Automatizace měření aneb Když to změří počítač
přednáška v rámci projektu IET1
Miloslav Steinbauer 9. 11. 2011
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Osnova přednášky • Historie automatizace • Klasifikace měřicích systémů • Malé měřicí systémy • Software pro automatizaci měření • Ukázky aplikace v laboratořích
• Soutěž
2
Co je automatizace? • Inženýr: nový stupeň v rozvoji techniky • Technolog: mění zastaralé výrobní metody
v moderní technologii, umožňuje použít výrobních procesů, o nichž dříve nebylo možno ani hovořit
• Ekonom: ohromná úspora společensky nutné práce, nová etapa rozvoje výrobních sil společnosti
• Sociolog: ulehčení a odstranění těžké a únavné monotónní práce člověka, nově se vytvářející vztahy mezi lidmi a výrobou
3
Co je automatizace? Automatizace je proces vývoje techniky, kde se využívá automaticky pracujících zařízení k osvobození člověka jak od fyzické, ale zejména od duševní řídící práce.
4
Historie Automatizace fyzické práce • Starověk: páky, kladky, kola, pára • Středověk – rozvoj mechanismů (čerpadla vody pro
doly, mlýny, varhany, hodiny, orloje, zvonkohry, mechanické hračky), jednoduché programování (kolíčkové válce)
• Novověk - průmyslová revoluce ▫ První regulace - Wattův odstředivý regulátor r. 1775 ▫ Jacquardův tkalcovský stav s programovacím
děrovaným pásem (okolo r. 1800) • 1913 první montážní výrobní linka hromadné výroby
(Henry Ford) – automaty ve výrobě
6
Moderní historie Automatizace duševní činnosti • 1896 el. stroj pro sčítání obyvatelstva (Hollerith) ▫ 1924 International Business Machine Corp. (dnes IBM)
• 1943 reléový počítač MARK I (Harvard) • 1944 elektronkový počítač ENIAC • 1947 objev tranzistoru • 1958 první integrovaný obvod • 1971 první mikroprocesor (Intel 4004) ▫ pružná automatizace změnou programu
• 70. léta 20. stol. rozvoj PLC • 80. léta 20. stol. CNC, prvky UI
7
Důvody automatizace • Vynucená automatizace (nezáleží na investici) ▫ ochrana života a zdraví (extrémní podmínky…) ▫ nemožnost nasazení lidské síly (kosmos, …) ▫ limit lidských smyslů (množství údajů, rychlost reakce)
• Ekonomická automatizace (zisk je nejdůležitější) ▫ snížení nákladů výrobních, režijních … ▫ zvýšení produktivity, objemu výroby, kvality ▫ zkrácení doby vývoje a výroby ▫ pružná reakce na požadavky trhu
• Ostatní důvody ▫ zvyšování pohodlí člověka ▫ poskytování informací (sledování stavu zařízení) ▫ ekologie – monitorování prostředí, spalování … ▫ zábavní průmysl
8
Od ručního nástroje k prvním strojům • První pracovní nástroj - hrubě opracovaný kámen • Trvalo půl milionu let, než se objevily nástroje v
podobě bodců a škrabek • Několik tisíc let př. n.l. - dokonalejší a
specializovanější nástroje (luky, šípy, sekery, dláta a motyky)
• Později místo kamene bronz a železo
9
Od ručního nástroje k prvním strojům • Díky nástrojům se zvýšila výkonnost člověka, ovšem
síla lidských svalů je příliš malá (navíc musí člověk spát, odpočívat, jíst a pít)
• Časem se lidé naučili spojovat několik nástrojů dohromady ve stroj - pomohl člověku překonat omezenou sílu svalů
• První stroje již ve starověkém Egyptu i v říši římské – např. vodní kolo
• 17. století - začaly se rozrůstat výrobní dílny, tzv. manufaktury - používaly dokonalejší nástroje a jednoduché ručně poháněné stroje
10
Od ručního nástroje k prvním strojům • 18. století - první průmyslová revoluce - odstranila
řemeslný způsob práce, zvýšila produktivitu • Kolem roku 1800 - v dílnách a továrnách
vznikajících z velkých manufaktur se objevily první soustruhy na obrábění kovů - strojírenství získalo svůj základní stroj
• Parní stroj nahradil lidské svaly, zvířata či vodní kola - začal pohánět továrny, lokomotivy
• Další zdokonalování strojů brzděno převody - hledaly se stroje pracující bez nich
11
Od ručního nástroje k prvním strojům • 19. století - člověku se podařilo prakticky využít
elektřinu - elektrický motor vytlačil páru • Elektrická energie - „čistší forma energie“, dala se
dobře ovládat, dělit, rozvádět i na větší vzdálenosti • Člověk stále musí stroje ovládat, zásobovat
surovinou a odebírat hotové výrobky, provádět údržbu, seřizovat, opravovat
• Nastala potřeba vytvořit zařízení, jež by dokázala řídit stroje místo člověka
12
Od strojů k prvním automatům • Slovo „automat“ známo dávno předtím, než do
továren nastoupily pracovní stroje • Vzniklo ze starořeckého „automaton“ – označení pro
vše, co se hýbe • V tomto slova smyslu automatem každý stroj, který
se hýbe – např. i hodiny, dnes už neplatí! • První automaty v počátcích našeho letopočtu – např.
