Аппаратно-программный лабораторный стенд повышенной надежности для изучения электротехнических дисциплин в автоматическом режиме

Предлагаемая полезная модель относится к учебному лабораторному оборудованию для высших и средних технических учебных заведений, а точнее к компьютеризованным лабораторным стендам. На базе таких стендов организуются лабораторные практикумы (циклы из 10-20 лабораторных работ с разными вариантами) по базовым. электротехническим дисциплинам. Главный недостаток известных аналогов: при разработке этих стендов не учитывались негативные черты современного состояния лабораторного оснащения вузов в стране - резкий дефицит квалифицированного профессорско-преподавательского и лаборантского состава. В предлагаемой полезной модели для повышения эффективности образовательного процесса разработаны полностью автоматизированные лабораторные стенды: - с возможностью полностью самостоятельной работы студентов без участия преподавателей и лаборантов; - с повышенной электробезопасностью; - полностью необслуживаемые в течение всего срока службы (15-20 лет), или с минимальным обслуживанием. Как показала опытная эксплуатация промышленных образцов, примененные технические решения, в конечном счете, обеспечивают требуемое повышение качества образования за счет возможности использования более эффективных методов обучения. Таким образом, заявляемая полезная модель обладает новизной и промышленной применимостью.

Предлагаемый аппаратно-программный лабораторный стенд (АПЛС) относится к учебному лабораторному оборудованию для высших и средних электротехнических учебных заведений, снабженному компьютеризованным комплексом изучения работы электротехнических элементов.

На базе таких стендов организуются лабораторные практикумы (циклы из 10-20 лабораторных работ с разными вариантами) по базовым электротехническим дисциплинам - теоретическим основам электротехники (ТОЭ), общей электротехнике и электронике, теории связи, информатике и др.

Известны лабораторные стенды, разработанные и выпускаемые единичными партиями силами российских технических университетов: МЭИ, МИРЭА, Челябинским университетом и др., которые неоднократно демонстрировались на образовательных и компьютерных выставках [1] и описаны в работах [2,3,4,5]. Наиболее близким аналогом (прототипом) предложен современный лабораторный стенд "Сигнал-USB" [5] по изучению основ электротехники, который состоит из следующих частей (см. Приложение 1,фиг.1):

- наборного поля с соединительными гнездами и разъемами, кнопками коммутации и управления (около 800 единиц), на котором собирается изучаемый объект;

измерительные приборы, задающие входные воздействия, контролирующие и регистрирующие приборы, вспомогательные внешние подключаемые приборы (реальные или виртуальные);

- управляющего устройства, на базе персонального компьютера (ПК), с лицензионной операционной системой и авторским учебно-методическим программным обеспечением;

- блока аналого-цифрового преобразования (АЦП), используемого для оцифровки воздействующих сигналов и передачи их в управляющее устройство ПК;

- электропитающего (несколько сетевых блоков питания) и вспомогательного оборудования: сменные соединительные проводники (несколько десятков), заземляющие элементы, оргтехника, расходные материалы.

Аналогу свойственны следующие недостатки:

а) необходимость поддержания лицензионного операционного программного обеспечения, периодического обновления его версий;

б) низкие показатели надежности - минимальная наработка на отказ составляет 500 часов, а средний срок службы 3-5 лет [5]. Обусловлено это, тем, что как показано в. [6] (см. таблицу Приложения 13 [6]), электродвигатели, вентиляторы, соединительные и монтажные провода и кабели, соединительные гнезда и штепсельные разъемы, выключатели и переключатели имеют большую интенсивность отказов в эксплуатации. Поддержание работоспособности этих элементов требует постоянного технического обслуживания [6,7,8];

в) электропитание стендов, воздействующих и регистрирующих приборов, компьютерной техники питаемых от сети 220 В, требует выполнения ряда мер по электробезопасности: обязательное заземление корпуса стендов, периодический осмотр и оценка состояния заземляющих элементов, корпуса стенда, персонального компьютера, воздействующих и регистрирующих приборов.

