Instrumentația Virtuală

Prin termenul de Instrumentaţie Virtuală se înţelege utilizarea unui computer, dotat cu echipamente periferice de intrare şi ieşire specializate, pentru a simula caracteristicile şi funcţionarea unui instrument sau sistem de măsurare, de testare sau de înregistrare a datelor.

Instrumentele virtuale fac uz de traductoare si senzori pentru a intra în contact cu mărimea fizică măsurată, de eventuale sisteme de condiţionare a semnalelor, precum şi de circuite pentru conversia analog - digitală.

Diferenţa în raport cu sistemele de măsurare "clasice" este aceea că de aceasta dată toate funcţiunile de prelucrare şi analiză a valorilor măsurate, de stocare a acestor informaţii şi de transmitere a lor către utilizatorul uman sunt realizate de către computer şi nu de către aparatura dedicată.

Aplicaţiile software înlocuiesc astfel componente estimate a reprezenta 80% din circuitele unui aparat de măsurare sau testare specializat "clasic".

Software-ul care realizează aceste funcţiuni posedă în majoritatea cazurilor o interfaţă grafică având acelaşi aspect ca şi cel al panoului frontal al unui aparat de măsurare. Acesta este motivul pentru care aplicaţiile respective sunt numite Instrumente Virtuale.

In sistemele de măsurare computerizate cu instrumente virtuale, natura mărimilor fizice măsurate dictează doar configuraţia componentelor de genul traductoarelor şi în unele cazuri a condiţionatoarelor de semnal. In aval de acestea, după convertorul analog - digital, informaţia referitoare la valoarea mărimii măsurate este procesata doar prin intermediul componentelor software.

Dacă, de exemplu, un semnal de tip tensiune electrică necesită atât vizualizarea variaţiei în timp cât şi determinarea spectrului de frecvenţe, utilizarea instrumentaţiei virtuale permite folosirea aceluiaşi sistem de măsurare. Se înlocuieşte doar aplicaţia de prelucrare a semnalului sau se construieşte o aplicaţie care să afişeze simultan, într-o fereastra unică, ambele informaţii necesare. Mai mult, acelaşi sistem de măsurare, dar cu o aplicaţie software diferita, poate fi utilizat ca voltmetru, ca instrument de stocare a datelor sau ca sistem de avertizare.

Apariţia instrumentelor virtuale a permis astfel ca mai multe aparate de măsurare sau testare specializate sa poată fi înlocuite printr-o singură configuraţie hardware de sistem de măsurare computerizat, completată apoi cu diverse aplicaţii software.

De aici derivă unele dintre avantajele utilizării Instrumentaţiei Virtuale:

- flexibilitatea sporită a configuraţiilor sistemelor de măsurare;

- fiabilitatea crescută a componentelor;

- precizia crescută a prelucrării informaţiei;

- capacitatea de a efectua prelucrări de mai mare complexitate;

- costul mult redus în raport cu aparatele clasice.

Aplicaţiile instrumentaţiei virtuale nu se rezumă doar la măsurarea de mărimi fizice analogice. Rezidente în sisteme computerizate, instrumentele virtuale pot fi folosite drept generatoare de semnale analogice, pot manipula bidirecţional semnale digitale şi pot efectua operaţiuni de numărare/cronometrare sau de generare de trenuri de impulsuri.

Instrumentele virtuale pot transforma un computer în "centrul de comandă" al unei reţele de zeci de aparate de măsura capabile sa comunice prin protocolul GPIB.

Seturi de instrumente virtuale specializate pot efectua funcţii de comandă a motoarelor pas cu pas sau operaţii evoluate de prelucrare şi analiză a imaginilor sau sunetelor.

Sistemele de instrumentaţie virtuală nu se rezumă astfel doar la a înlocui aparatele de măsurare utilizate în aplicaţiile din laboratoarele de cercetare sau didactice, ci devin unelte complexe şi puternice de monitorizare şi control ale proceselor industriale.

Un sistem de instrumentaţie virtuală nu trebuie înţeles ca fiind majoritar rezident într-un computer. In laboratoarele de cercetare se utilizează îndeosebi plăci multifuncţionale de achiziţie de date montate în PC-uri, conţinând multiplexoare şi convertoare A/D şi D/A.

Sistemele de achiziţie "Real Time" îşi îndeplinesc funcţiunile şi în timpul "căderilor" sistemului de operare sau al resetărilor computerului gazdă.

In multe categorii de sisteme distribuite, multiplexoarele şi convertoarele au "migrat" din computer în zona condiţionatoarelor de semnal, însoţite de o interfaţă serială. Computerul gestionează astfel o reţea de puncte de măsurare, mult mai numeroase decât ar fi permis varianta sub forma analogică.

Sistemele dedicate uzului industrial, din gama PXI, utilizează computere de proces (controllere), având configuraţii şi caracteristici de funcţionare specifice şi dispunînd de o întreagă gamă de posibilităţi de comunicaţie ce includ protocoalele serial, Ethernet, SCSI, GPIB (IEEE 488), PCMCIA, CAN şi DeviceNet.

Facilităţile oferite de hardware-ul de achiziţie de date şi control de proces nu ar putea fi puse în valoare fără existenţa unui software adecvat. În acest sens se foloseşte mediul LabVIEW (LABoratory Virtual Instrument Engineering Workbench) – un mediu de programare bazat pe limbajul de programare graficǎ G, produs de Firma National Instruments (NI).

Avantajul folosirii mediului de programare grafica LabVIEW în instrumentaţia virtuală constă în abordarea în mediu unitar a dezvoltării aplicaţiilor pentru configuraţii hardware diverse şi protocoale de comunicaţie dedicate interacţiunii cu procese (începând de la cele mai simple pana la procese industriale de mare complexitate).

Funcţiunile mediului de programare grafică LabVIEW de transmitere a informaţiei prin intermediul diverselor protocoale de comunicaţie specifice Internet-ului vor face posibil un salt calitativ în dezvoltarea utilizatorilor spre folosirea de laboratoare virtuale şi spre monitorizarea şi comanda la distanţă a proceselor.

În concluzie, se poate aprecia că Instrumentaţia Virtuală are, datorită flexibilităţii şi versatilităţii sale, un potenţial imens pentru cei ce lucrează în domeniul educaţiei, ştiinţei şi tehnologiei, indiferent de gradul lor de specializare sau de nivelul de calificare. Instrumentele şi aparatele vor deveni din ce în ce mai ieftine şi mai performante, software-ul va putea fi dezvoltat în masă, chiar de către programatori neprofesionişti, iar aplicaţiile realizate vor avea un grad mare de accesibilitate datorită facilităţilor de comunicaţie existente.

Materialul contine modalitati de masurare a presiunii si temperaturii dintr-o incinta cu ajutorul instrumentatiei virtuale.

Se adreseaza studentilor de la inginerie chimica si/sau automatizari, informatica si face obiectul disciplinei Automatizari ale Proceselor din Industria Chimica.