Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji pomiarów i diagnostyce maszyn

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ TRANSPORTU KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH ĆWICZENIE 14 Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji Katowice,

2 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z metodami automatyzacji pomiarów i ich analizą w diagnostyce maszyn. Zapoznanie się z metodyką pomiarów wykonywanych przy pomocy komputera klasy PC, oraz architekturą interfejsów komputerowych. Celem ćwiczenia jest również wykonanie szeregu pomiarów wzorcowania czujnika temperatury podłączonego do portu równoległego komputera i wyznaczenie dokładności wykorzystywanej aparatury pomiarowej. 2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA Obecnie bardzo często mamy do czynienia z procesami technologicznymi i eksploatacyjnymi, których systemy oparte są na utrzymaniu odpowiedniego poziomu kilku a nawet kilkunastu parametrów pracy jednocześnie. Systemy takie wymagają sterowania i diagnostyki opartej na wielokanałowych systemach pomiarowych mierzących żądane parametry w czasie rzeczywistym z dużą dokładnością i wykorzystujące uzyskane informacje z pomiarów do automatycznej korekty prawidłowości pracy systemu. Poprawne działanie systemów opartych o kilka, kilkadziesiąt czy kilkaset osobno sterowanych urządzeń, nie jest możliwe bez użycia automatyzacji ich sterowania i kontroli z wykorzystaniem komputerów. Dawniej do zadań przemysłowych wykorzystywano jedynie komputery przemysłowe o architekturze wewnętrznej ukierunkowanej na stawiane cele w przemyśle. Architektura dzisiejszego komputera klasy PC, poziom technologiczny jego wykonania i oprogramowania a ponad wszystko dostępność i niska cena spowodowały, że dzisiaj często łatwiej jest konstruować i eksploatować urządzenia sterujące i pomiarowe oparte o komputer PC. Wykorzystanie komputerów w technice pomiarowej i diagnostyce daję wiele zupełnie nowych możliwości. Umożliwia szybki przesył dużej ilości informacji na teoretycznie nieograniczonym zasięgu (również bezprzewodowo), pozwala przetwarzać sygnały pomiarowe w czasie rzeczywistym i analizować uzyskane wyniki z wykorzystaniem zaawansowanych technik wnioskowania wykorzystujących sztuczną inteligencję. Najczęstszym rozwiązaniem w konstrukcji układów pomiarowych opartych o komputer klasy PC jest dziś rozwiązanie pokazane na rysunku 1. Czujnik pomiarowy o znanym zakresie i funkcji zamiany wartości wielkości mierzonej na sygnał wyjściowy wysyła sygnał napięciowy (prądowy) do wzmacniacza pomiarowego. Wzmocnienie wzmacniacza jest tak dobrane, aby z jednej strony objąć swoim zakresem pracy cały zakres sygnału wyjściowego czujnika, a z drugiej strony, aby zakres sygnału wyjściowego po wzmocnieniu mógł w całości być rejestrowany przez przetwornik analogowo cyfrowy lub bezpośrednio przez rejestrator. Tak przetworzony sygnał przesyłany jest poprzez jeden z interfejsów komputera do wyznaczonej komórki pamięci. Zainstalowane wcześniej oprogramowanie ustala protokół transmisji danych, pobiera je z odpowiedniego adresu pamięci operacyjnej, dekoduje, przetwarza, rejestruje i przedstawia w formie graficznej. Niejednokrotnie stosuje się również wstępną analizę uzyskanych wyników, a nawet umożliwia wnioskowanie i wykonywanie określonych zadań sterowania na podstawie uzyskanych rezultatów pomiarowych. Wykorzystując fakt, że najczęściej do zadań pomiarowych, wystarczy zastosowanie komputera Pentium 386 i dyskiem o niewielkiej pojemności, często upraszcza się schemat układu pomiarowego pokazanego na rysunku 1 do układu, gdzie dodatkowo rolę rejestratora przejmuje bezpośrednio komputer. Wykorzystanie w tym celu komputera przenośnego typu notebook umożliwia podobną mobilność całego układu pomiarowego taką jak dla klasycznych układów z rejestratorami, ale umożliwia uzyskanie kilku dodatkowych funkcji, 2

