(495) 783-71-59
(495) 745-98-93

ГлавнаяПримеры внедренияОпыт модернизации информационно-измерительного комплекса испытательного стенда с применением цифрового регистратора сигналов (НИИХСМ).

Опыт модернизации информационно-измерительного комплекса испытательного стенда с применением цифрового регистратора сигналов (НИИХСМ).

В. А. Лебига, А. В. Самсонов, О. М. Птушкин, C. Е. Боткин (niixcm@tsinet.ru)



1. Введение.
Модельные стендовые динамические испытания — эффективный инструмент решения многопараметрических задач динамики, отработки новой техники, изучения и верификации связанных с этим физикомеханических явлений. Экспериментальная база для испытаний ракетно-космической техники обеспечивает на своих стендах динамическое моделирование наземного стартового оборудования, всестороннюю отработку элементов ракетно-космических комплексов и отдельных систем космического назначения.

Газодинамические стенды моделирования стартовых процессов, расположенные в НИИХСМ (г.Сергиев Посад) — это крупномасштабные стендовые комплексы со сложной системой электротехнического оборудования, подземными галереями с сотнями метров кабельных каналов, усилительными, бункером управления и центральной измерительной лабораторией (ЦИЛ), заполненной различной аппаратурой аналоговоцифровой регистрации и обработки сигналов (рис.1). 

 

Рис. 1. Универсальный твердотопливный стенд УТТС

 

В лучшие времена все это создавалось, интенсивно использовалось и поддерживалось в рабочем состоянии силами специалистов трех отделов — отделом измерения, отделом обработки данных и эксплуатирующим отделом общей численностью до 200 человек.

Система регистрации и обработки динамических стендов была оснащена следующей аппаратурой:

 

Таблица 1.  Список датчиков

 

Программное обеспечение эксперимента, разработанное в НИИХСМ, позволяло проводить перенос зарегистрированных данных с магнитной ленты в ПЭВМ, поэтапную обработку, калибровку, протоколирование и визуализацию данных, полученных в эксперименте (раздельно, в виде программ-утилит по каждому из физических параметров ударно-волновому давлению, температуре, вибрации, акустике и другим, так что на обработку данных даже небольшого по объему измерений эксперимента уходило несколько дней).

Такой аппаратно-программный комплекс успешно эксплуатировался в составе газодинамических стендов и обеспечивал проведение в НИИХСМ крупномасштабных модельных испытаний элементов РКН и ПУ "Энергия-Буран", "Союз", "Зенит" и др. (рис.2). 

 


Рис. 2.  Крупномасштабная газодинамическая модель изделия на стенде УТТС

 

Конечно, все это аппаратное и программное обеспечение стендовых экспериментов было хорошо в своё время. Дорогостоящая специализированная регистрирующая и обрабатывающая аппаратура за это время устарела не только физически, но и морально, уступив лидерство цифровым технологиям. При получении очередного заказа на испытания (РКН "Ангара") неразрешимой проблемой становится вопрос — кем и на какой аппаратуре проводить регистрацию и обработку данных? Восстанавливать существующую систему или искать новые недорогие пути решения?

2. Необходимость модернизации информационно-измерительной системы стендовых испытаний.
Таковы были условия, в которых руководству и специалистам института пришлось искать ответ на вопрос — что делать, чтобы безусловно обеспечить проведение запланированных испытаний?

Ответ, как всегда, оказался прост и сложен одновременно — проводить модернизацию, опираясь на современные научно-технические достижения в этой области. Очевидно, что такая модернизация оказалась объективно необходима, как минимум по двум причинам (критику существующих недостатков, изложенных ниже, будем рассматривать через призму формирования требований к новой системе):

Мировая практика накопила большой опыт применения в различных областях науки и техники стандартных измерительных интерфейсов на основе магистрально-модульных систем (ММС), таких, как: CAMAC, Multibus, CompactISA, VME-bus, VXI, MicroPC, CompactPCI (стандарты определяют конструктив крейта, максимальное количество модулей, пропускную способность шины и т.д.). Модули аналогового ввода (УСО) служат стандартным интерфейсом для самых разнообразных датчиков и сигналов, повышая качество и надежность измерений благодаря высокоэффективному согласованию, включающему: 1) усиление сигналов; 2) изоляцию; 3) мультиплексирование; 4) фильтрацию; 5) питание датчиков; 6) устройства выборки-хранения, 7) устройства удаленной передачи данных (рис.3). 

