SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂiota.ee.tuiasi.ro/~sam/pdf/SAMcurs1.pdf · – nivelul nodurilor de...
Transcript of SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂiota.ee.tuiasi.ro/~sam/pdf/SAMcurs1.pdf · – nivelul nodurilor de...
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
1. Generalităţi
11
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
1. Generalităţi
Exemple de controlere PXI actuale sunt date în tabelul de mai jos.
15
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
1. Generalităţi
29
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
1. Generalităţi
Module de condiţionare
Modul de condiţionare analogică a tensiunilor de la intrare
30
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Conf.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
Conversia curent-tensiune se realizează cel mai simplu cu ajutorul unui rezistor, de regulă
în conexiune quadripolară sau printr-un şunt.
Sisteme de achiziţii de date
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
Cele mai simplu condiţionor de semnal pentru tensiune este divizorul rezistive de tensiune
rezistiv.
Sisteme de achiziţii de date
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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.
Sisteme de achiziţii de date
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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.
Sisteme de achiziţii de date
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
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.
Sisteme de achiziţii de date
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
Banda de frecvenţă se defineşte pentru o
scădere a amplificării de ori.
Sisteme de achiziţii de date
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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
Sisteme de achiziţii de date
- 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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
Sisteme de achiziţii de date
- 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
SISTEME AUTOMATE DE MĂSURĂ CURS NR.1 Prof.Dr.Ing. Cristian Zet
Sisteme de achiziţii de date
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.