CC BY
26
DOI 10.36622/VSTU.2021.17.6.007 УДК 004.05: 004.7: 004.9
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Г.В. Петрухнова, И.Р. Болдырев Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: представлен комплекс технических средств создания для системы сбора данных. Проведена формализация процессов реализации функций контроля технического объекта. Рассматриваемая система сбора данных состоит из функционально законченных устройств, выполняющих определенные функции в контексте работы системы. Данная система, с одной стороны, может быть одним из узлов распределенной системы сбора данных, с другой стороны, может использоваться автономно. Показана актуальность создания системы. В основе разработки использован RISC микроконтроллер STM32H743VIT6, семейства ARM Cortex-M7, работающий на частоте до 400 МГц. К основным модулям системы относятся 20-входовый распределитель напряжения; модуль питания и настройки; модуль цифрового управления; модуль анализа, хранения и передачи данных в управляющий компьютер. Рассмотрен состав и назначение этих модулей. За сбор данных в рассматриваемой системе отвечает цепочка устройств: датчик - схема согласования - АЦП - микроконтроллер. Поскольку в составе системы имеются не только АЦП, но и ЦАП, то на ее базе может быть реализована система управления объектом. Выбор датчиков для снятия информации обусловлен особенностями объекта контроля. Имеется возможность в ручном режиме измерять электрические параметры контуров связи, в том числе обеспечивать проверку питания IDE и SATA-устройств. Представленная система сбора данных является средством, которое может быть использовано для автоматизации процессов контроля состояния технических объектов
Ключевые слова: сбор данных, технический контроль, система управления, коммутирующий разъем, регулятор напряжения, датчик, аналоговый сигнал, цифровой сигнал, АЦП, ЦАП
Введение
Для контроля состояния технических объектов на различных этапах их жизненного цикла требуются современные инструменты сбора, хранения и анализа данных. Грамотная реализация процедур контроля технических объектов является одним из главных условий обеспечения эффективности и надежности их функционирования. На сегодняшний день широко используются следующие стратегии обслуживания оборудования [1 - 3]:
- реактивное,
- по регламенту,
- по фактическому состоянию оборудования,
- ориентированные на надежность ^СМ),
- на основе оценки рисков (ИВМ),
- на основе экономической эффективности воздействий на оборудование (№У) и некоторые другие [1 - 3].
Для технического контроля сложного оборудования создаются распределенные системы сбора и анализа информации. На сегодняшний день их использование актуально, эффективно и обосновано [1 - 3]. Основные
©Петрухнова Г.В., Болдырев И.Р., 2021
элементы таких систем: первичные датчики, системы сбора и обработки информации, системы хранения собранных данных и программные интерфейсы, удобные для работы конечных пользователей. Однако актуальными остаются и автономные системы сбора данных [4]. Такие системы используются для решения самых различных задач, обусловленных спецификой объекта контроля.
Таким образом, сбор данных актуален для функционирования разнообразных по составу и конфигурации систем контроля состоянием объекта. Для успешного решения своих профильных задач системы сбора данных должны создаваться на надежных и эффективно работающих узлах информационно-управляющих систем.
Целью данной статьи является представление архитектуры многофункциональной системы сбора данных, которая, с одной стороны, может быть одним из узлов распределенной системы сбора данных, с другой стороны, использоваться автономно. Также рассматриваемая система позволяет в ручном режиме измерять электрические параметры контуров связи. Данная система повышает осведомленность обслуживающего персонала о фактическом состоянии производственных ресурсов и эффективна не только для сбора данных, но и для
проведения контрольно-измерительных и ремонтных работ.
Постановка задачи
Реализация функций контроля технического объекта сводится к выполнению ряда технологических операций в рамках соответствующих технологических процедур. Формализуем этот процесс.
В общем случае модель любого объекта контроля есть кортеж, представленный ниже
[5]:
Л = < Т, X, У Z : L>, где Т - множество моментов времени, в которые наблюдается объект; X, У - множества входных и выходных сигналов соответственно; Z - множество состояний объекта; F - оператор переходов, отражающий механизм изменения состояния объекта как реакцию объекта на внутренние и внешние возмущения; L - оператор выходов, описывающий механизм формирования выходного сигнала под воздействием внутренних и внешних возмущений.
Операторы F и L задают собой отображения (1) и (2) [5]:
F:TxXxZ->Z (1)
^ Тх Xх Z - У. (2)
Следующим этапом моделирования процедуры контроля, мероприятий создания, испытаний или эксплуатации технического объекта является постановка и решение задачи классификации, т.е. соотнесения наблюдаемого состояния технического объекта к одному из заданных классов его состояний [5]. В общем виде суть решения этой задачи заключается в отыскании отображения ц [5], представляемого как:
П: У-Е (3)
где Е есть множество классов состояний объекта.
