Sisteme Automate de Achizitie a Datelor

Capitolul 1

Sisteme automate de achiziție a datelor

Noțiuni fundamentale

Utilizarea calculatoarelor numerice în industrie și cercetare se face pe o scară din ce în ce mai largă: pentru rezolvarea problemelor numerice și prelucrarea datelor, în aplicațiile concrete care implică cercetarea științifică fundamentală și experimentele de laborator, la simularea proceselor, pentru controlul și conducerea proceselor precum și în aplicațiile din domeniul transmiterii informației.

Un sistem de achiziție a datelor are în general trei componente principale (fig.1 și 2):

achiziția datelor (analogică);

transformarea datelor;

prelucrarea datelor.

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

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

Prin noțiunea de achiziție a datelor întelegem prelevarea de semnale analogice sau numerice prin intermediul unor traductoare, având ca scop transmiterea sau prelucrarea informației achiziționate. Transmiterea datelor se face pe distanțe lungi sau scurte. Prelucrarea informației poate varia de la operații simple până la prelucrări matematice complexe.

Cea mai importantă operație in ceea ce privește achiziționarea de date o reprezintă conversia analog-numerică, aceeasta fiind realizată cu unul sau mai multe circuite. Modul în care sunt alese configurația și tipurile de circuite ce se vor utiliza într-un sistem de achiziție date (SAD) depinde de urmatorii factori:

rezoluția și precizia conversiei analog-numerice;

numărul canalelor analogice care sunt investigate;

frecvența cu care fiecare canal este eșantionat;

capacitatea prelucrării în timp real a datelor;

condiționarea (adaptarea) semnalului analogic de intrare.

Datele ce se achiziționează sunt de două tipuri:

date analogice (tensiuni sau curenți)-reprezentând ieșirile traductoarelor;

date numerice (provenite de la trductoarele incluse în proces).

Având în vedere cele două tipuri de date ce se pot achiziționa, sistemul care se achită de această sarcină va avea un număr corespunzător de intrări analogice și numerice .

O altă operație ce se utilizează în SAD o reprezintă eșantionarea și prelevarea datelor eșantionate. Frecvența cu care este realizată această eșantionare depinde de următorii factori:

spectrul frecvențelor semnalelor de intrare;

viteza cu care convertorul analog-numeric lucrează;

precizia cerută de către proces.

Clasificarea sistemelor de achiziție date

Având în vedere proprietățile mediului în care sunt folosite sistemele de achiziție a datelor, acestea se clasifică în:

sisteme de laborator;

sisteme utilizate în condiții precare de mediu (echipamente militare, procese industriale).

În funcție de numărul canalelor supravegheate se pot distinge urmatoarele tipuri de SAD:

sisteme monocanal;

sisteme multicanal.

Caracteristici importante ale plăcilor ce se ocupă cu achiziția datelor:

rezoluția intrării (numărul de biți ai convertorului analog-numeric folosit);

precizia mărimii de intrare (eroarea absolută sau relativă);

viteza maximă cu care se poate realiza operația de eșantionare (numarul de eșantioane raportate la secundă);

domeniul intrărilor plăcii care se ocupă cu achiziția datelor (fix, selectabil hardware sau software; domeniul traductorului trebuie să fie identic cu domeniul plăcii ce realizează achiziția);

tipul convertorului analog-numeric.

Aspecte privind supravegherea proceselor în timp real

Domeniul conceptului de supraveghere a proceselor este vast și variază de la o simplă achiziție până la prelucrări extrem de complexe, după cum urmează:

analiza statică;

gestiunea de elaborare a alarmelor;

ghidul operator;

supraveghere a acțiunilor de conducere, realizată de operator;

identificarea parametrilor si operații de simulare;

supraveghere continuă a răspunsului procesului.

În ceea ce privește funcțiile de bază ale unei aplicații de supraveghere a unui proces, distingem următoarele:

comunicarea cu procesul;

operația de semnalizare;

comunicarea cu programele utilizate în prelucrarea datelor;

interfațarea om-mașină;

gestiunea alarmelor și a rapoartelor.

