Sisteme DE Management AL Parcarilor Auto. Achizitia de Date

CUPRINS

Introducere…………………………………………………………..4

Capitolul 1. Sisteme Inteligente de Transport……………………..7

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate……………………………7

Secțiunea 2: Sisteme Inteligente de Transport……………………………………………10

Secțiunea 3: Aplicații ale Sistemelor Inteligente de Transport în mediul urban…………11

Secțiunea 3.1: Sisteme inteligente de transport pentru informarea călătorilor………..13

Secțiunea 3.2: Info-Kiosk……………………………………………………………..16

Secțiunea 3.3: Sistem de management integrat al traficului de tramvaie……………..18

Secțiunea 3.4: AIRS – Sistem de înregistrare a incidentelor auto……………………..19

Secțiunea 3.5: Sistemul Inteligent de Management al Parcărilor……………………..20

Secțiunea 3.6: Aplicații ITS pentru autovehicule………………………………….….24

Secțiunea 4: Arhitectura ITS…………………………………………………………….27

Secțiunea 4.1: Tipuri de arhitecturi ITS………………………………………………30

Secțiunea 4.2: Arhitecturi ITS la nivel național………………………………………37

Capitolul 2. Senzori și traductoare…………………………………41

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate…………………………..41

Secțiunea 2: Caracteristici generale ale senzorilor și traductoarelor…………………….49

Secțiunea 3: Clasificarea traductoarelor…………………………………………………53

Capitolul 3. Comunicații……………………………………………64

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate………………………….64

Secțiunea 2: Comunicații prin Bluetooth………………………………………………..65

Secțiunea 3: Comunicații prin DSL……………………………………………………..69

Secțiunea 4: Frame Relay……………………………………………………………….75

Capitolul 4. Sisteme de achiziție de date…………………………..85

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate………………………….85

Secțiunea 2: Soft-ul de achiziție…………………………………………………………94

Capitolul 5. Realizarea unui sistem pentru achiziția de date pentru Sisteme Inteligente de Management al Parcărilor Auto…………………101

Secțiunea 1: Descriere generală…………………………………………………………101

Secțiunea 2: Simularea schemei electrice în programul „Multisim”……………………103

Secțiunea 3: Schema bloc a montajului…………………………………………………107

Secțiunea 4: Placa de achiziție de date………………………………………………….115

Secțiunea 5: Software-ul de achiziție de date……………………………………………117

Secțiunea 6: Calculul economic…………………………………………………………120

Secțiunea 7: Calculul de fiabilitate………………………………………………………121

Bibliografie………………………………………………………………….124

Lista prescurtărilor si abrevierilor………………………………………. 126

Anexe………………………………………………………………………..131

Introducere

Complexitatea din ce în ce mai mare a funcțiilor îndeplinite de o clădire, combinând spații comerciale, birouri și spații rezidențiale în cadrul aceleiași construcții, a dus și la creșterea dificultăților de gestionare și supraveghere a parcărilor. Conducerea acestora necesită un efort uman ridicat.

Sistemele de control și supraveghere centralizată, pot fi integrate într-un sistem unic denumit Sistem de Management al Parcărilor (Parking Management System), ce reduce efortul necesar pentru conducere și duce la creșterea gradului de exploatare a parcărilor.

Lucrarea de față își propune să realizeze o descriere a procedurii de achiziție de date în ceea ce privește sistemul de management al parcărilor auto.

A fost necesar, în primul rând, să se analizeze problematica, conceptului de „sisteme inteligente de transport” (ITS). Am urmărit să răspund în Capitolul 1 unor întrebări fundamentale în înțelegerea acestui cocept. Ce se înțelege prin noțiunea de “transport”? Care sunt principalele tipuri de rețele de transport? Cum poate fi definit un sistem inteligent de transport și care sunt aplicațiile concrete, palpabile ale acestuia? Ce tip de arhitectură poate avea un asemenea sistem? Discuția este organizată în patru părți importante. Pentru a analiza termenul în discuție, am în vedere o definire a conceptului de “transport” și o clasificare, folosită frecvent în literatura de specialitate, a rețelelor de transport existente. Acestea fiind prezentate, următorul pas al lucrării se referă la utilizarea unei cvasi-definiții a sistemelor inteligente de transport, deoarece o definiție univocă nu există, specialiștii oferind multiple accepțiuni ale acestui concept. În sprijinul acestei definiții, se oferă, spre a fi analizate și explicate, mai multe tipuri de sisteme inteligente de transport, aplicabile în managementul traficului, al incidentelor, în operarea vehiculelor comerciale sau în informarea despre trafic. Utilitatea și aplicabilitatea sistemelor inteligente de transport în mediul urban reiese din secțiunea a treia, în care acestea sunt prezentate pe categorii – pentru informarea călătorilor, pentru managementul parcărilor, pentru autovehicule sau tramvaie și pentru înregistrarea incidentelor auto. Ultima secțiune a acestui capitol face referire la arhitectura unui sistem inteligent, aceasta fiind necesară datorită complexității unui astfel de sistem. Arhitectura ITS poate fi abordată din perspectiva logică, fizică, funcțională, organizațională sau de referință. Concret, arhitectura ITS definește diferite puncte de vedere emise asupra unui sistem.

Capitolul al doilea, structurat în trei secțiuni, are rolul de a evidenția importanța senzorilor și a traductoarelor în ceea ce privește realizarea unui astfel de sistem, ce se bazează pe măsurarea unor semnale de naturi diferite. Este necesar ca în scopul măsurării mărimilor fizice, ce intervin într-un proces tehnologic, acestea să fie convertite în mărimi de altă natură fizică, ce pot fi introduse cu ușurință într-un circuit de automatizare. Aici își aduc contribuția senzorii și traductoarele, senzorii find cei care detectează semnalul, iar traductoarele, cele care convertesc mărimea fizică – de obicei neelectrică – într-o altă mărime fizică – de obicei electrică – dependentă de prima. Secțiunea a doua aduce în prim plan informațiile despre caracteristicile principale ale senzorilor și traductoarelor. Pentru a se putea înțelege mai bine tipologia traductoarelor și implicit a senzorilor, în secțiunea a treia a lucrării este prezentat și explicat, pe scurt, modul de funcționare al câtorva tipuri de traductoare.

Cel de-al treilea capitol, structurat în patru secțiuni, își propune să ofere o perspectivă de ansamblu asupra tehnologiilor de comunicații. Astfel, prima secțiune realizează o clasificare a modalităților de comunicații, din punctul de vedere al tehnologiilor utilizate, în comunicații optice, fără fir și prin fire, constituind astfel punctul de plecare al celorlalte trei secțiuni. Secțiunea a doua prezintă o modalitate de comunicații fără fir, și anume, bluetooth-ul, aceasta definind, în mod explicit și reprezentativ pentru categoria sa, transportul wireless al informației, nefiind astfel necesară utilizarea cablurilor seriale. În secțiunea a treia, sunt oferite informații despre modalități de comunicații prin fire, mai concret despre tehnologia DSL (Digital Subscriber Line), ce reprezintă o tehnologie de transmisie pe cabluri de cupru, care aduce informația în bandă largă la stațiile de lucru cu ajutorul sistemului telefonic. Ultima secțiune constituie o completare a celei precedente, deoarece vizează tot descrierea unui mod de comunicații bazat pe fire, și anume Frame – Relay, care a fost concepută pentru a fi robustă datorită existenței circuitelor analoagice, mult prea susceptibile la interferențe și generatoare de erori.

