VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky DIPLOMOVÁ PRÁCE

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Brno 2007

Karel Fišer

Model dálkového měření

Vypracoval :

Karel Fišer

Vedoucí práce :

Ing. František Vdoleček, CSc.

Obor :

Inženýrská informatika a automatizace

Specializace :

Automatizace

2007

Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá dálkovým měřením. Jsou zde rozebrány základní pojmy a principy z teorie měření. Dálkové měření je tvořeno souborem hardwarových a softwarových prostředků. V části hardwaru je uveden popis používaných snímačů, sběrnic, měřících karet a komunikačních rozhraních systémů. Část věnovaná softwaru se zaměřuje na programy SCADA/HMI, které zajišťují sběr a prezentaci naměřených dat. V rámci této diplomové práce byl navrhnut dálkový model měření, na kterém se studenti mohou s tímto způsobem měření seznámit a prakticky si ho vyzkoušet.

Abstract This thesis deals with telemetry wherefore basic conceptions and principles of the theory of telemetry are examined. Telemetry consists of both hardware and software systems. The description of scanners, buses, telemetry cards and interface communication systems is introduced in hardware section of the thesis. The software section focuses on SCADA/HMI programmes responsible for collection and presentation of the acquired data. Consequently, and as a part of this diploma work, there has been designed a telemetry model with the help of which students have the opportunity to familiarise themselves with the respective telemetry method as well as examine it in practice.

KLÍČOVÁ SLOVA Měření, sběrnice, Ethernet, Control Web, SCADA/HMI,

KEYWORDS Measurement, bus, Ethernet, Control Web, SCADA/HMI,

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu mé diplomové práce Ing. Františku Vdolečkovi, CSc., bez jehož pomoci, rad a odborných připomínek by tato práce nemohla vzniknout. Také bych chtěl poděkovat Ing. Miroslavu Holému za pomoc s realizací měřeného modelu. Můj vděk patří také mé rodině, která mě při této práci i studiu vždy podporovala.

Obsah 1. Úvod .................................................................................................................................................15 2. Měření technických veličin.............................................................................................................17 2.1 Základní pojmy používané v měření ..........................................................................................17 2.2 Fáze měření ................................................................................................................................18 2.2.1 Příprava měření ..................................................................................................................18 2.2.2 Vlastní měření ....................................................................................................................18 2.2.3 Zpracování výsledků měření ..............................................................................................18 2.3 Chyby a nejistoty měření............................................................................................................18 2.3.1 Rozdělení chyb ...................................................................................................................19 2.3.2 Zdroje chyb při měření .......................................................................................................20 2.3.3 Nejistoty výsledku měření ..................................................................................................20 3. Hardwarové prostředky pro dálkové měření ...............................................................................23 3.1 Automatické systémy měření .....................................................................................................23 3.2 Snímače (senzory) ......................................................................................................................24 3.3 Snímače teploty..........................................................................................................................26 3.3.1 Teplota a její jednotky ........................................................................................................26 3.3.2 Principy měření teploty ......................................................................................................26 3.3.3 Kovové odporové teploměry ..............................................................................................27 3.3.4 Polovodičové odporové teploměry .....................................................................................28 3.3.5 Monokrystalické teploměry s PN přechodem.....................................................................29 3.3.6 Termoelektrické teploměry (termočlánky) .........................................................................30 3.4 SMART snímače ........................................................................................................................30 3.5 Sběrnice pro přenos dat ..............................................................................................................31 3.5.1 GPIB...................................................................................................................................32 3.5.2 SCPI ...................................................................................................................................33 3.5.3 VME ...................................................................................................................................33 3.5.4 VXI.....................................................................................................................................34 3.5.5 PXI .....................................................................................................................................34 3.5.6 USB (Universal Serial Bus)................................................................................................36 3.5.7 Ethernet ..............................................................................................................................37 4. Softwarové prostředky pro dálkové měření .................................................................................39 4.1 Software pro online aplikace......................................................................................................39 4.2 Kriteria pro volbu softwaru ........................................................................................................40 4.3 Přehled softwaru.........................................................................................................................41 4.3.1 Software firmy ADVANTECH ..........................................................................................41 4.3.2 Software firmy Keithley MetraByte ...................................................................................42 4.3.3 Software firmy HEWLETT-PACKARD (Agilent Technologie) .......................................42 4.3.4 Software firmy National Instruments .................................................................................43 4.4 Software vyvíjený v ČR .............................................................................................................45 4.4.1 Software firmy Microsys s.r.o (Ostrava) ............................................................................45 4.4.2 Software firmy Moravské přístroje a.s. ..............................................................................45 5. Návrh a realizace modelu dálkového měření................................................................................47 5.1 Použitý software a hardware ......................................................................................................47 5.2 Realizace měřeného modelu.......................................................................................................48 5.3 Popis jednotky DataLab IO/USB ...............................................................................................50 5.4 Zapojení modelu dálkového měření ...........................................................................................53 5.5 Vytvoření aplikace pro měření v SW Control Web 5 ................................................................54 5.6 Testování vytvořené aplikace.....................................................................................................58 6. Závěr ................................................................................................................................................61 Použitá literatura ................................................................................................................................63 Přílohy..................................................................................................................................................65

Strana13

Seznam použitých symbolů a zkratek A/D

Analog Digital converter

D/A

Digital Analog converter

DDE

Dynamic Data Exchange

DSP

Digital Signal Processing

EMC

Electromagnetic Compatability

ERP

Enterprise Resource Planning

GPIB

HPIB Hewlett-Packard Interface Bus

HTML

Hypertext Markup Language

HW

Hardware

IGMP

Internet Group Management Protocol

IPC

Industrial PC

ISA

Industry Standard Architecture

MES

Manufacturing Execution Systems

MXI

Multisystem eXtension Interface

NI

National Instruments

ODBC

Open DataBase Connectivity

OS

Operační systém

PC

Personal Computer

PCI

Peripheral Component Interconnect

PCMCIA

Personal Computer Memory Card International Association

PLC

Programable Logic Controler

PXI

PCI eXtensions for Instrumentation

RTX

Real Time eXtension

SCADA/HMI

Supervisory Control and Data Acquisition/Human Machina Interface

SCPI

Standard Commands for Programable Instruments

SMTP

Simple Mail Transfer Protocol

STP

Shielded Twisted Pair

SW

Software

TCP/IP

Transmission Control Protocol/Internet Protocol

Tp

Třída přesnosti

UDP

User Datagram Protocol

Strana14 USB

Universal Serial Bus

UTP

Unshielded Twisted Pair

VXI

VMEbus Extension for Instrumentation

WiFi

Wireless Fidelity

XML

Extensible Markup Language

Strana15

1. Úvod V současné době dochází k velkému vývoji na poli moderních technologií. Pozadu nezůstává ani oblast počítačových a průmyslových síti, které se neustále zdokonalují a propojují se s internetem. Internet je v dnešní době fenomén. Díky ADSL linkám a WiFi technologii se k internetu dá připojit na většině hustěji obydlených místech v naší republice. Se stále vzrůstající počítačovou gramotností obyvatel roste i počet domácností, které mají svůj počítač k internetu připojený. Lidé na internetu shánějí informace, používají ho k vyřizování elektronické korespondence, k prezentování sebe samých či svých výrobku. Slouží jim jako komunikační prostředek na velké vzdálenosti. Přes internet není problém zatelefonovat svým známým do Kanady a nebude vás to stát závratné částky, které bychom museli zaplatit telefonním operátorům. Stále více se rozšiřují internetové obchody, kde se dá nakoupit a zboží vám bude dovezeno v krátkém čase dovážkovou službou. Díky službám elektronického bankovnictví můžete spravovat svůj bankovní účet z tepla domova. Pokud vlastníte inteligentní dům, můžete si ze své kanceláře zjistit, díky internetu, jakou máte doma teplotu a případně si ji změnit tak, aby vám vyhovovala po příjezdu domů. Poslední případ nám ukazuje jak lze internet zapojit do měřícího řetězce. Umožňuje nám získání potřebných informací v krátkém čase a je jedno, jestli máme kancelář pár set metrů od domu nebo v jiném státě. K tomu, aby jsme propojili místo měření s místem vyhodnocení údajů, nepotřebujeme vynaložit žádné náklady. Vystačíme si pouze se sítěmi, které jsou již zbudovány. Internet pracuje s protokolem TCP/IP. Výhodou tohoto protokolu je, že se nemusíme starat o výpadky přenosových tras. Pokud k takovému výpadku dojde, bude zajištěno, aby se pakety dostaly do místa určení nejkratší průchodnou trasou. V rámci protokolu TCP/IP je také řešeno zabezpečení přenášených dat. Pokud jsou nějaká data poškozena nebo dokonce ztracena, je vyslán požadavek na opětovné zaslání chybných či ztracených dat. Tato práce má ukázat, jak se pomocí vhodného programového vybavení dá realizovat dálkový model měření, který jako přenosové médium bude využívat právě internet a jeho protokol TCP/IP. Vše bude demonstrováno na modelu, který byl pro tento účel zhotoven. Díky vizualizačnímu softwaru budeme moci tento model ovládat a vyhodnocovat naměřené hodnoty v počítači.

Strana16

Strana17

2. Měření technických veličin Galileo Galilei řekl: „ Měřit vše, co je měřitelné a co není, měřitelným učinit“. Tento výrok platí stále. Měření je nedílnou součástí našeho života. Pozůstatky po propracovaných měřících soustavách a měřících nástrojích lze nalézt již z dob tisíce let před našim letopočtem. Spolu s tím, jak se vyvíjela naše společnost, vyvíjelo se i měření. V počátcích využívali měření jednotlivci pro svoji osobní potřebu. Nejlepší metoda se většinou prosadila na úkor ostatních a rozšířila se do celé země, případně regionu. Tím ale vznikl problém. Každý region měl svůj měřící systém nezávislý na sousedovi. To způsobovalo značné obtíže pří vzájemném obchodování. Musely se vymýšlet složité převody mezi jednotlivými měřícími jednotkami. Vše se vyřešilo podpisem Metrické konvence. To se odehrálo 25. května 1875 v Paříži. Tehdy konvenci podepsalo 18 zakládajících zemí včetně nás jako součásti Rakouska-Uherska. Samostatná Česká republika je členem od roku 1993. V dnešní době se touto konvencí řídí již 48 států. 2.1 Základní pojmy používané v měření Měření – soubor činností, které vedou k stanovení hodnoty dané veličiny. Provádí se experimentálním porovnáním hodnoty této veličiny s předem známou hodnotou. Jde tedy o číselné vyjádření měřené veličiny v součinu s její jednotkou. Měřicí metoda – určuje postup při měření. Metody mohou být přímé a nepřímé. Přímá metoda vychází z definice měřené veličiny, nemusí se při ní používat žádné výpočty. Při nepřímé metodě se vychází z funkční závislosti měřené veličiny na jiné. U této metody se zjišťovaná hodnota dopočítává ze vzorců (např. elektrický odpor lze určit jako podíl napětí a proudu procházejícího součástkou). Měřicí přístroj – provádí zjištění hodnoty měřené veličiny. Elektronický měřicí přístroj obsahuje elektronické obvody, které určují jeho vlastnosti. Vstupní hodnotou měřicího přístroje je analogová veličina, kterou přístroj zpracuje a zobrazí na výstupu. Podle podoby výstupu rozdělujeme měřicí přístroje na analogové a číslicové. Analogové přístroje jsou historicky starší a zjišťovaná hodnota je prezentována výchylkou ručičky, která má v pozadí kalibrovanou stupnici v jednotkách měřené veličiny. Pro vyhodnocení měření na analogovém přístroji je potřeba osoba, která měřenou hodnotu ze stupnice odečte (provede digitalizaci). Číslicové měřicí přístroje vydávají hodnotu přímo v podobě čísla. Tento údaj lze dále mechanicky zpracovávat. Mezi měřicí přístroje se také počítají měřicí generátory, které mají na svém výstupu známou hodnotu, z které lze neznámou měřenou hodnotu odvodit. Čidla a snímače – prvky měřicího přístroje, případně měřicího řetězce, na které přímo působí zkoumaná veličina. Tyto prvky snímají časový průběh této veličiny a převádějí ji na tzv. měronosnou veličinu tedy signál. Tyto signály by měly mít jednoznačný vztah vzhledem k měřené veličině a měly by být co nejjednodušeji zpracovatelné. Měřicí řetězec – uspořádaní několika členů zapojených do měřícího obvodu. Tyto členy získávají, upravují, přenášejí, případně zpracovávají informace o měřené veličině. Měřicí systém – systém, kterým se provádí měření. Většinou umožňuje měřit více veličin. Bývá řešen stavebnicovým provedením, kdy se do systému zapojují různé měřící jednotky podle toho, jaká úloha se má řešit. To přináší úskalí toho, jak budou jednotky navzájem propojeny, aby spolu mohly komunikovat. Tento problém řeší příslušné normy jako např. CAMAC, GPIB, VXI a jiné. Automatizovaný měřicí systém – systém, který dokáže v optimálním případě provádět měření bez toho, aby do tohoto měření musel zasahovat člověk. Člověk plní pouze funkci dozoru.

Strana18 2.2 Fáze měření

2 Měření technických veličin

K získání objektivních hodnot měřených veličin je nutno zachovat určitý pracovní postup nejen při vlastním měření, ale především při jeho přípravě, při vyhodnocování měření a při rozboru chyb. 2.2.1 Příprava měření Je nejdůležitější etapou experimentu, protože musí zajistit zdárný průběh vlastního měření a zajistit, aby experimentátor byl plně poučen o záměrech experimentu a o postupu měřických prací. Přitom musí být zvoleno vhodné měřicí zařízení a správné uspořádání měření. Při přípravě měření je nutno provést podrobný rozbor měřičského problému především s ohledem na účel měření, a to v těchto fázích: · volba druhu a počtu měřených veličin z hlediska jejich důležitosti a potřebnosti, ·

volba přesnosti měření z hlediska potřebnosti (podle zásady: "Měřit pouze tak přesně, jak potřebujeme a ne tak, jak jsme schopni"),

·

volba měřicí metody z hlediska požadované přesnosti a zpracování naměřených hodnot,

·

volba konfigurace měřicího řetězce z hlediska předchozích požadavků a účelu měření,

·

volba měřicích míst a správného zabudování snímačů a jejich příslušenství z hlediska jejich přístupnosti,

·

volba ochrany měřicího zařízení proti působení rušivých vlivů vnějšího prostředí (např. magnetického pole, elektrického pole, vlhkosti a teploty okolního prostředí),

·

předběžný rozbor chyb měření z hlediska dovolených chyb měřených veličin a z toho vyplývajících požadavků na výslednou přesnost, popř. nejistot měření.

Jednotlivé fáze přípravy měření spolu navzájem souvisejí a ovlivňují se. Aby bylo možno takový podrobný rozbor měřického problému provést a vyslovit správné závěry, je třeba znát jednak fyzikální podstatu a funkci jednotlivých členů měřicího řetězce, jejich vlastnosti statické a dynamické, měřicí metody a systémy. 2.2.2 Vlastní měření K úspěšnému průběhu vlastního měření je třeba zajistit bezporuchovou činnost všech členů měřícího řetězce včetně indikace naměřených veličin a i z hlediska zvoleného způsobu zpracování výsledků měření. 2.2.3 Zpracování výsledků měření Abychom určili nejpravděpodobnější hodnoty měřených veličin, je třeba naměřené hodnoty vhodným způsobem zpracovat i z hlediska rozboru vyskytujících se chyb, popř. určit nejistoty měření. V případě nepřímých měření je třeba určit analytické aproximace funkčních závislostí vhodnými matematicko-statistickými metodami. 2.3 Chyby a nejistoty měření Stejně jako v životě, tak i v měření se nám nikdy nepodaří dosáhnout dokonalého stavu. Neexistuje způsob, jak dosáhnout absolutně přesné hodnoty. Při měření se vždy vyskytne nějaký rušivý vliv, který nám způsobí, že měřená hodnota se od skutečné hodnoty poněkud liší. Rozptyl měřených hodnot od hodnoty skutečné nám vytváří toleranční pole. Čím je toleranční pole menší, tím větší přesnost měření máme. Za chybu měření se tedy dá považovat

2 Měření technických veličin Strana19 rozdíl mezi skutečnou a změřenou hodnotou. Tuto chybu měření lze vyjádřit v absolutních nebo relativních hodnotách. Máme tedy: absolutní chybu ∆(x) D(x ) = xm - x s což je rozdíl naměřené a skutečné hodnoty a

(2.1)

relativní chybu δ (x) D(x ) x m - x s d (x ) = = (2.2) xs xs což je podíl absolutní chyby a skutečné hodnoty. Tato hodnota se nejčastěji udává po vynásobení stem v procentech. 2.3.1 Rozdělení chyb ·

Chyby při měření si můžeme z hlediska působení na výsledek měření rozdělit takto: systematické chyby