O aplicație în timp real realizează un sistem informatic, acesta având rolul de a urmării și conduce procesul.

Sistemul în timp real reprezintă un sistem automatizat în care timpul de răspuns este suficient de mic, astfel încât obiectivul condus este influențat într-un mod semnificativ și pozitiv.

Sistemele de achiziție a datelor care sunt asociate cu microsisteme de calcul în timp real, prezintă următoarele avantaje:

flexibilitate,fiabilitate si adaptabilitate;

automatizarea operațiilor;

precizie mare a măsurătorilor;

miniaturizare a echipamentelor.

Condiții impuse sistemelor de achiziție a datelor

Principalele etape ale unui proces de prelucrare a informațiilor sunt:

etapa de achiziție a semnalelor din proces;

etapa de adaptare a nivelului semnalului;

etapa de conversie analog-numerică;

etapa de procesare a eșantioanelor;

etapa de înregistrare și afișare a semnalelor ce au fost achiziționate.

Pentru ca informațiile obținute să fie corecte, mijloacele care se ocupă de măsurare trebuie să asigure determinarea frecvenței semnalului care a fost achiziționat, cu o precizie ridicată.

Blocurile ce se ocupă cu achiziția si adaptarea semnalului sunt caracterizate de o bună rezoluție, o liniaritate a semnalului de ieșire și un timp de răspuns redus.

Semnalele se eșantionează conform teoremei lui Shannon:

Unde:

fe=frecvență de eșantionare;

fmax=frecvența maximă a armonicilor semnalului;

Dacă se dorește o reprezentare cât mai corectă a semnalului, este recomandat ca frecvența de eșantionare să fie de 8-10 ori mai mare decât frecvența maximă a armonicilor semnalului.

Convertorul analog-digital (CAD) este ales astfel încât să aibă o viteză mare de lucru, permițând reducerea erorilor ce apar la achiziție. În cazul în care este folosit un singur CAD, eroarea datorată multiplexării nu trebuie să afecteze eroarea totală a aparatului.

Achiziția mărimilor de proces se face permanent pe toate canalele. Procesarea și încadrarea este facută pe baza unei decizii a sistemului expert. Așadar, este necesară respectarea următoarelor condiții esențiale:

o utilizare a circuitelor de adaptare și măsurare a semnalului;

o izolare galvanică a sistemului față de proces;

utilizarea circuitelor de memorare a semnalelor eșantionate, pe toată durata conversiei analog-digitale;

memorarea rezultatelor obținute in urma conversiei, într-o formă optimă;

validarea datelor obținute in urma conversiei analog-digitale.

Arhitectura sistemelor de achiziționare a datelor

Componentele de bază ale unui sistem de achiziție modern sunt (fig.3):

calculatorul personal (personal computer);

traductoarele (transducers);

condiționerul de semnale (signal conditioning);

echipamentele de achiziție și analiză a datelor (data acquisition and analysis hardware);

programele de achiziție (software).

Fig.3 – Structura unui sistem tipic de achiziție a datelor bazat pe PC

A. Calculatorul personal

Atât procesoarele moderne cât și arhitectura magistralelor de comunicație permit utilizarea calculatoarelor personale în structura sistemelor de achiziție a datelor. Odată cu alegerea echipamentului de achiziție și arhitecturii magistralei de comunicație trebuie să se opteze și pentru metodele de transfer al datelor care vor fi folosite în procesul de achiziție și prelucrare.

Calculatorul care va fi utilizat pentru achiziția datelor poate afecta considerabil viteza maximă de achiziție continuă a datelor; o alternativă modernă și flexibilă este cea care utilizează calculatoarele portabile.

Echipamentele care formează un sistem de calcul (numite hardware) sunt următoarele:

unitatea centrală de prelucrare, care efectuează calculele și urmărește realizarea secvențială (pas cu pas) a programului (interpretează și procesează informațiile);

memoria centrală în care sunt păstrate temporar instrucțiunile și datele procesate;

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

Factorul care poate limita achiziția unei cantități mari de date este adesea capacitatea discului fix al calculatorului. Timpul de acces la disc și fragmentarea acestuia pot reduce semnificativ viteza maximă la care datele pot fi achiziționate și transferate pe disc.

