CC BY
33
DOI 10.36622^Ти.2022.18.6.005 УДК 004.05: 004.7: 004.9
СТРУКТУРА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ
ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
Г.В. Петрухнова, И.Р. Болдырев, М.Г. Усачев
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: обоснована актуальность задач создания и совершенствования средств измерения и контроля состояния технических объектов. Указано на существование в метрологии трех родов информационных операций: восприятие, воспроизведение и переработка, и только восьми разновидностей операций восприятия и такого же числа операций воспроизведения. Представлены канонические операции восприятия и воспроизведения, а также соответствующие им характеристики и экспериментальные информационные операции. Представлена модель объекта контроля. Для количественных и качественных характеристик информационных операций приведены примеры соответствующих потребительских информационных операций. Согласно проведенной классификации информационных операций, разработана структура многофункциональной системы сбора данных для контроля состояния технических объектов. Данная система предназначена для реализации информационных операций «контроль» и «контрольное испытание». Многофункциональная система сбора данных (МССД) служит для повышения компетентности обслуживающего персонала при работе с производственными ресурсами и для проведения контрольно-измерительных и ремонтных работ. При этом сами технические объекты могут иметь различную природу. В зависимости от природы технического объекта для его контроля могут потребоваться средства, отличные от тех, которые содержатся в составе МССД. Точечная заменяемость модулей МССД позволяет легко модернизировать систему и настроить ее на выполнение требуемых задач. Модульность МССД позволяет использовать ее и в качестве учебного стенда
Ключевые слова: система сбора данных, информационная операция, контроль, измерение, контрольное испытание, измерительное испытание, микроконтроллер, МССД
Введение
Задача создания и I совершенствования средств измерения и контроля на сегодняшнем этапе развития общества является одной из важнейших, все в большей и большей степени определяющей развитие промышленного производства.
В настоящее время наблюдается взрыв информационных технологий (ИТ). В метрологии ИТ, по сути, означают операции восприятия, переработки и воспроизведения. Метрологический подход к информационным операциям развивается параллельно с развитием ИТ. Основной аспект при этом - развитие теоретических разработок и их внедрение в практику.
Проблемам измерения и контроля посвящен огромный поток публикаций, например [1]
- [7]. Данная задача актуальна в различных приложениях, в таких областях как радиоэлектроника, физика, химия, медицина, автоматизация различных технологических процессов и др. Созданием и использованием измерительных систем занимаются большое число специалистов, и даже целые научные коллективы.
В общем случае подсистема сбора данных
- это неотъемлемая часть измерительной си-
© Петрухнова Г.В., Болдырев И.Р., Усачев М.Г., 2022
стемы. В настоящее время появилось много компактных высокочувствительных датчиков, используемых для сбора данных. Бурное развитие вычислительной техники сделало возможной оперативную обработку огромных массивов измерительной информации, благодаря чему сократился временной интервал между замыслом инженера - экспериментатора и осуществлением его замыслов.
Современные средства сбора информации актуальны на различных этапах их жизненного цикла. Одно из основных условий, повышающих эффективность и надежность функционирования технических объектов, является корректное проведение процедур контроля их состояния.
Распределенные системы сбора данных широко используются для технического контроля сложного оборудования [1] -[3]. В то же время востребованными являются и автономные системы сбора данных [4]. Их использование обусловлено необходимостью учитывать специфику объектов контроля при постановке и решении производственных задач.
Таким образом, различные по составу и конфигурации системы контроля содержат в своем составе подсистемы сбора информации. Для решения требуемых производственных задач системы сбора информации должны от-
личаться требуемой точностью, высокой надежностью и эффективностью.
Целью данной статьи является описание на основе классификации информационных операций архитектуры многофункциональной системы сбора данных (МССД), осуществляющей реализацию информационных операций «контроль» и «контрольное испытание» и служащей для повышения компетентности обслуживающего персонала при работе с производственными ресурсами.
