рисунка 5, виртуальный прибор тоже имеет верхнюю границу по температуре, а выводом осуществляется 2 сигнала: текущая температура и средняя температура.
Рис. 5. Интерфейс и блок диаграмма виртуального прибора в LabVIEW
На примере управления и анализа мехатронной системы в 81ш1пТесЬ используется система перемещения груза гидроприводом, представленная на рисунке 6.
Рис. 6. Интерфейс с блок-диаграммой в SimlnTech
Ниже представлены графики зависимости некоторых физических величин от времени при работе гидравлического привода, т.е. в зависимости от давления теплоносителя и объема плотности в танкере будет происходить перемещение груза (рис. 7).
Производная объема полости ПО времени, м3/с (dV_dt) В объекте Tank * Перемещение Груза, м (S)
1
^—
/1
/
/
/
0 » 3S «
Перемещение Груза, м (S)
0.008 0.007 0.007 0.006 0.006 0.005 0.004 0.004 0.003 0.003 0.002 0.002 0.001 0.001 0.000
_
1
\
■ Перемещение, м (S) в объекте L63
Рис. 7. Выходные сигналы мехатронной системы перемещения груза гидроприводом 50
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
На основе представленных результатов можно говорить о большом спектре применения данных программных средств, о простоте пользования и дела вкуса, так как каждое программное средство должным образом справляется с поставленной задачей.
Управление лабораторным оборудованием по сети
Разработанные программные средства изначально ориентированы на локальное применение, т. е. пользователь должен в интерактивном режиме работать непосредственно за компьютером, к которому подключен лабораторный стенд. Для организации доступа с другого компьютера необходимо задействовать сетевые технологии. Наиболее простым способом является включение терминального доступа к лабораторному компьютеру, примером которого является подключение к удаленному рабочему столу (Remote Desktop) в операционных системах семейства Microsoft Windows. Однако использование удаленного рабочего стола даже для пользователей с ограниченными правами доступа к системе все равно является нежелательным фактором с точки зрения безопасности. В связи с этим более перспективным видится предоставление доступа к программному обеспечению управления лабораторным оборудованием в соответствии с архитектурой "клиент-сервер". Это дает возможность четко регламентировать все сценарии, реализовав их на программном уровне.
Для программной среды Scilab используется облачный сервис Scilab Cloud в которой представлены необходимый набор инструментов для проектирования и моделирования мехатронных систем. В действительности набор инструментов и блоков в Scilab Cloud не уступает набору инструментов в самой программной среде Scilab. Это позволяет для обучающихся и преподавателей не устанавливать программную среду, а использовать в облаке, что позволяет значительно облегчить обучение в сфере мехатроники. Преимущество стоит отметить технические характеристики персонального компьютера для Scilab Cloud, достаточно иметь выход в Internet, так как все вычисления облачный сервис принимает на себя.
Рассмотренная выше система регулирования температуры в Scilab в Scilab Cloud будет выглядеть следующим образом (рис.8).
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 4 (67)
Hghchai&.mm
Рис. 8. Интерфейс с блок-диаграммой терморегулятора и результатами в Scilab Cloud
Данным облачный сервис наглядно показывает функционал и корректность вывода данных, чтобы было продемонстрировано ранее в программной среде Scilab.
Существует необходимость встраивание виртуальных приборов LabVIEW и программной среды SimInTech в облачный сервис (локальный сервер) за счет использование дополнительных пакетов или драйверов. Так, рассмотренная выше система, LabVIEW позволяет реализовать такой режим, причем встраивание интерфейса виртуальных приборов осуществляется в WEB-страницы, что дает возможность использовать в качестве клиента обычный браузер (однако для этого на клиентском компьютере должен быть установлен бесплатный плагин LabVIEW Runtime Engine) [2].
