Чтобы оставить комментарий, нужно зарегистрироваться.
Похожие темы научных работ
по народному образованию и педагогике, автор научной работы — ЮРАГОВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ, ПОПЦОВ АЛЕКСАНДР ВАЛЕНТИНОВИЧ
Текст научной работы
на тему "ПРАКТИКА РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ". Научная статья по специальности "Высшее профессиональное образование. Педагогика высшей профессиональной школы"
УДК 378.14.014.13 ББК 31.252
Е. А. Юрагов, А. В. Попцов
ПРАКТИКА РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ СИСТЕМ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
E. A. Yuragov, A. V. Poptsov
PRACTICE OF DEVELOPMENT AND APPLICATION OF INDUSTRIAL TEST SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL OBJECTS IN EDUCATIONAL PROCESS
Для повышения уровня подготовки студентов требуется большое количество практических занятий в условиях, максимально приближенных к современным производственным условиям.
Эту задачу решает концепция применения промышленных систем контроля технологических объектов, разработанная штатными сотрудниками кафедры информационных систем и измерительных технологий Московского государственного открытого университета. Согласно концепции, практическое применение дисциплин учебного процесса подготовки студентов рассматривается на примере функционирования промышленных информационно-измерительных систем. На протяжении последних 10 лет данная концепция зарекомендовала себя наилучшим образом и динамично развивается.
Ключевые слова: термоэлектрическая продукция, термоэлектрический охлаждающий модуль, термоэлектрический элемент, элемент Пельтье, информационно-измерительная система, промышленные системы, системы диагностики, неразрушающий контроль, учебный процесс, Московский государственный открытый университет.
Increasing an education level of students requires good practices in conditions closely connected to modern industrial one. The concept of using industrial test systems of technological objects developed by the staff of the Department of Information Systems and Measurement Technologies at Moscow State Open University can solve this task. According to this concept, practical application of basic disciplines of educational process is considered by the example of industrial information-measurement system functioning. Over a period of the last ten years the given concept has recommended itself in the best way and it has been dynamically developing nowadays.
Key words: thermoelectric production, thermoelectric cooling module, thermoelectric element,
Peltier element, information measurement system, industrial systems, diagnostic systems, not-destroying control, educational process, Moscow State Open University.
Введение
Необходимость поддержания высокого уровня развития отраслей промышленного производства ставит задачу тесной интеграции промышленных предприятий, научных учреждений и высшей школы. Решение задачи требует внедрения современных образцов систем, применяющихся в условиях серийного производства, в учебный процесс подготовки студентов и аспирантов.
В статье описана практика разработки комплексов испытаний технологических объектов в области термоэлектрической продукции для обеспечения полного цикла их производства и опыт последующего применения комплексов в учебном процессе.
Промышленные системы контроля качества термоэлектрической продукции
В последние годы наметилась четко выраженная тенденция к активному развитию и использованию методов терморегулирования на основе термоэлектрических (ТЭ) преобразователей, характеризующихся экологической чистотой и высокой надежностью, а также свойством обратимости, что позволяет использовать их в качестве охладителей в быту и промышленности. Важным направлением может стать применение ТЭ-элементов в информационных системах, использующих прямое и обратное преобразование электрических и тепловых полей.
В целом, за период с 1930 г., когда А. Ф. Иоффе высказал свою точку зрения о целесообразности применения полупроводниковых материалов для производства термоэлектрических устройств, эта область техники прошла путь от идеи до массового производства бытовых устройств.
Область применения элементов такого типа чрезвычайно широка - от термоэлектрических генераторов до портативных и стационарных холодильных установок, систем обеспечения температурного режима работы комплексов радиоэлектронной аппаратуры, медицинского, фармацевтического, научного измерительного и лабораторного оборудования, военной, космической, лазерной техники.
В настоящее время на территории РФ функционируют десятки предприятий по производству ТЭ-элементов и систем на их основе. В этой связи возникает естественная задача по обеспечению контроля качества ТЭ-продукции на всех этапах ее изготовления - от исходного полупроводникового материала до готовых к применению изделий при выходном контроле и на стороне потребителей.
