SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂiota.ee.tuiasi.ro/~sam/pdf/SAMcurs1.pdf · – nivelul nodurilor de măsurare (achiziţia de informaţii şi prelucrarea primară a datelor) – nivelul

SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ

Structura disciplinei

- curs 2 ore/săptămână

- laborator 1 oră/săptămână

- proiect 1 oră/săptămână

Titular curs

Prof.dr.ing. Zet Cristian

Evaluare

- 50 % nota examen

- 25 % activitate laborator

- 25% notă proiect

- Până la 1 punct pentru prezenţă la ore

1

SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet

2


Generalităţi

Conceptul de sistem automat de măsură a apărut odată introducerea microprocesoarelor în

sistemele de reglaj industrial. Un astfel de sistem conţine ca parte componentă esenţială un

bloc de măsurare a mărimii sau mărimilor controlate (elemente sensibile, circuite de

condiţionare de semnal, conversie A/D). O schemă simplificată a unui sistem de reglaj este

prezentată în figura următoare:

Mărime

reglată

Element de

reglare Valoare

prescrisă

Element de

execuţie

Valoare

măsurată

Proces

Tra

duct

or

-

+

3


Generalităţi

În esenţă, mărimea reglată (electrică sau neelectrică) este convertită prin intermediul

traductorului în semnal de măsură: tensiune, curent, frecvenţă sau cod numeric, semnal

care este proporţional cu valoarea instantanee ă a mărimii măsurate din proces.

Proces

fizic Traductor

u

t

i

t

u

D70

t 1 5 10 105 15

Tensiune

Curent

Cod

numeric

Frecvenţă t

u

4


Generalităţi

Diferenţa dintre valoarea prescrisă şi cea instantanee (semnalul de eroare) este prelucrată

de către elementul de reglare, care ia decizie în privinţa anulării sau menţinerii constante a

acestui decalaj. Reglarea efectivă a mărimii este realizată prin elementul de execuţie, care

acţionează asupra procesului în sensul menţinerii mărimii reglate la valoarea prescrisă. De

corectitudinea măsurării depinde calitatea reglării.

Mărime

reglată

Element de

reglare Valoare

prescrisă

Element de

execuţie

Valoare

măsurată

Proces

Tra

duct

or

-

+

Semnalul de măsură oferit de traductor poate fi utilizat atât ca reacţie în bucla de reglare,

cât şi în scopul afişării valorii mărimii reglate pe un terminal.

5


Generalităţi

La început, sistemele automate de reglaj erau constituite din module electronice analogice

ce comunicau între ele prin intermediul mărimilor unificate (tensiune sau curent).

Traductorul reprezenta el însuşi un modul ce primea semnal de la senzor şi pe care îl

prelucra pentru a-l transforma în semnal unificat proporţional cu mărimea convertită. Acest

gen de transmisie încă se foloseşte în industrie datorită simplităţii sale şi imunităţii la

perturbaţii.

Dezvoltarea tehnologiei numerice şi în principal a microprocesoarelor şi microcontrolerelor

a dus la realizarea unui pas uriaş şi în tehnica măsurărilor. Tehnicile analogice de conversie,

reglare şi comandă au fost înlocuite cu algoritmi numerici implementaţi pe calculator prin

programe flexibile şi fiabile.

Informaţia oferită de traductor este sub formă de cod numeric care de cele mai multe ori se

obţine din semnalul analogic prin conversie analog – numerică. O mică parte din senzori

furnizează informaţia direct în cod numeric, cum ar fi traductoarele de deplasare codate,

traductoarele incrementale, traductoarele bazate pe rezonanţă.

6


Generalităţi

Avantajele oferite de sistemele numerice de măsură sunt:

• fiabilitate ridicată

• precizie foarte bună datorită eliminării influenţei factorilor perturbatori externi, eliminării

efectului îmbătrânirii componentelor, imunităţii crescute la zgomote.

• posibilitatea prelucrării unor cantităţi mari de informaţie la nivelul sistemelor de calcul

complexe

• posibilitatea stocării şi transmiterii la distanţă fără pierderi a datelor

Primele sisteme numerice automate de măsură se limitau la achiziţia de date şi la afişarea

locală a informaţiei sau luarea unei decizii în privinţa conducerii unui proces relativ

simplu. Dezvoltarea reţelelor de calculatoare şi apariţia Internet-ului a permis extinderea

sistemelor de măsură la nivelul unei secţii industriale, la nivelul întreprinderii sau chiar la

nivel planetar şi creşeterea puterii de calcul necesare susţinerii unor bucle de reglaj mai

complexe.

7


Generalităţi

Astfel apare conceptul de măsurări distribuite. Acesta presupune existenţa a 3 nivele:

– nivelul nodurilor de măsurare (achiziţia de informaţii şi prelucrarea primară a datelor)

– nivelul managementului informaţiei la nivelul bazelor de date şi al serverelor

– nivelul de vizualizarea informaţiei de către utilizatori

Transferul datelor între aceste nivele se realizează prin reţele locale (LAN) sau Internet

utilizându-se diverse protocoale de comunicare.

Senzorii – preiau informaţii din lumea fizică şi le transformă în semnale electrice

8

SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet

1. Generalităţi

Ce este achiziţia de date?

