Автоматизированный лабораторный практикум в распределенном учебно-исследовательском комплексе

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Гулевич Т. М., Ляховец М. В., Макаров Г. В., Морозов П. А. Автоматизированный лабораторный практикум в распределенном учебно-исследовательском комплексе // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – Т. 13. – С. 3606–3610. – URL: http://e-koncept.ru/2015/85722.htm.
Аннотация. Рассматриваются современные распределенные учебно-исследовательские комплексы с использованием средств дистанционного обучения и новые возможности самостоятельной работы студентов, преподавателей и инженерного персонала. Представлены конкретные приложения, интегрированные в состав учебно-исследовательского комплекса, включающего автоматизированные лабораторные установки на базе действующих физических моделей объектов и систем измерения. Приводятся способы и варианты эксплуатации конкретных автоматизированных лабораторно-практических комплексов по информационно-измерительным технологиям.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Гулевич Тамара Михайловна,к.т.н., профессор кафедрыАИС, СибГИУ, г.Новокузнецкdanielyanmv@rambler.ru

Ляховец Михаил Васильевич,к.т.н., доцент, СибГИУ, г.Новокузнецкlyakhovets_mv@siu.sibsiu.ru

Макаров Георгий Валентинович,Старший преподавателькафедрыАИС, СибГИУ, г.Новокузнецкmaggog1@gmail.com

Морозов Павел Александрович,магистр кафедры СИУ, СибГИУ, г.Новокузнецкadmin@sa.sibsiu.ru

Автоматизированный лабораторный практикумв распределенном учебноисследовательском комплексе

Аннотация.Рассматриваются современные распределенные учебноисследовательские комплексы с использованием средств дистанционного обучения, и новые возможности самостоятельной работы студентов, преподавателей и инженерного персонала.Представлены конкретные приложения, интегрированныев состав учебноисследовательского комплекса, включающего автоматизированные лабораторные установки на базе действующих физических моделей объектов и систем измерения.Приводятся способы и варианты эксплуатации конкретных автоматизированных лабораторнопрактических комплексов по информационноизмерительным технологиям.Ключевые слова.Автоматизация учебного процесса, лабораторный практикум, физические модели, лабораторные установки.

ВведениеСовременное профессиональное образование характеризуется высоким уровнем компьютеризации и использованием многих новых информационных технологий, что требует быстрого освоения этих технологий не только в традиционных формах обучения, включаядистанционную форму, но ив режиме обучения без отрыва от производства.В рамках применения традиционных лабораторных установок ввиду ряда ограничений невозможно охватить весь спектр задач изучения, исследования и сравнительного анализа различных структур, методов и средств измерений, и особенно, новых измерительных и информационных технологий. Возможное решение отмеченных задач и расширение функциональных возможностей рассматривается по пути созданияраспределенных автоматизированныхучебноисследовательских комплексов (УИК).Использование таких комплексовподразумевает интеграцию различных методических указаний и пособий, обучающих стендов, принатурных тренажеров, автоматизированных лабораторных установок и программ имитационного моделирования в единую информационную систему. Такая система позволяет упроститьрежим работы с интегрированными в нее обучающими средствами, а встроенные программные агенты и экспертные модули повысить «интеллектуальность» взаимодействия обслуживающего персонала, обучающихся и системы[1].Внутри ВУЗа и кафедры лаборатории характеризуются распределением в пространстве и различиями по составляющим их компонентам. Также зачастую экспериментальные исследования проводятся в специализированных исследовательских центрах, либо в отдельных помещенияхс одной большой узкоспециализированной установкой. Поэтому возникает необходимость их интеграции в единую информационную систему обучающего автоматизированного комплекса (АОК)с распределенной лабораторной базой[2].

1. ОПИСАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЛАБОРАТОРНОПРАКТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСАНа кафедре автоматизации и информационных систем Сибирского государственного индустриального университета (СибГИУ) разработан и внедрен автоматизированный комплекс, позволяющий осуществлять проведение практических, лабораторных и исследовательских работ с применением реального оборудования [3].В рамках УИК функционируют:пользовательский интерфейс; интерфейс администратора, включающий собственную систему управления содержанием (CMS); автоматизированные лабораторные установки (АЛУ), предусматривающие возможность дистанционного выполнения лабораторных работ; базы натурных и модельных сигналов, базы данных программных и технических средствах автоматизации, научнометодической литературы. Доступ к УИК возможен как из внутренней сети университета, так и из глобальной сети интернет.Учебноиспытательный комплекс разработан на базе вебтехнологий, имеющегося технического обеспечения, использования webсерверов, к которым подключаются клиенты (обучающиеся).Хранение информации осуществляется в виде гипертекста, что позволяет обучающемуся ознакомиться с той или иной дисциплиной в комплексе, переходя по интересующим его ассоциативным ссылкам. Формат гипертекстовых документов совместим с любыми операционными системами (на любом компьютере достаточно установить только веббраузер и работать с учебным комплексом).Высокий уровень развития современных графических веббраузеров позволяет вставлять в обычные HTMLстраницы мультимедийное и активное содержимое, например, средства для ведениявидеоконференций, возможность вставки видео и аудиофрагментов информации, возможность применять ActiveXкомпоненты для сопряженной работы с другим программным обеспечением различного назначения, в том числе средой конструирования электронных схем NationalInstrumentsLabVIEWи SCADAсистем, таких, какSiemensWinCCи WonderwareInTouch.Сбор данных и управление натурными подсистемами АЛУ осуществляет «сервер АЦП», который состоит из многофункциональной платы сбора данных фирмы Advantechи сервера OPC. Клиентская часть разработана на основе ActiveX, что позволяет использовать для доступа к АЛУ стандартный Webбраузер. Промежуточным звеном между клиентом и «сервером АЦП» является специализированный программный модуль, разработанный с использованием пакета LabVIEW[4].Комплекс широко применяется на занятиях по дисциплинам информационноизмерительных технологий. Студенты и аспиранты обучаются постановке и решению задач промышленной метрологии, технических измерений; методам обработки сгенерированных временных рядов данных и динамических сигналов, снятых с физических моделей и реальных технологических объектов.В состав комплекса входят встроенные подсистемы контроля реализации учебного процесса, а также подсистемы тестирования и самотестирования для проверки знаний обучающихся.Рассмотренная компьютерная технология внедрена при модернизации обучающих многовариантных автоматизированных комплексов «Логос» и «Метролог» по информационноизмерительным технологиям, включающего автоматизированные лабораторные установки (АЛУ): «Доза», «Расход», «ОДИМИМА», «Температура», «Коррекция», «АЦС» и другие встроенные и подключаемые измерительные подсистемы с соответствующими типовыми задачами промышленной метрологии, предназначенными для выполнения практических и исследовательских работ,как в обычном, так и в дистанционном режимах.Общая структура лабораторнопрактического комплекса «Логос» по информационноизмерительным технологиям представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Общая структура лабораторнопрактического УИК «Логос»

Использование технологий удаленного доступа позволяет обеспечить возможность работы клиентов –как обучающихся, так и обслуживающего персонала с любого рабочего места, подключенного к локальной сети ВУЗа или глобальной сети. Таким образом, распределенный АОК подразумевает не только связь между распределенными в пространстве лабораториями, центрами и установками, но и между пользователями, работающими удаленно через локальные и глобальные сети авторизовавшимися на сайте кафедры sa.sibsiu.ru.Выполнение работы начинается с личной страницы пользователя (рис. 2), где выбирается тип работы.

Рис. 2. Фрагмент личной страницы пользователя

В зависимости от типа выбранной работы появляется страница с порядком ее выполнения, включающая методические указания, описание средств, порядок выполнения и требования к представлению результатов работы (рис. 3)

Рис. 3. Модуль формирования порядкавыполнения работы

Для выполнения практической работы пользователю предлагается подключиться к терминальному серверу, непосредственно на котором выполняется эта работа. Такая технология позволяет пользователю работать с нужными приложениями не устанавливая себе специализированного ПО.

2. ОПИСАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ «ДОЗА»Примерами разработок являются конкретные приложения и пользовательские интерфейсы, разработанные в среде графического программирования LabVIEWв составе автоматизированной лабораторной установки «ДОЗА», представляющей собой действующую модель системы порционного дозирования сыпучих материалов с тестовым нагружением и прямым цифровым управлением от персонального компьютера, предназначенной для изучения и освоения традиционных и тестовых методов измерения массы, а также практических приемов настройки алгоритмов технических средств в аналогоцифровых весодозирующих системах.Выполнение лабораторной работы начинается со страницы АЛУ (рис. 4) и перехода на страницу порядка выполнения работы. Цифровой интерфейс лабораторных установок реализован через вебкомпонент, что позволяет работать с ним непосредственно из браузера. В случае дистанционной работы для демонстрации происходящего на установке реализована вебтрансляция видео с камеры, направленной на данную установку. Видео наглядно демонстрирует пользователю результаты его действий и позволяет фиксировать показания аналоговых и цифровых приборов.

