Interfață de Proces cu Comunicație Ethernet Pentru Aplicații de Monitorizare

Interfață de proces cu comunicație Ethernet pentru aplicații de monitorizare

CUPRINS LUCRARE

CUPRINS FIGURI

Figure 1.1 Niveluri de conducere a proceselor industriale. 7

Figure 1.2 Schema bloc a unui sistem de achiziție și prelucrare a datelor în timp real, 8

Figure 1.3 Conectarea directă la Ethernet a calculatorului 12

Figure 1.4 Conectarea directă la Ethernet a calculatorului pe distanță pănă la 200m 12

Figure 1.5 Structură de sistem distribuit geografic ideală pentru o rețea DAQ [3]. 13

Figure 1.6 Structură de conexiune a unui calculator 13

Figure 1.7 Topologii Ethernet 19

Figure 2.1 Procesul supus automatizării și sistemul de conducere a proceselor. 26

Figure 2.2 Schema bloc a unui sistem automat. 26

Figure 2.3 Structura sistemului de reglare automată. 27

Figure 2.4 Principiul senzorului în infraroșu [9]. 32

Figure 2.5 Structura generală a unui traductor. 33

Figure 2.6 Sistem de achiziții de date cu multiplexare temporală [7]. 34

Figure 2.7 Sistem de achiziții sincronă de date [7]. 34

Figure 2.8 Sistem rapid de achiziții de date [7]. 35

Figure 2.9 Schema bloc a unui sistem de achiziție de date [7]. 36

Figure 2.10 Schema bloc a unui controller de proces [17]. 37

Figure 2.11 Schema bloc unitate centrală [17]. 38

Figure 3.1 Structura generală sistem DAQ. 42

Figure 3.2 Poziționarea DAQ în cadrul unui proces asistat. 42

Figure 3.3 Sistem de achiziție de date asistat de calculator. 43

Figure 3.4 . Sistem tipic SCADA. 46

Figure 3.5 . Sistem tipic SCADA. 52

Figure 3.6 . Arhitectura tipică pentru sistemele de comunicatii tip SCADA. 52

Figure 3.7 . Senzori utilizați în sistemele de comunicatii tip IoT. 54

Figure 3.8 . Echipamente RFID utilizate în 55

Figure 3.9 . Echipamente QR codes utilizate în 55

Figure 3.10. Senzori utilizați în 56

Figure 3.11. Microcontrolere utilizate în 56

Figure 3.12. Module WiFi & Ethernet utilizate în 57

Figure 4.1 . Cerințe și partajare resurse. [7] 59

Figure 4.2 . Configurația sistemului. 59

Figure 4.3 . Arduino Ethernet. 60

Figure 4.4 . Schema plăcii Arduino Ethernet. 61

Figure 4.5 . Arduino wifi shield. 62

Figure 4.6 . Schema plăcii Arduino wifi shield. 63

Figure 4.7 . Schema plăcii Arduino GSM shield. 65

Figure 4.8 . Arduino GSM shield. 66

Figure 4.9 . Arduino LCD 16X2 shield. 66

Figure 4.10 . Senzor de temperatură TMP 102. 67

Figure 4.11 . Schema senzor de temperatură TMP 102. 68

INTRODUCERE

Justificarea alegerii temei

Tendința în industrie este creșterea ritmului și calității producției în vederea operării instalațiilor, cu eficiență mărită. În acest sens, proiectanții și producătorii de echipamente caută să găsească metode pentru mărirea capacității și preciziei, atât din punct de vedere hardware cât și software, rezultatul ducând la consolidarea controlului la nivel de sistem computerizat. Printre aceste sisteme dezvoltate nu este de neglijat DAQ – data acquisition. [3]

Pornid de la primul standard industrial adoptat, în anul 1986 au fost implementate soluțiile tipice de achiziții de date. Acestea aveau rezoluții de măsurare limitate (12 biti).

Tehnologia actuală face posibilă instalarea unui controller PC și a unei instrumentații de o rezoluție mai mare echipată GPIB (General Purpose Interface Bus) în fiecare punct de monitorizare cerut, astfel de soluții DAQ distribuite sunt scumpe și au fost limitate la PC dedicate activităților de colectare a datelor și transfer a lor într-o rețea.

GPIB este o interfață de comunicație destinată interconectării instrumentelor de măsurare programabile, într-un sistem de măsurare condus la nivel superior, de calculator.

În pofida faptului că arhitectura de magistrală de date GPIB este cea mai utilizată în sisteme de testare bazate pe instrumentație și aplicații de măsurare, costul acesteia o face nepractică pentru sisteme mari de achiziție de date distribuite.

Cu toate că standardele pentru bus, cum ar fi RS-422 și RS-485, fac posibilă operarea hardware-ului DAQ de la o distanță de zeci sau sute de metri de calculator, sistemul complet b#%l!^+a?implică adesea adaptări, extensii și alte componente hardware care măresc complexitatea și costul. Mai mult, alte cereri are sistemului pot, în mod colectiv, să facă mai dorit sau chiar necesar, pentru a asigura funcționalitatea la nivelul sistemului DAQ, un anumit bus standard care operează la distanță mai mică. [6]

Una dintre problemele cheie ale proiectării sistemelor de control în timp real este dezvoltarea unei arhitecturi capabile să trateze eficient diferite elemente ale procesului, problema care se amplifică atunci când procesul este format din mai multe unități operaționale complexe. O soluție la aceasta este arhitectura distribuită bazată pe inteligență artificială.

Sistemele de control clasice printre altele, au probleme de reglare și control (există situații în care controlul proceselor nu este bine gestionat).

Conducerea proceselor industriale poate fi reprezentată ca în figura 1.1, printr-o piramidă împărțită pe mai multe niveluri.

Figure 1.1 Niveluri de conducere a proceselor industriale.

Supravegherea se găsește în “piramida conducerii proceselor” pe nivelul al treilea, alături de conducerea procesului, ceea ce arată că, practic, ele nu pot fi separate.

Domeniul supravegherii proceselor industriale conține aplicații începând cu achiziția de date și ajungând până la prelucrări cu un grad ridicat de complexitate precum:

gestiunea elaborării alarmelor;

supravegherea acțiunilor de conducere;

identificări de parametri și simulări;

supravegherea dinamică a răspunsului procesului, etc.

La baza “piramidei” se regăsesc operațiunile de achiziție din proces a mărimilor de intrare și de transmitere către procesul supravegheat a comenzilor de acționare.

Funcțiile principale, de bază ale unei aplicații de supraveghere ale unui proces [7]:

comunicația cu procesul;

semnalizarea;

comunicația cu programele utilizate pentru prelucrarea datelor;

interfațarea om-mașină;

gestiunea alarmelor;

gestiunea rapoartelor.

Aplicația în timp real realizează un sistem informatic al cărui comportament este condiționat de evoluția dinamică a stării procesului la care este conectat. Rolul acestui sistem informațional este să urmărească sau să conducă procesul, respectând condițiile de timp stabilite. [7]

Figure 1.2 Schema bloc a unui sistem de achiziție și prelucrare a datelor în timp real,

implementat unei rețele electrice.

Schema din figura 1.2 în care este prezentată schema simplificată a unui sistem de achiziție și prelucrare a datelor în timp real, destinat supravegherii proceselor dintr-o rețea electrică, realizează următoarele operații: b#%l!^+a?

culegerea de date;

actualizarea bazei de date;

calcule conform unor strategii de conducere;

supravegherea și corectarea on-line a regimului.

Dezvoltarea aplicațiilor

În domeniul industrial inginerii de proces au în vedere să crească eficiența și rentabilitatea echipamentelor industriale (generatoare, motoare, pompe, etc). În mod regulat ei efectuează teste de evaluare preventive. survenite pe diverse canale, trebuie implementată monitorizarea continuă pe perioade extinse. Specialiștii, deseori se lovesc de situații în care punctele de măsurare sunt amplasate în locuri greu accesibile astfel încât devine dificilă monitorizarea sau chiar și intervenția, în situația în care apar probleme. Pe lângă aceasta, mediile industriale zgomotoase sau severe pot afecta precizia măsurătorilor.

Semnalele de control sunt foarte importante în astfel de procese ele având rolul de a transmite informații cu privire la starea sistemului monitorizat și controlat.

Etapele dezvoltării aplicațiilor

În proiectarea unei aplicații de monitorizare și control este necesară parcurgerea unor etape principale:

analiza și stabilirea cerințelor cheie ale aplicației;

întocmirea caietului de specificații tehnice, a planului de proiect pentru dezvoltare software precum și estimarea bugetară;

stabilirea arhitecturii aplicației, a structurilor de interfață cu operatorul uman, cu sistemul de operare și cu alte aplicatii precum și periferice;

dezvoltarea propriu-zisă a modulelor;

integrarea și testarea funcțională, fiabilitate și de performanță;

trainingul și instalarea aplicației;

suportul tehnic post-implementare (completarea aplicației după necesități).

Arii de acoperire a aplicațiilor

Aplicațiile acoperă zone extinse de automatizare și eficientizare a activităților și a proceselor:

aplicatii de monitorizare procese, telecitire echipamente/marimi/contoare, interfatare cu baze de date si interfete om-masina;

aplicatii de culegere date distribuite (nivel local/zonal/national) prin sisteme de comunicatii de diverse tehnologii (fir/fibra/wireless) cu baze de date si interfete web de vizualizare;

aplicatii web cu baze de date inglobate, pe tehnologii Open Source sau Microsoft si interfata pe dispozitive mobile (laptop, tableta, smartphone).

Direcții în achiziția de date

În cele peste două decenii de când au fost introduse, sistemele de achiziții de date au parcurs un drum lung în termeni de viteză, rezoluții, acuratețe și performanță. Inițial, aria măsurătorilor era împărțită în două zone, fiecare dintre acesea făcând concesii în scopul obținerii a ceea ce doreau, precum:

pentru rezoluții înalte și acuratețea specifice instrumentelor renunțau la viteză, elasticitate (mobilitate), și economia specifică sistemelor computerizate de achiziții de date;

număr mare de canale de măsură, semnale mixte, viteză mare și cost pe canal relativ mic mergeau pe sistem de achiziții de date computerizat, dar adesea se rezumau la o rezoluție de 3 ½ sau 4 ½ digiți și arhitecturi bus particulare.[4]

În prezent, aceste conflicte se axează pe crearea de sisteme DAQ cu mai multe canale care să opereze pe bus-uri standardizate cum ar fi GPIB, RS-232 și cel mai recent, Ethernet. Aceste sisteme variază în ceea ce privește comoditatea (avantajul) de operare, numărul de canale, performanța și capacitatea de a lucra cu tipuri de semnale mixte. [3]

Totuși, toate structurile DAQ actuale adoptă interfețe de comunicație standardizate. La marginea acestei direcții este sistemul de achiziție de date bazat pe DMM, care oferă toate avantajele de operare și afișare locală a datelor specifice unui DMM de mare rezoluție, ceea ce dă acestor instrumente elasticitatea (mobilitatea) și integritatea de măsurare.