Cel de-al patrulea capitol este structurat în două mari părți, făcând referire la sisteme de achiziție de date. În prima secțiune, este oferită o scurtă descriere a sistemului de achiziție de date și o prezentare a unor structuri de sisteme de achiziție de date cu un sigur canal, cu „n” canale, de date sincrone sau de date rapide, fiecare dintre acestea având propria structură și specific de funcționare. Cea de-a doua secțiune descrie soft-ul de achziție de date, ce reprezintă interfața logică între hardware și utilizator. Acesta conține drivere specifice elementelor hard, incluse în sistemul de achiziție, și programe de aplicație.

În ultimul capitol al acestei lucrări sunt prezentate metoda și modul de funcționare al unui sistem de achiziție de date, realizat în vederea furnizării de informații pentru un Sistem de Management al Parcărilor. De-a lungul celor 7 secțiuni ale acestui capitol, sunt prezentate atât modul în care poate fi implementat și conceput un Sistem Inteligent pentru Management al Parcărilor Auto, cât și pașii prin care se realizează achiziția de date.

Astfel, secțiunea 1 prezintă o descriere generală a Sistemului Inteligent pentru Management al Parcărilor Auto și variantele care pot fi utilizate pentru implementarea unui asemenea sistem. În secțiunea 2 este descrisă simularea schemei electrice în programul „Multisim”, acest program oferind posibilitatea urmăririi funcționării acestuia prin simularea proceselor de lucru. Ce-a de-a treia secțiune are rolul de a furniza informații despre schema bloc a montajului și, implicit, despre elementele componente ale acesteia: senzorii de prezență, blocul de multiplexare a intrărilor, blocul numărător, decodorul binar – zecimal și afișarea. Placa de achiziție de date, deoarece este o componentă electronică distinctă și foarte importantă, este prezentată în secțiunea a patra. Sunt oferite atât informații generale despre aceasta, cât și informații despre caracteristicile ei esențiale. Deoarece crearea acestui Sistem de Management al Parcărilor Auto necesită și existența unui software de achiziție de date, s-a considerat că software-ul cel mai indicat este LabVIEW. Acesta este prezentat, pe scurt, în secțiunea a cincea. Secțiunea a șasea vizează prezentarea calcului economic al realizării acestui Sistem de Management al Parcărilor Auto. Ultima secțiune, secțiunea a șaptea, detaliază calculul de fiabilitate și problemele care pot apărea în cazul defectării anumitor componente ale acestui sistem.

Capitolul 1

Sisteme Inteligente de Transport (ITS)

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate

Conform Dicționarului Explicativ al limbii române, transporturile sunt definite ca „ramură a economiei naționale cuprinzând totalitatea mijloacelor rutiere, aeriene și navale care asigură circulația bunurilor și a persoanelor”.

Termenul "transport" este derivat din cuvintele limbii latine "trans" ( ce înseamnă "de la / până la/ peste") și "portare" (care se traduce prin "a duce / a deplasa").

Obiectul principal al activității de transport îl constituie deplasarea în spațiu a călătorilor și mărfurilor. Însă nu toate deplasările în spațiu constituie obiectul activității de transport supuse contractului de transport. De exemplu, transportul informațional, transportul de lichide și gaze prin conducte și alte activități asemănătoare, nu se încadrează în această categorie. Aceste activități se realizează prin instalații proprii și nu necesită operațiunile specifice pe care le presupune activitatea de transport, precum preluarea de către transportator a mărfurilor, obligația de pază și preluarea lor la destinație. De aceea, se consideră că transportul este o prestație de servicii de un tip special deoarece nu se poate nici stoca, nici conserva, trebuie să facă față unor momente de vârf, se execută în condiții speciale și presupune existența unei infrastructuri tehnice extraordinar de vaste și complexe, care să excludă orice situație neprevăzută.

Rețeaua de transport poate fi clasificată în funcție de mai multe criterii. Dintre acestea, cele mai frecvent utilizate sunt cele referitoare la calea, nodurile și mijloacele de transport (Figura 1). Din punctul de vedere al căii de transport, există rețele de transport terestre, navale, aeriene, și speciale. În ceea ce privește nodurile de transport, rețelele de transport pot fi feroviare, rutiere, navale, aeriene și speciale. Din punctul de vedere al mijloacelor de transport, există rețele de transport terestru, naval, aerian și special.

Primul mod de transport pe uscat a fost cel rutier. Transportul rutier de perserat că software-ul cel mai indicat este LabVIEW. Acesta este prezentat, pe scurt, în secțiunea a cincea. Secțiunea a șasea vizează prezentarea calcului economic al realizării acestui Sistem de Management al Parcărilor Auto. Ultima secțiune, secțiunea a șaptea, detaliază calculul de fiabilitate și problemele care pot apărea în cazul defectării anumitor componente ale acestui sistem.

Capitolul 1

Sisteme Inteligente de Transport (ITS)

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate

Conform Dicționarului Explicativ al limbii române, transporturile sunt definite ca „ramură a economiei naționale cuprinzând totalitatea mijloacelor rutiere, aeriene și navale care asigură circulația bunurilor și a persoanelor”.

Termenul "transport" este derivat din cuvintele limbii latine "trans" ( ce înseamnă "de la / până la/ peste") și "portare" (care se traduce prin "a duce / a deplasa").

Obiectul principal al activității de transport îl constituie deplasarea în spațiu a călătorilor și mărfurilor. Însă nu toate deplasările în spațiu constituie obiectul activității de transport supuse contractului de transport. De exemplu, transportul informațional, transportul de lichide și gaze prin conducte și alte activități asemănătoare, nu se încadrează în această categorie. Aceste activități se realizează prin instalații proprii și nu necesită operațiunile specifice pe care le presupune activitatea de transport, precum preluarea de către transportator a mărfurilor, obligația de pază și preluarea lor la destinație. De aceea, se consideră că transportul este o prestație de servicii de un tip special deoarece nu se poate nici stoca, nici conserva, trebuie să facă față unor momente de vârf, se execută în condiții speciale și presupune existența unei infrastructuri tehnice extraordinar de vaste și complexe, care să excludă orice situație neprevăzută.