Средой LabVIEW предоставлены большие возможности для реализации обмена данными через TCP/IP сети. Основой для передачи данных служит WEB-cepвep LabVIEW и инструмент WEB Publishing Tool, которые входят в любой из вариантов поставки среды LabVIEW — Basic, Full
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
Development System или Professional. LabVIEW обладает рядом встроенных возможностей для организации связи через Интернет, в том числе:
- функции TCP/IP и UDP;
- WEB-сервер;
- сервер виртуальных приборов;
- протокол DataSocket для обмена данными через LAN и Интернет;
- Jаvа-приложения;
- элементы управления ActiveX;
- E-mail, ftp и telnet.
WEB-сервер LabVlEW в режиме диалога с разработчиком генерирует HTML-документ и публикует изображения передней панели компьютерного прибора в Сети путем встраивания его в WEB-страничку. Для доступа к WEB-серверу через браузер необходимо проинсталлировать на клиентской машине бесплатный компонент LabVIEW Run-Time Engine. Если WEB-сервер запущен, то, запустив браузер и набрав строку адреса HTML-документа (URL), пользователи получат удаленный доступ к исполняемой на серверной машине программе LabVIEW. Строка должна содержать 1Р-адрес компьютера сервера и имя HTML-файла.
Для подготовки работы программного обеспечения — компьютерного прибора в режиме удаленного доступа — пользователю достаточно использовать встроенные средства LabVIEW и на основе ранее использованного в режиме локального доступа программного решения получить компьютерный прибор в Сети путем встраивания его в WEB-страничку. [2, 5]
Также в клиент-серверном режиме на лабораторном компьютере могут быть развернуты другие приложения, реализующие вспомогательные функции. Например, HTTP-сервер с методическими материалами, FTP-cepвep для доступа к результатам эксперимента, сохраняемым в виде файлов, и т. д. Технологии встраивания виртуальных лабораторий в LMS Moodle рассмотрены в работах [4,8]. Практика реализации электронных учебных курсов в нашем университете показывает, что одним из эффективных приемов интеграции является интеграция удаленной виртуальной лаборатории в электронный учебный курс посредством применения элемента «гиперссылка» в качестве адреса указывается 1Р-адрес компьютера WEB-сервера LabVIEW и имя HTML-файла, в котором опубликована передняя модель виртуального прибора.
|Г|
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Повышение качества образовательного процесса и снижение затрат на проведение лабораторных работ с уникальным оборудованием с соблюдением требований современного поколения Федеральных государственных образовательных стандартов возможно при использовании технологии автоматизации экспериментальных исследований на платформах Scilab Cloud, LabVIEW, SimInTech и сочетании локального и удаленного сетевого доступа к оборудованию. Управление натурным экспериментов и реализация имитационного эксперимента на платформах Scilab Cloud, LabVIEW и SimInTech позволяет преподавателю создавать легко реконфигурируемые мехатронные системы управления. Лабораторные компьютеры с подключенным к ним оборудованием размещаются во внутренней локальной сети, где и обеспечивается подключение клиентов из других сетей к приложениям, развернутым на этих компьютерах. Использование механизма развертывания VPN-сервера при реализации поставленной задачи имеет некоторые особенности, которые указаны выше. Такое решение совместно с использованием WEB-серверов LabVIEW, SimInTech и облачного сервиса Scilab Cloud позволяют реализовать безопасность работы уникального оборудования и доступ к нему пользователя — студента. Использование возможностей конструктора LMS Moodle позволяет совместно с интеграцией виртуальных лабораторий так же применять различные инструменты для создания интерактивного образовательного контента в рамках создания авторского электронного учебного курса. Применение встроенной системы тестирования, элементов обратной связи, таких как видеоконференция, чат, форум значительно повышает качество учебного процесса и способствует приобретению профессиональных компетенций в предметных областях знаний.
Результатом проведенных исследований стало создание в рамках проекта «Цифровая кафедра» электронного учебного курса дополнительного образования «Цифровые технологии управления мехатронными системами».