Printre caracteristicile și performanțele sistemelor de achiziție de date bazate pe DMM b#%l!^+a?se regăsesc:

rezoluție de 6 ½ digiți (sau chiar mai bună);

metodele de conversie A/D specifică echipamentelor de tip DMM din clasa profesională (sunt superioare din punct de vedere al rejecției zgomotului de mod comun);

condiționarea semnalului;

funcții matematice încorporate – automatizează procesul de transformare a tensiunilor și curenților în unități inginerești și în parametrii fizici de măsurare.

capacități de testare auxiliare – în afară de tensiunile cc de bază și semnalele digitale I/E, sistemele de achiziție de date bazate pe DMM includ funcții de măsurare ș/sau control care nu se găsesc în sistemele convenționale).

Adăugarea în structura unui DMM a unei interfețe Ethernet asigură facilități de transmițător sau receptor de date și abilitatea sistemului de a i se atribui o adresă IP. Controlerul sau calculatorul echipat cu interfață Ethernet poate comunica direct cu instrumentul prin conexiunea de tip Ethernet.

Sistemul în această configurație, poate fi dezvoltat cu:

memorie de date extinsă;

setare automată a adresei IP;

o interfață alternată, de exemplu RS-232.

Topologii de sistem

Interfața de comunicație Ethernet implică anumite topologii de rețea de comunicare într-un sistem de achiziție de date.

Cea mai simplă dintre toate schemele bazate pe interfața Ethernet este schema prezentată în figura 1.3 în care prezentată o conexiune directă a calculatorului la DAQ. Aceasta seamănă cu topologia obișnuită din rețelele GPIB sau RS-232.

Figure 1.3 Conectarea directă la Ethernet a calculatorului

pede mare rezoluție, ceea ce dă acestor instrumente elasticitatea (mobilitatea) și integritatea de măsurare.

Printre caracteristicile și performanțele sistemelor de achiziție de date bazate pe DMM b#%l!^+a?se regăsesc:

rezoluție de 6 ½ digiți (sau chiar mai bună);

metodele de conversie A/D specifică echipamentelor de tip DMM din clasa profesională (sunt superioare din punct de vedere al rejecției zgomotului de mod comun);

condiționarea semnalului;

funcții matematice încorporate – automatizează procesul de transformare a tensiunilor și curenților în unități inginerești și în parametrii fizici de măsurare.

capacități de testare auxiliare – în afară de tensiunile cc de bază și semnalele digitale I/E, sistemele de achiziție de date bazate pe DMM includ funcții de măsurare ș/sau control care nu se găsesc în sistemele convenționale).

Adăugarea în structura unui DMM a unei interfețe Ethernet asigură facilități de transmițător sau receptor de date și abilitatea sistemului de a i se atribui o adresă IP. Controlerul sau calculatorul echipat cu interfață Ethernet poate comunica direct cu instrumentul prin conexiunea de tip Ethernet.

Sistemul în această configurație, poate fi dezvoltat cu:

memorie de date extinsă;

setare automată a adresei IP;

o interfață alternată, de exemplu RS-232.

Topologii de sistem

Interfața de comunicație Ethernet implică anumite topologii de rețea de comunicare într-un sistem de achiziție de date.

Cea mai simplă dintre toate schemele bazate pe interfața Ethernet este schema prezentată în figura 1.3 în care prezentată o conexiune directă a calculatorului la DAQ. Aceasta seamănă cu topologia obișnuită din rețelele GPIB sau RS-232.

Figure 1.3 Conectarea directă la Ethernet a calculatorului

pe distanță pănă la 100 m [3].

Sunt posibile următoarele conectări directe între echipamente:

pe distanțe de până la 100 conform figurii 1.3;

pe distanțe de maxim 200 m dintre echipamente prin adăugarea unui hub în structura sistemului (100 la și de la hub) conform figurii 1.4. Această structură permite calculatorului de control să acceseze și alte resurse din rețeaua Ethernet pe lângă cele ale sistemelor DAQ;

calculator cu două interfețe de rețea Ethernet, conform figurii 1.6.

Figure 1.4 Conectarea directă la Ethernet a calculatorului pe distanță pănă la 200m

(100 m până la hub și 100 m de la hub) [3].

O structură de sistem distribuit geografic ideală pentru o rețea DAQ instalată la nivelul unei întreprinderi este prezentată în figura 1.5.

b#%l!^+a?

Figure 1.5 Structură de sistem distribuit geografic ideală pentru o rețea DAQ [3].

Distanța maximă între echipamente este limitată de mărimea rețelei. O distanță nelimitată virtual pentru componentele unui DAQ distribuit este posibil de realizat prin folosirea Internetului în locul LAN-ului local (figura 1.5). Instrumentele cu interfață Ethernet încorporată pot fi setate, programate sau interogate de oriunde din lume unde este posibil accesul la Internet dar canalul de comunicație va trebui să fie controlat astfel încât să permită accesul la adresele IP în afara rețelelor locale.

În figura 1.6 este prezentată conexiunea unui calculator cu două plăci de interfață de rețea Ethernet. Această topologie permitecreerea unei subrețele separate, destinată instrumentelor de măsură conectate direct prin interfața Ethernet, rețea care izolează rezultatele achiziției de date de celelalte informații de pe rețeaua generală.

Figure 1.6 Structură de conexiune a unui calculator

cu două interfețe de rețea Ethernet [3].

Astfel, utilizatorii care nu au nevoie să acceseze datele de la instrumentelor de măsură conectate direct prin interfața Ethernet nu pot comunica cu instrumentele în mod neglijent.

Structură de rețea ETHERNET pentru oferirea de servicii IP (IEEE 802.3)

Este cel mai cunoscut nivel fizic de comunicație pentru o rețea locală, prin intermediu căruia se transmite informația între calculatoare la la viteza de 10 milioane de biți pe secundă (Mbps). Standardul Ethernet este definit de IEEE (Institute for Electrical and Electronic Engineers) ca IEEE 802.3. Acest standard definește regulile pentru configurarea unei rețele Ethernet precum și modul de interacțiune între diferitele elemente ale unei astfel de rețele.

Fiecare calculator echipat cu o placă de rețea Ethernet, denumit și stație, funcționează independent de toate celelalte stații din rețea: nu există control centralizat. Toate stațiile atașate la rețea sunt conectate la acelaș sistem de transport pentru semnal, denumit mediu de comunicație. Informația este transmisă serial, un bit la un moment dat, prin linia de comunicație către toate stațiile atașate acesteia.

Elementele principale ale rețelei Ethernet:

mediul fizic de comunicație – folosit pentru transmiterea semnalului purtător de informație între calculatoarele rețelei;

protocolul de comunicație – un set de reguli pentru controlul accesului la mediul de comunicație respectat de fiecare interfață, pe baza căruia se arbitrează accesul mai multor calculatoare la acest mediu;

cadrarea informației – un cadru Ethernet constă într-un set standardizat de biți folosit la transportul datelor prin rețea.

Întrucât numele „Ethernet” se referă la cablu (eterul), e bine de știut că sunt folosite patru tipuri de cabluri. Acestea sunt prezentate în următorul tabel.

Tabelul 1.1 Tipurile de cablare la rețeaua Ethernet

Din punct de vedere istoric, cablul 10Base5, numit popular și Ethernet gros (thick Ethernet), a fost primul. El se aseamănă cu un furtun galben de grădină cu semne la fiecare 2.5 metri pentru a arăta unde vin conectorii. Standardul 802.3 nu impune de fapt cabluri de culoare galbenă, dar sugerează acest lucru. Conexiunile cu el sunt făcute în general utilizând conectori-vampir (vampire taps), la care un pin este introdus cu mare grijă până în miezul cablului coaxial. Notația 10Base5 înseamnă că funcționează la 10 Mbps, utilizează semnalizare în banda de bază și poate suporta segmente de până la 500 metri. Primul număr reprezintă viteza în Mbps. Apoi urmează cuvântul „Base” pentru a indica transmisia în banda de bază. Există mai demult o variantă în banda largă, 10Broad36, dar nu s-a impus pe piață și a dispărut. În fine, dacă mediul de transmisie este cablul coaxial, lungimea sa apare rotunjită în unități de 100m după „Base”.

Istoric vorbind, al doilea tip de cablu a fost 10Base2, sau Ethernet subțire (thin Ethernet), care, spre deosebire de Ethernet gros „ca un furtun de grădină”, se îndoaie ușor. Conexiunile cu el sunt făcute utilizând conectori standard industriali BNC pentru a forma joncțiuni în T, mai curând decât conectori-vampir. Aceștia sunt mai ușor de folosit și mai siguri. Ethernetul subțire este mult mai ieftin și mai ușor de instalat, dar el poate suporta lungimi ale cablului de maxim 185 de metri pe segment, fiecare segment putând trata numai 30 de calculatoare.

Detectarea întreruperilor de cablu, a conectorilor proști sau a conectorilor desprinși poate fi o problemă majoră pentru ambele medii de transmisie. Din acest motiv au fost dezvoltate tehnici care să le detecteze. În esență, în cablu este injectat un impuls cu o formă cunoscută. Dacă impulsul întâlnește un obstacol sau ajunge la capătul cablului, va fi generat un ecou care este trimis înapoi.

Măsurând cu grijă timpul scurs între emiterea impulsului și recepționarea ecoului, este posibilă localizarea originii ecoului. Această tehnică este numită reflectometrie în domeniul timp.

Problemele asociate cu găsirea întreruperilor de cablu au condus sistemele către un alt tip de model de cablare, în care toate stațiile au un cablu care duce la un concentrator (hub). De obicei, aceste fire sunt perechi torsadate ale companiei de telefoane, deoarece majoritatea clădirilor cu birouri sunt deja cablate în acest fel și, în mod normal, există o mulțime de perechi disponibile. Această strategie se numește 10Base-T. Concentratorii nu pot ține într-o memorie tampon traficul pe care îl transferă. Vom discuta mai târziu în acest capitol o versiune îmbunătățită a acestei idei (comutatoarele), care au mecanisme de păstrare a traficului primit într-o memorie tampon.

Cadrele Ethernet

Sunt folosite pentru transferul informației între stații. Un cadru reprezintă un număr de biți organizați în câteva câmpuri. Acestea includ câmpurile cu adresele stațiilor, câmpul pentru date având dimensiunea între 46 și 1500 biți, un câmp pentru controlul erorilor, etc.

Adresele pe 48 de biți sunt unice pentru fiecare placă de rețea, sunt atribuite de producător și nu pot fi modificate.

Protocolul CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)

Rețeaua Ethernet folosește protocolul numit CSMA/CD. Termenul de acces multiplu provine de la faptul că fiecare stație este conectată la acelaș mediu de comunicație. "Carrier Sense" – înainte de a transmite date, o stație verifică linia pentru a vedea dacă nu există nici o altă stație care transmite ceva. Dacă se constată că linia nu este ocupată, stația poate începe să transmită date cu o viteză de 10 Mbps, adică câte un bit la 100 ns.

Viteza luminii și a semnalului electric fiind de 300000 m/s, înseamnă că electronii vor parcurge 0.3 m într-o ns. Astfel că, după ce semnalul electric pentru primul bit a parcurs aproximativ 30 m, stația începe transmisia celui de-al doilea bit. Însă, un cablu Ethernet poate avea mai mult de 30 m. Dacă două stații se află la o distanță de 100 m legate la același cablu de rețea, și ambele încep transmisia în același timp, atunci fiecare va fi în mijlocul transmiterii celui de-al treilea bit când semnalul de la fiecare stație ajunge la cealaltă.