Функционирование модулей МССД и самой системы в целом детально и достаточно полно представлено в работах [6], [7]. В данной статье описываются информационные операции, традиционно используемые в метрологии, и в этом ракурсе рассматривается структура МССД. Подход к изложению материала с точки зрения реализации ИО определяет новизну статьи и позволяет лучше представить структуру, функции и назначение МССД, а также показать многовариантность ее использования.
Постановка задачи
В статье [8] показано, что целенаправленные действия человека можно рассматривать в двух плоскостях - материи и информации. Традиционно в метрологии под ИО понимают именно информационные целенаправленные действия. Существует 3 рода ИО [8]: восприятие, воспроизведение и переработка. Исторически сложилась и используется система характеристик информации Темникова - Розен-берга [8]: размер, пара "размер - размер" (функция), пара "размер - функция" (функционал), пара "функция - функция" (оператор). Не выходя за пределы шкалы наименования - для качественных характеристик, и шкалы количественных характеристик - для всех остальных, можно сделать вывод о существовании 8 разновидностей операций восприятия и 8 операций воспроизведения [5] (таблица). В таблице указаны канонические операции восприятия и воспроизведения, их характеристики и соответствующие экспериментальные ИО.
В таблице под измерительным испытанием ("измерение функции" по В.Я. Розенбергу [8]) понимается измерение мгновенных значений импульсных сигналов; под измерительным испытанием 1 ("измерение функционала") - измерение параметров импульсных сигналов по ГОСТ16465-70 [9]; измерительным испытанием 2 ("измерение оператора") - определение
операторов динамических объектов по результатам экспериментов [8]. Любые другие ИО гомоморфны каноническим (таблица).
Реализация функций контроля технического объекта сводится к осуществлению определенных технологических операций. Представим модель объекта контроля в виде некоторого кортежа [5]:
Л = < Т, X, У Z, ¥, Ь>, где Т - множество моментов времени для наблюдения за объектом; X, У - множества входных и выходных сигналов соответственно; Z - множество состояний объекта; F - оператор переходов, отражающий реакцию объекта на внутренние и внешние возмущения; L -оператор выходов, описывающий механизм формирования выходного сигнала под воздействием различного рода возмущений.
Операторы F и L задают собой отображения (1) и (2) [5]:
F:TxXxZ->Z (1)
Ь: Тх Xх Z - У. (2)
Следующий этап моделирования процедуры контроля, мероприятий создания, испытаний или эксплуатации технического объекта -это постановка и решение задачи классификации [5]. Обобщенно решения этой задачи состоит в отыскании отображения ц [5]:
П: У-Е (3)
где Е - множество классов состояний объекта.
Задачу контроля можно обобщенно описать как [5]:
Тх Xх Z - У-Е (4)
В статье рассматривается представление технических средств, позволяющих формировать множества X и Y в соответствии с каноническими ИО.
Примеры информационных операций
Будем рассматривать две шкалы значений: наименования - для качественных характеристик, и количественные характеристики - для всех остальных. Любой технологической операции, как части технологического процесса, соответствует информационная операция из представленных в таблице.
Рассмотрим количественные характеристики (таблица) и приведем соответствующие потребительские информационные операции. Информационная операция «измерение» (характеристика информации «размер») сообразовывается с измерениями согласно МИ 2247-93 [9], оцифровкой качества, счетом, функцией часов, метрологической аттестацией средств
измерения, контроля и пр. Информационная операция «измерительное испытание» указывает на измерительное или определительное испытание по ГОСТ 16504-81 [10], климатическое испытание (температура, влажность), ис-
Операции «измерение функционала» и «измерение оператора» слабо изучены в метрологии. К ИО «измерение функционала» относится измерение параметров импульсного сигнала по ГОСТ 16465-70 [11]. ИО «измерение оператора» соответствует идентификация в технической кибернетике.