Rețeaua de transport poate fi clasificată în funcție de mai multe criterii. Dintre acestea, cele mai frecvent utilizate sunt cele referitoare la calea, nodurile și mijloacele de transport (Figura 1). Din punctul de vedere al căii de transport, există rețele de transport terestre, navale, aeriene, și speciale. În ceea ce privește nodurile de transport, rețelele de transport pot fi feroviare, rutiere, navale, aeriene și speciale. Din punctul de vedere al mijloacelor de transport, există rețele de transport terestru, naval, aerian și special.

Primul mod de transport pe uscat a fost cel rutier. Transportul rutier de persoane și marfă reprezintă factorul dinamizator, elementul cheie al unei economii bazate pe cunoaștere și al coeziunii sociale. În ultimele decenii, s-a înregistrat o creștere continuă a numărului autovehiculelor proprietate personală în trafic, în timp ce transportul în comun nu a cunoscut o creștere spectaculoasă a numărului de utilizatori. Actuala infrastructură rutieră nu mai corespunde solicitărilor.

Figura 1: Clasificarea rețelelor de transport

Accidentele și congestiile cauzate de trafic au un impact important asupra vieții, scad productivitatea și diminuează energia. Congestiile în trafic, care determină probleme de mediu și accidente, se agravează de la o zi la alta, iar prima cauză este creșterea neașteptată a numărului de autovehicule personale. Arhitectura actuală a infrastructurii rutiere nu este gândită pentru a suporta o astfel de cerere de trafic, parcările subterane sunt cvasi-inexistente, iar disciplina în trafic lasă mult de dorit. Transporturile rutiere au destul de multe efecte negative (poluarea aerului și accidentele), rezultatul fiind distrugerea treptată a habitatului urban. În ultima parte a deceniului opt, în mileniul trecut, densitatea traficului în marile metropole occidentale și din țările dezvoltate a atins cote impresionante. Congestionarea din ce în ce mai puternică a sistemului nostru de transport (se estimează că, până în 2020, transportul rutier de mărfuri va crește cu 55%, iar cel de călători cu 36%), consumul aferent de energie și efectele negative asupra mediului (emisiile de CO2 provenite din transporturi vor crește cu încă 15% până în 2020) impun adoptarea unei abordări inovatoare care să răspundă necesităților și cerințelor din ce în ce mai mari din domeniul transportului și al mobilității. Măsurile tradiționale precum extinderea rețelelor de transport existente nu vor mai fi suficiente și vor trebui găsite soluții noi. Ca urmare a acestei stări de fapt, s-au demarat programe speciale de infuzie a tehnologiilor IT, de telecomunicații și de telematică în scopul îmbunătățirii condițiilor de trafic și a siguranței acestuia. În relativ scurt timp, aceste programe au fost preluate la nivel guvernamental și nonguvernamental, definindu-se ceea ce poartă astăzi denumirea de Sisteme Inteligente de Transport (ITS). Cu toate acestea, adoptarea soluțiilor care implică ITS în domeniul transportului rutier a fost mai lentă decât se anticipase, iar implementarea serviciilor rămâne în general fragmentară. Această situație a dus la un mozaic de soluții naționale, regionale și locale între care nu există o armonizare clară, ceea ce pune în pericol integritatea pieței unice. În consecință, ITS sunt utilizate într-un mod ineficient, astfel că nu pot contribui efectiv la îndeplinirea obiectivelor politicii în domeniul transporturilor și la soluționarea provocărilor din ce în ce mai mari cu care se confruntă transportul rutier. De aceea, s-a impus necesitatea unei abordări globale, în care să fie implicate mai multe țări europene, care să-și fundamenteze politicile regionale de transport pe principii unitare. Parlamentul Eurpean a emis directive privind instituirea, în Uniunea Europeană, a unui cadru pentru accelerarea și coordonarea implementării și utilizării sistemelor de transport inteligente aplicate în domeniul transportului rutier (inclusiv a interfețelor cu alte moduri de transport pentru a favoriza dezvoltarea), în vederea realizării unui transport de mărfuri și de pasageri mai eficient, mai ecologic și mai sigur. Printre obiectivele specifice se numără creșterea interoperabilității sistemelor, asigurarea unui acces continuu, promovarea continuității serviciilor și crearea unui mecanism eficient de cooperare între toate părțile interesate. Potrivit principiului subsidiarității, o directivă (cadru) este considerată cel mai adecvat instrument pentru atingerea obiectivelor propuse. Normele tehnice de implementare, și anume procedurile și specificațiile, vor fi însă adoptate de Comisie, asistată de un comitet format din reprezentanți ai statelor membre. Fără a aduce atingere rolului acestui comitet, Comisia va crea un grup consultativ european pentru ITS care va reuni reprezentanți ai părților interesate din domeniul ITS și care va oferi consultanță Comisiei cu privire la aspectele comerciale și tehnice ale implementării și dezvoltării ITS în Uniunea Europeană.

Se încearcă o puternică promovare a Sistemelor Inteligente de Transport și în România deoarece aduc numeroase beneficii, printre acestea numărându-se îmbunătățirea siguranței în trafic, creșterea mobilității participanților, minimizarea consecințelor asupra mediului, asigurarea interoperabilității și integrarea în rețelele europene de transport și eficientizarea administrării întregului proces de transport.

Secțiunea 2: Sisteme Inteligente de Transport

Sistemele Inteligente de Transport constituie un ansamblu de sisteme avansate, ce au la baza elemente din domeniul electronic, al telecomunicațiilor și al tehnologiilor informației, care oferă un transport public și de mărfuri eficient. Atunci când sunt integrate în infrastructura sistemului de transport și chiar în vehicule, aceste tehnologii sprijină monitorizarea și administrarea fluxului traficului, reducerea congestiei, furnizarea de rute alternative călătorilor, mărirea productivității, salvarea de vieți omenești și economisirea de timp și bani.

Sistemele Inteligente de Transport furnizează experților din domeniul transporturilor instrumente pentru colectarea, analiza, prelucrarea, comunicarea și arhivarea datelor referitoare la caracteristicile sistemelor de transport.

Sistemele Inteligente de Transport, sau mai degrabă, sistemele destinate facilitării unui transport inteligent, pot sprijni turismul si mobilitatea persoanelor în general prin subsisteme ca:

a) Sistemele Avansate de Informare pentru Trafic (ATIS) – furnizează date direct călătorilor, oferindu-le posibilitatea să facă alegeri mai bune, referitoare la rute sau mijloace de transport alternative. Atunci când respectivele date sunt arhivate, aceste sisteme pun la dispoziția celor care planifică transporturile, informații corecte, referitoare la șabloane de călătorie, contribuind la optimizarea procesului de planificare a transportului.