·

náhodné chyby

·

hrubé chyby

Systematické chyby Jsou takové, které se nám pří zachování stejných podmínek při měření nemění, nebo se při změně podmínek mění podle určitých pravidel. Tyto chyby na měření působí a ovlivňují jej neustále. Nelze je eliminovat opakovaným měřením tak jako náhodnou chybu. Pokud chceme určit jejich hodnotu, vystačíme si se vzorcem pro absolutní chybu. Systematické chyby v dnešní době nejsou pro měření nevyřešitelným problémem. Dají se odhalit a do značné míry jde zmenšit jejich působení na měření. To se provádí vhodnou kompenzací, příslušnými korekcemi nebo odstraněním příčin, jež systematickou chybu způsobovaly. Tato opatření jsou však velmi nákladná a uplatňují se pouze tam, kde je to z hlediska přesnosti nutné. Náhodné chyby Tyto chyby se vyskytují zcela nepravidelně. Proto je nelze nijak předvídat a ani odstraňovat. Při opakovaném měření se mění hodnota chyby. Jediné z čeho jde vycházet, je předpokládané pravděpodobnostní rozdělení chyby. Právě z pravděpodobnostního zákona rozdělení a statistických metod vycházíme při určováni velikosti náhodné chyby. Většinou se používá normální-Gaussovo rozdělení tzv. Zvonové křivky. Podle tohoto rozdělení se chová většina jevů na Zemi (např. věk kterého se dožívá obyvatelstvo čí hodnota IQ). Při opakovaném měření veličiny x, při stejných podmínkách pro měření, dostaneme kvůli náhodné chybě různé výsledky x1, x2, x3 atd. Výslednou hodnotu z těchto dílčích pak získáme tak, že z nich vytvoříme aritmetický průměr 1 n (2.3) x = å xi n i =1 kde n je počet měření. Náhodnou chybu lze vyjádřit jako směrodatnou odchylku výběrového souboru s(x) n

s ( x) =

å D2 ( xi ) i =1

n -1

n

=

å (x i =1

i

- x) 2

n -1

(2.4)

Strana20 2 Měření technických veličin Tato hodnota nám ukazuje, jaký mají výsledky měření rozptyl. Směrodatná odchylka určuje pouze pravděpodobnost, s jakou se zjišťovaná hodnota bude vyskytovat v určitém tolerančním pásmu. Hrubé chyby Tyto chyby mohou zásadně ovlivnit měření. Projevují se tak, že naměřená hodnota ostře vybočuje z průměrného vzorku měření. Taková hodnota se pak z dalšího zpracování vypouští. Hrubé chyby bývají způsobené nepozorností obsluhy, použitím špatné měřicí metody, rušivými vlivy z okolí atd. Výsledná chyba Je tvořena součtem systematické e a náhodné chyby e D( x) = e + e maximální chybu pak lze spočítat D max = ( x - x s ) + 2 s

(2.5) (2.6)

Z předchozích vzorců plyne, že systematická chyba se spočte e = ( x - x s ) a náhodná chyba je e = s , popř. e = 2 s Konstanta před s je dána typem použitého rozdělení. Pro Gaussovo rozdělení znamená dvojka 95% pravděpodobnost výskytu měřené hodnoty v daném rozmezí. 2.3.2 Zdroje chyb při měření ·

Chyby přístroje – jsou způsobeny změnami charakteristických vlastností přístroje např. opotřebením, stárnutím.

·

Chyby instalace – při nevhodném zapojení měřicích přístrojů se mohou měřené hodnoty navzájem ovlivňovat a tím způsobovat chybu měření.

·

Chyby metody – plynou ze špatně zvolené metody pro daný typ měření, použitím nepřesných fyzikálních konstant atd.

·

Chyby pozorování – bývají způsobeny nesoustředěností obsluhy měřícího přístroje, častá je tzv. paralaktická chyba (hodnota není čtena kolmo ke stupnici, ale pod jiným úhlem).

·

Chyby vyhodnocení – vznikají při zpracovávání hodnot získaných při měření např. zaokrouhlováním, použitím přibližných vztahů.

·

Vlivy prostředí – okolní prostředí nám vždy působí na měření a lze je jen stěží eliminovat.

2.3.3 Nejistoty výsledku měření V současnosti se nepřesnosti vzniklé při měření udávají pomocí nejistot. Nejistoty měření nám rozšiřují toleranční pole, v kterém se může vyskytovat hodnota měřené fyzikální veličiny. Standardní nejistoty lze rozdělit do dvou základních kategorii · nejistoty typu A – vzniklé statickým zpracováním naměřených hodnot ·

nejistoty typu B – vzniklé jiným způsobem než u typu A

Mezi standardní nejistoty patří také nejistoty kombinované. Ty vychází ze dvou předchozích, spočítají se jako součet jejich čtverců. Vyhodnocení nejistoty typu A Vychází se ze statistických metod. Bývá způsobena kolísáním naměřených hodnot. Výsledek je dán aritmetickým průměrem dílčích hodnot měření. Nejistota se pak určí jako směrodatná odchylka od této hodnoty. Matematicky to lze zapsat takto

2 Měření technických veličin

1 ( yi - y) 2 (2.7) å n(n - 1) i =1 n Pokud bude počet měření menší než deset, je metoda s využitím tohoto vztahu nespolehlivá. V takovém případě je pak nutné použít vyhodnocení pomocí nejistoty typu B u A ( y) =

s( y )

Strana21 n

=

Vyhodnocení nejistoty typu B Pomocí nejistot typu B se snižují vlivy působení systematických a náhodných chyb na výsledek měření. Zdroje informací pro odhad nejistot tohoto typu mohou být např. · údaje výrobce měřicí techniky, ·

zkušenosti z předchozích sérií měření,

·

zkušenosti s vlastnostmi chování materiálu a techniky a poznatky o nich,

·

údaje získané při kalibraci z certifikátů,

·

nejistoty referenčních údajů v příručkách.

U tohoto typu nejistot musíme vycházet z nejistoty každého zdroje, který je do měření zapojen. Pro každý zdroj si musíme nejdřív zjistit maximální odchylku zmax. Poté je nejistota typu B pro j-tý zdroj dána vztahem z j max uB (z j ) = (2.8) k kde k je dáno zákonem rozdělení pro příslušný typ nejistoty. Pro normální rozdělení je k = 2, případně 3, pro rovnoměrné rozdělení k = 3 . Výsledná nejistota typu B pro p zdrojů pak je u B ( y) =

p

åA u j =1

2 j

2 B

(z j )

(2.9)

kde uB(zj) jsou nejistoty jednotlivých zdrojů, Aj jejich součinitele citlivosti. Tímto se nám nejistota převede do podoby směrodatné odchylky. V tomto tvaru s ní můžeme dále pracovat, případně ji umocnit a pracovat s ní jako s rozptylem. Vyhodnocení nejistot kombinovaných Je jen málo případů, u nichž se vyskytuje jen nejistota typu A, nebo jen nejistota typu B. U většiny případů na měření působí kombinace těchto dvou nejistot. Právě z tohoto důvodu byly zavedeny nejistoty kombinované. Jak již bylo výše uvedeno, při výpočtu kombinovaných nejistot se vychází ze součtu čtverců nejistot A a B. u C ( y ) = u A2 ( y ) + u B2 ( y ) (2.10) Pro dosažení přesnějších výsledků než nám zajišťují standardní nejistoty (např. pro Gaussovo rozdělení interval určený pravděpodobností 68%) se používá tzv. nejistota rozšířená. Tu dostaneme tak, že standardní nejistotu vynásobíme koeficientem rozšíření kr. Pokud pří Gaussovu rozdělení položíme koeficient kr = 2, rozšíří se interval na 95% pravděpodobnost, při kr = 3 na 99,7% pravděpodobnost. Rozšířenou nejistotu tedy určíme ze vztahu U ( y) = k r × uC ( y) (2.11)

V kapitole jsou použity zdroje [3], [4], [5], [6]

Strana22

2 Měření technických veličin

Strana23

3. Hardwarové prostředky pro dálkové měření 3.1 Automatické systémy měření Automatické měřicí systémy se dnes v praxi stále více prosazují. Je to způsobeno výhodami, které nám tento způsob měření nabízí. Mezi nejzajímavější patří např. · odstranění stále se opakující práce ·

eliminace chyb způsobených lidským faktorem

·

možnost měření i v životu nebezpečném prostředí

·

rychlý transport a zpracování dat z měření

Jelikož není nic ideální, nese nasazení těchto systémů také svoje nevýhody. Mezi ty nejzávažnější patří stárnutí jednotlivých přístrojů. To se projevuje zhoršením jejich statických a dynamických parametrů. Do kategorie nevýhod se dá zařadit také vyšší cena měřicího systému. Měření pomocí výpočetní techniky patří mezi moderní metody, které se využívají jak v laboratorní, tak i v průmyslové praxi. Začalo se prosazovat v devadesátých letech minulého století. Jeho dřívějšímu použití bránily především vysoké pořizovací ceny jednotlivých komponentů, nízká počítačová gramotnost a nespolehlivost tehdejších počítačů. Touto metodou se nejčastěji měří elektrické napětí. Ostatní fyzikální veličiny, i neelektrické, se většinou na měření elektrického napětí převádí. Problém nastává pří přenosu analogové veličiny do počítače. Počítače jsou schopny zpracovat pouze vstupy, které mají digitální podobu. Pokud tedy chceme pomocí počítače vyhodnocovat napětí, musíme ho nejdřív navzorkovat a každé úrovni přiřadit číselnou hodnotu. K tomuto účelu slouží obvody, které se nazývají převodníky. V tomto případě konkrétně analogově digitální převodník. Základem dálkového měření je sejmout hodnotu měřené veličiny a přenést ji k zařízení, které ji vyhodnotí. Vzdálenost mezi místem měření a místem, kde se bude měření zpracovávat může být pár metrů, ale i několik stovek kilometrů. Tento přenos informací se realizuje pomocí měřicího řetězce (obr.1 ). Na tomto schématu je možné vysvětlit funkci jednotlivých bloků. Snímač zaznamená hodnotu sledované veličiny. Hodnoty, které vychází ze snímače, bývají většinou malé, proto se za snímač umísťuje předzesilovač, který nám zesílí signál tak, aby mohl byt zpracován převodníkem. První převodník převádí napětí na proud (nejčastěji 4 až 20 mA) případně analogový signál zdigitalizuje. Takto upravený signál se lépe přenáší na větší vzdálenosti. Nemá takový útlum, lze jej komprimovat a lépe se rekonstruuje, pokud je poškozen. Signál je znovu zesílen a pošle se do vysílače. Vysílač signál upraví tak, aby mohl být poslán přes nosné médium k přijímači. Vysílač a přijímač bývá realizován různými modemy, komunikačními jednotkami, kartami vstupů a výstupů. Signál, který prošel po přenosové trase je třeba opět zesílit v zesilovači . Pomocí filtru se odstraní parazitní šum nabalený na signál při přenosu. Pokud je signál digitální a vyhodnocovacím zařízením je počítač, či jiný přístroj zpracovávající digitální signál, není třeba použít digitálně číslicový převodník. Signál může být zpracováván hned za filtrem. Pokud ale budeme měřenou veličinu zpracovávat analogovým přístrojem snímajícím napětí, musíme převodník zařadit. Data z vyhodnocovací jednotky můžeme zviditelnit na zobrazovači, nebo je uložit do paměti. Na přesnost takto prováděného měření má zásadní vliv snímač, vysílač a přijímač. Kromě těchto bloků má vliv na kvalitu měření také rušení na přenosové trase. Bloky, jako zesilovače a převodníky, jsou oproti předchozím řádově přesnější a jejich zkreslení informací se většinou zanedbává.

Strana24

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření

Obr.1 Obecné schéma měřicího řetězce

Z obr. je patrné, že jednotlivé bloky měřicího řetězce jsou v sériovém zapojení. Toto zapojení má jednu velkou nevýhodu. Nastane-li chyba v jakémkoli z bloků, je přenášena dál a zásadně ovlivní výsledek měření. Naskýtá se zde analogie s řetězem. Ten je tak silný, jak je silný jeho nejslabší článek. Výsledná přesnost měření bude zásadně ovlivněna členem s nejhoršími vlastnostmi. Proto by měly být parametry jednotlivých členů měřicího řetězce vyrovnané. Celková relativní chyba řetězce se spočítá jako součet jednotlivých relativních chyb. n

d C = åd i

(3.1)

i =1

Výsledná relativní chyba se dá určit také z třídy přesnosti Tp jednotlivých členů, příp. z technické dokumentace dodávané k měřicímu řetězci. n

d C = å Tp i

(3.2)

i =1

To, jak je důležité správně zvolit měřící přístroje, lze ukázat na následujícím příkladu. Náš měřící řetězec se skládá z deseti bloků (obr.1 ). Pokud bude mít každý z bloků třídu přesnosti Tp = 0,1%, bude výsledná relativní chyba celého řetězce rovna 1%. Pokud ale použijeme přístroje s horší třídou přesnosti, např. Tp = 0,5%, bude výsledná chyba již 5%. V případě, že bude výstup z tohoto řetězce připojen v regulačním obvodu (obr.2 ) na vstup regulátoru, nemůže regulátor regulovat v obvykle voleném pásmu ±5% z ustálené hodnoty regulované veličiny. Výsledky regulace budou špatné, protože regulátor nedokáže odstranit chyby vzniklé v měřicím řetězci.

Obr.2 Regulační obvod s měřícím řetězcem

3.2 Snímače (senzory) Snímače a jejich vlastnosti hrají zásadní roli v oblasti měření a patří k základním kamenům měřícího řetězce. Na jejich vlastnostech závisí přesnost celého měření. Vývoj snímačů šel ruku v ruce spolu s vývojem elektronických součástek. S tím, jak se zdokonalovala mikroelektronika, zdokonalovaly se i snímače. Tuto historii lze shrnout do pěti bodů.

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Strana25 Generace snímačů: 1. Jednoduché převodníky - před 2. svět. válkou, např.: drátkový tenzometr 2. Polovodičové - vyšší citlivost 3. Integrované - senzor a vyhodnocovací obvod v jednom pouzdře 4. Inteligentní - 3. generace + mikroprocesor; funkce: kompenzace, autokalibrace, digitální komunikační rozhraní 5. MEMS (mikro elektromechanické systémy) - senzor a vyhodnocovací obvod na jednom čipu Spolu s tím, jak se vyvíjely snímače, rozšiřovalo se i pole jejich působnosti. Snímače se prosadily do řady průmyslových oborů. Můžeme se s nimi setkat nejen v odvětvích technických, ale i chemických, stavebních či potravinářských. V dnešní době již stěží najdeme veličinu, kterou bychom neuměli pomocí snímačů sejmout. Podle měřené veličiny můžeme rozdělit snímače na dvě základní kategorie. Snímače neelektrických veličin vyhodnocují · sílu ·

hmotnost

·

moment

·

kroutící moment

·

tlak, tlakovou diferenci

·

rychlost, úhlovou rychlost

·

zrychlení

·

délku a úhel

·

tloušťku povrchových vrstev

·

vodivost

·

množství

·

teplotu

·

průtok

·

pH

·

redox potenciál

·

vlhkost

·

analýzu plynů

Snímače elektrických veličin vyhodnocují · napětí (stejnosměrné, střídavé, vyšší frekvence, špičku, minimum) ·

proud (stejnosměrný, střídavý, špičku, minimum)

·

výkon (okamžitý, průměrný, činný, jalový, jednofázový, třífázový)

·

energii

Měření každé z těchto veličin je samostatný problém, charakterizovaný fyzikálním principem, metodou, instrumentací, přesností, linearitou, frekvenčními vlastnostmi, pracovními rozsahy, použitými materiály a dalšími parametry. Měření všech těchto veličin je

Strana26 3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření detailně zpracováno a popis každé z nich by zabral rozsah samostatné diplomové práce. Tato práce je zaměřena na měření teploty. Proto si podrobněji probereme snímače teploty. 3.3 Snímače teploty 3.3.1 Teplota

a její jednotky

Teplota je považována za základní a nejčastější veličinu v oblasti průmyslového měření. Na její hodnotě obvykle záleží řada výrobních procesů a regulací, ať již přímo nebo nepřímo. Teplota nám představuje míru kinetické energie pohybujících se částic látky. Právě z tohoto důvodu je nejnižší teplota ta, při které pohyb částic v látce ustane. Tento stav se nazývá absolutní teplotní nula. Pro měření se používá termodynamická teplotní stupnice T, která je odvozena z ideálního Carnotova cyklu. Jednotkou této stupnice je Kelvin (K). Jméno tato jednotka dostala podle irského fyzika Williama Thomsona lorda Kelvina. Hodnota jeden Kelvin (1K) odpovídá 273,16-tému dílku termodynamické teploty trojného bodu vody. Kromě této stupnice se požívají ještě další. U nás se využívá Celsiova stupnice ϑ (°C) u které 1K = 1°C a ϑ0 = 273,15K. V anglosaských zemích se zas setkáme s Fahrenheitovou stupnicí. V této stupnici bodu mrazu vody odpovídá 32°F a bodu varu vody 212°F. Pro převod lze použít vztah 5( y° F - 32) x°C = (3.3) 9 kde x je teplota ve stupních Celsia a y je teplota ve Fahrenheitech. 3.3.2 Principy měření teploty Podle principu měření teploty lze rozdělit senzory do dvou základních částí: kontaktní senzory - senzor je připevněn k objektům či látkám, jejíž teplotu měří. Využívá se zde přímého přenosu tepla mezi dvěma objekty. Lze ho použít všude tam, kde je snadný přístup k měřenému objektu a okolní prostředí nebo sám měřený objekt chemicky nebo jinak se senzorem nereaguje. bezkontaktní senzory – senzor se nachází v určité vzdálenosti od měřeného objektu, a tím nedochází k vzájemnému ovlivňování. Využívá se zde jevu, kdy každý objekt o určité teplotě vyzařuje určitou vlnovou délku infračerveného záření - pyrometrie. Tyto základní kategorie se dále dají rozdělit podle fyzikálního principu, který pro měření teploty využívají (obr.3 )

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření

Strana27

Obr3. Rozdělení snímačů teploty

Pro automatické měřící systémy se nejvíce hodí snímače elektrické. Je to dáno především jejich elektrickým výstupem, který se dá snadno dále zpracovávat.Mají vysokou přesnost a jejich nasazení je v širokém teplotním pásmu. Plusem pro tyto snímače jsou i nízké pořizovací náklady či dobrá mechanická odolnost. Pro snímače teploty se používá název teploměry. 3.3.3 Kovové odporové teploměry Jako všechny odporové teploměry využívají změny odporu v závislosti na změně teploty. Nejznámější a nejpoužívanější je platinový odporový teploměr Pt 100. Název Pt100 nám určuje, že tento teploměr má při teplotě 0°C odpor 100Ω(existují i Pt 200, Pt 500 i Pt 1000). Rozsah teplot, pro které se dá použít, je od -200 do 850°C. Platina se pro tyto teploměry používá pro svoje výjimečné vlastnosti. Především to je její chemická stálost, vysoká teplota tavení a vysoká čistota (až 99,999%). Kromě platiny se využívá pro teploty od -80 do 320°C nikl a od -200 do 260°C měď. Pro technickou praxi postačí u čistých kovů vyjádřit teplotní závislost odporu polynomem druhého stupně. 2 RJ = R0 1 + a (J - J0 ) + b (J - J0 ) (3.3) Pro menší teplotní rozsahy (do 100°C) lze použit lineární vztah RJ = R0 [1 + a (J - J0 )] (3.4)

[

]

kde α je teplotní součinitel definovaný v pracovním bodu J0 . Kovové odporové teploměry se vyrábí v provedení drátovém (obr.4 a) nebo plošném (obr.4 b). V případě drátového měřícího teploměru je drátek o průměru 0,05mm zataven do skleněného či keramického tělíska. U jiného uspořádaní je drátek navinut na pertinaxové nebo slídové podložce. Plošné odporové teploměry se vyrábějí fotolitografickou cestou, kdy se odporová vrstva nanáší do tvaru meandru na korundovou destičku.

