Сударь, у Вашей АЭС уши разъехались. Весёлая визуализация многопараметрических систем
Описание интересной идеи визуализации контроля за техническими системами с зависимыми параметрами.
Минимпример реализации этой идеи для управления и контроля за выходными радиолампами в аудио-усилителе.
И заодно про радиолампы, ламповые усилители, религию Hi-Fi и Hi-End.
Пульт контроля и управления современной Атомной Электростанции:
Блочный Щит управления Кольской АЭС
АЭС с точки зрения управления ею — это многопараметрическая система. Огромное количество контролируемых объектов: положение стержней, температуры разных частей, вращение насосов, давления, скорости потоков, радиация… Конечно электроника контролирует, что бы все параметры находились в пределах нормы. Но при этом все равно обязательно наличие специально обученных диспетчеров, которые круглосуточно сменами сменяя друг друга, следят за работой сложнейшей системы.
Большинство важных параметров отображаются на дисплеях, щитах, пультах управления мониторах компьютеров. Очень многопараметрическая система!
Причем часть контролируемых параметров вполне может быть не жестко определенными, а изменяться. Но не просто иметь какой-то допустимый разброс, а изменяться в зависимости от ситуации и поведения системы. Например: поднялась температура носителя –> увеличилось число оборотов насоса охлаждения — > изменилось давление в дифференциальном датчике, контролирующем поток и т.д.
Иными словами часть параметров могут быть взаимосвязанными между собой и важно контролировать не нахождение их в некой допустимой «зеленой» зоне, а удостовериться в правильной взаимосвязи зависимых параметров.
Много лет назад один знакомый рассказывал реализованную кем-то интересную идею представления таких взаимозависимых параметров в виде веселой рожицы с изменяющимися деталями. Например: температура теплоносителя — это цвет лица, скорость вращения насоса — ширина мордочки, давление в дифференциальном датчике — расстояние между ушами и т.д.
Взглянул быстро на такую мордочку и видно, что чуть покраснела, раздалась вширь, но уши на месте. И понятно, что в системе жарко, но она справляется. А вот если волосы вдруг дыбом встали, нос набок ушел или уши разъехались — значит проблема и нужно смотреть более тщательно параметры, не сломалось ли что-то.
И не обязательно визуализация должна быть именно мордочкой. Любая картинка, которая выглядит привычно, если параметры в норме, и непривычно, если что-то идет не так.
Мне эта идея очень понравилась, но повода для реализации долгое время не было.
Пока не возникла одна затея на стыке двух «нестыкуемых» областей: радиоламп и микроконтроллера.
Материнская плата AOpen AX4B-533 Tube с оконечным аудиоусилителем на радиолампе.
Ее высочество Радиолампа
Немного экскурса в прошлый век и обратно.
Радиолампы в наше время с одной стороны — это анахронизм. А с другой — они сейчас переживают вторую жизнь благодаря увлечению части аудиофилов ламповым звуком. На радиолампах разные серьезные мировые компании, производители поменьше и радиолюбители одиночки разрабатывают, производят, выпускают и просто паяют Hi-Fi и Hi-End аудио усилители.
И для этого в мире до сих пор производятся радиолампы! Вот самые известные заводы:
Завод JJ в Чехии. В советские времена это был завод Tesla.
Бывший завод «Рефлектор» в Саратове, выпускающий сейчас радиолампы под несколькими брендами: Sovtek, Electro Harmonix, Genalex Gold Lion, Tung-Sol, Mullard.
И несколько китайских производителей. Куда же без них :). Наиболее качественными считаются PSvane и Shuguang, подтягивается FullMusic.
Кроме радиоламп в усилителе есть конечно и другие детали: конденсаторы, резисторы, трансформаторы… А кроме усилителя есть еще звуковоспроизводящие колонки, провода к ним и разъемы, куда они подключаются и т.д. и т.п.
There is an imposter among us:)
И согласно идеологии современных ламповых аудиофилов ВСЕ эти детали должны быть высочайшего качества, согласовываться с параметрами именно ламповых усилителей и вообще соответствовать высокой планке Hi-Fi и Hi-End. И только тогда можно добиться настоящего вакуумного звука! Один несанкционированный лазутчик внутри усилителя: конденсатор, разъем или даже предохранитель способен разочаровать тонкий слух ценителя.