Atunci când fac obiectul unei implementări separate, ele sunt destinate în primul rând proceselor de captare, prelucrare, transmitere si diseminare a informațiilor de trafic și a obiectivelor de interes aflate în zona, de transport și / sau de siguranță. Funcțiile sistemelor ATIS sunt de asistență a calătorilor pentru planificarea, percepția, analiza și luarea de decizii pentru a îmbunătăți eficiența și siguranța unei călătorii. Tehnologiile utilizate de ATIS pot include afișarea la bordul vehiculelor a hărților cu drumuri și semnelor de circulație asociate, sisteme de ghidare pe rută și sisteme de anunțare la bord a pericolelor de pe drum și incidentelor.

b) Sistemele Avansate de Management al Traficului (ATMS) – utilizează o varietate de detectoare, camere de luat vederi și sisteme de comunicații, relativ ieftine, pentru monitorizarea traficului, optimizarea duratei semnalelor pe arterele principale și controlul traficului.

Acestea reprezintă subsisteme integrate, destinate dirijării asistate a traficului rutier urban sau interurban, pe arii extinse, prin utilizarea tuturor categoriilor de tehnologii disponibile în acest domeniu: detecția și identificarea vehiculelor, comunicația de date și voce, prelucrarea datelor, distribuirea informațiilor.

Sistemele ATMS sunt, în general, destinate îmbunătățirii condițiilor de trafic și creșterii siguranței, în timp ce sistemele ATIS se adresează participanților la trafic, contribuind la îmbunătățirea proceselor de planificare a călătorilor.

c) Sistemele de Management al Incidentelor – furnizează operatorilor de trafic instrumente care asigură un răspuns rapid și eficient în caz de accidente, deversări de materiale periculoase și alte urgențe.

d) Sisteme de Comunicație Complementare – leagă puncte de colectare a datelor, centre de operare a transportului și portaluri de informare a călătorilor, într-o rețea integrată care poate fi operată eficient și inteligent.

e) Sistemele de Operare a Vehiculelor Comerciale – aplică, caracteristicile sistemelor de management al călătoriei și traficului, în sectorul vehiculelor comerciale. Serviciile se referă la localizarea automată, clasificarea și cântărirea vehiculelor în scopul colectării taxelor. De asemenea, pot fi monitorizate emanațiile vehiculelor. Toate acestea pot fi efectuate în timp ce vehiculele se deplasează pe autostrăzi. Operarea vehiculelor comerciale necesită identificarea individuală a vehiculelor comerciale.

f) Sistemele Avansate de Control al Vehiculului (AVCS) – reprezintă acea categorie de subsisteme ITS destinate platformelor mobile de transport, cu aplicații ce includ îmbunătățirea condițiilor de siguranță a conducerii vehiculelor (sisteme ABS, Airbag, sisteme de îmbunătățire a vizibilității pe timp de zi sau de noapte, etc.), sisteme de ghidare a vehiculelor pe drum și sisteme de anunțare automată în caz de incident.

Secțiunea 3: Sisteme Inteligente de Transport în mediul urban

Traficul rutier în marile orașe a devenit o problemă cu, care autoritățile se confruntă din ce în ce mai mult. O serie de servicii specializate au fost create în mod expres pentru a monitoriza și a gestiona problemele curente legate de trafic. Controlul asistat al traficului urban (UTC) a devenit un instrument tot mai accesibil, pe măsură ce, și cercetarea în domeniu, face progrese reale. Simpla realizare a unor planuri de semnalizare diferite, fără a ține cont de schimbările de comportament ale traficului din fiecare clipă, a devenit o realizare ce nu mai satisface cerințele traficului în marile orașe. În plus, noile sisteme de management al transportului public urban, interconectate cu sistemele de control al traficului, lucrează pentru prioritizarea vehiculelor trasportului în comun, prin acordarea de secvențe de verde acestora, la trecerea prin intersecții. Aceste prioritizări nu sunt necondiționate, ci sunt numai pentru vehiculele aflate în întarziere față de graficul de drum. Implementarea unor sisteme de management al traficului urban s-a facut în unele cazuri în mod independent, în altele concertat, pe baza unor proiecte cu fonduri internaționale și a unor demonstratori..

O problemă, ce reprezintă de fapt o provocare adresată proiectanților și implementatorilor de sisteme de management al traficului urban, este rețeaua de drumuri. Rețelele de drumuri din zonele centrale ale marilor orașe sunt, de obicei, sufocate de cererea mare a fluxului de vehicule. Unele state, precum Marea Britanie au soluționat problemele congestiilor de trafic în zona centrală prin restricționarea accesului, pe baza introducerii unei taxe de congestie.

Ceea ce trebuie realizat, înainte de a începe instalarea unui sistem de management al traficului, este studiul posibilităților de îmbunătățire a rețelei de drumuri (prin politicile de trafic, reașezarea fluxurilor de trafic pe hartă și reproiectarea geometriei intersecțiilor, acolo unde acest lucru este necesar și posibil). Sistemele UTC si PTM (Politici de Management al Traficului) existente la ora actuală nu sunt integrate sută la sută, încă, în nici o implementare tehnică existentă în Europa sau în alte părți ale lumii. Tendința actuală în aceste domenii este de a proiecta ambele sisteme într-o abordare integrată, încă de la început.

Un studiu complet al rețelei urbane de drumuri, realizat înaintea procedurilor uzuale de proiectare și instalare a unui sistem de management al traficului, va trebui să cuprindă obținerea de documentații la scară a tuturor intersecțiilor și drumurilor din aria de interes, analiza politicilor și strategiilor de dezvoltare urbană ce afectează rețeaua de drumuri și liniile mijloacelor de transport în comun, analiza statistică a incidenței accidentelor rutiere care afectează zone din rețeaua analizată și obținerea de soluții pentru reducerea acesteia, studiu privind planul de investiții pentru sectorul de drumuri, studii privind traficul rutier în zona de interes, studii urbanistice și sociale privind distribuția populației din zonă, după aria de preocupări a acesteia. Pe baza analizei acestor informații este necesar să se definească o serie de politici de management al traficului, de acțiune în situații normale și în situații speciale.

Detecția vehiculelor rutiere în sistemele de management al traficului urban are o deosebită importanță, deoarece principiile și dispozitivele utilizate reprezintă o verigă vitală pentru aceste sisteme. Funcționarea, în general, a sistemelor de management al traficului rutier urban se bazează pe captarea de informații din rețeaua de drumuri. Dacă funcția de detecție a vehiculelor nu are loc, atunci efectul semnalizării adaptive, produs de sistemul de management al traficului, va fi mult mai slab decât cel așteptat. De asemenea, efectul economic al funcționării sistemului va fi degradat în mod sever, iar cozile și întârzierile vehiculelor vor fi mult mai mari decât în cazul funcționării sistemelor de detecție. Există mai multe sisteme de detecție disponibile, fiecare dintre acestea potrivindu-se în anumite situații și prezentâd o serie de avantaje și dezavantaje.

În cazul Bucureștiului, o provocare substanțială pentru sistemul de detecție este datorată mai multor parametri, cei mai semnificativi dintre aceștia, fiind cei ai condițiilor inadecvate ale suprafeței de rulare pentru buclele electromagnetice și tendința conducătorilor auto de a circula către semafoare pe porțiuni de drum, ce nu se încadrează neapărat în benzile de circulație. Cu toate acestea, buclele inductive s-au dovedit printre cele mai sigure și mai precise detectoare de vehicule.

