Méréselmélet és mérőrendszerek 2 . E L ŐA DÁ S ( 2 . R ÉS Z) K ÉS ZÍ TET TE: DR . F Ü V ES I V I K TOR 2 0 1 6. 1 1 .
Számítógépes mérőrendszerek o Számítógéppel támogatott mérőrendszer feladatai o PC alapú mérőrendszer struktúrája o Adattovábbítási módszerek o Számítógéppel vezérelt mérőrendszer funkcionális felépítése
2
PC alapú mérőrendszerek feladatai A számítógép a feladatai az információ összegyűjtése, feldolgozása, összegzése és rendszerezése. o Adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás o Vezérlés: műszerek, perifériák, folyamatok o Mérési folyamat fejlesztése o Dokumentálás
3
PC alapú mérőrendszerek feladatai Szoftveres háttér o OS
o Programozási nyelvek
o Windows
o C, C++, C#
o Linux
o Szkript nyelvek: Matlab, Scilab
o Adatgyűjtés
o Dokumentálás
o LabView, LabWindows/CVI
o Szövegszerkesztők
o Measurment Studio, Signal Express
o Grafikus programok
o Specifikus programok
o Adatbázis o Access, Excel, stb
4
PC alapú mérőrendszerek feladatai Adatok kezelése Off-line Nincs szükség a mérés során beavatkozásra Feldolgozás az adatok begyűjtése után Mérés során csak adatrögzítés folyik
On-line (real time) Mért értékeke alapján azonnali beavatkozás Feldolgozott adatok alapján a vezérlő módosításokat végez a kísérleten
5
PC alapú mérőrendszerek struktúrája Kommunikációs csatorna
PC Szabványos protokoll
PC
Műszer
Műszer
Műszer Műszer
Egyszerű mérőrendszer
Tipikus mérőrendszer
6
PC alapú mérőrendszerek struktúrája Műszer
Műszer Műszer PC
Műszer Műszer Műszer
PC
Multiprocesszoros mérőrendszer
Műszer
Supervisor PC
Kommunikációs csatorna
PC
Interface
Processzor v. Pc vezérlés
Egy v. több műszer
Processzor v. Pc vezérlés
Egy v. több műszer
Processzor v. Pc vezérlés
Egy v. több műszer
Műszer Műszer
Mester – szolga elrendezés 7
PC alapú mérőrendszerek struktúrája Tektronix TDS 2012C USB PC
Szabványos protokoll
Trigger és mért jel
Műszer Olympus 5072PR
V192-SB
Etalon
V192-SB 8
Adattovábbítási módszerek összehasonlítása Interrupt
Módszer
Adatfeldolgozás sebessége CPU kihasználtság
Programozott
Lassú
Magas
Megszakítás vezérelt
Közepes
Közepes
DMA vezérelt
Gyors
alacsony
DMA – direct memory acces
9
Adattovábbítási módszerek összehasonlítása Programozott o A processzor “kézben tartja” a folyamat vezérlését
o A processzor feladatai: o kezeli a perifériákat, o vezérli az adatgyűjtést, az adatmozgatást, adattárolást, és feldolgozást. o Pl.: programból vezéreljük, hogy várjon a processzor, amíg a mintavételezés folyamatban van, stb.
10
Adattovábbítási módszerek összehasonlítása Megszakítás vezérelt o A processzor megszakítja az éppen futó folyamatokat, ha kérés jön egy magasabb prioritású periféria felöl, új feladat végrehajtására. o A perifériákhoz tartozó megszakítás kérelmei prioritás szerint sorba vannak rendezve. o Magasabb prioritású periféria lefoglalhatja a processzort.
11
Adattovábbítási módszerek összehasonlítása DMA vezérelt o A processzor kezéből kikerül a adattovábbítás feladata, amit a DMA vezérlő kap meg.
o DMA vezérlő kap lehetőséget a busz vezérlésére. o Periféria közvetlenül a memóriába írja az adatokat.
