Urządzenia I systemy automatyki I pomiarów spis treści



Pobieranie 135.3 Kb.
Strona5/5
Data29.04.2016
Rozmiar135.3 Kb.
1   2   3   4   5

4.3. SYSTEMY Z WBUDOWANYMI KOMPUTERAMI


Rozwój komputerów osobistych stworzył pewien standard pod względem architektury sprzętowej. Ponadto w środowisku tych komputerów może pracować bardzo wiele narzędzi programowania. Wyposażenie ich w karty sprzężenia z obiektami oraz przemysłowe wykonania ich obudów pozwala również stosować te komputery w przemyśle. Dostosowywanie tych komputerów do celów przemysłowych poszło jeszcze dalej - komputery osobiste zostały wbudowane w urządzenia, np. w bankomaty.

Wraz z rozwojem mikrokomputerów wbudowanych, opartych na architekturze PC, powstało kilka standardów, między innymi standard PC/104, przyjęty przez ISO i ANSI. Ponadto powstały systemy operacyjne czasu rzeczywistego, przeznaczone do tych komputerów. Należą do nich OS-9, OS-9000, QNX, HP-RT, iRTMX, VRTX, Windows CE.


W zakładach przemysłowych często zachodzi potrzeba stworzenia kompleksowego systemu sterowania, który najlepiej jest zrealizować stosując strukturę hierarchiczną. Jedną ze typowych struktur jest struktura o następujących poziomach:

  • poziom sterowania operatorskiego,

  • poziom sterowania technologicznego,

  • poziom obiektowy.

Na poziomie sterowania operatorskiego zachodzi konieczność monitorowania przebiegu procesu, często następuje również programowanie parametrów procesu i zbieranie danych, charakteryzujących przebieg procesu.

Poziom sterowania technologicznego obejmuje na ogół regulacje, realizację sekwencji procesu technologicznego, blokady, związane ze stanem procesu i urządzeń oraz nadzór nad stanami alarmowymi.

Poziom obiektowy dotyczy bezpośredniego sterowania elementami wykonawczymi takimi jak silniki, grzejniki, zawory, oraz pomiaru zmiennych procesu przy pomocy takich elementów i urządzeń jak czujniki położenia, przetwornikami pomiaru ciśnienia i temperatury.


Rys. 4.8. System z mikrokomputerem wbudowanym
W urządzeniach przemysłowych mikrokomputery wbudowane znajdują najczęściej zastosowanie na określonym powyżej poziomie technologicznym. W związku z tym mikrokomputery te mają na ogół następujące cechy:


  • oprogramowanie przeznaczone do pełnienia określonych funkcji,

  • nie zawiera monitora i klawiatury,

  • musi cechować się dużą niezawodnością,

  • realizować zadania w ściśle określonym czasie, co sprowadza się do zastosowania w nim systemu operacyjnego czasu rzeczywistego.

Przykładem systemu z wbudowanym mikrokomputerem może być moduł układu regulacji firmy National Instruments typu PXI-8170/850 RT. Zawiera on procesor Intel Pentium III/800 MHz, twardy dysk 10 GHz, 256 MB pamięci RAM oraz interfejs z siecią Ethernet. Ponadto wyposażony jest on w system operacyjny czasu rzeczywistego.


Z kolei na bazie modułów komputerów wbudowanych firmy Advantech zbudowano między innymi następujące urządzenia:

  • bankomat,

  • interaktywny multimedialny sterownik z ekranem dotykowym,

  • sterownik procesu,

  • laserowy miernik prędkości,

  • stanowisko informacyjne, np. dla podróżnych,

  • urządzenie do odczytu linii papilarnych, przeznaczone do otwierania drzwi upoważnionym osobom.


4.4. SYSTEMY NA BAZIE KOMPUTERA KLASY PC


Informacje na temat wykonania przemysłowego komputera klasy PC może być nieco myląca. Np. komputery takie oferowane, przynajmniej do niedawna, przez amerykańsko-tajwańską firmę Advantech mają silną konstrukcję mechaniczną, przeznaczoną do zabudowy panelowej lub przytwierdzenia do ściany, zawierającą amortyzatory i filtry powierza. Odporność tego komputera na zakłócenia sieci zasilającej jest jednak niewielka. Nie potwierdziły się również nadzieje, dotyczące znacząco wyższej niezawodności układów elektronicznych. Niemniej komputery takie chronione filtrami sieciowymi i urządzeniami buforowego zasilania (UPS) mogą pracować w warunkach przemysłowych.

