Виртуальные приборы

Приборостроение - одна из наиболее обширных областей инженерной деятельности во всем мире, и по этой причине вряд ли возможно в рамках журнальной публикации всесторонне осветить эту тему. Поэтому авторы и не ставили себе подобной задачи. Являясь специалистами в достаточно узкой области приборостроения, а именно, в разработке и создании виброизмерительных приборов, все изложенное, на наш взгляд, относится именно к этой области приборостроения. Вместе с тем, прекрасно понимая все многообразие приборостроительной тематики, мы не исключаем, что многое из изложенного частично или в полной мере может быть отнесено и ко многим другим областям приборостроения.

В вибрационном приборостроении есть два основных направления деятельности: 

1_Первичные датчики, т.е. устройства, преобразующие вибрационные перемещения в точке контроля в электрический сигнал. Наиболее широко здесь представлены датчики типа пьезоакселерометров, которые по целому ряду причин, на которых мы здесь не будем останавливаться, в большинстве случаев действительно обладают существенными преимуществами перед другими типами датчиков. 

2_Вторичная аппаратура, т.е. устройства, выполняющие обработку сигнала с датчика по некоему алгоритму, позволяющему получить необходимую измерительную информацию и решить ту задачу или задачи, на реализацию которых ориентирована данная аппаратура. Вследствие огромного многообразия задач виброметрии и широчайшей номенклатуры самих объектов виброконтроля со своей спецификой вибрационных проявлений технического состояния номенклатура вторичной аппаратуры также очень обширна.

При этом в большинстве случаев оказывается так, что рассуждения и споры о перспективах приборостроения в основном посвящены вторичной аппаратуре. Это, как говорится, справедливо, но неверно. Справедливо, потому что очевидно и бесспорно. Неверно, потому что на сегодняшнем этапе развития техники и технологий два этих направления приборостроения оказываются очень тесно взаимосвязанными в общей перспективе своего развития. При этом, как мы и постараемся показать ниже, именно от внедрения новых технологий в производстве первичных датчиков могут существенно корректироваться те направления, в которых будет идти развитие вторичной аппаратуры. Но оставим на время датчики, поговорим о вторичной аппаратуре.

Сразу оговоримся, что мы не будем здесь ссылаться на конкретных производителей или марки приборов, чтобы никого не рекламировать и не обижать. Мы с глубоким уважением относимся ко всем коллегам, работающим в данной отрасли, поскольку все они делают важное и полезное дело для нашей промышленности. Пути, которыми идут различные фирмы, действительно бывают разными, и цель нашей публикации - изложить свое видение вопроса и услышать мнение коллег.

Примерно около 10 лет назад у нас в стране стала появляться аппаратура, создаваемая по технологии так называемых “виртуальных приборов” (ВП). Базируется технология ВП на трех основных составляющих: 

к вычислительные возможности современных компьютеров; 

к обширная номенклатура устройств ввода/вывода для компьютеров; 

к специализированные языки программирования для обработки сигналов.

Отношение к новой технологии на первых порах было самым различным, от полного восторга до полного неприятия. За эти годы вся отрасль, и те, кто занимается технологией ВП и те, кто продолжает разрабатывать и выпускать “свои” дискретные приборы, прошли большой путь. При этом многие, кто продолжает настороженно относиться к технологии ВП, и не заметили, что сами уже давно выпускают аппаратуру именно по этой технологии. В настоящее время никто не делает даже простенького виброметра таким образом, чтобы он был реализован в виде традиционных схемных решений, как это было ранее. В нем обязательно присутствует микроконтроллер, и значительная часть функций обработки сигнала и представления информации реализуется не схемно, а программно. Это означает, что этот “виброметр” с таким же успехом может стать, например, вольтметром, осциллографом, тахометром и т.д. - стоит лишь поменять программу в контроллере. Что это, как не наличие существенных признаков технологии ВП?

В еще большей мере это присуще обширному классу виброизмерительных приборов, так называемым анализаторам-сборщикам, а тем паче стационарным системам виброконтроля, мониторинга и диагностики. Почему так произошло? По вполне понятным и естественным причинам, связанным с развитием элементной базы приборостроения и компьютерной техники. Естественно, что разработчики дискретных приборов не могли не отреагировать на появление контроллеров, сигнальных процессоров, компактной памяти, АЦП/ЦАП и пр. А с появлением этих устройств в приборах они все в большей и большей степени стали, по сути, приближаться к ВП. При этом вся эта аппаратура остается все-таки псевдовиртуальной, поскольку по целому ряду существенных компонентов она значительно отличается от классических (будем их так называть) ВП. Классические ВП во всех своих компонентах базируются на соответствующих изделиях массового, крупносерийного производства с соблюдением всех общепринятых стандартов, обеспечивающих их универсальность, взаимозаменяемость, преемственность при смене поколений: компьютерные средства, устройства ввода/вывода и сопряжения с объектом, операционные системы и т.д. В отличие от этого любой псевдовиртуальный, например, анализатор-сборщик представляет собой не что иное, как узкоспециализированный, “самодельный” компьютер, в котором уникально все: конструктив, устройства ввода/вывода, операционная система (если она еще есть), программное обеспечение и т.д. Конечно, это не значит, что подобные приборы плохие. Напротив, среди них есть очень хорошие аппараты по своему назначению. Речь здесь идет только о тенденциях и перспективах. А в этом отношении сам ход развития приборостроения в последнее время показывает, что все большее количество вновь создаваемых приборов оказывается естественно вовлеченным в орбиту технологии ВП.