12
Számítógéppel vezérelt mérőrendszer PC vezérlés Táplálás
Tápfeszültség Vezérlés
Érzékelő/ átalkító
Jelkondícionáló
Jelformáló
MUX
S/H
A/D
Bemeneti jel
13
Témáink o Irányító és monitoring rendszerek fejlődése o Irányító rendszerek típusai o Hálózati topológiák o Távadók
14
Történelem és fejlődés mérföldkövei 1950-
1960-
1970-
1980-
1990-
Pneumatikus
Elektronikus
Analóg
Hibrid
Digitális
0,2…1 bar
Pneumatikus
10-50 mA
4-20 mA
SMART
FIELDBUS
HART
Protokoll alapú
…
Ipar 4.0
Elektromechanikus
Gyújtószikra mentes - Intrinsic Safety Helyi beállítások Távvezérelt beállítás Protokollfüggő Interoperabilitás
15
Irányító rendszerek fejlődése o Pneumatikus irányító rendszerek o Elektronikus irányító rendszerek o Analóg irányítástechnika o Digitális irányítástechnika
PLC vezérlések PC vezérlések • DDC • SCADA • DCS • PCS
16
Irányítórendszerek fejlődésének okai Igény oldal o o o o o
Mindenütt vizuális információ igény Elektronikus adatarchiválási igény Az ipar megújításának igénye Az öreg rendszerek megújítása Kényelem szerepe
Gyakorlati oldal o o o o o
Mikroprocesszorok és számítógépek elterjedése Kommunikációs rendszerek elterjedése Intelligens műszerek megjelenése Olcsó hardverár A korszerű technológia ára egyre kedvezőbb 17
Pneumatikus irányító rendszer Először a 19. század végén alkalmazták Ki-be vezérlők
Előnyök: o Veszélyes környezet o Szelepek
Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimenti tartomány 3-15 psi; 0.2-1.0 bar o Alkalmazható vezetékhossz 75-150 m Vezérlés feladatai: o Folyamat vizsgált mennyiségeinek mérése Szenzorok, jeladó (transzmitter), jelátalakító (transducers) o Vezérlési típusok PID o Kiment képzés pneumatikus, hidraulikus, elektromos, mágneses
Hátrányok: o Magas telepítési költségek o Költséges karbantartás o Dinamika hiánya
18
Analóg irányító rendszer Analóg vezérlők megjelenése on-off és PID vezérlők Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimeneti tartomány 4-20 mA o Áthidalható távolság km-es nagyságrend Típus: o Fogadó vezérlők kijelzés, recording, miniature o Direct-connected controllers blind, kijelzés, terepi mounting Vezérlési módok: o Kézi o Proporcionális o Integráló o Differenciáló
Előny: o Alacsony telepítési költség o Alacsony karbantartási költségek o Dinamikus válasz
Hátrány: o Veszélyes környezetben nem használhatók o Speciális alkalmazások hiánya
19
Digitális irányító rendszer Digitális vezérlők lelke Mikroprocesszorok Jel és jeltovábbítás: o Be- és kimeneti tartomány 4-20 mA, RS-422, RS-485, Fieldbusok o Működési távolság km-es nagyságrend
Típusai: o Helyi vezérlők kompakt digitális vezérlők o Konfigurálható távoli elérésű vezérlők SCADA és DCS rendszerek része Vezérlési módok: o kézi, arányos, integráló, differenciáló o Fejlett vezérlési rendszerek (fuzzy, NN, MB)
Előnyök: o kifinomult vezérlési módszerek o Digitális információk az operátoroknak o Konfigurálható
Hátrány: o Drága o Bonyolult o Betanítás szükséges 20
Programmable Logic Control – PLC vezérlés Mikroprocesszor alapú univerzális vezérlőberendezések, amelyek gépek, berendezések, gyártástechnológiai készülékek rugalmas irányítására alkalmasak. Olyan programozható elektronikus vezérlések, melyek csak logikai műveleteket tudnak végezni, vagyis a logikai műveleteket, döntéseket ez a rendszer végzi el.
Belső sínrendszer
RT óra μP
Illesztő egység
Programozókészülék
Illesztő egység
Kezelőkozol (pl. PC)
Digitális bemenetek
Kétállapotú jeleket fogad Ubemenet pl. 24 V DC, 230 V AC Bemenetek száma: 8 vagy n x 8
Digitális kimenetek
Kétállapotú jeleket ad ki Kontaktus, tranzisztor, kimenetek stb. Kimenetek száma: 8 vagy n x 8
Analóg bemenet
Analóg jelet fogad
Analóg kimenet
Analóg jelet ad ki Ukimenet pl. 0…+ 10 V DC Kimenetek száma: 1 vagy 2, 4
ROM memória RAM memória
Tápegység
230 AC
Ubemenet pl. 0…+ 10 V DC Bemenetek száma: 1 vagy 2, 4
21
PLC típusai és feladatai A programozható vezérlők alapfeladatai: o A bemenetek állapotának beolvasása. o A vezérlési algoritmus végrehajtása, az aktuális adatokkal. o Az eredmény kivitele a kimentekre.