 

Рис. 3. Крейтовая система сбора экспериментальных данных

 

Для этих стандартных интерфейсов создано разнообразное программное и техническое обеспечение, разработаны унифицированные средства и протоколы информационного обмена между ними (IPX, IP, ODAS, DCOM, OPC и другие).

Надо отметить, что переход на компьютеризированные системы сбора данных и управления экспериментом на испытательных стендах предприятий ракетно-космической отрасли происходит в последние годы повсеместно — это необходимое условие развития, экономической целесообразности и в конечном итоге конкурентоспособности в условиях рыночной экономики. Сегодня практически все испытательные базы отрасли, несмотря на сложное экономическое положение, вовлечены в процесс качественного обновления своих автоматизированных систем сбора данных и управления испытаниями. Из известных нам примеров подобные системы на основе ММС создают ЦИАМ, ЦАГИ, ЛИИ (г. Жуковский), КБОМ, ЦНИИМАШ, НПО "Энергия", НПО им. Хруничева, НПО им. Лавочкина, ОАО "Рыбинские моторы", НИИ ХимМаш и многие другие. Надо ли говорить о важности и необходимости обмена опытом между специалистами при создании таких систем?!

К сожалению, закрытость и секретность, в которых долгие годы работали эти предприятия, и сейчас не способствует свободному обмену информацией при создании новых универсальных систем автоматизации испытаний, препятствует оптимальному развитию стендовой базы отрасли.

3. Выбор оптимального решения задачи автоматизации стендовых испытаний.
Особенностью стендовых измерений в модельных динамических испытаниях в НИИХСМ является необходимость применения стандартной датчиковой аппаратуры, применяемой на реально существующих изделиях и стартовых комплексах. Этим достигается унифицированность измерений и возможность сопоставления с натурными испытаниями. Поэтому модернизация информационно-измерительной системы в НИИХСМ должна быть направлена, прежде всего, на реализацию современных программно-технических решений в части регистрирующей, усилительно-согласующей и обрабатывающей аппаратуры.

Список коммерческих фирм, внедряющих подобные системы на базе своих комплектующих или покупных изделий на российском рынке, очень большой. Учитывая небольшой размер статьи, ограничимся перечислением только наиболее крупных из них, работающих в этом направлении. Из зарубежных это - National Instruments, Нewlett-Рackard, Advantech, Octagon Systems, Siemens, ADDI-Data и многие другие. Из наиболее известных нам в Москве отечественных фирм можно выделить: L-Card, МЕРА, Центр-АЦП, Лаборатория автоматизированных систем, Эликс, Антрел, ProSoft, ИнСис (National Instruments), ИНФОРМТЕСТ ("Научный центр", г.Зеленоград) и ряд других. Из известных применений ММС для стендовых испытаний можно назвать также разработки ОКБ "Спектр" (при Рязанском радиотехническом институте), разработку МГТУ им. Баумана "ЛИТОН", комплексы РНИИ КП (космического приборостроения), ОКБ МЭИ, ВНИИ технической физики и автоматизации (ВНИИТФА) и ряд других.

Перечень продукции, предлагаемой этими фирмами в сфере аппаратно-программного обеспечения измерительных задач и задач управления, необычайно широк. Например, только перечисление выпускаемых National Instruments программ и устройств едва умещается в почти 1000-страничный каталог. Поэтому, при решении практической задачи автоматизации эксперимента, по нашему мнению, целесообразно ориентироваться все же не на "разработчика" или дистрибьютора с возможностью выбора из предлагаемой обширнейшей элементной базы, а на "системного интегратора" с выбором готовой продукции в оптимальном диапазоне соотношения "цена-качество", внедрением аппаратно-программных решений и полным циклом работы над проектом, включая следующие этапы:

  1. Проработка ТЗ. Согласование данных. Рассмотрение различных вариантов и предложение их заказчику с демонстрацией уже работающих в той или иной области прототипах;
  2. Разработка прототипа системы. Демонстрация прототипа. Внесение корректив в ТЗ.
  3. Обучение персонала и сдача комплекса. Адаптация на месте. Внедрение.
  4. Сопровождение. Модернизация. Расширение. Коррекция возникших замечаний.

