МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОГО ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЕМ МЕТОДАМИ ГИБРИДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Аннотация. В статье рассматриваются применение гибридного моделирования на примере системы управления нагревателем. Описаны преимущества и сложности применения данного метода при разработке системы беспроводного дистанционного управления.

Ключевые слова: Гибридное моделирование, виртуальная модель, SPICE-модель, электронное устройство.

Разработка любой автоматизированной системы управления, начинается с построения модели и отладки ее работоспособности. В зависимости от  используемой при описании системы информации, можно выделить следующие виды моделирования:

• математическое, описание объекта с помощью математических формул;
• физическое, описание физических процессов в системе;
• компьютерное, замена реальных устройств – условными графическими обозначениями;
• имитационное, оценка поведения системы при изменяющихся во времени условиях.

С увеличением количества устройств, входящих в состав системы управления, растет объем данных, необходимых для более точного описания ее модели и сложность оценки характера дальнейшей работоспособности.  Применение библиотек систем схемотехнического моделирования, позволяет  создавать модели систем любой сложности без необходимости сбора, обработки и систематизации большого объема данных.  Проблемы возникают, когда нужного компонента нет в библиотеке программы, поэтому возникает необходимость применения реального устройств совместно с виртуальными элементами. На этом и основан принцип гибридного моделирования.

Гибридное моделирование – это сочетание методов компьютерного и  физического моделирования, при построении модели системы автоматизированного управления.

Целью применения данного метода является разработка виртуальной модели системы беспроводного дистанционного управления с применением реального электронного устройства.

Компьютерная составляющая гибридного моделирования заключается в создании принципиальной схемы электронной системы, далее виртуальная модель, в программе-симуляторе.

В программах Micro-Cap, P-CAD, Proteus электронные устройства заменены на модели, описанные на языке SPICE[1]. Использование компонентов, основанных на SPICE-моделях, уменьшает объем данных, с которыми непосредственно работает пользователь. Разработчик взаимодействует только с условными графическими обозначениями элементов, а программа в свою очередь работает со всеми данными по ним. Развитая система симуляции позволяет проверить работоспособность модели в различных условиях.

Созданная в САПР Proteus, виртуальная модель системы управления нагревателем представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Виртуальная модель системы управления нагревателем

Физическая часть основана на использовании периферийного электронного устройства, подключаемого к внешним COM/USB портам компьютера. Применение реального устройства решает проблему конечности  библиотек компонентов в программе, а так же позволяет создавать модель более гибкой системы, неограниченной конкретной комплектацией. Для осуществления беспроводного дистанционного управления был выбран промышленный GSM/GPRS терминал Siemens MC35i, представленный на рис. 2[3]. Модем обеспечивает передачу данных, текстовых сообщений SMS в сетях GSM. Обмен данными с сопряженными устройствами осуществляется через стандартный интерфейс RS–232.

Рисунок 2. Внешний вид GSM/GPRS модема Siemens MC35i

Основная сложность гибридного моделирования, заключается в подключении, совместной работе и передаче данных между реальным устройством и виртуальной моделью. Для решения этой проблемы в библиотеке компонентов ISIS Proteus предусмотрены два виртуальных элемента COMPIM и USBCONN, эмулирующие работу COM и USB портов компьютера соответственно[2, 4]. Условные графические обозначения данных элементов представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Виртуальные элементы в Proteus: а) COM-порт; б) USB-порт

Перед проверкой работоспособности гибридной модели нужно в окне настройки компонента «COMPIM» (рис. 3) указать название виртуального порта, а так же выставить параметры реального COM-порта компьютера, с которым будет происходить обмен данными.

Рисунок 4. Окно настройки компонента COMPIM в Proteus

Для настройки соединения между реальным портом и виртуальным необходимо применение специальных программ, таких как Virtual serial ports Driver и Virtual Serial Ports Emulator[5,6].

Периферийное электронное устройство (модем MC35i) через GSM сеть принимает управляющие SMS-сообщения и через интерфейс RS-232 оповещает об этом виртуальный микроконтроллер. В соответствии с исходным кодом программы «прошивки», микроконтроллер осуществляет чтение SMS-сообщения и на основе полученной команды производит пуск, либо остановку виртуального нагревателя. Реакция модели системы управления, на входящий сигнал  «1», представлена на рис. 5, нагреватель включен.

Рисунок 5.  Модель системы управления нагревателем в режиме симуляции

В работе применено гибридное моделирование для разработки системы управления нагревателем и рассмотрено взаимодействие реального электронного устройства и виртуальной модели, что может обеспечить возможность  быстрой замены одних периферийных устройств на другие без внесения изменений в основную виртуальную часть. Применение методов гибридного моделирования позволило создать модель системы беспроводного дистанционного управления объектом и проверить её работоспособность.

Список литературы:

1. Национальная электронная библиотека им. Н. Э. Баумана [Электронный ресурс] // Spice (язык программирования) – Режим доступа. – URL: http://ru.bmstu.wiki/Spice_(язык_программирования) (дата обращения 25.04.2017)
2. Работа в Proteus. Часть 3 [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://cxem.net/comp/comp119.php (дата обращения 25.04.2017)
3. ONEGSM [Электронный ресурс] // SIEMENS. MC35i терминал. Инструкция по эксплуатации – Режим доступа. – URL: http://www.onegsm.ru/files/Siemens/siemens_mc35i_manual.pdf (дата обращения 11.05.2017)
4. Proteus VSM [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://cxem.net/software/proteus.php (дата обращения 25.04.2017)
5. Virtual Serial Port Driver [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://www.eltima.com/ru/products/vspdxp/ (дата обращения 05.05.2017)
6. Virtual Serial Ports Emulator [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.eterlogic.com/Products.VSPE.html (дата обращения 05.05.2017)