Acest exemplu explică necesitatea părții de „Collision Detect”. Două stații pot începe transmiterea datelor în același timp, însă semnalele fiecăruia vor coliziona doar după câteva nanosecunde. Când apar astfel de coliziuni cele două stații încetează transmisia și încearcă mai târziu după o perioadă de timp aleasă aleator.

Pentru ca sistemul de control al accesului la mediul de comunicație să funcționeze corect (CSMA/CD), toate interfețele Ethernet trebuie să răspundă semnalului recepționat într-o perioadă dată de timp. Această necesitate de timp este bazată pe perioada de timp necesară b#%l!^+a?unui semnal să ajungă de la un capăt al mediului de comunicatie la celălalt și înapoi, acest timp este cunoscut sub numele de timp de întoarcere.

Timpul de întoarcere maxim este strict limitat pentru a se asigura că fiecare interfață poate recepționa toate semnalele din linia de comunicație într-o perioadă de timp specificată. Cu cât este mai lung un segment de rețea, cu atât mai mult timp îi ia unui semnal să îl parcurgă. La proiectarea unei rețele Ethernet trebuie deci, să se asigure că timpul de întoarcere este în limitele specificate, indiferent de combinația de cabluri și echipamente folosite în rețea.

Repetor și comutator

Rețeaua Ethernet a fost astfel proiectată astfel încât să permită o expandare ușoară, pe măsura cerințelor de viteză și de spațiu tot mai mari. Pentru extinderea unei rețele Ethernet se pot folosi mai multe tipuri de dispozitive denumite hub-uri. Există două mari categorii de hub-uri: repetor (repeater) și comutator (switch).

Fiecare port al unui repetor leagă împreună segmentele de cablu Ethernet individuale pentru a crea o nouă rețea ce funcționează ca un Ethernet independent și singular. Segmentele și repetoarele din această nouă rețea trebuie să respecte limitările timpului de întoarcere.

Spre deosebire de un repetor, fiecare port al unui comutator conectează câte un segment de cablu care funcționează ca o rețea Ethernet distinctă. Deci, spre deosebire de un repetor ale cărui porturi combină segmentele de cablu pentru a forma un singur LAN, un comutator face posibilă divizarea unei rețele Ethernet de dimensiuni mari, în mai multe rețele Ethernet independente ce sunt legate printr-un mecanism de comutare a pachetelor (cadrelor Ethernet).

Regulile pentru timpul de întoarcere nu se mai aplică rețelei globale ci doar rețelelor Ethernet obtinuțe prin divizare.

Prin folosirea comutatoarelor se pot lega mai multe rețele Ethernet distincte.

O rețea Ethernet poate fi compusă:

doar dintr-un singur cablu (coaxial) legând un număr de calculatoare;

dintr-un repetor conectând:

fiecare calculator printr-un segment de cablu (torsadat);

câte un segment continând mai multe calculatoare.

Mai multe astfel de rețele Ethernet pot forma o rețea extinsă prin utilizarea unui comutator de pachete. În timp ce o rețea Ethernet simplă poate suporta un număr de câteva zeci de stații, o rețea extinsă poate lega câteva sute sau mii de stații.

Comutatoarele examinează fiecare pachet recepționat pe fiecare port, îl procesează și îl transmite, pe baza unei baze de date inițiale sau create dinamic, către portul ce corespunde stației de destinație. Pe când repetorul retransmite fiecare cadru primit pe toate porturile, fără nici un fel de prelucrare a pachetului.

În comutator se păstrază o bază de date cu adresele Ethernet ale stațiilor și portul din comutator corespunzător fiecărei stații. Când comutatorul receptionează un cadru Ethernet, folosește adresele sursă și destinație pentru a determina dacă cele două stații se găsesc pe același segment de rețea, caz în care pachetul este filtrat (este sters), iar dacă stațiile se găsesc pe segmente diferite, pachetul este trimis doar pe segmentul stației de destinație.

Cu o astfel de funcționare, un comutator împarte rețeaua în domenii de coliziune distincte – câte unul pentru fiecare segment. Spre deosebire de un repetor care formează un singur domeniu de coliziuni.

Mediu de comunicație al unei rețele Ethernet este folosit în două tipuri de configurații generale: bus și stea. Aceste două tipuri de topologii definesc modul în care sunt conectate stațiile.

Pentru rețelele Ethernet care necesită viteze de comunicație mai mari, a fost introdus standardul Fast Ethernet (IEEE 802.3u). Acest standard a ridicat limita de viteză de la 10 Mbps la 100 Mbps cu modificări minimale la structura fizică existentă, fiind foarte atractiv pentru îmbunățătirea rețelelor Ethernet. Însă viteza ridicată impune mai multe limitări în proiectarea acestor rețele.

Distanțele maxime pentru segmentele de rețea Fast Ethernet și numărul de stații legate la o rețea Fast Ethernet depind de tipul cablului de transmisie folosit.

Tabelul 1.2 Distantele maxime pentru segmentele de retea Fast Ethernet

Figure 1.7 Topologii Ethernet

Standardul Ethernet specifică lungimea minimă pentru un pachet la 512 biți. Astfel că întârzierea introdusă de rețea trebuie să fie mai mică decât timpul de transmisie al celor 512 biți. Deoarece acest timp este foarte important în instalarea corectă a unei rețele Fast Ethernet, este necesar a planifica rețeaua pe baza lui:

în primul pas se localizează cele două noduri mai îndepărtate unul de celălalt;

după aceea se determină locul unde se va plasa hub-ul (sau hub-urile);

se însumează întârzierile introduse de fiecare dispozitiv și cablu (pe calea cea mai lungă) și se compară cu 512. Dacă valoarea este mai mică reteaua este validă din punct de vedere teoretic.

Durata de propagare este măsurată în timp pe bit. Un timp bit este definit ca durata unui bit de date pe rețea (pentru Fast Ethernet 10-8 s). Deoarece protocolul CSMA/CD cere ca primul bit al oricărei transmisii să ajungă în cel mai îndepărtat punct al rețelei înainte ca ultimul bit să fie trimis, și dacă cel mai mic pachet are dimensiunea de 512 biți, rezultă că rețeaua trebuie proiectată astfel încât în cel mai rău caz să avem întârzierea sub 512 timp bit.

Proiectarea rețelelor Ethernet

Proiectarea rețelelor Ethernet și Fast Ethernet se bazează pe anumite reguli care trebuie urmate pentru ca acestea să funcționeze corect. Numărul maxim de noduri, numărul de repetoare și lungimile maxime ale segmentelor sunt determinate pe baza proprietăților electrice și mecanice ale fiecărui tip de mediu Ethernet și respectiv Fast Ethernet. Dacă în proiectarea rețelei nu se respectă regulile amintite, atunci nu vor fi respectate specificațiile pentru timpul de întoarcere, pierzându-se pachete și încărcându-se traficul cu retransmiteri repetate.

La proiectarea unei rețele Ethernet trebuie respectate următoarele trei reguli:

rețeaua poate avea cel mult cinci segmente conectate (distanța maximă dintre nodurile rețelei trebuie să nu depăsească 500m);

se pot folosi doar patru repetoare;

din cele cinci segmente, doar trei pot avea noduri atașate; celelalte două trebuie să fie legături între repetoare.

Fast Ethernet a modificat aceste reguli, deoarece unui pachet de dimensiune minimă îi ia mai putin timp propagarea prin mediul fizic decât în cazul unui Ethernet normal. Astfel că pentru Fast Ethernet sunt permise mai puține repetoare. În rețelele Fast Ethernet, există două tipuri de repetoare:

repetoare de clasa I au o latentă de 0.7 μs și sunt limitate la un repetor pe rețea;

repetoare de clasa II au latenta de 0.46 μs și sunt limitate la două repetoare pe retea.

Proiectarea unei rețele:

cerintele de rețea pentru fiecare stație;

gruparea stațiilor ce comunică cel mai des între ele în același segment;

căutarea modelelor de trafic pe departamente;

evitarea gâtuirilor prin legături rapide pe acele porțiuni; b#%l!^+a?

modificarea iterativă a stațiilor în cadrul segmentelor până când toate nodurile ajung la o utilizare mai mică de 35%.

Cablarea rețelei

Problemele cele mai des întâlnite într-o rețea Fast Ethernet sunt datorate instalării necorespunzătoare a cablurilor. Astfel că trebuie respectare câteva reguli și la cablarea rețelei:

pentru a se obține o performanță maximă, trebuie folosite cabluri UTP de categoria 5;

rețeaua Fast Ethernet este foarte sensibilă la zgomotele electrice și la interferențe, astfel că trebuie să se evite trecerea cablului de rețea pe lângă linii de tensiune, lumini fluorescente sau orice alt echipament electric de putere.

Congestionarea rețelei

Pe măsură ce creste numărul de utilizatori, dimensiunea aplicațiilor și datelor vehiculate în rețea, performanțele acesteia se deteriorează datorită folosirii mediului unic de comuniacație.

Factorii care afectează eficiența unei rețele:

cantitatea traficului;

numărul de stații;

dimensiunea pachetelor;

dimensiunile fizice ale rețelei.

Parametrii pentru măsurarea eficienței unei rețele Ethernet:

raportul între încărcarea maximă și cea medie;

rata coliziunilor – procentajul pachetelor cu coliziuni din numărul total de pachete;

rata de utilizare – procentajul traficului total fată de maximul teoretic pentru tipul de retea (10 Mbps).

Pentru determinarea acestor parametrii se pot folosi diferite utilitare de rețea, luându-se în calcul atât valorile medii cât și cele maxime. O rețea Ethernet functionează la parametrii optimi dacă rata coliziunilor nu depășeste 10% și dacă rata de utilizare este sub 35%.

Timpul de răspuns al rețelei (performanța rețelei transpusă în termenii utilizatorului) suferă pe măsură ce crește încărcarea acesteia, iar la creșteri nesemnificative ale traficului (din punctul de vedere al utilizatorului) performanța descrește foarte mult. Aceasta deoarece în Ethernet, numărul de coliziuni crește odată cu creșterea încărcării rețelei, cauzând retransmișii ce încarcă și mai mult rețeaua, producând mai multe coliziuni. Supraîncărcarea rețelei îngreunând traficul considerabil.

Soluții pentru creșterea performanțelor rețelei:

Soluții pentru creșterea performanțelor rețelei:

împărțirea rețelei în mai multe segmente ce întră într-un repetor:

amplificarea semnalului;

înlocuirea repetorului central cu un comutator:

conexiuni mai rapide la server(e);

izolarea traficului irelevant la fiecare segment de rețea;

adăugarea de comutatoare la backbone switched network – congestia unei rețele comutate poate fi rezolvată prin adăugarea de noi porturi de comutare și prin creșterea vitezei acestor porturi. Segmentele cu performantă scăzută sunt identificate prin măsurători de performantă și soluțiile posibile sunt:

segmentarea în continuare a respectivei porțiuni de rețea;

conexiuni mai rapide (Fast Ethernet).

Modificările aduse unei rețele sunt de cele mai multe ori evolutive și nu revoluționare; acestea făcându-se încet și încercând a se păstra cât mai mult din structura și echipamentele curente, înlocuindu-se doar cele învechite sau cele pentru care nu mai există nici o altă soluție.