Dispozitivele DAQ – sunt interfeţe între calculator şi semnalele electrice. Realizează

condiţionarea şi digitizarea acestora, astfel încât calculatorul să le poată prelucra.

Calculatorul şi aplicaţiile software – controlează operarea dispozitivului DAQ şi

realizează procesarea, vizualizarea şi memorarea datelor măsurate.

Posibilităţile hardware oferite de un sistem automat de măsură

9


1. Generalităţi

Posibilităţile hardware oferite National Instruments

Sisteme PXI/Compact PCI

Sistemele PXI (PCI eXtension for Instrumentation) reprezintă platforme robuste bazate pe

PC-uri, destinate sistemelor de măsurare şi automatizare. PXI combină avantajele

magistralelor PCI (Peripheral Component Interconnect) cu cele ale ansamblelor mecanice

robuste de tip Eurocard. PXI este stabilit ca standard industrial din 1997 de către firma NI.

Aceste sisteme oferă robusteţe mecanică, integrare şi mai multe sloturi decât oferă un PC.

Imunitatea la zgomote şi la influenţa factorilor perturbatori externi este de asemenea mult

superioară unui PC. PXI are aplicaţii în sisteme de măsură şi testare automate, achiziţii de

date şi automatizări industriale.

Practic, sistemul PXI/Compact PCI se prezintă sub forma unui şasiu în care sunt montate o

largă varietate de module industriale, cartele de achiziţii de date, interfeţe de magistrală,

împreună cu unitatea centrală a unui calculator (figura următoare). In esenţă, această

platformă îmbină calculatorul, modulele de măsurare şi interfaţa cu utilizatorul într-o

singură unitate. Pe calculatorul cu care este dotată unitatea rulează programe de

instrumentaţie virtuală, care controlează toate funcţiile modulelor. PXI utilizează

Microsoft Windows ca sistem de operare sau un sistem propriu de tip real-time.

10


1. Generalităţi

11


1. Generalităţi

Funcţiile ce pot fi îndeplinite în cadrul unui sistem PXI sunt:

• achiziţii de date prin intermediul cartelelor specializate

• comunicarea cu instrumente de măsură specializate prin intermediul interfeţelor GPIB,

RS-232, RS-485

• prelucrarea software a datelor achiziţionate

• afişarea datelor pe console locale

• transmiterea datelor la distanţă prin reţeaua locală Ethernet către un server central

• implementarea locală a unor funcţii de control digital al proceselor comanda acţionării

elementelor de execuţie.

Construcţia mecanică a sistemelor PXI este proiectată pentru lucrul în medii industriale

agresive din punct de vedere al factorilor perturbatori externi. Acestea prezintă

dispozitive de filtrare a aerului vehiculat, răcire forţată, sunt imune la zgomote şi

interferenţe electromagnetice, umiditate, vibraţii şi şocuri. Şasiurile disponibile variază

d.p.d.v. al numărului de sloturi, al puterii surselor şi a caracteristicilor. Există şasiuri cu 4

până la 5 sloturi, display LCD, tastatură sau CD-rom. Sursa de c.c. poate fi sau nu

înglobată în şasiu.

12


1. Generalităţi

In general, un sistem PXI prezintă două referinţe de tact: 10MHz şi 100 MHz, distribuit

tuturor dispozitivelor periferice din sistem. Acesta este utilizat pentru sincronizarea

tuturor modulelor. PXI oferă aceleaşi trăsături şi performanţe ca şi un PC desktop cu

magistrală PCI, cu unele excepţii. PXI poate avea până la 7 sloturi specifice pentru

fiecare segment de magistrală, pe când PC-urile obişnuite oferă doar 3. Magistralele PCI

cu care sunt dotate platformele PXI pot transfera date pe 32 sau 64 biţi. Pe controlerul

PXI se pot rula programe de interfaţare pentru standarde industriale ca LabView, Visual,

Basic, Visual C/C++, LabWindows CVI. Toate modulele însă trebuie să aibă drivere

proprii, care să poată fi apelabile de către controler.

Sistemul poate fi controlat de la distanţă de un PC sau de un alt sistem PXI prin interfaţa

MXI-Express, un sistem de comunicaţie puternic ce poate opera direct sub Windows, sau

prin interfaţa Ethernet. Este necesar însă ca ambele componente ce comunică să deţină

plăcile hardware de control MXI-Express.

13


1. Generalităţi

Modulele care pot fi montate pe o platformă PXI pot fi:

module de instrumentaţie montate direct în sloturile şasiului (Ex.: osciloscop de 100

MHz, multimetre cu 5 1/2 digiţi);

module de multiplexare cu relee;

module de generare de forme de undă arbitrare;

module de condiţionare de semnal: amplificare, izolare, multiplexare, filtrare, etc;

module de condiţionare pentru senzori specifici: TC, RTD, Th, senzori de temperatură

integraţi, mărci tensometrice, ieşire 0-10V, ieşire 4-20mA;

surse de tensiune şi de curent;

module de achiziţii de date;

interfeţe şi controlere GPIB, RS-232, RS-485 sau CAN

module de achiziţie de imagine şi controlul mişcării;

interfeţe şi controlere de magistrală (Ex.: interfaţă SCSI pentru scrierea şi citirea datelor

la periferice externe cum ar fi: imprimante, CD-ROM, modem, GPS, plăci de sunet, etc);

module de interconectare cu sisteme de control industrial de tip PLC controlere de timp

real. Aceste controlere sunt de fapt nişte calculatoare de proces, ce pot dirija întreaga

activitate a unei platforme PXI, lucrând de sine stătător. Se utilizează pentru controlul

activităţilor cu gamă dinamică mare, la care controlul în timp real necesită resurse

importante.