Одним из направлений в достижении настоящего, правильного звучания в усилителе-строении является использование в нем деталей того, старого производства, когда сетки на лампах наматывались вручную и были золотыми. Когда конденсаторы не включали высоких технологий для увеличения емкости при уменьшении размера, а были чисто металло-бумажно-масляными (МБМ). Когда резисторы были графитовыми и желательно безиндуктивными, а провода из «настоящей» меди с посеребрением.
И на радость этой потребности во время Перестройки вскрылись запасы советских военных складов, которых на то время оставалось еще очень много на территории России, Украины и других бывших советских республик. Настолько много, что до сих пор, спустя почти полвека на радиорынках и АВИТО продаются радиолампы 1960–80х годов выпуска. К слову сказать, они имеют гарантийный срок хранения не более 12 лет, но прекрасно работают спустя 40–50 (!) с минимальной отбраковкой.
Я упомянул слово «военных» складов. Почему военных, а не гражданских залежей неликвидов? Дело в том, что для ремонта ламповых телевизоров и творчества в тогдашних радиокружках (офлайн наставнических клубов :) требовалось довольно немного радиоламп. И даже для этой потребности в магазинах радиодеталей был некоторый их дефицит. А вот военные склады ломились и пухли с каждой пятилеткой результатами производства разнообразных заводов военно-промышленного комплекса с непримечательными названиями типа Урюпинский машиностроительный завод. Это было связано, во-первых, с маховиком советской экономики, который, раскрутившись, довольно сложно было переориентировать или остановить.
Ящик с ЗИП
А во-вторых, говорят, что в больших залежах запчастей и радиодеталей для ремонта военной техники была своеобразная доктрина на случай войны. А именно возможность оперативного ремонта и восстановления вышедшей из строя техники вместо ее длительного производства с нуля. На единицу техники могло быть на складе до 10 разнообразных ЗИПов (зап.частей, инструментов и принадлежностей).
Экономика того времени считается неэффективной. Возможно. Но мне кажется, что мы до сих пор «поедаем» достижения той экономики и того времени. До сих пор (>30 лет спустя !) на радиорынках и интернет маркетах продаются радиодетали тех времен. Я не уверен за другие отрасли, но все таки рискну предположить, что основные месторождения нефти и газа были разведаны до перестройки. А многие российские (высоко)технологические товары базируются на разработках тех времен (если исключить заимствованные).
Вот здесь находится видео процесса производства радиоламп на Саратовском заводе:
Лампы после такого процесса производства имеют достаточно большой разброс параметров — около полутора раз.
А примерно половина выходные каскадов усилителей выполнены по двухтактной схеме (push-pull), где 2 лампы работают в паре и усиливают каждая свою полуволну сигнала. В таком включении при наличии разброса в параметрах радиоламп будет довольно большой коэффициент искажений.
Поэтому в схему добавляется какая-то регулировка, позволяющую выровнять токи анода разных ламп и тем самым «централизовать» среднюю точку двухтактника для уменьшения искажений.
Выделенные красным переменные резисторы балансирует предварительный и выходной каскады, нивелирую различия в параметрах ламп.
Правда у некоторых разработчиков ламповых усилителей не приветствуется такие решения. Они стремятся минимизировать количество деталей в схеме, «отсечь все лишнее» мешающее прохождению сигнала через вакуум. По-возможности убрать межкаскадные конденсаторы, и использовать лампы с заведомо одинаковыми характеристиками.
Для таких решений на рынке продажи радиоламп развит сервис подбора ламп в пары. Перемеряется партия радиоламп, и отбираются пары с близкими параметрами (а для некоторых схем четверки и даже октеты).
Вот такой минимализм и красота, 10 конденсаторов и 10 резисторов:
Сравните со схемой промышленного усилителя советских времен с аналогичными функциями:
А вот эта мне особенно нравится:
Схема радиолы «Беларусь-62С».
Шла обязательно в комплекте с каждой проданной радиолой.
Когда границы СССР открылись, и радиолюбители всего мира стали обмениваться идеями, схемами и радиодеталями, то на каком-то форуме я встретил пост иностранца под одной из аналогичных ламповых схем какой-то советской радиолы: «Чем больше радиоламп, тем теплее становилось советским инженерам холодными зимними вечерами». :).