Рассмотрим качественные характеристики (таблица) и приведем соответствующие потребительские информационные операции. К информационной операции «контроль» можно отнести контроль по ГОСТ 16465-70 [11], радиотехническую фильтрацию, поверку и т.д. Информационная операция «контрольное испытание» сообразуется с параметрическим контролем, функциональным контролем, технической диагностикой, приемочными испытаниями сложных изделий и пр. К информационной операции «контрольное испытание 1» можно отнести функции эталона, контрольного образца, источника питания, систем управления и др. Информационная операция «контрольное испытание 2» в метрологии слабо изучена.
пытание изделий электронной техники по электрическим параметрам, метрологическую аттестацию средств контроля и др.
Структура МССД с учетом выделенных информационных операций
Согласно проведенной классификации информационных операций разработана структура МССД [6]-[7] для контроля состояния технических объектов. Данная система предназначена для реализации информационных операций «контроль» и «контрольное испытание». Аппаратную часть МССД можно условно разграничить на две независимые группы, которые назовем как «А» и «Б».
Группа «А» состоит из модуля распределения напряжения, а также модуля питания и настройки. Модули группы «А» -это платы, допускающие независимую покомпонентную точечную замену. Эта часть МССД разработана для реализации ИО типа «контроль».
Модуль распределения напряжения предназначен для подачи питания на каждый модуль МССД. Он не только осуществляет распределение питания между всеми узлами МССД, но и позволяет проводить проверку работоспособности элементов питания.
Характеристики канонических операций восприятия и воспроизведения
Характеристика информации Значение характеристики информации Экспериментальные ИО
Размер Событие Контроль, Еоспроизведение простого события
Число Измерение, воспроизведение числа
Функция Функция события Контрольное испытание, воспроизведение сложного события
"Числовая функция Измерительное испытание. Еоспроизведение множества (двух) чисел
Функционал «Функционал-событие» Контрольное испытание 1, воспроизведение сложного события
«Функционал-число» (функционал Эйлера-Лагранжа) Измерительное испытание 1, воспроизведение множества чисел
Оператор «Оператор функции события?» Контрольное испытание 2, воспроизведение сложного события
«Оператор числовой функции» (оператор в функциональном пространстве) Измерительное испытание 2, воспроизведение множества чисел
Модуль питания и настройки предназначен для подачи питания на МССД и состоит из:
- распределителей напряжения между всеми модулями системы в диапазоне от 0 В до 12 В постоянного тока;
- независимых друг от друга элементов управления питанием;
- блока коммутирующих разъемов.
Модуль питания и настройки дают возможность и подать питание на различные элементы МССД. Этот модуль также может выполнять функции разветвителя.
Модуль питания и настройки представлен двумя регуляторами напряжения на базе переменных резисторов. Один из них регулирует напряжение от 0 до 12 В, второй - напряжение от 0 до 5 В. На практике широко используется напряжение номиналом 3.3 В. Поэтому имеется разъем, поддерживающий постоянное напряжение 3,3 В.
Этот модуль также содержит формирователь восходящих импульсов номиналом 3,3 В, появляющийся при нажатии на соответствующий контакт.
Также в состав модуля входит формирователь нисходящих импульсов 3,3 В с аналогичными функциями.
В состав группы «Б» входят следующие модули:
- модуль цифрового управления;
- модуль хранения, анализа данных и передачи их в управляющих компьютер.
С помощью модулей группы «Б» могут быть реализованы такие информационные операции, как «контрольное испытание» и, при условии модернизации МССД, «контрольное испытание 1».
Модуль центрального управления представляет собой ядро группы «Б». Его можно назвать ядром системы сбора данных. Основное назначение этого модуля состоит в реализации управления выбранными элементами (подключенными устройствами) с помощью МК STM32H743VIT6. На модуль поступает аналоговый сигнал, который оцифровывается с помощью АЦП, и далее оцифрованный сигнал в виде цифровой диаграммы выводится на дисплей компьютера, а также соответствующая информация записывается в БД.