За короткое время, ограниченное приближающимися крупномасштабными испытаниями на стенде УТТС, все эти этапы должны были быть пройдены в НИИХСМ в рамках проводимой с 2001 года НИР.

Для привлечения системного интегратора к работам над проектом был проведен своеобразный тендер на разработку — в различные организации, специализирующиеся в этой области, по электронной почте были высланы исходные данные с условием оперативного представления технико-экономических предложений по устройству системы регистрации и обработки данных в минимальной конфигурации и в кратчайшие сроки.

Предложения, поступившие из разных фирм, перекрыли почти весь спектр возможных средств автоматизации стендовых измерений — начиная от простейших плат АЦП в офисных компьютерах и заканчивая ИВК на базе VXI-крейтов.

Из полученных ответов можно выделить предложение ЗАО "L-Card" с вариантом построения в НИИХСМ системы цифровой регистрации на основе крейтовых LTC-систем сбора данных, оптико-волоконных линий связи и специального, разработанного под конкретный стенд, программного обеспечения. Прототипом такой системы могут служить созданные в НИИХИММАШ (г. Пересвет) и КБХА (г. Воронеж) стендовые системы автоматизированного управления, измерения и регистрации параметров на стендах испытания ЖРД. Для регистрации больших потоков данных есть уже и более современный вариант построения систем на базе РС-совместимой крейт-станции сбора данных Н-2000, которая базируется на высокопроизводительной шине PCI (режим BusMaster) и внедряется "L-Card" с 2001 г. (www.lcard.ru).

Системы на базе промышленных компьютеров с платами сбора данных, внешними согласующими устройствами и набором программных "виртуальных приборов" предложили "Центр АЦП", "Антрел" и другие.

Выбор же пал на предприятие НПП "МЕРА", хорошо зарекомендовавшее себя в области внедрения комплексных решений задачи автоматизации стендовых испытаний, как на основе своей элементной и программной базы, так и интегрирующую современные программно-технические достижения в этой области. НПП "МЕРА" (www.nppmera.ru) начинало на базе НПО ИТ в 90-х годах, как программистская фирма, работающая с ЗАО "L-Card", а сейчас выпускает свои аппаратно-программные комплексы и модули УСО и имеет четко сформулированную и хорошо отработанную стратегию проведения работ по разработке проекта с выделенными этапами, которые охватывают весь жизненный цикл разрабатываемой системы — от разработки и согласования ТЗ до поставки, внедрения, поддержания в рабочем состоянии и модернизации системы.

Основное преимущество этой фирмы для нас — в предложении готовых аппаратно-программных решений на базе комплекса MIC-400 со сменными модулями УСО, который интегрирует в себе измерительную и вычислительную подсистемы и в терминах АСУТП представляет собой интеллектуальный PLC-контроллер.

На измерительно-вычислительный комплекс MIC-400 был получен сертификат утверждения типа на средство измерения, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под №20859-01. Информационно-измерительные системы на базе аппаратуры MIC были успешно реализованы фирмой "МЕРА" в ряде отраслевых предприятий. Так, например, на заседании НТС ЦИАМ (апрель 2000 г.) измерительно-вычислительный комплекс MIC был рекомендован к применению для стендовых и портативных ИИС в авиационной отрасли.

Измерительная подсистема комплекса состоит из широкого набора измерительных модулей, реализованных на базе современных высокоскоростных RISC-процессоров. Его модульная структура позволяет гибко варьировать количество и номенклатуру измерительных каналов. Измерительные модули, спроектированные на современной элементной базе, позволяют значительно улучшить качество измерений, повысить надежность комплекса в целом. (Сейчас отрабатывается вариант подключения измерительных модулей к встроенному в крейт компьютеру через более скоростной контроллер, работающий на шине PCI в режиме BusMaster).

Вычислительная подсистема построена на базе процессора семейства -x86, имеет стандартную модульную структуру и работает под управлением общеизвестных операционных систем (DOS, Windows). Программное обеспечение, поставляемое с этим комплексом, включает в себя "Пакет обработки сигналов" — "ПОС-М" с "Магнитографом" для цифровой регистрации данных на HDD в формате "УСМЛ" и программу "WinPOS" для визуализации, математической обработки и анализа многоканальной информации.