Fast Ethernet este foarte ușor de adăugat la cele mai multe dintre rețele. Un comutator sau o punte (bridge) permite conectarea unui Fast Ethernet la infrastructura Ethernet existentă pentru a îmbunătăți viteza pe porțiunile critice. Tehnologia mai rapidă este folosită pentru a conecta comutatoarele între ele pentru a se evita gâtuirile.

Scopul și obiectivele lucrării b#%l!^+a?

Scopul proiectului:

Prezentarea câtorva noțiuni de sisteme integrate de monitorizare și control a mărimilor prin interfețe de proces cu comunicație Ethernet.

Obiectivul principal al proiectului:

Înțelegerea funcționării sistemelor integrate de monitorizare și control a mărimilor prin interfețe de proces cu comunicație Ethernet.

Conținutul lucrării

Lucrarea începe cu “Cuprinsul lucrării”, fiind structurată în 5 capitole după cum urmează:

În Capitolul 1 intitulat “Introducere”, sunt prezentate noțiunile de bază, necesare înțelegerii subiectului temei lucrării de față precum și argumentarea importanței abordării și tratării unei astfel de teme. Au fost abordate subiecte precum dezvoltarea aplicațiilor, direcții în achiziția datelor, topologii de sisteme, topologii de sisteme de comunicații printre care și comuniocația Ethernet.

În Capitolul 2 intitulat “Sisteme de dezvoltare cu microcontroller, sisteme inteligente de măsurare”, sunt prezentate noțiunile legate de elementele componente unei structuri care stă la baza sistemelor de dezvoltare inclusiv cele cu microcontroller și a celor inteligente.

În Capitolul 3 intitulat “Arhitectura software”, sunt prezentate câteva arhitecturi software posibile și implicațiile acestora în sistemele inteligente de măsurare și control.

Capitolul 4 intitulat “Modalități de implementare”, prezintă arhitecturi deja implementate și testate precum și o descriere succintă a acestora.

Lucrarea se încheie cu bibliografie în care au fost menționate sursele de inspirație și de preluare a informațiilor prezentate în această lucrare de licență.

b#%l!^+a?

SISTEME DE DEZVOLTARE CU MICROCONTROLLER, SISTEME INTELIGENTE DE MĂSURARE

Introducere în sisteme automate (SA) și sisteme de reglare automată (SRA)

În general, noțiunea de sistem delimitează o formă de existență într-un spațiu bine definit, delimitarea fiind evidențiată de structura sa internă.

O definiție a sistemului este ca fiind un model fizic al unui ansamblu de obiecte naturale sau artificiale, în care sunt specificate mărimile de intrare (numite și cauză) și mărimile de ieșire (numite și efect).

Conceptul general de sistem este utilizat frecvent în diverse domenii ale știintei și tehnicii. Astfel, în automatică, cel mai adesea întâlnim conceptul de sistem de conducere, sistem automat și sistem de reglare automată.

Noțiunea de automat desemnează:

calitatea unui sistem fizico-tehnic de a efectua, pe baza unei comenzi, o operație sau un complex de operații fără intervenția directă a operatorului uman;

un dispozitiv, aparat, instalație (sistem), care funcționează în mod automat.

Automatica este ramura științei care se ocupă cu studiul metodelor și mijloacelor prin intermediul cărora se asigură conducerea proceselor tehnice, fără intervenția directă a operatorului uman.

Figure 2.8 Procesul supus automatizării și sistemul

de conducere a proceselor.

Noțiunea automatizarea este implementarea practică a princiiilor, metodelor și mijloacelor de conducere a proceselor.

Un sistem automat este ansamblul compus din procesul condus, supus automatizării și mijloacele tehnice, respectiv echipamentele ce asigură automatizarea acestuia, conform schemei bloc prezentate în figura 2.2.

Figure 2.9 Schema bloc a unui sistem automat.

Conducere proces este definit ca fiind suma proceselor reglare, comandă și informare. [2, 8, 9]

Conducerea unui proces tehnic poate fi:

neautomată (manuală) – dirijarea este realizată de către operator;

automată – operatorul este înlocuit de un dispozitiv care fără intervenția omului acționează asupra procesului pe baza informațiilor primite din proces

Reglare este un proces în care o mărime, mărimea reglată, este măsurată continuu, comparată cu o altă mărime, mărimea de referință (de conducere) și în funcție de rezultatul acestei comparații se intervine în sensul aducerii mărimii reglate la valoarea celei de referință.

Comanda este un proces ce se desfășoară într-un sistem în care una sau mai multe mărimi de intrare influențează mărimile de ieșire, pe baza legităților specifice sistemului. b#%l!^+a?

Tehnica reglării automate este o componentă fundamentală a automatizării proceselor tehnologice și are drept scop realizarea reglării, cu eliminarea intervenției directe a operatorului uman.

Scopul reglării este de a aduce anumite mărimi din procesul tehnologic (temperaturii, presiuni, turații, etc.) la valori prescrise și de a le menține la aceste valori, prin eliminarea sau atenuarea efectului perturbațiilor.

În figura 2.3, este prezentată structura sistemului de reglare automată, cu detalierea blocului “Echipament de automatizare”, prezentat în figura 2.2.

Figure 2.10 Structura sistemului de reglare automată.

Sistemul de reglare automată prezentat în figura 2.3 are în componență blocurile funcționale principale RA (regulator automat), EE (element de execuție), T (traductor) iar mărimile caracteristice sistemului din figură, sunt: y (măsură), yr (referință), (eroare), u (comandă), m (execuție), z (calitate), v (perturbație).

Un sistem de reglare automată (SRA) îndeplinește sarcina de reglare dacă indiferent de acțiunea mărimilor exogene ce acționează asupra procesului este îndeplinită condiția de reglare:

pentru (2. 3)

După modul cum variază referința, reglarea este de două tipuri:

reglare cu referință constantă: valoarea semnalului yr rămâne constantă în timpul procesului de reglare și valoarea sa este în acest caz o valoare prescrisă. Este cel mai răspândit tip de reglare automată.

Reglare cu urmărire: valoarea semnalului de referință se modifică după funcție de timp dată.

Senzori și traductoare utilizați în achiziții de date

Un senzor este un dispozitiv care detecteză sau măsoară o anumită mărime fizică. În cele ce urmează, se vor prezenta senzori a căror mărime de ieșire este o mărime electrică. Dispozitivul opus senzorului este actuatorul (elementul de execuție) care convertește un semnal (în cele mai multe cazuri electric) într-o formă de acțiune, în cele mai multe cazuri, mecanică.

Un traductor este un dispozitiv care convertește o anumită formă de energie într-o altă formă de energie. Senzorii și actuatoarele constituie așadar forme particulare de traductoare și de obicei actuatoarele acționează sub comanda traductoarelor.

Diferența dintre senzori și traductoare este adesea foarte mică. Un senzor îndeplinește o funcție de traductor, iar un taductor trebuie să sesizeze o anumită mărime fizică. Diferența constă în eficiența conversiei de energie. Scopul unui senzor este acela de a detecta și a măsura o anumită mărime fizică și dacă randamentul sau este de 0,1 % sau de 5 %, nu are nici o importanță. În cazul unui traductor însă, datorită faptului că acesta realizează o conversie de energie dintr-o formă în alta, randamentul său este important.

Liniaritatea răspunsului, definită prin dependența dintre semnalul de ieșire și semnalul de intrare este de mare importanță în cazul unui senzor și mai puțin semnificativă în cazul unui traductor. În contrast, valoarea randamentului conversiei de energie este mai importantă în cazul unui traductor decât în cazul unui senzor.

Contactoarele se pot considera atât traductoare cât și senzori, deoarece orice contactor electric constituie un traductor mecano–electric și acționarea contactorului constituie un element important al funcționării multor tipuri de senzori și traductoare.

În mod convențional, clasificarea senzorilor se face după următoarele criterii:

după principiul conversiei;

după natura mărimii ce trebuie măsurată;

după tehnologia utilizată;

după caracteristicile aplicației în care se utilizează senzorul.

În general, senzorii sunt utilizați pentru detectarea următoarelor tipuri de energie: b#%l!^+a?energie radiantă, mecanică, gravitațională, electrică, termică și magnetică. Dacă se ia în considerare faptul că în prezent se utilizează în proiectarea senzorilor și a traductoarelor un număr de aproximativ 350 de principii de conversie, este evident că nu toate aceste principii au aceeași importanță. Limitând studiul de față la senzorii care au intrări/ieșiri electrice sau electronice, numărul principiilor de conversie a energiei se poate reduce la un nivel mai ușor de abordat.

Există două mărimi măsurabile care caracterizează orice senzor sau traductor. Aceste mărimi sunt: sensibilitatea răspunsului și capacitatea de detecție (detectivitatea).

Sensibilitatrea răspunsului se definește prin raportul:

(2. 3)

care reprezintă o măsură a randamentului detectării dacă cel două semnale sunt exprimate în aceleași unități de masură (de exemplu în wați), însă în mod normal sunt exprimate în unități de măsură diferite.

Capacitatea de detecție se definește prin:

(2. 3)

În care S/N reprezintă semnificația electrică uzuală a raportului semnal/zgomot. Ultima definiție poate fi reformulată sub forma:

(2. 3)

dacă această formă ușurează procesul de măsurare.

Senzori

Senzorii pot fi clasificați în:

senzori activi – pot genera la ieșire un anumit semnal fără a avea nevoie de o sursă externă de alimentare, cum ar fi: celulele fotovoltaice, termocuplele, și dispozitiveve piezoelectrice;

senzori pasivi – necesită a sursă extrenă de energie.

Rezoluția unui senzor constă în abilitatea acestuia de a detecta o modificare a mărimii de la intrarea acestuia și uzual se definește prin cel mai mic nivel de modificare ce poate fi sesizat de senzorul respectiv. [2, 9, 10]

Odată cu apariția, dezvoltarea și perfecționarea microcontrollerelor, s-a dezvoltat o nouă clasă de senzori, denumiți senzori inteligenți. Această clasă de senzori utilizează un senzor în miniatură integrat în același cip cu un procesor.

Avantajele integrării monolitice în același cip constau în:

obținerea unui raport semnal/zgomot îmbunătățit;

obținerea unei liniarități sporite a răspunsului în frecvență;

obținerea unei siguranțe sporite în funcționare.

Senzori de temperatură

Există metode variate de măsurare a temperaturii, fiecare dintre acestea având propriile caracteristici și posibilități.

Caracteristici de alegere a senzorilor de temperatură:

limitele domeniului de măsurare a temperaturii;

precizia, liniaritatea, sensibilitatea dorită;

constanta de timp necesară;

natura mărinii și unitatea de măsură necesară la ieșirea dispozitivului de măsurare a temperaturii;

raportul preț/calitate.

Pentru a realiza o măsurare precisă a temperaturii, se utilizează mai multe proprietăți fizice și electrice:

expansiunea sau contractarea unei anumite substanțe în momentul în care aceasta este încălzită sau răcită;

apariția unei tensiuni termoelectrice în momentul punerii în contact a două metalr diferite (termocuplele);

modificarea rezistenței electrice a unei substanțe în momentul modificării temperaturii acesteia (detectoare rezistive de temperatură, termistoare);

modificarea proprietăților radiațiilor electromagnetice în momentul modificării temperaturii mediului (fotografia în infraroșu, pirometria).

