2/40 Systemy akwizycji danych pomiarowych Interfejsy, magistrale i złącza komunikacyjne Poszczególne etapy procedury pomiarowej Wykład nr 9 13-06-2015
Tor pomiarowy a postprocessing 3/40
4/40 System pomiarowy System pomiarowy można zdefiniować jako zespół jednostek funkcjonalnych połączonych ze sobą w celu wykonania zadania metrologicznego. W zespole takim można rozróżnić jednostki bezpośrednio związane z pomiarami, jak również takie które zajmują się akwizycją danych pomiarowych. Systemy pomiarowe w zależności od przeznaczenia można podzielić na: System pomiarowy Pomiarowo-diagnostyczny Pomiarowo-kontrolny Badawczy
5/40 Badawczy Pomiarowo-kontrolny procesor procesor dobry/zły Układ 1 porównania Wzorzec 1 Układ 1 porównania Wzorzec 1 dane wartości ekstremalnych Obiekt badany Układ 2 porównania Wzorzec 2 Obiekt badany Układ 2 porównania Wzorzec 2 Układ n porównania Wzorzec n Układ n porównania Wzorzec n źródło sygnałów diagnostycznych procesor dobry/zły Układ 1 porównania Wzorzec 1 dane wartości ekstremalnych Pomiarowo-diagnostyczny Obiekt badany Układ 2 porównania Wzorzec 2 Układ n porównania Wzorzec n Rylski A., Metrologia II prąd zmienny, str.218-239, skrypt, Wydawnictwa Politechniki Rzeszowskiej 2004
6/40 System pomiarowy struktura hierarchiczna Kontroler systemu pomiarowego (komputer, sterownik μp) Magistrala interfejsu np. Ethernet Kontroler podsystemu (np. komputer) Kontroler podsystemu (np. komputer) Magistrala interfejsu np. IEEE 488 Magistrala interfejsu np. IEEE 488 Przetwornik pomiarowy, kondycjoner Przetwornik pomiarowy, kondycjoner Przetwornik pomiarowy, kondycjoner Przetwornik pomiarowy, kondycjoner Czujnik Czujnik Czujnik Czujnik
7/40 System pomiarowy architektura połączeń (monomaster) Układ Slave 1 a) Gwiazda Układ Slave 2 Kontroler (Master) Układ Slave 3 Układ Slave 4
8/40 System pomiarowy architektura połączeń (monomaster) b) Pętla Kontroler (Master) Układ Slave 1 komunikacja Układ Slave 5 Układ Slave 2 Układ Slave 4 Układ Slave 3
9/40 System pomiarowy architektura połączeń (monomaster) c) Magistrala Układ Slave 1 Układ Slave 2 Układ Slave 3 Kontroler (Master) komunikacja
10/40 Przemysłowa magistrala komunikacyjna (multimaster) CAN - Controller Area Network szeregowa magistrala komunikacyjna powstała w latach 80. XX w. w firmie Robert Bosch GmbH z myślą o zastosowaniach w przemyśle samochodowym (ABS, sterowanie silnika). Obecnie znajduje zastosowanie również w przemysłowych magistralach polowych (najpopularniejsze standardy: CANopen, DeviceNet, SDS, Profibus). Magistrala CAN wykorzystuje dwuprzewodową skrętkę i pracuje z maksymalną prędkością transmisji 1 Mbit/s na dystansie do 40 m. Wraz ze zwiększaniem dystansu spada maksymalna prędkość transmisji (np. 250 kbit/s na 250 m). W magistrali CAN nie ma wyodrębnionej jednostki nadrzędnej dlatego należy do grupy magistral typu multimaster. Komunikacja ma charakter rozgłoszeniowy ponieważ komunikaty nadawane na magistralę odbierane są przez wszystkie urządzenia. Najważniejsze cechy protokołu CAN to: do 8 bajtów danych w komunikacie, komunikaty rozpoznawane przez identyfikatory, automatyczna obsługa dostępu do magistrali, sprzętowa obsługa błędów.