O altă categorie de senzori o reprezintă cei în infraroșu, sau PIR, ce sunt de genul neintrusiv, ceea ce înseamnă că, pentru montarea lor, nu este necesară efectuarea de lucrări în carosabil sau întreruperea traficului rutier. Lungimea cozilor acumulate se poate detecta, monitoriza și procesa în cazul sistemelor care au detectoarele amplasate în amonte. Acest lucru este posibil, deoarece detectorul se află amplasat în spatele cozii de vehicule.

Secțiunea 3.1: Sisteme inteligente de transport pentru informarea călătorilor

Aceasta este una dintre ariile în care s-au facut pași considerabili. Furnizorii de servicii ITS sunt capabili să ofere informații călătorilor prin intermediul diferitelor canale, atât înainte cât și în timpul călătoriei (prin dispozitive la bordul vehiculului, servicii web, panouri de mesaje, kiosk-uri speciale, telefoane mobile, etc.), oferind suport pentru alegerea celui mai bun mod și a celei mai bune rute, dar și informații despre costurile călătoriei. Astfel, ITS ajută la furnizarea unui serviciu complet de călătorie, de la planificarea călătoriei până la ghidarea pe o anumită rută și rezervarea biletelor și a locurilor de parcare. Legăturile cu serviciile turistice oferă servicii suplimentare, cum ar fi rezervări la hoteluri, informații despre locuri de vizitat, etc.

Monitorizarea automată a traficului, condițiilor meteo și celor rutiere (Figura 2) face posibilă consilierea călătorilor în ceea ce privește modificarea rutelor și schimbarea modului de transport. Conducătorii pot fi, de exemplu, atenționați asupra congestiilor din trafic și pot fi sfătuiți să aleagă rute alternative sau să folosească „park and ride”.

Figura 2: Interfața de monitorizare

Pasagerii transportului public pot fi informați despre timpul de sosire estimat la bordul vehiculului, în stații, pe telefonul mobil sau chiar pe Internet înainte de startul călătoriei (Figura 3).

Sistemele actuale sunt terminalele publice interactive, birourile de informații, site-urile web, terminalele mobile, afișoarele din stații, afișoarele de la bordul vehiculelor de transport public sau panourile cu mesaje variabile.

Toate sistemele telematice de informare pentru transportul public completează metodele convenționale (mersul trenurilor, hărți, etc.) prin furnizarea datelor, care sunt oferite, aproximativ, în timp real. Tendințele generale sunt să ofere informație în timp real utilizatorilor, să furnizeze toate datele pentru soluții multimodale, să disponibilizeze informația printr-o varietate de metode sau să furnizeze date personalizate prin intermediul sistemelor interactive.

Figura 3: ITS în orașe și aglomerări urbane

În acest scop se pot utiliza panourile de informare VMS-01 (Figura 4). Acestea, sunt echipamente de afișare (afișoare) de tip AlphaEclipse 2500, destinate în principal informării stradale a publicului. VMS-01 se compune dintr-un panou de afișare alcătuit din 16 module de afișare (4 x 4), care este introdus într-o incintă metalică, împreună cu elementele de comandă și alimentare. Rezoluția afișorului este de 64 x 128 pixeli (LED-uri). Informațiile afișate vizează ora, data, temperatura, mijloacele de transport public din zona adiacentă, descrierea sumară a traseelor acestora (cartierele din traseu, plus câteva puncte mai importante) și pot cuprinde orice mesaj text sau imagini grafice. Panoul va avea pe margini un mesaj fix, conținând informații despre proiect. Pe spatele panoului, pe lățimea acestuia, se va fixa o hartă a zonei, de o anumită înălțime.

Modulul de afișare al VMS-01 este celula de bază a afișorului și se compune dintr-o rețea de LED-uri de mare putere, având o rezoluție de 16 x 32 pixeli (LED-uri). Din punct de vedere constructiv, este alcătuit din două submodule montate alăturat pe o placă de circuit imprimat, împreună cu componente electronice discrete și conectori. Modulul de afișare are o vizibilitate maximă aflată în interiorul unui unghi solid de 30°. Pentru a putea afișa mesajele, afișorul trebuie să fie cuplat la un calculator pe care să ruleze software-ul AlphaNET.

Figura 4: Panouri de informare VMS-01

Secțiunea 3.2: Info-Kiosk

Info-kiosk-urile sunt terminale computerizate interactive pentru furnizarea de informații de la baze de date sau de pe Internet, localizate în terminalele de transport public sau în alte spații publice. Acestea pot, de asemenea, furniza informații turistice sau despre diverse evenimente. Ele trebuie să fie accesibile persoanelor care se deplasează cu ajutorul scaunelor cu rotile. Trebuie să existe un spațiu liber de cel puțin 1,4 – 1,5 m în jurul unui Info-kiosk. Dacă spațiul este puternic luminat, touchscreen-ul trebuie să fie protejat cu un vizor. Trebuie să existe un spațiu sub ecran, precum și un raft pentru o mică geantă sau un cârlig pentru bagaje sau pentru baston. Înalțimea corectă, pentru ca un ecran să poate fi utilizat de către persoane în scaune cu rotile, este prezentată în figura 5 de mai jos.

Touchscreen-ul trebuie să fie sensibil, o simplă apasare trebuie să fie suficientă. Utilizatorul trebuie să primească o confirmare că apăsarea a fost înregistrată și o căutare a fost pornită, de exemplu o clepsidră sau o bară de încărcare. Pentru a fi eliminate funcțiile eronate, trebuie să fie eliminate repetările automate (de exemplu, apasările îndelungate). Trebuie să existe un buton separat, care să facă posibilă întoarcerea la început sau la pagina principală. Touchscreen-ul trebuie să aibă cel puțin 15.1 inch., iar fereastra utilă nu trebuie să atingă marginea fizica a afișajului (touchscreen), pentru a fi astfel asigurată vizibilitatea fiecărui element afișat. Standardul recomandă utilizarea culorilor închise pentru partea inferioară și cea superioară. Partea centrală trebuie să aibă o culoare deschisă. Vorbirea poate fi utilizată atât pentru intrări (recunoașterea vocală) cât și pentru ieșiri.

Figura 5: Poziționare Info-kiosk

Utilizatorul are acces prin touchscreen-ul de 17” la fereastra principală care conține în partea de sus o bară de meniu cu funcțiile principale ce pot fi selectate opțional. Acestea permit accesul la informațiile RATB legate de serviciile oferite și alte informații utile. Prin selectarea butonului de Informații Generale se deschide o fereastră care cuprinde bare cu butoane specifice, cu ajutorul cărora sunt grupate informațiile de interes general, pentru un acces ușor și intituitiv. Acestea cuprind informații alfanumerice preluate de pe site-ul RATB ce vizează atât serviciile oferite de regie cât și alte informații de orientare pentru utilizatori, legate de localizarea unor obiective din București (instituții publice, de cultură, de divertisment, etc).