Senzori optici

Senzorii optici sunt dispozitive de măsurare care realizează conversia mărimii ce trebuie măsurată într-un semnal optic și aceta este convertit la rândul său într-un semnal electric prin intermediul unui traductor optoelectronic [2, 8, 9]. senzorii optici aparțin categoriei b#%l!^+a?de senzori fără contact fizic.

Semnalele de ieșire ale senzorilor optici sunt semnale electronice și metodele lor de interpretare sunt cunoscute în general. Din acest motiv, în cele ce urmează se va pune accent pe componenta optică a senzorului.

Senzori magnetici

Termenul “senzor magnetic” este folosit ȋn general pentru senzorii care funcționează pe principiile magnetismului.

În categoria senzorilor magnetici sunt cuprinși:

senzorii de câmp magnetic;

senzorii de curent electric.

Senzorii magnetici sunt de obicei senzori fără contacte, din care cauză sunt robuști, astfel ȋncât datorită acestor proprietăți au atins o poziție dominantǎ ȋn domeniul industriei de automobile și în numeroase alte sectoare industriale. [2, 9]

Senzori de mișcare în infraroșu

Un senzor pasiv cu infraroșu (PIR) este un dispozitiv electronic care măsoară în infraroșu, lumina care radiază de la obiectele aflate în câmpul său vizual. Aparent mișcarea este detectată atunci când un corp cu o anumită temperatură trece prin fața sursei infraroșu cu o altă temperatură.

Acest lucru înseamnă că senzorul detectează căldura de la trecerea unui obiect prin câmpul de acțiune al senzorului și acel obiect rupe câmpul pe care senzorul l-a determinat ca fiind “normal”. Orice obiect, chiar unul de aceeași temperatură ca și obiectele din jur va activa senzorul PIR dacă corpul se deplasează în câmpul vizual al senzorului.

Toate obiectele emit energie sub formă de radiații. De obicei, radiațiile infraroșii sunt invizibile pentru ochiul uman, dar pot fi detectate de dispozitive electronice concepute în acest sens.

Figure 2.11 Principiul senzorului în infraroșu [2].

Detectoarele pasive de radiații infraroșu primesc energie invizibilă radiată de obiectele aflate în câmpul lor vizual. Ele sesizează în fapt schimbarea acestei energii.

Elementele componente principale sunt:

partea optică – are rolul de a focalizeaza energia termica pe senzorul de captură.

senzorul propriu-zis – are rol de detector;

circuitul de procesare – analizează semnalul electric și separă alarmele reale de cele false.

Traductoare

În funcție de mãrimea mãsuratã traductoarele se clasifică în următoarele tipuri:

traductoare de temperaturã;

traductoare de presiune;

traductoare de debit;

traductoare de nivel,

traductoare de poziție;

traductoare de umiditate;

traductoare de vitezã, etc.

În figura 2.5 sunt prezentate elementele componente ale unui traductor. Mărimea de intrare aplicată la intrarea traductorului, reprezintă parametrul ce trebuie măsurat. Acesta poate fi temperatură, debit, presiune, turație, nivel, și altele.

Mărimea de ieșire este valoarea mărimii măsurate exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune).

b#%l!^+a?

Figure 2.12 Structura generală a unui traductor.

În care:

x – mărimea de măsurat (mărime de intrare);

y – mărimea măsurată (mărime de ieșire);

ES – elementul sensibil;

ET – element de transmisie;

A – adaptor;

SAE – sursa auxiliară de energie.

Elementul sensibil ES numit și detector, senzor sau captor, este elementul care detectează mărimea fizică pe care traductorul trebuie să o măsoare.

Elementul de transmisie ET este un element auxiliar care realizează legături electrice, mecanice, optice sau de altă natură în situațiile în care tehnologiile de realizare a traductorului o impun.

Adaptorul A are rolul de a adapta informația primită de la ieșirea ES, la cerințele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează.

Sisteme de achiziții de date cu microprocesor. Structuri hardware

Un sistem de achiziție de date cu microcontroller este un sistem inteligent care poate lua decizii bazate pe informațiile preluate din sistem, poate prelucra informația și pe baza rezultatelor obținute ia o decizie.

Figure 2.13 Sistem de achiziții de date cu multiplexare temporală [7].

Un sistem de achiziție de date cu n canale de intrare poate fi realizat în următoarele trei configurații [7]:

sistem cu multiplexare temporală (figura 2.6);

sistem cu achiziție sincronă de date (figura 2.7);

sistem rapid de achiziție de date (figura 2.8).

Figure 2.14 Sistem de achiziții sincronă de date [7].

b#%l!^+a?

Figure 2.15 Sistem rapid de achiziții de date [7].

În figura 2.9 sunt prezentate module funcționale principale ale unui sistem de achiziție de date. Printre acestea, cele mai importante sunt următoarele blocuri:

convertoare de intrare;

circuite de multiplexare analogică;

circuite de eșantionare-memorare (E/M);

circuite pentru conversia datelor – convertoare analog – digitale (CA/D) și digital – analogice (CD/A);

registre tampon (buffer-e);

unitatea centrală de prelucrare (μP);

interfața de interconectare cu calculatorul personal.

Figure 2.16 Schema bloc a unui sistem de achiziție de date [7].

Complexitatea tot mai mare a sistemelor industriale necesită sisteme tot mai sofisticate pentru monitorizarea și controlul lor. Sistemele cablate sunt incapabile să țină pasul cu evoluția tot mai spectaculoasă a sistemelor industriuale. Sigurele care se pot adapta continuu și rapid necesităților sunt sistemele microprogramate respectiv controlerele de proces (figura 2.10).

Unitatea centrală se poate realiza utlizând microprocesoare sau microcontrolere. Microcontrolerele au avantajul incorporării memoriei RAM, EEPROM, FLASH precum și a altor periferice. O unitate centrală realizată cu microcontroler este prezentată în figura 2.11.

b#%l!^+a?

Figure 2.17 Schema bloc a unui controller de proces [17].

Figure 2.18 Schema bloc unitate centrală [17].

Achiziția datelor în cadrul sistemelor de monitorizare [18]

Perfecționarea mijloacelor de măsurare a făcut posibile noi și noi descoperiri în tehnică și știință, care, la rândul lor, s-au reflectat în mod direct asupra realizării unor mijloace de măsurare din ce în ce mai precise, mai rapide, mai flexibile. Astfel, ca o reacție în lanț, dezvoltarea măsurărilor și dezvoltarea diferitelor științe și tehnologii s-au stimulat reciproc în beneficiul progresului și civilizației.

Dacă, în trecut, în cea mai mare parte, măsurările erau concentrate în laboratoarele de cercetare sau de încercări, în ultimele decenii ale secolului nostru, măsurările au invadat domeniul industrial și joacă un rol activ în producție. Dezvoltarea foarte rapidă a electronicii și informaticii a pus la dispoziția inginerilor o multitudine de echipamente, având funcții noi și complexe, realizate sub formă monolitică sau modulară, ușor de instalat și de pus în funcțiune.

Dezvoltarea calculatoarelor personale, progresul lor spectaculos în ceea ce privește viteza de operare și capacitatea de stocare, asociate cu sisteme de operare și software din ce în ce mai performante, cu posibilități de prelucrare numerică din ce în ce mai complete și mai sofisticate constituie un suport stimulativ pentru realizarea unor sisteme de măsurare tot mai performante. În paralel, s-au dezvoltat circuite specializate, asociate microprocesoarelor, pentru a permite realizarea de sisteme de măsurare și prelucrare numerică complexă a semnalelor capabile de să lucreze în timp real. În ultimul timp, aparatele numerice cu μP și-au impus superioritatea față de toate celelalte mijloace de măsurare.

Avantajele acestor aparate nu se limitează numai la ușurința și flexibilitatea în prelucrarea semnalelor de măsurare, ci ele permit, în același timp, dezvoltarea și organizarea unor sisteme de măsurare raționale și eficiente pe care le necesită astăzi domeniul industrial. b#%l!^+a?

După 1983, a apărut și s-a dezvoltat conceptul instrumentației personale, care permite transformarea calculatorului într-un instrument de măsurare deosebit de performant, spre exemplu, în osciloscop asociat cu voltmetru numeric.

Calculatorul personal devine astfel un aparat de măsurare complex și complet, care poate înlocui cea mai mare parte a aparaturii necesare unui laborator de măsurare din domeniul mărimilor electrice.

Se perfecționează continuu și cartelele de achiziții de date, adaptate nevoilor utilizatorilor din toate domeniile științei și tehnicii, concomitent cu standardizarea sistemelor de interfață și a mediilor de programare, trecându-se, și în domeniul software-lui pentru măsurări, la programarea vizuală (LabVIEW, LabWINDOWS, Test Point, HPVEE etc.) și la utilizarea pe scară largă a Instrumentelor Virtuale.

Dezvoltarea rețelelor informatice, a Internet-ului în ultimii ani, a făcut posibilă interconectarea la mare distanță a diverselor componente ale unui sistem de măsurare, dezvoltându-se un nou concept, acela de sistem distribuit de măsurare. În cadrul acestor sisteme distribuite, componentele sistemului posedă inteligență proprie, fiind capabile de acțiuni și prelucrări independente, subordonate sau lucrând în cooperare cu un computer master. Se poate vorbi deci de inteligență distribuită asociată cu conducerea la distanță a proceselor, de BUS-uri inteligente și de sisteme inteligente având traductorul asociat cu sistemul de prelucrare a datelor și cu elementul de execuție, sub numele de traductoare inteligente.

În domeniul echipamentelor, încorporarea prin construcție a unei rețele de senzori și a unei inteligențe proprii, conferă acestora posibilitatea de a monitoriza și autoevalua, putând lua decizii în sensul optimizării funcționării sau al protecției la avarii, apărând noțiunea de echipamente inteligente (Smart Engine).

Mai mult, s-a trecut la încorporarea unei rețele de senzori în construcția unor structuri capabile deci să se autoevalueze cu ajutorul unui sistem inteligent și să semnaleze pericole de defectare înainte ca ele să producă sau să protejeze structura prin limitarea solicitărilor la care este supusă, devenind astfel structură inteligentă.

ARHITECTURA SOFTWARE b#%l!^+a?

Sisteme DAQ și conducerea proceselor cu calculatorul

Utilizarea calculatoarelor numerice în cercetare și în industrie pe 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 are în general trei componente principale (fig.1 și 2):

– achiziția datelor (analogică);

– transformarea datelor;

– prelucrarea datelor.

Figure 3.19 Structura generală sistem DAQ.

Figure 3.20 Poziționarea DAQ în cadrul unui proces asistat.

Componentele de bază ale unui sistem de achiziție de date asistat de calculator, prezentate în figura 3.3, sunt următoarele:

calculatorul personal (personal computer) – procesoarele moderne și arhitectura magistralelor de comunicație permit utilizarea calculatoarelor personale în structura sistemelor de achiziție a datelor;

traductoarele (transducers) – Traductoarele sesizează fenomenele fizice și b#%l!^+a?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 ;

condiționerul de semnale (signal conditioning);

echipamentele de achiziție și analiză a datelor (data acquisition and analysis hardware) – au rolul de interfață între calculator și mediul extern deoarece digitizează semnalele analogice de intrare, astfel încât calculatorul să le poată interpreta;

programele de achiziție (software).