11/40 CAN - Controller Area Network http://infosys.beckhoff.com/
12/40 Architektura wzmacniacza pomiarowego MGC plus (HBM) Czujniki Przemysłowe magistrale komunikacyjne Komputer PC Magistrala wewnętrzna Wielokanałowa karta pomiarowa 1-kanałowa karta pomiarowa Moduły komunikacyjne CAN, Profibus Kontroler (wewn. komputer) www.hbm.com.pl
13/40 System pomiarowo-diagnostyczny System pomiarowo-diagnostyczne wykorzystywane są do detekcji oraz lokalizacji uszkodzeń. Systemy takie pozwalają na przeprowadzanie inspekcji urządzeń poprzez sprawdzenie poprawności funkcjonowania poszczególnych bloków funkcjonalnych obiektu badanego. Dodatkowo na podstawie zebranych informacji możliwe jest określenie umiejscowienia źródła np. awarii, błędnego funkcjonowania urządzenia. Przykładem może być system OBD (On-Board Diagnostics), który wykorzystywany jest w motoryzacji do diagnostyki pojazdów. System tego typu umożliwia odczytywanie danych dotyczących stanu poszczególnych układów pojazdu. Stan funkcjonowania poszczególnych modułów funkcjonalnych silnika, czy immobilisera odczytywany jest na podstawie kodów błędów (DTC - diagnostic trouble codes), które zapisywane są w pamięci jednostki centralnej samochodu.
14/40 System pomiarowo-diagnostyczny System OBD (On-Board Diagnostics) Protokoły transmisji (OBDII): J1850 PWM J1850 VPW ISO9141 ISO14230 (KWP2000) CAN (ISO15765/SAE J2480)
15/40 System pomiarowo-diagnostyczny System OBD (On-Board Diagnostics)
16/40 System pomiarowo-diagnostyczny System OBD (On-Board Diagnostics)
17/40 System pomiarowo-kontrolny System pomiarowo-kontrolny wykorzystywany jest w głównej mierze w przemyśle. Systemy tego typu służą do akwizycji danych pomiarowych procesów technologicznych oraz ich kontroli. W takich systemach często wykorzystuje się zespół czujników pracujących w sieci rozproszonej: przewodowej jak i bezprzewodowej.
System pomiarowo-kontrolny 18/40 SZEREGOWE Interfejsy RÓWNOLEGŁE RS - 232 (1962) RS - 232C (1968) 1 :1, 15 m 115 kb/s CAMAC (Computer Automated Measurement and Control Equipment) RS - 423A { 1:10, 30 m, 100kb/s } RS - 422A {1:10, 1200 m 10Mb/s} RS485 {32:32,1200 m, 10 Mb/s} (EIA/TIA 232E) USB (1997) {1:127, 5m, 480 Mb/s } PROFIBUS 32 : 32 1200m 10 500 kb/s ETHERNET IEEE 1394 Fire Wire (do 400Mb/s} Karta ISA PC PCI PXI Centronix Karta IEC 625 MXI MXI Drukarka HPIB (1972) GPIB IEEE 488 IEC 625 VME (1982) VXI (1987) 1:14 2-25 m 1 MB/s Kaseta 40 MB/s CAN Controller Area Network do 500 m do 1Mb/s Motoryzacja Automatyka I 2 C Microwire Dla mikrokontrolerów i czujników zintegrowanych
19/40 Sieć przemysłowa Profibus Profibus jest jednym z najpopularniejszych standardów sieci przemysłowych czasu rzeczywistego. Komunikacja odbywa się na zasadzie master/slave lub master/master i może obejmować do 127 urządzeń na jednej magistrali. Profibus został opracowany przez firmę SIEMENS z przeznaczeniem do wykorzystania w rozproszonych systemach sterowania oraz nadzoru. Jej elastyczność pozwala połączyć odmienne pod względem funkcjonalności i architektury urządzenia różnych producentów. DP (Decentralized Periphery) Węzłami sieci mogą być zarówno proste urządzenia wejścia/wyjścia analogowe i cyfrowe, czujniki lub elementy wykonawcze, jak i komputery, sterowniki swobodnie programowalne, falowniki, czy też terminale operatorskie. Zadaniem sieci jest efektywne przekazywanie dużej ilości krótkich informacji, przy zachowaniu deterministycznego czasu przesyłania danych.