Активное производство и распространение ТЭ-продукции ставит вопрос о контроле их параметров и введении единой системы проверки и методик испытаний, что позволит создать единую систему однородной продукции и контроля её производства.
В рамках многолетнего сотрудничества с ведущими предприятиями отрасли - НПП «Квант» (http://www.npp-kvant.ru), СКТБ НОРД (http://rus.sctbnord.com; российское подразделение компании РепО;ес Со. http://www.ferrotec.com, Япония), ГНЦ «Гиредмет»
(http://www.giredmet.ru), ГНЦ ВЭИ (http://www.vei.ru) и собственной научно-исследовательской деятельности кафедры информационных систем и технологий (ИСиТ) и вычислительной техники и программирования (ВТиП) Московского государственного открытого университета (МГОУ) с 1994 г. ведутся активные работы в обозначенном направлении.
Обеспечение замкнутого цикла контроля качества термоэлектрической продукции
Разработанные измерительные информационные системы (ИИС) обеспечивают комплексный контроль качества ТЭ-продукции на всех стадиях серийного и штучного производства, от входного контроля параметров полупроводниковых материалов, параметров ТЭ-элементов и изделий, собираемых на их основе, до анализа дефектных систем и элементов, вышедших из строя в процессе эксплуатации (рис. 1).
Рис. 1. Стадии контроля качества ТЭ-продукции
Выполнение всех видов контроля основано на применении как традиционных методов испытаний, так и модифицированных, учитывающих развитие современных методов обработки информации [1].
Одна из первых технологических стадий включает выбор подходящего ТЭ-материала -полупроводниковых слитков р-, «-типа и комбинированных, предназначенных для нарезки ветвей ТЭ-элемента. Для контроля параметров полупроводниковых ТЭ-слитков разработана измерительная информационная система серии Т81 для входного контроля при серийном производстве (разработка 2001, 2011 гг.) [2].
Комплекс представляет собой компьютеризированное рабочее место, включающее: программно-управляемый измерительный блок; систему сбора данных на базе интерфейсов 18Л/РС1/и8Б; два держателя слитков; внешний силовой источник питания с функцией программного задания амплитуды и частоты измерительного тока; 1БМ РС-совместимый компьютер в стандартной комплектации; пакет специального программного обеспечения.
Комплекс обеспечивает отбраковку полупроводниковых слитков, используемых в производстве ТЭ-элементов, по граничным значениям удельной электропроводности участков слитка заданной длины. С помощью встроенных температурных датчиков результаты приводятся к нормальной или заданной оператором температуре. Держатель слитков с установленными в нем измерительными зондами обеспечивает снятие сигналов максимум с 20 участков слитка.
Результаты испытаний сохраняются в базе данных значений измеренных параметров с фиксацией условий испытаний, в том числе температуры, измерительного тока, расстояния между зондами.
Следующая технологическая стадия контроля качества заключается в проверке готовых ТЭ-изделий [3]. Измерительные информационные системы серии 2ЯТМ (разработка модификации в 1994, 1998, 2002 и 2011 гг.) предназначены для испытаний термоэлектрических преобразователей (термомодулей охлаждающих и генераторного типа) в серийном производстве и позволяют получить интегральную оценку качества их изготовления (рис. 2).
Оценка ведется по граничным значениям параметра эффективности и сопротивлений образца на переменном и постоянном токе. Для оценки параметра эффективности реализован модифицированный метод Хармана, учитывающий поправку на вакуум и измерительный ток [4].
Комплекс представляет собой компьютеризированное рабочее место, включающее: программно-управляемый измерительный блок с функцией программного задания амплитуды и частоты измерительного тока, выбора измерительных каналов; систему сбора данных на базе интерфейсов 18Л/РС1/и8Б; два держателя испытуемых ТЭ-модулей; 1БМ РС-совместимый компьютер в стандартной комплектации; пакет специального программного обеспечения.
