Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
CW01 - Teorie měření a regulace cv. 4.0 ZS – 2014/2015 © 2014 - Ing. Václav Rada, CSc. .
Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
Teorie měření a regulace inteligentní - 1
x.z-5.1mt ZS – 2014/2015
© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Další pokračování o „vyšších způsobech zpracování a obsahu snímačů vedoucí k rozšířenému využití snímačů …………“
© VR - ZS 2014/2016
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
INTELIGENTNÍ Princip těchto INTELIGENTNÍCH SNÍMAČŮ – víceméně kterékoliv z čidel je doplněno o obvody úpravy a vyhodnocení signálu
– vše v jednom pouzdře a díky dnešní miniaturizaci to ani na velikosti není moc poznat. Doplňkové obvody umožní například za provozu měnit některé jejich vlastnosti, měnit způsob zpracování signálu měřené veličiny, provést úplné zpracování (včetně filtrace a linearizace) a vyhodnocení změřené veličiny podle předem zadaných kritérií.
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
INTELIGENTNÍ Tyto snímače obsahují (z principu i z nezbytnosti) mikropočítač či mikrokontrolér s příslušným trvale vloženým fixním programem nejrůznějších, nezbytných i zbytných činností – obsahem vše podřízeno zvýšení kvality poskytovaných informací i „pracovních a měřicích“ služeb – lze je také ¨pojmenovat „uživatelskými“. Organizace IFAC (International Federation for Automatic Control) přijala obecné schema s výčtem bloků (a tedy funkcí), které musí obsahovat inteligentní snímač. Nejlépe tento výčet zachycuje následující tabulka.
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
INTELIGENTNÍ I. vstupní část
II. vnitřní část
III. výstupní část – účel
IV. výstupní část – princip
převodníky, mosty, membrány, přepínače, zesilovač, měniče, napáječe, stabilizátory, …
převodníky AD a DA, frekv./D, A/frekv., paměti, logické obvody, mikroprocesory, řadiče, kontroléry, generátory, …
obvody elektrických signálů
výkonové obvody
vstup fyzikálních nebo chemických veličin
zpracování normovaného elektrického signálu
signalizace stavu a funkce
místní ovládání
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
INTELIGENTNÍ I. vstupní část
II. vnitřní část
III. výstupní část – účel
IV. výstupní část – princip
převod na diagnostika a registrace elektrický signál autodiagnostika napájení (U, I)
nastavení úrovně nulové hodnoty
vlastní určení stavu a funkce
dálkové ovládání
přepínání více vstupních veličin
kompenzace vlivu okolí
komunikace
regulace a automatizace
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
INTELIGENTNÍ I. vstupní část
adresování měřených bodů
II. vnitřní část
linearizace v rozsahu vstupních veličin
základní převod na elektrickou autokalibrace veličinu
III. výstupní část – účel
indikace
spínání zařízení
signalizace měřené veličiny
spouštění akčních zásahů
převod na diagnostika a registrace elektrický signál autodiagnostika
© VR - ZS 2010/2011
IV. výstupní část – princip
umožní funkci
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
INTELIGENTNÍ I. vstupní část
normalizace elektrického signálu ochrana proti nežádoucím vlivům a působení okolí
© VR - ZS 2010/2011
III. výstupní část – účel
IV. výstupní část – princip
umělá inteligence
ochrana proti působení nežádoucích jevů na výstupu
matematika – statistika – náhodné procesy teorie chaosu – …..
autonomnost funkce – řízení rozhodování
ochrana proti zkratům či přetížení od následných obvodů
II. vnitřní část
matematika – statistika – náhodné procesy elektr. ochrany
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Navrhování ……
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Navrhování Dnes pomocí PC a příslušného SW – navrhování včetně simulace sestavení a následně i provozu + ověření parametrů dosažitelných v provozu – simulace seřizování a cejchování / simulace chodu (funkce) – simulace a testování dlouhodobého provozu – životnost a určení pravděpodobnosti poruch. SW je buď univerzální nebo specializovaný, vázaný na konkrétní prvky daného systému – je dodáván se systémem od konkrétního výrobce a pro jeho prvky a součásti.
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Virtuální přístroje pro měření a řízení Hardware a drivery
testovaná jedn. © VR - ZS 2010/2011
T- MaR Aplikační software: •LabVIEW •LabWindows/CVI •Measurement Studio
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
Navrhování – ukázka LabView od firmy National Instruments
LabVIEW Ovladače přístrojů
GPIB
Serial
Ethernet
Přímý I/O
PXI
VXI
…
LabVIEW dokáže komunikovat téměř s každým přístrojem. Ovladače pro více než 2 000 typů přístrojů zdarma! © VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – panel řízení
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému Celý systém – grafické vývojové prostředí s funkčními bloky
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
Celý systém – zvětšenina části systému (vpravo)
© VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
Celý systém – zvětšenina části systému (vlevo nahoře)
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
reálná interpretace (grafická podoba – porovnání vzhledu) bloku © VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
ukázka bloků pro funkci analyzátoru signálů © VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Programovatelné stavy při zapnutí Nastavení úrovně, která zůstane na výstupu při restartování PC, havárii aplikace apod. Bezpečné uvedení do chodu nutné pro řízení akčních členů (např. čerpadel, ventilů, motorů relé) Informace je uložena v paměti a ihned po zapnutí počítače je poslána na výstup. Restart počítače zaručeně bez zákmitu.