20/40 Protokół komunikacyjny sieci Profibus definiuje norma DIN 19 245, która opisuje warstwę fizyczną, liniową i aplikacyjną (opcjonalnie) siedmiowarstwowego modelu ISO/OSI. Profibus DP wykorzystywany jest do bardzo szybkiej obsługi zdecentralizowanych urządzeń we/wy z krótkimi paczkami danych (np. sterowanie wieloma serwonapędami). Zwykle struktura monomaster. Maksymalna liczba urządzeń odpytywanych na jednym kablu - 127. Warstwa fizyczna oparta na interfejsie RS-485. Profibus FMS (ang. Fieldbus Message Specification) służy do przesyłania większej liczby danych procesowych pomiędzy stacjami takimi jak sterowniki PLC, stacje operatorskie, programatory, urządzenia zabezpieczające oraz komputery PC. Opiera się na strukturze Client-Server (Token passing), co powoduje że w jednej sieci może komunikować się większa ilość stacji (struktura multimaster). Profibus PA - połączenia zrealizowane są zgodnie ze standardem IEC 1158 2, który pozwala na zastosowanie sieci w środowisku niebezpiecznym (np. zagrożonym wybuchem). Do transmisji danych oraz zasilania czujników i układów wykonawczych wykorzystywane są te same przewody. Szybkość transmisji ograniczona została do 31,25 kbit/s. Do pojedynczego segmentu kabla dołączyć można do 32 urządzeń. W aplikacjach opartych na profilu PA najczęściej stosowany jest profil komunikacyjny DP. Poprzez odpowiednie sprzęgi możliwe jest również połączenie sieci Profibus PA z siecią Profibus FMS.
System pomiarowo-kontrolny w produkcji głowic silników samochodowych 21/40
22/40 Grawimetryczny system pomiarowo-kontrolny dozowania i ważenia AED cyfrowe przetworniki wagi - przetwornik tensometryczny: pełny mostek > 40 Ω - sygnał WE: +/-3 mv/v (nominalnie +/- 2 mv/v) - interfejs: RS232, RS422, RS485 - Zakres napięć zasilających: 6...30V - stopień ochrony: IP65
23/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 1. Analiza zjawiska pomiarowego lub badanego obiektu. Podczas analizy przyjmuje się model matematyczny analizowanego zjawiska lub obiektu badanego. Opracowuje się wszelkie niezbędne procedury służące do przygotowania eksperymentu oraz późniejszej analizy wyników pomiarów. Oczywiste jest, że musimy wiedzieć co chcemy zmierzyć i czego oczekujemy po wynikach pomiarów. Przykładem niech będzie pomiar naprężeń w układzie belki stalowej podpartej jednostronnie.
24/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 2. Dobór czujników przetwarzających wielkość mierzoną na sygnał elektryczny.
25/40 Tensometryczne czujniki siły F F F F
26/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Kondycjonowanie służy do dopasowania badanego sygnału do możliwości technicznych urządzenia pomiarowego. W procesie kondycjonowania możliwe jest także dokonywanie zmian w sygnale badanym w postaci linearyzacji, wzmacniania i filtrowania.