14


1. Generalităţi

Exemple de controlere PXI actuale sunt date în tabelul de mai jos.

15


1. Generalităţi

Product Name PXIe-8133 RT PXI-8109 PXIe-8102

Form Factor PXI Platform PXI Platform PXI Platform

PXI Bus Type PXI Express PXI Only PXI Express

Operating System/Target Real-Time Windows Windows

LabVIEW RT Support Yes Yes Yes

Controller Type Embedded Embedded Embedded

Processor Core Type quad-core dual-core dual-core

CPU Clock Frequency 1.73 GHz 2.66 GHz 1.9 GHz

Maximum System Throughput 8 GB/s 132 MB/s 1 GB/s

Maximum Slot Throughput 2 GB/s 132 MB/s 250 MB/s

Standard Memory 2 GB 2 GB 1 GB

Maximum Memory 4 GB 8 GB 4 GB

Watchdog/Trigger SMB Yes Yes Yes

Software Support for NI System Monitor

Yes Yes Yes

24/7 Operation Yes Yes No

Slot Requirement 4 4 2

Removable Hard Drive Yes Yes No

Extended Temperature Hard Drive

Yes Yes No

Hard Drive Memory 120 GB 120 GB 80 GB

Extended Temperature Memory 80 GB 80 GB

Ethernet Port Type 1000BaseT , 100BaseT , 100BaseTX , 10BaseT

100BaseTX , 10BaseT , 1000BaseT , 100BaseT

10BaseT , 100BaseT , 1000BaseT , 100BaseTX , 1000BaseTX

ExpressCard/34 Slot Yes Yes No

GPIB (IEEE 488.2) Interface Yes Yes No

Serial Ports Yes Yes Yes

Parallel Ports Yes Yes Yes

USB Ports Yes Yes Yes

Length 21.6 cm 21.6 cm 21.6 cm

Width 8.1 cm 8.1 cm 4 cm

Height 13 cm 13 cm 13 cm

Minimum Operating Temperature

5 °C 5 °C 5 °C

Maximum Operating Temperature

50 °C 50 °C 50 °C

Extended Temperature Option 0.0 °C 0.0 °C

Maximum Altitude 2000 m 2000 m 2000 m

1. Cartele de achiziţii de date (CAD)

Sisteme pentru achiziţia semnalelor

din procese industriale

Sunt dispozitive electronice complexe, ce se montează fie în şasiuri PXI, fie pe

magistrale PCI sau PCMCIA în computere desktop sau laptop, fie pe porturi USB.

16


1. Generalităţi

O placă de achiziţie de date realizează următoarele funcţii:

• achiziţii şi generări de semnale statice şi dinamice

• intrări şi ieşiri numerice

• funcţii de numărare

CAD realizează condiţionarea primară a semnalelor prin multiplexare, amplificare,

eşantionare şi conversie, după care fac transferul datelor în memoria calculatorului.

Transferul datelor se face prin întreruperi sau DMA.

Există şi cartelele externe, cuplate direct pe portul USB, paralel sau serial al

calculatorului. In aceste cazuri transferul datelor în calculator se face mai lent, dar CAD

posedă memorii FIFO tampon care acumulează datele pe parcursul achiziţiei.

17


1. Generalităţi

Acestea sunt module destinate doar

achiziţiei de semnale analogice, montate

pe magistrale PCI, în şasiuri PXI sau

legate la porturi USB. Se utilizează mai

ales pentru achiziţia şi măsurarea

semnalelor alternative şi sunt

caracterizate de frecvenţe de eşantionare

foarte mari (de la 100 MS/s sau 2 GS/s

cu subeşantionare) având convertoare

A/D de la 8 biţi până la 14 biţi (paralel

sau sigma-delta). Canalele de intrare

sunt în număr de 2 sau 4. Datorită

frecvenţei foarte mari de eşantionare,

aceste module posedă memorii tampon

de tip FIFO de până la 256

Mbytes/canal. Cu acest tip de module se

pot realiza osciloscoape virtuale.

2. Digitizoare

18


1. Generalităţi

Acestea sunt de asemenea instrumente modulare ce pot fi montate pe magistralele

calculatoarelor sau în şasiul sistemelor PXI/Compact PCI.