На основе данного модуля может быть реализована АСУ, поскольку в его состав входят ЦАП и средства обратной связи с объектом.
Структура представленного модуля отображена на рисунке.
Модуль цифрового управления МССД
В состав модуля цифрового управления входят следующие устройства:
32-битный МК STM32H743VIT6, семейства ARM Cortex-M7 (частота до 400 МГц);
2 16-битных АЦП MCP33131D-110-E/MS;
2 измерительных усилителя
ADA4254ACPZ-R7;
2 аналоговых мультиплексора
DG409LEDQ-T1-GE3;
2 16-разрядных ЦАП DAC8552IDGKT;
2 операционных усилителя
TLV9002IDGKR.
Система сбора данных представлена МК и схемами из нижней части рисунка [6]. Это 2 АЦП, 2 схемы согласования и датчики для снятия данных с объекта контроля. Выбор датчиков осуществляется исходя из задач, решаемых на основе МССД.
МССД - это установка, состоящая из плат, которые, по сути дела, реализуют функции представленных модулей. Замена этих плат происходит при необходимости модификации и модернизации системы. МССД может использоваться для автоматизации процессов контроля состояния технических объектов. При этом сами технические объекты могут иметь различную природу. В зависимости от природы объекта для его контроля могут потребоваться средства, отличные от тех, которые содержатся в составе МССД. Точечная заменяемость модулей позволяет легко модернизировать систему и настраивать ее на выполнение требуемых задач. МССД можно использовать в качестве учебного стенда для обучения будущих специалистов в областях вычислительной техники и радиоэлектроники.
Заключение
На данный момент задачи создания и совершенствования систем сбора информации определяют важнейшие направления развития как естественных наук, так и промышленного производства. Теория и техника проведения эксперимента оказались в центре «информационного взрыва». Созданием и использованием систем сбора данных занимается большое число специалистов. Бурное развитие вычислительной техники сделало возможной оперативную обработку огромных массивов измерительной информации.
В настоящее время большое распространение получило понятие "информационные технологии". В метрологии они, по сути, озна-
чают операции восприятия, переработки и воспроизведения.
В статье рассмотрены канонические операции восприятия и воспроизведения, а также соответствующие им характеристики и экспериментальные информационные операции. Множество других ИО вписывается в представленные канонические ИО.
Согласно проведенной классификации информационных операций разработана структура МССД для контроля состояния технических объектов. Данная система предназначена для реализации информационных операций «контроль» и «контрольное испытание». МССД может быть модернизирована для различных ИО.
В статье проанализирована структура МССД, выделены ее основные узлы и описано их назначение.
МССД может использоваться для создания АСУ процессами контроля состояния технических объектов, а также для проведения ремонтных работ. Она может применяться как стационарно, так и в рамках распределенной системы. Модульность МССД позволяет использовать ее в качестве учебного стенда. Легкая заменяемость модулей дает возможность использовать макет МССД для общения с заказчиком с целью учета его интересов по разработке устройств и производственных систем. Дальнейшая разработка этой системы позволит использовать ее в качестве распределенной автоматизированной системы сбора данных.
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. Жа-нысбекова, Ж.Н. Исабеков, А.В. Шумаков // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций имени М. Тынышпаева. 2017. Вып. 103. № 4. С. 257-264. ISSN 16091817
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. 5258. DOI: 10.7256/2305-6061.2015.1.14407
6. Петрухнова Г.В., Болдырев И.Р. Многофункциональная система сбора данных для контроля состояния технических средств // Вестник Воронежского государственного университета. 2021. Т. 17. № 6. С.56-61.
7. Усачев М.Г., Болдырев И.Р., Петрухнова Г.В. Модули многофункциональной системы сбора данных для контроля состояния технических средств // Информационные технологии моделирования и управления. 2022. № 2. Т. 128. С. 134-137.
8. Бондаревский А.С. Информационные операции. Свойства. Применяемость свойств // Международный
журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2017. №10. С. 14-24.