Библиографические ссылки
1. Остроух А.В., Николаев А.Б. Проект разработки виртуальных лабораторных работ в среде ILABS // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. № 11-1. URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=4304 (дата обращения: 01.03.2022).
ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 4 (67)
2. Берчун Ю.В., Загидуллин Р.Ш. Комплексный подход к организации удаленного доступа к лабораторному оборудованию в учебном процессе // Информационные технологии. 2015. Т. 21, № 3. С. 210-217.
3. Загидуллин Р.Ш., Черников А.С. Опыт построения лабораторного практикума удаленного доступа в среде LabVIEW // Цифровые технологии в инженерном образовании: новые тренды и опыт внедрения: междунар. форум, Москва, 28-29 нояб. 2019 г. : сб. тр. / МГТУ им. Н. Э. Баумана. М., 2020. С. 42-45.
4. Загидуллин Р.Ш., Черников А.С. Актуализация данных в среде MOODLE в режиме удаленного доступа по дистанционному лабораторному практикуму LabVIEW - Multisim // Нанотехнологии. Разработка. Применение. XXI век. 2017. Т. 9, № 1. С. 40-49.
5. Видьманов Д.А., Попов В.С., Локтев Д.А. Организация доступа через браузер к виртуальному прибору LabVIEW // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 07. URL: http://technomag.edu.ru/doc/845237.html (дата обращения: 01.03.2022).
6. Трухин А.В. Виды виртуальных компьютерных лабораторий // Информационные технологии в высшем образовании. Алматы, 2005. Т. 2, № 2. С. 58-67.
7. Никулина Т.В., Стариченко Е.Б. Виртуальные образовательные лаборатории: принципы и возможности // Педагогическое образование в России. 2016. № 7. С. 62-66.
8. The remote DSP experiment integrated with Moodle online learning environment / Mirjana Brkovic, Radojka Krneta, Djordje Damnjanovic, Danijela Milosevic // 2014. 11th International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation (REV). 2014. Р. 391-392. URL: http://toc.proceedings.com/21896webtoc.pdf (дата обращения: 01.03.2022).
9. Ляшенко А.И., Маслова Н.В., Вент Д.П. Основы моделирования в SimInTech. Новомосковск : Российский хим.-технолог. ун-т им. Д.И. Менделеева, 2018. 42 с.
10. Калачев Ю.Н. Моделирование в электроприводе. М.: 3В Сервис, 2019. 105 с.
11. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В., Рудченко Е.А. Scilab. Решение инженерных и математических задач. М.: ALT Linux; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. 269 с.
12. Капитанов Д.В., Капитанова О.В. Введение в Scilab: практикум. Нижний Новгород : Нижегородский гос. ун-т, 2019. 56 с.
13. Румановский И.Г., Драчёв К.А. Технология интеграции виртуальной лаборатории в LMS Moodle // Вестник Тихоокеанского государственного университета. Хабаровск, 2022. № 1. С. 39-46.
Title: Analysis of SaaS Development Tools for Virtual Simulation of Mech-atronic Systems
Authors' affiliation:
Rumanovski I.G. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Kalinnikov N.A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Aleksandrov A.A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The article, the authors present a description of the technology for integrating a cross-platform graphical SaaS application development environment (Scilab, LabVIEW and SimInTech) into the electronic educational environment (EOS) of the university. The analysis of technologies for organizing network access from an electronic training course created in the LMS Moodle environment to cloud services Scilab, LabVIEW and SimInTech has been carried out. A block diagram of structural modeling in a virtual environment is proposed. The technology of organizing the process of virtual simulation of mechatronic systems is considered. The results of the development of a virtual mechatronic system for application in the EOS of the university in relation to the tasks of managing technological processes are presented. The use of this technology will allow teachers to create virtual laboratory work associated with the existing real laboratory or technological equipment and use them in their online e-learning courses.
Keywords: electronic educational environment; software interface, server, SaaS, WEB-system; Scilab, LabVIEW, SimInTech, virtual system, software environment, block diagram, mechatronic system, client.