3. Multimetre digitale de înaltă rezoluţie

Arhitectura este cea a unui multimetru, având

următoarele funcţii:

• măsurare tensiuni continui în plaja 0250 V

pe mai multe game de măsură

• măsurare curenţi continui în gama 010 A

• măsurare tensiuni alternative în valoare

efectivă adevărată (true rms) 0250 Vrms

• măsurare curenţi alternativi 010 Arms

• măsurare rezistenţe în gama 0200 MHz pe

2 şi 4 fire

19


1. Generalităţi

Acestea sunt nişte cartele de achiziţie de date ce conţin înglobat pe placă un procesor sau

a unei arii logice programabile, cu care se realizează diverse operaţiuni în timp real, ca:

filtrare, transformate Fourier, Hilbert, calcul de algoritmi de reglare, prelucrări de

imagini, etc. Aceste operaţii se execută autonom de calculatorul gazdă, pe baza unui

program de instrumentaţie virtuală încărcat într-o memorie DRAM de pe placă.

Eventuala prezentare a datelor prelucrate, gestionarea erorilor şi comunicarea cu

operatorul se face prin intermediul computerului gazdă, de pe care se încarcă şi

programul de prelucrare. Utilizarea acestor module se justifică în aplicaţiile în care

achiziţia informaţiei şi luarea deciziei trebuie să se facă aproape simultan (de exemplu

conducerea unui motor după câmp).

4. Module pentru prelucrare de semnal în timp real

20


1. Generalităţi

Acestea sunt porturi digitale de intrare ieşire cu viteză mare de comutare. Se construiesc

pentru magistrale PCI şi PXI. Aplicaţiile în care se utilizează se referă la comanda

contactelor de tip releu închis/deschis, comutări de semnale prin multiplexare,

interfaţarea computerelor cu echipamente externe, comanda convertoarelor D/A, testarea

echipamentelor digitale de comunicaţie, etc. Au un număr de 24 până la 96 de I/O

digitale, pe nivele 5V/TTL, cu rate de transfer cuprinse între 1,8 MB/s şi 80 MB/s.

5. Module de intrare-ieşire digitală

21


1. Generalităţi

Acestea sunt module ce conţin 4 până la 8 numărătoare de 32 de biţi fiecare, având

frecvenţe de ceas cuprinse între 20 şi 80 MHz. Pot fi incluse într-o gamă foarte largă de

aplicaţii cum ar fi: măsurarea mărimilor legate de timp (perioadă/frecvenţă, fază, lăţime

impulsuri, factori de umplere), numărări şi totalizări de evenimente, prelucrarea

informaţiei furnizate de encodere, ca şi generări de trenuri de impulsuri, de impulsuri de

lăţime variabilă, temporizări, etc.

6. Numărătoare – temporizatoare

22


1. Generalităţi

SCXI = Signal Conditioning Extension for Instrumentation

Sisteme modulare de condiţionare a

semnalelor de tip SCXI

Partea hardware de condiţionare de semnal reprezintă o componentă foarte importantă a

sistemelor automate de măsură. Această componentă este în contact direct cu senzorii

din proces şi materializează lanţul de prelucrare analogică primară a semnalelor. De

corectitudinea cu care se face această condiţionare a semnalelor depinde în mod esenţial

precizia finală a măsurării.

Un sistem tipic de condiţionare a semnalelor este constituit dintr-o serie de module (fig.

următoare) încorporate într-un şasiu ce reprezintă “tamponul” dintre senzorii montaţi în

proces şi cartela de achiziţii de date. Există şi variante de module singulare, nemontate în

şasiu, legate direct la CAD.

23


1. Generalităţi

Rolul SCXI este acela de adaptare a semnalelor de măsură furnizate de senzori la

circuitele de intrare în CAD, în scopul evitării pierderii de informaţie pe conexiune.

Printre funcţiile modulelor SCXI enumerăm: amplificare, izolare galvanică, filtrare,

multiplexare, condiţionare directă a senzorilor.

Senzorii pentru care se realizează condiţionarea prin module SCXI sunt: termocuple,

termorezistenţe, mărci tensometrice, senzori pentru forţă, cuplu, accelerometre, senzori

de deplasare de tip transformator diferenţial.

Semnalele de intrare – ieşire acceptate de astfel de module sunt: tensiuni, curenţi şi I/O

numerice. Toate blocurile componente, module, şasiurile şi cablurile sunt complet

ecranate, pentru eliminarea zgomotelor.

Toate semnalele obţinute după condiţionare sunt dirijate printr-o magistrală specială

către o CAD, care poate fi de tip PCI sau ca modul dintr-o platformă PXI.

24


1. Generalităţi

Deoarece CAD sunt dispozitive ce acceptă la intrare doar tensiuni, este necesară o

conversie a mărimilor furnizate de senzori în nivele de tensiune.

Rolul SCXI este acela de adaptare a semnalelor de măsură furnizate de senzori la

circuitele de intrare în CAD, în scopul evitării pierderii de informaţie pe conexiune.

Printre funcţiile modulelor SCXI enumerăm: amplificare, izolare galvanică, filtrare,

multiplexare, condiţionare directă a senzorilor.

Modulele de condiţionare directă a senzorilor conţin, pe lângă amplificatoare, filtre şi

multiplexoare şi alte circuite de condiţionare specifice, precum şi surse de semnal de

excitaţie.

