Рассматривается автоматизированная система управления и сбора данных высокоскоростной аэродинамической трубы кратковременного действия. Представлена структура и состав аппаратно-программных средств системы. Описываются сценарии пуска и режимы работы системы управления аэродинамической трубой.
В Институте теоретической и прикладной механики (ИТПМ) им. С.А. Христиановича СО РАН для проведения научных исследований в области сверх- и гиперзвуковой аэродинамики создана уникальная экспериментальная установка – высокоскоростная аэродинамическая труба кратковременного действия «Транзит-М» [1]. Данная труба позволяет моделировать обтекание летательных аппаратов вплоть до гиперзвуковых режимов полета. По ряду параметров данная установка существенно превосходит многие не только отечественные, но и зарубежные установки подобного класса.
По сравнению с аэродинамическими трубами непрерывного действия в данной установке к программно-техническим средствам предъявляются существенно более жесткие требования. Весь эксперимент в аэродинамической трубе длится 0,1–2 с. За этот короткий временной интервал должно производиться в реальном времени автоматическое измерение нескольких десятков различных параметров (давления, температуры в разных точках установки) и управление ее различными исполнительными механизмами (клапанами, задвижками, вентилями и т.п.).
Для обеспечения эффективной работы аэродинамической трубы «Транзит-М», специалистами ИТПМ СО РАН и КТИ ВТ СО РАН была создана автоматизированная система управления и сбора экспериментальных данных (АСУ), описание которой и представлено в данной публикации.
Система содержит два уровня, которые связаны между собой локальной компьютерной сетью. На нижнем уровне размещается аппаратура, предназначенная как для подготовки аэродинамической трубы к эксперименту, так и для непосредственного проведения измерений и занесения их результатов в темпе эксперимента в буферную память. Здесь же располагается аппаратура для управления различными исполнительными механизмами аэродинамической трубы.
На верхнем уровне размещается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора (инженера-исследователя). На экране АРМ отображается мнемосхема установки с выводом оператору значений выбранных технологических параметров в требуемом виде. Здесь же на этапе подготовки эксперимента оператором аэродинамической трубы могут задаваться необходимые управляющие параметры отдельных узлов установки (например, номера используемых измерительных каналов, коэффициенты усиления и т.п.). На верхнем уровне также располагается сервер поддержки баз данных и архивов, в которых хранятся результаты экспериментов, а также параметры настройки системы.
В связи с кратковременностью эксперимента, его выполнение в аэродинамической трубе проводится по заранее разработанному экспериментатором сценарию, в котором задаются последовательности действий АСУ по контролю показаний датчиков давления и температуры, установленных в разных точках установки (в вакуумной емкости, в первой и вспомогательной форкамерах и т.д.) и управлению по определённому алгоритму различными элементами установки. Этот сценарий вводится в контроллеры аппаратуры нижнего уровня до начала эксперимента и запускается в автоматическом режиме при его инициализации.
Автоматизированная система управления и сбора данных содержит следующие основные компоненты:
1. Аппаратно-программный комплекс (АПК) нижнего уровня. Комплекс предназначен для сбора технологических данных и непосредственного управления элементами экспериментальной установки (измерение и автоматизированный ввод в систему технологических данных, управление различными клапанами, переключателями, вентилями и т.п.) на этапе подготовки эксперимента.
2. Информационно-измерительный комплекс (ИИК). Предназначен для сбора данных при проведении экспериментов в аэродинамической трубе, с записью измеренных результатов в реальном времени в буферную память.
3. Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора. Предназначено для взаимодействия оператора аэродинамической трубы с аппаратно-программными средствами нижнего уровня (АПК и ИИК). На мониторе АРМ отображается мнемосхема аэродинамической трубы или ее отдельных компонент, а также значения измеряемых параметров.
4. Сервер баз данных (БД). Обеспечивает хранение измеренных технологических данных системы управления и результатов проводимых научных исследований. Сервер поддерживает работу по SQL-протоколу.
Аппаратно-программная часть системы автоматизации выполнена с использованием современных средств микропроцессорной и измерительной техники, а также соответствующего программного обеспечения. Представляемый подход был использован и оправдал себя при создании систем управления и сбора данных для ряда сверх- и гиперзвуковых аэродинамических труб ИТПМ СО РАН [2–5]. Хотя данные установки работают в разных режимах, использованные при их реализации подходы к созданию системы управления, в значительной степени совпадают.
В созданной системе предусмотрено два режима сбора данных и управления установкой. Первый режим обеспечивает подготовку к эксперименту в достаточно медленном темпе (до нескольких часов): в нем производятся различные предустановки, калибровки, измерения и непосредственный ввод в компьютер показаний датчиков аэродинамической установки и их отображение на экране монитора. Второй режим обеспечивает управление элементами установки и измерение показаний датчиков в темпе проведения эксперимента по заранее загруженным в память контроллеров АПК и ИИК программам.
Для данной АСУ были специально разработаны оригинальные модули, обеспечивающие передачу данных контроллеров АПК и ИИК с использованием протокола UDP (User Define Protocol).
Собранная информация заносится в базу данных и в дальнейшем может использоваться при обработке полученных экспериментальных результатов [6–7].
Заключение. Таким образом, в данной работе представлена автоматизированная системы сбора данных и управления созданной в ИТПМ СО РАН высокоскоростной аэродинамической трубой кратковременного действия «Транзит-М».
В настоящее время созданная система используется на аэродинамической трубе в режиме опытной эксплуатации при проведении реальных научных экспериментов.
Данная работа выполнялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 12-07-00548 и 13-07-00440), а также Программы Импортозамещения СО РАН.