Результаты испытаний приводятся к нормальной или заданной оператором температуре с помощью температурных измерений. Предусмотрено одновременное подключение двух держателей, программно переключаемых. Каждый держатель испытуемых образцов обеспечивает подключение до 20 ТЭ-элементов, а схемотехнические решения позволяют выполнить испытания всех образцов (до 40 элементов) с подготовкой всех отчетных форм в течение не более 5 минут.
Для решения задач мелкосерийного производства и входного контроля качества ТЭ-изделий разработан портативный тестер (2005 г.), обеспечивающий функциональные возможности комплекса 2ЯТМ в мобильном варианте исполнения (рис. 3).
Рис. 2. Рабочее место оператора комплекса 2ЯТМ
Рис. 3. Портативный тестер ТЭ-изделий
Тестер реализован на базе микроконтроллера ЛТМБЬ и работает автономно от ПЭВМ.
Применение промышленных образцов в учебном процессе
Схемотехнические решения, шаблоны проектирования, отдельные реализации алгоритмов и методов испытаний, в том числе физика процессов самих технологических объектов и функционирование комплексов испытаний, адаптированы для применения в учебном процессе подготовки студентов и аспирантов и для проведения научно-исследовательской работы студентов (НИРС) в соответствии с учебными планами специальностей 200106 и 230105 по дисциплинам:
— Физические основы получение информации (ФОПИ);
— Теоретические основы электротехники (ТОЭ);
— Измерительные информационные системы (ИИС);
— Программное обеспечение измерительных процессов (ПОИП);
— Системное программирование (СП);
— Цифровые измерительные устройства (ЦИУ);
— Объектно-ориентированное программирование (ООП);
— Технология разработки программного обеспечения (ТРПО);
— Метрология, стандартизация и сертификация (МСС).
В таблице приведены ключевые вопросы дисциплин из рабочих программ применительно к проблематике построения отдельных элементов разработанных систем автоматизации.
Перечень изучаемых тем в разрезе выбранной тематики
Дисциплина Специальность Кафедра Изучаемые вопросы
ФОПИ 200106 230105 ИСиТ ВТиП Измерительные преобразователи, эффект Пельтье и Зеебека, математическое моделирование ТЭ-преобразователей, физическое моделирование тепловых насосов, ТЭ-элементы и системы на их основе, методы и средства неразрушающего контроля и испытаний технологических объектов
ТОЭ 200106 ИСиТ Переходные процессы в линейных электрических цепях, построение электрических цепей и расчет их параметров
ЦИУ 200106 ИСиТ Многофункциональные устройства сбора и обработки измерительных данных, классификация, принципы работы и программирование плат АЦП и элементов цифровых схем
МСС 200106 ИСиТ Оценка метрологических характеристик, стандартизация и сертификация систем
ООП 230105 ВТиП Формирование словаря задачи, ИМЬ-модели информационных систем, объектноориентированные классы и программные компоненты, инструменты моделирования
СП 200106 230105 ИСиТ ВТиП Программирование микропроцессорных устройств, разработка драйверов, реализация интерфейсов низкоуровневого программирования
ТРПО 230105 ВТиП Создание шаблонов проектирования, применение компонентно-объектных методов в разработке приложений автоматизации, клиент-серверные решения, СУБД-технологии
Многозначность разработанных комплексов позволяет их адаптировать и использовать для выполнения лабораторных, практических и семинарских занятий по профилирующим дисциплинам, а также в качестве научно-исследовательской базы в курсовом и дипломном проектировании. Занятия проводятся в условиях лабораторий кафедр ИСиТ и ВТиП, а также учебнометодического центра МГОУ на базе ОАО «НПП «Квант».
Использование комплексов в качестве стендов при проведении лабораторного практикума дает возможность подробно изучить проблематику на примере конкретного технологического процесса, оценить возможности его автоматизации средствами вычислительной техники.