Funcţii generale de condiţionare realizate cu SCXI

a) Amplificare

Amplificatorul creşte nivelul semnalului furnizat de senzor după o funcţie liniară, prin

încadrarea cât mai potrivită în domeniul de intrare al CAN. În felul acesta se creşte

rezoluţia şi sensibilitatea măsurării. Deşi majoritatea CAD conţin propriile

amplificatoare, o parte din senzorii utilizaţi în procesele industriale cum ar fi termocuple,

accelerometre, necesită amplificare suplimentară chiar în punctul de măsurare, pentru

îmbunătăţirea raportului semnal / zgomot.

25


1. Generalităţi

b) Filtrare

Filtrele se utilizează pentru îndepărtarea zgomotelor într-un anumit interval de frecvenţă.

Aproape toate aplicaţiile cu CAD sunt supuse zgomotelor de 50 Hz, culese din reţeaua de

alimentare. Modulele SCXI de filtrare conţin filtre trece jos proiectate astfel încât să aibă

atenuarea maximă pe 50 Hz. De exemplu, modulul SCXI – 1125 oferă un filtru trece jos

cu frecvenţa de tăiere de 4 Hz, cu atenuarea de 90 dB pentru frecvenţă de 50 Hz.

O altă funcţie a modulelor de filtrare este de prevenire a fenomenului de alias datorat

eşantionării semnalelor cu frecvenţe sub frecvenţa Nyquist. Semnalele eşantionate sub

frecvenţa Nyquist apar în spectru cu frecvenţe mai joase decât cea reală, în particular cu o

frecvenţă egală cu valoarea absolută a diferenţei dintre frecvenţa reală a semnalului şi cel

mai apropiat multiplu întreg al frecvenţei de eşantionare. Acest fenomen, generator de

erori poate fi eliminat prin îndepărtarea din semnal a frecvenţelor care nu îndeplinesc

criteriul Nyquist. Acest lucru se realizează cu module de filtrare antialias speciale, cu

bandă de trecere programabilă şi bandă de tranziţie foarte îngustă. Se utilizează în special

la monitorizarea vibraţiilor şi a proceselor cu dinamică mare.

26


1. Generalităţi

c) Izolare

Legarea incorectă la masă a dispozitivelor de măsurare este una din cele mai dese cauze

de erori, zgomote şi chiar defecţiuni ale CAD. Izolarea elimină erorile cauzate de

tensiunea de mod comun (figura 8 următoare), tipic datorate diferenţelor între potenţialele

de masă.

Dispozitivele de izolare trec semnalul nealterat sau modificat într-un raport bine cunoscut

de la sursa de semnal înspre dispozitivele de măsurare, fără legătură galvanică între cele

două elemente. Acest lucru se realizează prin transformatoare sau prin cuplaje optice sau

capacitive. Pe lângă suprimarea buclelor de masă, blocurile de izolare rejectează

tensiunile de mod comun periculoase pentru operator sau echipamentul de măsură.

27


1. Generalităţi

d) Multiplexare

Majoritatea CAD posedă 8 intrări diferenţiale sau 16 intrări nesimetrice. In multe aplicaţii

însă sunt necesare mai mult de 8 canale. Pentru expandarea numărului de canale de intrare

se utilizează module de multiplexare ce permit condiţionarea a până la 3072 canale de

intrare şi prelucrarea lor cu o singură placă de achiziţie. Expandarea canalelor poate fi

realizată cu multiplexor cu comutator electronic sau cu relee.

Intrări: termocuple, termorezistenţe / termistoare, mărci tensometrice, accelerometre,

LVDT/rezolvere, milivolţi, tensiuni înalte (până la 1000V), curenţi (4-20 mA), frecvenţă

Ieşiri: tensiuni, curenţi (4-20 mA)

I/O numerice: TTL, impulsuri de î.t. (până la 240 V)

Comutare: multiplexare cu relee multiplexare electronică

Condiţionare: amplificare / atenuare, izolare, filtrare, excitaţie traductoare, compensare

joncţiune rece, completare punte tensometrică, calibrare şunturi, eşantionare simultană,

compensare offset

28


1. Generalităţi

29


1. Generalităţi

Module de condiţionare

Modul de condiţionare analogică a tensiunilor de la intrare

30


1. Generalităţi

Măsurari distribuite prin reţele de calculatoare

Acest concept s-a dezvoltat odată cu apariţia reţelelor de calculatoare şi a Internetului. Prin

utilizarea interfeţelor de comunicaţie, disponibile atât ca modele incorporabile în

platformele de instrumentaţie de tip PXI/Compact PCI cât şi ca module de sine stătătoare

ce înglobează toate operaţiile de achiziţie, prelucrare şi comunicaţie, informaţia este

accesibilă la nivele ierarhice superioare de organizare, la panouri de dispecer, factori de

decizie centralizată sau chiar la oricine este interesat de această informaţie şi posedă un

browser specializat. La momentul actual, informaţia măsurată poate fi vizualizată on-line,

chiar cu ajutorul unor browsere de uz general ca Chrome, Opera, Mozilla sau Internet

Explorer, deoarece se pot crea chiar pagini de web cu instrumente virtuale lucrând on-line.