Задачу контроля можно в общем виде представить как объединение отображений (2) и (3) [5]:
Тх Xх Z - У-Е (4)
Цель данной статьи состоит в представлении технических средств, позволяющих формировать множества X и Y. Множества Z, Е, отображения F, L, ц, в рассматриваемой задаче, как правило, задаются техническим заданием на выполнение технологической процедуры и техническими характеристиками объекта контроля.
Структура многофункциональной
системы сбора данных для контроля состояния технических объектов
Аппаратная часть многофункциональной системы сбора данных для контроля технических объектов включает в себя ряд модулей, разделенных на две независимые группы.
К модулям группы «А» относятся наборы плат, которые являются функционально законченными устройствами, выполняющими определенные функции в контексте работы системы: модуль распределения напряжения, модуль питания и настройки. Эти модули ориентированы на взаимодействие с другой группой модулей, которая условно обозначена как «Б». Модули группы «А» работают независимо друг от друга и допускают покомпонентную точечную замену.
Модуль распределения напряжения предназначен для подачи питания на каждый модуль комплекса. Состав этого модуля:
- 20-входовый распределитель напряжения, представляющий собой решение для обеспечения питания всей системы, а также средство тестирования напряжения в рамках проведения диагностики питания;
- блок проверки IDE-устройств;
- блок проверки SATA-устройств;
- светодиодный блок готовности модулей к работе, который позволяет в режиме реального времени наблюдать состояние включения/выключения каждого модуля.
Данный модуль осуществляет распределение питания между всеми узлами системы сбора данных и позволяет проводить проверку работоспособности элементов питания, а также служит для получения отклика от подключенных активных модулей. Внешний вид и конструкция модуля спроектированы также для обеспечения проверки питания IDE и SATA-устройств, которые в рамках подключения расширений могут быть задействованы средствами системы сбора данных. Можно производить тестирование сразу обоих устройств этих типов.
На выводы 20-входового распределителя подается напряжение от 3.3В до 12В. При этом сила тока для каждой группы выводов имеет строго определенное значение и находится в диапазоне от 18А до 30А. При этом взаимное расположение и цветовая идентификация проводников распределителя полностью соответ-
ствует стандартному 20-контактному разъёму ATX.
Модуль питания и настройки предназначен для подачи питания на модули системы сбора данных. Состав модуля:
- распределители напряжения между всеми модулями системы в диапазоне от 0В до 12В постоянного тока;
- независимые друг от друга элементы управления питанием;
- блок коммутирующих разъемов.
Модуль питания и настройки позволяет
выбрать необходимый номинал напряжения и с помощью соединительных проводов обеспечить питанием тот или иной элемент на одном или нескольких модулях комплекса. Помимо основной функции подачи питания к разъемам модуля, имеется также возможность использования этого блока в качестве разветвителя. Для этой цели имеются коммутирующие разъемы на рабочей области модуля.
В состав модуля питания и настройки входит регулятор напряжения от 0 до 12В, работающий на основе переменного резистора. К особенностям использования данного блока следует отнести повышенную защиту для элементов, не рассчитанных на данный диапазон входного тока. С этой целью разъемы, на которые поступает напряжение до 12В, имеют уникальную форму. Поэтому для данного типа напряжения разработаны соответствующие соединительные проводники, позволяющие работать только с элементами данного типа разъемов.
Еще одним составляющим элементом модуля является регулятор напряжения от 0 до 5В, функционирующий на основе переменного резистора и позволяющий управлять напряжением от 0 до 5В и двумя цепями соединительных разъемов, один из которых имеет постоянное напряжение 3,3В. Для защиты элементов, не рассчитанных на диапазон 3,4-5,0В входного тока, предусмотрена цветовая маркировка разъемов.
В состав модуля входит формирователь восходящих импульсов номиналом 3,3В. В качестве основного, как наиболее распространенного в рамках реализации комплекса напряжения, принято именно напряжение равное 3,3В. Импульс именно такого номинала формируется при нажатии на соответствующий контакт модуля. Соответственно до нажатия на контакт подачи восходящего импульса
соединительные разъемы данного блока формируют логический «0».
Также в составе модуля имеется формирователь нисходящих импульсов 3,3 вольта. Аналогично формирователю восходящих импульсов данный блок модуля ориентирован на напряжение равное 3,3 вольта. Ток данного номинала до нажатия на контакт подачи нисходящего импульса поступает на соединительные разъемы данного блока. При нажатии на соответствующий контакт формируют логический «0».