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Detekce změny stavu vstupu Detekce změny stavu vstupu není nutné periodicky číst vstupy (polling) HW oznámí změnu stavu SW, „probudí” aplikaci a tak pak provede čtení není zatěžován procesor
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Detekce změny stavu vstupu – LabVIEW
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Programovatelné filtry na vstupech Filtr odstraní šum, nespojitosti a špičky ve vstupním signálu, ignoruje zákmity kontaktů - prevence před chybným čtením v zarušeném průmyslovém prostředí …….. nastaví se T=100 ms až 200 ms. Pulzy
© VR - ZS 2010/2011
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Programovatelné filtry na vstupech
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Watchdog pro digitální I/O Ochrana před: poruchou počítače – úplné selhání operačního systému poruchou aplikace – program neodpovídá poruchou ovladače – ovladač zařízení neodpovídá poruchou PCI sběrnice – selhání komunikace Watchdog při poruše nastaví na výstupu stav, který je bezpečný pro připojený akční člen. Porucha je detekována, pokud sledovaný objekt neodpoví v časovém limitu.
© VR - ZS 2010/2011
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Watchdog pro digitální I/O – LabView
DAQmx Control Watchdog Task.VI
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému 19“ skříň – průmyslové provedení
Volitelné zásuvné moduly
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
Volitelné zásuvné moduly Skříň 180 x 88 mm – průmyslové provedení © VR - ZS 2009/2010
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému
USB měřicí zařízení – doplněk běžného PC © VR - ZS 2009/2010
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Vzorkovací frekvence LabView od firmy NI – bloky systému
Série S – vlastní A/D pro každý kanál NI 6115 má 4 kanály po 10MSa/s Série E – 1 A/D převodník: PCI-6013 má 200 kSa/s 1 kanál – 200 kHz, 10 kanálů á 20 kHz…
• fvz = 20 MHz / N • 44 100 Hz 20 MHz / 453 = 44 150 Hz © VR - ZS 2010/2011
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
LabView od firmy NI – USB bloky systému
USB-6008, cena 4.000kč 8/4 AI, 12-bit, 10 kS/s 12 DIO, TTL/CMOS/LVTTL 2 AO, 1 Čítač USB-6009, cena 6.760kč Vše jako USB-6008 jen 14-bit, 48 kS/s DAQmx Base (Windows, MacOX, Linux) Napájení z USB V ceně Data Logger software K dispozici Student Kit včetně LabVIEW SE (student edition.)
© VR - ZS 2010/2011
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování – ukázka LabView od firmy NI
© VR - ZS 2009/2010
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Problematika A/D převodníků
…je na další prezentaci
© VR - ZS 2014/2015
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Rozlišení u A/D převodníků
Problematika A/D převodníků je spojena s počtem bitů – tj. na jaký počet „kroků“ bude analogový signál digitalizován. I z laického pohledu je zřejmé, že čím bude větší počet bitů, tím menší bude hodnota digitalizačního „kroku“ a tedy i tím lépe bude digitální výsledek (výsledná digitalizovaná schodovitá „křivka“) kopírovat tvar původní analogové křivky – viz tabulka dále.
© VR - ZS 2010/2011
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Rozlišení u A/D převodníků Problematika A/D převodníků je spojena s počtem bitů. – Pochopitelně, že počet bitů je omezen technickými možnostmi A/D převodníku – přesněji řečeno – čipu, který převod zabezpečuje a který je centrem obvodů karty A/D převodníku. U něj pak zase na technických možnostech výrobce a zvládnuté výrobní technologie (a mnohdy i na schopnostech jeho vývojového odd.).
© VR - ZS 2010/2011
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Výpočet rozlišení
Rozsah ±10 V
Teoretické rozlišení =
20 V 2 12
=
4,8828 mV
12 bitová karta
Z katalogu pro vybranou desku převodníku: Relativní rozlišení z technických podmínek =>
Výpočet
20 V 2
© VR - ZS 2010/2011
14
= 1,2207 mV
1,28 mV
Tj. skoro = 14 bitů !
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Rozlišení Amplitude [V]
16-Bit Versus 3-Bit rozlišení (5kHz sinus)
10.00 111
8.75
3-bit (krok 1,25 V) 110
7.50
101
6.25
16-bit (0,15259 mV)
100
5.00 011
3.75
rozlišení dle výstupu
2.50 1.25
0
010 001
000 – vyjádření v bitech |
0 © VR - ZS 2010/2011
|
50
|
čas [μs]
100
|
150
|
200
T- MaR
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
Rozlišení Tabulka vyjadřující velikost „kroku“ pro různé napětí a různý počet bitů A/D převodu
počet bitů napětí [V] 3 20 4 20 8 20 10 20 12 20 14 20 16 20 24 20
3 4 8 10 12 14 16 © VR - ZS 2010/2011
10 10 10 10 10 10 10
krok [mV] 2,500000 1,250000 0,078125 0,019531 0,004883 0,001221 0,000305 0,000001
1,250000 0,625000 0,039063 0,009766 0,002441 0,000610 0,000153
KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY
T- MaR
Aliasing
viz prezentace o digitalizaci
© VR - ZS 2014/2015
Aliasing (zkreslení) je důsledkem nesprávně zvolené vzorkovací frekvence
T- MaR
… a to by bylo nyní
vše 4...... © VR - ZS 2014/2015
T- MaR
© VR - ZS 2014/2015