9. МИ 2247-93. Рекомендации ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
10. ГОСТ 16504-81. Межгосударственный стандарт. Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Термины и определения.
11. ГОСТ16465-70. Межгосударственный стандарт. Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения.
Поступила 29.10.2022; принята к публикации 15.12.2022 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 - бакалавр, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: iliya.boldyreff@yandex.ru
Усачев Михаил Геннадьевич - магистрант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: mikhail.usachev.2000@mail.ru
STRUCTURE OF MULTIFUNCTIONAL SYSTEM FOR MONITORING THE CONDITION OF
TECHNICAL MEANS
G.V. Petrukhnova, I.R. Boldyrev, M.G. Usachev Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: we discuss the relevance of the tasks of creating and improving the means of measuring and monitoring the state of technical objects. We indicated that there are three kinds of information operations in metrology: perception, reproduction and processing, and only eight varieties of perception operations and the same number of reproduction operations. We present canonical operations of perception and reproduction, as well as their corresponding characteristics and corresponding experimental information operations. We present a model of the control object. For quantitative and qualitative characteristics of information operations, we give examples of relevant consumer information operations. According to the classification of information operations, we developed the structure of a multifunctional data collection system for monitoring the condition of technical facilities. We designed this system for the implementation of information operations "control" and "control test". The multifunctional data collection system (MDCS) serves to increase the competence of service personnel when working with production resources and for carrying out control, measurement and repair work. At the same time, the technical objects themselves may have a different nature. Depending on the nature of the technical object, means other than those contained in the MDCS may be used for its control. The point-to-point interchangeability of the MDCS modules makes it easy to upgrade the system and configure it to perform the required tasks. The modularity of the MDCS allows it to be used as a training stand.
Key words: data acquisition system, information operation, control, measurement, control test, measurement test, microcontroller, MDCS
References
1. Freyman V.I. "On the issue of design and implementation of elements and devices of distributed information and control systems", Electrical Engineering, Information Technologies, Control Systems (Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy uprav-leniya), 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 2017XXIEEE Int. Conf. on Soft Computing and Measurements (SCM), 2017, pp. 124-128. 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. "The current state of the processes of automation of measurement and control", Bulletin o f Kazakh Academy of Transport and Communications named after M. Tynyshpaev (Vestnik Ka-zakhskoy akademii transporta i kommunikatsiy imeniM.Tynyshpayeva), vol. 103, no. 4, pp. 257-264. ISSN 1609-1817 2017
5. Baykin V.A., Stetsyuk A.N. "Formalization of technological procedures for monitoring the life cycle of a complex engineering system", Program Systems and Computational Methods (Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody), 2016, no. 1(10), pp. 52-58. DOI: 10.7256/2305.
6. Petrukhnova G.V., Boldyrev I.R. "Multifunctional data collection system for monitoring the state of technical means", Bulletin of Voronezh State University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta), 2021, vol. 17, no. 6, pp. 56-61.
7. Usachev M.G., Boldyrev I.R., Petrukhnova G.V. "Modules of a multifunctional data collection system for monitoring the state of technical means", Information Technologies of Modeling and Control (Informatsionnye tekhnologii modelirovaniya i upravleniya), 2022, vol. 128, no. 2, pp. 134-137.
8. Bondarevskiy A.S. "Information operations. Properties. Applicability of properties", Int. J. of Applied and Fundamental Research (Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundomental'nykh issledovaniy), 2017, no. 10, pp. 14-24.
9. MI 2247-93. "GSI recommendations. Metrology. Basic terms and definitions"
10. GOST 16504-81 "Interstate standard. The system of state testing of products. Testing and quality control of products. Terms and definitions"
11. GOST 16465-70 "Interstate standard. Radiotechnical measuring signals. Terms and definitions"
Submitted 29.10.2022; revised 15.12.2022 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, BA, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: ili-ya.boldyreff@yandex.ru
Mikhail G. Usachev, MA, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: mikhail.usachev.2000@mail.ru