3 takich jak wstępna analiza i prezentacja uzyskanych wyników, ich rejestracja w dużej ilości, korekta i możliwość przesłania na odległość. Jedną z ważniejszych korzyści związanych z wykorzystaniem komputera do diagnostyki maszyn, jest możliwość oprogramowania go tak, aby odpowiadał indywidualnym wymaganiom i specyfikacji przeznaczonego do pomiaru zmian wielkości parametrów diagnozowanego procesu. Program zarządzający pracą systemu pomiarowego czy pomiarowo sterującego, pozwala na wykorzystanie praktycznie nieograniczonej liczby i stopnia komplikacji funkcji wykonywanych na mierzonych przebiegach. 3. STANOWISKO LABORATORYJNE W celu zapoznania studentów z budową systemu pomiarowego opartego na komputerze klasy PC i umożliwienia wykonania pomiarów temperatury i drgań, stanowisko laboratoryjne zaopatrzono w komputer, oscyloskop cyfrowy, termoparę, miernik uniwersalny z optozłączem do PC, pirometr i przetwornik analogowo cyfrowy wraz z odpowiednim oprogramowaniem. Czujnik pomiarowy Przetwornik sygnału pomiarowego Wzmacniacz sygnału Przetwornik A/C Multiplekser Rejestrator Interfejs do transmisji danych Interfejs komputera PC Oprogramowa nie Odczyt informacji z komórek pamięci Zakres sygnału pomiarowego Sygnał parametryczny lub generacyjny Wstępne przetworzenie sygnału Wzmocnienie do zakresu przetwornika AC Zamiana z sygnału analogowego na postać cyfrową Zapis w pamięci podręcznej RAM Zamiana i przesył danych szeregowo lub równolegle Odczyt danych Odczyt danych z wg ustalonego komórki pamięci protokołu i przetworzenie Rys. 1. Schemat architektury układu pomiarowego wykorzystującego komputer klasy PC 4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO W celu wykonania wzorcowania układu pomiarowego opartego na rezystancyjnym czujniku temperatury i ośmiobitowym przetworniku analogowo cyfrowym poprzez jednoczesny pomiar układem pomiarowym z wykorzystaniem termopary i miernika 3

4 uniwersalnego podłączonego do komputera przez interfejs RS 232 oraz pirometru, należy zmontować układ według schematu pokazanego na rysunku 2. Po prawidłowym połączeniu układu należy przeprowadzić wzorcowanie układu pomiarowego opartego na porcie szeregowym i przetworniku AC. Źródło ciepła Czujnik pomiarowy termistor Pirometr Minolta Czujnik pomiarowy termopara Wzmacniacz sygnału Ośmiobitowy przetwornik A/C Interfejs do transmisji danych LPT (Centronics) Miernik uniwersalny z funkcją pomiaru temperatury po wywzorcowaniu termopary, transmisja do PC poprzez RS 232 Specjalistyczne oprogramowanie do odczytu, dekodowania i prezentacji wyników pomiarów odczytanych z komórki pamięci Oprogramowanie firmowe przyrządu pomiarowego Rys. 2. Schemat stanowiska laboratoryjnego Interfejs to zespół środków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elektryczne i informacyjne oraz ustalających funkcjonalne relacje pomiędzy fizycznie odrębnymi częściami systemu, zgromadzonymi w celu wymiany informacji między nimi. Podstawowymi elementami interfejsu są: kable, złącza, nadajniki linii, odbiorniki linii, linie sygnałowe, funkcje interfejsowe z opisem logicznym, zależności czasowe oraz sterowanie. Wymiana danych odbywa się przez kanał transmisyjny, którym może być np. przewód, światłowód, fale radiowe. Rys.. Kanał interfejsu pomiędzy dwoma jednostkami. Funkcje interfejsu Funkcja konwersji polega na dostosowaniu typu danych w jednostce do typu danych stosowanego w kanale transmisyjnym (poziomy logiczne, kody, formaty wszystkich informacji). Funkcja synchronizacji (ang. handshake) zapewnia synchronizację transmisji danych, uwzględnia ewentualne nieregularne lub przypadkowe opóźnienia w kanale transmisyjnym. Funkcja przerwania pozwala na zatrzymanie normalnej komunikacji, aby umożliwić przesłanie specjalnych komunikatów, dotyczących zarządzania interfejsem. Funkcja buforowania jest konieczna, gdy interfejs nie jest w stanie odbierać danych w sposób ciągły lub gdy kanał transmisyjny nie jest zawsze zdolny do transmisji danych w momentach, w których oczekuje tego odbiorca danych. 4