Strana28

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření

Obr.4 Kovové odporové teploměry

3.3.4 Polovodičové odporové teploměry Základ těchto teploměrů tvoří polovodičový materiál. Podle teplotní závislosti použitého polovodičového materiálu lze tyto teploměry rozdělit na: · NTC termistory (negastory) ·

PTC termistory (pozistory)

·

monokrystalické odporové teploměry

NTC termistory (negastory) Senzory jsou vyráběny práškovou technologií, při které se spékají oxidy různých kovů (např. Fe203, TiO2, CuO, MnO...). Po slisování oxidů do tvaru perliček, destiček či tyčinek je třeba senzor zpevnit slinováním za vysokých teplot. Negastory vykazují záporný teplotní součinitel odporu. To znamená, že při stoupající teplotě odpor klesá. Oproti kovovým odporovým teploměrům je závislost odporu na teplotě nelineární. æ1 1 B çç è T T0

ö ÷÷ ø

R = R0 × e kde R, R0 jsou odpory termistoru při teplotách T, T0 B je materiálová konstanta

(3.5)

PTC termistory (pozistory) Tyto snímače jsou vyrobeny z polykrystalické fotoelektrické keramiky. Příkladem takového materiálu je BaTiO3. Na teplotní charakteristice těchto teploměrů vidíme, že z počátku odpor v závislosti na teplotě mírně klesá, ale poté co překoná Couriovu teplotu, prudce stoupne. Nárůst rezistivity proběhne v úzkém teplotním pásmu. V oblasti, kde proběhne prudký nárůst odporu platí vztah R = Rr × e A×T (3.6) kde R je odpor termistoru při teplotě T Rr je odpor termistoru při teplotě Tr A je materiálová konstanta Pozistory jsou většinou použity jako dvoustavové senzory. To znamená, že se s nimi můžeme setkat tam, kde je zapotřebí provádět dvoupolohovou regulaci. Další využití tyto senzory najdou jako hlídače překročení mezní teploty. Monokrystalické odporové teploměry Tyto senzor jsou především určeny pro měření nízkých teplot. Vyrábějí se z křemíku, germania, india případně ze slitin těchto prvků. Pro průmyslovou praxi se nejvíce hodí křemík. Křemíkové snímače se používají v rozsahu teplot od -190°C do +100°C.

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Strana29 Tyto senzory jsou význačné svou vysokou stálostí charakteristik. Závislost odporu na teplotě lze popsat kvadratickou rovnicí, ale v rozsahu, pro který je senzor navržen, lze křivku považovat za kvazilineární. 2 (3.7) R = Rr + k (J - Jr ) kde Jr = - 241°C

Obr.5 Charakteristika Si senzoru

Obr.6 Provedení monokrystalického senzoru

Porovnání teplotních závislostí odporových senzorů Polovodičové teploměry vykazují vyšší citlivost. U termistorů je 5 až 50 krát vyšší koeficient teplotní závislosti odporu, než u kovových odporových senzorů. Také dynamické vlastnosti mají odporové senzory lepší. Kovové senzory zase vykazují vysokou stabilitu, reprodukovatelnost a přesnost.

Obr.7 Porovnání teplotních závislostí odporových senzorů

3.3.5 Monokrystalické teploměry s PN přechodem Tyto senzory jsou zastoupeny diodami a tranzistory. Využívají u těchto součástek napěťové závislosti PN přechodu na teplotě. Přechod PN je zapojen v propustném směru. Předností těchto senzorů je lineární charakteristika, dobré lineární vlastnosti a časová stálost. Při zapojení těchto senzorů do obvodu musíme zajistit, aby přes PN přechod procházel konstantní proud. Obvod musí také posunout počátek měřicího rozsahu senzoru.

Obr.8 Monokrystalické teploměry s PN přechodem

Strana30 3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření 3.3.6 Termoelektrické teploměry (termočlánky) Princip fungování těchto teploměrů je založen na takzvaném Seebeckovu jevu. Tento jev je pozorovatelný, pokud vodivě spojíme dva dráty různých kovů do uzavřeného obvodu. Jestliže umístíme spojené konce drátů do míst s různou teplotou, jsme schopni pomocí citlivého milivoltmetru zaznamenat vznik termoelektrického napětí a v obvodu poteče proud. Termočlánky jsou tedy jakýmisi generátory napětí. V zjednodušené formě lze závislost termoelektrického napětí na teplotě zapsat lineární rovnicí U te = a (JM - J S ) (3.8) kde U te je termoelektrické napětí

JM je teplota měřícího spoje JS je teplota srovnávacího spoje Materiály, které se volí na výrobu termočlánků, by měly mít co největší lineární přírůstek termoelektrického napětí s teplotou. Měl by vykazovat dobrou stabilitu v dlouhodobém provozu i při působení chemických či mechanických vlivů. Pro výrobu se používají dvojice kovů měď-měďnikl (označení T), železo-měďnikl (označení J), niklchromniklhlinik (označení K), platinarhodium-platina(označení S). Průměr vodičů se volí jako kompromis mezi požadavkem na průměr co největší kvůli malému odporu vodiče a průměr co nejmenší kvůli minimalizaci ztrátového tepla. U obyčejných termočlánků se volí průměr od 0,5 do 4mm. U termočlánků vyrobených z ušlechtilých kovů bývají průměry 0,2 až 0,5mm.

Obr.9 Statické charakteristiky termočlánků

Obr10. Měřící řetězec s termočlánkem

Výhody termočlánků spočívají v jejich použití v širokém rozsahu teplot, mají malé rozměry, jsou bezporuchové a poměrně přesné. Umožňují přenášet měřené hodnoty na větší vzdálenosti. Nevýhodou jsou velmi malé hodnoty výstupního signálu, které se musí ještě zesilovat a upravovat. 3.4 SMART snímače V dnešní době se stále více začínají prosazovat v modelech dálkového měření nové typy snímačů s označením smart (inteligentní, chytrý). Význam slova smart zatím není normován a jeho vyklad bývá různý. Dá se říci, že inteligentní snímače by v sobě měly integrovat kromě systému pro získání a zpracování měronosné informace i elektroniku, umožňující komunikaci přes standardizované napěťové rozhraní se standardizovaným komunikačním protokolem po sériové dvou nebo čtyř vodičové sběrnici s dalšími inteligentními čidly a nadřazeným řídicím členem. Smart snímače by také měly mít možnost nastavení svých vnitřních parametrů.

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Strana31 Nedílnou součástí by měla být také autodiagnostika, která v případě nesprávné funkce snímače odešle zprávu o typu poruchy nadřazenému systému.

Obr.11 Blokové schéma smart snímače

Na obr.11 první blok představuje snímač pro měření teploty. Tím může být např. termočlánek. V druhém bloku se signál ze snímače zesílí pro další zpracování. Blok AD převodník převádí analogový signál na digitální a rozděluje schéma na analogovou a digitální část. Mikroprocesor je srdcem celého smart snímače. Zajišťuje obousměrnou komunikaci mezi snímačem a nadřazeným systémem. Měl by zajistit vyslání varovného signálu při překročení zadané kritické hodnoty měřené veličiny nebo přípustné teploty okolí. Měl by zvládnout funkci korekčních a kalibračních obvodů, filtraci, linearizaci, kompenzaci vlivů prostředí. Pro měření by měl zvolit správný rozsah, seřídit nulu a nastavit pásmo necitlivosti. Mezí další funkce patří také Fourierova transformace a autodiagnostika. Posledním blokem ve schématu je komunikační rozhraní. To nám připraví výstupní data ze snímače do podoby, v které je lze poslat k řídícímu systému po sběrnici. Data se nejčastěji posílají po sériové lince RS-232/485, sběrnici Profibus, Foundation Feildbus a dalších. Z výše uvedeného je patrné, že smart snímače toho zvládnou hodně, ale jejich chytrost je přeci jen omezená. V žádném případě nedisponují umělou inteligencí, na základě které by se mohly rozhodovat, co v danou chvíli provedou. To za ně musí provádět nadřazený systém, s kterým je snímač v komunikaci. Takovým systémem může být např. stolní či přenosný počítač, komunikátor nebo regulátor. Největší výhodou smart snímačů je integrace mikroprocesoru a snímače v jeden celek, který je umístěn v místě měření. Díky tomu můžeme korigovat nepříznivé vlivy okolí a za pomoci autokalibrace zpřesnit výsledky měření. 3.5 Sběrnice pro přenos dat První vlaštovky, které se objevily v oblasti využití počítačů pro měření můžeme datovat do devadesátých let minulého století. Důvod, proč se osobní i průmyslové počítače v tomto oboru neprosadily dříve, byl dán hlavně jejich nespolehlivostí. Pokud jste potřebovali provádět nějaké důležité měření, případně ovládání, nemohli jste ho svěřit stroji, jehož operační systém kolaboval kvůli nedostatečné kompatibilitě hardwarových komponentů. To by mohlo skončit katastrofou. Před rokem 1990 již sice existovaly stroje, které těmito neduhy netrpěly, ale ty byly tak drahé, že se nikdy nemohly nijak zvlášť masově prosadit. Kvůli své spolehlivosti se nejdříve začaly v měření prosazovat IPC, osobní počítače je následovaly později. Dříve než mohl být počítač zapojen do měřícího řetězce, musel být nalezen způsob, jak bude s ostatními přístroji komunikovat. Použít komunikační rozhraní, kterým disponuje každé PC, se přímo nabízelo. Existují dva použitelné způsoby, jak dostat měřená data do počítače. U prvního způsobu je zapotřebí zasunout měřící kartu, případně nějaký řadič do vnitřních slotů PC, které jsou pro tento účel umístěny na základní desce. Do této kategorie patří sloty pro sběrnice PCI, ISA, CompactPCI. Druhý způsob využívá standardních portů, které většinou najdeme na zadní straně počítače. Do této kategorie patří sériový a paralelní port, sběrnice USB, rozhraní PCMCIA. S návazností na internet se v poslední době stále více začíná hlásit o své slovo na poli měření Ethernet. Měřící zařízení se k těmto rozhraním připojují pomocí propojovacích kabelů. V případě Ethernetu to je například nestíněná čí stíněná kroucená dvojlinka (UTP/STP). Novinkou v této oblasti jsou bezdrátová spojení šířící se vzduchem. Mohou to být spojení založené na sítích mobilních operátorů nebo spojení využívající volná kmitočtová pásma vhodná pro bezdrátové sítě (technologie WiFi).

Strana32 3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Každá z těchto variant má svoje pro a proti. Záleží většinou jen na uživateli, která z možností se mu bude pro konkrétní situaci zdát vhodnější. V dnešní době je moderní to, co je mobilní. Pro mobilní měření se více hodí externí jednotky připojené k počítači kabelem. Obsluze pak stačí vzít přenosný notebook a obejít si měřící stanoviště. Na každém místě si měřící jednotku pomocí kabelu k notebooku připojí a stáhne si zní potřebná data nebo naopak do ni nějaká data nahraje. Pro přenosné počítače nepřipadá možnost s rozšiřujícími kartami v podstatě vůbec k úvahu, neboť tyto sloty většinou nemají. Pokud použijeme vnější jednotku, nemusí do vnitřního vybavení počítače vůbec zasahovat. Odpadá nám tím starost o to, jestli se měřící karta nebude náhodou „hádat“ s nějakou jinou kartou počítače. 3.5.1 GPIB Standard GPIB (IEEE 488) vznikl na základě firemní propojovací soustavy firmy Hewlett - Packard označené jako HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus) v roce 1972. Mívá i jiné označení např. IEC 625, u nás IMS-2 Hlavní výhodou této propojovací soustavy je její celosvětová rozšířenost a ustálenost. Je to i díky tomu, že byla od počátku řešena a prezentována jako otevřený systém, dostupný všem výrobcům a uživatelům měřicí techniky. GPIB je v současné době nejrozšířenější soustavou pro automatizaci měřicích a testovacích procesů,. Jde o soustavu, která je určena pro sestavení flexibilních měřicích systémů v rozsahu jedné či několika laboratoří či zkušeben. Systém se skládá z autonomních přístrojů, které můžeme použít i samostatně mimo měřicí systém. Přístroje jsou vzájemně propojeny sběrnicí liniového typu s tzv. řídičem. To může být počítač s příslušnou kartou. Každá funkční jednotka připojovaná do systému, musí být vybavena standardním rozhraním (stykovou jednotkou). Systém je řízen pomocí zpráv. V určitém okamžiku je v systému vždy jeden zdroj zpráv (mluvčí - Talker), příjemců může být více (posluchač Listener). Základní vlastnosti této soustavy jsou: · podporovaná topologie – hvězda nebo sběrnice ·

způsob přenosu dat - sérioparalelní po bytech

·

maximální přenosová rychlost 1MB/s (u firemních úprav až 7MB/s)

·

maximální délka sběrnice - 20m

·

maximální vzdálenost mezi přístroji - 4m

·

maximální počet přístrojů - 15

Rychlost přenosu zpráv se přizpůsobuje nejpomalejšímu posluchači. Kabel propojující přístroje obsahuje 16 signálních vodičů (8 datových, 8 řídících) plus 8 zemnících. Jednotlivé přístroje mají jen ty funkce, které potřebují ke své činnosti (generátor nemusí mít funkci mluvčího).