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

Aplicațiile care solicită procesarea în timp real sau semnale de înaltă frecvență necesită procesoare pe 32 biți sau 64 biți de viteză mare, cu coprocesor sau un procesor de semnale digitale (DSP – digital signal processing). În cazul în care aplicația achiziționează și scalează numai o citire, odată sau de două ori pe secundă, poate fi utilizat un PC fără performanțe deosebite.

B. Traductoarele și condiționerele de semnale

Traductoarele sesizează fenomenele fizice și generează semnalele electrice pe care le măsoară sistemul de achiziție. De exemplu, termocuplele, termistoarele, etc. convertesc temperatura într-un semnal analogic pe care un convertor analog-digital îl poate transforma în semnal numeric. La fel, alte tipuri de traductoare cum ar fi cele de debit, de presiune, de forță etc., măsoară debitul, presiunea, forța, etc. și produc un semnal electric proporțional cu parametrul fizic pe care îl monitorizează și care trebuie măsurat.

Semnalele pot fi clasificate în două categorii:

a. semnale analogice

Un semnal analogic poate fi orice mărime variabilă în raport cu timpul, de exemplu: tensiunea, temperatura, presiunea, sunetul și sarcina.

Caracteristicile primare ale unui semnal analogic sunt (fig.4):

nivelul: deoarece semnalele analogice pot lua orice valoare în raport cu timpul, nivelul oferă informații vitale referitoare la semnalul analogic măsurat; când se măsoară nivelul unui semnal, semnalul nu se schimbă rapid în raport cu timpul. Precizia măsurării este foarte importantă.

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

frecvența: un semnal analogic poate fi caracterizat prin frecvența sa. Aceasta nu poate fi măsurată direct, semnalul trebuind să fie analizat cu ajutorul programelor specifice pentru a determina informațiile referitoare la frecvență. Analiza este realizată de obicei utilizând un algoritm cunoscut bazat pe transformata Fourier.

Fig.4 – Caracteristicile primare ale unui semnal analogic

b. semnale digitale

Un semnal digital nu poate lua orice valoare în raport cu timpul. Un semnal digital poate avea două niveluri posibile: superior și inferior. În general, semnalele digitale se conformează anumitor specificații. Informațiile utile care pot fi măsurate pentru un semnal digital sunt (fig.5):

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

viteza – Definește modul în care semnalul își schimbă starea în raport cu timpul. Rata de eșantionare a semnalelor digitale măsoară cât de des apare o secvență a semnalului, nefiind necesar un program special de calcul.

Fig.5 – Caracteristicile primare ale unui semnal digital

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

Semnalele electrice generate de traductoare trebuie să fie optimizate din punctul de vedere al nivelului de intrare în echipamentul de achiziție. Condiționerul de semnale amplifică semnalele joase, apoi le izolează și le filtrează pentru măsurări mai precise. El mărește precizia sistemului, permite traductoarelor să funcționeze corect, precis și în condiții sigure.

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

Fig.6 – Variante de echipamente pentru condiționarea semnalelor

oferite de firma National Instruments

Condiționarea semnalelor poate fi folosită pentru:

amplificare: este cea mai comună aplicație și are ca scop mărirea preciziei la maximum posibil;

izolare: semnalul traductorului este izolat galvanic de calculator, pentru siguranță;

multiplexare: este o tehnică comună de măsurare a mai multor semnale cu o singură operație de măsurare;

filtrare: scopul este îndepărtarea semnalelor nedorite din semnalul care trebuie măsurat;

excitare: unele traductoare au nevoie de semnale externe în tensiune sau curent pentru excitație;

linearizare: multe traductoare au un răspuns neliniar la variațiile mărimilor care sunt măsurate.

