Introducere in SDMIntroducere in SDM

Copyright, 1996 © Dale Carnegie & Associates, Inc.

•ARHITECTURA SISTEMELOR DE MĂSURARE

1.1. INTRODUCERE

1.1.1. Scurt istoric

• Măsurarea a permis omului să avanseze pe calea cunoaşterii, fiind principalul criteriu de verificare a ipotezelor sale.

• Dezvoltarea măsurărilor şi dezvoltarea diferitelor ştiinţe şi tehnologii, s-au stimulat reciproc în beneficiul progresului şi civilizaţiei.

• Măsurările au coborât din laboratoare şi standuri de încercări in liniile de fabricaţie, jucând un rol activ in productie

• Măsurările au preluat sarcini multiple în domeniul industrial:

- controlul calităţii produselor finite,

-controlul parametrilor de funcţionare ai instalaţiilor industriale,

-optimizarea funcţionării unui ansamblu industrial,

-creşterea securităţii în funcţionare a instalaţiilor.

• Măsurările condiţionează dezvoltarea noilor tehnologii.

-dezvoltarea nano tehnologiilor este in mare parte conditionata de dezvoltarea mijloacelor de masurare

• Progresele in domeniile electronicii si informaticii au Progresele in domeniile electronicii si informaticii au

condus si la dezvoltarea impresionanta a masurarilor. Au condus si la dezvoltarea impresionanta a masurarilor. Au

aparut: aparut:

- aparatele numerice cu micropocesor, - aparatele numerice cu micropocesor,

- sistemele de achizitii de date, - sistemele de achizitii de date,

- instrumentatia personala, - instrumentatia personala,

- instrumentatia virtuala, - instrumentatia virtuala,

- senzori inteligenti, - senzori inteligenti,

- structuri inteligente, - structuri inteligente,

- echipamente inteligente, - echipamente inteligente,

- sisteme distribuite de masurare, - sisteme distribuite de masurare,

- software specializat pentru măsurări. - software specializat pentru măsurări.

Progresele din domeniul telecomunicaţiilor Progresele din domeniul telecomunicaţiilor reflectate în domeniul mreflectate în domeniul măsurărilorăsurărilor

• Aparitia magistralelor inteligente a condus la Aparitia magistralelor inteligente a condus la posibilitatea realizării de sisteme distribuite posibilitatea realizării de sisteme distribuite de măsurare,de măsurare,

• Utilizarea fibrelor optice a condus la Utilizarea fibrelor optice a condus la realizarea de senzori cu fibre optice,realizarea de senzori cu fibre optice,

• Dezvoltarea Internetului a permis comanda şi Dezvoltarea Internetului a permis comanda şi supravegherea de la distanţe mari a supravegherea de la distanţe mari a sistemelor de măsurare.sistemelor de măsurare.

1.1.2. Lanţuri de măsurare analogice şi numerice

O măsurare pe cale analogică presupune că semnalul metrologic depinde de mărimea de măsurat printr-o funcţie continuă.

Fig.1.1. Lanţ de măsurare şi reglare analogic

Exemplu practicExemplu practic

Se disting:• captorul sau senzorul,• condiţionerul semnalului,• convertoare de prelucrare,• convertoare de ieşire.

Fig.1.2. Lanţ de măsurare şi reglare (în buclă închisă) pentru cuptoare.

Lanţurile de măsurare numerice se Lanţurile de măsurare numerice se caracterizează prin:caracterizează prin:

• Conversia semnalului analogic într-un semnal numeric,Conversia semnalului analogic într-un semnal numeric,

• Semnalul numeric este format dintr-un şir discret de Semnalul numeric este format dintr-un şir discret de numere stabilind o relaţie discontinuă cu mărimea numere stabilind o relaţie discontinuă cu mărimea măsurată,măsurată,

• Prelucrarea semnalului metrologic (numeric) se face de Prelucrarea semnalului metrologic (numeric) se face de către un calculator numeric (μP) pe baza unui program,către un calculator numeric (μP) pe baza unui program,

• Reconstituirea semnalului analogic, sau comanda unui Reconstituirea semnalului analogic, sau comanda unui dispozitiv analogic, necesita o conversie numeric-dispozitiv analogic, necesita o conversie numeric-analogică,analogică,

• Conversiile analog numerică şi numeric analogică Conversiile analog numerică şi numeric analogică introduc în mod inerent erori de conversie.introduc în mod inerent erori de conversie.

Fig.1.3. Lanţ de măsurare şi reglare numerică în buclă închisă.

Se disting elementele specifice:

•E/M - ciruitul de eşantionare şi memorare,

•CAN - convertorul analog numeric,

•calculatorul cu programul asociat,

•CAN - convertorul numeric analogic

•filtru pentru netezirea semnalului analogic reconstituit.

