Laboratorium wirtualne: teoria i praktyka Remigiusz RAK, OKNO PW 20 luty 2014
Plan prezentacji: e-eksperyment Laboratorium wirtualne Przykłady ćwiczeń Podsumowanie Obserwacja przebiegu eksperymentu Symulacja eksperymentu Zdalny dostęp do laboratorium rzeczywistego Projektowanie zdalne
e-kształcenie w zakresie politechnicznym Dla naukowców i inżynierów kluczowa faza kształcenia to: E K S P E R Y M E N T - usprawnia transfer praktycznej wiedzy od nauczyciela do ucznia Wymóg w zakresie kształcenia inżynierów: Eksperymenty z użyciem rzeczywistej aparatury, w warunkach możliwie bliskich rzeczywistym, z możliwością nauki na błędach.
e-kształcenie w zakresie techniki pomiarowej Powołano: Zespół roboczy (Working Group): e-tools for Education in Instrumentation & Measurement pod nadzorem: IEEE Instrumentation and Measurement Society, Technical Committee TC-23 Education in Instrumentation and Measurement Strona internetowa Zespołu: http://www.deis.unical.it/deis1.0/portale/ricerca/leim/wg/
e-kształcenie w zakresie politechnicznym Główne przesłanki wprowadzania nowych technik do organizacji laboratoriów: Obowiązujące tendencje w ramach EU; Wysoki koszt aparatury badawczej; Wysoki koszt zarządzania laboratorium; Trudności w odnawianiu personelu technicznego; Rosnąca liczba studentów. Koszty kształcenia!!!
Zdalny dostęp do laboratorium - chronologia Na początku był przyrząd wirtualny VIRTUAL INSTRUMENT - VI
Wirtualny przyrząd pomiarowy - Definicja Przyrząd wirtualny - to rodzaj inteligentnego przyrządu pomiarowego powstałego w wyniku sprzężenia pewnego sprzętu nowej generacji z mikrokomputerem osobistym i przyjaznym dla użytkownika oprogramowaniem, które umożliwia użytkownikowi współpracę z mikrokomputerem na zasadach takich jakby obsługiwał tradycyjny przyrząd pomiarowy.
Aplet Javy: Oscyloskop
Aplet Javy: Generator Pole odczytu częstotliwości Ustawienie zakresu częstotliwości Wybór funkcji Pole odczytu amplitudy Płynna regulacja częstotliwości Ustawienie symetrii (wypełnienia) Płynna regulacja składowej stałej Płynna regulacja amplitudy
Flash
LabWindows/CVI
Wirtualny przyrząd pomiarowy - przykład
Zdalny dostęp do laboratorium - chronologia Przyrząd wirtualny; Przyrząd wirtualny sprzęgnięty z lokalną siecią komputerową; System rozproszony w sieci komputerowej; Zdalny dostęp do laboratorium.
Laboratorium Wirtualne - definicja Heterogeniczne, rozproszone środowisko umożliwiające zdalny dostęp do programowych i sprzętowych zasobów laboratorium w sposób ciągły zarówno w sensie miejsca jak i czasu.
Zasoby laboratorium w sieci komputerowej SERWER ZARZĄDZAJĄCY Przyrząd pomiarowy z RS-232 Serwer WWW Laboratorium komputerowe RS232 Serwer pomiarowy Przyrządy z wbudowanymi mikroserwerami WWW Przyrządy pomiarowe z GPIB
Zdalne Laboratorium - modele Model Synchroniczny (poziom 0) Obserwacja (bierna) pracy nauczyciela (laboranta) wykonującego eksperyment; Zdalna wizualizacja przebiegu eksperymentu (poziom 1) Obserwacja działania automatycznego systemu, obserwacja wyników; Zdalna kontrola eksperymentu (poziom 2) Zdalne sterowanie przebiegiem eksperymentu, obserwacja wyników; Zdalne projektowanie WP (poziom 3) Projektowanie i uruchamianie własnego WP (LabVIEW) i jego implementacja w zdalnym laboratorium
Zdalne Laboratorium - zarządzanie Laboratorium zdalne musi odpowiadać wymogom standardów kształcenia na odległość!!! Musi więc zawierać cechy kompletnego Systemu Zarządzania Kształceniem Learning Management System (LMS)
Learning Management System (LMS) Złożone narzędzie programowe do wspomagania e-kształcenia, sterujące dystrybucją zasobów systemu kształcenia. Zawiera elementy administrowania przebiegiem procesu e-kształcenia, ewidencji studentów, kontroli ich uprawnień oraz postępów w nauce. Do zadań LMS należy także ochrona zasobów, a najnowsze wersje są wyposażone w fukcje kontroli spójności merytorycznej gromadzonych i dystrybuowanych treści. Standaryzacja: AICC IMS - ADL (SCORM) IEEE 1484.12.1 (LOM)
Laboratorium wirtualne LMS