Echipamentele de achiziție

Acestea au rolul de interfață între calculator și mediul extern (fig.7) deoarece digitizează semnalele analogice de intrare, astfel încât calculatorul să le poată interpreta.

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

Specificațiile de bază disponibile pentru majoritatea sistemelor de achiziție se referă la:

numărul de canale analogice de intrare;

rata de eșantionare – determină frecvența conversiilor; o rată mare de eșantionare permite achiziția mai multor date într-un interval de timp dat și poate de aceea să ofere o mai bună reprezentare a semnalului original;

multiplexarea – permite măsurarea mai multor semnale în același timp;

rezoluția – este numărul de biți pe care convertorul analog-digital îl utilizează pentru a reprezenta semnalul analogic;

domeniul – reprezintă diferența dintre nivelurile de tensiune minim și maxim pe care convertorul analog-digital le poate cuantifica.

Programul de achiziție

Programele de calcul (numite generic software) se împart în trei mari categorii:

programe sistem – controlează operațiile efectuate de sistemul de calcul și asigură legătura între componenetele acestuia și programele de aplicație și utilitare. Rolul acestora este de a ușura sarcina utilizatorilor, simplificând operațiile de alocare a memoriei, afișare a caracterelor pe ecran și la imprimantă, citire a caracterelor de la tastatură, accesul la informațiile stocate pe discurile magnetice etc.;

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

programe utilitare – interacționează direct cu utilizatorul dar, spre deosebire de programele de aplicații, realizează prelucrări de uz general. Ele ajută utilizatorul să "administreze" sistemul de calcul și produsele software prin copierea fișierelor, pregătirea discurilor magnetice pentru utilizare, crearea de copii pentru salvare, testarea sistemului de calcul etc.

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

Programul de achiziție transformă calculatorul și echipamentul de achiziție într-un instrument complet de achiziție a datelor, analiză și prezentare. El constituie intermediarul între programul de aplicație și echipament, coordonând operațiile efectuate de echipamentul de achiziție și integrarea sa cu resursele sistemului de calcul.

E. Programul de aplicație

O posibilitate adițională de programare a echipamentului de achiziție este utilizarea aplicației software. Avantajul utilizării acesteia este că ea analizează și prezintă posibilitățile programului de conducere. Programul de aplicație integrează de asemenea instrumentele de control cu achiziția de date.

F. Dezvoltarea sistemului

Pentru a dezvolta un sistem de achiziție a datelor de înaltă calitate pentru măsurare și control sau testare și măsurare, trebuie analizată detaliat fiecare componentă implicată. Deoarece componentele unui sistem de achiziție inclus în sistemul de calcul nu au posibilitatea de afișare, programul este singura interfață cu sistemul. În acest caz, programul este componenta care leagă toate informațiile referitoare la sistem și este elementul care controlează sistemul. Programul integrează traductoarele, condiționerele de semnal, echipamentul de achiziție și le analizează ca un sistem de achiziție complet, funcțional (fig.8).

Fig.8 – Funcțiile de procesare a semnalelor din LabWindows/CVI permit operații de analiză și vizualizare

Structura sistemului de achiziție a datelor

Convertorul analog-digital

Convertorul analog-digital este de regulă componenta principală a oricărui sistem care are ca scop achiziția de date. Acesta realizează transformarea tensiunilor de ordin analogic într-un cod numeric binar, acesta reprezentând valoarea aproximativă a tensiunii de intrare.

Criteriile ce se folosesc atunci când se aleg convertoarele analog-digitale sunt următoarele:

timpul de conversie;

precizia conversiei (aceasta cuprinzând toate sursele de erori: histerezisul, eroarea de cuantificare, rezoluția etc;

rejecția zgomotelor.

Cea mai răspândită metodă de realizare a conversiei analog-digitale în convertoarele cu rapiditate medie și ridicată o reprezintă metoda aproximării succesive. Structura CAD cu aproximații succesive conține un convertor digital-analogic, iar în comparație cu CAD care se bazează pe compensare dinamică, semnalul de ieșire crește până la nivelul semnalului de intrare. În concluzie, procesul de conversie va ocupa un timp mult mai mic. De reținut faptul că timpul de conversie nu depinde de nivelul semnalului de intrare.