Figure 3.21 Sistem de achiziție de date asistat de calculator.

Programul de achiziție

Programele de calcul numite software, se împart în trei categorii principale:

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.

Programul de aplicație

Programele de aplicație realizează următoarele :

analizează, memorează, condiționează și prezintă rezultatele sub o formă convenabilă pentru utilizator;

generează semnale sau alte evenimente.

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.

Sisteme de achiziție și control în industrie b#%l!^+a?

Sistemul SCADA

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) este tehnologia care oferă utilizatorului posibilitatea să colecteze date de la unul sau mai multe echipamente aflate la distanță și să transmită un set limitat de instrucțiuni de comandă acestor echipamente.

Descrierea sistemului SCADA

Sistemul SCADA este utilizat pentru a conduce și monitoriza, dintr-o locație centrală, elementele ce țin de funcționarea unui subsistem al unui proces, în situația de față, energetic, de exemplu funcționarea unui boiler pentru producerea de abur industrial. Parametrii tehnologici ce trebuie urmăriți sunt debitul apei de alimentare, debitul aburului consumat, nivelul apei în tambur, presiunea aburului, precum și alte mărimi de proces.

Principalele obiective ale unui sistem SCADA destinat rețelelor de monitorizare și reglare al unui subsistem din domeniul energetic sunt următoarele [19]:

Monitorizare subsistem.

Sistem de comandă a sistemului energetic astfel încât să se obțină performanțele impuse.

Memorarea datelor cu privire la comportarea subsistemului și întocmire de rapoarte privind evoluția variabilelor de interes.

Furnizare informații cu privire la performanțele obținute și stabilirea unui plan de management.

Implementarea unei structuri de reglare automată ce asigură atingerea obiectivelor și a performanțelor.

Implementarea unui sistem de alarmă ce permite diagnosticarea defectelor apărute în proces.

Figure 3.22 . Sistem tipic SCADA.

Un sistem SCADA este, așadar, un sistem de colectare și analiză de date în timp real și este folosit pentru monitorizarea și controlul centralelor sau echipamentelor industriale.

Acest sistem se caracterizează prin:

adunarea informațiilor;

transmiterea informațiilor înapoi la serverul central;

generarea de alerte referitoare la problemele apărute;

executarea procedurilor de analiză și control necesare situației respective;

afișarea informațiilor într-o formă organizată.

Cea mai mare parte a operațiunilor se execută automat de către RTU – unități terminale comandate la distanță (Remote Terminal Unit) sau de către PLC- unități logice de control programabile (Programmable Logic Controller).

În cadrul sistemelor SCADA pentru procesele care furnizează abur industrial este posibil ca mai mulți operatori să solicite acces simultan la Server. În acest caz, sistemele SCADA sunt concepute să satisfacă aceste cerințe incluzând canale de comunicație între calculatorul central și unitățile de conducere automată la distanță.

Stațiile de lucru ale operatorilor sunt calculatoare conectate în rețeaua SCADA și sunt considerate clienți, iar stația centrală reprezintă serverul pe care rulează aplicația SCADA.

Clienții solicită și transmit informații de la/spre Server în funcție de anumite acțiuni sau situații în cadrul unei rețele locale. Rețeaua LAN permite schimbul de informații, mesaje sau resurse partajate între mai mulți utilizatori situați într-o arie geografică relativ mică, inclusiv cu calculatorul central.

Aplicația ce rulează pe o platformă SCADA este o aplicație cu o interfață grafică prietenoasă, intuitivă destinată unei automatizări industriale. Prin intermediul ei se realizează comunicarea la distantă cu un PLC sau RTU pentru monitorizarea nivelului, a debitului de apă de alimentare, a temperaturii, a căldurii furnizată de arzătoare, a presiunii din tamburul b#%l!^+a?boilerului și utilizează protocoale sau alte dispozitive ce folosesc interfața serială [13].

Achiziția de date începe la nivelul RTU sau PLC și implică citirea indicatoarelor de măsură și a stării echipamentelor care apoi sunt comunicate la cerere către SCADA. Datele sunt apoi restructurate într-o formă convenabilă operatorului care utilizează o HMI (Human Machine Interface), pentru a putea lua eventuale decizii care ar ajusta modul de lucru normal al RTU/PLC. (Un sistem SCADA include componentele: HMI, controllere, dispozitive de intrare-ieșire, rețele, software și altele).

Componentele sistemului SCADA

Sistemele SCADA sunt alcătuite din componente de natură diferită, acestea fiind conectate intre ele. Astfel, putem vorbi despre:

componente de măsurare – în cazul rețelelor de transport și distribuție fluide se măsoară presiunea, temperatura și debitul, iar pentru rețele electrice se măsoară tensiunea, curentul și frecvența.

componente de acționare și automatizare – exemple pentru rețele de transport și/sau distribuție de fluide: vane și robinete comandate, pompe prevăzute cu comandă; pentru rețele electrice: comutatoare, întrerupătoare, disjunctoare comandate.

componente hardware – panouri de comandă, calculatoare, imprimante, plottere, monitoare, afișaje sinoptice, module de conducere a proceselor inteligente, module de comandă cu logică programată, unități de stocare (discuri și/sau benzi magnetice).

componente software – sisteme de operare (in timp real sau nu), sisteme de culegere a datelor, sisteme de gestionare a bazelor de date, programe de simulare, programe de comunicații, programe de arhivare/incriptare/restaurare a datelor.

componente de comunicații – comunicațiile se pot efectua pe diferite căi:

rețele LAN – cablurile rețelelor (cabluri coaxiale, UTP, optice), plăci de rețea;

linii telefonice – linii telefonice,modemuri

mijloace de comunicații radio terestre – stații de emisie – recepție, relee de transmisie

mijloace de comunicații prin sateliți – stații de emisie-recepție sateliți

RTU sau PLC

RTU (Remote Terminal Unit) sunt unități terminale comandate la distanță, ce realizează conexiunea cu echipamentele supravegheate, astfel:

citesc starea acestora (cum ar fi poziția deschis/închis a unui releu sau valve);

citesc mărimile măsurate (cum ar fi presiunea, debitul, tensiunea sau curentul);

controlează echipamentele trimițând semnale, cum ar fi închiderea unui releu sau valve, setează viteza unei pompe, etc;

pot citi stări logice digitale sau măsurători analogice și pot trimite comenzi digitale sau setări de valori analogice de referință.

O parte importantă a implementărilor SCADA sunt alarmele. O alarmă este starea logică a unui punct care poate avea valoarea NORMAL sau ALARMAT. Alarmele pot fi create în așa fel încăt ele se activează atunci când condițiile sunt îndeplinite.

Alarmele îndreaptă atenția operatorului SCADA spre partea sistemului care necesită o intervenție. La activarea alarmelor, un manager de alarme poate trimite mesaje email sau text operatorului.

PLC (Pogrammable Logic Controller) sunt controllere logice programabile.

Un PLC, este un mic calculator cu un microprocesor folosit pentru automatizarea proceselor cum ar fi controlul unui utilaj într-o linie de asamblare. Programul unui PLC poate adesea controla secvențe complexe și de cele mai multe ori este scris de către un inginer. Programul este apoi salvat în memoria EEPROM.

Ceea ce diferențiază un PLC de alte calculatoare este faptul că este prevăzut cu intrări/ ieșiri către senzori și relee.

Pe lângă faptul că PLC-urile citesc starea echipamentelor automatizate, comandă motoarele electrice, pneumatice sau hidraulice, relee magnetice.

Folosind standardul IEC 61131-3 acum este posibilă programarea PLC folosind limbaje de programare structurată și operații logice elementare. La unele PLC este disponibilă programarea grafică denumită Sequential Function Charts bazată pe Grafcet.

HMI (Human Machine Interface) este interfața om-mașină.

Industria de HMI/SCADA a aparut din nevoia unui terminal prietenos pentru utilizator într-un sistem alcătuit cu unități PLC. b#%l!^+a?

Un PLC este programat să controleze automat un proces, însă faptul că unitățile PLC sunt distribuite într-un sistem amplu, colectarea manuală a datelor procesate de PLC este dificilă. De asemenea, informațiile din PLC sunt de obicei stocate într-o formă brută, neprietenoasă. [10]

HMI/SCADA are rolul de a aduna, combina și structura informațiile din PLC printr-o formă de comunicație. Încă din anii 1990 rolul sistemelor SCADA în sistemele inginerești civile s-a schimbat, necesitând o mai mare cantitate de operațiuni executate automat. Un HMI elaborat, poate fi conectat la o bază de date pentru realizarea de grafice în timp real, analiza datelor, proceduri de întreținere planificate, scheme detaliate pentru un anumit senzor sau utilaj, precum și metode de depanare a sistemului. Din 1998, majoritatea producătorilor de PLC oferă sisteme HMI/SCADA integrate, cele mai multe folosind sisteme de comunicație și protocoale deschise. Majoritatea sistemelor HMI/SCADA oferă compatibilitate cu PLC-urile.

Stația Master și HMI

Termenul se referă la serverele și software-ul responsabil de comunicarea cu echipamentele amplasate la distanță (RTU, PLC, etc) și apoi cu software-ul HMI care rulează pe stațiile de lucru din camera de control. În sistemele SCADA mici, stația master poate fi un singur PC iar în sistemele mari, stația master poate include mai multe servere, aplicații software distribuite și unități de salvare în caz de dezastre.

Un sistem SCADA prezintă de regulă informația operatorului sub forma unei schițe sugestive. Aceasta înseamnă că operatorul poate vedea o reprezentare a instalației supravegheate.

De exemplu, o imagine a unei pompe conectate la o conductă poate afișa operatorului faptul că pompa lucrează și cât fluid este pompat prin conductă, la un moment dat. Operatorul poate efectua operații asupra pompei, de exemplu, o poate opri. Software-ul HMI afișează debitul fluidului în scădere în timp real.

Infrastructura de comunicație

Sistemele SCADA folosesc combinate conexiuni radio, seriale sau conexiuni modem în funcție de necesități. Pentru amplasamente mari cum ar fi stații de alimentare sunt folosite Ethernet și IP/Sonet.

Protocoalele SCADA sunt concepute foarte compacte și multe sunt concepute ca să poată trimite informații stației master chiar și cand stația master interoghează RTU.

Protocoalele inițiale SCADA de bază sunt Modbus, RP-570 și Conitel. Aceste protocoale sunt dependente de producător. Protocoalele standard sunt IEC 60870-5-101 sau 104, Profibus și DNP3. Acestea sunt protocoale standardizate și recunoscute de majoritatea producătorilor SCADA. [10]

Multe dintre aceste protocoale conțin acum extensii pentru operarea pe TCP/IP, cu toate acestea securitatea cerută în practică, sugerează evitarea conexiunii la internet, pentru a reduce riscurile unor atacuri informatice.

Etapele proiectării unei aplicații SCADA

Proiectarea unei astfel de aplicații presupune parcurgerea succesivă a câtorva pași [2]:

Planificarea resurselor necesare pentru proiectare: numărul de calculatoare, de module hardware specializate pentru achiziție de date și pentru transmisia datelor la distanță, sistemele de operare folosite, rețeaua de interconectare, eventuale module de cod sau obiecte reutilizabile, numărul de utilizatori și modul în care aceștia vor avea acces la componentele aplicației, modalitatea de înregistrare a datelor, rezervarea resurselor critice.