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření

Strana33

Obr.12 Přístrojový konektor sběrnice GPIB

3.5.2 SCPI Nekompatibilita měřících přístrojů a rozhraní od různých firem dala podnět ke vzniku konsorcia SCPI. Toto konsorcium se pokouší sjednotit standardy pro dálkové měření. V podstatě se pokouší vytvořit jednotný programovací jazyk pro ovládání měřících přístrojů nezávislý na tom, přes jaké rozhraní je přístroj připojen(GPIB, RS232, VXI ...). To by způsobilo, že by se programování měřících systémů stalo nezávislé na konkrétním výrobci i řídícím programu. I přes veškeré snahy konsorcia, ve kterém jsou všechny významné firmy z oboru měřící techniky, není kompatibility zatím dosaženo. Je to především dáno značnou různorodostí funkcí a vlastností laboratorních a meřících přístrojů. 3.5.3 VME Tato sběrnice se vyvinula ze sběrnice VERSAbus, kterou společnost Motorola používala pro procesory 68000. Oproti původní byla rozšířena o standardy IEC 297 (Eurocard). V dnešní době sběrnice zvládá nejen procesory 68xxx, ale i karty, které jsou osazeny procesory jiných výrobců (např. Alpha, MIPS, i960, různými DSP, PowerPC a procesory Intel 80x86). Základní jednotka obsahuje 21 slotů, do kterých se dají zasouvat karty dvou velikostí. Jednoduché mají jeden 96-ti pólový třířadý konektor DIN-41612 označený jako J1, dvojnásobné mají tyto konektory dva J1 a J2. Karty mohou nést procesorový systém nebo periferie a subsystémy určené k různým funkcím (digitální/analogové vstupy/výstupy, komunikační rozhraní, měřící systémy, analyzátory, zpracování videosignálů, interface disků, grafické karty, paměťová rozšíření, atd.). VME podporuje šířku datové sběrnice 16, 32 a 64 bitů. Sběrnice byla vytvořena jako multiprocesorová a má řadu vlastností, jichž dosáhla známá sběrnice PCI mnohem později. VME sběrnice se člení na : · sběrnici pro přenos dat (Data Transfer Bus - DTB) ·

sběrnici arbitráže přidělování DTB (DTB Arbitration Bus)

·

prioritní sběrnice přerušení (Priority Interrupt Bus)

·

sběrnice služeb (Utiliy Bus)

Strana34 3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Základní propustnost sběrnice VME je asi 40MB/s. Existuje však řada úprav, které propustnost zvyšují. Můžeme se dostat až k 400MB/s. Sběrnice VME je používána v množství rozdílných aplikací a prostředích od laboratoří, přes výrobní a průmyslové závody až po letectví a kosmonautiku. Sběrnice se hodí pro řídicí aplikace, kde je nutné dodržet časově kritické požadavky pro činnost, ochranu zařízení před zničením a často i bezpečnost lidských životů. Pro zaručení definované a rychlé odezvy jsou v těchto systémech většinou nasazovány systémy reálného času (RTOS). 3.5.4 VXI VXI je rozšířením sběrnice VME a byla definována v roce 1987. Jejím přínosem je řešení některých specifických potřeb měřící techniky. Mezi tyto potřeby patří např. rozvod přesného a stabilního referenčního kmitočtu, synchronizace, propojení analogových signálů mezi moduly a potlačení rušení mezi moduly (EMC). Může využívat spouštěcí signály s úrovní TTL a ECL. Zavedla další napájecí napětí (±24V, -2 a -5,2V). Nespornou výhodou je i možnost automatické konfigurace měřícího systému. Zásuvné modely jsou vkládány do speciální vany, která zajišťuje propojení, chlazení a napájení dle předepsaných standardů. Kvůli těmto požadavkům však klesl počet zásuvných modulů ve vaně z 21(VME) na 13. VXI využívá moduly tří velikosti označované písmeny A, B, C a ty mohou mít až 3 konektory s 96-ti póly označené P1-3. Tyto moduly nejsou schopny samostatně pracovat. Tento systém může být řízen vestavěnou jednotkou obsahující počítač (IBM/PC kompatibilní nebo jiný) nebo přes sběrnice RS232, GPIB či Ethernet. První možnost umožňuje plně využít všech vymožeností, které nám rozhraní VXI nabízí. U druhé varianty budeme o některé vlastnosti ochuzeny. V systému je zavedena hierarchická struktura, která určuje, kdo může s kým komunikovat. Jsou zde zavedeny pojmy Pán (Commander) a Sluha (Servant). Zařízení se schopnostmi Pána je schopno iniciovat komunikaci se zařízením označeným jako Sluha. Pán smí oslovit jen sluhu, který mu v hierarchii podléhá. Nejvyšším Pánem je Správce prostředků (Resource Manager). Ten také při startu systému tuto hierarchii vytváří. Hierarchie je vytvářena podle požadavků konkrétní aplikace. Sběrnice VXI nepatří mezi levné měřící systémy. Ceny komponentů se mohou pohybovat až v řádu desítek tisíc dolarů. Kvůli vysokým nákladům se sběrnice rozšířila převážně ve vojenském a leteckém průmyslu, kde se na nějaký ten peníz zas až tak moc nehledí. 3.5.5 PXI PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) je sběrnice založená na standardu z klasických PC pouze je upravena, aby vyhovovala požadavkům měřících a automatizačních systémů. PXI tedy tvoří sběrnice PCI rozšířená o specializované synchronizační linky. Vše je v modulárním Eurocard mechanickém provedení (Compact PCI). Spolu se softwarem vytváří vysoce výkonnou a přitom finančně nenáročnou platformu pro měření a regulaci v takových oblastech, jakými jsou testovací linky, vojenský a letecký průmysl, systémy monitorování, automobilový průmysl a průmyslové řízení a testování. Standard PXI byl vyvinut pro programovatelné automaty v roce 1997 a již o rok později jsme se s nim mohli setkat v reálných aplikacích. Tento standard zastřešuje aliance PXISA. PXI systémy se skládají ze tří základních částí: · · ·

šasi systémový kontrolér periferní moduly

Variabilní uspořádání různých zásuvných modulů umožňuje přizpůsobit měřící a řídící systém konkrétní aplikaci i podmínkám. Pokud se něco v dané soustavě změní, můžeme na

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Strana35 tuto změnu pružně zareagovat výměnou některého modulu v šasi. Vše ostatní se může ponechat. PXI může klidně nahradit skupinu přístrojů, jakými jsou osciloskop, multimetr, generátor, převodníky komunikačních rozhraní, záznamníky průběhů atd. Základ systému tvoří PXI/Compact PCI šasi, tedy rám o různé velikosti, do kterého se zasouvají jednotlivé moduly. Čím složitější systém tím je třeba více modulů a větší rám. Šasi zároveň zprostředkovává vzájemnou komunikaci mezi moduly a také jejich napájení. Moduly jsou v šasi zasouvány do slotů, které jsou propojeny sběrnicí PCI rozšířenou o kanály pro přesné časování a synchronizaci. U některých šasi se můžeme setkat se zabudovaným DC zdrojem pro standardní napěťové výstupy (+3.3V, +5.0V, +12V a -12V) a nuceným chlazením ventilátorem. Nejdůležitějším modulem v šasi bývá systémový kontrolér. Tento modul se často v rámu umisťuje nejvíce vlevo a zajišťuje řízení celého PXI systému. Řízení bývá prováděno dvěma způsoby: · častější způsob je vzdálené řízení systému, kdy je řízení prováděno pomocí připojeného PC, které je někde v blízkosti, nebo prostřednictvím PC připojeného k PXI přes Ethernet (toto spojení je realizováno speciálním PXI modulem) ·

druhý způsob řízení je realizován přímo vestavnými moduly PXI systému, které obvykle tvoří klasické části běžného PC jako třeba procesor, pevný disk, operační paměť.

Poslední ze tří základních částí jsou periferní moduly. Do této části se musí vejít moduly pro všechny dostupné komunikační standardy, rozhraní, vstupy a výstupy, diagnostiku atd. Periferní moduly lze rozdělit do těchto kategorií: · Analogové vstupy a výstupy ·

Generátory signálů

·

Rozhraní sběrnic

·

řízení motorů

·

Digitální vstupy a výstupy

·

Digitální zpracování signálů (DSP)

·

Funkční testy a diagnostika

·

Napájecí moduly

·

Moduly přepínačů

·

Moduly časování vstupů a výstupů

Např. v kategorii sběrnic lze komunikovat s PC a ostatními PLC pomocí Gigabit Ethernet, Ultra2 SCSI, GPIB, VXI a VME (MXI-2 a MXI-3), CardBus, PCMCIA, se senzory, snímači a další měřící technikou pomocí RS-232, RS-485/RS-422, CAN ,DeviceNet, FireWire (IEEE 1394). Systémy PXI se snaží v rámci úspor převzít z klasických PC co nejvíc. Platí to i o softwaru. Software je založený na operačním systému Windows od firmy Microsoft a pro vytváření programů lze využít jazyky, které tento systém podporuje (např. Visual Basic a Visual C/C++). Pokud potřebujete řešit nějaké časově kritické aplikace, měli byste použít nějaký real-time software, který je k OS Windows dražší alternativou. Největším výrobcem komponentů pro systémy PXI je firma National Instruments

Strana36 3.5.6 USB (Universal Serial Bus)

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření

USB je sériová sběrnice využívaná v osobních počítačích. Universálnost této sběrnice se dnes využívá i pro připojení měřicích systémů k PC. Zásluhu na vzniku této sběrnice má konsorcium významných firem Compaq, Hewlett-packard, Intel, Lunect, Microsoft, Nec, Philips. Sběrnice se začala využívat kolem roku 1995. Od svého vzniku prošla sběrnice změnami specifikace od verze 1.0 přes 1.1 až po dnešní podobu 2.0. Důvod pro vznik této sběrnice byla potřeba vytvořit jednotné prostředí pro připojení všech dostupných periferii k počítači. Jednotlivé verze se od sebe příliš neliší. Zařízení vyšších verzí jsou zpětně kompatibilní s verzemi nižšími a na propojení se používá totožný kobel. Rozdíly jsou pouze v přenosových rychlostech, jak je vidět v tabulce1. Tabulka 1 parametry USB Režim Rychlost Podporující verze

Aplikace

Low speed

1.5Mbps

1.x, 2.0

klávesnice, myši, herní zařízení,

Full speed

12Mbps

1.x, 2.0

mikrofony, reproduktory, komprim. video

High speed

480Mbps 2.0

hardisky, video, multimedia

Sběrnice podporuje připojování a odpojování zařízení za běhu systému, včetně zavedení příslušných ovladačů operačním systémem. Druh zařízení operační systém pozná podle dvou identifikátorů, které každé zařízení má VID (Vendor ID) a PID (Product ID). Topologie sběrnice je typu hvězda s jedním centrálním přípojným bodem tzv. hostitelem. Hostitel je ovládán kontrolérem, který je nejčastěji realizován na základní desce počítače. Hostitel nejdříve zajišťuje domluvu s připojovaným zařízením, posléze také i vlastní komunikaci. Na sběrnici může být jen jeden hostitel, ke kterému lze připojit koncová zařízení nebo huby. Huby jsou zařízení s jedním vstupem a mnoha výstupy, sloužící k rozdělování a opakování vstupních signálů. Huby také řídí spotřebu k nim připojených zařízení. Sběrnice může mít až pětiúrovňovou hierarchii, do které lze zapojit maximálně 127 zařízení. Propojovací kabel USB sběrnice se skládá ze čtyř vodičů. Dva jsou napájecí a dva jsou datové. V dnešní době jsou všechny propojky provedeny s datovými kabely kroucenými, což je podmínka pro přenosy v režimech High a Full speed. Kabely bývají zakončeny konektory dvojího typu · typ A – výstupy z hostitele a z hubů ·

typ B – vstupy do koncových zařízeních nebo vstupy do hubů

U specifikace 2.0 se ještě můžeme setkat s konektorem typu mini-B, který se využívá u zařízení, jejichž rozměry neumožňují použít standardní konektor. Kabely bývají nejčastěji osazeny konektory typu A-B, pouze pro propojení dvou počítačů mezi sebou se používá spojení typu A-A. Maximální délka kabelu nesmí přesáhnout 5m. USB zařízení mohou být napájena přímo ze sběrnice. Sběrnice distribuuje napájecí napětí 5V a podle odběru proudu lze zařízení rozdělit do tří kategorií: · low-power - proudový odběr max. 100 mA, ·

high-power - proudový odběr max. 500 mA, takovéto zařízení smí být na sběrnici jen jedno,

·

self-power - vlastní napájení ze sítě, USB toto napájení pouze řídí (zapínání, vypínání)

Na závěr bych chtěl shrnout, proč se sběrnice USB rychle prosadila na trhu. Je to především pro Autoidentifikaci periferií, automatické mapování funkcí a konfiguraci driveru. Sběrnice podporuje synchronní i asynchronní přenosy. Může využít funkce více zařízení

3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření Strana37 připojených ke sběrnici současně. Má jednoduchý protokol a malý overhead, což způsobuje vysokou efektivitu protokolu. Sběrnice může garantovat šířky pásma pro zařízení, které tuto funkci vyžadují (telefon, audio atd.). Má široký rozsah délky paketů, umožňující optimalizaci využití protokolu. V protokolu je zahrnuto zpracování chyb, které se při přenosu vyskytly. Sběrnice může automaticky indikovat připojení a odpojení periferie a podporuje architekturu Plug and Play. 3.5.7 Ethernet Ethernet je další technologií, kterou převzaly měřící systémy od osobních počítačů. Tato technologie slouží k propojení PC do lokálních počítačových sítí. Měřící systémy dnes tyto již vytvořené sítě využívají pro komunikaci měřících zařízení na větší vzdálenost. Historie Ethernetu sahá do roku 1972, kdy společnost Xerox navrhla síťovou technologii pro propojení počítačů Alto. Tehdy se ještě technologie jmenovala AltoAloha Network, ale již o rok později byla přejmenována na Ethernet. Přenosová rychlost sítě byla 2,94Mbit/s. V roce 1980 stoupla přenosová rychlost Ethernetu na 10Mbit/s. Technologie sítě se neustále vyvíjí. Poslední verze je desetigigabitový Ethernet, jehož definice pod označením IEEE 802.3ae byla přijata v roce 2003. Ethernet vysílá data do sítě v tzv. rámcích. Každý z těchto rámců obsahuje synchronizační pole, značku začátku rámce, cílovou adresu, zdrojovou adresu, délku dat nebo typ protokolu, pole s daty, kontrolní CRC kód, a rozšíření pro prodloužení krátkých rámců na minimální délku danou standardem(pro IEEE 802.3). Pro adresování Ethernet využívá 48 bitové číslo a adresy mohou byt individuální (pro konkrétní stanici) nebo skupinové (pro víc stanic najednou). Speciální skupinovou adresou je všesměrová adresa, jejíž všechny bity mají hodnotu 1. Pro přístup k mediu využívá Ethernet metodu CSMA/CD. Všechny stanice sdílejí jedno přenosové médium (MA) a poslouchají, probíhá-li přenos mezi jinými stanicemi (CS). Pokud začne vysílat více stanic najednou je detekována kolize (CD). Bity vysílané po fyzickém médiu jsou kódovány kódem Manchester II. V tomto kódu je doba pro vysílání jednoho bitu rozdělena na dvě poloviny. V první polovině se vysílá negovaná hodnota vysílaného bitu a v druhé polovině přímá hodnota. V každém přenášeném bitu se tedy vyskytuje hrana, podle které se můžou synchronizovat přijímací obvody přijímací stanice. Příklad binárního signálu zakódovaného do kódu Manchester II je na obr. 13

Obr.13 Ukázka kódu Manchester II

Ve své historii Ethernet nabyl mnoha změn a vylepšení. Zde jsou krátce popsány ty nejzajímavější: · 10Base-5 Původní Ethernet na koaxiálním kabelu s rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel má impedanci 50 Ω a tvoří sběrnici, ke které se připojují pomocí speciálních tranceiverů

Strana38 3 Hardwarové prostředky pro dálkové měření jednotlivé stanice. Maximální délka kabelu může být 500m. Kabely musí být na konci opatřeny zakončovacími rezistory o impedanci 50 Ω ·

10Base-2 Je shodný s předchozím, pouze vyžívá tenký koaxiální kabel.Maximální délka kabelu může být 185m.

·

10Base-T Jako přenosové médium používá kroucenou dvoulinku s rychlostí 10 Mbit/s. Využívá dva páry strukturované kabeláže ze čtyř. Maximální délka kabelu bez opakovače je 100m. Jako opakovače slouží huby a switche.

·

10Base-F Varianta s optickými vlákny o rychlosti 10 Mbit/s. Používá se pro spojení na větší vzdálenost, nebo spojení mezi objekty, kde nelze použít kroucenou dvoulinku. Tvořila obvykle tzv. páteřní síť, která propojuje jednotlivé menší celky sítě. Délka spojení může byt až 2 km.

·

100Base-TX Varianta s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s, které se říká Fast Ethernet, používá dva páry UTP nebo STP kabelu kategorie 5.

·

100Base-FX Fast Ethernet používající dvě optická vlákna.

·

1000Base-T Ethernet s rychlostí 1000 Mbit/s, nazývaný Gigabit Ethernet. Využívá 4 páry UTP kabeláže kategorie 5e, je definován do vzdálenosti 100 metrů.

·

10GBase-T Ethernet s rychlostí 10 Gbit/s, nazývaný Ten Gigabit Ethernet. Využívá 4 páry S/FTP (jednotlivé páry stíněné metalickou fólií + metalický oplet kolem všech párů dohromady) kabeláže kategorie 6A (Category 6 Augmented - šířka pásma 500 MHz), je definován do vzdálenosti 100 metrů.

V kapitole jsou použity zdroje [1], [2], [5], [10], [12], [13]

Strana39

4. Softwarové prostředky pro dálkové měření Minulá kapitola pojednávala o technickém vybavení měřicích systémů. Zapojení těchto přístrojů do řetězce je ale jen polovina úspěchu. Každý z lepších měřicích přístrojů či karet má v sobě nějaký firmware, ovladač nebo i software, pomocí kterého můžeme nastavovat nejrůznější parametry a funkce zařízení. V této kapitole se zaměříme na software, který se využívá v osobních počítačích pro podporu měření a řízení systémů. Softwaru pro měření je v dnešní době na trhu nepřeberné množství. V podstatě se ale dá rozdělit do dvou základních kategorií: · aplikace off-line, které se nepodílí přímo na měřeném procesu ·

aplikace on.line, které jsou přímo do procesu měření zapojeny.