Generalnie komputer osobisty nie został przewidziany do pracy związanej ze sterowaniem urządzeń przemysłowych oraz budowy przemysłowych systemów pomiarowych. Dotyczy to zarówno sprzętu jak i oprogramowania, które są przewidziane raczej do prac biurowych i dla hobbistów internetowych. Niemniej może on być wykorzystywany do sterowania urządzeń pomiarowych, których zawieszenie pracy lub niewielkie opóźnienia pracy, związane z obsługą równoległych programów, nie stanowi zagrożenia ani nie przynosi istotnych strat materialnych. Do takich systemów pomiarowych należą np.: kalibracja czujników termometrycznych, badania właściwości materiałów przez wyznaczanie charakterystycznych punktów przemian fazowych metoda analizy obrazu, badania reakcyjności koksu. Pomiary te można powtarzać, zaś próbki poddawane procesom nie są kosztowne. Jeżeli zachodzi potrzeba zastosowania komputerów klasy PC do bardziej odpowiedzialnych zadań w przemyśle, raczej wskazane jest zastosowanie systemu operacyjnego czasu rzeczywistego, np. systemu Windows CE lub QNX.

Zestaw kart do komputera obejmuje zarówno kartę z mikroprocesorem jak i bogatą rodzinę kart wejść i wyjść. Zaletą karty z mikroprocesorem, wtykanej w gniazdo na pasywnej płycie głównej pozwala na szybką jej wymianę w przypadku awarii. Pozostałe karty można podzielić na grupy, do których należą:


  • wejścia cyfrowe o poziomie TTL i przekaźnikowe,

  • wyjścia cyfrowe o poziomie TTL i przekaźnikowe,

  • wejścia analogowe o poziomie woltowym,

  • wzmacniacze wejściowe nieizolowane i izolowane,

  • wielokanałowe przetworniki analogowo-cyfrowe o programowanych wzmocnieniach,

  • pamięci operacyjne,

  • interfejsy szeregowe.

Przykładem kart PCI firmy Advantech, mogą być karty wyszczególnione poniżej:


PCI-1710

16 wejść analogowych o programowanym wzmocnieniu (8 różnicowych), 12-bitowy przetwornik A/D, 12 analogowych wyjść, 16 wyjść cyfrowych, licznik

PCI-1713

32 wejść analogowych o programowanym wzmocnieniu (16 różnicowych), 12- bitowy przetwornik A/D,

PCI-1721

4 analogowe wyjścia 12-bitowe

PCI-1752

64 cyfrowe wyjścia izolowane

PCI-1760

8 optoizolowanych cyfrowych wejść, , 8 wyjśc przekażnikowych, 2 optoizolowane wyjścia PWM

PCI-1240

4-osiowy sterownik silników krokowych

Karty wejściowe w razie potrzeby współpracują z układami kondycjonowania sygnałów, którymi mogą być np. wzmacniacze o programowanym wzmocnieniu, których celem jest dostosowanie poziomu mierzonego sygnału elektrycznego do poziomu sygnałów wejściowych użytego przetwornika analogowo-cyfrowego. Np. sygnał pomiaru temperatury o zakresie napięcia 0-20mV jest wzmacniany do zakresu 0-5V. Wspomniane wzmacniacze mogą być wzmacniaczami izolowanymi.


Jednym z rozwinięć standardu szyny PCI, a dokładniej standardu CompactPCI, jest dla celów automatyki i pomiarów specyfikacja PXI, opracowana przez firmę National Instruments. Wprowadza ona dodatkowe połączenia między pakietami, które ułatwiają współdziałanie tych pakietów w czasie rzeczywistym. Dodatkowymi szynami przesyłane są zarówno sygnały synchronizujące i wyzwalające jak i sygnały cyfrowe i analogowe.