Исследовательские возможности комплексов служат базой для практической реализации измерительного эксперимента в условиях современного промышленного производства, а также заделом для научной работы студентов и аспирантов в рамках развиваемого направления.
В [5-8] представлены адаптированные для учебного изложения программные модели реально действующих программно-аппаратных комплексов, ориентированных на решение задач автоматизации технологических процессов.
Закрепление практикантов за штатными сотрудниками отделов, в которых используются комплексы, и полноценное участие в производственном процессе позволяют развить навыки и знания, востребованные в соответствии со спецификой конкретного производства. Например, в отделе ТЭ-изделий ОАО «НПП «Квант» практикант принимает участие и получает навыки:
— исследования характеристик ТЭ-изделий (переходные характеристики, сопротивление, параметр эффективности ТЭ-модулей при различных условиях испытаний, визуализация измеряемых величин);
— изучения теоретических сведений в области материаловедения, электротехники, метрологии, стандартизации, сертификации, ИИС относительно проблематики ТЭ-продукции;
— непосредственного изготовления изделий и испытаний ТЭ продукции (отбраковка элементов, ведение базы данных испытаний).
Заключение
Технические возможности комплексов в рамках НИРС предоставляют возможности для изучения специфики конкретных технологических процессов, прикладных методик измерения параметров технологических объектов в условиях серийного производства (если работа ведётся в условиях производственного предприятия) и позволяют практически развить и закрепить общетеоретические концепции построения и функционирования ИИС в условиях лабораторий вуза или НИИ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Путилин А. Б., Юрагов Е. А. Разработка измерительных тестовых систем контроля качества продукции в области термоэлектричества // Автоматизация в промышленности / ИПУ РАН. - М.; 2003. - № 8. -С. 48-51.
2. Жолобов С. В., Нефедов С. В., Юрагов Е. А. Система контроля основных параметров термоэлектрических материалов в серийном производстве / Всерос. науч.-техн. конф. - Ч. 1. - Н. Новгород, 2000. - С. 5.
3. Измерительная система оценки параметров термоэлектрических модулей ZRTM / Е. А. Юрагов, А. Б. Путилин и др. // Термоэлектричество. - 2002. - № 2.
4. Путилин А. Б., Юрагов Е. А. Анализ возможностей и реализация современных методов измерения эффективности термоэлектрических элементов // Измерительная техника. - 2003. - № 12. - С. 35-38.
5. Путилин А. Б., Юрагов Е. А. Компонентное моделирование и программирование на языке UML. Практическое руководство по проектированию информационно-измерительных систем. - М.: НТ-Пресс, 2005. - 664 с.
6. Юрагов Е. А. Программное обеспечение измерительных процессов: в 2 ч.: учеб. пособие. -М.: МГОУ, 2011. - Ч. 1. - 260 с.
7. Юрагов Е. А. Объектное моделирование и программирование информационных систем: учеб. пособие. - М.: МГОУ, 2011. - 257 с.
8. Юрагов Е. А. Системное программирование: лабор. практикум. - М.: МГОУ, 2011. - 88 с.
Статья поступила в редакцию 12.05.2012 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Юрагов Евгений Алексеевич — Московский государственный открытый университет им. В. С. Черномырдина; канд. техн. наук; доцент кафедры «Информационные системы и измерительные технологии»; evg-uragov@yandex.ru.
Yuragov Evgeniy Alekseevich - Moscow State Open University named after V. S. Chernomyrdin; Candidate of Techn^l Sciences; Assistant Professor of the Department "Information Systems and Measurement T echnologies"; evg-uragov@yandex.ru.
Попцов Александр Валентинович - Московский государственный открытый университет им. В. С. Черномырдина; аспирант кафедры «Информационные системы и измерительные технологии»; alaax0058er@yandex.ru.
Poptsov Alexander Valentinovich - Moscow State Open University named after V. S. Chernomyrdin; Postgraduate Student of the Department "Information Systems and Measurement Technologies"; alaax0058er@yandex.ru.