Bara este alcatuită din 4 controale de tip Button, care rămân vizibile pe tot parcursul navigării și care împart informațiile provenite din site-ul RATB în tot atâtea categorii: Trasee, Tarife, Adrese Utile, Noutăți. Prin apăsarea butonului „Trasee”, utilizatorul are acces la toate rutele mijloacelor de transport în comun puse la dispoziție de RATB, dar și la modificările temporare de trasee datorate unor lucrări sau altor motive. Selectarea controlului grafic „Tarife” permite accesul la informațiile legate de tarifarea costurilor de călătorie, pe categorii de călători, precum și o serie de informații generale legate de modul de obținere a facilitaților de transport, și de centrele de eliberare ale titlurilor de călătorie. Butonul “Adrese utile” permite utilizatorului să obțină informații despre obiective de interes public din București, precum și modul în care poate fi folosit transportul public de suprafață pentru a fi regăsite.

Secțiunea 3.3: Sistem de management integrat al traficului de tramvaie

Funcțiile principale ale sistemului de management integrat al traficului de tramvaie vizează identificarea și localizarea tramvaielor, monitorizarea numărului de Km parcurși pe o perioadă de timp solicitată, furnizarea de date în sprijinul activităților de întreținere tramvaie și stabilirea datelor referitoare la intrări / ieșiri în / din depou (Figura 6).

Implementarea sistemului are următoarele avantaje:

a) Îmbunătățirea transportului urban de călători prin creșterea vitezei comerciale, creșterea siguranței în exploatare, fluidizarea traficului prin respectarea graficelor de mers, extinderea transportului urban ,,alb” și reconfigurarea spațiului comunitar

b) Impact economico-social, deoarece asigură siguranță și confort în circulația urbană, creșterea numărului de călători, reducerea costurilor de exploatare, eficientizarea flotei de tramvaie și realizarea unei economii de energie electrică și combustibil

c) Impact de mediu, ocupându-se cu reducerea noxelor din atmosferă și a disconfortului fonic, scăderea numărului de accidente / incidente în trafic și contribuind la ameliorarea și conservarea spațiului comunitar.

Figura 6: Principiul general de acțiune

Funcțiile software-ului de management al traficului sunt următoarele:

a) Generarea și gestionarea unei baze de date, rezultate din introducerea unor date de referință, specifice traficului tramvaielor, de către operator

b) Realizarea protecției parolate sau cu avertizări la introducerea acestor date specifice

c) Generarea și gestionarea unei baze de date, rezultate din datele de identificare ale tramvaielor, primite de la stația fixă

d) Protejarea bazelor de date față de accesul direct al operatorului, în vederea păstrării tuturor informațiilor încorporate

e) Vizualizarea interactivă, sub formă grafică, pe display-ul PC-ului din dispecerat, în timp real, a trecerii tramvaielor prin stațiile prestabilite și a încadrării în trafic a acestora

f) Afișarea pe display-ul PC-ului din dispecerat, generarea și editarea, la cererea operatorului, în timp real, a unor informații, conținute în baza de date, sub forma unor rapoarte, statistici, diagrame.

Secțunea 3.4: AIRS – Sistem de înregistrare a incidentelor auto

AIRS, produs și dezvoltat de Mitsubishi Electric, a fost premiat pentru siguranța rutieră la Tokyo datorită micșorării ratei accidentelor într-o intersecție, cu până la 50%. Cu un grad ridicat de precizie, AIRS poate înregistra condițiile de trafic înainte și după accident. Sistemul AIRS este situat într-o zonă comercială aglomerată în Louisville, Kentucky (USA). Frecvența accidentelor în acea intersecție era foarte mare, cu un trafic de aproximativ 32.000 de mașini care treceau zilnic. Rezultatele înregistrărilor din intersecție au arătat că șoferii care făceau stânga ilegal cauzau 50% din accidente. Datorită acestor date s-au luat măsuri și au fost instalate semne adiționale în intersecție, scăzând numărul de accidente cu 50%.

O instalație AIRS (Figura 7) constă într-o cameră, un receptor audio și o cutie de comandă poziționate într-o intersecție unde frecvența accidentelor este ridicată. Receptorul audio este capabil să detecteze sunete, cum ar fi scârțâitul roților frânate, când un accident se produce, și totodată poate determina puterea, frecvența și forma undelor radio. Când un accident se produce, o înregistrare audio-video a scenelor de dinainte și după accident este salvată în memoria internă a cutiei de control și transmisă automat unei unități VTR (video tape recorder – videorecorder). AIRS a fost conceput cu intenția de a aduce o contribuție semnificativă în reducerea ratei accidentelor și îmbunătățirea condițiilor de trafic în intersecțiile unde accidentele au loc frecvent.

Figura 7: Instalația AIRS

Secțiunea 3.5: Sistemul Inteligent de Management al Parcărilor

Complexitatea din ce în ce mai mare a funcțiilor îndeplinite de o clădire, combinând spații comerciale, birouri și spații rezidențiale în cadrul aceleiași construcții, a dus și la creșterea dificultăților de gestionare și supraveghere a parcărilor. Conducerea acestora necesită un efort uman ridicat.

Sistemele de control și supraveghere centralizată, pot fi integrate într-un sistem unic denumit Sistem de Management al Parcărilor (Parking Management System), ce reduce efortul necesar pentru conducere și duce la creșterea gradului de exploatare a parcărilor. Abordarea unitară a sistemului, prin conectarea tuturor echipamentelor la o rețea de calculatoare, oferă posibilitatea gestionării tuturor informațiilor provenite de la fiecare echipament sau punct de lucru aflat în rețea de către un sever care centralizează toate evenimentele într-o bază de date unică. Programe de calculator specializate pot furniza, în urma analizei informațiilor, rapoarte detaliate privind funcționarea și gestionarea parcării de către personalul angajat. Prin conectarea la internet, aceste informații pot fi accesate și de la distanță, protejarea la accesările neautorizate fiind făcută de de un program specializat care permite accesul doar persoanelor autorizate.

Acest Sistem Inteligent de Management al Parcărilor este foarte util, acționând cu mult în afara locului de parcare în sine. Astfel, îndrumarea în vederea parcării începe cu mult timp înainte de locul parcării (Figura 8). Sistemul Inteligent al Parcărilor le arată conducătorilor auto disponibilitatea reală / actuală a locurilor de parcare, cu zeci de Km înainte de parcarea în sine, cu o acuratețe de 99,9%. Acest lucru le permite conducătorilor auto să ia o decizie potrivită și să analizeze dacă este necesar sau nu să găsească o parcare alternativă. În acest fel, se reduc problemele de trafic asociate tipului tradițional de parcare.