Transmiterea datelor catre un PC Publicarea datelor pe pagină WEB Execuţie distribuită

31


1. Generalităţi

Primul nivel este reprezentat de totalitatea nodurilor de măsură, care se ocupă exclusiv de

achiziţia de date şi transmiterea lor la nivelul superior. Aceste noduri pot varia de la simple

module specializate de I/O (cum ar fi un modul de măsurare a temperaturii cu termocuplu

de tip K) până la sisteme complexe de achiziţie de tip PXI sau ce rulează pe calculatoare

tradiţionale PC. Aceste sisteme sunt dotate cu interfeţe de conectare cu reţeaua şi pot avea

funcţii de analiză şi prelucrare a datelor, pe care le pot transmite reţelei on-line sau în regim

de post-prelucrare.

Pentru crearea unei aplicaţii de măsurare în reţea sunt necesare câteva nivele:

Al doilea nivel este reprezentat de serverul de măsură, care este capabil să gestioneze un

număr mare de noduri de măsură, să stocheze cantităţi mari de informaţie la nivelul

bazelor de date şi să supravegheze întreaga activitate a reţelei.

În sfârşit al treilea nivel este reprezentat de nivelul browserelor, ce reprezintă interfeţe

software cu care se pot vizualiza datele publicate în reţea. Şi la acest nivel datele pot fi

stocate şi analizate în funcţie de interesul utilizatorului.

32


1. Generalităţi

Acestea sunt unităţi de măsurare organizate pe module specializate pe diverse sarcini după

tipul întrărilor, ieşirilor şi a semnalelor vehiculate. Aceste module se amplasează în

vecinătatea punctului de măsurare, a senzorului, pentru ca legătura cu acesta să fie cât mai

scurtă şi să se evite astfel influenţele parazite şi zgomotele pe linia de semnal. Transferul

datelor către computerul gazdă sau dispecer se face prin: reţeaua Ethernet, comunicare

serială RS-232 şi RS-485, comunicaţie fără fir şi reţea Foundation Fieldbus H1.

Sisteme modulare pentru măsurări distribuite

de tip FieldPoint 33


1. Generalităţi

Modulele de tip FieldPoint se montează pe riglete de tip DIN. Există 3 tipuri de module:

• Module de intrare/ieşire

• Module de interfaţă

• Module conectoare

34


1. Generalităţi

Modulele de intrare/ieşire prezintă fiecare un număr de 2, 8 sau 16 canale multiplexate,

diferenţiale sau cu referire la masă, pentru următoarele tipuri de intrări/ieşiri:

• intrări analogice (tensiuni, curenţi unificaţi 0 10 mA şi 4 20 mA, intrări de

termocuplu şi termorezistenţă)

• ieşiri analogice (curenţi unificaţi şi tensiuni unificate 0 10 V)

• I/O digitale (nivele logice de tensiune 5 până la 30 V, relee, intrări de encodere, ieşiri

tranzistoare cu colector în gol)

• numărare-temporizare

• ieşiri de impulsuri (generări de trenuri de impulsuri sau în mod continuu, generări de

impulsuri singulare cu factor de umplere variabil).

35


1. Generalităţi

Modulele de interfaţă se montează pe aceeaşi rigletă cu un grup de module de I/O, pe

care îl deserveşte. Funcţia acestor module este de a gestiona protocolul de comunicare ales

pentru transmiterea datelor culese de la senzori prin intermediul modulelor de I/O cu

calculatorul de proces, serverul, sau dispecerul.

Aceste module sunt specializate pe următoarele tipuri de comunicaţii:

- Eternet TCP/IP 10BaseT şi 100BaseTX

- RS232/RS485

- comunicaţii radio

reţea Foundation Fieldbus H1

CURS NR. 1

36

36


1. Generalităţi

Modulele conectoare permit comunicarea modulelor de I/O atât între ele, cât şi cu senzorii

şi procesul măsurat. Acestea sunt structuri mecanice prevăzute cu magistrală locală şi

conectori, pe care se pot monta cu uşurinţă modulele de I/O şi cele de interfaţă. Modulele

conectoare constituie aşadar suportul celorlalte module şi fac transferul local de date. In

figura 16 este dat desenul unor astfel de module montate împreună pe o rigletă.

37


1. Generalităţi

Sistemele Compact RIO şi Compact DAQ oferă simplitatea utilizării tehnicii „plug and

play” a interfeţei USB şi respectiv Ethernet pentru a crea sisteme de măsură în medii

industriale. Combinând uşurinţa de utilizare cu sisteme de achiziţie de tip înregistrator de

cost redus cu performanţele şi flexibilitatea instrumentaţiei modulare, acestea permit

măsurări rapide, precise cu un sistem compact şi accesibil. .

38


1. Generalităţi

Sisteme modulare pentru măsurări distribuite

de tip Compact Rio şi Compact DAQ

Compact DAQ şi Compact RIO profită de avantajele serie M de dispozitive de achiziţie

NI precum şi de a seriei Compact RIO, în sensul de a optimiza raportul performanţă preţ.

Modulele sunt compatibile şi cu alte sisteme de tip compact ale NI, astfel încât costurile

de producţie sunt mai scăzute. Se folosesc componente comercial disponibile ale unor

producători cunoscuţi (Analog Devices, Texas Instruments), ce asigură rezoluţii până la

24 de biţi, la preţuri mai mici decât alte sisteme dedicate.