Рис. 4. Страница сайта АЛУ «ДОЗА»

Алгоритмическое обеспечение комплекса составляют помехозащищенные алгоритмы считывания с проверкой достоверности;выделенияинформативных участков СИИ;определения реакции сигнала на тест; многовариантного восстановления явных и неявных градуировочных характеристик и определения значений массы набираемого материала, а также алгоритмы выработки управляющих команд в соответствии с реализуемым методом и функцией дозирования.Интерфейс программы состоит из двух меню, а именно, меню управления АЛУ «ДОЗА» и меню настройки отдельных блоков программы, а так же диаграммы, на которой отображается динамика процессов дозирования, поверки и градуировки.Для отображения величины массы в весовой воронке предусмотрен цифровой индикатор(рис. 5)В программе существует возможность как ручногоуправления с помощью виртуальных кнопок, так и автоматического с применением различных методов (алгоритмов) дозирования.

Рис. 5. Интерфейс модуля дозирования

3. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ «ФИЛЬТР»Решениемногихзадачсвязанособработкойбольших массивовчисловыхданных,представляемыходноимногомернымивременнымирядами в так называемых сглаживающих фильтрах. Нередковозникает потребность их разделения на несколько составляющих с различными темпами изменения, в частности,еслиестьоснованияпринять математическую модель рядов данных в виде суммы медленноменяющихсяполезныхсигналовиотносительнобыстроменяющихсяпомех,то первичнаяобработкачисловыхданныхможетбытьсведенаких преобразованиювтакназываемыхсглаживающихфильтрах. Кнастоящемувремениразработаномножестворазличныхфильтров,отличающихсясвоими предпосылками, сложностью и точностью. Поэтому возникаетзадачаправильноговыбораинастройкисглаживающихфильтров для конкретных условий ихиспользования.Решение этих задач, представляющееся сложным в реальных системах, может быть реализовано с помощью разработанного учебноиспытательного комплекса (УИК) «ФИЛЬТР».Программное обеспечениефункциональных модулей учебноиспытательного комплекса «ФИЛЬТР», а также конкретных приложений и пользовательских интерфейсов разработано с использованием среды графического программирования LabVIEW.На рисунке 6апредставлен интерфейс программы «ФИЛЬТР» с окном генерирования сигнала.На рисунке 6бпредставлен фрагмент интерфейса программы с результатом сглаживания сигнала с помощью медианноэкспоненциального фильтра.

а) б)Рис. 6. Интерфейс модуля «Фильтр»

Разработанный программный модуль характеризуется гибкими возможностями исследования многих задач, связанных с определением характеристик и восстановлением полезных составляющих сигналов.

4. Описание моделирующего комплекса по аналогоцифровым преобразованиямКомплекс предназначен для исследования и настройки различных модулей в аналогоцифровой системе (АЦС) измерения. Программное обеспечение позволяет исследовать результаты преобразования динамического сигнала при изменении основных настроечных параметров блоков системы и производить оперативный анализ результатов моделирования.Графический интерфейс пользователя программных модулей «АЦС» и «АЦП» представлен на рисунках 8 и 9.

Рис. 8. Интерфейс учебноисследовательского модуля «АЦС»

Рис. 9.Интерфейс модуля «АЦП»

Все блоки имеют модульную структуру, позволяющие гибко настраивать и исследовать любой модуль и их комбинации.

ЗаключениеРассмотренныераспределенныеавтоматизированные обучающие комплексы на базе современных информационнокоммуникационных технологий позволяют решать актуальные задачи, связанные с расширением функциональных возможностей новых форм обучения.На базе системного подхода к разработке программноалгоритмического обеспечения комплексов созданы условия для активного обучения студентов научноисследовательской работе.Накоплен опыт обучения специалистов с использованием УИК в качестве базы для проведения лабораторных работ и практических занятий и выявлены предпосылки дальнейшего совершенствования функционирования УИК как развивающихся человекомашинных систем управления.

Ссылкинаисточники1. Гулевич Т.М., Морозов П.А., Макаров Г.В., Чабан М.С. Автоматизированный лабораторный практикум на базе webтехнологий // Информатизация инженерного образования. М.: Издательство МЭИ, 2014. С. 345348. 2. Гулевич Т.М., ЛяховецМ.В., Макаров Г.В., Морозов П.А., Хамитов Р.М. Автоматизированные распределенные учебноисследовательские комплексы // Новые технологии в образовании Сборник статей III Международной научнопрактической конференции. Общество с ограниченной ответственностью "Научноинновационный центр". Красноярск, 2015. С. 4550. 3. ГулевичТ.М., Андрианов О.Н., Кадетов Д.В. Учебноисследовательский комплекс «Метролог». Труды международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии –ММТТ2000», СанктПетербург, 2000. –200с.4. National Instruments LabVIEW. ОсновыI. Учебныйкурс(пер. сангл. МихеевП.М.). –МГУ, 2003.