5 Funkcja zarządzania interfejsem zapewnia właściwe funkcjonowanie złożonych systemów interfejsu (inicjacja interfejsu, obsługa przerwań, zabezpieczenia przed przeciążeniem). Funkcja korekcji błędów pozwala na korekcję błędów w danych, spowodowanych przez kanał transmisyjny. Poszczególne elementy składowe (bloki funkcjonalne) można połączyć w jeden system pomiarowy, jeżeli spełniają one tzw. warunki kompatybilności. Oznacza to: - zgodność mechaniczną i konstrukcyjną gniazd przyłączeniowych oraz rozmieszczenia sygnałów w gnieździe - zgodność parametrów elektrycznych poszczególnych sygnałów - zgodność stosowanych kodów i protokołów komunikacyjnych - zgodność metod transmisji danych. Zasięg interfejsu : Szkielet komputerowego systemu pomiarowego jest tworzony przez system interfejsu. Rodzaj i parametry interfejsu pomiarowego decydują o parametrach całego systemu pomiarowego. Jednym z istotnych parametrów jest zasięg terytorialny interfejsu. Interfejsy o małym zasięgu pozwalają na konstruowanie bardzo rozbudowanych systemów pomiarowych. Wykorzystują one transmisję równoległą długich słów i charakteryzują się dużą szybkością (dziesiątki MB/s). W interfejsach o średnim zasięgu informacja dzielona na bajty, bity każdego bajta przesyłane równolegle. Stosowana jest wolniejsza transmisja szeregowo równoległa (setki kb/s). Interfejsy o dużym zasięgu działają w oparciu o transmisję szeregową i prosty kanał transmisyjny (np. kabel dwużyłowy). Pozwalają na uzyskanie niewielkiej szybkości (dziesiątki kb/s), która zależy od nośnika fizycznego i odległości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem. Interfejs szeregowy RS-232 Standard RS-232 powstał w 1962 r. jako interfejs do współpracy terminali z modemem w dużych systemach komputerowych. Obecnie stosowany jest w prostych systemach pomiarowych, składających się z kontrolera i jednego bloku funkcyjnego lub gdy istnieje konieczność przesyłania danych na większe odległości. Wykorzystuje on tanie kable o bardzo małej liczbie przewodów (2-3). Systemy oparte na standardzie szeregowym RS-232 charakteryzuje mała prędkość przesyłania danych, wymiana informacji możliwa jest w danej chwili jedynie między dwoma urządzeniami. Stosowane jest złącze 25-stykowe lub 9-stykowe. Magistrala interfejsu składa się z linii danych, linii sterujących, linii synchronizacji oraz linii masy. Zgodnie z zaleceniami normy RS-232C dopuszcza się stosowanie dowolnego podzbioru zdefiniowanych w normie linii. Tryby przesyłania danych w standardzie RS simpleks transmisja jednokierunkowa między dwoma urządzeniami - półdupleks transmisja dwukierunkowa niejednoczesna po jednej linii transmisyjnej 5