Figura 8: Afișor ce indică timpul necesar pentru a ajunge la o parcare

Pe măsură ce conducătorii auto se apropie de destinația dorită, ei sunt informați despre numărul de locuri existente din cadrul parcării (Figura 9). Sistemul de Management al Parcărilor face posibilă afișarea precisă, pe mai multe afișoare amplasate în locuri diferite, a informațiilor referitoare la numărul de locuri disponibile pentru fiecare parcare din zonă. Astfel, conducătorii auto pot lua o decizie referitoare la locul în care vor parca, pe baza informațiilor oferite în timp real.

Figura 9: Numărul de locuri disponibile

Ceea ce face un Sistem Inteligent de Management al Parcărilor atât de eficient, este faptul că oferă date în timp real la fiecare nou punct de decizie. Înainte de a intra într-o parcare, conducătorul auto primește informații concrete, referitoare la numărul locurilor disponibile, pentru fiecare nivel în parte (Figura 10). Astfel, acesta economisește timp deoarece nu mai trebuie să conducă încet în vederea găsirii unui loc de parcare, putându-se îndrepta direct spre nivelul indicat.

Figura 10: Afișarea de informații despre locurile de parcare pentru fiecare nivel

Odată ce conducătorul auto ajunge la nivelul indicat, i se arată numărul de locuri disponibile, pe diferite sectoare (Figura 11). Afișoarele sunt esențiale în menținerea fluidizării „traficului” în interiorul parcării. Pe măsură ce mașinile intră și ies în și din aceste sectoare, afișoarele sunt actualizate în timp real, ceea ce asigură utilizarea optimă a locurilor disponibile.

Figura 11: Afișarea numărului de locuri disponibile pe un sector

Cu ajutorul senzorilor de detecție, conducătorul auto poate „naviga” cu ușurință pe nivelul parcării, până ajunge la locul disponibil. Senzorul de detecție, de deasupra unui loc de parcare, afișează o lumină verde dacă locul este disponibil și o lumină roșie imediat ce locul se ocupă (Figura 12). Informațiile se transmit printr-un lanț întreg de semnale, în vederea oferirii sistemului de informații actuale.

Figura 12: Lumina afișată de senzori în funcție de disponibilitatea locului de parcare

Sistemul Inteligent de Management al Parcărilor este controlat de programe create / emise de dispozitive inteligente. Software-ul Sistemului Inteligent de Management al Parcărilor funcționează perfect cu rețeaua senzorilor individuali și permite accesul la sistem (Figura 13) prin intermediul unui singur centru de control, ce permite vizualizarea a ceea ce se întâmplă la fiecare nivel / pas al sistemului.

Figura 13: Software-ul Sistemului Inteligent de Management al Parcărilor

Acest Sistem Inteligent de Management al Parcărilor are numeroase beneficii, printre care:

Controlul și supravegherea asistată de calculator a unor resurse

Sistemul de supraveghere video a parcării

Sistemul de iluminare

Controlul punctelor de acces

Obținerea de informații complexe privind gradul de ocupare a spațiilor

Automatizarea accesului.

De asemenea, beneficii importante sunt obținute și prin:

Reducerea numărului personalului destinat parcării

Reducerea consumurilor energetice

O mai bună gestionare a gradului de ocupare a parcării

Creșterea gradului de încredere a clienților.

Secțiunea 3.6: Aplicații ITS pentru autovehicule

O serie de automobile produse de concernul american General Motors beneficiază de afișarea pe parbriz a informațiilor de stare ale automobilului (Figura 14), o tehnologie implementată de companiile Asahi Glass, Nippon Seiki și DuPont Automotive. Este reprezentat de un strat special intercalat între cele două fețe ale parbrizului, care se comportă ca un ecran atunci când primește, sub formă de impulsuri electrice, informațiile de stare ale autovehiculului. Stratul este un material transparent pe baza de butiral polivinilic produs de compania DuPont Automotive, filiala DuPont Butacite (DuPont™ Butacite®). Stratul se numește „Pană DuPont” (DuPont™ Wedge™), datorită aspectului secțiunii transversale a acestuia. Acest tip de afișaj reprezintă una din dotările standard ale automobilelor de serie Chevrolet Corvette Z06 și Cadillac XLR, dar este oferit și ca dotare opțională pentru automobilele Pontiac Grand Prix, Cadillac STS. Astfel, se proiectează, pe parbrizul automobilului, datele provenite de la sistemul de navigație iar traseul rămâne în totalitate în câmpul vizual al șoferului. Afișajul are 3 tipuri de setări: Strada, Cale 1 și Cale 2, care sunt selectabile din butonul de control al modului de afișaj, iar în total sunt 10 combinații ale informațiilor de stare, pe care șoferul le selectează pentru a fi proiectate. Printre acestea se numără viteza automobilului, turația motorului și un ghid de schimbare a celor șase trepte ale cutiei de viteze manuală, precum și temperatura apei din radiator sau presiunea uleiului de motor. Poziția pe parbriz și luminozitatea imaginii virtuale pot fi modificate după preferințele șoferului.

Figura 14: Afișarea pe parbriz a informațiilor de stare ale automobilului

Un accelerometru afișează în timp real accelerațiile laterale în modurile 2 și 3 de funcționare a afișajului, el fiind disponibil pentru automobilele dotate cu schimbător automat a celor 6 trepte din anul 2006. Astfel, tastele din spatele volanului pun în evidență un indicator luminos special pentru verficarea stării cutiei de viteze. Indicatorul se aprinde doar în modul Sport al cutiei, când este necesară folosirea paletelor schimbătorului de pe volan.

Parcarea laterală (Figura 15) este o problemă pentru mulți conducători auto, amplificată și din cauza lipsei de locuri de parcare din orașele supraaglomerate. În principiu este o manevră ușoară dar, care poate duce la blocarea cirulației, nervi și automobile avariate. Din fericire, tehnologia are un răspuns – automobile care se parchează singure. Imaginați-vă să găsiți un loc de parcare perfect, dar în loc să parcați prin încercări succesive, apăsați un buton și mașina face totul în locul dumneavoastră. Aceeași tehnologie poate fi folosită pentru sisteme anticoliziune și probabil în viitor pentru automobilele care se conduc singure.

Figura 15: Realizarea unei parcări laterale

Producătorii de automobile încep să producă automobile dotate cu acest sistem pentru că există cerere din partea consumatorilor. Parcarea laterală este, de obicei, cea mai temută manevră, dar și cea mai folosită manevră în orașele mari. Eliminarea stresului și dificultatea acestei acțiuni pare foarte avantajoasă.

Acest sistem poate ajuta și la rezolvarea problemelor cu parcarea și traficul în zonele urbane foarte aglomerate. Uneori parcarea automobilului în spații mici este limitată de îndemânarea șoferului. Un automobil, dotat cu acest sistem, poate parca în aceste spații indiferent de șofer. Acest lucru face ca locurile de parcare să fie mai libere prin faptul că mai multe automobile pot parca într-un spațiu limitat. În final, sistemul poate diminua drumurile făcute la un service auto pentru a îndrepta sau revopsi părțile avariate moștenite prin manevra de parcare laterală.