Mezi aplikace off-line patří: systémy označované jako CAD, které slouží pro navrhování el. obvodů, vytváření desek plošných spojů, navrhování podoby mechanických součástí a jejich výkresová dokumentace(AUTOCAD). výpočtové prostředky pro zpracování naměřených dat. Do této kategorie patří programy jako MatCAD, MATLAB, HiQ atd. Můžeme sem počítat i tabulkové procesory typu EXCEL. Tyto programy načtou naměřené hodnoty S těmito daty provedou požadované výpočty a výsledky prezentují v nějaké přehledné formě například v podobě grafu. U těchto programů bývá většinou i možnost exportu do nějakého textového editoru pro vytvoření dokumentace k měření. textové editory typu WORD, případně složitější programy pro předtiskovou přípravu DTP (AmiPro, VENTURA...) databázové systémy sloužící k uchování dat z měřeného procesu pro pozdější použití. Aplikace On-line bývají speciální programové systémy, které řeší sběr dat, jejich zpracování a prezentaci výsledků. Sběr dat - zajišťují prostředky pro komunikaci s reálným okolím. Ty byly popisovány v minulé kapitole. Jde o karty připojené k vnitřní sběrnici počítače (A/D převodníky) nebo přístroje komunikující s počítačem přes nějaké standardní rozhraní(GPIB, USB). Aplikace bývají většinou schopny provádět současně sběr dat i jejich zpracování. O množství dat, které je schopen program zpracovávat, rozhoduje výkon počítače. Zpracování – sem patří operace se získanými daty jako jejich filtrace, transformace, použití statistických metod atd. Prezentace – sem patří komunikace mezi aplikací a uživatelem prostřednictvím periferií vstupních (klávesnice, myš) a výstupních (monitor, tiskárna). Prezentace rozhoduje o uživatelské přístupnosti systému. U programově ovládaných systémů pak o tom, jak se programátor bude moci přiblížit ke splnění požadavků zadavatelů. Prezentace může být řešena i na větší vzdálenosti prostřednictvím internetu. 4.1 Software pro online aplikace V současné době lze na našem trhu nalézt velké množství programů, které řeší problémy spojené s měřením a zpracováním dat. Firmy zaměřené na vývoj programů pro tento segment trhu se navzájem předhání, čí produkt bude univerzálnější, bude mít uživatelsky příjemnější ovládání, nebo bude rychleji zpracovávat získaná data. Právě takovéto věci mohou jejich výrobek pro zákazníka zviditelnit před podobným od jiné firmy. Z tohoto souboje samozřejmě profituje kupující, který má tím pádem z čeho vybírat. Nevýhodou tohoto konkurenčního boje může být pro zákazníka to, že při svém výběru musí zohlednit větší množství kriterii z nichž musí zvolit pro něj důležitá. To může být pro laika problém.

Strana40 4 Softwarové prostředky pro dálkové měření V přehledu se zaměříme na programy určené pro počítače IBM-PC kompatibilní, které jsou u nás nejrozšířenější. Je třeba se zmínit, že kromě programů pro počítače IBM-PC existují ještě programy pro jiné platformy. První programy, které byly vytvořeny, se psaly pro počítače MACINTOSH od firmy Apple. Hlavní důvod proč tomu tak bylo je ten, že tyto počítače mnohem dříve využívaly grafické prostředí než klasická PC. Grafické prostředí přispívalo k názorné prezentaci výsledků měření. Další, kdo předběhl osobní počítače byly pracovní stanice (IPC). Software pro tyto stanice vyvíjela především firma Hewlett-Packard kvůli tomu, že starší osobní počítače neměly dostatečný početní výkon, aby operace s daty zvládaly v rozumném čase. První software pro počítače IBM-PC kompatibilní pracoval na úrovni operačního systému MS-DOS. Výhoda tohoto řešení spočívala v možnosti měřícího softwaru plně kontrolovat počítač. Dalšími výhodami jsou malá režie a poměrně snadná realizace. Příchod operačního systému MS WINDOWS nebyl zezačátku pro software určený k měření žádným přínosem. Spíše naopak. Měl hodně dlouhou reakci na přerušení, nedostatečně vyřešené sdílení a tím pádem nemohl být použit pro aplikace pracující v reálném čase. První software tyto nedostatky řešil tak, že veškeré operace probíhaly na zvláštním procesoru zásuvné karty. PC bylo použito pouze pro komunikaci a prezentaci výsledků. Z těchto důvodů řada řešení zůstala na úrovni systému DOS. U novějších verzí WINDOWS byly nalezeny způsoby, jak tyto neduhy odstranit. A tento operační systém se jíž dá pro aplikace pracující v reálném čase využít. 4.2 Kriteria pro volbu softwaru ·

Při rozhodování o volbě softwaru je třeba uvážit následující kritéria: rychlost sběru dat

·

možnosti zpracování

·

rozhraní sběru dat

·

úroveň prezentace

·

způsob ovládání

·

nároky na OS, HW počítače

·

cena

·

rychlost vývoje

·

podpora výrobce

·

servisní zázemí

Hodně důležité kritérium je tzv. otevřenost systému. Tedy to, jaké má uživatel možnosti přizpůsobit systém svým požadavkům. Na jedné straně je software zcela vytvořený uživatelem, kdy obdržíte měřící kartu s technickým popisem. O vše ostatní se musíte postarat sami. Zvolit si programovací jazyk i vývojové prostřední. Na druhé straně jsou systémy dodávané firmou již hotové, které stačí pouze nainstalovat a můžete s nimi pracovat. Nevýhodou první kategorie produktů jsou velké znalostní nároky pro vytvoření programu. Firma musí zaměstnávat specialistu, který bude mít vývoj na starost. Vývoj se může prodražit a bývá často velmi zdlouhavý. Druhé řešení má nevýhodu v možnosti použití jen v konkrétním případě, pro který bylo vytvořeno. Někdy mají tato řešení možnost konfigurace pomocí různých předvoleb a nabídek. Tyto volby však často nejsou dosti přehledné a obsluhu můžou mást. Ostatní programy se pohybují někde mezi těmito dvěma extrémními póly. Vytvářejí jakési mezistupně polootevřených či polouzavřených programů. Takovým systémem může

4 Softwarové prostředky pro dálkové měření Strana41 být měřící karta dodaná od výrobce spolu s ovladačem. Uživatel pak nepotřebuje znát hardwarové řešeni karty, komunikuje s ní přes ovladač. Zvláštní skupinu tvoří vývojové systémy. Jde o speciální programovací jazyky a prostředí, ve kterém jsou předpřipraveny často používané operace a nástroje (pro zpracování signálu, přístup na datovou sběrnici, zobrazení přijatých hodnot, zpracování výsledků v grafech, prostředky pro uživatelská rozhraní) a nástroje pro automatizaci programování měřících aplikací. Tyto systémy dovolují rychlý vývoj programů i odborníkům přes měření, kteří nemusí být až tak zběhlí v programování. Nevýhodou těchto systémů je vyšší cena a vazba na firmu která systém dodává (licence, technická podpora...). 4.3 Přehled softwaru 4.3.1 Software firmy ADVANTECH Tato firma je dlouholetým výrobcem produktů měřící a automatizační techniky. Z její dílny pocházejí například tyto programy: PC-LabDAS PCLS 701 (výrobek firmy ADVANTECH) - je určen jako programová podpora karet PC-LabCards. Má široké uplatnění jak v laboratořích, tak ve výrobě při testování či monitorování výrobků. Ovládání je řešeno pomocí menu a data lze ukládat během jejich získávání. Výstupem může být tabulka, graf závislosti kanálu na čase nebo dvou kanálů navzájem. Data se dají statisticky zpracovávat. Může mít až 32 analogových vstupů a 4 analogové výstupy, 4x16 číslicových v/v, a 3 čítače. Rychlost sběru dat je závislá na použité měřící kartě. Požadavky na počítač jsou minimální. LABTECH NOTEBOOK PCLS 701 (Laboratory Technologies Corp.) – je to integrovaný systém pro sběr dat, monitorování a řízení v reálném čase. Je určen pro karty PCLabCards. Má prostředky pro linearizaci napětí z termočlánku. Umožňuje analýzu dat při jejich získávání (+,-,*, porovnání, FFT, průměry) ale i post-run data analysis (hledání závislostí, analýza pomocí externího tabulkového procesoru). Má minimální nároky na hardware. LABTECH CONTROL PCLS 707 (Laboratory Technologies Corp.) – tento program je kompatibilní s předchozím. Je určen pro řídící systémy a k monitorování průmyslových procesů. U těchto procesů umožňuje vytvářet animované grafy. Disponuje prostředky pro řízení (PID regulátory, distribuované řízeni). Podporuje počítačové sítě jak typu peer-to-peer tak file-server (Novell, 3Com) EASYEST CONTROL PCLS 804 (ASYST Software Technologies) – je integrovaný soubor s nástroji pro A/D převod, analýzu a grafické zobrazení dat. Výrobce udává tyto rychlosti sběru dat: A/D do souboru 45-65 KHz na jeden kanál, zobrazení „čárový zapisovač“ 100 Hz na kanál, regulátor PID 5 Hz. V rámci analýzy dovoluje polynomickou transformaci (do 5. řádu), filtry, FFT včetně okének, integrace, derivace, základní matematické funkce. Grafika je typu „zapisovač“, tabulka. Program má možnost výstupu jak v ASCII, tak v PCX i HPGL pro podporu programů s rodiny ASYST. Nároky na hardware jsou minimální. GeniDAQ (PCLS-GNI-W32) – je to grafický modulární systém určený pro tvorbu HMI aplikací. Plně podporuje platformu WINDOWS, multitasking a komunikaci přes TPC/IP. V současné době je nejpoužívanějším softwarem od firmy ADVANTECH. Ostatní produkty plně nahradil.

Strana42 4.3.2 Software firmy Keithley MetraByte

4 Softwarové prostředky pro dálkové měření

Tato firma převážně vyrábí a prodává měřící přístroje. VIEWDAC – je vývojový prostředek pro sběr dat, jejich analýzu a grafické zobrazení. Lze jej použít i pro řízení. Program pracující pod WINDOWS podporuje jak měřící karty, tak přístroje GPIB a RS-232. TestPoint – je prostředí pro tvorbu aplikací se sběrem dat a jejich zpracováním. Prostředí je řízeno událostmi, tedy změnami stavů sledovaných hodnot. Pro měření se dají využít jak zásuvné karty, tak zařízení připojená přes standardní rozhraní. K prostředí existuje řada rozšíření například pro přenos dat do databází, přístup k zařízení přes internet aj. U nás je docela rozšířené, používá ho například ČMI. Programování vypadá tak, že se vytvoří tzv. Action List, což je seznam akcí, které se mají vykonat na základě události generované výkonným objektem. Událostí může být např. stisknutí tlačítka, změření hodnoty, ukončení výpočtu čí příjem znaku. Výkonné objekty jsou prezentovány jako grafické ikony, které vybíráme ze speciálního okna s názvem Stock. Uživatelské prostředí se pak vytváří ve zvláštním okně přetahováním objektů a vyplňováním tabulek. Vytvořenou aplikaci lze převést do spustitelného tvaru bohužel bez možností úprav. Součástí prostředí je i generátor instalace. Produkt je chráněn proti zneužití pomocí hardwarového klíče. 4.3.3 Software firmy HEWLETT-PACKARD (Agilent Technologie) Tato známá firma byla u zrodu mnoha objevů jak v oblasti osobních počítačů, tak v příslušenství k nim. Zapojila se i do oblasti využití počítačů pro měření. Dnes je z její divize zaměřené na tento obor samostatná firma Agilent Technologies. ITG II Interactive Test Generator (HP E2020B) – je grafické prostředí umožňující tvorbu programů pomocí grafických nástrojů. Podporuje tvorbu grafů, vkládání matematických funkcí a lze k němu připojit přes sběrnici GPIB asi 220 přístrojů od HP. Program se vytváří tak, že požadované operace provedeme jedenkrát ručně (pomocí ikon a tahů myši). Tímto způsobem získáme nejenom výsledky měření, ale i vlastní program v textové podobě. Program je třeba doplnit o cykly, větvení atd. Poté ho můžeme přeložit v běžném překladači pro vytvoření výsledné aplikace. Software je schopný vytvářet aplikace i pro sběrnice VXI. Program má samostatný nástroj pro tvorbu kartových ovladačů. Je pojmenovaný DWT a za pomoci průvodce umožňuje vygenerovat ovladač pro jednoduché přístroje dodávající data (generátor, RLC měřič, zdroj, multimetr) Podmínkou pro správnou funkčnost jsou dostatečné vědomosti obsluhy o vlastním přístroji a komunikačním rozhraní (norma IEEE 488.2). Bench Link (34850A) – je sestava tří komponentů: Scope (54500/600), Arb (33120A) a Meter(34401, 53100). Tento balíček je jíž hotovy software pro sběr dat se snadným ovládáním přístrojů. Pracuje pod WINDOWS a není nutné ho již programovat (Ready to Ran). Data lze získat např. z osciloskopu buď pomocí hodnot vzorků nebo jako rastrový obrázek. S přístroji tento software komunikuje prostřednictvím sběrnic RS-232 nebo GPIB. Pokud je přístroj k aplikaci připojen přes rozhraní GPIB, je software schopný navázat komunikaci s tímto zařízením automaticky, což usnadňuje ovládání. Zajímavostí je, že tento program dobře spolupracuje nejen s kartami Agilent, ale i s National Instruments. VEE E2123A/E2120A (Visual Engineer Environment) – je grafický jazyk pro ovládání přístrojů a měřících karet přes GPIB či RS-232. Do verze 4 byl software pomalý, od této

4 Softwarové prostředky pro dálkové měření Strana43 verze už je rychlost vyhovující. Na to jak je program výkonný, má dostatečně jednoduché intuitivní ovládání a naučit se s ním pracovat, není žádný problém. Programování probíhá vytvářením vazeb mezi jednotlivými objekty systému. Objekty mají tvar obdélníku s přípojnými body po obvodu. Horizontálně orientované přípojné body slouží k přenosu dat. Vstupy jsou na levé straně, výstupy na pravé. Vertikálně orientované přípojné body slouží pro řízení. Vstupy bývají nahoře, výstupy dole. Řídící signál lze získat buď z jiného bloku nebo lze využít snímaná data. Některé objekty mohou vytvářet pouze signál řídící. Takovým objektem je třeba tlačítko. Výkonné objekty mohou být v minimalizovaném tvaru (znázorněny popiskou či ikonou) nebo v maximalizovaném (kompletním), kdy lze objekt editovat, sledovat jeho změny. Např. výstupní objekt typu graf v maximalizovaném tvaru přímo zobrazuje zkoumané hodnoty. Pomocí minimalizovaných tvarů lze vytvořit diagram algoritmu bez uživatelského rozhraní. Pokud je ale potřeba, můžeme si potřebné rozhraní rozvinout. Vytvořenou aplikaci lze uzamknout a spustit pomocí Run-Time systému dodávaného výrobcem. Při zadávání matematických operací lze využít průvodce známého z EXCELU. Pro zrychlení práce systém obsahuje program HPDWT umožňující automatické vyhledání aktivních přístrojů připojených k počítači. Systém podporuje vytváření modulárních programů ve více vrstvách. Obsahuje WWW server, pro zpřístupnění běžících aplikací přes internet, vzdálený přístup k měřícím přístrojům a dovoluje využívat externí moduly (knihovny DLL - Dynamically Linked Library). Má propracovaný sytém nápovědy. Propojovací cesty zastupují proměnné, jejich barva charakterizuje použitý datový typ (integer, float, character ...). Vlastní algoritmus je ukládán do textového souboru v dosti srozumitelné podobě. První verze programu se objevily kolem roku 1992. V ČR je poměrně hodně známý a rozšířený. Má dobré cenové relace a licenční podmínky. Zcela funkční verzi Evaluation lze získat na dva měsíce zdarma. 4.3.4 Software firmy National Instruments National Instruments Corporation (Austin TX, USA) se dá považovat za průkopnickou firmu v oblasti softwaru určeného pro měření. Původně byla zaměřená na výrobu karet pro rozhraní GPIB, později začala vyrábět i software pro tato zařízení. Její produkty se staly v této oblasti celosvětově uznávaným standardem. Lab WINDOWS/CVI – je nástupcem verze Lab WINDOWS for DOS. Jedná se o 32bitový systém, který je možný provozovat na platformě MS WINDOWS. Jde o textový jazyk (C) pro tvorbu automatických měřících systémů CVI (C for Virtual Instrumentation). Usnadňuje vývoj těchto produktů. Ty pak jsou schopni vytvářet i neprogramátoři. Umožňuje řízení měřících přístrojů po sběrnici GPIB, sériovým rozhraním RS-232, systému VXI i měřících karet připojených přímo ke sběrnici počítače. Největší předností je velké množství knihoven, které dovolí jednoduše ovládat příslušnou měřící periférii, provést analýzu signálu, zrealizovat zobrazení veličin i požadované řízení měřícího systému. Software obsahuje plný kompilátor jazyka C dle ANSI umožňující vytvářet spustitelné programy pro práci mimo vývojové prostředí. Je automatizováno generování instalace vytvářeného programu. Výsledek lze uložit na diskety nebo CD. Systém je plně kompatibilní se staršími DOS verzemi a programy vytvořené ve starších verzích se dají bezproblémově převést do verze novější. Čím je verze novější, tím má více knihoven funkcí, ladících možností a zlepšuje se i uživatelské rozhraní. Přehled základních knihoven programu LabWINDOWS/CVI: · User Interface Library – knihovna uživatelského rozhraní ·

Analisys Lybrary – knihovna pro práci s daty, operace s maticemi statistiku, transformace

Strana44 4 Softwarové prostředky pro dálkové měření · Easy I/O for DAQ Library – pro realizaci základních přístrojů jako je multimetr ·

GPIB-488/488.2 Library – pro přístup k přístrojům přes GPIB

·

VISA Library – pro tvorbu ovladačů

·

TCP Library – pro předávání dat po sítích protokolem TCP/IP

·

ActiveX Automation Library – pro využívání externích aplikacích podporujících technologii MS Active X