Metoda aproximării succesive se bazează pe aproximarea semnalului de intrare cu codul binar și controlul ulterior al acestei aproximații, până când se va ajunge la cea mai bună aproximare a valorii semnalului de intrare. Pentru fiecare etapă a acestui proces, valoarea CDA binară a aproximației curente va fi memorată în registrul de aproximări consecutive (RAC). Procesul de convertire va începe prin inițializarea valorii “1” a MSB (Most Significant Bit) în RAC. Semnalul de ieșire al CDA va fi comparat cu tensiunea de intrare, rezultând următoarele două situații:

ștergerea valorii (în cazul în care evaluarea primară depășește valoarea semnalului de intrare);

memorarea valorii (în cazul în care evaluarea primară nu depășește valoarea semnalului de intrare).

Această metodă se repetă până când va fi verificat și ultimul LSB (Less Significant Bit), iar secvența de biți rezultată, care se află memorată în RAC, reprezintă cea mai bună aproximare binară a semnalului de intrare și devine semnalul numeric de ieșire al CAD.

Circuitul de eșantionare-memorare (CEM)

Circuitul de memorare și eșantionare îndeplinește funcția prelevării valorii, într-un anumit moment dat, a unui semnal analogic și memorarea acestei valori. Circuitul de eșantionare și memorare funcționează ca repetor atunci când se află într-o stare de eșantionare ce este necesară la nivelul logic 1 al semnalului de comandă eșantionare/memorare. Aceste circuite sunt utillizate în sistemele de distribuție și achiziție de date. Așadar, în sistemul de achiziție a datelor fluxul de ieșiri CEM este conectat la fluxul de intrări CAD, obținându-se astfel o extindere a valorii limitei superioare a domeniului de frecvențe ale semnalului de intrare la care CAD este folosit la rezoluția maximă, dată de numărul de biți ai acestuia. Această cerință este îndeplinită dacă tensiunea de intrarea CAD nu este modificată într-un interval de efectuare a conversiei cu mai mult de ± 1/2 LSB.

În ansamblul de distribuție a datelor, circuitele de memorare și eșantionare sunt folosite pentru o reconstituire a semnalelor multiplexate în timp, după cum urmează:

circuite de memorare și eșantionare în buclă;

circuite de memorare și eșantionare cu integrator.

Multiplexorul analogic

Buffer-ul (registrul tampon)

Bufferul semnifică acel element de transfer de informații dintre unitatea centrală și convertorul analog-digital, ce efectuează prelucrarea și stocarea informației numerice.

Registrul tampon al mărimilor numerice este un integrat, având ieșirile legate în paralel la magistrala datelor sistemului.

Interfețe prin care se realizează comunicarea

Microprocesorul

Sisteme de conducere a proceselor cu calculatorul

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

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

Prin utilizarea programelor specializate de conducere a proceselor, acestea devin flexibile, extensibile, adaptive și autoadaptive.

Evoluția conceptului de "conducere a proceselor cu calculatorul "

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

Apariția sistemelor de interfață cu procesul a deschis perspective largi utilizării calculatoarelor în conducerea proceselor. Sistemul de interfață realizează adaptarea caracteristicilor informațiilor din proces la cele ale informațiilor care pot fi introduse în calculator precum și a caracteristicilor informațiilor produse de calculator la cele ale comenzilor acceptate de proces. Astfel, s-a trecut la o nouă etapă în care calculatorul este mult mai aproape de proces, având și posibilitatea de funcționare în condiții industriale.

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

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

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

Calculatorul mai primește și semnale de tip numeric care furnizează informații asupra stării diverselor elemente componente ale procesului, informații de tipul pornit-oprit, normal – avarie, în funcțiune – în rezervă etc. În afara referințelor regulatorului procesului, calculatorul comandă și pornirea sau oprirea unor elemente componente ale procesului tehnologic condus.