automaty samočinně zažehující obětní ohně, zpívající ptáci, hudební skříně, tančící figurky, samočinně se otevírající dveře a okna – vše uváděno v činnost ohřátým vzduchem nebo závažími
13
Od strojů k prvním automatům • Leonardo da Vinci ▫ k uvítání krále Ludvíka XII. sestrojil mechanického lva,
jenž samočinně kráčel až k trůnu a tlapou pozdravil panovníka
▫ našla se také zmínka o stroji na vysekávání pilníků • 17. a 18. století ▫ mechanické hodiny s tzv. nepokojem ▫ zvonkohra ▫ pohyblivé figurky u orlojů ▫ bezpočet automatických hraček
14
Od strojů k prvním automatům • Postaveno i několik automatických hříček
využívajících např. vytékání vody maličkým otvorem: ▫ problémem regulování rychlosti výtoku vody z otvoru
se zabývali i Galileo Galilei a Isaac Newton ▫ francouzská Akademie vypsala na vyřešení tohoto
problému konkurs - vyhrál slavný Daniel Bernoulli • Tyto hříčky přinesly cenné zkušenosti s páčkami,
kolíčky a kolečky, s vodní tryskou a plovákem - později se uplatnily jako „stavební kostky“ výrobních automatů
15
Od strojů k prvním automatům
• Prvními automatickými stroji, jež do výroby nastoupily ve velkém počtu, byly dopřádací stroje sestrojené roku 1801 Francouzem Ch. Jacquardem
• Umožňovaly tkát vzory podle programu předem připraveného v podobě děrných papírových karet
• Každá karta děrována v pořadí barevných nití, poté do těchto děr zapadaly jehly, které se podle toho buď zvedaly, nebo spouštěly
16
Od strojů k prvním automatům • V dalších desetiletích se objevily: ▫ poloautomatické revolverové soustruhy ▫ papírenský stroj ▫ zemědělská mlátička
• Místo rozptýlených manufaktur vznikaly továrny se stroji rozdělenými podle druhu práce – začala strojová velkovýroba
17
Začátky automatizace • Moderní stroje a automaty nejdříve nastoupily do
výroby zbraní, především pušek a revolverů • Hromadná výroba zbraní přenesena do Ameriky • Zpočátku vyráběny ručně ve zvláštních přípravcích -
skončilo „pasování“ dílů do sebe • Kolem roku 1860 – spojily se přípravky s obráběcími
stroji v obráběcí automaty - principu se používá dodnes
18
Začátky automatizace • 1855 - závod na výrobu mosazných hodin vyrábějící
ročně přes půl milionu „budíčků“ - cena klesla na pakatel
• 19. století ▫ Šedesátá léta - hromadná výroba šicích strojů a strojů
pro zemědělství ▫ Osmdesátá léta - zahájena hromadná výroba psacích
strojů ▫ Devadesátá léta - trh zásobován jízdními koly
19
Začátky automatizace • Zpočátku měly továrny stroje seřazeny podle
postupu výroby, spojení mezi stroji zajišťovaly vozíky nebo dopravní pásy
• Takto pracovala jatka a mlýny, od devadesátých let i továrny na kočáry a na železniční vagony
• Při nástupu automobilu vznikl problém - mnohem složitější než puška, budíky nebo velocipéd
• 1910 - automobilka Ford vyrábí 10 tisíc automobilů ročně - po bok soustruhů a fréz nastoupily přesné vyvrtávací stroje a stroje na hoblování a frézování ozubených kol, drážkovačky na hřídele či brusky na přesně uložené části motoru a převodovky
20
Začátky automatizace • Před r. 1914 – Ford ve snaze vydělat co nejvíce přišel
s montážním pásem - vznikla montážní linka • Doba montáže na pásu se zkrátila ze 14 na 6 hodin • Nebyly to v dnešním slova smyslu automaty –
pomocní dělníci upínali, vyjímali a přenášeli součásti ručně