Располагаемый внизу платы блок коммутирующих разъемов представлен разъемами, которые соединены в одну цепь и могут выполнять функции распределителя напряжения между всеми контактами, подключенными к ним. Следует учесть, что распределение напряжения допустимо в переделах до 5В. Однако, на определенных правах доступа к элементам комплекса, возможно и распределение напряжения большего номинала.
Группа «Б» состоит из следующих модулей:
- модуль цифрового управления;
- модуль хранения, анализа данных и передачи их в управляющий компьютер.
Каждый из этих модулей является функционально законченным устройством и представляет собой плату.
Ядром модулей группы «Б» является модуль центрального управления. Он предназначен для осуществления управления выбранными элементами (подключенными устройствами) с помощью микроконтроллера STM32H743VIT6. Этот модуль является основой многофункциональной системы сбора данных. Каждый блок группы «Б» представляет собой отдельную функциональную часть системы.
На модуль цифрового управления поступает аналоговый сигнал, который должен быть обработан в цифровом виде. При помощи датчика реализуется измерение аналогового сигнала и преобразование его в зависимость напряжения или тока от времени. Полученная зависимость через схему согласования сигнала поступает на вход АЦП, осуществляющего ее преобразование в цифровой код. С выхода АЦП данные поступают на центральное звено блока - микроконтроллер STM32H743VIT6, который функционирует на основе записанной в него управляющей программы.
На базе этого модуля может быть реализована система управления объектом, поскольку
в составе модуля имеются ЦАП и средства обратной связи с объектом. Микроконтроллер оценивает текущее значение аналогового сигнала и на основании заложенной программы выдает управляющее воздействие. Управляющее воздействие преобразовывается в напря-
жение или ток, подаваемый на схему управления, при помощи ЦАП.
За сбор данных в рассматриваемом модуле системы отвечает цепочка устройств: датчик -схема согласования - АЦП - микроконтроллер. Структура модуля центрального управления представлена на рисунке.
Структура модуля
В состав модуля цифрового управления входят следующие устройства:
- 32-битный RISC микроконтроллер STM32H743VIT6, семейства ARM Cortex-M7, работающий на частоте до 400 МГц;
- два 16-разрядных АЦП MCP33131D-110-E/MS;
- два измерительных усилителя ADA4254ACPZ-R7;
- два аналоговых мультиплексора DG409LEDQ-T1-GE3;
- два 16-битных ЦАП DAC8552IDGKT;
- два операционных усилителя TLV9002IDGKR.
Сама система сбора данных состоит из микроконтроллера и элементов, представленных в нижней части рисунка: двух АЦП, двух схем согласования и датчиков для снятия ин-
цифрового управления
формации. Выбор датчиков обусловлен особенностями объекта контроля.
Многофункциональная система сбора данных о состоянии объекта контроля представляет собой установку, объединяющую в своем составе платы, реализующие рассмотренные ранее модули. Платы, входящие в группу «Б», являются съемными. Их замена происходит при модификации и модернизации системы. Рассмотренная многофункциональная система сбора данных может быть использована для решения задач автоматизации процессов контроля состояний технических объектов.
Заключение
Современные инструменты сбора, хранения и анализа данных актуальны для реализации процедур контроля технических объектов.
Представленная в статье система предназначена для сбора информации о состоянии объекта контроля. Проведена формализация процедур контроля технических объектов и выделены множества, для формирования которых разработаны технические средства.
В представленной статье проведен анализ структуры созданной системы сбора данных, выделены основные технологические модули и описано их назначение. За сбор данных в рассматриваемой системе отвечает функциональная цепочка устройств: датчик - схема согласования - АЦП - микроконтроллер. Имеется возможность построения автоматизированной системы управления. Выбор датчиков для считывания информации обусловлен особенностями объекта контроля и условиями решаемой задачи.
Представленная система позволяет в ручном режиме измерять электрические параметры контуров связи. В систему также заложены возможности для обеспечения проверки питания IDE и SATA-устройств, которые в рамках подключения расширений могут быть задействованы средствами технологического процесса.
Данная система является эффективным средством для автоматизации процессов контроля состояния технических объектов. Она может использоваться как стационарно, так и в
рамках распределенной автоматизированной системы.
В процессе эксплуатации разработанная система позволит повысить осведомленность обслуживающего персонала о фактическом состоянии производственных ресурсов и будет эффективна не только для сбора данных, но и для проведения контрольно-измерительных и ремонтных работ.