Activitatea pe care o desfășoară calculatorul este implementată într-un pachet de programe care conține toți algoritmii necesari aplicării strategiei de conducere. Metoda de conducere asigură în general o eficiență economică de aproape 10 ori mai ridicată decât a oricărei alte metode, deoarece valoarea investițiilor legate de introducerea conducerii cu calculatorul este redusă în raport cu valoarea întregii automatizări a procesului. Deoarece un proces bine dotat cu aparatură de automatizare convențională este foarte bine cunoscut, programele necesare conducerii pot asigura în plus o bună realizare a indicelui de performanță ales drept criteriu de conducere.

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

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

Conducerea optimală se recomandă a fi aplicată în special proceselor continue în care există un număr mare de variabile care interacționează simultan, influențând procesul, produsul și performanța economică.

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

Structura sistemelor de conducere

Abordarea problemelor legate de conducerea proceselor industriale se face pornind de la caracteristicile acestora [POPA, 98]:

procesele sunt în general complexe, se desfășoară în timp și posedă un număr mare de parametri interdependenți care trebuie controlați în paralel, individual și în interacțiune;

comanda și controlul procesului au loc în timp real, în același timp cu desfășurarea procesului;

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

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

rolul operatorului uman în conducerea în timp real a procesului este obligatoriu și diferă în funcție de gradul de automatizare a procesului.

Problema conducerii sistemelor și proceselor complexe trebuie abordată ierarhizat, prin distribuirea funcțională și geografică a funcțiilor de conducere.

O structură ierarhizată se caracterizează prin:

dispunerea verticală a subsistemelor componente;

prioritatea de acțiune a nivelurilor superioare;

dependența bunei funcționări a nivelurilor superioare de performanța nivelurilor inferioare.

Pentru realizarea unei astfel de structuri este necesară:

descompunerea sistemului condus și/sau a celui de conducere (sau a problemei de conducere) în părți a căror analiză, proiectare și implementare este mai simplă;

realizarea unui mecanism de coordonare în scopul asigurării obiectivelor globale.

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

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

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

Sistemele informatice pentru conducerea proceselor tehnologice sunt formate din ansamblul de echipamente de calcul și comunicație sau telecomunicație integrate în sistemul de comandă – control, programe pentru calculator, proceduri de operare și operatori umani, care colaborează pentru conducerea parțială sau în totalitate a procesului, în scopul realizării performanțelor tehnice și economice dorite.

Din punct de vedere fizic, sistemul informatic realizează prelucrarea integrată a informațiilor prin intermediul unei rețele de echipamente de calcul și elemente periferice adecvate. Informațiile sunt furnizate ca o colecție unică de date și reprezintă baza unor variante multiple de prelucrare, în raport cu funcțiile și cerințele concrete de conducere ale procesului în care este implementat sistemul informatic.

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

Obiectivul fundamental al unui sistem informatic de conducere a proceselor tehnologice constă în funcționarea optimă a instalațiilor și echipamentelor din proces și furnizarea de informații corecte, relevante și la timp.

Structura generală a unui sistem informatic cuprinde un ansamblu de intrări, prelucrări și ieșiri definite în funcție de obiectivele sistemului care urmează a fi realizat. Intrările sunt parametrii de referință de comandă și parametrii de stare reală ai funcționării procesului obținuți prin feedback. Ieșirile sunt datele (semnalele) de comandă ale procesului, de memorare a stării procesului și de informare sintetică a operatorilor de proces și factorilor de decizie. Prelucrările sunt asigurate de un ansamblu omogen de proceduri automate care realizează, prin datele de ieșire, comanda și controlul procesului. Baza informațională este formată din ansamblul entităților informaționale și atributelor componente ale acestora, care descriu dinamica proceselor și fenomenelor.

Calculatorul de proces

Necesitatea cuplării unui sistem de calcul la procesul care trebuie condus a adus modificări în structura standard a acestuia. Astfel, se poate defini calculatorul de proces ca fiind o entitate formată dintr-un calculator universal de uz general și un sistem de interfață care cuprinde sistemul de interfață al intrărilor și sistemul de interfață al ieșirilor.