• Dělníci kvůli montážním pásům vysilováni prudkým tempem práce - zavádění úplně automatických strojů a zařízení
21
Začátky automatizace • 1928 - automaty se poprvé uplatnily v automatické
montáži - Smithova továrna v Milwauke • Výroba rámu automobilu - celkem jen 16 minut
lidské práce - dělníci stroje pouze ošetřovali a kontrolovali
• Současnost - základem prudkého růstu společenské produktivity práce je automatizace spojená s novými vědecky podloženými technologickými způsoby výroby
• Nové technologie a automatizace ovlivňuje nejen samu výrobu, nýbrž i její organizaci
22
Model automatizovaného měřicího systému (AMS)
24
Měřený objekt
Modem / NET
Software
Tiskárna
Měřicí přístroje
Vlastnosti AMS • Měří velký počet veličin
• Pracují bez obsluhy (ochrana zdraví, dlouhodobá měření, měření na těžko dostupných místech)
• Měří rychle a přesně
• Měří spolehlivě a s vysokou reprodukovatelností
• Provádí komplexní zpracování a archivaci naměřených dat
26
Rozdělení AMS
28
Měřicí systémy
Standardní rozhraní Speciální rozhraní
PCI, PCI-E, PCMCIA RS232, USB,… LAN Ethernet
(LXI) GPIB VME, VXI, PXI
Měřicí karty Externí zařízení Externí zařízení Externí rámy (mainframe)
Fieldbus, …
Moderní měřicí systém
29
Podniková síť
MXI-3
GPIB přístroje DAQ karty, CBI karty (DMM, OSC...)
GPIB-ENET
Control Panel
Flow
Pressure Alarm Conditions
STOP
Temperature
Měřicí karty Výhody • zpravidla nízká cena Nevýhody • nutnost montáže do PC • omezený počet volných slotů • problém vzájemného rušení a izolace
mezi počítačem a kartou • rychlost karty závisí na CPU
30
Rozhraní RS-232 Výhody • žádné náklady na sběrnici • malé náklady na kabeláž a interface
přístrojů • kompatibilita s většinou OS a SW
jednoduché ovládání Nevýhody • malý dosah (15,6 m při 20 kBd) • omezený počet připojitelných zařízení • malá přenosová rychlost (max. 230 kBd)
31
Sériové rozhraní RS-422 a RS-485 • používají se pro zvýšení dosahu RS232 • dosah 1200 m při rychlosti 10 Mb/s (díky použití
proudové smyčky) • používá se kroucená dvojlinka • až 32 zařízení na jedné lince
32
USB Výhody • 12 Mb/s (USB1.1) až 480 Mb/s (USB 2.0) • PnP podpora, hot-swap • PC standard • široká podpora ze strany SW • převodníky USB – GPIB/RS232/ Nevýhody • vzdálenost max. 15 m
33
Ethernet Výhody • 10 Mb/s až 1 Gb/s • hot-swap • PC standard • celosvětový dosah • kabel 100 m • převodníky Ethernet – RS232/GPIB Nevýhody • závislost na síti
34
GPIB - General Purpose Interface Bus • počátek vývoje 1965 (Hewlett-Packard) • ANSI/IEEE standard 488.2, HPIB, IEC 625 • nejrozšířenější systém • paralelní 8 bitová sběrnice • přenosová rychlost až 1 MB/s, automatické
nastavení podle připojených zařízení • maximální počet zařízení je 15, snadné propojování
kabely
38
GPIB - General Purpose Interface Bus Výhody • přijatelné náklady na sběrnici
(orientačně karta 15 tis., kabel 3 tis. Kč) • přístroje jsou autonomní • široká podpora ze strany SW • rozšířenost (až 90 % lab. přístrojů je
vybaveno GPIB) Nevýhody • 1,8 MB/s - nedostatečná přenosová rychlost
pro nové typy rychlých měřicích přístrojů
40
VXI – VME eXtension for Instrumentation Výhody • perspektivní standard měřicích systémů • vysoká rychlost přenosu • vysoká spolehlivost • široká podpora ze strany SW • moduly výrobně jednodušší (nemají zdroj ani