Bezpieczeństwo warstwa serwerów pomiarowych (Serwer LabVIEW) warstwa aplikacji klienckich (Klient via www) warstwa serwera głównego (Klient LabVIEW)
Bezpieczeństwo Serwer główny: jedyny punkt dostępu do lab. (dla użytkowników z zewnątrz) system weryfikacji/autentykacji użytkowników, zarządzanie dostępem, harmonogram laboratoriów, moduły sprawdzianów, baza danych wyników, ocen itp. symulatory ćwiczeń aplikacje narzędziowe np.: MATLAB, LabVIEW
Przykłady ćwiczeń laboratoryjnych
1. Stany przejściowe w obwodach RLC 2. Obwody rezonansowe RLC 3. Badanie przetworników A/C i C/A
1. Badanie filtrów 2. Badanie parametrów wzmacniacza elektroakustycznego 3. Analiza sygnałów 4. Projektowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabVIEW
1. Badanie charakterystyk diody półprzewodnikowej i tranzystora bipolarnego 2. Badanie charakterystyk stałoprądowych tranzystora MOS 3. Badanie charakterystyk wzmacniacza operacyjnego
1. Badanie parametrów wzmacniacza telekomunikacyjnego EDFA 2. Badanie parametrów spektralnych nadajników telekomunikacyjnych
1. Propagacja fal w linii długiej 2. Rezonatory i filtry mikrofalowe 3. Wzmacniacze mikrofalowe 4. Przemiana częstotliwości 5. Światłowód i jego charakterystyki 6. Analogowe łącze światłowodowe
1. Sterowanie robotem mobilnym 2. Sterowanie robotem przemysłowym
BADANIE WZMACNIACZA ELEKTROAKUSTYCZNEGO
Program badań: Charakterystyka przejściowa Charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe w różnych warunkach pracy Pasmo przenoszenia (w zakresie 10 Hz 100 khz). Pomiar mocy wyjściowej. (Moc znamionowa: 100W/4Ω) Współczynnik THD. Stosunek S/N. Zakres dynamiki. Czułość. Pomiary przeprowadzane są w zakresie 0.1 V do 1 V. Pomiar przesłuchu pomiędzy kanałami.
Stanowisko laboratoryjne GENERATOR AFG-5101 MULTIMETR DM-5120 GENERATOR AFG 5101 WE > WY MULTIMETR DM5120 IEC-625
Pulpit aplikacji
Charakterystyka przejściowa
Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od ustawienia filtracji tonów niskich
Charakterystyka częstotliwościowa w zależności od użytych filtrów typu contur
Zdalne stanowisko laboratoryjne do badania parametrów silnika indukcyjnego Kamil Możdżyński, Marcin Gąska POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
Schemat układu do badanie silnika indukcyjnego 38
Założenia projektowe stanowiska do pomiarów zdalnych Zakres badań/pomiarów, Możliwość realizacji pomiarów w stanach dynamicznych, Automatyzacja sterowania i pomiarów, Możliwość zdalnego dostępu z podglądem, Zapewnienie bezpieczeństwa: separacja galwaniczna obwodów, mocy i sygnałowych, zabezpieczenia przeciążeniowe, ograniczenia programowe. Aplikacja symulacyjna. 39
Architektura sprzętowa systemu
Graficzny Interfejs Użytkownika serwer
Graficzny Interfejs Użytkownika klient 1
Graficzny Interfejs Użytkownika klient 2
Aplikacja w LabVIEW Komunikacja z przemiennikiem częstotliwości Sterowanie przetwornicą napięcia DC/DC Zbieranie i przetwarzanie danych pomiarowych Prezentacja danych/wyników Zdalny dostęp via Internet Wyświetlanie obrazu z kamery (podgląd) 50
Aplikacja w LabVIEW Wykorzystane pakiety narzędziowe: Sterownik karty akwizycji danych: NI-DAQmx Obsługa protokołu Modbus: Modbus Library Obsługa zdalna: DataSocket Akwizycja obrazu: Image AcQusition Symulacje: Control Design & Simulation 51
Ograniczenie ilości przesyłanych danych Jak ograniczyć ilość przesyłanych danych? Zmniejszenie rozdzielczości FPS obrazu z kamery Ograniczenie liczby sygnałów sterujących (Boolean) Ograniczenie liczby danych pomiarowych: odtwarzanie prądu trzeciej fazy na podstawie dwóch pozostałych Dopasowanie formatu danych rezygnacja z typu Waveform zmiana reprezentacji liczb z Double na WordInteger 52
Podsumowanie Technologia dostarcza nam coraz to nowsze narzędzia do budowania laboratoriów wirtualnych, W zakresie projektowania laboratoriów wirtualnych - indywidualnie mamy duże osiągnięcia, W celu zbudowania sieci laboratoriów - mamy jeszcze wiele do zrobienia, Jesteśmy zmuszeni do działań zespołowych i solidarnych, Apel o patronat ze strony PTNEI!
LABORATORIUM WIRTUALNE Dziękuję za uwagę!