SISTEME DE ACHIZIŢIE A DATELOR ŞI CONDUCERE A PROCESELOR CU CALCULATORUL

1. NOŢIUNI FUNDAMENTALE

Utilizarea calculatoarelor numerice în industrie şi cercetare se face pe scară din ce în ce mai largă pentru rezolvarea problemelor numerice şi prelucrarea datelor, în aplicaţiile concrete care implică cercetarea ştiinţifică fundamentală şi experimentele de laborator, la simularea proceselor, pentru controlul şi conducerea proceselor precum şi în aplicaţiile din domeniul transmiterii informaţiei.

Un sistem de achiziţie are în general trei componente principale (fig.1 şi 2): - achiziţia datelor (analogică); - transformarea datelor; - prelucrarea datelor.

Fig.1 – Structura generală unui sistem de achiziţie de date

Fig.2 – Amplasarea sistemului de achiziţie a datelor în cadrul procesului asistat

Componentele de bază ale unui sistem de achiziţie modern sunt (fig.3): - calculatorul personal (personal computer); - traductoarele (transducers); - condiţionerul de semnale (signal conditioning); - echipamentele de achiziţie şi analiză a datelor (data acquisition and analysis

hardware); - programele de achiziţie (software).

Fig.3 – Structura unui sistem tipic de achiziţie a datelor bazat pe PC Dicţionar: transducers = traductoare; signal conditioning = condiţioner de semnale; data acquisition and analysis hardware = echipament de achiziţie a datelor şi analiză; personal computer = calculator personal (PC); software = programe.

A. Calculatorul personal Atât procesoarele moderne cât şi arhitectura magistralelor de comunicaţie permit

utilizarea calculatoarelor personale în structura sistemelor de achiziţie a datelor. Odată cu alegerea echipamentului de achiziţie şi arhitecturii magistralei de comunicaţie trebuie să se opteze şi pentru metodele de transfer al datelor care vor fi folosite în procesul de achiziţie şi prelucrare.

Calculatorul care va fi utilizat pentru achiziţia datelor poate afecta considerabil viteza maximă de achiziţie continuă a datelor; o alternativă modernă şi flexibilă este cea care utilizează calculatoarele portabile. Echipamentele care formează un sistem de calcul (numite hardware) sunt următoarele:

- unitatea centrală de prelucrare, care efectuează calculele şi urmăreşte realizarea secvenţială (pas cu pas) a programului (interpretează şi procesează informaţiile);

- memoria centrală în care sunt păstrate temporar instrucţiunile şi datele procesate;

- echipamentele periferice, utilizate pentru introducerea datelor în calculator (echipamente de intrare), pentru extragerea datelor din calculator (echipamente de ieşire) şi pentru memorarea pe termen lung a programelor şi datelor (echipamente de memorie auxiliară).

Factorul care poate limita achiziţia unei cantităţi mari de date este adesea capacitatea discului fix al calculatorului. Timpul de acces la disc şi fragmentarea acestuia pot reduce semnificativ viteza maximă la care datele pot fi achiziţionate şi transferate pe disc.

Pentru sistemele care trebuie să achiziţioneze semnale de înaltă frecvenţă, este indicat să se aleagă o unitate de disc cu viteză mare şi să se asigure un spaţiu liber şi nefragmentat (contiguu) pe disc, suficient de mare pentru colectarea datelor. În plus, este util să se dedice un disc fix numai pentru achiziţia datelor iar sistemul de operare să fie rulat de pe un disc separat atunci când datele sunt transferate pe disc.

Aplicaţiile care solicită procesarea în timp real sau semnale de înaltă frecvenţă necesită procesoare pe 32 biţi sau 64 biţi de viteză mare, cu coprocesor sau un procesor de semnale digitale (DSP – digital signal processing). În cazul în care aplicaţia achiziţionează şi scalează numai o citire, odată sau de două ori pe secundă, poate fi utilizat un PC fără performanţe deosebite.

B. Traductoarele şi condiţionerele de semnale Traductoarele sesizează fenomenele fizice şi generează semnalele electrice pe

care le măsoară sistemul de achiziţie. De exemplu, termocuplele, termistoarele, etc. convertesc temperatura într-un semnal analogic pe care un convertor analog-digital îl poate transforma în semnal numeric. La fel, alte tipuri de traductoare cum ar fi cele de debit, de presiune, de forţă etc., măsoară debitul, presiunea, forţa, etc. şi produc un semnal electric proporţional cu parametrul fizic pe care îl monitorizează şi care trebuie măsurat.

Semnalele pot fi clasificate în două categorii: a. semnale analogice Un semnal analogic poate fi orice mărime variabilă în raport cu timpul, de

exemplu: tensiunea, temperatura, presiunea, sunetul şi sarcina. Caracteristicile primare ale unui semnal analogic sunt (fig.4): - nivelul: deoarece semnalele analogice pot lua orice valoare în raport cu

timpul, nivelul oferă informaţii vitale referitoare la semnalul analogic măsurat; când se măsoară nivelul unui semnal, semnalul nu se schimbă rapid în raport cu timpul. Precizia măsurării este foarte importantă.

- forma: semnalele sunt denumite în funcţie de forma lor specifică: sinusoidal, pătratic, dinţi de fierăstrău şi triunghiular. Forma unui semnal analogic poate fi la fel de importantă ca şi nivelul, deoarece măsurarea formei unui semnal analogic permite o viitoare analiză a semnalului, incluzând valorile de vârf, panta, etc..

- frecvenţa: un semnal analogic poate fi caracterizat prin frecvenţa sa. Aceasta nu poate fi măsurată direct, semnalul trebuind să fie analizat cu ajutorul

programelor specifice pentru a determina informaţiile referitoare la frecvenţă. Analiza este realizată de obicei utilizând un algoritm cunoscut bazat pe transformata Fourier.

Fig.4 – Caracteristicile primare ale unui semnal analogic

b. semnale digitale Un semnal digital nu poate lua orice valoare în raport cu timpul. Un semnal digital

poate avea două niveluri posibile: superior şi inferior. În general, semnalele digitale se conformează anumitor specificaţii. Informaţiile utile care pot fi măsurate pentru un semnal digital sunt (fig.5):

- starea – Semnalele digitale nu pot lua orice valoare în timp. Starea unui semnal digital este în esenţă nivelul semnalului: on sau off, superior sau inferior.

- viteza – Defineşte modul în care semnalul îşi schimbă starea în raport cu timpul. Rata de eşantionare a semnalelor digitale măsoară cât de des apare o secvenţă a semnalului, nefiind necesar un program special de calcul.

Fig.5 – Caracteristicile primare ale unui semnal digital

Unele traductoare generează semnale prea dificil sau prea periculos a fi măsurate direct cu un echipament de achiziţie, de exemplu când apar măsurări simultane sau valori extreme.

Semnalele electrice generate de traductoare trebuie să fie optimizate din punctul de vedere al nivelului de intrare în echipamentul de achiziţie. Condiţionerul de semnale amplifică semnalele joase, apoi le izolează şi le filtrează pentru măsurări mai precise. El

măreşte precizia sistemului, permite traductoarelor să funcţioneze corect, precis şi în condiţii sigure.

Este important ca pentru condiţionerul de semnale să se selecteze echipamentul adecvat. Aceste echipamente pot fi furnizate atât ca module cât şi ca echipamente integrate (fig.6).

Fig.6 – Variante de echipamente pentru condiţionarea semnalelor oferite de firma National Instruments

Condiţionarea semnalelor poate fi folosită pentru: - amplificare: este cea mai comună aplicaţie şi are ca scop mărirea preciziei la

maximum posibil; - izolare: semnalul traductorului este izolat galvanic de calculator, pentru

siguranţă; - multiplexare: este o tehnică comună de măsurare a mai multor semnale cu o

singură operaţie de măsurare; - filtrare: scopul este îndepărtarea semnalelor nedorite din semnalul care

trebuie măsurat; - excitare: unele traductoare au nevoie de semnale externe în tensiune sau

curent pentru excitaţie; - linearizare: multe traductoare au un răspuns neliniar la variaţiile mărimilor

care sunt măsurate. C. Echipamentele de achiziţie Acestea au rolul de interfaţă între calculator şi mediul extern (fig.7) deoarece

digitizează semnalele analogice de intrare, astfel încât calculatorul să le poată interpreta.