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

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

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

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

Calculatorul universal poate funcționa în timp real, în timp accelerat sau în timp dilatat pe când calculatorul de proces trebuie să funcționeze numai în timp real. Funcționarea în timp real condiționează necesitatea sincronizării procesului prelucrării electronice cu ritmul prelucrării informațiilor de intrare și, implicit, cu dinamica desfășurării procesului tehnologic. Informația achiziționată prin sistemul de interfață trebuie să fie prelucrată și memorată într-un interval de timp minim, pentru ca rezultatul calculului să fie obținut în timp util transmiterii mărimii de comandă la procesul condus.

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

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

Calculatorul de proces dispune față de calculatorul universal de un sistem de interfață cu ajutorul căruia rezolvă pe lângă problemele de calcul și problemele legate de schimbul de informații (conversie) cu obiectul condus.

Calculatorul de proces trebuie să funcționeze neîntrerupt o mare perioadă de timp, deci trebuie să aibă o fiabilitate și o stabilitate la perturbații ridicată, deoarece orice defecțiune sau întrerupere în funcționare poate produce o avarie în instalație.

Configurația calculatorului de proces depinde de caracterul aplicației. Există două clase de aplicații:

informaționale, de culegere și prelucrare a informației; (Calculatorul de proces asigură culegerea datelor de la traductoarele din proces, filtrarea semnalelor pentru separarea semnalului util, compararea semnalului cu valoarea admisă, prelucrarea informației în vederea diagnosticării și prognozării stării instalației industriale. Calculatorul de proces va semnaliza momentul ieșirii parametrilor tehnologici în afara valorilor admise precum și momentul în care sunt atinse valorile prescrise.)

de conducere. (Calculatorul de proces asigură, pe lângă funcția de prelucrare a datelor efectuate în aplicațiile informaționale și probleme de conducere: pornirea și oprirea echipamentelor conduse, optimizarea funcționării instalației după un criteriu impus de programator, identificarea proceselor conduse în cazul variației parametrilor lor, schimbul de informații cu calculatorul de conducere de la nivelurile superioare ale sistemului ierarhic de conducere. Calculatoarele de proces din această clasă au o configurație și o structură mai complexă decât cele din aplicațiile informaționale.)

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

Astfel, prin utilizarea unei magistrale comune, toate blocurile și dispozitivele calculatorului se conectează la un sistem comun de circuite informaționale și de comandă, realizat sub forma unui canal de comunicații unificat, utilizat pentru transmiterea informației între procesor, memorie, sistemul de interfață și echipamentele periferice. Pe canalul unic de comunicații se transmit date, adrese, instrucțiuni, informații despre starea echipamentelor periferice, semnale de comandă. Informația transmisă este însoțită de adresa blocului sau dispozitivului căruia îi este adresat mesajul, deci informația va fi acceptată numai de blocul căruia îi este destinată.

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

O soluție adoptată frecvent este modularitatea sistemelor de conducere cu calculatorul, care constă construcția sistemelor pe baza unei familii de module caracterizate prin autonomie funcțională, universalitate structurală și standardizare constructivă.

1.7.4. Cuplarea calculatorului de proces la procesul condus

Legătura dintre procesul condus și calculatorul de proces se realizează în principiu astfel (fig.9):

parametrii fizici ai procesului industrial sunt măsurați cu ajutorul unor traductoare de măsură adecvate ale căror semnale de ieșire sub formă de mărime electrică au o valoare proporțională cu mărimea fizică măsurată. Acestea sunt transmise la un sistem de interfață (SI) care realizează eșantionarea în timp, multiplexarea mărimilor de intrare și transformarea lor adecvată prin conversia analog/numerică (A/N) cu precizia impusă și rata de conversie corespunzătoare vitezei de variație a mărimii măsurate, pentru a putea fi memorate și/sau prelucrate de calculatorul de proces (CP);