Típusai (felépítés szerint) o Kompakt Kis helyigényű Ipari tokozás Kis mértékben módosítható a hardver o Moduláris Kisebb egységekből épül fel Jól konfigurálható Összetettebb feladatok megoldására 22
PLC legfőbb jellemzői Hardverjellemzők: o Kompakt kialakítás: fix számú bemenet, kimenet o Moduláris kialakítás: változtatható számú be- és kimenet, bővíthető o A digitális be- és kimenetek típusa, száma, o Az analóg be- és kimenetek típusa száma (ha van), o A program memória nagysága o A működési (program végrehajtásidő), stb.
A szoftverjellemzők, azaz a vezérlővel megvalósítható alapfeladatok: o logikai műveletek (ÉS, VAGY, Kizáró-vagy, Negálás, stb.) o számlálási feladatok, o időzítések kezelése o a programozási nyelv (létradiagram, funkcióblokk, stb.). o programozást támogató környezet (programfejlesztő készülék)
23
PLC legfőbb jellemzői Előnyök: o Megbízhatóság, üzembiztosság o Ellenálló szerkezeti kialakítás o Tárolt program könnyen módosítható o Kisebb karbantartási költség o Egyszerű üzembe helyezés o Gyors működés
Bementek beolvasása
Kimenetek írása
Program végrehajtása
Egy letapogatási ciklus
Hátrány: o Szaktudást igényel
CPU önteszt és öndiagnosztika lebonyolítása
Megszakítások és kommunikáció kezelése
24
Siemens rendszer
PLC-re épülő irányító rendszer
25
PLC-re épülő irányító rendszer Tablet
Szerver GSM Router
HDMI+USB RS232
1. ISCO pumpa
PC
Gateway
RS232 Motor vezérlő
PLC
RS232 2. ISCO pumpa
Ethernet
Érintő képernyő
Ethernet
AFKI rendszer
WIFI
DIO
Termosztát
DIO
Köpeny nyomás pumpa Nyomás távadó 26
PC vezérlések o DDC – Direct Digital Control Közvetlen digitális vezérlés o SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition Systems Felügyeleti vezérlő és adatgyűjtő rendszer o DCS – Distributed Control System Elosztott folyamatirányító rendszer
o FCS – Field Control System Terepi irányító rendszer
27
DDC - Direct Digital Control A hagyományos folyamatirányító rendszerek legfontosabb jellemzői: o analóg jeltovábbítás - 4...20 mA jel, o digitális jelek - külön vezetéken o irányítás a központi műszerszobából, o központi adatfeldolgozás, o szabályozás, alarm, trend és egyéb funkciók a központból.
A „számítógépes” folyamatirányítás megjelenése
Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész Központi műszerszoba Technológia
Terepi eszközök
Távadók, beavatkozók
28
DDC - Direct Digital Control Szabályozó, vezérlő és felhasználói interfész
Terepi eszközök
Központi műszerszoba Technológia
CPU
RAM
EPROM
Beavatkozó
http://www.elcon.hu/ddc_keszulekek
XTAL
CPU
RAM
EPROM
XTAL
Távadó 29
Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA Feladatai
o jelek összegyűjtése a terepi eszközöktől, érzékelőktől, beavatkozóktól PLC-ék segítségével o Információk kezelése, feldolgozása o Adatbázis létrehozása o Felügyeli a folyamatot HMI . o Kiszolgálja adatokkal a kezelő személyzetet
OPC szoftverek
DBMS
Server
RTU HMI - Human Machine Interface PLC RTU RTU - Remote Terminal Unit MTU - Master Terminal Unit OPC – OLE for Process Control (Object linking and embending) DBMS – Database Management System
PC
30
Supervisory Control And Data Acquisition Systems - SCADA http://www.technologyuk.net/telecommunicat ions/industrial_networks/scada.shtml
SCADA rendszer begyűjti az áramlás és szint adatokat és elküldi a munkaponti értéket a PLC-hez Adatbázis
Kommunikációs busz
Áramlási adatok Adatok a szivattyú vezérléséhez
Szint adatok
Adatok a szelep vezérléséhez
Áramlásmérő Szivattyú PLC1 összehasonlítja mért áramlásértéket a munkapontival és változtatja a szivattyú sebességét
Szintérzékelő
Szelep
PLC2 összehasonlítja mért szintértéket a munkapontival és igény szerint változtat az áramlás nagyságán a szeleppozíció módosításával 31
DCS – Distributed Control System DCS - Osztott intelligenciájú irányítórendszer
Megjelennek az intelligens egységek
A korszerű, részlegesen elosztott folyamatirányító rendszerek: o megjelenik néhány szabályozó, vezérlő kártya, o az intelligens egységek „bent” kerülnek elhelyezésre, o nagyobb a megbízhatóság, o könnyebb a kezelés.