39


1. Generalităţi

Model Ch Range Res. Description Rate

Analog Input NI 9201 8 ±10 V 12-bit Low cost 500 kS/s

NI 9203 8 ±20 mA 16-bit Current 200 kS/s

NI 9205 32 ±10 V 16-bit Multiplexed 250 kS/s

NI 9206 16 ±10 V 16-bit 500 V

(isolation) 250 kS/s

NI 9211 4 ±80 mV 24-bit Thermocouple 14 S/s

NI 9215 4 ±10 V 16-bit Simultaneous 100kS/s/ch

NI 9217 4 100 Ω 16-bit RTD 400 S/s

NI 9219 4 Various 24-bit 11 Modes 100S/s/ch

NI 9221 8 ±60 V 12-bit High voltage 800 kS/s

NI 9229 4 ±60 V 24-bit Ch-to-ch

isolation 50 kS/s/ch

NI 9233 4 ±5 V 24-bit IEPE sensors 50 kS/s/ch

NI 9237 4 ±25 mV/V 24-bit Strain/bridge 50 kS/s/ch

NI 9239 4 ±10 V 24-bit Ch-to-ch

isolation 50 kS/s/ch

AO NI 9263 4 ±10 V 16-bit Voltage AO 100kS/s/ch

NI 9265 4 0-20 mA 16-bit Current AO 100kS/s/ch

Digital NI 9401 8 5 V TTL ─ DIO 10 MHz

NI 9411 6 5 to 24 V ─ DI 2 MHz

NI 9421 8 24 V ─ DI (sink) 10 kHz

NI 9422 8 24 to 60 V ─ DI

(sink/source) 4 kHz

NI 9423 8 24 to 30 V ─ DI (sink) 1 MHz

NI 9225 32 12 to 24 V ─ DI (sink) 140 kHz

NI 9235 4 5 to 250 V ─ Universal 333 Hz

NI 9472 8 24 V ─ DO (source) 10 kHz

Module de achiziţie pentru Compact RIO şi Compact DAQ

40


Măsurarea numerică a unei mărimi electrice presupune conversia mărimii într-o mărime

digitală (numerică). Rezultatul conversiei aproximează valoarea mărimii analogice cu o

eroare mai mică decât cea mai mică treaptă de cuantizare. Nu întotdeauna mărimea

analogică este adecvată pentru a fi procesată de către circuitul de conversie, fie din punct

de vedere al tipului semnalului suport, fie al mărimii sale, fie din punct de vedere al

domeniului de frecvenţă. Pentru a o putea aduce la parametri adecvaţi conversiei, semnalul

purtător de informaţie trebuie prelucrat mai întâi în forma analogică. Astfel, semnalul

analogic poate fi convertit în altă mărime (de regulă tensiune), poate fi amplificat sau poate

fi filtrat. Mai mult, un semnal variabil în timp nu poate fi convertit direct în format digital,

datorită timpului finit de conversie. Semnalul trebuie mai întâi eşantionat cu o rată

adecvată, pentru ca apoi fiecare eşantion să fie convertit.

Sisteme de achiziţii de date

Circuite de condiţionare a semnalelor

Unele semnale electrice au o natură care necesită o conversie într-o formă mai uşor

prelucrabilă, aşa cum este tensiunea:

- condiţionarea curenţilor, cum ar fi de exemplu curenţii consumaţi pe reţeaua de c.a. sau

provenite din diverse procese industriale – conversie curent - tensiune;

- condiţionarea semnalelor de la senzorii parametrici, când pentru conversia în tensiune

este suficient sau necesară o sursă de alimentare şi un montaj potenţiometric sau în punte.

41


Conversia curent-tensiune se realizează cel mai simplu cu ajutorul unui rezistor, de regulă

în conexiune quadripolară sau printr-un şunt.


RV V

U

R

Ix

xIRU

x

V

V IRR

RRU

'

VR

R

U

UU

U

U

'

'

'

'

- ideal

- real

- eroarea

rA

RS1 I

IA

RS2 RS3 RSn-1

R0

in

out

IrRRRR

RRRI

AnSSS

kSSS

A

0121

121

...

...

Şunt multiplu

Şunt

42


Cele mai simplu condiţionor de semnal pentru tensiune este divizorul rezistive de tensiune

rezistiv.


U1

U2

R1

R2 Rs

1

22

1

21

2

221

2

2

1

21

2

2

1

U

RR

RR

RU

RR

RRRRR

RR

RR

URRR

RRU

ss

ss

s

s

s

s

- ideal

- real

1

21

22 U

RR

RU

Dacă sarcina RS>>R2 atunci raportul R2/Rs0 iar expresia tensiunii U2 devine cea ideală.

43


De regulă însă nu avem de a face

doar cu o simplă rezistenţă Rs, ci

cu o combinaţie Rs şi Cs (pF). În

c.a. impedanţa capacităţii scade cu

frecvenţa, ceea ce introduce erori

în semnalul metrologic. În aceste

cazuri se folosesc divizoarele RC

compensate.