Но если не гнаться за радикальным минимализмом и оставить возможность подстройки радиоламп, то клиентоориентированный подход требует, что бы конечному пользователю не нужно было с мультиметром и отверткой раз в несколько месяцев или после смены радиоламп подстраивать усилитель. Да, да. Радиолампы не вечные. Обычная наработка 3000–5000 часов и при активном использовании раз в 2 года их нужно менять. А в процессе своего использования и старения параметры вполне могут уплывать от первоначальных, что тоже требует внимания и подстройки.
И вот тут возникла идея помочь лампам сбалансироваться с помощью микроконтроллера. Который будет замерять токи анода каждой лампы и корректировать напряжение на сетках для выравнивания этих токов.
Идея: встроить в ламповый усилитель микропроцессорный блок, который без участия пользователя будет контролировать параметры выходных радиоламп и подстраивать их, балансировать выходной каскад. Для чего замерять токи катода каждой лампы и корректировать напряжение на сетках (оно же напряжение смещения, оно же bias) для выравнивания этих токов.
Блочок так и назвался: «Краб»
Довольно простая задача, которую в принципе можно было бы решить (и решают обычно) не полупроводниковым или хотя бы не микросхемным способом, дабы не выглядеть кощунственно в глазах истинных ламповых аудиофилов. Полупроводник способен нарушить всю религию вакуумного звука. А предложить встроить в ламповый усилитель микроконтроллер, да еще в такой близости от нее — это сродни вандализму.
Но идея свербила, руки чесались, мозги кипели, и родился Блок автоматической подстройки радиоламп «Краб-4ф» (на 4 лампы в схеме с Фиксированным смещением).
В качестве рекламного слогана, который хоть немного сгладил бы эту вандальную идею придумал фразу:
«Микроконтроллер на службе у ЛАМПЫ».
Ну и коль из пушки по воробьям, то появились:
дисплей,
меню настройки блока под конкретные лампы,
осциллограф,
VU‑метр (стрелочки, как в старых магнитофонах),
стартовый прогрев ламп с логотипом заказчика,
контроль состояния радиоламп (сигнализация неисправности),
снятие катодно‑сеточных характеристик для оптимального выбора рабочей точки
и просто экран с параметрами всех 4х контролируемых ламп.
У каждой лампы свой ток катода, который замеряет блок, и исходя их него в обратную сторону выставляет на лампу сеточное напряжение для выравнивания этого тока у всех 4х ламп до предустановленного значения. Т.е. в результате у всех ламп одинаковый ток катода и какие-то возможно неодинаковые сеточные напряжения.
Вот это уже и есть та самая «многопараметрическая» система с зависимыми параметрами, которую захотелось визуализировать! Что бы пользователь глянул на экран и сразу понял, что например 3-я лампа как-то неадекватно себя ведёт, и ее пора бы поменять.
Angry Birds
И вот какой получился результат: каждая лампа — это одна из птичек Angry Birds.
Все ОК,
Ее положение по вертикали — это ток катода. Если токи всех ламп выровнялись, то все птички сидят на одной высоте на жердочке.
А положение птичек по горизонтали — это напряжение на сетках. Если лампы имеют изначально близкие параметры, то для одинаковых токов катода на них потребуется подать примерно одинаковые напряжения на сетки. И все птички будут в одном месте. Для красоты картинки я их расставил с одинаковым интервалом, что бы не слипались в центре экрана, и получилось очень залипательное видео, как после включения усилителя все птички-лампы взлетают с земли и выстраиваются в рабочий режим.
Если кто-то из пернатой компании сидит на одной высоте, но неравномерно — значит, эта лампа чувствительно отличается от остальных по параметрам, но все же блоку удалось ее выровнять с остальными. А вот если птичка свалилась на землю кверху лапками или унеслась под потолок, то лампа неисправна и ее под замену.
Конечно не все заказчики фанаты Angry Birds. Вот здесь строгая кастомизация с VU-метром под одного из заказчиков:
А если есть 20 минут свободного времени, то вот здесь полная видеоинструкция этого блока (с момента 6.20 полет Angry Birds):