Таким образом, MIC-400 можно рассматривать как готовый к применению сертифицированный прибор для измерения и обработки зарегистрированной информации, который может быть оперативно использован на стендах в различных динамических экспериментах как локальный или же, как удаленный цифровой измеритель. В первом случае крейтовый комплекс MIC с УСО дополняется монитором и клавиатурой, что обеспечивает создание интегрированного рабочего места в непосредственной близости к объекту испытания (что и было реализовано у нас на первом этапе модернизации), во втором — реализуется разделение комплекса на территориально разделенные системы — подсистему сбора данных ("станция сбора данных") и подсистему операторской станции визуализации, управления и архивации с помощью Ethernet-сети и специального программного обеспечения (рис.4). 

 

Рис. 4. Крейтовая система сбора экспериментальных данных

 

4. Подготовка и проведение экспериментов на стенде УТТС.
Для подтверждения готовности технологических и информационно-технических систем стенда УТТС к проведению газодинамических испытаний на фрагментной модели РКН "Ангара" были проведены огневые эксперименты с изделием СМ-А218, являющемся газодинамической моделью блока ДУ изделия "Энергия-Буран", с задействованием необходимых систем стенда и с применением в системе измерения нового цифрового регистратора MIC-400 (рис. 5). 

 

Рис. 5. Огневые эксперименты с изделием СМ-А218 на стенде УТТС

 

Базовый состав MIC-400, переданный фирмой "Мера" в НИИХСМ во временное пользование для апробирования в экспериментах, включал в себя процессорный блок Pentium III, оперативную память 128 Mb, жесткий диск HDD на 40 Gb, крейт-контроллер и специальное ПО ("Магнитограф" и "WinПОС"). В конструктив MIC-400 входил также крейт измерительный на 16 слотов, в который могли быть установлены различные по выполняемым функциям модули УСО.

Такие модули были подобраны специалистами фирмы "МЕРА", в соответствии с ТЗ на измерения и предоставлены НИИХСМ в опытную эксплуатацию на время апробирования MIC-400 в стендовых испытаниях:

 

Рис. 6. Внешний вид измерительного модуля

 

     Позволяет производить измерения по 4 аналоговым каналам в частотном диапазоне 0...28 кГц. Модуль имеет четыре независимых измерительных тракта с экранировкой. RISC-процессор, установленный на плате модуля,                  позволяет осуществлять цифровую фильтрацию входных сигналов и обработку уставок. Модуль имеет встроенную систему самотестирования, самокалибровки по постоянному и переменному напряжению, автобалансировку и          сигнализацию о перегрузке каналов. Имеются ТТЛ - КМОП совместимые цифровые вход и выход, а также вход внешнего запуска. Модуль обеспечивает выдачу двух калибровочных напряжений, либо периодических аналоговых          сигналов произвольной формы. В комплекте с модулем работают 4 одноканальных внешних усилителя заряда МP-07, предназначеных для предварительного усиления сигналов пьезоэлектрических вибродатчиков (рис.7).

 

Рис. 7. Усилитель заряда МP-07

 

Кроме этих модулей разработки и производства фирмы "МЕРА" в MIC-400 допускается установка недорогих УСО фирмы "L-Card" — модулей LC-101 и LC-301. Мы воспользовались этой возможностью для закрытия регистрации оставшихся 38 медленно-меняющихся параметров (ММП).

Названные LC-модули представляют собой простейший АЦП с коммутаторами. Поэтому они были применены в комплекте с имеющимися на стенде масштабными преобразователями-усилителями типа ИС-1241 для регистрации сигналов термопар (температура поверхности) и в комплекте со стандартным источником питания для потенциометрических датчиков давления. Решение это не оптимально в техническом плане (нет фильтрации помех, проходят 50 Гц наводки от ИП, промежуточные устройства усложняют процесс калибровки и не добавляют надежности работы всей системе в условиях промышленного стенда) и вызвано ограниченным финансированием. В дальнейшем, очевидно, эта схема подключения уступит место регистрации с помощью добавочных МС-модулей, установленных в крейт MIC-400: для термопар — модуль МС-227К, для потенциометрических датчиков — модули МС-227UP и МС-114.

Для удобства эксплуатации и возможности оперативно менять схему подключения комплекса были применены современные клемные колодки типа Wago, на 32 канала каждая (рис. 8).

Таким образом, в пробной регистрации был перекрыт весь спектр измеряемых параметров на изделии: сигналов от тензометрических, пьезоэлектрических, термоэлектрических, потенциометрических и индукционных датчиков. 