Conectarea calculatoarelor la modulele hardware de monitorizare și conducere. Crearea procesului sau proceselor server și implementarea comunicației directe cu modulele hardware ale aplicației.

Crearea procesului sau proceselor client – interfața necesară pentru operarea aplicației SCADA: conectarea la procesul server, configurarea și tratarea alarmelor, construirea interfeței cu operatorul și implementarea elementelor de reglare al accesului la aplicație.

Stabilirea formatului și a condițiilor de generare a rapoartelor despre situația aplicației SCADA.

Încărcarea modulelor aplicației în rețea, documentarea și testarea finală a aplicației SCADA.

Arhitectură software

Aplicațiile de tip SCADA constau în: b#%l!^+a?

Aplicație

Structură multinivel (nivel proces, nivel conducere locală, nivel dispecerizare) asamblată pe un sistem de comunicații

Nucleu cu funcții de bază

Set de interfețe utilizator controlate hardware și software

Mediu de dezvoltare cu instrumente specifice de dezvoltare de tipul:

Editor de aplicație

Editor grafic

Șabloane pentru configurarea parametrilor (import/export, biblioteci)

Set de instrumente de dezvoltare drivere

În proiectarea SCADA trebuie ținut cont de:

Accesibilitatea componentelor:

vizibilitate

controlabilitate

Sincronizări

Stări inițiale determinate

Scalabilitate

Asigurarea deschiderii pentru dezvoltări ulterioare:

includere de subsisteme

inclusă ca subsistem

Redondanță

Funcționalitate

Figure 3.23 . Sistem tipic SCADA.

Figure 3.24 . Arhitectura tipică pentru sistemele de comunicatii tip SCADA.

Protocoale standard:

Industrial Ethernet,

MODBUS-TCP,

MODBUS PLUS, CAN,

PROFIBUS, PROFINET,

EtherCAT, AS-I,

FOUNDATION Fieldbus, b#%l!^+a?

IEC61158, IEC61850,

IEC60870-5-101-…-104,

DNP3, IEC61107,

IEC62056

Funcții principale SCADA:

Achiziția datelor din proces

Gestionarea alarmelor

Supervizarea buclelor de automatizare

Stocarea și Arhivarea

Urmărirea evoluției și Generarea rapoartelor

Controlul accesului

Funcțiile de anvelopă:

Comunicația

Interfața Om Mașină – HMI

Sistemul Internet Of Things

Internet Of Things este un concept care definește o lume în care toate obiectele (mașini, electrocasnice, sisteme de iluminat, dispozitive mobile, portabile, etc) sunt conectate între ele cu ajutorul internetului.

Potrivit directorului general al Cisco România, această tehnologie va genera valoari mii de miliarde de dolari până în anul 2024, prin managementul eficient al resurselor, creșterea productivității angajaților, generarea de noi venituri și creșterea beneficiilor pentru populație. [22]

Figure 3.25 . Senzori utilizați în sistemele de comunicatii tip IoT.

Invenția tehnologiei IoT a venit cu ajutor în scopul economisirii de resurse. Este necesară o interfață web prin care pot fi accesate echipamentele din toate domeniile (locuințe, serviciile medicale, industrie, etc). Prin interconectarea echipamentelor se trimit informații prin Internet, serverului care gestionează acele dispozitive, fără ajutorul unui calculator PC sau smartphone.

Pentru a putea realiza acest lucru sunt necesare și obligatorii, pe lângă Internet, o serie de echipamente. [22]

RFID – Radio-frequency identification

RFID este o tehnologie care folosește un dispozitiv care poate stoca date și care poate fi atașat de acel dispozitiv, poate fi citit, rescris ori de câte ori este nevoie. Este deja utilizat pentru accesul în clădiri, urmarirea de animale, obiecte, deschiderea de portiere la mașini, etc.

Avantajul primordial a tehnologiei constă în faptul că aceste dispozitive sunt ușor de produs implicând costuri reduse.

Exemplu de implementare:

sistemul pe care funcționează anumite porturi din China. Traficul vapoarelor este supervizat automat cu ajutorul RFID-urilor plasate pe ele și a unor cititoare de putere plasate strategic, prin care se autocompletează datele și actele necesare de plecare și intrare în acele porturi. b#%l!^+a?

Figure 3.26 . Echipamente RFID utilizate în

sistemele de comunicatii tip IoT.

QR-codes – link de obiect Quick Response code [22]

Este un frate mai mare al codurilor de bare. Poate stoca mai multe date și poate fi citit de mult mai multe aparate incluzând și majoritatea smartphone-urilor. Implică mai puține costuri la implementare decat RFid-urile.

Dezavantajele tehnologiei:

nu pot fi decăt citite;

pentru a schimba informația de pe ele este necesar să fie regenerate și reprintrate.

Avantajele tehnologiei:

pot stoca text și linkuri care sunt interpretate automat de telefon și sunt încărcate în browser.

Figure 3.27 . Echipamente QR codes utilizate în

sistemele de comunicații tip IoT.

Senzori

Scopul acestor dispozitive este măsurarea caracteristicilor pentru care au fost concepuți și transmiterea informațiilor supervizorilor. Printre senzori utilizați în sistemele de comunicații de tip IoT pot fi menționați senzorii acustici, de vibrație, chimici, electrici, magnetici, radio, de vreme, de umiditate, de curgere, de radiație, de poziție, de unghi, de viteză, de accelerație, optici, de presiune, de forță, de densitate, de nivel, termici, de prezență, etc. [22]

Figure 3.28. Senzori utilizați în

sistemele de comunicații tip IoT.

Microcontrolere

Datorită faptului că senzorii nu pot trimite informațiile colectate direct pe Internet, au fost necesare utilizarea unor dispozitivecare să poată interpreta aceste date și mai apoi să le trimită pe Internet. Aceste dispozitive sunt circuite integrate de dimensiuni mici. Cei doi mari producători de pe piață sunt Atmel AVR și ARM.

Figure 3.29. Microcontrolere utilizate în

sistemele de comunicații tip IoT.

Proiectul Arduino este o platforma open source care a început să câștige teren din anul 2005. Bazat pe un micontreller 8Bit Atmel AVR acesta oferă posibilități de intrare cât și ieșire precum și posibilitatea conectării la calculator în vederea programării.

Printre alte proiecte similare mai amintim proiectul RaspberryPi care promite un sistem bazat pe ARM cu sistemul de operare linux, prețul scăzut al acestuia făcându-l perfect pentru integrarea cu Internet of Things.

Module WiFi & Ethernet

Având datele colectate de către senzori și procesându-le cu un microcontroller acestea pot fi trimise spre Internetprin utilizarea tehnologiei Ethernet sau WiFi. Plăcile de rețea pentru PC nu vor funcționa direct cu microcontrollerele de aceea sunt necesare modulele capabile să funcționeze singure precum cele de la Roving Networks care au o integrare bună cu proiectul b#%l!^+a?Arduino.

Figure 3.30. Module WiFi & Ethernet utilizate în

sistemele de comunicații tip IoT.

MODALITĂȚI DE IMPLEMENTARE

Acest capitol are drespt scop prezentarea unei modalități de implementare precum și descrierea componentelor sistemului.

Arhitectura propusă a fost testată pe un sistem WEB.

Un mediu distribuit cuprinde calculatoare, LAN-uri și WAN-uri, periferice, diverse sisteme de operare, middleware și aplicații, unde resursele sunt partajate.

Va fi prezentată o arhitectură pentru managementul AD (aplicațiilor distribuite) incluzând managementul, administrarea, sistemele de măsură și control interco-nectate pentru a genera monitorizarea si managementul fazelor ciclului de viață al unui AD.

În acest scop se definesc modelele de procesare a cererilor utilizatorilor și modelele de resurse.

Elementele unei arhitecturi pentru managementul AD sunt prezentate în figura 4.1. Pentru oricare din taskurile generale (instalare, monitorizare QoS, diagnoza), se pot detecta dependente între parametrii QoS pe divese niveluri ale arhitecturii, alaturi de proprietatile lor interpretabile specific pentru un anumit task de management.

b#%l!^+a?

Figure 4.31 . Cerințe și partajare resurse. [7]

Configurația sistemului

Configurația sistemului este prezentată în figura 4.1.

Figure 4.32 . Configurația sistemului.

Arduino Ethernet [24]

Arduino este o platformă de dezvoltare open-source. A fost concepută pentru aplicații care interacționeze cu obiectele din jur. Ideală pentru a realiza prototipuri și pentru a învăța bazele electronicii și programării.

Arduino Ethernet este un microcontroler bazat pe ATmega328. Are 14 pini digitali și 6 analogici și mufa RJ45 pentru conectare la internet. Are deasemenea și cititor SD card.

Figure 4.33 . Arduino Ethernet.

Caracteristici tehnice ale echipamentului:

Producător: ARDUINO

Microcontroler: ATMEGA328, W5100

Interfață UART

Număr diode: 4

Comunicare cu calculatorul: USB

Tip conector:

ICSP

RJ45 ecranate magnetic

USB B micro

soclu pini

de alimentare

Caracteristici programatoare/dispozitive de ștergere:

soclu card microSD

terminalele liniilor I/O ale microcontrolerului pe conectori tip ac

rezonator pentru microcontroler

b#%l!^+a?

Figure 4.34 . Schema plăcii Arduino Ethernet.

Arduino Wifi Shield [25]

Shield wifi pentru Arduino. Shield-ul vine de la producator setat pentru modul programare. Pentru a fi utilizat in mod obisnuit, va trebui sa scoti jumper-ul (prin tragere in sus cu mana libera) din stanga SD-card-ului.

Figure 4.35 . Arduino wifi shield.

Caracteristici tehnice ale echipamentului:

Producător: ARDUINO

Microcontroler: ATMEGA32UC3A1256, HDG104

Conținut set: placă prototip

Interfață UART, SPI

Număr diode: 4

Număr butoane: 1

Carcasă circuite asociate TQFP100

Comunicare cu calculatorul: USB

Tip conector:

ICSP

RJ45 ecranate magnetic

USB B micro

soclu pini

șiruri pini

Caracteristici programatoare/dispozitive de ștergere:

soclu card microSD

antenă incorporată

b#%l!^+a?

Figure 4.36 . Schema plăcii Arduino wifi shield.

Arduino GSM Shield [26]

Shield-ul Arduino GSM se conectează la Internet folosind rețeaua wireless GPRS.

Conectarea:

se conectează acest modul pe placa Arduino,

se conectează o cartela SIM de la un operator cu acoperire GPRS;

se urmăresc câteva instrucțiuni simple pentru a începe controlul prin intermediul internetului.

De asemenea, se pot efectua/primi apeluri vocale în acest caz fiind necesare un difuzor și un microfon extern și se pot trimite/primi mesaje SMS.

Necesită o placă Arduino (nu este inclusă)

Tensiune de lucru 5V (furnizată de placa Arduino)

Conectare cu Arduino Uno prin pinii 2, 3 (Software Serial) și 7 (Reset)

Shield-ul folosește un modem radio M10 de la Quectel. Este posibilă comunicarea cu placa folosind comenzi AT. Biblioteca GSM are multiple metode pentru a comunica cu shield-ul.