zobrazovací modul a klávesnici) Nevýhody • značná cena (moduly řádově tisíce US $) • moduly nelze použít mimo mainframe
41
bus
VXI • počátky v roce 1987 • ANSI/IEEE standard 1155 • perspektivní otevřený systém • sestává z modulů v rámu (mainframe), velikost
modulů A, B, C, D • přenosová rychlost mezi modulem mainframe až
160 MB/s • definované EMC a chlazení modulů
43
bus
PXI – PCI eXtension for Instrumentation
• verze 1.0 - srpen 1997 • vychází z VXI a sběrnice CompactPCI • perspektivní systém • sestává z modulů v rámu (obdoba VXI) • vyplňuje mezeru mezi GPIB a VXI
44
PXI Výhody • standard měřicích systémů
(1997, National Instruments) • vysoká rychlost přenosu (ale menší než u VXI) • vysoká spolehlivost (vychází z osvědčené
CompactPCI) • knihovny W9x/NT, VISA • možnost koexistence s VXI, GPIB Nevýhody • moduly nelze použít mimo mainframe
45
LXI – LAN eXtension for Instrumentation
• verze 1.0 - září 2005 • vychází ze standardu Ethernet
10M / 100M / 1G / (10G) • perspektivní systém • umožňuje propojení se systémy GPIB, VXI, PXI • jednoduchý vzdálený přístup přes LAN / WAN / WiFi • správa a nastavování přístrojů přes webové rozhraní
47
SCXI-1001
Řešení přesně na míru
49
Servis
Laboratoř
Výroba
PCMCIA
PCI, USB, GPIB
PXI
VXI
Přenosné PC
Stolní PC
Průmyslové PC
Workstation
Malé systémy Výhody • přijatelná cena • univerzální použitelnost pro běžné aplikace • snadná programová obsluha • možnost začlenění do rozsáhlých systémů
(GPIB, LAN) Nevýhody • omezený sortiment modulů
51
Malé systémy Představitelem je například Agilent 34970A • založen na osvědčeném DMM 34401 • 3 sloty • multiplexery, D/A, čítač
52
Software pro AMS • Jednoduché utility výrobců ▫ pro konkrétní přístroj ▫ univerzální DAQ sw
• SW pro virtuální instrumentaci ▫ LabView ▫ Agilent VEE ▫ Control Web ▫ …
55
LabVIEW
• Kompilované grafické programování • Ikony a dráty • Plně univerzální programovací jazyk
57
Princip programování
• Čelní panel ▫ Grafické uživatelské rozhraní ▫ Ovládací prvky a indikátory
• Blokový diagram ▫ Zdrojový kód ▫ Výběr mnoha funkcí ▫ Rychlé programování ▫ Snadná orientace v programu
58
Program běží po směru dat
• Data tečou po drátech • Data tečou vždy od výstupu ke vstupům • Několik operací může probíhat současně
59
Graf
Ulož
RMS Probíhají současně
Přístrojový ovladač
Přístrojové ovladače a aplikační software
61
Aplikační software
(Program)
Přístroj
• LabVIEW • Measurement Studio • Visual C++ • Visual Basic…
Analýza naměřených dat • DC/RMS složky • Harmonické zkreslení • Kmitočtová analýza • Generování signálů • Digitální filtry • Kontrola průběhů
maskou
62
Vytvoření zprávy v HTML • Vložení čelních
panelů • Text • Tabulky • Grafika • Seznamy s odrážkami • Hypertextové odkazy
63
Volání vzdálených VI • Snadná distribuce programu
64
Zobrazení Kdekoliv
Měření Kdekoliv
Analýza Kdekoliv
Excel a MATLAB • Vytváření a načítání
MATLAB skriptů • Export polí a
průběhů (waveform) do Excelu
66
Application Builder • Vytváří soubory typu EXE a DLL • Je možné vytvořit instalátor • Instaluje se přímo do prostředí LabVIEW • Volné šíření zkompilovaných programů
68
LabVIEW RT • Měření a řízení v reálném čase • Programy se nahrají na specializovaný hardware,
kde běží deterministicky v reálném čase
69