27/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Filtry pasywne RC
28/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Filtry aktywne RC
29/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Wzmacniacze Wzmacniacz odwracający U U WY WE R R 2 1 Wzmacniacz nieodwracający U U WY WE 1 R R 2 1
R R 2 1 R R 4 3 30/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Wzmacniacze Wtórnik napięciowy Wzmacniacz różnicowy R R 2 1 R R 4 3 U U wy we 1 R2 UWY (UWE2 UWE1) R 1
31/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Wzmacniacze Wzmacniacz różniczkujący U WY R 2 du C dt WE
32/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Wzmacniacze Wzmacniacz całkujący U WY 1 R C 1 T 0 U WE dt
33/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 3. Kondycjonowanie sygnału pochodzącego z układu pomiarowego lub czujnika. Wzmacniacze Konwerter prąd-napięcie U WY I 1 R 1
34/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 4. Akwizycja danych pomiarowych. Karty pomiarowe. USB-1208 Series 12-Bit, Low-Cost, Multifunction Modules USB-1208 Series 8 analog inputs 16 digital I/O, counters/timers Up to 4 analog outputs 1.2 ks/s to 1 MS/s sampling TracerDAQ software included for acquiring and displaying data and generating signals Universal Library includes support for Visual Studio and Visual Studio.NET, including examples for Visual C++, Visual C#, Visual Basic, and Visual Basic.NET Comprehensive drivers for DASYLab and NI LabVIEW Supported by MATLAB Data Acquisition Toolbox Support for Measurement Studio MCC Edition InstaCal software utility for installation, calibration, and testing Supported Windows Operating Systems: Windows 7/Vista/XP SP2, 32-bit or 64-bit PCI-DAS1000 Series 12-Bit Multifunction Boards 16 analog inputs Up to 250 ks/s sampling 24 digital I/O, counters/timers
35/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 4. Akwizycja danych pomiarowych. Specjalizowane karty pomiarowe, loggery. WEB-TEMP and WEB-TC Series Web-Enabled Temperature Measurement Module 8 channels Measure thermocouples, RTDs, thermistors, or semiconductor temperature devices Built-in web server/web page Ethernet connection 8 digital I/O Data Logger LGR-5300 Series, USB-500 Series, USB-5200 Series Stand-alone data loggers to fit a variety of applications Internal memory Measure 1 to 16 analog channels Digital I/O, counters/timers High-speed loggers for industrial monitoring and system troubleshooting Low-cost loggers for temperature, humidity, current, and voltage measurement
36/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 4. Akwizycja danych pomiarowych. Układy OEM do wbudowania w system pomiarowy. USB-2500 Series High-Speed Multifunction OEM Boards 8 to 64 analog inputs 16-bit resolution 24 digital I/O, counters/timers (including quadrature encoders) Up to 4 analog outputs 1 MS/s sampling 4 thermocouple inputs Ideal for OEM and embedded applications TracerDAQ software included for acquiring and displaying data and generating signals Universal Library includes support for Visual Studio and Visual Studio.NET, including examples for Visual C++, Visual C#, Visual Basic, and Visual Basic.NET Comprehensive drivers for DASYLab and NI LabVIEW Supported by MATLAB Data Acquisition Toolbox Support for Measurement Studio MCC Edition InstaCal software utility for installation, calibration, and testing Supported Windows Operating Systems: Windows 7/Vista/XP SP2, 32-bit or 64-bit USB-Based DAQ Modules for DAQFlex USB-7000 Series OS independent platform-compatible with Windows or Linux 8 analog inputs 12 or 16-bit resolution (ADC per channel) 8 digital I/O Up to 2 analog outputs Up to 100 ks/s sampling Ideal for OEM and Embedded applications
37/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 4. Akwizycja danych pomiarowych. Moduły pomiarowe. DaqLab/2000 Series Ethernet-Based Bench-Top Data Acquisition Systems for Various Sensor Types Ideal for bench-top data acquisition applications 16-bit, 200 khz A/D converter Built-in capability measures voltage, frequency, and digital I/O Easily expand to measure temperature, strain, vibration and much more via internal expansion slots High-speed Ethernet interface insures continuous realtime data transfers to the PC DaqView Out-of-the-Box software is included for effortless data logging and analysis Support for Visual Studio and Visual Studio.NET, including examples for Visual C++, Visual C#, Visual Basic, and Visual Basic.NET Comprehensive drivers for DASYLab, MATLAB, and NI LabVIEW DaqCal software application for easy user-calibration Supported Windows Operating Systems: Windows 7/Vista/XP SP2, 32-bit or 64-bit 16-bit, 100 khz analog and digital sampling
38/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 5. Wizualizacja. Ekran komputera, oscyloskopu, analizatora widma, wyświetlaczu LCD.
39/40 Poszczególne etapy procedury pomiarowej 6. Przetwarzanie danych. Tworzenie wykresów, obliczeń, tabel, baz danych, magazynowanie.
Dziękuję za uwagę! 40/40