За прошедшее десятилетие основные компоненты классических ВП также претерпели существенные изменения. Бурно развивается компьютерная техника, растет производительность, уменьшаются габариты и энергопотребление, совершенствуются операционные системы, практически ежегодно выходят все новые, более мощные версии языков программирования ВП и т.д. Появляются просто новые классы компьютерной техники, например, миниатюрные PocketPC или карманные персональные компьютеры (КПК). Появляются новые классы устройств ввода/вывода, например, каналы беспроводной связи типа Bluetooth, которые уже интегрированы во многие модели ПК, Notebook и КПК. Постоянно совершенствуются технические характеристики и растет номенклатура серийно выпускаемых устройств ввода/вывода и сопряжения с объектом. Появляются новые стандарты исполнения этих устройств, уменьшаются их габариты и энергопотребление. Благодаря основной идее, заложенной в саму технологию, одновременно с этим и классические ВП за это время стали универсальнее, мощнее и конкурентоспособнее, обретают все новые функциональные возможности и расширяют сферу применения.

Теперь самое время вернуться к первому направлению - к первичным датчикам. Это направление приборостроения также не стояло на месте. До недавнего времени в технологии ВП существовали некоторые проблемы по сопряжению с пьезоакселерометрами ввиду специфичности их импедансных характеристик и отсутствия специализированных серийных устройств ввода/вывода. Появились датчики со встроенной электроникой (IEPE), и практически сразу появилась обширная номенклатура отличных специализированных устройств ввода/вывода для работы с этими датчиками. Почему этого не делалось раньше, для обычных пьезоакселерометров? По вполне понятным причинам. Хотя есть фирмы, специализирующиеся только в разработке и производстве датчиков, они всегда работают в тесном содружестве с производителями вторичной аппаратуры, а зачастую это просто одна фирма. Поэтому все отлично понимали, что пьезоакселерометр, несмотря на все его достоинства и практическую безальтернативность, несет в себе и некоторые существенные проблемы, обусловленные самим принципом своего устройства. Особенно при создании многоканальных виброизмерительных систем. В первую очередь, это недостаточная помехозащищенность измерительных каналов вследствие образования контуров заземления и электромагнитных наводок, а также необходимость использования дорогостоящего антивибрационного кабеля. Все это требовало дополнительных затрат на аппаратурные решения. Поэтому естественно, что средства были вложены на решение проблем в источнике. Для датчиков IEPE не требуется дорогих кабелей, и их помехозащищенность значительно выше.

Совершенствование датчиков идет по нескольким направлениям. Появились датчики с интерфейсным выходом, с автоматической адресацией в измерительных трактах, даже датчики, выполненные в виде миниатюрных микросхем, и т.д. Не все они еще в достаточной мере удовлетворяют требованиям метрологии, есть ограничения по температурным диапазонам и, главное, все они пока требуют внешнего питания и кабельного подсоединения. Являются ли эти проблемы непреодолимыми? Конечно, нет. Это только вопрос времени и новых технологий. Встроить в привычные габариты датчика необходимую электронику: предусилитель, фильтры, усилители, АЦП, интерфейс, беспроводную связь - и сейчас уже не представляет серьезных проблем. Не хватает только приемлемого автономного источника питания. Нет никаких оснований считать, что и эта задача в скором времени не будет решена. Что в этом случае произойдет, когда появится автономный датчик с беспроводным (например, Bluetooth) каналом передачи данных? Произойдет очень простая вещь - любой дискретный прибор просто станет не нужен. Любым портативным прибором станет просто КПК с библиотекой необходимых виртуальных приборов. Более того, сегодняшняя логика развития приборостроения позволяет предполагать, что в результате этого развития приборостроение в сегодняшнем виде вообще прекратит свое существование. Но поскольку , как известно, ничто не исчезает бесследно и не появляется ниоткуда, в результате этого исчезновения появится просто новая технология. Будут развиваться производство датчиков, компьютерной техники , программного обеспечения ВП. Если вам нужен, например, виброметр, вы покупаете в одной фирме нужный датчик, в другой - компьютер, в третьей - программу нужного вам прибора. Вот и все “приборостроение”.

Что из всего этого следует? По всей видимости, ничего особенно кардинального из этого не следует. Все будут двигаться и дальше своим эволюционным путем, но все мы приплывем в конце концов к одному и тому же, о чем говорилось выше. А вот там в выигрыше окажутся те, кто “греб” в этом направлении, а не оказался там по воле течения. Естественно предположить, что наибольшая конкурентная борьба развернется на рынке программного обеспечения ВП (датчики и компьютерная техника будут примерно идентичными у всех приличных производителей). Те, кто сможет предложить наилучшие программные продукты, и станут законодателями новых стандартов в “приборостроении”. Значит, заниматься этим надо уже сейчас.

В.Н. Суворов,

ООО "ВиТэк", г. Санкт-Петербург,

тел.: (812) 259-95-91, факс: (812) 251-0601

E-mail: info@vitec.ru