Szabályozók, vezérlők, I/O modulok
Felhasználói felület DCS konzol Központi műszerszoba Technológia
Terepi eszközök
Távadók, beavatkozók 32
DCS egységek és feladataik DCS
Távadó
Analóg-digitális átalakítás PID algoritmus futtatás Digitális-analóg átalakítás Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok
Egy paraméter mérése Digitális kijelzés, analóg távadás Vezetékes csatlakozás (1 pár)
Beavatkozó egység Egy analóg jel kezelése Pozicionálás Vezetékes csatlakozás (1 pár)
33
DCS-ek fejlődése Első generáció
Második generáció (Csillag struktúra) Central Computer -2
Központi számítógép Central computer
Helyi vezérlő egység Local Control Unit LCU
Central Computer -1
LCU 3
LCU 1
Tulajdonságok: o Analóg I/O száma max. 32 csatorna o Digitális I/O száma max. 256 o Távolság: max. 300 m o Point to point kapcsolat
LCU 2
LCU 2
LCU n
LCU 4
LCU 4
LCU n
Tulajdonságok o PLC-ék kapcsolódnak a rendszerhez o Egynél több számítógép o Kifinomult szoftver o Összetett rendszer 34
DCS főbb elemei Controllers Workstation Networks Programs
Control File, Control Station, etc. operator, engineering, programming control, information operating, HMI, MMI (IFIX), PI, Advanced control,stb Distributed Control System Operator & Engineer Interface
Gateway
Local Area Network
Mainframe
PLC Control Subsystem
I/O
Database Manager
Gateway I/O
35
FCS – Field Control System Mik az előzmények? o az igényoldal nagyon „elszemtelenedett” o mikroprocesszorok elterjedése, o hálózat, o SW technológia, o számítógépgyártók marketing stratégiája.
Felhasználói felület DCS konzol
Központi műszerszoba Technológia
Terepi eszközök Távadók, beavatkozók, szabályozók, alarm, trend 36
FCS – Field Control System Szabályozás a terepen
DCS Jel fogadás távadótól Jel kiadás végrehajtó elemre Számítási feladatatok
Beavatkozó egység Digitális jel kezelése Pozicionálás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció
Távadók Több paraméter mérése Teljesen digitális távadás PID algoritmus az eszközben Hálózati kommunikáció 37
Gyártók és termékek Új rendszerek Gyártó
Termék
ABB
Advant Industrial IT
Yokogawa
Centum 2000
Siemens
PCS 7
Honeywell
Experion
Emerson
DeltaV
Régi rendszerek Gyártó
Termék
Westinghouse
WDPF
Leeds & Northrup
MAX1000
Toshiba
TOSDIC CIE
Siemens
Simatic
38
DeltaV rendszer DeltaV rendszer
Hosztok Nagy sebességű hálózat Vezérlők Busz vagy közvetlen kapcsolat
Terepi eszközök
39
Moduláris DeltaV
PS
CU
AI
AO
DI
PS Power Supply – tápegység CU Control Unit – vezérlőegység AI Analog Input – analóg bemenet AO Analog Output – analóg kimenet DI Digital Input – digitális bemenet
DO
FF
PB
ASi
DO Digital Output – digitális kimenet FF
Foundation Fieldbus – FF kártya
PB Profibus – Profibus kártya ASi Actuator-Sensor interface – ASi kártya
40
Siemens megoldása
41
Teljes DCS hierarchia Termelés tervezés
Számítógép központ Koordinációs számítógépek
Termelés vezérlés
Üzem felügyelet Felügyeleti PC-k
Közvetlen vezérlés
Terepi szint
42
Honeywell Experion LX
Vállalati Információs Hálózat
Irányítástechnikai Hálózat
Terepi irányítás 43
Ethernet elemei o Repeater
o Hub
o Switch
o Bridge
o Router
o Gateway
44
Jelismétlő (repeater) Nyomtató Kliens Kliens Vékony ethernet Jelismétlő Vékony ethernet
Kliens
Kliens
o Jellemzők: • Jelerősítő funkciót lát el • Nem végez hálózati menedzselést • Nincs protokoll átalakítási funkció • Nincs útvonalválasztás 45
Hub
A szervertől küldött adatcsomag eljut az összes klienshez a hub-on keresztül.