Перечисленные недостатки аналога приводят к необходимости присутствия при работе обучаемых на стенде представителей профессорско-преподавательского или лаборантского персонала, которое, в настоящее время, часто оказывается невозможным.

Предлагаемая модель АПЛС обеспечивает устранение перечисленных недостатков аналога и достижения следующего технического результата:

- увеличения срока службы модели;

- повышение надежности при эксплуатации;

- обеспечение электробезопасности.

Отказ от лицензированного программного обеспечения разрешает использовать специальные авторские программы, которые позволят работать на АПЛС без присутствия лаборантского или преподавательского персонала.

Технические результаты в предлагаемой модели достигаются благодаря тому, что АПЛС для изучения электротехнических дисциплин включает в себя наборное поле, на котором собирают изучаемый объект, устройств задающих входные сигналы с использованием АЦП, управляющее устройство на базе компьютера с учебными программами и блока электропитания. В соответствии с предложением, в качестве базы в управляющем устройстве использован промышленный компьютер, в котором функции механических движений выполняют электронные схемы и у которого открытая операционная система, также включен преобразователь АЦП/ЦАП с функцией уменьшения количества соединительных проводников, гнезд и разъемов путем их замены на виртуальные. При этом для электропитания использован низковольтный источник, который снабжен устройством, исключающим механические операции включено-выключено и заземления.

Условное изображение предлагаемого АПЛС представлено на фиг 2. Включение в управляющее устройство конверсионного промышленного компьютера связано с тем, что в нем отсутствуют вращающиеся и перемещающиеся детали, то есть совершающие механические движения. Как показано, [1, 3,4], замена таких механических движений такими же функциями электронных цепей повышает эксплуатационную надежность, упрощает обслуживание.

Применение открытой операционной системы не требует лицензирования при смене версий программ испытаний при их смене и разработке новых [6,7,8].

Введение АЦП/ЦАП позволяет использовать виртуальные технологии эмуляции (представления) большинства измерительных и испытательных приборов, соединительных проводов, гнезд, разъемов, которые подробно описаны в [1,3] при этом, уменьшается их количество при замене на виртуальные. Также отпадает необходимость в использовании наиболее ненадежных элементов стенда - соединительных проводников, гнезд, разъемов, кнопок.

Для повышения безопасности работы на стенде и сокращения операций при его техническом обслуживании электропитание предложено осуществить низковольтным (12 В), высоконадежным блоком питания, не требующим операций заземления. Операции включения/отключения предложено осуществлять переводом в «спящий режим» узлов, не используемых в данный момент пользователями [1,4].

Кроме перечисленного, такое выполнение стенда обеспечивает возможность ступенчатого повышения (наращивания) надежности АПЛС, которую достигают увеличением среднего времени наработки на отказ его отдельных узлов как показано в [1,4,6,7]. На фиг.2 Приложения 1, в качестве примера показано, такое опциональное подключение Системы автоматического тестирования АПЛС, описанного в [1], работа которой направлена на диагностику и предупреждение возможных отказов стенда.

Известно [1,7], что средний срок службы (промежуток времени от момента ввода в эксплуатацию до момента проведения капитального ремонта или коренной модернизации) стенда как типового элемента в образовательной среде, при обеспечении круглосуточного необслуживаемого режима работы может быть принят равным пяти годам.

В предлагаемом АПЛС возможно доведение среднего срока службы до 15-20 лет.

В [1,7,8] показано, что такие высокие показатели надежности лабораторного стенда могут быть достигнуты в предлагаемом АПЛС. Например, при разработке специальных технических мероприятий обеспечивающих и поддерживающих заданный уровень эксплуатационной надежности, в частности, выбором оптимальной системы сервисного и ремонтного обслуживания, расчетом оптимального комплекта ЗИП, резервированием отдельных узлов, введением систем автоматического тестирования стенда и т.п.