 

Рис. 8.  Схема измерений параметров в газодинамическом эксперименте с помощью цифрового регистратора MIC-400

 

По завершении серии огневых экспериментов с изделием СМ-А218 на стенде УТТС проведены экспресс-обработка и анализ результатов измерений. Первичная обработка результатов измерений включала в себя:

По результатам проведенных экспериментов были реализованы доработки (как аппаратные — модули МС-451, МС-212, так и программные — ПО "Магнитограф", "WinПОС") MIC-400 в фирме "МЕРА". 

 

 

5. Выводы
Апробирование в реальных экспериментах нового ИВК показало правильность выбранного направления автоматизации испытаний на стенде УТТС. Подтверждена возможность создания недорогой, простой во внедрении и обслуживании современной системы цифровой регистрации даже в условиях ограниченного финансирования и в минимальные сроки. Отладочные огневые эксперименты на стенде УТТС подтвердили работоспособность системы измерения на базе MIC-400 и возможность ее оперативного использования в составе информационно-измерительного комплекса газодинамической испытательной базы НИИХСМ. В ФГУ РОСТЕСТ-МОСКВА был получен сертификат соответствия и свидетельство о поверке ИВК MIC-400 с модулями, отобранными для работы в составе измерительной системы.

Новая система на базе многоканального цифрового регистратора может быть использована в экспериментах, как на газодинамических стендах, так и на других существующих испытательных установках НИИХСМ, причем, как в части сбора и анализа экспериментальных данных, так и в части динамического управления экспериментом. Модульность и наращиваемость системы позволит проводить замену устаревшего оборудования в несколько этапов, постепенно заменяя существующую систему на более совершенную, отвечающую современным техническим требованиям.

Представленный в опытную эксплуатацию комплекс MIC-400 с 9 модулями УСО на борту обеспечил в пробных экспериментах измерение ММП и БМП, которые ранее регистрировались на осциллографах, специализированной аппаратуре АРБП и ЭРА-М.

Однако, следует помнить, что этот комплекс позиционируется фирмой "МЕРА", как цифровой регистратор медленно-меняющихся параметров (ММП), который обеспечивает устойчивое преобразование, сбор, передачу и запись данных со скоростью до 400 кб/с на крейт. Поэтому, для регистрации потока как ММП, так и БМП в полном объеме газодинамических испытаний (ГДИ — до 1000 каналов) в дальнейшем при создании стендового информационно-измерительного комплекса целесообразно разделить регистрацию ММП и БМП, оставив за MIC-400 регистрацию медленно-меняющихся параметров (современный аналог ЭРА), а быстро-меняющиеся параметры (БМП) с частотой оцифровки до 64 кГц на канал (акустические, вибрационные и тензо-датчики) поручить другому регистратору, основанному на PCI-платах, PXI или VXI-модулях (современный аналог АРБП). Синхронизацию работы различных регистраторов осуществлять с помощью системы единого времени (СЕВ).

Как один из возможных вариантов решения, для регистрации БМП можно использовать 16-ти канальный регистратор MIC-300М все той же фирмы "МЕРА", который построен на основе промышленного компьютера с современным процессором, системным и прикладным ПО регистрации (многоканальный регистратор "МР-300") и математической обработки сигналов (программа динамической обработки результатов измерений WDAN) и двух PCI-плат М2408 высокоскоростного аналогового ввода-вывода для задач акустических, вибро- и тензоизмерений.

В завершение надо сказать, что предложенный вариант решения задачи многоканальной регистрации с применением цифрового магнитографа и крейтовой станции сбора данных, конечно, не является единственным. Предложений по автоматизации измерений в нашей стране становится с каждым днем все больше — это интенсивно развивающийся рынок во всем мире. Его динамика определяется революционным развитием электронной элементной базы, компьютерных технологий и программного обеспечения. Как и в компьютерной индустрии, здесь проблемным остается вопрос быстрого морального старения измерительных комплексов. Поэтому, ориентируясь на показатель "цена-качество" при создании новой или модернизации существующей системы сбора данных и управления, необходимо учитывать тенденции развития измерительных технологий, выбирая продвинутые решения в этой области, чтобы соответствовать современному уровню и мировым стандартам автоматизации стендовых испытаний.