Fig.7 – Variante de echipamente de achiziţie ale firmei National Instruments

Specificaţiile de bază disponibile pentru majoritatea sistemelor de achiziţie se referă la:

- numărul de canale analogice de intrare; - rata de eşantionare – determină frecvenţa conversiilor; o rată mare de

eşantionare permite achiziţia mai multor date într-un interval de timp dat şi poate de aceea să ofere o mai bună reprezentare a semnalului original;

- multiplexarea – permite măsurarea mai multor semnale în acelaşi timp; - rezoluţia – este numărul de biţi pe care convertorul analog-digital îl utilizează

pentru a reprezenta semnalul analogic; - domeniul – reprezintă diferenţa dintre nivelurile de tensiune minim şi maxim

pe care convertorul analog-digital le poate cuantifica. D. Programul de achiziţie Programele de calcul (numite generic software) se împart în trei mari categorii: - programe sistem - controlează operaţiile efectuate de sistemul de calcul şi

asigură legătura între componenetele acestuia şi programele de aplicaţie şi utilitare. Rolul acestora este de a uşura sarcina utilizatorilor, simplificând operaţiile de alocare a memoriei, afişare a caracterelor pe ecran şi la imprimantă, citire a caracterelor de la tastatură, accesul la informaţiile stocate pe discurile magnetice etc.;

- programe de aplicaţie - interacţionează direct cu utilizatorul, fiind specializate în executarea unor prelucrări strict definite. În această categorie intră editoarele de texte, programele pentru gestiunea bazelor de date, programele de tehnoredactare şi grafică asistată de calculator etc.;

- programe utilitare - interacţionează direct cu utilizatorul dar, spre deosebire de programele de aplicaţii, realizează prelucrări de uz general. Ele ajută utilizatorul să "administreze" sistemul de calcul şi produsele software prin copierea fişierelor, pregătirea discurilor magnetice pentru utilizare, crearea de copii pentru salvare, testarea sistemului de calcul etc.

O categorie aparte de programe utilitare o constituie programele de interfaţă, care îndeplinesc rolul de "interpret" între utilizator şi sistemul de operare.

Programul de achiziţie transformă calculatorul şi echipamentul de achiziţie într-un instrument complet de achiziţie a datelor, analiză şi prezentare. El constituie intermediarul între programul de aplicaţie şi echipament, coordonând operaţiile efectuate de echipamentul de achiziţie şi integrarea sa cu resursele sistemului de calcul.

E. Programul de aplicaţie O posibilitate adiţională de programare a echipamentului de achiziţie este

utilizarea aplicaţiei software. Avantajul utilizării acesteia este că ea analizează şi prezintă posibilităţile programului de conducere. Programul de aplicaţie integrează de asemenea instrumentele de control cu achiziţia de date.

F. Dezvoltarea sistemului Pentru a dezvolta un sistem de achiziţie a datelor de înaltă calitate pentru

măsurare şi control sau testare şi măsurare, trebuie analizată detaliat fiecare componentă implicată. Deoarece componentele unui sistem de achiziţie inclus în sistemul de calcul nu au posibilitatea de afişare, programul este singura interfaţă cu sistemul. În acest caz, programul este componenta care leagă toate informaţiile referitoare la sistem şi este elementul care controlează sistemul. Programul integrează traductoarele, condiţionerele de semnal, echipamentul de achiziţie şi le analizează ca un sistem de achiziţie complet, funcţional (fig.8).

Fig.8 – Funcţiile de procesare a semnalelor din LabWindows/CVI permit operaţii de analiză şi vizualizare

2. SISTEME DE CONDUCERE A PROCESELOR CU

CALCULATORUL

Utilizarea calculatoarelor în conducerea proceselor industriale trebuie privită ca fiind o componentă dintr-un sistem complex de conducere automatizat. În prezent, procesele tehnologice de orice natură sunt dotate în mod obligatoriu cu sisteme de conducere automată.

Datorită progreselor făcute în domeniul ştiinţei conducerii proceselor, conducerea on-line în timp real a devenit indispensabilă, rolul esenţial revenind sistemelor inteligente adaptive, autoadaptive şi optimale, sistemelor expert. Deoarece conducerea se face în timp real, răspunsul sistemului devine o componentă esenţială, el fiind aproape instantaneu cu desfăşurarea procesului.

Prin utilizarea programelor specializate de conducere a proceselor, acestea devin flexibile, extensibile, adaptive şi autoadaptive. 2.1 Evoluţia conceptului de "conducere a proceselor cu calculatorul "

Primele aplicaţii de utilizare a calculatoarelor împreună cu sistemele industriale au fost de tip "conducere off-line". Calculatorul de tip universal necesita condiţii de funcţionare extrem de pretenţioase (mediu climatizat şi lipsit de praf). De asemenea, prezenta marele dezavantaj al incompatibilităţii dintre tipul şi forma datelor pe care le accepta (numerice şi sub formă de caractere) şi cele oferite de procesul "condus" (analogice, semnal electric). Această incompatibilitate a impus citirea de către operator a datelor din proces, trecerea lor pe un suport adecvat calculatorului, prelucrarea datelor de către acesta şi emiterea rezultatelor sub formă scrisă pentru a servi operatorului ca ghid de manevrare a posibilităţilor de comandă pe care le avea la dispoziţie. Modul de conducere off-line excludea orice legătură între calculator şi procesul "condus".

Apariţia sistemelor de interfaţă cu procesul a deschis perspective largi utilizării calculatoarelor în conducerea proceselor. Sistemul de interfaţă realizează adaptarea caracteristicilor informaţiilor din proces la cele ale informaţiilor care pot fi introduse în calculator precum şi a caracteristicilor informaţiilor produse de calculator la cele ale

comenzilor acceptate de proces. Astfel, s-a trecut la o nouă etapă în care calculatorul este mult mai aproape de proces, având şi posibilitatea de funcţionare în condiţii industriale.

Conducerea unui proces în regim "ghid operator" a presupus utilizarea unui calculator care să realizeze numai achiziţia de date din procesul condus pe care apoi să le prelucreze în conformitate cu strategia de conducere impusă prin programare, elaborând nu comenzi spre procesul condus ci indicaţii pentru operator asupra modului în care ar trebui condus procesul, în scopul realizării unui criteriu de performanţă prestabilit.

Un asemenea mod de conducere presupune o echipare adecvată a procesului cu mijloace de automatizare convenţională (regulatoare, traductoare etc.). Cu toate acestea, utilizarea unui echipament complex cum este sistemul de calcul numai pentru a ajuta operatorul la luarea deciziilor pe care tot el le implementează nu se justifică, în majoritatea cazurilor, din punct de vedere economic.

Un pas înainte spre integrarea deplină a calculatorului în conducerea proceselor îl face conducerea prin fixarea mărimilor de referinţă în care calculatorul furnizează valorile mărimilor de referinţă ale regulatoarelor cu care este echipat procesul. Intrările în calculator sunt valorile parametrilor reglaţi precum şi valorile altor parametri asociaţi acestora.

Calculatorul mai primeşte şi semnale de tip numeric care furnizează informaţii asupra stării diverselor elemente componente ale procesului, informaţii de tipul pornit - oprit, normal - avarie, în funcţiune - în rezervă etc. În afara referinţelor regulatorului procesului, calculatorul comandă şi pornirea sau oprirea unor elemente componente ale procesului tehnologic condus.