Zestaw kart firmy National Instruments zamontowanych w obudowie przemysłowej przedstawia rys. 4.7. Moduł procesora jest również wytykany do obudowy za pośrednictwem gniazda PXI. Obudowa może mieścić także monitor ekranowy – rys. 4.10. Moduły procesora Pentium III oraz karty pomiarowej, przeznaczone do zastosowania w obudowie PXI, są przedstawione na rys. 4.11.



Rys. 4.9. Karty do celów kontrolno-pomiarowych National Instruments standardu PXI



Rys. 4.10. Zestaw PXI z monitorem ekranowym








Rys. 4.11. Moduł procesora i pomiarowy systemu PXI

4.5 SYSTEMY ROZPROSZONE


System zawierający moduły ADAM-4000 firmy Advantech jest, w odróżnieniu od systemów dotychczasowych, systemem rozproszonym. Niewielkie moduły pomiarowe ADAM-4000 umieszczone są bezpośrednio przy czujnikach, zaś z komputerem nadrzędnym są połączone za pośrednictwem izolowanego interfejsu RS-485 pozwala na szeregowe połączenie urządzeń wyposażonych w adresy. Ze względu na to, że w systemie znajduje się moduł przetwornika RS-232/RS-485, system ten może być przyłączony do komputera o architekturze PC z wyjściem szeregowym RS-232. Sieć z zastosowaniem modułów ADAM-4000, przedstawia rysunek 4.12.



Rys. 4.12. Schemat systemu z modułami ADAM 4000
System ADAM (Analog Digital Acquisition Module) zawiera szereg modułów, które stanowią m.in.:

  • Wejście pomiaru temperatury,

  • Przetwornik A/C napięcia lub prądu,

  • Przetwornik A/C rezystancji,

  • Przetwornik A/C naprężeń,

  • Przetwornik C/A z wyjściem napięcia lub prądu,

  • Izolowany moduł wejść cyfrowych,

  • Przekaźnikowy moduł wejściowy,

  • Moduł licznika i pomiaru częstotliwości.



Rys. 4.13. Moduł ADAM-4018
Fizyczne połączenie pomiędzy modułami a komputerem stanowią przewód dwużyłowy. Maksymalna odległość modułu od komputera wynosi 1200 metrów. Można ją wydłużyć stosując ADAM-4510 (repeater) o następne wielokrotności 1200 metrów, maksymalnie do 16 km. Wszystkie ADAM'y są połączone w sieć. Każdy ma swój własny, programowalny i przechowywany w pamięci EEPROM adres, który go identyfikuje przy odpytywaniu przez komputer zarządzający. Wszystkie moduły fizycznie są dołączone równolegle do tej samej pary przewodów. Komputer jest jednostką nadrzędną w sieci. Moduły monitorują sieć i odpowiadają, gdy w rozkazie przesyłanym z komputera pojawia się ich własny adres. Transmisja do i z komputera odbywa się z maksymalną prędkością 19200 bitów/s. Moduły ADAM mogą być zasilane z dowolnego źródła napięcia niestabilizowanego z zakresu 10 do 30V.

Obsługa programowa modułów ADAM 4000 z poziomu języka C, BASICa i Pascala polega na sekwencyjnym wysyłaniu komend i odczytywaniu odpowiedzi z portu szeregowego komputera. Komendy mają formę ciągów znaków ASCII.

Moduły ADAM 4000 przeznaczone są głównie do zastosowań przemysłowych i laboratoryjnych, wszędzie tam gdzie potrzebna jest zdalna kontrola i monitorowanie wielkości fizycznych. Doskonale nadają się do sterowania klimatyzacją, monitorowania temperatury i mocy. Można je zastosować w systemach alarmowych i nadzorujących. Jedna z firm zastosowała je na stacjach benzynowych do zbierania informacji z dystrybutorów paliw. Duży producent półprzewodników na Tajwanie stosuje moduły do kontroli parametrów układów scalonych.
Nowszą generację modułów rozproszonych stanowi system ADAM 5000, zgodny ze standardem IEC-1131-3. System ADAM-5000 zawiera między innymi sterownik 5510 z 4 gniazdami na moduły kontrolno-pomiarowe.