·

Utility Library – pro pomocné funkce jako jsou datum, práce se soubory na disku

·

ANSI C Library – pro podporu jazyka C

LabVIEW – je grafický programovací jazyk vyvinutý firmou National Instruments v roce 1985 pro počítače MAC. Od roku 1992 existuje verze pro platformu MS-WINDOWS. Dnes se můžeme potkat i s verzemi pro Linux. Název je zkratka pro Laboratory Virtual Instrument Engineeering Workbench. Produkt je založen na myšlence programově realizovat virtuální přístroje (VI). Program využívá zjednodušený pohled na měřící přístroj, který se dá rozdělit do tří částí: · ovládací panel ·

stykovou jednotku pro komunikaci s okolím

·

vlastní měřící část provádějící měření a zpracování výsledků

Virtuální přístroj je pak právě realizací tohoto zjednodušení. Ovládací panel je zobrazen na monitoru počítače a obsluha pomocí něj řídí měřený proces i z něj získává změřené hodnoty. Musí obsahovat program provádějící vlastní měření a zpracování dat a musí být nějakým způsobem ve spojení s ostatními virtuálními i reálnými přístroji. Za svou více jak dvacetiletou historii prošlo LabVIEW značným vývojem. První varianta pro počítače IBM-PC měla označení 2.5.2 a fungovala pod operačním systémem Win 3.1. LabVIEW 3.1 zahrnovalo použití tzv. atributů grafických objektů. Verze 4 fungovala s WINDOWS 95. Verze 6.0 bývá označována jako internetová. Do verze 7.0 vydané v roce 2003 byla integrována technologie Express, která zjednodušila grafické programování LabVIEW tím, že seskupila často používané do vyšší úrovně virtuálních přístrojů a nabídla interaktivní asistenty společně propojené v jednom programu. V současné době máme verzi 8.20, ve které tato technologie pod názvem SignalExpress udělala ve zjednodušování další krok kupředu. Úplně byly odstraněny propojovací drátky, čímž se ještě více usnadnily úlohy s častým sběrem dat a ovládáním přístrojů. Tato technologie umožňuje měřit, analyzovat a prezentovat data i těm uživatelům, kteří se chtějí zcela vyhnout programování. LabVIEW má možnost integrace .NET webových služeb (.NET – nástroj rozšiřující možnosti produktu Matlab Compiler o automatické generování aplikací .NET) a objektů COM – Component Object Model z algoritmů prostředí Matlab a možnost automatického vytvoření funkcí pro volání knihoven DLL. Dále nabízí tvorbu vizualizace 3D a prostorových modelů založených na OpenGL a umožňuje kompatibilní textový zápis matematických algoritmů s programem Matlab firmy The MathWorks, Inc. Jak je vidět upgrady často poskytují zásadní změny a vylepšení. Kompatibilita je zajištěna směrem vzhůru o jednu verzi, směrem dolů bohužel zajištěna není. Dokumentace k produktu byla původně jen v papírové podobě. Nyní se stále více uplatňuje podoba elektronická. Daleko lépe reaguje na překotný vývoj programu a nestojí tolik peněz. Dokumentace je součástí dodávky, nebo ji lze získat na serveru firmy National Instruments. K programu LabVIEW existuje i velké množství knižních publikací od autorů třetích stran. Nejaktuálnější informace lze získat přes internet na různých diskusních fórech (news) zabývajících se programem LabVIEW.

4 Softwarové prostředky pro dálkové měření 4.4 Software vyvíjený v ČR

Strana45

Po Sametové revoluci se u nás objevila celá řada programů určených pro měření. Šlo především o velké i malé firmy, které se snažily uchytit na trhu, jenž ještě nebyl nasycen konkurencí ze zahraničí. Tyto firmy prodávaly tzv. měřící karty a k nim vytvářely příslušný software. Kvalita jejich výrobků byla velmi rozdílná. Firmy doplácely na malé zkušenosti v tomto odvětví. Do dnešní doby přežily jen ty firmy, jejichž produkty byly dostatečně kvalitní a byly schopné přežít v tvrdém konkurenčním boji. 4.4.1 Software firmy Microsys s.r.o (Ostrava) Firma byla založena v roce 1991 skupinou pracovníků s dlouholetou praxí v oblastech vývoje a nasazování softwarových systémů určených pro monitorování a řízení technologických procesů. V současnosti má 15 zaměstnanců rozdělených do dvou skupin. Skupina Software je zaměřena na výzkum a vývoj vizualizačního a řídicího software PROMOTIC určeného pro průmyslovou automatizaci. Skupina Aplikace je zaměřena na komplexní dodávky v oblasti průmyslové automatizace (měření a regulace, vizualizace a ovládání, dálkový přenos, ...). PROMOTIC - je komplexní objektový softwarový nástroj pro tvorbu aplikací, které monitorují, řídí a zobrazují technologické procesy v nejrůznějších oblastech průmyslu. V současnosti je na trhu verze s označením sedm. Běží pod operačním systémem WINDOWS 98 a novějším. Je určen vývojovým pracovníkům a projektantům, kterým umožňuje efektivně vytvářet distribuované a otevřené aplikace v nejrůznějších odvětvích průmyslu. Má bohatou paletu technologických obrázků vytvořených ve vektorové SVG grafice. Aplikace se vytvářejí v editoru, který slouží k vytvoření stromové struktury PROMOTIC objektů. Pro zápis algoritmů se používá VBScript se syntaxi Visual Basic. K odladění aplikace je k dispozici informační a diagnostický INFO systém. Ten umožňuje prohlížení všech důležitých informací za běhu aplikace. Je zde i možnost vzdáleného ladění běžících aplikací - v sítích Internet a Intranet přes PROMOTIC Web. Přes internet se také vzdálené aplikace dají prohlížet a řídit. Program dokáže automaticky vygenerovat dynamické HTML stránky. Vyznačuje se otevřenou architekturou systému podporující standardní softwarová rozhraní: XML, ActiveX, ODBC, DAO, OLE, OPC, DDE, TCP/IP, WEB. Díky této koncepci má program bezproblémovou integraci s ostatními softwarovými produkty.

4.4.2 Software firmy Moravské přístroje a.s. Akciová společnost se od svého založení v roce 1991 soustředí na vývoj a podporu hitech produktů v oblasti elektroniky a programového vybavení. Její produkty jsou zaměřeny na rychlý vývoj aplikací pro průmysl, laboratoře a školy. Jsou vyvíjeny již více jak 15 let a u nás paří mezi jedny z nejpoužívanějších nástrojů v tomto oboru. Control Web - je komponentový objektově orientovaný systém, který slouží k vývoji a provozování vizualizačních, měřicích, řídicích, regulačních, komunikačních programů a programů pro sběr, archivaci a zpracování dat. Původní MS-DOS verze se jmenovala Control Panel. Poté se název změnil na Control Web 2000, další verze je Control Web 5 a v současnosti již je na trhu Control Web 6. Program podporuje všechny Win32 platformy od dožívajících WINDOWS 95 až po ty nejnovější. Software je důsledně navrhován tak, aby byl nezávislý na hardwaru. Pokud bude mít příslušný ovladač, dokáže komunikovat s jakýmkoliv průmyslovým zařízením od PLC přes I/O moduly až po měřící karty. Podporuje otevřené protokoly a standardy (ASCII, OPC Data Access, DDE / NetDDE, FastDDE, HTTP, Modicon

Strana46 4 Softwarové prostředky pro dálkové měření Modbus, Modbus/TCP, ODBC/SQL,COM / ActiveX, DDE, NetDDE). Kromě prohlížení a řízení aplikací přes internet podporuje také technologie GSM a GPRS, takže lze vše sledovat na displeji vašeho mobilního telefonu. Software přináší možnost vizuálního programování aplikací technologií objektového modelování s možností kdykoliv během vývoje přecházet mezi grafickou a textovou podobou aplikace. Vše lze vytvářet pomocí přetahování myši a vyplňování tabulek Program nemá žádná vnitřní omezení týkající se počtu komunikujících kanálů, počtu panelů, přístrojů v panelech, připojených PLC atd. Hranice jsou prakticky dány pouze velkostí paměti, rychlostí procesorů, propustností komunikačních linek u počítače, na kterém systém běží. Pomocí tohoto programu lze vytvářet aplikace snadno a rychle, což způsobí, že vývoj aplikace ani není nijak drahý. Tyto vlastnosti vždy zákazník ocení. Jak se vytvářejí aplikace v tomto programu blíže popíši v kapitole Návrh a realizace dálkového modelu měření, protože právě program Control Web 5 jsem si pro realizaci zvolil.

V kapitole jsou použity zdroje [2], [14]

Strana47

5. Návrh a realizace modelu dálkového měření Hlavním cílem pří navrhování modelu dálkového měření bylo vymyslet jednoduchou úlohu, na které by studenti poznali výhody a nevýhody měření na větší vzdálenosti. Nejpřijatelnější se jevila možnost měření teploty jakožto nejčastěji zjišťované veličiny v průmyslové praxi. Nejdříve bylo zapotřebí vymyslet a vytvořit model soustavy s proměnou teplotou. Nejednoduší způsob jak tento úkol lze provést, je ohřívání vzduchu v komoře pomocí žárovky. Tento způsob ohřevu a opětného chladnutí vzduchu bývá příliš zdlouhavý, proto je do modelu přidán ještě ventilátor pro rychlejší změny teploty v komoře. Žárovka spolu s ventilátorem také umožňují provádět jednoduchou dvoustavovou regulaci teploty v komoře. Pro takto připravený model bylo ještě třeba vymyslet způsob ovládání, rozmístění a zapojení snímačů teploty. Také bylo zapotřebí vyvést výstupy od snímačů k měřícímu členu. Pro měření byla použita jednotka DataLab IO, která zprostředkovává styk programu Control Web 5 s okolím. V tomto programu pak bylo realizováno řízení a zpracování dat. Celé měření se dá rozdělit na dvě pracoviště. První je měřící laboratoř s počítačem, na kterém běží serverová verze programu. K tomuto počítači je připojen přes DataLab model soustavy. Druhé pracoviště je odlehlé, vybavené počítačem s klientskou verzí programu. Podmínkou toho, aby si oba počítače mohly mezi sebou posílat data, je jejich připojení k Internetu. Na tomto modelu si mohou studenti vyzkoušet jednoduché ovládání a měření na větší vzdálenosti. Komora může představovat model místnosti v domácnosti, ve které je snímána teplota. Vy se na základě přijatých hodnot (třeba na vašem pracovišti ve firmě) můžete rozhodnout, zda spustíte kotel pro vytápění (v našem modelu žárovku) nebo klimatizaci (ventilátor). Po příchodu domů, utaháni prací, můžete relaxovat v pro vás optimální teplotě. V komoře jsou umístěny teploměry dva. Jeden nad žárovkou a druhý na okraji kde vystupuje vyfouknutý vzduch do venkovního prostředí. Lze zjišťovat rozdíly těchto teplot či časový posun změny teploty při zapnutí ventilátoru. 5.1 Použitý software a hardware Software: · Operační systém WINDOWS XP firmy Microsoft ·

Eagle 4.16r2 – freeware verze programu na výrobu desek plošných spojů omezená velikostí vytvořené desky.

·

Control Web 5 – licenci pro plnou verzi poskytla firmy Moravské přístroje a.s.

·

Excel, Access – programy kancelářského balíku MS Office XP od firmy Microsoft.

Hardware: · Měřený model ·

DataLab IO/USB firmy Moravské přístroje a.s.

·

Zdroj AT TSZ 75

·

PC – AMD Athlon 650 MHz, 384 MB RAM vývoj a realizace server/klient, zajišťuje v laboratoři funkci serveru

·

PC – Intel Celeron 500 MHz, 192 MB RAM zajišťuje v laboratoři funkci klienta

·

PC – Intel Pentium 4 2,40 GHz, 256 MB RAM zajišťuje funkci klienta na odlehlém pracovišti.

Strana48 5.2 Realizace měřeného modelu

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření

Seznam použitých součástek a materiálu: · 1x plechový obal starého regulátoru ·

1x halogenová žárovka Neolux 12V, 20W

·

1x objímka na žárovku určená do kuchyňských linek

·

1x ventilátor CBE DC 12V, 0,12A

·

2x kuprexitová deska na plošné spoje

·

1x svorkovnice

·

2x relé RAS 0515 5V 15A 1xp

·

3x teplotní čidlo LM 335 Z

·

1x fotoodpor WK 650 75-0,6-3,6K

·

3x odpor 10 kΩ

·

1x odpor 6,8 kΩ

·

hliníková deska, distanční sloupky, šroubky, matičky, nožky, propojovací vodiče

Na komoru modelu je použit kryt starého nefunkčního regulátoru. Tento kryt představuje v podstatě tunel tvaru kvádru bez přední a zadní stěny. Je kovový, takže nehrozí jeho destrukce vlivem teploty žárovky. Teplota sklíčka objímky nad 40W žárovkou může dosahovat více jak 100°C. Tuto teplotu by plastový kryt nemusel vydržet a mohl by způsobit požár. Ventilátor je připevněn přes hliníkovou vložku šroubky k zadní straně komory. Žárovka je přes podobnou vložku spojena šrouby přes distanční sloupky s nožkami na spodku komory. Pomocí šroubků, matiček a distančních sloupků jsou ke krytu připevněny i obě kuprexitové desky se součástkami. Jedna je zvenku zboku, druhá uvnitř u stropu komory. Na vnitřní desce jsou umístěny pouze dvě čidla teploty a fotoodpor. Jedno čidlo a fotoodpor jsou nad žárovkou, druhé čidlo je u přední otevřené stěny komory. Všechny ostatní součástky jsou na venkovní desce proto, aby teplota v komoře nemohla ovlivňovat jejich činnost. Obě desky jsou mezi sebou propojeny vodiči. V návrhu schématu zapojení jsou pro měření teploty použita teplotní čidla LM335. Tato volba byla provedena kvůli malým rozměrům, slušné citlivost, velké odolnosti a přijatelné ceně součástky. Tato čidla jsou konstruována jako integrované obvody zalité v plastovém pouzdru. Chovají se jako Zennerova dioda zapojená v závěrném směru. Průrazné napětí je úměrné teplotě pouzdra a tato závislost je v rozsahu pracovní teploty lineární. Rozsah pracovní teploty je od -40 °C do 100 °C. V tomto rozsahu nepřekračuje chyba měření 1 °C. Parametry a doporučená zapojení teplotního čidla a je na obr. 14.

Obr. 14 Parametry a doporučené zapojeni LM335

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření Strana49 Obvod měří správně pokud, přes čidlo protéká proud it = 1 mA. Tato hodnota se nastavuje pomocí vstupního napětí u+ a odporu Rt. Z tohoto důvodu je v návrhu počítáno se vstupním napětím 10 V a odpory u čidel o hodnotě 10 kΩ. Výstupní napětí ut se spočítá u t = 10 × T [mV , K ] (5.1) Teplotu ve °C z výstupního napětí teplotního čidla pak je J = 100 × u t - 273,15 [°C, V] (5.2) U zapojení fotoodporu je použit jednoduchý obvod, kdy fotoodpor je v sérii s klasickým odporem a výstupní napětí se odebírá mezi těmito dvěma prvky. Ovládání žárovky a ventilátoru je prováděno pomocí relé RAS 0515. Toto řešení je z čistě bezpečnostních důvodů. Modul reléových výstupů DataLabu by byl schopný ovládat žárovku i ventilátor sám. Pokud by se ale nějakým nedopatřením objevil v obvodu zkrat, mohlo by dojít k zničení modulu a tím pádem k větší finanční ztrátě. Díky relé na plošném spoji je na kontaktech modulu napětí pouze 5 V a po sepnutí prochází přes kontakty bezpečný proud. Toto napětí postačuje k sepnutí vzdáleného relé, přes jehož sekundární kontakt protéká proud potřebný k rozžhavení žárovky (kolem 1 A). Relé je schopné spínat proudy až 15 A, což je pro naše potřeby víc než dostačující. Jaké jsou parametry relé a schéma zapojení, je vidět na následujícím obrázku

Obr.15 Parametry a schéma zapojení relé RAS 0515

Vlastní návrh zapojení obvodu je proveden v programu Eagle 4.16r2. Tento software je určen k vytváření návrhů elektronických obvodů. Elektronická schémata se zde vytváří tak, že si součástky vytahujete s široké databáze na plochu a vzájemně je propojujete vodiči. Z hotového schématu je program schopný vytvořit návrh desky plošných spojů. Elektronické schéma zapojení součástek i návrh obou desek plošných spojů je v příloze. Vytvořený návrh je třeba přenést na kuprexitovou destičku buď překreslením lihovým popisovačem, nebo fotocestou. Destička se poté musí nechat vyleptat a odvrtat. Na závěr je osazena součástkami, které je nutné připájet k vodivým cestám. Takto připravená destička je připevněna k modulu. Jak vypadá měřený model ve vší své kráse je vidět na obr.16

Strana50

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření

Obr.16 Měřený model

Po té co byl model vyzkoušen při měření, byly provedeny malé úpravy v schématu i na plošných spojích venkovní desky. Tyto změny byli způsobeny velkým proudovým odběrem žárovky. Původní návrh počítal se společným napájecím napětím pro měřící obvod i žárovku. Odběr žárovky ale ovlivňoval měření, proto byly vytvořeny obvody dva. Jeden pro měření napájený napětím 10 V a druhý pro žárovku a ventilátor napájený napětím 12 V. Dvanáctivoltové napájení umožňuje žárovce také vydávat větší tepelný výkon a více ohřívat komoru. Tato úprava byla provedena pomocí drátové propojky a přerušení cesty plošného spoje. Tím se ušetřil čas i finance, které by musely být vynaloženy na vytvoření nové desky. Popis svorkovnice venkovní desky: · P1 - napájení +5 V pro relé · P2 - napájení +12 V pro žárovku a ventilátor · P3 - kladný pól relé B2 DataLabu · P4 - GND pro zdroj napájející měřící obvody (10 V) · P5 - výstup čidla nad žárovkou · P6 - výstup z fotoodporu · P7 - výstup čidla na okraji komory · P8 - výstup čidla venkovní teploty · P9 - kladný pól relé B1 DataLabu · P10 · P11 - napájení +10 V pro měřící obvody · P12 - GND pro zdroj napájející žárovku a ventilátor (12 V) 5.3 Popis jednotky DataLab IO/USB DataLab je v mém modelu dálkového měření použít jako prostředník mezi počítačem a reálnou soustavou (měřeným modelem). Tato jednotka je produktem firmy Moravské přístroje a.s. a bezproblémově spolupracuje s jejich softwarem Control Web 5. Mně byla zapůjčena fakultou k realizaci praktické části této diplomové práce. Jak vypadá je vidět na obr.17.