Activitatea pe care o desfăşoară calculatorul este implementată într-un pachet de programe care conţine toţi algoritmii necesari aplicării strategiei de conducere.

Metoda de conducere asigură în general o eficienţă economică de aproape 10 ori mai ridicată decât a oricărei alte metode, deoarece valoarea investiţiilor legate de introducerea conducerii cu calculatorul este redusă în raport cu valoarea întregii automatizări a procesului. Deoarece un proces bine dotat cu aparatură de automatizare convenţională este foarte bine cunoscut, programele necesare conducerii pot asigura în plus o bună realizare a indicelui de performanţă ales drept criteriu de conducere.

Eliberând procesul de aparatura de automatizare convenţională şi cuplând la el un calculator, se poate realiza o conducere numerică directă în cadrul căreia calculatorul comandă elementul de execuţie cu care este prevăzut sistemul condus. În acest caz, funcţiile de reglare ale regulatoarelor cu care este prevăzut procesul sunt preluate de calculator, întregul complex de echipamente şi preţul se micşorează, se asigură o creştere a calităţii conducerii datorită algoritmilor noi folosiţi şi a preciziei de calcul. Această structură nu poate asigura conducerea numerică directă în cazul unui proces complex, la care numărul de bucle de reglaj ar necesita un volum foarte mare de calcul, ceea ce ar duce la un timp de răspuns foarte mare din partea calculatorului.

Conducerea optimală reprezintă de regulă un caz particular al conducerii prin fixarea mărimilor de referinţă, deoarece determinarea valorii referinţelor se face în urma extremizării unui indice de performanţă.

Conducerea optimală se recomandă a fi aplicată în special proceselor continue în care există un număr mare de variabile care interacţionează simultan, influenţând procesul, produsul şi performanţa economică.

Conducerea adaptivă reprezintă în general o formă particulară a conducerii numerice directe deoarece este folosită în cazul proceselor ale căror parametri tehnologici se modifică, ceea ce impune reajustarea parametrilor regulatoarelor; în anumite situaţii acest lucru nu poate rezolva complet problema, fiind necesară şi o modificare de structură.

2.2 Structura sistemelor de conducere Abordarea problemelor legate de conducerea proceselor industriale se face

pornind de la caracteristicile acestora [POPA, 98]: - procesele sunt în general complexe, se desfăşoară în timp şi posedă un

număr mare de parametri interdependenţi care trebuie controlaţi în paralel, individual şi în interacţiune;

- comanda şi controlul procesului au loc în timp real, în acelaşi timp cu desfăşurarea procesului;

- pentru a fi posibilă comanda şi controlul proceselor este necesară o interfaţă industrială de proces care să asigure legătura dintre proces şi sistemul de conducere;

- activitatea de comandă şi control trebuie să fie continuă, indiferent dacă procesul condus este continuu sau discret;

- rolul operatorului uman în conducerea în timp real a procesului este obligatoriu şi diferă în funcţie de gradul de automatizare a procesului.

Problema conducerii sistemelor şi proceselor complexe trebuie abordată ierarhizat, prin distribuirea funcţională şi geografică a funcţiilor de conducere.

O structură ierarhizată se caracterizează prin: - dispunerea verticală a subsistemelor componente; - prioritatea de acţiune a nivelurilor superioare; - dependenţa bunei funcţionări a nivelurilor superioare de performanţa

nivelurilor inferioare. Pentru realizarea unei astfel de structuri este necesară: - descompunerea sistemului condus şi/sau a celui de conducere (sau a

problemei de conducere) în părţi a căror analiză, proiectare şi implementare este mai simplă;

- realizarea unui mecanism de coordonare în scopul asigurării obiectivelor globale.

Conducerea proceselor industriale moderne este integrată în sisteme informatice, care au atât rolul de conducere propriu-zisă a proceselor tehnologice cât şi de management al tuturor resurselor.

Sistemul informatic reprezintă un ansamblu coerent structurat, format din echipamente electronice de calcul şi de comunicaţie, procese, proceduri automate şi manuale; sunt incluse de asemenea structurile organizatorice şi personalul care folosesc echipamentele de calcul ca instrumente de prelucrare automată a datelor, în scopul optimizării funcţionării proceselor.

Sistemul informatic preia şi dezvoltă o parte din operaţiile de prelucrare ale întregului sistem informaţional şi de conducere a procesului pe care le automatizează, devenind astfel un subsistem informaţional automatizat.

Sistemele informatice pentru conducerea proceselor tehnologice sunt formate din ansamblul de echipamente de calcul şi comunicaţie sau telecomunicaţie integrate în sistemul de comandă – control, programe pentru calculator, proceduri de operare şi operatori umani, care colaborează pentru conducerea parţială sau în totalitate a procesului, în scopul realizării performanţelor tehnice şi economice dorite.

Din punct de vedere fizic, sistemul informatic realizează prelucrarea integrată a informaţiilor prin intermediul unei reţele de echipamente de calcul şi elemente periferice adecvate. Informaţiile sunt furnizate ca o colecţie unică de date şi reprezintă baza unor variante multiple de prelucrare, în raport cu funcţiile şi cerinţele concrete de conducere ale procesului în care este implementat sistemul informatic.

Din punct de vedere logic, funcţionarea sistemului informatic este subordonată specificului procesului în care este implementat, prin intermediul bazelor locale de date sau a bazelor de date distribuite.

Obiectivul fundamental al unui sistem informatic de conducere a proceselor tehnologice constă în funcţionarea optimă a instalaţiilor şi echipamentelor din proces şi furnizarea de informaţii corecte, relevante şi la timp.

Structura generală a unui sistem informatic cuprinde un ansamblu de intrări, prelucrări şi ieşiri definite în funcţie de obiectivele sistemului care urmează a fi realizat. Intrările sunt parametrii de referinţă de comandă şi parametrii de stare reală ai funcţionării procesului obţinuţi prin feedback. Ieşirile sunt datele (semnalele) de comandă ale procesului, de memorare a stării procesului şi de informare sintetică a operatorilor de proces şi factorilor de decizie. Prelucrările sunt asigurate de un ansamblu omogen de proceduri automate care realizează, prin datele de ieşire, comanda şi controlul procesului. Baza informaţională este formată din ansamblul entităţilor informaţionale şi atributelor componente ale acestora, care descriu dinamica proceselor şi fenomenelor.

2.3 Calculatorul de proces Necesitatea cuplării unui sistem de calcul la procesul care trebuie condus a adus

modificări în structura standard a acestuia. Astfel, se poate defini calculatorul de proces ca fiind o entitate formată dintr-un calculator universal de uz general şi un sistem de interfaţă care cuprinde sistemul de interfaţă al intrărilor şi sistemul de interfaţă al ieşirilor.

În structura unui calculator de proces conectat la un proces industrial se remarcă:

- echipamentele periferice generale (tastatura, unităţile de disc, imprimanta etc.);

- consola operatorului de proces, echipament destinat asigurării unei comunicaţii eficiente între operator şi proces, astfel încât operatorul procesului să nu sesizeze existenţa unui mediu intermediar între el şi procesul pe care îl va conduce.

Spre deosebire de calculatorul universal, calculatorul de proces are o structură modulară, deoarece fiecare bloc al acestuia realizează o anumită funcţie: culegerea şi conversia informaţiei de intrare, stocarea informaţiei, prelucrarea ei etc.

Calculatorul universal poate funcţiona în timp real, în timp accelerat sau în timp dilatat pe când calculatorul de proces trebuie să funcţioneze numai în timp real. Funcţionarea în timp real condiţionează necesitatea sincronizării procesului prelucrării electronice cu ritmul prelucrării informaţiilor de intrare şi, implicit, cu dinamica desfăşurării procesului tehnologic. Informaţia achiziţionată prin sistemul de interfaţă trebuie să fie prelucrată şi memorată într-un interval de timp minim, pentru ca rezultatul calculului să fie obţinut în timp util transmiterii mărimii de comandă la procesul condus.

Calculatorul de proces trebuie să ia permanent în considerare toate solicitările de rezolvare a anumitor algoritmi şi să determine pentru situaţia dată succesiunea optimă a executării lor pe durata perioadei date de discretizare.

O altă caracteristică a calculatorului de proces constă în aceea că rezolvă diferite probleme de supraveghere şi de comandă, care rămân relativ neschimbate pe durate de timp relativ lungi de exploatare a instalaţiei sau de desfăşurare a procesului.

Calculatorul de proces dispune faţă de calculatorul universal de un sistem de interfaţă cu ajutorul căruia rezolvă pe lângă problemele de calcul şi problemele legate de schimbul de informaţii (conversie) cu obiectul condus.

Calculatorul de proces trebuie să funcţioneze neîntrerupt o mare perioadă de timp, deci trebuie să aibă o fiabilitate şi o stabilitate la perturbaţii ridicată, deoarece orice defecţiune sau întrerupere în funcţionare poate produce o avarie în instalaţie.

Configuraţia calculatorului de proces depinde de caracterul aplicaţiei. Există două clase de aplicaţii:

- informaţionale, de culegere şi prelucrare a informaţiei. Calculatorul de proces asigură culegerea datelor de la traductoarele din proces, filtrarea semnalelor pentru separarea semnalului util, compararea semnalului cu valoarea admisă, prelucrarea informaţiei în vederea diagnosticării şi prognozării stării instalaţiei industriale. Calculatorul de proces va semnaliza momentul ieşirii parametrilor tehnologici în afara valorilor admise precum şi momentul în care sunt atinse valorile prescrise.

- de conducere. Calculatorul de proces asigură, pe lângă funcţia de prelucrare a datelor efectuate în aplicaţiile informaţionale şi probleme de conducere: pornirea şi oprirea echipamentelor conduse, optimizarea funcţionării instalaţiei după un criteriu impus de programator, identificarea proceselor conduse în cazul variaţiei parametrilor lor, schimbul de informaţii cu calculatorul de conducere de la nivelurile superioare ale sistemului ierarhic de conducere. Calculatoarele de proces din această clasă au o configuraţie şi o structură mai complexă decât cele din aplicaţiile informaţionale.

Trăsăturile calculatoarelor de proces specificate anterior se asigură prin utilizarea în cadrul acestor calculatoare a unor soluţii arhitecturale şi structurale adecvate.

Astfel, prin utilizarea unei magistrale comune, toate blocurile şi dispozitivele calculatorului se conectează la un sistem comun de circuite informaţionale şi de comandă, realizat sub forma unui canal de comunicaţii unificat, utilizat pentru transmiterea informaţiei între procesor, memorie, sistemul de interfaţă şi echipamentele periferice. Pe canalul unic de comunicaţii se transmit date, adrese, instrucţiuni, informaţii despre starea echipamentelor periferice, semnale de comandă. Informaţia transmisă este însoţită de adresa blocului sau dispozitivului căruia îi este adresat mesajul, deci informaţia va fi acceptată numai de blocul căruia îi este destinată.

Utilizarea unei magistrale unice reduce productivitatea calculatorului, deoarece într-un ciclu de funcţionare al acestuia, pe canalul comun se poate transmite numai un cuvânt, dar datorită magistralei unice de comunicaţii, în calculator se poate organiza schimbul direct de informaţii între dispozitivele periferice şi memorie, fără participarea procesorului. Pe magistrala unică pot fi conectate diferite procesoare specializate pentru adaptarea sau orientarea calculatorului de proces pentru rezolvarea unei anumite aplicaţii. De asemenea se asigură o mare flexibilitate şi se permite creşterea puterii de calcul şi de comandă prin cuplarea mai multor procesoare într-un complex de calcul unic.

O soluţie adoptată frecvent este modularitatea sistemelor de conducere cu calculatorul, care constă construcţia sistemelor pe baza unei familii de module caracterizate prin autonomie funcţională, universalitate structurală şi standardizare constructivă.

2.4 Cuplarea calculatorului de proces la procesul condus Legătura dintre procesul condus şi calculatorul de proces se realizează în

principiu astfel (fig.9): - parametrii fizici ai procesului industrial sunt măsuraţi cu ajutorul unor

traductoare de măsură adecvate ale căror semnale de ieşire sub formă de mărime electrică au o valoare proporţională cu mărimea fizică măsurată.

Acestea sunt transmise la un sistem de interfaţă (SI) care realizează eşantionarea în timp, multiplexarea mărimilor de intrare şi transformarea lor adecvată prin conversia analog/numerică (A/N) cu precizia impusă şi rata de conversie corespunzătoare vitezei de variaţie a mărimii măsurate, pentru a putea fi memorate şi/sau prelucrate de calculatorul de proces (CP);

- informaţiile de comandă emise de CP în urma preluării datelor numerice primite de la SI, conform algoritmului de conducere, sunt transformate de SI în semnale electrice adecvate (tren de impulsuri, durată impuls, conversie D/A) şi transmise elementului de execuţie, care va acţiona în sensul dorit asupra procesului industrial.

Fig. 9 – Schimbul de informaţii între sistemul de conducere şi proces

Principalele probleme tehnice care trebuie luate în considerare şi rezolvate la fiecare aplicaţie sunt:

- alegerea traductoarelor şi a elementelor de execuţie adecvate: tipul şi gama de variaţie a mărimii de intrare, clasa de precizie, tipul semnalului de ieşire, condiţiile de instalare şi funcţionare, preţul;

- transmiterea semnalelor de măsură şi de comandă la/de la CP; tipul transmisiei şi tipul canalului de transmisie, traseu, distanţă, nivel de perturbaţii, atenuarea semnalului, viteza de transmisie;

- modul de preluare de către calculatorul de proces a fiecărui semnal de măsură, tip semnal, necesităţi de filtrare şi (pre)amplificare, separare electrică, viteză de eşantionare;

- structura sistemului de cuplare a calculatorului de proces cu procesul industrial: structură centralizată, structură descentralizată, structură mixtă ş.a.;

- alegerea tipului şi parametrilor calculatorului de proces care constă în alegerea acelor echipamente şi configuraţii de sistem de interfaţă care să permită asigurarea performanţelor sistemului de conducere a procesului în condiţii de restricţii date.

Observaţie: alegerea mijloacelor tehnice necesare pentru realizarea sistemului de conducere nu se face fără stabilirea precisă a parametrilor procesului tehnologic care trebuie măsuraţi şi controlaţi.

2.5 Sistemul de interfaţă al calculatorului de proces

Sistemul de interfaţă (SI) reprezintă un echipament complex format din mai multe module care îndeplinesc diferite funcţii specifice: conversie analog/digital (A/D), digital/analog (D/A), intrări binare sau trenuri de impulsuri, ieşiri binare sau trenuri de impulsuri.

Deoarece există o largă varietate de aparate, traductoare sau blocuri de măsură şi comandă speciale, realizarea blocurilor componente ale SI devine specifică fiecărei aplicaţii. Pentru a se putea utiliza un astfel de sistem pentru o gamă largă de aplicaţii se tinde spre folosirea interfeţelor standardizate, simple în utilizare şi acceptabile ca preţ.

Interfeţele standardizate trebuie să satisfacă următoarele cerinţe: - sistemice, determinate de caracterul larg şi foarte diversificat al utilizării

calculatorului de proces în conducerea proceselor, constând în probabilitatea asigurării legăturii cu o gamă largă de traductoare şi elemente de execuţie precum şi în posibilitatea reconfigurării sistemului de interfaţă odată cu modificările intervenite în sistem (schimbarea traductoarelor, a numărului lor);

- privind legăturile cu unitatea centrală – calculatorul de proces (UC – CP) care constau în conectări flexibile cu acestea şi simplitate în organizarea schimbului de semnale. De asemenea, trebuie să se asigure protecţia canalelor de transmisie dintre interfaţă şi calculator împotriva perturbaţiilor generate de mediul industrial;

- tehnico-constructive, constând în asigurarea unei construcţii comode în exploatare.

Pentru satisfacerea acestor cerinţe, sistemul de interfaţă (SI) trebuie realizat pe baza principiului modular (structură şi construcţie) şi să aibă două diviziuni:

- internă – standardizată, nemodificabilă, permiţând existenţa unei baze unice pentru elaborarea de noi module;

- externă – modificabilă, constând dintr-un bloc de cuploare specializat care permite cuplarea interfeţei interne cu magistrala internă proprie tipului de unitate centrală de calcul (UC) utilizată.

3. METODOLOGIA DE ACHIZIŢIE A DATELOR EXPERIMENTALE

Sistemele de măsură reprezintă o parte integrantă a procesului de dezvoltare a

unui produs sau proces. În ultimii 20 de ani, sistemele de măsură au cunoscut o schimbare radicală, o adevărată revoluţie, care a condus la o nouă arhitectură în care calculatorul are rolul principal.

3.1 Evoluţia sistemelor de măsură

În urmă cu peste 20 de ani, comunicaţiile seriale (RS-232 şi GPIB) au permis

calculatorului să devină pentru prima dată o parte componentă a sistemelor de măsură. Prin conectarea echipamentelor de măsură direct la calculator (fig.10) s-a putut reduce timpul de lucru şi erorile de procesare specifice transferului manual al datelor care erau introduse în calculator pentru analize ulterioare.

Fig.10 – Conectarea unui instrument de măsură independent la un PC prin intermediul comunicaţiei seriale

Prin utilizarea calculatorului ca un „controler” central pentru toate instrumentele

sistemului de măsură s-au putut integra şi coordona mai multe instrumente de măsură într-un singur sistem. Pentru aceasta, a fost necesară crearea unei interfeţe software care să permită transmiterea comenzilor şi primirea răspunsurilor de la instrumentele din sistemul de măsură într-un sistem centralizat bazat pe calculator. Au fost dezvoltate astfel driver-ele care se instalau ca o parte a sistemului de operare (standardul API = Application Programming Interface – Interfaţa de Programare a Aplicaţiilor).

Pe la jumătatea anilor ’80, progresele realizate în arhitectura sistemelor de calcul (respectiv a magistralelor de transmisie) a permis dezvoltarea echipamentelor de măsură modulare pe care utilizatorii le puteau instala în calculator (fig.11).

Fig.11 – Posibilitatea executării măsurărilor direct în interiorul calculatorului Apariţia plăcilor de achiziţie modulare a eliminat necesitatea cuplării la un

procesor dedicat şi a existenţei programelor integrate şi memoriei în interiorul instrumentelor de măsură independente. Avantajele oferite de plăcile de achiziţie au fost următoarele: componentele calculatoarelor au căpătat dimensiuni mai mici, s-au redus costurile şi au crescut performanţele sistemelor de măsură.

Aceste platforme flexibile şi ieftine solicitau însă de la programul sistemului mai mult decât trimiterea comenzilor şi primirea răspunsurilor. Interfeţele de programare a aplicaţiilor (APIs = Application Programming Interfaces) de înalt nivel au simplificat procesul de transferare rapidă a datelor de la placa de achiziţie în memoria calculatorului. Cu ajutorul algoritmilor de procesare a semnalelor şi a instrumentelor software, specialiştii au creat propriile lor rutine de analiză. Programele de interfaţă cu utilizatorul au fost realizate utilizând reprezentări grafice, butoane şi cursoare ale instrumentelor de măsură pe ecranul calculatorului.

Dezvoltarea mediilor specifice de măsurare a condus la dezvoltarea instrumentelor puternic integrate de control şi achiziţie a datelor, analiză şi vizualizare a acestora.

În ultimii ani, inovaţiile în domeniul arhitecturii magistralelor de transmisie (de exemplu: PXI/Compact PCI) au permis crearea unor platforme specializate pentru măsurare avansată şi control.

Spre deosebire de variantele tradiţionale, sistemele moderne integrate de măsură şi control constau dintr-o varietate mare de echipamente de măsură. La început au fost conectate instrumentele de măsură independente, ulterior s-au adăugat echipamentele de măsură analogice şi digitale; în prezent, sunt incluse şi echipamente de achiziţie a imaginilor pentru verificări vizuale şi controlere de mişcare (fig.12) [NI, 2002].

În plus, sistemele de măsură şi control integrate oferă posibilitatea conectării simple la echipamentele din familia automatelor programabile (PLCs).

Fig.12 – Sisteme integrate de măsură şi control (sursă: firma National Instruments, S.U.A.)

3.2 Integrarea diferitelor echipamente de măsură

În prezent, instrumentele de măsură independente sunt optimizate pentru a putea fi utilizate în sisteme de măsură integrate. Din cauza rapidităţii cu care evoluează tehnica de măsurare şi echipamentele specifice, trebuie redus timpul necesar elaborării sau dezvoltării programelor aferente de testare. Pentru aceasta, specialiştii au ales să utilizeze mai multe limbaje de programare cum ar fi Visual Basic sau Visual C++.

Componenta software joacă un rol vital în dezvoltarea sistemelor automate de achiziţie a datelor şi control. Este imperativ necesar ca programele utilizate în cadrul unui sistem integrat de măsură să poată fi menţinute simplu şi modificate rapid.

Un mediu software integrat de măsurare şi automatizare trebuie să aibă o structură modulară, necesară pentru construirea sistemelor de măsură şi control automate de înaltă performanţă.

Pentru a asigura performanţe maxime, dezvoltare uşoară şi coordonare a nivelelor sistemului, componentele mediului de lucru trebuie să fie independente (modulare) şi puternic integrate în ansamblul sistemului. Această structură modulară integrată permite utilizatorilor construirea rapidă a unui sistem de măsură şi modificarea lui simplă atunci când cerinţele sistemului se schimbă.

Programele de măsură şi control joacă un rol esenţial în dezvoltarea sistemelor de măsură modulare bazate pe sistemele de calcul şi comunicarea în reţea. Modulele programului, driverele echipamentelor, interfaţa programelor de aplicaţie (APIs) şi managerul de configurare trebuie să integreze totul în mediile de dezvoltare ale aplicaţiilor (ADEs) pentru a atinge performanţa maximă şi creşterea productivităţii.

Funcţiile specifice ale programelor de măsură şi control includ atât integrarea echipamentelor de măsură, configurarea locală şi distribuită cât şi programarea echipamentelor de măsură.

Adesea, dezvoltatorii sistemelor de măsură şi automatizare consideră că este suficientă existenţa driverelor echipamentelor pentru integrarea acestora în sistemul de măsură şi control. Driverele echipamentelor trebuie să ofere performanţe rapide, flexibilitatea programării echipamentului, o interfaţă API scalabilă şi consistentă, configurare şi operare la distanţă şi integrarea cu algoritmii de conducere (Driver Engines and Algorithms = Motoare şi Algoritmi de Conducere).

În figura 13 este prezentată o implementare tipică a unui program de Măsurare şi Control, utilizând componente National Instruments.

Fig.13 – Exemplu de implementare a unui program de măsurare şi control 3.3 Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor (Application Development Environments

– ADEs)

Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor joacă un rol important în cadrul programelor de măsurare şi automatizare. Cu aceste instrumente, dezvoltatorul sistemului proiectează şi integrează sistemul care preia măsurătorile, controlează procesele, afişează informaţiile la utilizatorul final, asigură conectarea cu alte aplicaţii etc.

Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor (ADE) utilizate pentru dezvoltarea măsurărilor şi automatizarea aplicaţiilor trebuie să furnizeze un model cu o concepţie uşor de utilizat, performanţe de calcul şi flexibilitate de programare a nivelului de aplicare pentru o întreagă categorie de aplicaţii. La fel de important este ca aceste medii de dezvoltare a aplicaţiilor să poată fi integrate complet atât cu programul de măsurare şi control care conectează o mare varietate de echipamente de intrare/ieşire (I/O) cât şi cu instrumentele sistemului cum ar fi bazele de date sau programul de management al încercărilor [NI, 2002].

Pentru o completă integrare a mediilor de dezvoltare a aplicaţiilor cu programele de măsură şi control, este deosebit de important ca mediul ADE utilizat să dezvolte un sistem de măsurare şi automatizare care să poată gestiona şi procesa măsurătorile. Pentru aceasta, mediile de dezvoltare a aplicaţiilor - ADE trebuie să incorporeze tipuri de date de măsurare direct în mediul lor, astfel încât să poată fi utilizate uşor în rutinele de procesare adiţională.

Pentru a creşte la maximum productivitatea, mediile de dezvoltare a aplicaţiilor -ADE trebuie să includă atât funcţii statistice şi de analiză numerică cât şi algoritmi de procesare a semnalelor şi control de înaltă performanţă, comuni în aplicaţiile de măsurare. Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor trebuie să includă rutine tipice întâlnite în aplicaţiile de măsurare şi automatizare, incorporând funcţii de reglare PID sau control cu logica fuzzy, de reducere a zgomotului, măsurări spectrale, filtrare digitală, măsurarea răspunsurilor, detecţia semnalelor, integrare şi derivare numerică, trasarea şi ajustarea curbelor, etc.

Mediile de dezvoltare a aplicaţiilor trebuie să asigure: - conectivitatea cu alte instrumente software utilizate, pentru a permite

integrarea sistemelor de măsură cu aplicaţiile respective (prin integrarea cu alte instrumente software cum ar fi ActiveX şi DLL-uri);

- conectarea la o bază de date existentă cu ajutorul limbajului de interogare structurată SQL şi interfeţele bazelor de date ale aplicaţiilor;

- conectarea la reţele de calculatoare prin intermediul tehnologiilor TCP/IP sau UDP;

- crearea rapoartelor care să poată fi partajate, în formate cum ar fi XML sau HTML.

Tehnologiile moderne, de exemplu Microsoft.NET, permit conectivitatea între sisteme aflate la distanţă.

Pentru măsurare şi automatizare firma National Instruments (S.U.A.) oferă

două medii de dezvoltare a aplicaţiilor - LabVIEW şi LabWindows/CVI. NI LabVIEW este un mediu de dezvoltare conceput special pentru dezvoltarea

sistemelor integrate de măsură şi automatizare. Acest mediu de dezvoltare permite ca interfeţele cu utilizatorul, funcţiile de înalt nivel pentru achiziţie de date şi control, procesarea semnalelor, analiza şi vizualizarea să fie asamblate în acelaşi mod în care sunt construite schemele logice de program (organigramele).

Cu ajutorul modularităţii şi structurii ierarhizate a LabVIEW, utilizatorii pot realiza prototipuri şi proiecte, care apoi pot fi dezvoltate şi modificate uşor şi rapid.

Deoarece mediul de dezvoltare a aplicaţiilor LabVIEW este calculat pentru o performanţă maximă de execuţie, el conţine sute de rutine de analiză specifică a măsurătorilor şi este puternic integrat cu modulul Measurement and Control Services; dezvoltatorii pot concepe rapid aplicaţii de măsurare şi automatizare de înaltă

performanţă care incorporează numeroase echipamente de intrare/ieşire (I/O). LabVIEW integrează de asemenea foarte bine standardul Internet, tehnologiile de baze de date şi sistemele de management al încercărilor.

NI LabWINDOWS/CVI este un mediu puternic de programare pentru dezvoltarea

aplicaţiilor specifice de măsurare. El include un set de biblioteci care pot fi rulate pentru controlul instrumentelor, achiziţia de date, analiza lor şi interfaţa cu utilizatorul. Conţine de asemenea o serie de caracteristici care permit dezvoltarea aplicaţiilor de măsurare mult mai simplu decât dezvoltarea în mediile C tradiţionale.

Cu caracteristicile sale de dezvoltare, incluzând proiectarea interfeţei cu utilizatorul cu mecanismul drag-and-drop, crearea interactivă şi testarea codurilor şi asistenţii de creare a driverelor instrumentelor, LabWINDOWS/CVI simplifică activitatea de generare a aplicaţiilor de măsurare în C.

Introdus prima dată în 1988, LabWINDOWS/CVI s-a dovedit un mediu solid de dezvoltare care a urmărit evoluţia sistemelor de operare şi a tehnologiilor de calcul.

LabWINDOWS/CVI poate integra o mare varietate de echipamente de intrare/ieşire (I/O).

NI Measurement Studio furnizează o colecţie extinsă de instrumente de control, achiziţie de date, procesare a semnalelor şi vizualizare care pot fi utilizate cu Microsoft Visual Basic şi Visual C++.

În plus, NI Measurement Studio integrează programe de management al încercărilor şi incorporează uşor baze de date şi aplicaţii Internet.

Module complementare ale programului LabVIEW - LabVIEW Real-Time Acest modul extinde utilizarea LabVIEW la aplicaţiile de măsură şi control în timp

real. Astfel, datorită acestui modul, inginerii îşi pot dezvolta aplicaţiile pe un calculator gazdă utilizând LabVIEW şi apoi o descarcă pe un echipament independent dotat cu un sistem de exploatare în timp real. CU ajutorul acestui program, National Instruments extinde simplitatea programării grafice LabVIEW la dezvoltarea şi desfăşurarea aplicaţiilor în timp real fără a fi necesare cunoştinţe aprofundate ale tehnicilor în timp real sau ale sistemelor informatice specifice.

- LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Permite dezvoltarea interactivă a sistemelor de control/comandă distribuite.

Modulul DSC permite extinderea aplicaţiilor LabVIEW la vizualizarea datelor istorice şi timp real, configurarea alarmelor şi evenimentelor , amplasarea sistemelor de securitate pentru aplicaţii, punerea în reţea cu ajutorul unor echipamente periferice specifice. Acest modul oferă posibilitatea realizării unui sistem de control şi automatizare industrial la scară mare, a unei aplicaţii de înregistrare a datelor cu un număr mare de căi sau de supraveghere şi înregistrare a câtorva zeci de puncte I/O pentru stabilirea unui istoric al datelor.

- NI Vision Acest modul conţine o serie de instrumente care oferă aproape 200 de funcţii de

prelucrare şi analiză a imaginilor, cum ar fi: cele de afişare, de măsurare dimensională, analiză a particulelor, morfologie, detectare a contururilor, prelucrare a culorilor, filtrare.

Aceste funcţii pot fi interfaţate în medii de dezvoltare ca LabVIEW, LabWindows/CVI sau instrumente ca Visual Basic sau Visual C++.

3.4 Programele de management al sistemelor de măsură, automatizare şi

control

Programul de management al sistemului (System Management Software) are un rol important în cadrul pachetului de programe de măsură şi automatizare (Measurement and Automation Software Framework) (fig.14).

Fig. 14 – Arhitectura programului de management al sistemului

Programul de management al încercărilor Programul de management al încercărilor (Test Management Software) trebuie

să furnizeze cadrul de lucru pentru întreg sistemul de măsură. El trebuie să furnizeze interfaţa dintre sistemul de testare şi alte sisteme cum ar fi bazele de date, sistemele de execuţie şi sistemele de calitate.

Gestionarea datelor (Data Management Frameworks) Deoarece sistemele de măsură colectează cantităţi mari de date, modul în care

se face gestionarea acestora este deosebit de important pentru sistemele de măsură integrate. Prin incorporarea managementului datelor tehnice în sistem, acestea pot fi partajate eficient şi pot fi luate decizii.