Exemplu practic

Fig.1.4. Schema funcţională a unui lanţ de măsurare şi reglare numerică pentru menţinerea temperaturii în limite normale în silozuri de cereale.

•Partea analogică:- senzorul - termorezistenţă sau termistor- condiţionerul - punte plus amplifiator sau oscilator,- comanda ventilaţiei

•Partea numerică:- E&M şi CAN,- μP şi CNA

1.1.3. Funcţiile μPμP şi microcalculatoarelor în sistemele de

măsurare gestiunea dinamică a semnalelor provenind de la

mai multe canale, după un algoritm stabilit;

acţiuni retroactive de toate felurile;

supravegherea unor parametri şi declanşarea unor alarme ierarhizate sau a unor comenzi;

trimiterea rezultatelor pe o reţea telefonică sau informatică;

extragerea unor semnale prin autocorelaţie, intercorelaţie, filtraje numerice;

analiza în frecvenţă a semnalelor prin transformata Fourier rapidă (FFT);

analize statistice; teste parametrice;

prezentarea grafică a rezultatelor.

1.2. ARHITECTURA SISTEMELOR NUMERICE DE MĂSURARE

1.2.1. Rolul multiplexării în sistemele de măsurare

• calculatorul nu prelucrează în principiu decât un semnal şi, de aceea, este necesar să fie conectat succesiv, la fiecare canal de măsură

• rezultatele furnizate de calculator în mod secvenţial, pe aceeaşi ieşire, trebuie dirijate spre utilizatori

• aceste functii sunt realizate de multiplexor (MUX) si demultiplexor (DEMUX)

• MUX este o baterie de comutatoare analogice cu ieşirile legate împreună, numărul de comutatoare determinând numărul de canale de intrare.

•comanda închiderii şi deschiderii comutatoarelor este efectuată printr-o intrare de selectare a canalului, care este o intrare logică, conţinând unul sau mai mulţi biţi.

•adresarea poate fi făcută fie secvenţial, fie aleatoriu; in ultimul caz, rolul de programator îl poate avea numai PC-ul,

•dacă unele din mărimile de măsurat prezintă variaţii mai rapide, este posibil prin program să fie conectate mai des decât altele cu variaţie mai lentă,

•DEMUX are structura similara, cu o intrare si mai multe iesiri prin care sunt dirijate rezultate ale masurarilor si comenzi la diferiti utilizatori.

1.2.2. Arhitectura unui sistem de măsurare cu calculator de proces

Fig.1.5. Sisteme de măsurare şi achiziţii de date cu calculator de proces.

• Semnalele de măsurare sunt obţinute de la senzori sau traductoare,• conditionerele aduc semnalele la un nivel standard de tensiune - 2,5 V, 5 V, 10 V,• MUX le comută pe rând, conform programului, la intrarea circuitului de eşantionare şi memorare E&M,• E&M realizeaza esantionarea semnalelor analogice pentru a fi convertite numeric,• convertorul analog-numeric (CAN) relizeaza conversia semnalelor analogice in semnale numerice.• unitatea centrală (UC) prelucrează numeric aceste semnale, conform programului implementat în memoria de bază (HDD), unde sunt transferate şi rezultatele finale.• pentru prelucrările numerice curente, este disponibilă şi o memorie de lucru (RAM) mai rapidă.

• pentru comenzi şi controlul proceselor, este utilizat un DEMUX care dirijează informaţiile spre utilizatorii digitali sau analogici.• CAN realizeaza conversia numeric analogica pentru utilizatorii ce primesc numai semnale analogice.• pentru implementarea şi modificarea programelor, este prevăzută posibilitatea conectării, permanente sau ocazionale, a unei tastaturi şi a unui display. • de asemenea, pot fi conectate, opţional, o imprimantă pentru tipăriri de documente şi un MODEM pentru transmisii la distanţă.• astfel de arhitecturi cu calculator de proces sunt curent utilizate în aplicaţii industriale, la linii tehnologice sau de prelucrare, la centralele electrice etc. • când sistemul de măsurare este conceput şi proiectat să monitorizeze un anumit proces, este implementat şi realizat o dată cu acesta şi este optimizat în funcţie de cerinţele tehnice ale acestuia.

1.2.3. Arhitectura sistemelor de măsurare formate din aparate conectate prin BUS

• În cazul utilizării unor aparate individuale care au interfaţă specializată pentru calculator, conformă cu un anumit standard, se poate realiza un sistem de măsurare prin cuplarea prin BUS a aparatelor la calculator. GPIB sau USB.

Fig.1.6. Sistem de măsurare şi achiziţii de date cu calculator şi aparate cu interfeţe standard IEEE 488.