Rys. 4.14. Moduł ADAM-5510


Sam sterownik może obsługiwać do 64 punktów wejść/wyść. Kasety sterowników są łączone w sieć za pośrednictwem RS-485. Dostępne są następujące moduły akwizycyjne, dostosowane do interfejsu RS-485:

  • ADAM-5013 - moduł 3 wejść temperaturowycch Pt100

  • ADAM 5017 - moduł 8 wejść analoogowych,

  • ADAM-5017H - moduł 8 szybkich wejść analogowych (8kHz),

  • ADAM 5018 - moduł 7 wejść termoparowych,

  • ADAM-5024 - mooduł 7 wyjść analogowych,

  • ADAM-5050 - moduł 16 wejść wyjść dwustanowych,

  • ADAM-5058 - moduł 8 wyjść przekaźnikowych.

Sterownik zawiera mikroprocesor 80186 i ma wbudowany system operacyjny DOS v.6.22. Może być programowany w języku C lub innym języku dostosowanym do mikroprocesorów rodziny INTEL x86. Dostępne jest również programowanie:



  • w języku drabinkowym. (RLL Relay Ladder Logic),

  • za pomocą diagramów bloków funkcyjnych (FDB - Function Clock Diagrams),

  • za pomocą sekwencyjnej sieci działań (SFC- Sequential Fuction Charts).

Program przed załadowaniem do sterownika może być przetestowany za pomocą wbudowanego symulatora.

Oprócz standardowych bloków funkcyjnych, takich jak licznik i PID, użytkownik może zdefiniować swoje własne bloki funkcyjne. Definicja działania takiego bloku odbywa się za pośrednictwem języka C.

ADAM-5510 zapewnia optoizolację zasilania oraz wejść i wyjść na poziomie 3kV. System jest zasilany napięciem stałym o wartości 10-30V. Zamontowany może być na szynie DIN jak również w panelu.
Prezentowane sterowniki można łączyć w sieć za pośrednictwem interfejsu RS-485 z wykorzystaniem protokołu MODBUS. Modem radiowy ADAM-4550, wywodzący się z serii ADAM-4000, ma prędkość transmisji 1Mb/s, moc 100mV i programowo konfigurowany adres, wybierany z 16 tys. możliwości. Pasmo częstotliwości pracy wynosi 2.45 GHz. Sieć ilustruje rysunek.

Rys. 4.15. Schemat systemu z modułami ADAM 5000

Przykładem modułu automatyki, komunikującego się za pośrednictwem sieci Ethernet jest moduł ADAM-5000/TCP. Wykorzystany jest w nim protokoł Modbus/TCP.


Rys. 4.16. System ADAM-5000/TCP


Moduł ADAM-5000/TCP jest sterowany przez mikroprocesor 32-bitowy. Protokoł MODBUS/TCP ułatwia integrację z innymi blokami systemu sterowania. Umożliwia komunikację do 100m bez repeatera. Może być zdalnie konfigurowany za pośrednictwem sieci Ethernet. Pozwala na przyłączenie innych modułów za pomocą 8 gniazd. W efekcie pozwala na monitorowanie 128 punktów pomiarowych.

Wcześniej opracowany system ADAM-4000 także można włączyć w sieć Ethernet stosując moduły sprzęgające z interfejsami RS/232/422/485.


Przykładem panelu operatorskiego, sprzęgniętego z systemem zbierania danych i sterowania jest moduł WebOIT-100. Wyposażony on jest w ekran dotykowy oraz oprogramowanie graficzne z animacją, umożliwiający monitorowanie procesu i alarmów oraz wyświetlanie menu technologicznego i raportów.

Rys. 4.17. Panel operatorski WebOIT-100


Systemy tego rodzaju wyposażone są w odpowiednie narzędzie programistyczne, jak np. A-Studio. Narzędzia do celów oprogramowania systemów kontrolno-pomiarowych opisane są w następnym paragrafie.

Rys. 4.18. Ekran panelu operatorskiego zaprogramowany z użyciem A-Studio



4.6. OPROGRAMOWANIE SYSTEMÓW NA BAZIE KOMPUTERA PC


Wspomniane w poprzednim paragrafie oprogramowanie systemów oferowanych przez firmę Advantech przy użyciu pakietu narzędziowego A-Studio umożliwia łatwą komunikację z operatorem, zapewniając automatyczne, półautomatyczne i ręczne sterowanie procesem oraz dostarczając niezbędnych informacji o przebiegu procesu. Biblioteki specjalistycznych elementów graficznych w tego rodzaju oprogramowaniu zapewnia szybkie tworzenie odpowiednich aplikacji (rys. 4.19).