o Jellemzők: • Jelismétlő csillag topológiában • Broadcast-ot támogató eszköz, ahol egyik ad többi vesz • Nincs protokoll átalakítási funkció • Nincs útvonalválasztás 46
Switch (Kapcsoló)
A szervertől küldött adatcsomag csak a megcélzott eszközhöz jut el.
o Jellemzők: • Elektromos kapcsolóelem • Ugyanabban a csillag vagy busz topológiában több switch is helyet kaphat • Menedzselhető • Leváltották a hubokat • Címek alapján hozza meg a döntést
47
Hálózati híd (Bridge) Különböző csillag topológiájú szegmensek intelligens, programozható hálózati eszköze.
o Feladatai: • Tanulás • Adatáramlás biztosítása • Konfigurációs lehetőség biztosítása • Szűrés – külső betörések elleni védelem • Más protokollt használó rendszerekkel is képes kommunikálni
48
Útválasztó (Router) D
„A” szegmens
E
C o Feladatai: • Redundancia biztosítása A Szegm. – C – F – G – H – I – B Szegm. Valós utak: CD; CF; CJ Hibás út pl.:CL • útvonalválasztás • Előre programozott útvonalak kiválasztása • Bizonyos mennyiségű információ tárolására képes • Programozható • Különböző OS-ek kezelése • Menedzsment
F
G
H
I
J K
L
„B” szegmens
49
Átjáró (Gateway) Ethernet HART o Feladatai és tulajdonságai: • Programozható • Különböző OS-ek futtathat • Különböző protokollok kezelése • Nagyobb számítógépes hálózatok összekapcsolása
50
Mi a távadó? A távadó feladata, hogy vagy a vizsgált folyamat jellemzőinek egy folytonos jeltartományát érzékeljék és feldolgozható folytonos jeltartománnyá alakítsák át, vagy kétállapotú logikai jel formájában információt közöljenek a berendezés állapotáról, helyzetéről, illetve a technológia folyamatjellemzőinek értékéről.
51
Analóg és digitális távadók felépítése Analóg 4-20 mA
Jelfeldolgozó egység
Digitális digitális kommunikáció
Többparaméteres digitális kommunikáció
Kommunikációs e.
Kommunikációs e.
Mikroprocesszor
Mikroprocesszor
A/D átalakító
A/D átalakító
Jelfeldolgozó egység
AMUX
érzékelő
Érzékelő
Jelfeld. e.
Jelfeld. e.
Jelfeld. e.
Érzékelő
Érzékelő
Érzékelő
52
Távadók fejlődése o „C” generáció • Analóg működésű, szabványos (0/4-20mA, 0/2-10V) analóg áramjelű, vagy feszültségjelű távadók, végrehajtók. • Legelterjedtebb megoldás. o „D” generáció • Digitális működésű, egyen analógjelre ültetett frekvenciamodulált analógjelű (smart) távadók, végrehajtók. A szabványos egyen analógjel egy-, a frekvenciamodulált analógjel kétirányú.
±0.5mA
o „E” generáció • Olyan digitális távadók, végrehajtók, amelyek jelei digitális terepi buszon közlekednek. A terepi buszon kétirányú a kapcsolat, az eszköz nem csak alapfeladatát látja el, hanem automatikusan vagy lekérdezésre az állapotáról is küld információt. 53
Távadók megtáplálása o
4 vezetékes • Legelterjedtebb megoldás. • 24 Vdc v. 230 Vac távadó • 24 Vdc irányító berendezés
o
3 vezetékes • Közös 24 Vdc tápellátás • Közös COM
o
2 vezetékes • Irányító berendezés sorba van kötve a távadóval 54
Szabványos kimenetek Analóg áram o 4 - 20 mA o 0 - 20 mA o 0 - 5 mA feszültség o 0 - 10 V o 0-5V
Digitális soros o RS-232 o RS-422 o RS-485 párhuzamos o IEEE-488
55
Távadók legfontosabb jellemzői o
o
o
Pontosság: o abszolút o relatív Hibák: o linearitás o offszet o erősítés o nulla Tápegység: o teljesítmény felvétel o érzékenység o disszipáció
o
o o o
Méréstartomány: o fix o változtatható o konfigurálható Ismétlőképesség Érzékenység Hőmérséklet tartomány: o működési o tárolási
56
Köszönöm a figyelmet! TALÁLKOZUNK JÖVŐHÉTEN!
57