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření

Strana51

Obr.17 DataLab IO/USB

DataLab je průmyslová vstupně/výstupní jednotka určená ke spolupráci s nadřazeným počítačem. Pro tento počítač zprostředkovává měření vstupních veličin a nastavování parametrů pomocí veličin výstupních. Jednotka je propojena s počítačem pomocí USB kabelu a plně využívá výhody USB sběrnice popsané v kapitole 3. Jednotka má 4 pozice, do kterých lze zasunout různé kombinace v/v modulů. Těchto modulů existuje asi 14. Pokud si to ale situace nevyžaduje, mohou zůstat pozice neobsazeny. Naopak pokud je v jednotce počet v/v portů menší než je potřeba, lze ke stejnému počítači připojit jednotek více. Počet jednotek je omezena pouze vlastnostmi sběrnice. Napájením DataLabu lze provádět dvojím způsobem: · ze USB sběrnice (nesmí být překročeny mezní odběry) ·

z externího zdroje napájení (rozsah je 10 Vss až 40Vss )

Jaké mají jednotlivé moduly maximální odběry proudu lze zjistit z tabulky v manuálu. To jestli bude používat jednotka napájení externí či z USB se nastavuje pomocí dvou propojek označených J1 a J4 umístěných pod krytem. V mém případě postačuje napájení přes USB takže je propojka J1 uzavřena a J2 otevřena. Mně zapůjčená jednotka obsahuje moduly: · DI1 – modul nezávislých digitálních vstupů ·

DO1 – modul reléových výstupu

·

AO1 – modul analogových výstupů

·

AI1 – modul analogových vstupů

Ve své práci využívám pouze moduly DO1 a AI1 ty zde jsou podrobněji popsány Modul DO1 obsahuje osm reléových spínacích kontaktů, které jsou navzájem od sebe galvanicky odděleny. Sepnutý stav kontaktu je indikován pomocí LED diody. Maximální kmitočet spínání kontaktů je 50 Hz. Tato hodnota je ale spíše teoretická. V reálu se využívají kvůli omezené životnosti hodnoty podstatně nižší. Mechanická životnost kontaktu je tedy 2x107 cyklů při 5 Hz. Zatížitelnost relé je 60 V / 3 A střídavé a 30 V / 3 A stejnosměrné.

Strana52

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření

Obr.18 Modul reléových výstupů

Modul AI1 obsahuje osm diferenčních analogových vstupů. Každý ze vstupů lze nastavit pomocí propojek na napěťový nebo proudový signál. Maximální vzorkovací frekvence je omezena rychlostí A/D převodníku na 20 Hz. Maximálního napětí mezi vstupy svorek je dáno umístěním propojky BIAS na modulu v kombinaci se zvoleným „Módem“, tedy číslem měřícího rozsahu uvedeným v aplikaci. Mód se zadává u Control Webu 5 v inspektoru ovladače DataLabu. Ten lze najít v horní tlačítkové liště. Hodnoty max. napětí a rozsahů jednotlivých kombinací jsou uvedeny v manuálu. V mém případě je nastaven u všech vstupů napěťový režim. Propojka BIAS má hodnotu nula tedy vypnuto a Mód je také nula. Tomuto nastavení odpovídá maximální napětí mezi vstupy ±5 V a plný rozsah tedy je 10 V. Vstupy jsou plně bipolární, pokud jsou nastaveny na max. napětí ±5 V pro nejvyšší kladnou hodnotu generuje A/D převodník číslo 32767 (215 - 1) pro nejnižší zápornou pak 32768.

Obr19. Modul analogových vstupů

Pokud jsou nějaké svorky navzájem propojeny například vytvořením společné země, je modul odkázán na pomocný zdroj napětí Vbias. Ten dokáže dodat při 3,3 V maximálně 1,68 mA a je společný pro 4 vstupy. Jakmile je překročen proudový limit, začíná růst chyba měření a může také vzniknout vzájemné ovlivňovaní jednotlivých vstupů. V návrhu modelu měření

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření Strana53 je obvod s fotoodporem. Původně se se světlocitlivým prvkem počítalo pro kontrolu, jestli žárovka svítí čí nikoliv. Poté co byl model vyzkoušen při měření, byly pozorovány velké skokové změny všech teplot. Teploty reagovaly na změnu stavu fotoodporu. Pravděpodobná příčina je právě překročení proudového limitu pomocného zdroje. Proud procházející přes fotoodpor je asi 1,5 mA, což je skoro na hranici únosnosti. Jedním z možných řešení je zvětšit odpor s hodnotou 6k8, tím se sníží proud přicházející od fotoodporu na vstup měřicí svorky. Bohužel nebylo dostatek času na experimentování, jak moc změna odporu ovlivní citlivost fotoodporu na světlo. Bylo rozhodnuto nepropojovat výstup od fotoodporu s DataLabem. Problémy se vzájemným ovlivňováním teplot se tímto vyřešily. 5.4 Zapojení modelu dálkového měření Před tím, než mohlo začít vytváření softwarové aplikace, bylo nutné propojit jednotlivé komponenty modelu dálkového měření. Soustavu v laboratoři tvoří měřený modele, DataLab, počítač pro vývoj(i server) a zdroj napětí. Tato sestava pro vývoj postačuje. Pro měření na větší vzdálenosti k ní ještě musíme připojit přes internet počítač na odlehlém pracovišti. Kompletní schéma zapojení je vidět na obr.20

Obr.20 Schéma zapojení modelu dálkového měření

Na schématu je názorně vidět odkud a kam vedou jednotlivé propojovací dráty. V případě nutnosti rozebrání sestavy je schéma neocenitelný pomocník v rekonstrukci propojení jednotlivých bloků. Na obr.21 je zapojené pracoviště ve skutečnosti. Drátové propojení je ve zkušebním stavu. Pokud by na úloze měli pracovat studenti, měly by být dráty vyvázány do svazků.

Strana54

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření

Obr.21 Měřicí pracoviště

5.5 Vytvoření aplikace pro měření v SW Control Web 5 Tento software jsem si vybral kvůli jeho univerzálnosti, přehlednosti, intuitivnímu uživatelskému rozhraní a dobré cenové politice firmy Moravské přístroje a.s., která ho nabízí pro školní účely zdarma. Také jsem byl ovlivněn tím, že menu jsou v češtině, což mně pomáhalo rychleji se v programu orientovat. Program má také dobře propracovanou nápovědu, ve které lze najít téměř vše, co k vytvoření aplikace potřebujete. Stručný popis historie programu a rozsah použitelnosti programu byl proveden v kapitole 4.4.2. Zde se spíše zaměříme na postup, jak v tomto softwaru lze vytvořit aplikaci. První věc, na kterou se program ptá při vytváření nové aplikace, je režim, v kterém má procovat. Mate možnost si vybrat: · Aplikaci pracující v reálném čase ·

Aplikaci volně běžící v závislosti na změně dat

První volba je podstatně náročnější na Hardware počítače. Každý přístroj má svůj vlastní časovač(timer) a s jeho periodou kontroluje, jestli se nezměnila hodnota pro něj důležité veličiny (parametru). S časovačem je třeba procovat opatrně, nízké hodnoty hodně zatěžují systém a aplikace nemusí v požadovaných časových intervalech reagovat. U druhé z variant je návrh jednodušší a není tolik zatěžován počítač. Jde v podstatě jen o čekání na změnu nějaké veličiny, která je pak zaznamenána a zobrazena např.na monitoru. U první varianty pokud systém nestíhá, pracuje se skluzem, u druhé se prodlužuje perioda. Pro měření často proměnné veličiny se více hodí režim reálného času. Po vybrání této volby je třeba s průvodcem projít některá základní nastavení, než se dostanete do okna vlastní aplikace. V základním okně jsou nejdůležitější záložky umístěné v levém dolním rohu. První se jmenuje Textový editor a aplikace se v něm vytváří zapisováním textových příkazů. Druhá

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření Strana55 záložka nese název Datové inspektory. Zde je nastavení aplikace, jsou zde všechny proměnné i ovladače. Poslední záložka je grafický editor, v kterém se vytváří schéma zapojení přetahování zařízení z panelu přístrojů obr.22 na plochu.

Obr.22 Panel přístrojů

První, co je třeba udělat, je přidání ovladačů. To se provádí mezi datovými inspektory. V mém případě si vystačím pouze s ovladačem pro DataLab a to jen v aplikaci pro serverovou verzi. Ke klientovi DataLab připojen nebude, takže nepotřebuje ani ovladač. V dalším kroku je třeba promyslet, jaké proměnné se budou v úloze vyskytovat a jakého budou datového typu. Tato aplikace potřebuje komunikovat s DataLabem a přijatá data po zpracování vysílat do světa. U DataLab je zapotřebí čtyř proměnných pro čtyři analogové vstupy typu real a dvě proměnné pro releové výstupy typu boolean. U těchto proměnných je ještě nutné si pohlídat číslo kanálu ovladače driver_index, jestli odpovídá správnému typu. Pro sdílená data je vytvořena speciální sekce s názvem sdilpromenne. Pro to, aby mohla být data z této sekce vyvážena, je podstatný parametr scope. Tento parametr musí být nastaven na shared_remotely. Také musí být povolen přístup klientů, parametr client_access musí mít hodnotu allow a jméno nebo IP adresu serveru na any. U klienta se sdílená sekce musí jmenovat stejně. Parametr scope má být imported_remotely. Klient ještě potřebuje vědět, kde se nachází počítač, z kterého má data dovážet. Pod parametrem server je nutné zadat jméno nebo IP adresu serveru, název modulu, což je jméno serverové aplikace bez koncovky cw. Pokud jste pojmenovali dováženou sekci u klienta jinak než na serveru, tak ještě toto jméno.V této datové sekci budou oproti Datalabu ještě proměnné pro řízení dvoustavové regulace. S takto připravenými proměnnými se můžeme přepnout do grafického editoru. Zde si ukážeme vytvoření základního prvku, ostatní se vytváří velmi podobně. Tím prvkem je tlačítko. K tomu, aby jsme je mohli vytvořit, potřebujeme panel přístrojů. Ten si zobrazíme kliknutím na poslední ikonu v řadě nástrojů. Tlačítko na tomto panelu je pod názvem switch a

Strana56 5 Návrh a realizace modelu dálkového měření můžeme ho najít i na obr.22. Tlačítko jednoduše přetáhneme na pracovní plochu a dvakrát na něj poklepáme. Tím se otevře inspektor tlačítka (obr.23)v kterém se dají nastavovat jeho parametry. Mezi ty důležité patří jméno přístroje, pod rozbalovací roletkou společné je timer pro nastavení časování, owner určuje kdo přístroj vlastní a position zde je zaznamenána poloha prvku na ploše. Úplně nejdůležitější parametr pak patří output, ten říká, kterou proměnou bude tlačítko řídit. Je zde ještě parametr mode, ten určuje podobu prvku (tlačítko s textem, otočný spínač).

Obr.23 Inspektor tlačítka

Jak vypadají parametry tlačítka ventilátoru zapsané v textovém editoru můžeme vidět na následujících řádcích. Prvních pět řádků nebudu komentovat. Jejich funkce by měla být jasná z předchozího odstavce. switch Ventilator; timer = 0.5; owner = Hlavní_Panel; position = 100, 210, 46, 46; output = sdilpromene.rele2; true_text = 'Ventilator spusten'; - Text se objeví při sepnutí v modu textové tlačítko false_text = 'Ventilator vypnut'; - Text se objeví při sepnutí v modu textové tlačítko auto_update; - nastavení tlačítka podle aktuální hodnoty výstupní prom ěnné colors true_paper = lyellow; - po sepnutí změní barvu na žlutou end_colors; procedure OnActivate(); begin if (tepzar>sdilpromene.hlim)&(aut=true)then rele2=true elsif (tepzar<sdilpromene.dlim)&(aut=true) then rele2=false end; end_procedure; end_switch;

Procedura na závěr říká asi toto. Po spuštění kontroluj, jestli teplota nad žárovkou není větší než horní limit. Pokud ano a je u toho sepnuté tlačítko „automatický provoz“, spusť ventilátor. Zároveň kontroluj, jestli teplota nad žárovkou není nižší než dolní limit. Pokud ano a je u toho pořád sepnut automatický provoz, pak ventilátor zastav. Touto procedurou je zajištěno udržování teploty v komoře mezi zadanými hranicemi. Podobným způsobem je u tlačítka pro žárovku hlídána maximální teplota v komoře. Ta je nastavena na 60 °C. Pokud je tato teplota překročena, žárovka se vypne a ustane vytápění.

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření Strana57 Při výpočtu teploty se musí vycházet z toho, že DataLab do počítače posílá napětí převedené na digitální číslo. Control Web s tímto číslem dále pracuje, nepřevádí je automaticky sám na napětí. Tuto operaci je nutné provést dosazením hodnot do vztahů pro výpočet teploty snímané čidlem LM 335. Po úpravě vzorce dostaneme vztah × 100 × 10 H - 273,15 J = Datalabu (5.3) 65536 HDatalabu je hodnota získaná z A/D převodníku DataLabu, 65536 je číselný rozsah převodníku, 10 představuje napěťový rozsah kanálu 10 V. Control Web má možnost uchovávat měřené hodnoty pro pozdější použití. K této funkci slouží archiv, který lze najít v datových inspektorech. Do archivu jsou podle časovače v pravidelných intervalech ukládána data. Výstupem je soubor s příponou mdb. Tento soubor lze otevřít v databázi MS Access. Soubor obsahuje zaznamenávané hodnoty a časy, kdy byly změřeny. Časy jsou brány ze systémových hodin a jsou ve formátu Juliánského kalendáře. Zřejmě proto, že firma Moravské přístroje a.s. používá své přístroje v astronomických rozměrech. Pro úpravu tohoto času do nám srozumitelného lze použít SQL dotaz SELECT UTC, CDate(CDbl(Left(UTC,7) & ',' & Mid(UTC,9,8))-(UTC_BIAS+DST_BIAS)/14402415018.5) AS Datum, T1 AS Tep_zarovky, T2 AS Tep_komory, T3 AS Tep_venkovni, zarovka AS Stav_zarovky, ventilator AS Stav_ventilatoru FROM arzaloha;

Za AS jsou vždy nadpisy sloupců námi sledovaných hodnot, před jsou proměnné. V aplikaci je možné sledovat vývoj měřených hodnot na orientačních displejích každou na vlastním, nebo lze vzájemně porovnat všechny hodnoty v jednom grafu. Tento graf je v Control Webu hodně propracovaný. Lze z něj odečítat hodnoty pomocí nitkových křížů, povoluje listování v historii, můžete si konkrétní situaci zmrazit. Graf lze přepínat se zobrazením tabulky měřených hodnot. Na obr.24 je graf vidět.

Obr.24 Zobrazení měřených teplot v grafu.