• Interfaţa IEEE 488 (GPIB) este un ansamblu de circuite electronice care permite aparatelor funcţionarea ca emiţător, receptor sau controler.• Ca emiţător, aparatul trimite pe bus date spre unul sau mai multe receptoare desemnate, • Ca receptor el primeşte date de la celelalte aparate, inclusiv de la calculator.• Rolul de controler este jucat, în general, de calculator; in această funcţie, el desemnează, la fiecare moment, care aparat trebuie să emită date şi care aparat trebuie să le primească.• Structura busului GPIB este urmatoarea:

- BUS-ul de date, care transferă datele si comenzile; - BUS-ul de transfer, execută protocolul de transmitere- BUS-ul de comenzi generale, este în principal utilizat

de controler servind gestiunii generale a sistemului.

1.2.4. Arhitectura sistemelor de măsurare cu P

Fig.1.7. Sistem de măsurare şi achiziţie de date cu microprocesor.

• µP este completat cu circuitele uzuale:-I/O (Input / Output) - interfaţă de intrare - ieşire ;-ROM-(Read Only Memory) memorie implementată cu

program;-RAM-(Random Acces Memory) memorie de lucru şi

stocare intermediară;-TIMER- ceas - bază de timp pentru derularea operaţiilor.

• Tastatura, display-ul, respectiv imprimanta sunt prezente, fie numai la punerea în funcţiune, fie tot timpul, la cerere.• Memoria externă şi MODEM-ul nu figurează decât dacă este necesar. • sistemul cu µP trebuie să genereze:

- semnale de adresare a canalului pentru MUX (a) şi DEMUX (d);

- semnalul de comandă (b) pentru circuite de eşantionare - memorare ( E&M); - semnalele de start al CAN (c).

1.2.5. Arhitectura unor sisteme de măsurare specializate

1.2.5.1. Sistem de măsurare pentru achiziţia sincronă a mai multor semnale

• Pentru aceasta, se pot plasa câte un circuit E&M pe fiecare canal, la intrarea pe MUX. Conversia analog numerică şi citirea datelor pe fiecare canal se pot face

atunci la momente diferite (Fig.1.8).

Fig.1.8. Sistem de măsurare şi achiziţie de date pentru măsurări sincrone.

1.2.5.2. Sisteme de măsurare pentru mărimi rapid variabile

• Pentru mărirea vitezei de achiziţie a datelor, când fenomenele studiate variază rapid, este posibila utilizarea mai multor CAN în paralel pe acelaşi canal.

Fig.1.9. Sistem de măsurare şi achiziţie de date pentru fenomene rapide.

Exemplu numeric :Se presupune că:- timpul de conversie al CAN este: tc = 2,5 µs;- timpul de achiziţie al circuitului E&M: ta = 0,3 µs.Dacă se eşantionează semnalul pe un singur canal,

timpul de achiziţie al unei măsurări este: ta + tc = 2,8 µs, viteza de achiziţie nedepăşind, în acest caz:

Din contră, dacă se eşantionează semnalele ca în Fig.1.9, este posibil de a preleva un eşantion pe µs, ceea ce revine la o viteză de 106 eşantionări/s. În aceste condiţii, fiecare CAN dispune totuşi de 3 µs pentru a efectua conversia.

s/esantioane1057,3108,2

1

tt

1 56

ca

1.2.5.3. Arhitectura sistemelor de măsurare distribuite

Fig.1.10. Sisteme de măsurare cu transmisia la distanţă a semnalelor.

Dacă sistemul de prelucrare a datelor se află la distanţă de fenomenul sau instalaţia măsurată, transmisia semnalelor poate fi afectată de zgomote.

• În acest caz, se utilizează conversia analog-numerică locală sau conversia în frecvenţă, transmiţându-se la distanţă semnale numerice sau modulate în frecvenţă, mult mai puţin afectate de zgomote decât semnalele analogice.

• O soluţie tot mai frecvent folosită, este cea care utilizează transmisia pe fibre optice, semnalul optic fiind practic imun la zgomote.(Fig. 1.10)

• O alta tendinţă în realizarea sistemelor distribuite de măsurare o constituie utilizarea traductoarelor inteligente sau a sistemelor traductor-dispozitiv de acţionare ce pot fi conectate prin bus-uri inteligente (reţele informatice) la un calculator master.

1.2.6. Concluzii

• Arhitectura sistemelor numerice de măsurare poate fi foarte diferită, în funcţie de:

- mărimile măsurate,

- viteza lor de variaţie,

- numărul de canale de măsurare,

- tehnica de calcul disponibilă,

- precizia de măsurare cerută şi, nu în ultimul rând,

- preţul de cost al componentelor utilizate.