6 - dupleks transmisja dwukierunkowa jednoczesna. Interfejs szeregowy RS-485 RS- 485 standard transmisji szeregowej wprowadzony w 1983 r. jako rozwinięcie standardu RS-422A. Zawiera wydzielony symetryczny i zrównoważony tor transmisyjny przeznaczony do podłączenia wielu odbiorników i nadajników sygnału do jednej linii. Nadajniki sygnału muszą być trójstanowe, a w danym przedziale czasu może pracować tylko jeden z nich pozostałe są w stanie wysokiej impedancji (trzeci stan). Liczba urządzeń przyłączonych do wspólnego toru zależy od zastosowanych układów scalonych, zwykle ogranicza się do kilkudziesięciu urządzeń nadawczo-odbiorczych w jednym torze fizycznym. 2. Przebieg ćwiczenia. Na ćwiczeniach zapoznaliśmy się z komputerowymi pomiarami interfejsu. Pomiary były przeprowadzane przy pomocy specjalnego programu komputerowego 7000 Utillity. Pierwszą rzeczą jako należało zrobić po uruchomieniu programu było kliknięcie prawym przyciskiem na Mój komputer i wybranie zakładki Sprzęt Następnie należało wejść w zakładkę Menadżer urządzeń 6

7 Następnie należy wybrać Porty Com i LPT i zmienić na odpowiedni numer portu. 7

8 Właściwości ICPDAS l-756x Converter (COM) W dalszej części ćwiczeń nasza uwaga skupiła się na pracy w programie 7000 Utillity. Efekt pracy w programie : 8

9 Sposób podłączenia : Połączenie PC urządzenia peryferyjne poprzez konweter z wykrzystaniem interfejsu RS 485 Obecnie szereg urządzeń pomiarowo-sterujących posiada interfejs RS485. Zbudowanie sieci w tym przypadku jest bardzo proste. Do komputera PC należy przyłączyć konwerter RS232-RS485 (I-7510/20). Zakłada się, że aplikacja na komputerze PC powinna umieć zaadresować każde urządzenie, które znajduje się w sieci RS485. Adresowanie urządzeń RS232 w sieci RS485 9

10 Połączenie PC urządzenia peryferyjne poprzez aktywny moduł, oraz konwetey z wykorzystaniem interfejsu RS 232 i RS 485 Są to aktywne moduły, które oprócz funkcji konwersji interfejsów przypisują urządzeniom RS232 adres w sieci RS485. Moduły konwerterów adresowalnych mogą mieć od 1 do 9 portów szeregowych 5. ZAKRES SPRAWOZDANIA Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Wstęp teoretyczny. 2. Opis metodyki pomiarowej i przebiegu procesu pomiarowego wykonywanego w trakcie laboratorium. 3. Podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe z otrzymanymi w trakcie zajęć wynikami pomiarów. 4. Prezentację graficzną otrzymanych wyników. 5. Wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego. 6. LITERATURA 1. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane Akademi Techniczno Rolniczej w Bydgoszczy, W. Jakubiec, J. Malinowski: Metrologia wielkości geometrycznych. Warszawa: WNT, J. Podemski, R. Marczewski, Z. Majchrzak: Zestawy kołowe i maźnice. Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, PN-57/MPM Tabor kolejowy. Montaż zestawów kołowych, warunki techniczne. 5. PN-61/R Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne. 6. PN-58/R Tabor kolejowy. Lokomotywy i tendry. Obręcze nieobrobione do zestawów kołowych, warunki techniczne. 7. PN-53/K Tabor kolejowy. Wagony i tendry. Koła bose obrobione do zestawów kołowych. 8. PN-53/R-9103-Tabor kolejowy. Pierścienie zaciskowe do zestawów kołowych. 9. BN-67/ Zestawy kołowe do łożysk ślizgowych. 10. PN-70/R Zestawy kołowe obręczowane do łożysk tocznych 11. BN-69/ Zestawy kołowe bezobręczowe z czopami osi o φ 120 mm. 10