Rys. 4.19. Aplikacje utworzon3 za pomocą oprogramowania firmy National Instruments


Najnowsza wersja Advantech Studio V6.0 jest pakietem oprogramowania SCADA (supervisory control and data acquisition). Może służyć do tworzenia systemów wbudowanych, wykorzystujących systemy operacyjne Windows 2000 oraz NT, XP oraz systemy operacyjne czasu rzeczywistego CE, oraz CE.NET. Umożliwia tworzenie w czasie rzeczywistym okien wykresów, alarmów, protokołów itp. Sterowniki dostarczane z tym oprogramowaniem pozwalają na integrację różnych kart i bloków sprzętowych, przeznaczonych do sprzęgnięcia systemów pomiarów i sterowania z obiektami np. ADAM-4000, ADAM-5000, ADAM-6000.

Ponieważ opis systemów w niniejszym paragrafie bazował na przykładzie produktów firmy Advantech, warto wspomnieć, że urządzenia i oprogramowanie tego rodzaju oferuje wiele firm. Należy do nich na przykład firma amerykańska National Instruments. Sprzedaje ona między innymi oprogramowanie do tworzenia oprogramowania do celów pomiarowo-kontrolnych LabWiew, Measurement Studio oraz LabWindows/CVI.



Biblioteki tych programów pozwalają na sprzęganie systemu z kartami modułami i urządzeniami kontrolno-pomiarowymi kilkudziesięciu ważniejszych firm światowych oraz bazami danych ODBC (Open Data Base Connectivity), takimi jak Microsoft Access, Microsoft SQL Server, Sybase SQL Server, Oracle. Oferują między innymi oprogramowanie do celów regulacji typu PID i Fuzzy Logic. Umożliwiają też matematyczną obróbkę sygnałów, w tym szybką transformatę Fouriera oraz filtracje cyfrową przy użyciu filtrów o skończonej i nieskończonej odpowiedzi impulsowej.


Rys.4.20. Przetwarzanie sygnału przez program LabWiew
Biblioteka pakietu LabWindows, który jest częścią pakietu Measurement Studio firmy National Instruments, umożliwia przetwarzanie sygnałów w następujących dziedzinach:

  • Cyfrowe przetwarzanie sygnałów DSP, w tym określanie widma amplitudowego i fazowego, analiza harmoniczna oraz określanie odpowiedzi impulsowej i transmitancji

  • Generacja sygnałów, w tym gaussowskiego szumu białego, przebiegów impulsowych, piłowych, sinusoidalnych, prostokątnych itp.

  • Analiza z użyciem okien np. Blackmana, Hamminga, Hanninga.

  • Filtracja z użyciem m.in. filtrów Bessela, Czebyszewa, filtrów kaskadowych, filtrów o skończonej i nieskończonej odpowiedzi impulsowej itp.



Literatura:





  1. Michalski L., Sankowski D., Łobodziński W., Orzyłowski M.: High temperature resistance heating in semiconductor production. New process control system. XIII International Congress on Electricity Applications, pp. RE49-RE-55, 1996, Birmingham, UK

  2. Sacha K., Laboratorium systemu QNX, Warszawa, Oficyna Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1995

  3. Lyons R., G., Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania danych, WKiŁ, Warszawa, 1999

  4. van de Plassche R., Scalone przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, Warszawa, WKiŁ, 1997

  5. Kałużniacki T., Orzyłowski M., Rudolf Z., Wielokanałowy system pomiarów temperatury, Prace PIE, Nr 131, str. 106-116, 1997

  6. Orzyłowski M., Kałużniacki T., Rudolf Z., System automatycznego pomiaru i klasyfikacji czujników temperatury, „Pomiary, Automatyka, Kontrola”, Nr 3, str. 28-32, 2000

  7. Materiały informacyjne firm:

  • Analog Devices,

  • Mitsubishi,

  • Idec

  • Allen-Bradley

  • Advantech

  • National Instruments






1   2   3   4   5


©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna