Automatizace měření aneb Když to změří počítač přednáška v rámci projektu IET1
Miloslav Steinbauer 9. 11. 2011
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
2
Osnova přednášky • • • • •
Historie automatizace Klasifikace měřicích systémů Malé měřicí systémy Software pro automatizaci měření Ukázky aplikace v laboratořích
• Soutěž
3
Co je automatizace? • Inženýr: nový stupeň v rozvoji techniky • Technolog: mění zastaralé výrobní metody v moderní technologii, umožňuje použít výrobních procesů, o nichž dříve nebylo možno ani hovořit • Ekonom: ohromná úspora společensky nutné práce, nová etapa rozvoje výrobních sil společnosti • Sociolog: ulehčení a odstranění těžké a únavné monotónní práce člověka, nově se vytvářející vztahy mezi lidmi a výrobou
4
Co je automatizace? Automatizace je proces vývoje techniky, kde se využívá automaticky pracujících zařízení k osvobození člověka jak od fyzické, ale zejména od duševní řídící práce.
5
Historie automatizace
6
Historie Automatizace fyzické práce • Starověk: páky, kladky, kola, pára • Středověk – rozvoj mechanismů (čerpadla vody pro doly, mlýny, varhany, hodiny, orloje, zvonkohry, mechanické hračky), jednoduché programování (kolíčkové válce) • Novověk - průmyslová revoluce ▫ První regulace - Wattův odstředivý regulátor r. 1775 ▫ Jacquardův tkalcovský stav s programovacím děrovaným pásem (okolo r. 1800)
• 1913 první montážní výrobní linka hromadné výroby (Henry Ford) – automaty ve výrobě
7
Moderní historie Automatizace duševní činnosti • 1896 el. stroj pro sčítání obyvatelstva (Hollerith) ▫ 1924 International Business Machine Corp. (dnes IBM)
• • • • •
1943 reléový počítač MARK I (Harvard) 1944 elektronkový počítač ENIAC 1947 objev tranzistoru 1958 první integrovaný obvod 1971 první mikroprocesor (Intel 4004) ▫ pružná automatizace změnou programu
• 70. léta 20. stol. rozvoj PLC • 80. léta 20. stol. CNC, prvky UI
8
Důvody automatizace • Vynucená automatizace (nezáleží na investici) ▫ ochrana života a zdraví (extrémní podmínky…) ▫ nemožnost nasazení lidské síly (kosmos, …) ▫ limit lidských smyslů (množství údajů, rychlost reakce) • Ekonomická automatizace (zisk je nejdůležitější) ▫ snížení nákladů výrobních, režijních … ▫ zvýšení produktivity, objemu výroby, kvality ▫ zkrácení doby vývoje a výroby ▫ pružná reakce na požadavky trhu • Ostatní důvody ▫ zvyšování pohodlí člověka ▫ poskytování informací (sledování stavu zařízení) ▫ ekologie – monitorování prostředí, spalování … ▫ zábavní průmysl
9
Od ručního nástroje k prvním strojům • První pracovní nástroj - hrubě opracovaný kámen • Trvalo půl milionu let, než se objevily nástroje v podobě bodců a škrabek • Několik tisíc let př. n.l. - dokonalejší a specializovanější nástroje (luky, šípy, sekery, dláta a motyky) • Později místo kamene bronz a železo
10
Od ručního nástroje k prvním strojům • Díky nástrojům se zvýšila výkonnost člověka, ovšem síla lidských svalů je příliš malá (navíc musí člověk spát, odpočívat, jíst a pít) • Časem se lidé naučili spojovat několik nástrojů dohromady ve stroj - pomohl člověku překonat omezenou sílu svalů • První stroje již ve starověkém Egyptu i v říši římské – např. vodní kolo • 17. století - začaly se rozrůstat výrobní dílny, tzv. manufaktury - používaly dokonalejší nástroje a jednoduché ručně poháněné stroje
11
Od ručního nástroje k prvním strojům • 18. století - první průmyslová revoluce - odstranila řemeslný způsob práce, zvýšila produktivitu • Kolem roku 1800 - v dílnách a továrnách vznikajících z velkých manufaktur se objevily první soustruhy na obrábění kovů - strojírenství získalo svůj základní stroj • Parní stroj nahradil lidské svaly, zvířata či vodní kola - začal pohánět továrny, lokomotivy • Další zdokonalování strojů brzděno převody hledaly se stroje pracující bez nich
12
Od ručního nástroje k prvním strojům • 19. století - člověku se podařilo prakticky využít elektřinu - elektrický motor vytlačil páru • Elektrická energie - „čistší forma energie“, dala se dobře ovládat, dělit, rozvádět i na větší vzdálenosti • Člověk stále musí stroje ovládat, zásobovat surovinou a odebírat hotové výrobky, provádět údržbu, seřizovat, opravovat • Nastala potřeba vytvořit zařízení, jež by dokázala řídit stroje místo člověka
13
Od strojů k prvním automatům • Slovo „automat“ známo dávno předtím, než do továren nastoupily pracovní stroje • Vzniklo ze starořeckého „automaton“ – označení pro vše, co se hýbe • V tomto slova smyslu automatem každý stroj, který se hýbe – např. i hodiny, dnes už neplatí! • První automaty v počátcích našeho letopočtu – např. automaty samočinně zažehující obětní ohně, zpívající ptáci, hudební skříně, tančící figurky, samočinně se otevírající dveře a okna – vše uváděno v činnost ohřátým vzduchem nebo závažími
14
Od strojů k prvním automatům • Leonardo da Vinci ▫ k uvítání krále Ludvíka XII. sestrojil mechanického lva, jenž samočinně kráčel až k trůnu a tlapou pozdravil panovníka ▫ našla se také zmínka o stroji na vysekávání pilníků
• 17. a 18. století ▫ ▫ ▫ ▫
mechanické hodiny s tzv. nepokojem zvonkohra pohyblivé figurky u orlojů bezpočet automatických hraček
15
Od strojů k prvním automatům • Postaveno i několik automatických hříček využívajících např. vytékání vody maličkým otvorem: ▫ problémem regulování rychlosti výtoku vody z otvoru se zabývali i Galileo Galilei a Isaac Newton ▫ francouzská Akademie vypsala na vyřešení tohoto problému konkurs - vyhrál slavný Daniel Bernoulli
• Tyto hříčky přinesly cenné zkušenosti s páčkami, kolíčky a kolečky, s vodní tryskou a plovákem později se uplatnily jako „stavební kostky“ výrobních automatů
16
Od strojů k prvním automatům • Prvními automatickými stroji, jež do výroby nastoupily ve velkém počtu, byly dopřádací stroje sestrojené roku 1801 Francouzem Ch. Jacquardem • Umožňovaly tkát vzory podle programu předem připraveného v podobě děrných papírových karet • Každá karta děrována v pořadí barevných nití, poté do těchto děr zapadaly jehly, které se podle toho buď zvedaly, nebo spouštěly
17
Od strojů k prvním automatům • V dalších desetiletích se objevily: ▫ poloautomatické revolverové soustruhy ▫ papírenský stroj ▫ zemědělská mlátička
• Místo rozptýlených manufaktur vznikaly továrny se stroji rozdělenými podle druhu práce – začala strojová velkovýroba
18
Začátky automatizace • Moderní stroje a automaty nejdříve nastoupily do výroby zbraní, především pušek a revolverů • Hromadná výroba zbraní přenesena do Ameriky • Zpočátku vyráběny ručně ve zvláštních přípravcích skončilo „pasování“ dílů do sebe • Kolem roku 1860 – spojily se přípravky s obráběcími stroji v obráběcí automaty - principu se používá dodnes
19
Začátky automatizace • 1855 - závod na výrobu mosazných hodin vyrábějící ročně přes půl milionu „budíčků“ - cena klesla na pakatel • 19. století ▫ Šedesátá léta - hromadná výroba šicích strojů a strojů pro zemědělství ▫ Osmdesátá léta - zahájena hromadná výroba psacích strojů ▫ Devadesátá léta - trh zásobován jízdními koly
20
Začátky automatizace • Zpočátku měly továrny stroje seřazeny podle postupu výroby, spojení mezi stroji zajišťovaly vozíky nebo dopravní pásy • Takto pracovala jatka a mlýny, od devadesátých let i továrny na kočáry a na železniční vagony • Při nástupu automobilu vznikl problém - mnohem složitější než puška, budíky nebo velocipéd • 1910 - automobilka Ford vyrábí 10 tisíc automobilů ročně - po bok soustruhů a fréz nastoupily přesné vyvrtávací stroje a stroje na hoblování a frézování ozubených kol, drážkovačky na hřídele či brusky na přesně uložené části motoru a převodovky
21
Začátky automatizace • Před r. 1914 – Ford ve snaze vydělat co nejvíce přišel s montážním pásem - vznikla montážní linka • Doba montáže na pásu se zkrátila ze 14 na 6 hodin • Nebyly to v dnešním slova smyslu automaty – pomocní dělníci upínali, vyjímali a přenášeli součásti ručně • Dělníci kvůli montážním pásům vysilováni prudkým tempem práce - zavádění úplně automatických strojů a zařízení
22
Začátky automatizace • 1928 - automaty se poprvé uplatnily v automatické montáži - Smithova továrna v Milwauke • Výroba rámu automobilu - celkem jen 16 minut lidské práce - dělníci stroje pouze ošetřovali a kontrolovali • Současnost - základem prudkého růstu společenské produktivity práce je automatizace spojená s novými vědecky podloženými technologickými způsoby výroby • Nové technologie a automatizace ovlivňuje nejen samu výrobu, nýbrž i její organizaci
23
Automatizace v měření
24
Model automatizovaného měřicího systému (AMS) Měřicí přístroje
Software
Modem / NET Měřený objekt Tiskárna
25
26
Vlastnosti AMS • Měří velký počet veličin • Pracují bez obsluhy (ochrana zdraví, dlouhodobá měření, měření na těžko dostupných místech) • Měří rychle a přesně • Měří spolehlivě a s vysokou reprodukovatelností • Provádí komplexní zpracování a archivaci naměřených dat
27
Klasifikace měřicích systémů
28
Rozdělení AMS Měřicí systémy
Standardní rozhraní
PCI, PCI-E, PCMCIA
Měřicí karty
RS232, USB,…
LAN Ethernet (LXI)
Externí zařízení
Speciální rozhraní
GPIB
VME, VXI, PXI
Externí zařízení
Fieldbus, …
Externí rámy (mainframe)
29
Moderní měřicí systém Podniková síť
Te mp era ture
Flo w
Pre ss
Co ntr ol P ure
Ala rm
Co nd itio ns ST OP
an el
MXI-3
GPIB-ENET
GPIB přístroje
DAQ karty, CBI karty (DMM, OSC...)
30
Měřicí karty Výhody • zpravidla nízká cena Nevýhody • nutnost montáže do PC • omezený počet volných slotů • problém vzájemného rušení a izolace mezi počítačem a kartou • rychlost karty závisí na CPU
31
Rozhraní RS-232 Výhody • žádné náklady na sběrnici • malé náklady na kabeláž a interface přístrojů • kompatibilita s většinou OS a SW jednoduché ovládání Nevýhody • malý dosah (15,6 m při 20 kBd) • omezený počet připojitelných zařízení • malá přenosová rychlost (max. 230 kBd)
32
Sériové rozhraní RS-422 a RS-485 • používají se pro zvýšení dosahu RS232 • dosah 1200 m při rychlosti 10 Mb/s (díky použití proudové smyčky) • používá se kroucená dvojlinka • až 32 zařízení na jedné lince
33
USB Výhody • 12 Mb/s (USB1.1) až 480 Mb/s (USB 2.0) • PnP podpora, hot-swap • PC standard • široká podpora ze strany SW • převodníky USB – GPIB/RS232/ Nevýhody • vzdálenost max. 15 m
34
Ethernet Výhody • 10 Mb/s až 1 Gb/s • hot-swap • PC standard • celosvětový dosah • kabel 100 m • převodníky Ethernet – RS232/GPIB Nevýhody • závislost na síti
35
USB-RS232 a USB-GPIB
36
Ethernet - RS232/GPIB/USB
37
WiFi
38
GPIB - General Purpose Interface Bus počátek vývoje 1965 (Hewlett-Packard) ANSI/IEEE standard 488.2, HPIB, IEC 625 nejrozšířenější systém paralelní 8 bitová sběrnice přenosová rychlost až 1 MB/s, automatické nastavení podle připojených zařízení • maximální počet zařízení je 15, snadné propojování kabely • • • • •
39
GPIB - možnosti propojení
Hvězdicové uspořádání Lineární uspořádání
40
GPIB - General Purpose Interface Bus Výhody • přijatelné náklady na sběrnici (orientačně karta 15 tis., kabel 3 tis. Kč) • přístroje jsou autonomní • široká podpora ze strany SW • rozšířenost (až 90 % lab. přístrojů je vybaveno GPIB) Nevýhody • 1,8 MB/s - nedostatečná přenosová rychlost pro nové typy rychlých měřicích přístrojů
41
VXI – VME eXtension for Instrumentation Výhody • perspektivní standard měřicích systémů • vysoká rychlost přenosu • vysoká spolehlivost • široká podpora ze strany SW • moduly výrobně jednodušší (nemají zdroj ani zobrazovací modul a klávesnici) Nevýhody • značná cena (moduly řádově tisíce US $) • moduly nelze použít mimo mainframe
bus
42
VXI - uspořádání
Rám VXI (mainframe) s moduly
bus
43
VXI počátky v roce 1987 ANSI/IEEE standard 1155 perspektivní otevřený systém sestává z modulů v rámu (mainframe), velikost modulů A, B, C, D • přenosová rychlost mezi modulem mainframe až 160 MB/s • definované EMC a chlazení modulů • • • •
bus
44
PXI – PCI eXtension for Instrumentation • • • • •
verze 1.0 - srpen 1997 vychází z VXI a sběrnice CompactPCI perspektivní systém sestává z modulů v rámu (obdoba VXI) vyplňuje mezeru mezi GPIB a VXI
45
PXI Výhody • standard měřicích systémů (1997, National Instruments) • vysoká rychlost přenosu (ale menší než u VXI) • vysoká spolehlivost (vychází z osvědčené CompactPCI) • knihovny W9x/NT, VISA • možnost koexistence s VXI, GPIB Nevýhody • moduly nelze použít mimo mainframe
46
PXI - uspořádání
Rám PXI s moduly
47
LXI – LAN eXtension for Instrumentation • verze 1.0 - září 2005 • vychází ze standardu Ethernet 10M / 100M / 1G / (10G) • perspektivní systém • umožňuje propojení se systémy GPIB, VXI, PXI • jednoduchý vzdálený přístup přes LAN / WAN / WiFi • správa a nastavování přístrojů přes webové rozhraní
48
LXI
49
Řešení přesně na míru Výroba SCXI-1001
Laboratoř Servis
VXI
Workstation
PXI
Průmyslové PC PCMCIA
PCI, USB, GPIB Stolní PC
Přenosné PC
50
Malé měřicí systémy
51
Malé systémy Výhody • přijatelná cena • univerzální použitelnost pro běžné aplikace • snadná programová obsluha • možnost začlenění do rozsáhlých systémů (GPIB, LAN) Nevýhody • omezený sortiment modulů
52
Malé systémy Představitelem je například Agilent 34970A • založen na osvědčeném DMM 34401 • 3 sloty • multiplexery, D/A, čítač
53
Přepínač pro malý systém 34470A
54
Software pro automatizaci měření
55
Software pro AMS • Jednoduché utility výrobců ▫ pro konkrétní přístroj ▫ univerzální DAQ sw
• SW pro virtuální instrumentaci ▫ ▫ ▫ ▫
LabView Agilent VEE Control Web …
56
® LabVIEW
57
LabVIEW
• Kompilované grafické programování • Ikony a dráty • Plně univerzální programovací jazyk
58
Princip programování • Čelní panel ▫ Grafické uživatelské rozhraní ▫ Ovládací prvky a indikátory
• Blokový diagram ▫ ▫ ▫ ▫
Zdrojový kód Výběr mnoha funkcí Rychlé programování Snadná orientace v programu
59
Program běží po směru dat
Graf RMS Ulož • Data tečou po drátech • Data tečou vždy od výstupu ke vstupům • Několik operací může probíhat současně
Probíhají současně
60
Programování pro více platforem
Snadný přenos programů mezi platformami
61
Přístrojové ovladače a aplikační software Aplikační software (Program)
Přístrojový ovladač
Přístroj
• LabVIEW • Measurement Studio • Visual C++ • Visual Basic…
62
Analýza naměřených dat • • • • • •
DC/RMS složky Harmonické zkreslení Kmitočtová analýza Generování signálů Digitální filtry Kontrola průběhů maskou
63
Vytvoření zprávy v HTML • Vložení čelních panelů • Text • Tabulky • Grafika • Seznamy s odrážkami • Hypertextové odkazy
64
Volání vzdálených VI • Snadná distribuce programu
Měření Kdekoliv Analýza Kdekoliv
Zobrazení Kdekoliv
65
Spolupráce s jinými programy
66
Excel a MATLAB • Vytváření a načítání MATLAB skriptů • Export polí a průběhů (waveform) do Excelu
67
Databáze • Přístup pomocí doplňkového nástroje
68
Application Builder • • • •
Vytváří soubory typu EXE a DLL Je možné vytvořit instalátor Instaluje se přímo do prostředí LabVIEW Volné šíření zkompilovaných programů
69
LabVIEW RT • Měření a řízení v reálném čase • Programy se nahrají na specializovaný hardware, kde běží deterministicky v reálném čase
70
Agilent VEE
71
Ukázky aplikace v laboratořích
72
Měření magnetizačních křivek
73
Pracoviště pro měření přenosu zesilovače
74
Děkuji za pozornost