Shield-ul utilizează pinii digitali 2 și 3 pentru comunicarea software seriala cu M10. Pinul 2 este conectat la pinul TX M10 si pinul 3 la pinul RX. Pinul PWRKEY de la modem este conectat la pinul 7 Arduino.

M10 este un modem quad-band GSM / GPRS care functioneaza la următoarele frecvențe:

GSM850MHz

GSM900MHz

DCS1800MHz

PCS1900MHz

Suporta TCP/UDP și protocoale HTTP printr-o conexiune GPRS. Viteza de transfer GPRS maximă de downlink și uplink este 85.6 kbps.

Pentru a interfera cu rețeaua telefonică, placa necesită o cartela SIM furnizată de un operator de rețea. Adaptorul SIM micro-nano este inclus.

Placa trebuie alimentata de la o sursă externă, care poate oferi între 700mA și 1000mA. Nu se recomandă alimentarea plăcii Arduino și a shield-ului GSM de la o conexiune USB, deoarece aceasta nu poate furniza curentul necesar atunci cand modemul este în uz intens.

Modemul poate trage până la maxim 2A în timpul transmisiei de date.

Shield-ul conține un număr de LED-uri de stare:

ON: arată faptul ca Shield-ul este alimentat

Status: se aprinde atunci când modemul este alimentat și se transferă date la/de la rețeaua GSM/GPRS

Net: clipește cand modemul comunică cu rețeaua radio b#%l!^+a?

Figure 4.37 . Schema plăcii Arduino GSM shield.

Figure 4.38 . Arduino GSM shield.

Arduino LCD 16X2 Shield [27]

Figure 4.39 . Arduino LCD 16X2 shield.

Acest shield conține un ecran LCD 16 X 2 cu iluminare cu led precum și un shield cu toate componentele necesare pentru conectarea la Arduino, gata lipită. Este complet asamblat și are pinii pentru Arduino deja lipiti. Acest lucru face extrem de simplă utilizarea lui (codul integral este disponibil mai jos).

Produsul include LCD-ul 16 X 2 cu iluminare, shield-ul și pinii pentru Arduino.

Documentație

LCD-ul utilizeaza pinii digitali de la 2 pana la 7, astfel :

pinul digital 7 – RS LCD

pinul digital 6 – E LCD

pinul digital 5 – DB4 LCD

pinul digital 4 – DB5 LCD

pinul digital 3 – DB6 LCD

pinul digital 2 – DB7 LCD

Cod sursa Arduino

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2);

void setup() {

Serial.begin(9600);

lcd.begin(16, 2);

}

void loop() { b#%l!^+a?

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.print("Hello World,");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("ROBOFUN is cool!");

}

Senzor de temperatură TMP 102 [28]

Acesta este un breakout pentru senzorul digital de temperatură TMP102 la 3,3V. TMP102 este un senzor digital (I2C sau DST) cu o rezoluție de 0.0625°C și este exact până la 0,5°C. Senzorul necesită foarte puțin curent și are multe de funcții.

Comunicarea cu TMP102 se realizează printr-o interfață serială cu două fire. Placa nu conține niciun regulator de tensiune on-board; de aceea tensiunea trebuie să fie între 1,4V și 3,6VDC. Condensatorii de filtrare și rezistențele pull-up sunt incluse.

Figure 4.40 . Senzor de temperatură TMP 102.

Caracteristici:

12-bit, rezoluție 0,0625 ° C

Precizie: 0,5 °C (-25 °C pana la+85 °C)

Curent scăzut

10μA Activ (max)

1μA Shutdown (max)

1.4V -3.6VDC

Interfață I2C

Figure 4.41 . Schema senzor de temperatură TMP 102.

Senzor de temperatură și umiditate DTH 11 [29]

Senzorul DTH 11 este un senzor digital de umiditate și temperatură (DHT11) cu cablu cu trei fire mamă-mamă pentru conectarea modulului la un shield senzor.

Caracteristici

valorile de iesire sunt calibrate intern pentru o masurare cat mai exacta;

se interfateaza cu orice microcontroller prin comunicatie seriala pe magistrala cu un fir;

comunicatie pana la 20 de m;

nu are nevoie de componente aditionale pentru functionare;

consum redus de energie;

foarte popular, cu exemple, librarii si tutoriale multiple realizate si distribuite pe internet;

Specificații

tensiune alimentare (VCC) : 3.5 – 5.5V;

interval măsurare temperatură: 0 – 50 grade Celsius;

interval măsurare umiditate: 20 – 90%;

dimensiune modul (L x l x H): 12 x 15.5 x 5.5 mm;

distanța între pini: 2.54 mm;

b#%l!^+a?

BIBLIOGRAFIE

[1]. ATEE – 2004 INTERFEȚE ETHERNET PENTRU ACHIZIȚII DE DATE Florin MANEA* Costin CEPIȘCĂ* Nicolae JULA***Universitatea POLITEHNICA București, [anonimizat] **Academia Tehnică Militară București, [anonimizat]

[2]. Bratu, Cristian, “Senzori și traductoare – curs”, ELTH UCV.

[3]. *** Data acquisition and control handbook, Keithley, 2001

[4]. E. Vremeră ș.a. – Măsurări electrice și electronice. Indrumar de laborator U.T. Iași 1996

[5]. Fl. Tărăboanță – Echipamente pentru prelucrarea și comunicarea datelor. Editura Astel Design Iași 2000

[6]. G. Ionescu ș.a. – Traductoare pentru automatizări industriale, vol.1 Editura Didactică și Pedagogică, București 1985

[7]. IVAN Cosmina, Lucia RUSU Arhitectura pentru managementul calitatii serviciilor (qos) în sisteme distribuite, Universitatea "Babes Bolyai", Revista Informatica Economica, nr. 9/1999.

[8]. Lazăr C., Vrabie D. and Carari S. (2004)., Sisteme automate cu regulatoare PID, Editura MATRIX ROM, Bucuresti,

[9]. *** Low level measurements, Keithley, 2000

[10]. M. Antoniu – Măsurări electrice și electronice, vol.1- Editura Satya 2001

[11]. Oancă Marcel – Electronică și Electrotehnică. Laurențiu Frangu, Sergiu Caraman, „Electronică Industrială”, Ed. Academica, Galati, 2001

[12]. Postolache, M. Halaucă C., Lazar C., Ocheșel A. SCADA Systems for Water and Wastewater Networks Proc. of 9th International Symposium on Automatic Control and Computer Science, Iasi, November 16-17, 2007, CD-ROM, ISSN 1843-665-X.

[13]. ROTARIU Cristian, Monitorizarea de la distanță a parametrilor vitali folosind sisteme înglobate, teză de doctorat, 2010.

[14]. Richard, H.(2000), Caro-Real Time Networks in Industrial Automation. Dedicated Systems Magazine, nr.2, 2000

[15]. Sergiu Stelian curs TRA Iliescu Fac Automatica si calc Univ Politehnica Buc, 2006.

[16]. *** TestPoint 4.1.User Manual, Keithley, 2002

[17]. V. Naghi – Achiziția de date. In: Revista PC Report nr. 41, februarie/1996

[18]. andrei_clubcisco.ro_cursuri_2ad_Curs_AD_Electronica_aplicata

[19]. http://www.creeaza.com/Utilizarea-interfetei-paralele884.php

[20]. www.engineering.upm.ro/~traian/web_curs/Scada/…/achiz_microc.pdf

[21]. retele.elth.ucv.ro/…/Sisteme%20de%20monitorizare%20(Master)/achiziti… b#%l!^+a?

[22]. http://inventeaza.ro/stiri/internet-things-introducere

[23]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Internetul_Tuturor_Lucrurilor

[24]. http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardEthernet

[25]. http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoWiFiShield

[26]. http://www.arduino.cc/en/Main/Arduino GSM Shield

[27]. http://www.robofun.ro/docs/RC1602B-BIW-CSX.pdf

[28]. http://www.robofun.ro/senzor_temperatura_tmp102

[29]. http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Weather/

b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a? b#%l!^+a?

BIBLIOGRAFIE

[1]. ATEE – 2004 INTERFEȚE ETHERNET PENTRU ACHIZIȚII DE DATE Florin MANEA* Costin CEPIȘCĂ* Nicolae JULA***Universitatea POLITEHNICA București, [anonimizat] **Academia Tehnică Militară București, [anonimizat]

[2]. Bratu, Cristian, “Senzori și traductoare – curs”, ELTH UCV.

[3]. *** Data acquisition and control handbook, Keithley, 2001

[4]. E. Vremeră ș.a. – Măsurări electrice și electronice. Indrumar de laborator U.T. Iași 1996

[5]. Fl. Tărăboanță – Echipamente pentru prelucrarea și comunicarea datelor. Editura Astel Design Iași 2000

[6]. G. Ionescu ș.a. – Traductoare pentru automatizări industriale, vol.1 Editura Didactică și Pedagogică, București 1985

[7]. IVAN Cosmina, Lucia RUSU Arhitectura pentru managementul calitatii serviciilor (qos) în sisteme distribuite, Universitatea "Babes Bolyai", Revista Informatica Economica, nr. 9/1999.

[8]. Lazăr C., Vrabie D. and Carari S. (2004)., Sisteme automate cu regulatoare PID, Editura MATRIX ROM, Bucuresti,

[9]. *** Low level measurements, Keithley, 2000

[10]. M. Antoniu – Măsurări electrice și electronice, vol.1- Editura Satya 2001

[11]. Oancă Marcel – Electronică și Electrotehnică. Laurențiu Frangu, Sergiu Caraman, „Electronică Industrială”, Ed. Academica, Galati, 2001

[12]. Postolache, M. Halaucă C., Lazar C., Ocheșel A. SCADA Systems for Water and Wastewater Networks Proc. of 9th International Symposium on Automatic Control and Computer Science, Iasi, November 16-17, 2007, CD-ROM, ISSN 1843-665-X.

[13]. ROTARIU Cristian, Monitorizarea de la distanță a parametrilor vitali folosind sisteme înglobate, teză de doctorat, 2010.

[14]. Richard, H.(2000), Caro-Real Time Networks in Industrial Automation. Dedicated Systems Magazine, nr.2, 2000

[15]. Sergiu Stelian curs TRA Iliescu Fac Automatica si calc Univ Politehnica Buc, 2006.

[16]. *** TestPoint 4.1.User Manual, Keithley, 2002

[17]. V. Naghi – Achiziția de date. In: Revista PC Report nr. 41, februarie/1996

[18]. andrei_clubcisco.ro_cursuri_2ad_Curs_AD_Electronica_aplicata

[19]. http://www.creeaza.com/Utilizarea-interfetei-paralele884.php

[20]. www.engineering.upm.ro/~traian/web_curs/Scada/…/achiz_microc.pdf

[21]. retele.elth.ucv.ro/…/Sisteme%20de%20monitorizare%20(Master)/achiziti… b#%l!^+a?

[22]. http://inventeaza.ro/stiri/internet-things-introducere

[23]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Internetul_Tuturor_Lucrurilor

[24]. http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardEthernet

[25]. http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoWiFiShield

[26]. http://www.arduino.cc/en/Main/Arduino GSM Shield

[27]. http://www.robofun.ro/docs/RC1602B-BIW-CSX.pdf

[28]. http://www.robofun.ro/senzor_temperatura_tmp102

[29]. http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Weather/