Programul de gestionare a datelor furnizează sistemelor de măsură un mediu de lucru organizat care permite stocarea acestora în numeroase tipuri de fişiere, manipularea lor şi analiza interativă cu ajutorul rutinelor bazate pe măsurări şi generarea rapoartelor profesionale standardizate.

3.5 Interfaţa DAS 1601 DAS 1601 este o interfaţă performantă de achiziţie a semnalelor analogice şi

numerice destinată microcalculatoarelor compatibile IBM, produsă de firma KEITHLEY din S.U.A. în anul 1994. Interfaţa poate fi configurată prin comutatoare pentru 16 canale de măsură simple sau pentru 8 canale diferenţiale.

Intrările analogice pot fi configurate prin comutatoare pentru semnale unipolare (0 – 10 V) sau bipolare (10 V). Factorul de amplificare al fiecărui canal analogic poate fi asignat individual la valorile 1, 10, 100 sau 500. Rata de eşantionare maximă este de 100 kHz la o rezoluţie de 12 biţi.

Conversia analog/digitală poate fi iniţiată prin comenzi software, prin comenzi hardware specifice interfeţei sau prin comenzi externe. Transferul de date poate fi realizat printr-una din următoarele metode: prin programul de comandă, prin rutine de asistare a întreruperilor şi prin acces direct la memoria RAM a microcalculatorului (DMA).

Transferul de date pe magistrala ISA se face pe 8 biţi. Un numărător – cronometru cu 3 canale "programabil" asigură succesiunea

operaţiilor de intrare analogice sau generarea unor impulsuri de comandă cu o

frecvenţă cuprinsă între 1 impuls/oră şi 100 kHz. Acelaşi dispozitiv poate fi utilizat pentru a măsura frecvenţe, perioade sau durate de impulsuri.

Interfaţa este prevăzută cu 4 intrări digitale unidirecţionale şi 4 ieşiri digitale unidirecţionale, utilizabile pentru conducerea procesului de achiziţie sau pentru conducerea unor sisteme automate.

DAS 1601 este prevăzută cu două canale de conversie digital-analogă (DAC) pe 12 biţi. Ieşirile acestor canale pot fi configurate prin comutatoare între domeniile 0 – 5 V, 1 – 10 V, 5 V, 10 V. În plus, se poate utiliza o referinţă externă pentru a modifica aceste domenii, sau pentru a utiliza convertoarele ca atenuatoare.

Interfaţa DAS 1601 poate fi utilizată cu numeroase programe specializate. Dintre acestea, cel mai performant este TestPoint for Windows.

Setul de programe de bază ce însoţeşte placa, permite elaborarea aplicaţiilor cu programele Quick Basic, Professional Basic sau Visual Basic sub sistemul de operare MS-DOS. De asemenea, este posibilă scrierea aplicaţiilor sub sistemele de operare MS-DOS şi Windows cu programele MS C, C++, TurboPascal, MS Visual Basic for Windows, MS Quick C şi MS Visual C++.

3.6 Concepte de bază ale programului TestPoint TestPoint este un software specializat pentru utilizarea optimă a interfeţelor de

achiziţie a datelor experimentale, elaborat de firma Capital Equipement Corporation din S.U.A.

Programul este conceput sub mediul de operare MS Windows, fiind orientat pe obiecte pentru a utiliza integral facilităţile oferite de acesta. Ca urmare, programul permite schimbul dinamic de date (DDE) între "ferestrele de programare", lucrând simultan cu alte programe scrise sub Windows: editoare de texte, procesoare de bănci de date etc. Astfel, programul TestPoint serveşte ca o interfaţă ideală între diferitele aplicaţii concepute sub Windows şi programele moderne de achiziţie şi prelucrare a datelor experimentale.

Programul permite utilizatorului elaborarea unor secvenţe complexe de achiziţie, calcul şi prezentare a datelor experimentale, fără nici o pregătire prealabilă de programare. Pe de altă parte el permite integrarea funcţiilor – program elaborate de utilizator în alte medii de programare.

Secvenţele de program sunt stabilite prin selectarea şi deplasarea pictogramelor ataşate funcţiilor rezidente în bibliotecă într-un "panou" al utilizatorului. Se constituie apoi o "listă de acţiuni" ai cărei parametrii sunt tipul şi numărul canalului de achiziţie, frecvenţa de achiziţie, numărul de eşantioane, modul de reprezentare grafică etc. Toate "obiectele" necesare în programul astfel constituit sunt amplasate secvenţial într-o "listă de obiecte".

Biblioteca matematică a programului permite efectuarea unui mare număr de calcule ştiinţifice complexe, ca de exemplu transformata Fourier directă şi inversă.

Informaţiile achiziţionate cu DAS 1601 sub TestPoint pot fi imediat prelucrate cu MS EXCEL, MS WORD, MS ACCESS etc. şi pot fi reprezentate grafic pe plottere sau imprimante.

Programul TestPoint lucrează cu ferestre, obiecte care au date, liste de acţiuni şi acţiuni. Astfel, la lansarea programului printr-un dublu-click pe pictograma acestuia din fereastra Program Manager, fereastra principală a programului va apărea ca o fereastră de lucru goală. Ea va conţine următoarele zone: fereastra de lucru, fereastra cu resurse, fereastra cu obiecte şi fereastra cu lista de acţiuni (fig.15).

Ferestrele reprezintă interfaţa cu utilizatorul a aplicaţiei care urmează a fi realizată. Pot fi folosite mai multe ferestre prin adăugarea obiectelor "Panel" (fereastră).

Fig. 15 – Fereastra principală a programului TestPoint

Un obiect din TestPoint reprezintă o componentă a aplicaţiei, de exemplu o interfaţă, un aparat de măsură extern, un fişier de date de pe disc sau un calcul. Un singur obiect incorporează acţiunea şi informaţiile unei astfel de componente.

Pentru a putea fi utilizate, obiectele necesare aplicaţiei vor fi selectate şi deplasate în fereastra cu obiecte, aşa cum se vede în figura 16. Ele apar împreună cu simbolurile asociate în lista de obiecte.

Fiecare obiect are un nume, care este o etichetă text. În unele cazuri, numele este folosit şi ca descriere pentru obiectele din aplicaţie. Obiectele au de asemenea pictograme (simboluri grafice) care reprezintă categoria obiectului.

Fiecare obiect TestPoint are de asemenea o dată. Obiectele acţionează ca variabile. Ele păstrează valorile datelor şi pot fi utilizate ca parametri pentru alte acţiuni TestPoint. Data poate fi schimbată ca rezultat al unei acţiuni asupra obiectului. De exemplu, executarea acţiunii "read sample" (citeşte mostra) asupra unui obiect de intrare analog/digital poate schimba data obiectului în rezultatul operaţiei.

Fig.16 – Obiectele aplicaţiei

Pentru fiecare obiect pot fi setaţi parametrii caracteristici ai acestuia, aşa cum se arată în figura 17. În acest exemplu, obiectul Graph este setat în modul "Strip Chart", cu parametrii corespunzători aplicaţiei.

Fig.17 – Setarea parametrilor unui obiect

Câteva categorii de obiecte au şi interfeţe. Butoanele, comutatoarele, intrarea datelor, afişajul, indicatorul şi obiectele grafice sunt toate exemple de obiecte care au interfeţe şi apar în fereastra de lucru. Unele obiecte, cum ar fi butoanele şi comutatoarele, reacţionează la acţiunea utilizatorului prin intermediul tastaturii sau a

mouse-ului. Obiectele cu interfeţe care acceptă intrări îşi schimbă data atunci când utilizatorul interacţionează cu acestea.

Fiecare obiect TestPoint are una sau mai multe acţiuni pe care le execută. De exemplu, obiectele de afişare pot efectua acţiuni "set to" (stabileşte), care schimbă valoarea afişată. Obiectele fişier au următoarele acţiuni: scriere într-un fişier, citirea unui fişier, ştergerea unui fişier etc. TestPoint poate executa mai multe liste de acţiuni în acelaşi timp (multitasking).

