1. Постановка задачи

Разработка и внедрение в учебный процесс лабораторных стендов с использованием новых информационно-измерительных систем является важнейшим фактором повышения эффективности и качества проведения лабораторных работ.

Информационно-измерительная система осуществляет автоматический сбор, обработку и представление данных лабораторного эксперимента с демонстрацией изучаемых процессов на мнемосхемах установок. Система работает в среде графического программирования LabVIEW, совместимой с Windows, Excel и представляет самостоятельный интерес с точки зрения реализации современных принципов контроля и регулирования процессов пищевой промышленности.

LabVIEW широко используется во всем мире, в том числе и в нашей стране. Библиотека LabVIEW содержит около 700 примеров, среди которых системы автоматизации исследований, автоматизированные стенды для испытаний производственного оборудования, системы диагностики состояния подвижных частей работающих механизмов, предотвращения аварийных ситуаций и т.д.

С помощью программной среды LabVIEW удается упростить и ускорить время проведения лабораторных работ, отказаться от применения большого количества необходимых при традиционных методах измерений аналого-цифровых преобразователей, специальных регистрирующих устройств, сложных и дорогостоящих плат ввода-вывода и т.п. Также система LabVIEW позволяет повысить наглядность демонстрируемых процессов.

Большими преимуществами применения LabVIEW в учебном процессе являются возможности ее адаптации к уже имеющемуся оборудованию.

Лабораторное оборудование, уже имеющееся в вузах, колледжах и школах, может быть коренным образом модернизировано при использовании многоканальных компьютерных систем сбора, обработки и представления данных.

Как правило, лабораторные эксперименты требуют одновременного измерения нескольких параметров, что приводит к необходимости применения специальных регистрирующих устройств и последующей обработки результатов измерений. При использовании традиционных самопишущих приборов появляются операции считывания результатов измерений, преобразования их в цифровые величины, ввода полученных массивов в стандартные программы статистической обработки и т.д. В этих операциях теряется часть полезной информации, появляются дополнительные погрешности, не продуктивно используется время занятий. В то же время на базе широко распространенных персональных компьютеров в каждом учебном заведении могут быть созданы универсальные, легко адаптирующиеся к новым задачам многоканальные информационно-измерительные системы, которые могут быть использованы как для учебных, так и для исследовательских целей. Большим преимуществом таких систем служит легкодоступный интерфейс и возможность демонстрации изучаемых явлений на виртуальных моделях лабораторных стендов.

Виртуальная модель лабораторного стенда, разработанная в пакете LabVIEW, обеспечивает идентичность визуального восприятия информации на экране монитора по отношению к реальной лабораторной установке.

2. Описание решения

Кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств» Технологического института ОрелГТУ разрабатываются автоматизированные комплексы по процессам и аппаратам пищевых производств, гидравлике, теплотехнике, инженерной реологии с использованием среды графического программирования LabVIEW.

Автоматизированные лабораторные установки предназначены для исследования процессов ректификации, фильтрования, сушки, экстрагирования, тепловых процессов, гидравлических процессов и др.

На рисунке 1 показана лабораторная установка по изучению процессов фильтрования. Установка предназначена для демонстрации и изучения работы многоступенчатых фильтров, исследования фильтрования жидкости через сжимаемый и несжимаемый фильтрационный осадок и работы саморазгружающейся фильтрующей центрифуги. Установка может быть использована в процессе преподавания курсов гидравлики, процессов и аппаратов пищевых и химических производств, для проведения исследовательских работ по определению гидравлических характеристик различных фильтров, фильтрационных осадков и элементов гидравлических систем.

Рисунок 1 - Лабораторная установка по изучению процессов фильтрования

Работа стенда иллюстрируется на мнемосхеме монитора с указанием численных значений измеряемых параметров: давления и объема. Дополнительно на экран монитора выносится график зависимости основных параметров изучаемого процесса от времени. После окончания работы строятся обобщенные зависимости, рассчитанные по специальным алгоритмам.

Поскольку при выполнении лабораторных работ большая часть времени уходит на понимание того, как работать с установкой, то, загрузив виртуальную установку, студент имеет возможность заранее подготовиться, освоив лабораторное оборудование, изучив его работу в различных режимах.

Используя технологию виртуальных приборов, есть возможность полностью воспроизвести реальную установку в виде виртуальной модели, сохраняя все ее функциональные возможности.

На рисунке 2 показан общий вид разработанной в пакете LabVIEW виртуальной модели лабораторного стенда по изучению процессов фильтрования (сжимаемый и несжимаемый осадки).

Рисунок 2 - Виртуальная модель лабораторного стенда по изучению процессов фильтрования: сжимаемый и несжимаемый осадки

Использование виртуальных установок позволяет студентам:

- качественно подготовится к работе на реальной установке;

- надежно закрепить лекционный материал на практике;

- обеспечить углубленное изучение исследуемых процессов.

Кроме этого внедрение современных информационных технологий способствует рациональному решению задач технического переоснащения учебных и исследовательских лабораторий, используя их скрытый потенциал

Рисунок 3 - Виртуальные модели лабораторных стендов по изучению гидравлических процессов и процессов релаксации

На рисунке 3 представлены виртуальные модели лабораторных стендов по изучению гидравлических процессов, процессов релаксации

3. Используемое оборудование и ПО

На кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Технологического института ОрелГТУ создана информационно-измерительная система на основе персонального компьютера класса Pentium 3 с объемом оперативной памяти 512 Mb с платой сбора данных USB-6008 National Instruments. Аналоговые сигналы с первичных преобразователей давления, усилий, перемещений и температур поступают на многоканальный аналого-цифровой преобразователь, где преобразуются в цифровой код, фильтруются от случайных помех и по заданным алгоритмам преобразуется в цифровые сигналы, соответствующие измеряемым величинам в выбранной системе единиц. Достоинством разработанной системы измерения является возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, проведение преобразований и нормирование величин, а также использование различных способов представления и регистрации данных.

4. Внедрение и развитие решения

В настоящее время разработаны и совершенствуются учебно-лабораторные комплексы по ряду дисциплин, таких как «Процессы и аппараты пищевых производств», «Гидравлика», «Физико-механические свойства сырья и готовой продукции», «Реология сырья, полуфабрикатов и заготовок изделий хлебопекарного, кондитерского и макаронного производств», «Инженерная реология» и «Технологическое оборудование».

Применение таких лабораторных комплексов позволяет проводить эксперименты, наблюдать и управлять ими в режиме реального времени с помощью персонального компьютера, что обеспечивает повышение качества преподавания и усвоения учебного материала студентами. Разработанные профессорско-преподавательским составом и сотрудниками кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» Технологического института ОрелГТУ учебные комплексы поставлены в технические вузы городов Пятигорск, Москва, Саранск, Воронеж, Иркутск, Тюмень и др.

Список литературы

1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе LabVIEW 7/ Под ред. Бутырина П.А. - М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.

2. Суранов А.Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. - М.: ДМК Пресс, 2005. 512 с.

3. Тревис Дж. LabVIEW для всех/ Джефри Тревис: Пер. с англ. Клушин Н.А. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. 544 с.