Литература
1. Фрейман В. И. К вопросу проектирования и реализации элементов и устройств распределенных информационно-управляющих систем // Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2019. № 30. С. 28-49.
2. Freyman V., Posyagin A. The soft decoding of control systems elements test diagnostics results // Proceedings of 2017 XX IEEE international conference on soft computing and measurements (SCM). 2017. P. 329-332. DOI: 10.1109/SCM.2017.7970576
3. Яблоков А.Е., Федоренко Б.Н., Латышев М.А. Технический мониторинг, диагностика и защита оборудования // Комбикорма. 2018. № 6. С. 32-34.
4. Современное состояние процессов автоматизации измерения и контроля / Р.Т. Шабданбаева, Ж.Ж. Жанысбе-кова, Ж.Н. Исабеков, А.В. Шумаков // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций имени М. Тынышпаева. 2017. Вып. 103. № 4. С. 257-264.
5. Байкин В.А., Стецюк А.Н. Формализация технологических процедур контроля жизненного цикла сложной инженерно-технической системы // Программные системы и вычислительные методы. 2016. № 1(10). С. 52-58. DOI: 10.7256/2305-6061.2015.1.14407
Поступила 10.11.2021; принята к публикации 17.12.2021 Информация об авторах
Петрухнова Галина Викторовна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: gvpetruhnova@mail.ru
Болдырев Илья Романович - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: iliya.boldyreff@yandex.ru
MULTIFUNCTIONAL DATA COLLECTION SYSTEM FOR MONITORING THE STATE OF TECHNICAL FACILITIES
G.V. Petrukhnova, I.R. Boldyrev
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: we present a set of technical means for creating a data collection system. We carried out the formalization of the processes of implementing the control functions of a technical object. The multifunctional data collection system consists of functionally complete devices that perform certain functions in the context of the system operation. This system, on the one hand, can be one of the nodes of a distributed data collection system, on the other hand, it can be used autonomously. We show the relevance of the system creation. The development is based on the RISC microcontroller STM32H743VIT6, ARM Cortex-M7 family, operating at a frequency of up to 400 MHz. The main modules of the system include: a 20-input voltage distributor; a power supply and settings module; a digital control module; a module for analyzing, storing and transmitting data to a control computer. We considered the composition and purpose of these modules. A chain of devices is responsible for data collection in the system under consideration: sensor - matching circuit - ADC - microcontroller. Since the system includes not only an ADC but also a DAC, an object management system can be implemented on its basis. The choice of sensors for taking information is due to the characteristics of the object of control. It is possible to manually measure the electrical parameters of the communication circuits, including checking the
power supply of IDE and SATA devices. The presented data collection system is a tool that can be used to automate the processes of monitoring the condition of technical facilities
Key words: data collection, technical control, control system, switching connector, voltage regulator, sensor, analog signal, digital signal, ADC, DAC
References
1. Freyman V.I. "On the issue of design and implementation of elements and devices of distributed information-control systems", Electrical Engineering, Information Technologies, Control Systems (Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniya), 2019, no.30, pp. 28-49.
2. Freyman V.I., Bezukladnikov I.I. "The application of soft decision making on decoding and assessment of test diagnosing results within control systems elements", Proc. of 2017 XX IEEE Int. Conf. on Soft Computing and Measurements (SCM), 2017, pp. 124128. DOI: 10.1109/SCM.2017.7970515.
3. Yablokov A.E., Fedorenko B.N., Latyshev M.A. "Technical monitoring, diagnostics and equipment protection", Compound Feed (Kombikorma), 2018, no. 6, pp. 32-34.
4. Shabdanbaeva R.T., Zhanysbekova Zh.Zh.,. Isabekov Zh.N., Shumakov A.V. "Current state of the processes of automation of measurement and control", Bulletin of Kazakh Academy of Transport and Communications named after M. Tynyshpaev (Vestnik Kazakh-skoy akademii transporta i kommunikatsiy imeni M. Tynyshpaeva), 2017, issue 103, no. 4, pp. 257-264.
5. Baykin V.A., Stetsyuk A.N. "Formalization of technological procedures for monitoring the life cycle of a complex engineering system", Software Systems and Computational Methods (Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody), 2016, no. 1(10), pp. 52-58. DOI: 10.7256/2305.
Submitted 10.11.2021; revised 17.12.2021 Information about the authors
Galina V. Petrukhnova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: gvpetruhnova@mail.ru
Il'ya R. Boldyrev, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: iliya.boldyreff@yandex.ru