Majoritatea categoriilor de obiecte au asociată câte o listă de acţiuni. Lista de acţiuni specifică o serie de acţiuni care trebuie efectuate de către un obiect al aplicaţiei atunci când acesta primeşte un eveniment. De exemplu, obiectul buton primeşte un eveniment atunci când utilizatorul efectuează un click pe acesta cu ajutorul mouse-ului sau este activat de la tastatură. Obiectul fişier primeşte un eveniment când utilizatorul selectează un nou nume.

Prin deplasarea unui obiect în fereastra listei de acţiuni, se deschide un meniu care permite selectarea acţiunilor specifice obiectului care urmează a fi executate şi care sunt incluse apoi în lista de acţiuni (fig.18 şi 19).

Acţiunea de introducere de date cu ajutorul mouse-ului sau de la tastatură se numeşte eveniment.

Programul TestPoint execută acţiunile atunci când au loc evenimente. Evenimentele pot fi:

- introduceri de date de către utilizator; - întreruperi de la interfeţele hard; - schimburi dinamice de date de la alte aplicaţii sub Windows; - rezultatul unei acţiuni executată în altă listă de acţiuni. Fiecare clasă de obiecte defineşte evenimentele la care răspunde şi generează o

listă de acţiuni care va fi executată. Unele tipuri de obiecte sunt utilizate doar pentru procesarea de date sau ieşirea lor, neavând evenimente sau listă de acţiuni.

Fig.18 – Lista de acţiuni

Fig.19 – Lista de acţiuni completă pentru o aplicaţie dată În figura 20 este prezentat rezultatul rulării aplicaţiei TestPoint, cu obiectul Graph

activat.

Fig.20 – Prima rulare a aplicaţiei

În orice aplicaţie TestPoint utilizatorul poate opera cu funcţiile de control şi de intrare a datelor în orice ordine, deoarece programul aşteaptă în modul "idle" orice intrare de date pe care apoi le procesează în ordinea intrării. Această operaţie poartă numele de " eveniment condus " (event - driven).

Operaţia "eveniment condus" permite ecranelor să fie create pentru introducerea de teste şi informaţii asupra parametrilor care pot fi dispuşi în orice ordine. Datorită

acestei posibilităţi, aplicaţiile TestPoint sunt aplicaţii multi-tasking. Evenimentele pot proveni de la mouse, tastatură, de la interfeţele hardware exterioare sau ceasul intern al calculatorului.

Fiecare eveniment este procesat, împărţind calculatorul între diferite sarcini ca la o achiziţie de date executată manual.

4. STUDIU DE CAZ: Sistem de monitorizare a emisiilor poluante cu ajutorul tehnologiei National Instruments în Portugalia

Conform legislaţiei de mediu din Portugalia, companiile care eliberează gaze în atmosferă trebuie să fie dotate cu sisteme de monitorizare continuă a emisiei de gaze şi realizarea rapoartelor periodice către autorităţi. Portucel, una dintre cele mai mari companii producătoare de hârtie din Portugalia a contractat cu INESC, membră a programului National Instruments Alliance, instalarea unui nou sistem – EcoMonitor -într-una dintre cele mai vechi fabrici de pastă din ţară.

Scopul acestui nou sistem independent este atât achiziţia, transmiterea, procesarea, arhivarea şi vizualizarea semnalelor primite cât şi construirea automată a rapoartelor. Compania Portucel a instalat un sistem de calcul central în principala clădire a ei pentru:

- monitorizarea tuturor semnalelor măsurate; - implementarea unei baze de date; - realizarea de rapoarte periodice către autorităţi. În acest caz, există trei surse de emisie: două boilere (cazane) şi un cuptor. Ele

sunt localizate în jurul fabricii la o distanţă de peste 200 m una de alta şi 400 m faţă de clădirea principală. Senzorii pentru măsurarea fenomenului fizic au fost instalaţi cu citirea voltajului disponibil sau a semnalelor de curent. S-a solicitat ca toate echipamentele şi programele să fie conform standardelor, cu arhitectură deschisă şi rapid expandabilă. Alte cerinţe impuse sistemului au fost:

- autonomia de gestionare a sistemului; - monitorizarea şi controlul calibrării mai multor senzori; - nivele de securitate incorporate; - transfer de date între noul sistem şi un calculator IBM AS/400 deja existent,

cu viteză şi capacitate de stocare mare. Reţeaua a fost proiectată cu o configuraţie de tip client/server, cu două nivele

ierarhice. Pentru fiecare din cele trei surse de emisie care trebuiau monitorizate a fost amplasată câte o staţie EcoMonitor Remote (fig.21) care achiziţionează date de la senzori 24 h/zi, monitorizând şi acţionând calibrarea senzorilor. Serverul EcoMonitor:

- gestionează comunicaţiile a trei clienţi la distanţă; - procesează şi arhivează datele în baza de date; - furnizează o vizualizare grafică în timp real a sistemului; - generează automat rapoarte în Microsoft Excel. Ca program de dezvoltare a fost ales LabVIEW, nu numai pentru capacitatea sa

de a achiziţiona, procesa şi vizualiza date, dar şi pentru capacitatea necesară de transfer (TCP/IP, SQL, OLE), simplitatea în programare şi concurenţă între procese (ele pot fi executate în paralel). Una dintre problemele majore întâlnite în această aplicaţie a fost necesitatea de a executa activităţi paralele cum ar fi comunicaţiile, transferul de date şi vizualizarea acestora.

Folosind avantajul flexibilităţii SCXI şi simplitatea programării achiziţiei de date cu LabVIEW, s-a trecut la construirea unui sistem de monitorizare care să fie puternic, flexibil şi expandabil în viitor. Tensiunile şi curenţii sunt condiţionaţi şi digitizaţi în interiorul suportului SCXI pentru a permite intervenţia din mediul industrial.

Cele două sarcini principale ale staţiei EcoMonitor Remote sunt:

- achiziţia continuă a datelor; - supravegherea/acţionarea calibrării. În plus, ea poate executa medierea datelor şi transmisia către server,

configurarea sistemului DAQ dacă este cerută de către server şi managementul UPS în cazul în care se întrerupe alimentarea cu energie electrică. Datele achiziţionate sunt salvate întotdeauna pe disc pentru a preveni pierderea lor la întreruperea alimentării. Sistemul are de asemenea posibilitatea de a salva informaţiile pe dischete, atunci când nu funcţionează comunicaţia în reţea.

Aplicaţia rulează în LabVIEW fără diagrame. Principala sarcină a serverului este să ruleze serviciile disponibile pentru staţiile îndepărtate şi interfaţa cu utilizatorul. Serviciile sunt următoarele: comunicaţiile, accesul la baza de date, alarmarea serverului (primire, afişare, stocare), gestionarea timpului serverului şi managementul UPS. Transferul de date între Server şi calculatorul IBM al staţiei poate fi făcută automat sau manual. Toate comunicaţiile se bazează pe standardul TCP/IP sub Windows.

Rapoartele automate sunt generate în Microsoft Excel, existând posibilitatea atât a furnizării rapoartelor cerute de legislaţia în vigoare, cât şi a exploatării flexibilităţii programului MS Excel pentru adaptarea procesării datelor. Baza de date este implementată cu Microsoft Access, interfaţa fiind LabVIEW SQL.

Fereastra de vizualizare a datelor afişează informaţiile disponibile despre gazele emise şi valorile limită ale semnalului. Culoarea de tipărire a datelor se schimbă dacă limitele sunt depăşite. De asemenea, utilizatorul poate solicita să vadă datele actualizate automat şi ferestrele de management al alarmelor.

În cazul în care se pune problema extinderii reţelei, unităţile pot fi amplasate la distanţă mare faţă de server, fără schimbări semnificative ale programului, deoarece toate comunicaţiile se bazează pe standardele de reţea Windows.

Fig.21 – Arhitectura sistemului EcoMonitor