Указанные мероприятия и технические решения целесообразно предлагать потребителю в виде опций к базовому лабораторному стенду. Это будет способствовать, в дальнейшем, продвижению АПЛС на рынке.

Работа АПЛС заключается в следующем [1,4]:

- управляющее устройство запускает программную оболочку;

- программная оболочка генерирует варианты входных тестов и учебных заданий;

- после прохождения теста обучаемому предлагается собрать схему на наборном поле. Правильность сборки которой проверяет модуль сборки схемы, опрашивая через ЦАП/АЦП наборное поле;

- после правильной сборки схемы открывается окно программы, в которой представлены основные виртуальные приборы, используемые в данной лабораторной работе;

- виртуальные приборы генерируют и регистрируют сигналы через ЦАП/АЦП пришедшие с наборного поля, оценивают и фиксируют результаты работы.

Используемый блок питания имеет степень защиты корпуса не ниже класса IPP00. Он вырабатывает безопасное питающее напряжения для элементов стенда [1].

В Московском техническом университете связи и информатики в 2010 году, в соответствии с предложенным был изготовлен опытный образец АПЛС. Опытный образец АПЛС продемонстрировал эффективность его использования в образовательном процессе. Также было экспериментально подтверждено достижение заявленных технических результатов:

- увеличение срока службы АПЛС;

- расчетное повышение надежности при эксплуатации;

- обеспечение электробезопасности.

Литература

1 Отчет о НИР государственная регистрация 01201051001 от 10.02.2009 г. УДК 621.3.01 «Разработка программно-аппаратного комплекса для управления выполнением лабораторных работ на объединенных в локальную сеть АПЛС» Исследование путей построения базового лабораторного стенда для изучения электротехнических дисциплин (промежуточный). // Московский Технический Университет Связи и Информатики. Москва 2009.

2 В.М.Хабибулин Проблемы оснащения современным лабораторным оборудованием при изучении дисциплин по связи и информатики. Международный форум информатизации (МФИ-2007). Программа и труды конференции стр.152-154.

3 С.А.Догаев, Д.В.Кашуба Универсальный аппаратно-программный лабораторный стенд. Международный форум информатизации (МФИ-2008). Программа и труды конференции стр.285-286.

4 Кондрашечкин А.А., Хабибулин В.М. Перспективные технические требования к базовому лабораторному комплексу для изучения электротехнических дисциплин. Международный форум информатизации (МФИ-2008). Программа и труды конференции стр.293-295.

5 Универсальный лабораторный стенд "СИГНАЛ-USB" МЭИ Рекламный проспект 2008 г. Москва, http://gis-ort.ru/signalusb.shtm^

6 Матлин Г.М Эксплуатация производственной связи (Математические методы) М., «Связь», 1976, 88 стр.

7 Хабибулин В.М. Проблемы реализации информационных федеральных программ. Проблемы абонентского доступа. Телекоммуникации. 2. 2005.

8 Воронцов Ю.А. Технико-экономическое обоснование эффективности проектов информационных систем. - М.: Инсвязьиздат, 2008. - 367 с.

Аппаратно-программный лабораторный стенд для изучения электротехнических дисциплин, состоящий из наборного поля, на котором собирают изучаемый объект, устройств, задающих входные сигналы с использованием АЦП, управляющего устройства на базе компьютера с учебными программами и блока электропитания, отличающийся тем, что в качестве базы в управляющем устройстве использован промышленный компьютер, в котором функции механических движений выполняют электронные схемы, и у которого открытая операционная система, также включен преобразователь АЦП/ЦАП с функцией уменьшения количества соединительных проводов, гнезд, разъемов путем замены их на виртуальные, при этом для электропитания стенда использован низковольтный источник, который снабжен устройством, исключающим механические операции включено-выключено и заземления.