C1

C2 U1

U2

R1

R2

a)

supracompensat

C1 prea mare

compensat

C1 =

subcompensat

C1 prea mic

b)

112221

112

2

2

2

2

1

1

1

1

2

2

2

2

21

2

11

1

1

1

1

1

1

1

RCjRRCjR

RCjR

CjR

CjR

CjR

CjR

CjR

CjR

ZZ

Zku

Impunând ca: 2211 11 RCjRCj

21

2

1

2

RR

R

U

Uku

44


Divizoarele RC compensate se utilizează şi în varianta reglabile, cu mai multe trepte de

atenuare (figura 34). Se folosesc la voltmetrele de c.a. cu rapoarte de divizare 1, 3, 10,...,

în seria 1, 2, 5,... sau pentru voltmetrele numerice în seria 1, 10, 100,... Prima variantă

constructivă (a) este mai simplă, dar mai greu de realizat datorită valorilor mari de

capacităţi reglabile (3nF). A doua variantă (b) conţine mai multe componente dar

condensatoarele variabile pot fi de aceeaşi valoare.


U2 U1 U2

C1

3pF

C2

30pF

U1

R1

1k

R2

9k

C3

300pF

R3

90k

C4

3nF

R4

900k

C5

30nF

R5

9M

a)

C1

10pF

R1

500k

R1

500k

C1

3-30pF

C1

50pF

R1

200k

R1

800k

C1

3-30pF

C1

100pF

R1

100k

R1

900k

C1

3-30pF

1/1

1/2

1/5

1/10

b)

45


Amplificatoarele sunt condiţionoare de semnal active, care realizează o creştere a puterii

(nivelului) semnalului de intrare pe baza energiei surselor de alimentare. Amplificatoarele

au roluri diverse în aparatura de măsură:

- asigurarea unei impedanţe convenabile la intrare sau la ieşire,

- creşterea puterii semnalului metrologic,

- limitarea tensiunii sau a curentului maxim,

- realizarea unei caracteristici de frecvenţă convenabile,

- reducerea zgomotului sau a semnalelor perturbatoare şi

- izolarea galvanică.


Parametrii caracteristici amplificatoarelor se pot observa pe modelul generalizat al

amplificatorului:

Ui Uo Zs

Ii Io

Zi

Zo

Eo=aUi

- impedanţele de intrare şi de ieşire ,, 0ZZi

- amplificările:

tensiune, curent, transimpedanţă, transconductanţă

i

o

uU

UA

i

o

iI

IA

i

o

ZI

UA

i

o

YU

IA

46


Banda de frecvenţă se defineşte pentru o

scădere a amplificării de ori.


2

fj fs

A

f

A0

Cele mai răspândite amplificatoare sunt amplificatoarele operaţionale (AO) cu 2 intrări (+

şi -) şi o ieşire. Tensiunea de la ieşire este dată de produsul dintre diferenţa tensiunilor pe

intrări şi amplificarea în bucla deschisă:

Principalii parametrii ai AO sunt:

- amplificare diferenţială în buclă deschisă

- raportul rejecţiei de mod comun RRMC=Uc/U0c/Ad este raportul între tensiunea de

mod comun şi efectul echivalent unei tensiuni diferenţiale (tipic între 70110 dB);

47



- curentul de polarizare:

- tensiunea de offset la intrare - este tensiunea continuă aplicată uneia dintre intrări,

cealaltă fiind la masă, pentru care ieşirea este nulă (situată intre 0,0510 mV);

- curentul de decalaj la intrare

2

BB

B

III

BBD IIII

Configuraţii de amplificare cu AO:

ui-

Uo ui

+

ii-

ii+

0

ii

ii

II

UU

- inversoare

R1 R2

R1 R2

Ui

Uo

I1 I2

48



- neinversoare

R1 R2

R1 R2

ui

Uo

I1 I2

Ii+

- amplificator diferenţial

R1 R2

Ui+

Uo

I1 I2

Ui-

R1

R2

- amplificator diferenţial cu 3 AO

R1

R2

ui+

Uo

I’2

ui-

R3

R4

R2

R3 R4

I’2

I’1

uA

uB

3

4

1

20 21

R

R

R

RUUU ii

49



Convertor curent tensiune cu AO:

I R

Uo

I-Ib

Ib I

R3

Uo

R2

R1

a) b)

)( bIIRU

Pentru minimizarea erorii şi a limitei inferioare de măsură, se introduce un reglaj de

compensare a acestui curent sau se utilizează AO cu intrare pe MOS-TEC (curenţi de

intrare de 100fA)

Pentru game multiple se folosesc rezistenţe comutabile în reacţia AO (figura 78.b).

Dezavantajul schemelor de mai sus este acela că, pentru obţinerea unor scări cu

sensibilitate ridicată, valorile rezistenţelor din reacţie sunt foarte mari (1G), ceea ce

duce şi la un zgomot ridicat introdus de acesta (4RfKT). Pentru o precizie acceptabilă

măsurarea se face cu integrare pe o perioadă îndelungată.

Documents

SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂiota.ee.tuiasi.ro/~sam/pdf/SAMcurs1.pdf · – nivelul nodurilor de măsurare (achiziţia de informaţii şi prelucrarea primară a datelor) – nivelul