Jaké hodnoty budete v grafu zobrazovat záleží jen na vás. V tomto případě jsou to hodnoty teploty zálohované v archivu. V dnešní době se všechny věci snažíme dělat přes internet. Internet je prostě v módě. Proto i Control Web umožňuje sledování a ovládání svých aplikací přes Internet. K tomu mu slouží WWW server. Přenos dat z aplikace na WWW server zajišťuje httpd virtuální přístroj. K WWW serveru se pak přes prohlížeč může připojit kdokoliv prakticky po celém světě. Stačí jen znát IP adresu počítače, na kterém server běží. Vytvoření serveru pro aplikaci je velmi jednoduché, stačí spustit z menu Soubor Generování aplikace pro Internet. Iniciativy se chopí průvodce. s pomocí kterého máte vygenerovaný server během minuty. Server se spouští

Strana58 5 Návrh a realizace modelu dálkového měření spolu s aplikací buď menu Aplikace - spustit aplikace nebo klávesovou zkratkou alt+R případně pomocí zeleného tlačítka v liště nástrojů. Při vytváření aplikace typu klient je vhodné použít již vytvořenou verzi pro server. Pokud jste při vytváření serveru dodržovali všeobecné zásady, stačí jen tuto verzi mírně předělat a klient je hotový. Vy ušetříte spoustu času. V případě této aplikace je třeba zrušit proměnné DataLabu a kvůli archivaci vytvořit proměnné lokální, do kterých jsou načteny hodnoty z dovážené sekce. Se stále se zvyšující počítačovou gramotností roste také množství lidí, kteří vám jsou schopny odcizit důvěrná elektronická data. Proto je problém zabezpečení dat dennodenně přetřásán v mediích. Tato aplikace je vytvářená jako ukázková pro studentské účely, takže není nijak zaheslována ani není nijak speciálně chráněna před napadením zvenčí. To ale neznamená, že Control Web tato zbezpečení nemá. Opak je pravdou. Pokud byste se podívali do nápovědy, najdete velké množství způsobů, jak se před tímto nebezpečím chránit. Namátkově můžu jmenovat velmi dobrý systém přístupových práv jak individuálních tak skupinových. Lze omezit přístup k ovládacím prvkům aplikace i důvěrným datům v archivech. U sdílených datových sekcí lze povolit přístup pouze IP adresám uvedeným v seznamu důvěryhodných osob. Lze provést i selekci adres od čísla do čísla, data mohou být pro přenos zašifrována atd. Control Web má v oblasti zabezpečení dat určitě co nabídnout. 5.6 Testování vytvořené aplikace

Obr.25 Okno aplikace

Nejdříve je třeba aplikaci popsat. V pracovním okně je vidět šest přístrojů pro zobrazování měřených hodnot. Nahoře jsou orientační grafy stupnice mají od 15 °C do 65 °C, dolní limit je nastaven na 20 °C (modrá), horní na 60 °C (červená). Zelenou barvou jsou znázorněny měřené teploty. Pod grafy jsou digitální přístroje. Barva hodnot na displeji se také mění podle toho v jakém rozmezí měřená teplota je. Spínače dole vlevo ovládají žárovku a ventilátor. Signální žárovky vpravo nahoře indikují stav těchto prvků. Rozsvícení signalizuje logickou hodnotu jedna, prvek je sepnut. Sepnutí prvku znázorňuje i žlutá barva tlačítka. V tomto případě ventilátoru. Tlačítko AUT. PROVOZ ZAPNOUT přepíná aplikací do stavu, kdy je teplota řízena pomocí ventilátoru tak, aby se udržovala v rozmezí hodnot horní a dolní meze. Tento stav trvá tak dlouho dokud je tlačítko sepnuto. Hodnota horní a dolní meze se nastavuje pomocí šipek. Hodnoty lze také sledovat na grafu popsaném v minulé kapitole a zobrazeném na obr.24.

5 Návrh a realizace modelu dálkového měření Strana59 Pro testování aplikace byla použita dvě odlehlá pracoviště. Jedno se nacházelo ve vzdálenosti 4 m v protějším rohu laboratoře, druhé bylo na VOŠ a SUPŠ textilní, Francouzská 101, Brno vzdálenost asi 5 km. Spojení z obou dvou stanovišť se serverem proběhlo úspěšně a to jak přes webový prohlížeč tak přes aplikaci vytvořenou v Control Webu. Při propojení dvou CW aplikací fungovalo řízení vzdálené soustavy bezchybně. Časový rozdíl mezi hodnotami zaznamenanými serverem a klientem na Francouzské byl přibližně dvě sekundy. Této hodnotě bych ale nedával přílišnou váhu. Hodnoty jsou brané z Archivu kde jsou pravidelně ukládány po 1 sekundě. Pro přesnější měření by byla zapotřebí frekvence vyšší. Tím by se ale rychleji zvětšovala velikost datového souboru. Pro přesnější časovou hodnotu by bylo také zapotřebí synchronizovat systémový čas počítačů s nějakým NTP serverem. Z hodnot získaných při měření jsem vytvořil v Excelu graf a umístil ho do příloh. Pro testování WWW serveru jsem použil jak prohlížeč Explorer tak Firefox. Při řízení z jednoho místa (prohlížeče) vše fungovalo dobře, pokud ale přišla změna polohy spínače z jinačí aplikace, server nedokázal tuto změnu poslat dal a v Exploreru se poloha spínače nepřepnula. Po té co jsem spínač přehodil do správné polohy normálně fungoval dál. Signalizace stavů pomocí žárovek fungovala správně. Stejný problém měl i prohlížeč Firefox. Rozdíl mezi Explorerem a Firefoxem jsem vypozoroval pouze v tom, že ve Firefoxu nefungovalo skrytí panelů po dvojkliku na oko umístěné vlevo nahoře. Toto zjištění mě mile překvapilo. Dříve jsem se setkal se staršími service packy, u kterých WWW server měl podporu prohlížeče Firefox hodně žalostnou. Je vidět, že výrobci Control Webu sledují stále se zvětšující oblibu tohoto prohlížeče a nechtějí o zákazníky používající tento prohlížeč přijít. Další problém byl s příliš malými poli pro ovládání horní a dolní meze v aplikaci. Po vygenerování serveru pak v Exploreru byly hodnoty v těchto polích nečitelné. Tento nedostatek ale odstranilo zvětšení prvků pro meze. V příloze jsou obrazovky z měření.

V kapitole jsou použity zdroje [11], [14]

Strana60

Strana61

6. Závěr Cílem této diplomové práce bylo vytvoření a ověření jednoduššího laboratorního pracoviště a modelu, které by umožnilo studentům praktické seznámení s možnostmi dnešních technologií také prakticky. V dřívější době byly tyto dvě odvětví od sebe mnohdy relativně vzdáleny. Internet je ale „expert na zkracování vzdáleností“, a především kvůli němu se oba obory velmi přiblížily, vzájemně se dnes podporují a ovlivňují V této prácí jsou ukázány způsoby, jak lze provádět měření s využitím počítače nejen lokálně, což je již v praxi zcela běžné, ale také dálkově. Díky Internetu může být měřený objekt od místa vyhodnocení kilometry daleko a přesnost měření může být pro naše účely plně postačující. Pro přiblížení možností dálkového měření bylo třeba vytvořit také nějaký model, pro což byl zvolen model, který byl v rámci této diplomové práce vytvořen a odzkoušen. Model se může použít jako názorná ukázka pro studenty, kteří si na něm mohou tento způsob měření vyzkoušet v praxi. Jednoduchost a názornost modelu by měly posloužit především podpoře výuky kombinovaného studia, kde je výrazně menší časový prostor, velká různorodost posluchačů a přitom se zdá, že se tato forma v posledních letech relativně rozšiřuje. Ve školním měřítku se předpokládá použití modelu dálkového měření na vzdálenost omezenou areálem školy, mezi jednotlivými laboratořemi ústavu, ale celá úloha je řešena tak, že je schopna fungovat prakticky neomezeně v rámci působnosti sítě Internetu. Řešení dálkového měření dnes umožňují prostředky řady výrobců našich i zahraničních. Pro realizaci byla zvolena technika, sw i hw domácí produkce, reprezentované v tomto případě nabídkou Moravských přístrojů a.s Zlín, jejich programovým prostředím Control Web a modulární stavebnicí pro měření a řízení DataLab. I když bychom v některých parametrech na trhu dostali prostředky dokonalejší, hrála při vlastní realizaci velmi významnou roli právě dostupnost (cena) těchto domácích produktů. Diplomová práce také naznačuje jakým směrem se ubírá vývoj softwarů určených pro podporu měření. Od 2D systémů se přechází ke třetímu rozměru, vizualizace začínají být plastické. Tak, jak je dnes v této oblasti fenoménem Internet, může zítra být WAP a my budeme mít dokonalou vizualizaci měřené soustavy v pohybu na displeji mobilního telefonu. Již dnes jsou programy, které s touto technologií začínají. Např. i nástupce použitého CW5 Control Web 6 již zasílání zpráv přes WAP podporuje. Podobně by bylo možno poukázat, že aplikací jednotek DataLabu do úlohy byl zachycen trend opouštění klasických vestavných karet do počítače, jejichž počet je v každé aplikaci zpravidla omezený a jejich nahrazení pomocí karet USB. Zatímco dříve bylo zpravidla třeba větší a rozsáhlejší technologie řešit pomocí průmyslových PC, které umožnily osazení větších počtů vstup/výstupních modulů, čímž se ale dostáváme opět do řádově zcela jiných nákladů na realizaci. Využití modulů, spojených s PC pomocí USB sběrnice posunulo vývoj do zcela nové dimenze a použitý DataLab je svou modulárností stavebnice na špici tohoto vývojového směru. Cílem této práce bylo přiblížení možností, které nám nabízejí zmíněné moderní technologie. Samozřejmě, že práce nestihla svým rozsahem a obsahem veškeré detaily široké problematiky a již dnes se nabízí cesty její modernizace. Zlepšení lze dosáhnout například již vzpomenutou vyšší verzí použitého programového vybavení stejně jako připojením modelu s více sledovanými parametry.

Strana62 6 Závěr Samostatným problémem by mohlo být rovněž zabezpečení v systémech dálkového měření. Dlouhé přenosové trasy otevírají otázky nejen rušení a zkreslení signálů přirozenými vlivy, ale i jejich záměrné znehodnocování různými „narušiteli“. Řadu nástrojů k zabezpečení obsahuje i použitá varianta CW5, i když ne všechny jsem v praxi využil. Pokud by se úloha měla nasadit k neomezenému využití v celé síti Internetu, pak by se tato stránka musela důsledně dořešit. Další rozvoj úlohy, modelu či zvýšení úrovně zabezpečení může být již ale předmětem dalšího navazujícího projektu.

Strana63

Použitá literatura [1] ČEJKA, Miloslav. Elektronické měřicí systémy. [online]. [cit. 8. března 2007]. Dostupné na WWW: http://www.feec.vutbr.cz [2] ČEJKA, Miloslav. Použití počítačů v měřicí technice. [online]. [cit. 15. března 2007]. Dostupné na WWW: http://www.feec.vutbr.cz [3] CHUDÝ, V. a kol. Meranie technických veličín : Bratislava, Vydavatelství STU 1999. [4] JENČÍK, Josef.; VOLF, Jaromír. Technické měření : Praha, Vydavatelství ČVUT, 2000. [5] VDOLEČEK, František. Měřicí technika v automatizaci. [online]. 2004, prosinec [cit. 8. února 2006]. Dostupné na WWW: http://www.automa.cz/automa/2003/au120304.htm [6] SLÁDEK, Zdeněk.; VDOLEČEK, František. Technická měření : Brno, Nakladatelství VUT v Brně, 1992. ISBN 80-214-0414-0. [7] ŠVARC, Ivan.: Automatizace : automatické řízení : Brno, Akademické nakladatelství CERM s. r. o., 2002. ISBN 80-214-2087-1. [8] ZEZULKA, František. Prostředky průmyslové automatizace. [online]. [cit. 2. března 2007]. Dostupné na WWW: http://www.feec.vutbr.cz [9] PÍŠA, Pavel. Počítače pro řízení. [online]. [cit. 1. března 2006]. Dostupné na WWW: http://cmp.felk.cvut.cz/~pisa/m683xx/vme.doc [10]VOJÁČEK, Antonín Průmyslový standard PXI pro programovatelné automaty. [online]. [cit. 2. března 2007] http://automatizace.hw.cz/view.php?cisloclanku=2005012001 [11]BÜLLOW, Jiří. Regulátor teploty topení. Elektrorevue. [online] 2000, č. 20 [cit. 17. března 2007] Dostupné na WWW: http://www.elektrorevue.cz/clanky/00020/index.html [12]ŠPONAR, Radek Vlastnosti a užití průmyslových sběrnic.Elektrorevue. [online] 2004, č. 19 [cit. 17. března 2007] Dostupné na WWW: http://www.elektrorevue.cz/clanky/04019/index.html [13]VOJÁČEK, Antonín Měření teploty v průmyslu [online] 27.8. 2004[cit. 2. března 2007] http://hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART1149-Mereni-teploty-v-prumyslu.html [14]Oficiální stránky firmy Moravské přístroje a.s. www.mii.cz

Strana64

Strana65

Přílohy Schéma vnějšího obvodu modelu

Schéma vnitřního obvodu modelu

Strana66

Strana67 Návrh plošného spoje vnějšího obvodu modelu

Návrh plošného spoje vnitřního obvodu modelu

Strana68

Strana69 Ukázka měření v prohlížeči MS Explorer

Ukázka měření v prohlížeči Mozilla Firefox

Strana70

Strana71 Ukázka měření pomocí klienta CW

Strana72

Strana73 Tabulka naměřených hodnot zpracovaná v MS Excel Datum 9:37:55 9:37:56 9:37:57 9:37:58 9:37:59 9:38:00 9:38:01 9:38:02 9:38:03 9:38:04 9:38:05 9:38:06 9:38:07 9:38:08 9:38:09 9:38:10 9:38:11 9:38:12 9:38:13 9:38:14 9:38:15 9:38:16 9:38:17 9:38:18 9:38:19 9:38:20 9:38:21 9:38:22 9:38:23 9:38:24 9:38:25 9:38:26 9:38:27 9:38:28 9:38:29 9:38:30 9:38:31 9:38:32 9:38:33 9:38:34 9:38:35 9:38:36 9:38:37 9:38:38 9:38:39 9:38:40 9:38:41 9:38:42 9:38:43 9:38:44 9:38:45

Tep_zarovky Tep_komory Tep_venkovni Stav_zarovky 0 0 0 NEPRAVDA 27,1582275 27,23452 27,41763 NEPRAVDA 27,1582275 27,23452 27,43289 NEPRAVDA 27,1429688 27,21926 27,43289 NEPRAVDA 27,1429688 27,21926 27,43289 NEPRAVDA 27,12771 27,21926 27,41763 NEPRAVDA 27,1124512 27,21926 27,43289 PRAVDA 27,2040039 27,24978 27,38711 PRAVDA 27,3565918 27,37185 27,40237 PRAVDA 27,5396973 27,47866 27,37185 PRAVDA 27,6922852 27,57021 27,37185 PRAVDA 27,8601318 27,67703 27,37185 PRAVDA 28,0127197 27,78384 27,35659 PRAVDA 28,1653076 27,87539 27,40237 PRAVDA 28,3026367 27,9822 27,37185 PRAVDA 28,4704834 28,04324 27,37185 PRAVDA 28,6078125 28,16531 27,37185 PRAVDA 28,7451416 28,25686 27,38711 PRAVDA 28,8977295 28,33315 27,38711 PRAVDA 29,0197998 28,43997 27,38711 PRAVDA 29,1418701 28,501 27,40237 PRAVDA 29,2791992 28,60781 27,41763 PRAVDA 29,2639404 28,62307 27,43289 PRAVDA 29,1723877 28,59255 27,40237 PRAVDA 29,080835 28,501 27,38711 PRAVDA 28,9587646 28,42471 27,38711 PRAVDA 28,8366943 28,37893 27,37185 PRAVDA 28,7604004 28,3179 27,40237 PRAVDA 28,6841064 28,25686 27,38711 PRAVDA 28,6078125 28,22634 27,37185 PRAVDA 28,5315186 28,18057 27,37185 PRAVDA 28,4552246 28,13479 27,38711 PRAVDA 28,4399658 28,11953 27,37185 PRAVDA 28,501001 28,16531 27,38711 PRAVDA 28,6230713 28,25686 27,37185 PRAVDA 28,7756592 28,34841 27,37185 PRAVDA 28,9282471 28,45522 27,38711 PRAVDA 29,0503174 28,57729 27,38711 PRAVDA 29,2029053 28,66885 27,40237 PRAVDA 29,3554932 28,79092 27,40237 PRAVDA 29,4928223 28,92825 27,41763 PRAVDA 29,6148926 29,00454 27,43289 PRAVDA 29,7522217 29,11135 27,40237 PRAVDA 29,874292 29,20291 27,40237 PRAVDA 30,0268799 29,29446 27,40237 PRAVDA 30,1336914 29,38601 27,40237 PRAVDA 30,2405029 29,50808 27,41763 PRAVDA 30,3473145 29,58438 27,44814 PRAVDA 30,4693848 29,69119 27,4634 PRAVDA 30,5761963 29,81326 27,4634 PRAVDA 30,6982666 29,88955 27,49392 PRAVDA

Stav_ventilatoru NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA PRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA

Strana74 9:38:46 9:38:47 9:38:48 9:38:49 9:38:50 9:38:51 9:38:52 9:38:53 9:38:54 9:38:55 9:38:56 9:38:57 9:38:58 9:38:59 9:39:00 9:39:01 9:39:02 9:39:03 9:39:04 9:39:05 9:39:06 9:39:07

30,8355957 30,957666 31,0797363 31,0949951 31,0187012 30,9424072 30,8508545 30,8203369 30,7593018 30,744043 30,6982666 30,6830078 30,6524902 30,6524902 30,6524902 30,6524902 30,6524902 30,6219727 30,6067139 30,5914551 30,5609375 30,5609375

29,99636 30,10317 30,19473 30,20999 30,17947 30,16421 30,17947 30,14895 30,14895 30,11843 30,10317 30,08792 30,0574 30,0574 30,04214 30,04214 30,0574 30,08792 30,10317 30,11843 30,10317 30,11843

27,47866 27,49392 27,49392 27,50918 27,50918 27,52444 27,55496 27,5397 27,5397 27,52444 27,49392 27,49392 27,49392 27,52444 27,49392 27,52444 27,50918 27,52444 27,49392 27,49392 27,49392 27,49392

PRAVDA PRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA

NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA NEPRAVDA

Data z předchozí tabulky zpracovaná v grafu Měření teploty 32 31 Tep_zarovky Tep_komory Tep_venkovni

29 28 27 26

Čas

9:39:07

9:39:01

9:38:55

9:38:49

9:38:43

9:38:37

9:38:31

9:38:25

9:38:19

9:38:13

9:38:07

9:38:01

25 9:37:55

Teplota

30