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

Fig. 9 – Schimbul de informații între sistemul de conducere și proces

Principalele probleme tehnice care trebuie luate în considerare și rezolvate la fiecare aplicație sunt:

alegerea traductoarelor și a elementelor de execuție adecvate: tipul și gama de variație a mărimii de intrare, clasa de precizie, tipul semnalului de ieșire, condițiile de instalare și funcționare, prețul;

transmiterea semnalelor de măsură și de comandă la/de la CP; tipul transmisiei și tipul canalului de transmisie, traseu, distanță, nivel de perturbații, atenuarea semnalului, viteza de transmisie;

modul de preluare de către calculatorul de proces a fiecărui semnal de măsură, tip semnal, necesități de filtrare și (pre)amplificare, separare electrică, viteză de eșantionare;

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

alegerea tipului și parametrilor calculatorului de proces care constă în alegerea acelor echipamente și configurații de sistem de interfață care să permită asigurarea performanțelor sistemului de conducere a procesului în condiții de restricții date.

Observație: alegerea mijloacelor tehnice necesare pentru realizarea sistemului de conducere nu se face fără stabilirea precisă a parametrilor procesului tehnologic care trebuie măsurați și controlați.

1.7.5. Sistemul de interfață al calculatorului de proces

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

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

Interfețele standardizate trebuie să satisfacă următoarele cerințe:

sistemice, determinate de caracterul larg și foarte diversificat al utilizării calculatorului de proces în conducerea proceselor, constând în probabilitatea asigurării legăturii cu o gamă largă de traductoare și elemente de execuție precum și în posibilitatea reconfigurării sistemului de interfață odată cu modificările intervenite în sistem (schimbarea traductoarelor, a numărului lor);

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

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

Pentru satisfacerea acestor cerințe, sistemul de interfață (SI) trebuie realizat pe baza principiului modular (structură și construcție) și să aibă două diviziuni:

internă – standardizată, nemodificabilă, permițând existența unei baze unice pentru elaborarea de noi module;

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

Metodologia de achiziție a datelor experimentale

Sistemele de măsură reprezintă o parte integrantă a procesului de dezvoltare a unui produs sau proces. În ultimii 20 de ani, sistemele de măsură au cunoscut o schimbare radicală, o adevărată revoluție, care a condus la o nouă arhitectură în care calculatorul are rolul principal.

Evoluția sistemelor de măsură

În urmă cu peste 20 de ani, comunicațiile seriale (RS-232 și GPIB) au permis calculatorului să devină pentru prima dată o parte componentă a sistemelor de măsură. Prin conectarea echipamentelor de măsură direct la calculator (fig.10) s-a putut reduce timpul de lucru și erorile de procesare specifice transferului manual al datelor care erau introduse în calculator pentru analize ulterioare.

Prin utilizarea calculatorului ca un „controler” central pentru toate instrumentele sistemului de măsură s-au putut integra și coordona mai multe instrumente de măsură într-un singur sistem. Pentru aceasta, a fost necesară crearea unei interfețe software care să permită transmiterea comenzilor și primirea răspunsurilor de la instrumentele din sistemul de măsură într-un sistem centralizat bazat pe calculator. Au fost dezvoltate astfel driver-ele care se instalau ca o parte a sistemului de operare (standardul API = Application Programming Interface – Interfața de Programare a Aplicațiilor).

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

comunicației seriale

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

Fig.11 – Posibilitatea executării măsurărilor direct în interiorul calculatorului

Apariția plăcilor de achiziție modulare a eliminat necesitatea cuplării la un procesor dedicat și a existenței programelor integrate și memoriei în interiorul instrumentelor de măsură independente. Avantajele oferite de plăcile de achiziție au fost următoarele: componentele calculatoarelor au căpătat dimensiuni mai mici, s-au redus costurile și au crescut performanțele sistemelor de măsură.

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

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

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

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

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

Fig.12 – Sisteme integrate de măsură și control

(sursă: firma National Instruments, S.U.A.)