Sistemul automat este folosit în special la parcarea laterală (deși există automobile care se parchează automat și în garaj). Parcarea laterală necesită gararea paralelă folosind o curbă și alinierea cu alte automobile. Majoritatea oamenilor necesită cu 2 metri mai mult decât lungimea propriului automobil pentru a parca ”ca la carte”, iar unii șoferi experimentați o pot face într-un spațiu mai mic.

Sistemul este prezent pe piață, nu este complet autonom, dar ușurează mult parcarea laterală. Șoferul încă trebuie să controleze viteza automobilului prin apăsarea pedalei de frână. Folosind sistemul de control al direcției, automobilul întoarce roțile automat și se poziționează în spațiul de parcare. Când automobilul a mers suficient de mult cu spatele un semnal anunță conducătorul că trebuie să oprească și să selecteze o viteză pentru deplasarea cu fața pentru a finaliza procedura (Figura 16). În final, un alt semnal (la Toyota Prius – Figura 17, este o voce de femeie) îl anunță pe șofer că parcarea laterală este finalizată.

Figura 16: Selectarea unei viteze de către șofer Figura 17: Toyota Prius

Fiecare sistem are un set de senzori prin care ”simte” obiectele aflate în vecinătatea automobilului. Unele sisteme au acești senzori distribuiți în bara din față și spate, senzori ce acționează ca emițători, dar și ca receptori de semnale. Senzorii transmit unde care se lovesc de obiecte și se întorc, iar calculatorul măsoară timpul în care acestea se întorc pentru a calcula distanța (principiu asemănător sonarului). Alte sisteme au camere montate în bări sau folosesc un radar pentru a detecta obiectele din jur. Rezultatul este același: automobilul detectează celelalte vehicule parcate, mărimea locului liber și distanța curbei pe care trebuie să o facă.

Însă, multor oameni le face plăcere să conducă și, de aceea, le-ar fi greu să lase controlul vehiculului în seama unui calculator, chiar dacă ar fi mai sigur. Siguranța calității acestor produse este, de asemenea, un factor ce trebuie luat în considerare. Cu toate astea, tehnologia nu este prea departe iar, în viitorul apropiat, atenția este îndreptată către producerea unor vehicule total autonome.

Secțiunea 4: Arhitectura ITS

Din definițiile date Sistemelor Inteligente de Transport, se poate observa faptul că pentru realizarea funcțiilor cerute acestor sisteme este necesară integrarea unor sisteme de natură diferită într-un sistem unic. Sistemele Inteligente de Transport sunt sisteme integrate, de complexitate ridicată, acest fapt implicând o abordare specifică în proiectarea și dezvoltarea unor astfel de sisteme. Complexitatea Sistemelor Inteligente de Transport generează nevoia definirii și realizării unei Arhitecturi ITS. Complexitatea sistemelor ITS poate fi privită din mai multe perspective:

a) Sistemele ITS sunt sisteme integrate (sisteme mari, cu număr mare de subsisteme și componente), astfel încât, sistemul integrat, ca întreg, trebuie să reprezinte mai mult decât suma elementelor componente

b) Există multe relații de cooperare între numeroșii participanți la astfel de sisteme (prin „participant” înțelegându-se acea entitate economică, persoană fizică sau juridică, care dorește dezvoltarea de astfel de sisteme – autorități locale, operatori de infrastructură, care efectiv dezvoltă sisteme ITS – furnizori de componente, furnizori de elemente de infrastructură, care utilizează Sistemele Inteligente de Transport – călători, transportatori de marfă și care reglementează domeniul ITS – guverne naționale, Uniunea Europeană)

c) Interese comerciale de natură diferită (servicii publice și servicii comerciale)

d) Existența activităților multidisciplinare (software, electronică, inginerie de trafic, comunicații, tehnologia informației, etc)

e) Implicarea diverșilor producători / tehnologii la construirea sistemelor integrate.

Toate aceste aspecte, prezentate mai sus, fac aproape imposibilă proiectarea și dezvoltarea Sistemelor Inteligente de Transport fără definirea unei arhitecturi ITS. Această arhitectură trebuie să asigure, pe lângă definirea specificațiilor privind comunicarea între subsistemele componente ITS, și o concepție comună asupra acestor subsisteme, fără de care nu se poate vorbi de o integrare consistentă a sistemului care le conține (Figura 18).

Figura 18: Integrarea armonioasă a sistemului ITS

Obiectivele definirii și dezvoltării arhitecturii Sistemelor Inteligente de Transport pot fi grupate în două mari categorii: să faciliteze înțelegerea atât a problemei cât și a soluțiilor sale (să fie capabilă să prezinte întregul – Sistemul Inteligent de Transport – ca fiind mai mult decât suma părților componente și să satisfacă aspirațiile participanților la dezvoltarea de astfel de sisteme) și să furnizeze o bază stabilă de proiectare și dezvoltare pentru sistemele ITS (care să poată fi realizate și care să poată lucra pentru satisfacerea aspirațiilor celor implicați în dezvoltarea unor astfel de sisteme). Având în vedere aceste obiective, arhitectura sistemului ITS poate fi definită ca fiind un cadru de nivel înalt (sau concepție de nivel înalt) care descrie sistemul integrat ca întreg și oferă înțelegerea soluțiilor pe care sistemul le poate oferi, prin intermediul funcțiilor și componentelor sale, problemelor generate de către aspirațiile participanților la dezvoltarea sistemelor ITS. Astfel arhitectura ITS descrie minimul necesar pentru ca un astfel de sistem să aibă funcționalitatea cerută și nu maximul posibil.

Arhitectura ITS specifică schimbul de informații și managementul controlului pe diferite niveluri, așa cum este prezentat în modelul multinivel din figura 19. Există mai multe modalități de definire a acestor niveluri. Managerii din domeniul transporturilor au nevoie de mai multe informații, privind arhitectura sistemului, referitoare la nivelurile superioare (nivelurile 2 și 3), care sunt orientate spre organizarea sistemului. Nivelurile inferioare sunt orientate spre proiectarea și ingineria detaliată a sistemului.

Nivelul 3 al arhitecturii trebuie să reflecte constrângerile din lumea reală care operează asupra organizațiilor de transport și cerințele privind proprietățile sistemului, precum interoperabilitatea dintre organizația implicată și mediu totodată și controlul informației furnizate de organizația respectivă. Acesta mai poate evidenția locul și momentul în care trebuie modificate sau schimbate structurile organizaționale existente în scopul furnizării de servicii ITS. Nivelul 3 al arhitecturii stabilește cadrul de lucru pentru nivelul 2 al arhitecturii ITS.

Figura 19: Modelul multinivel al arhitecturii ITS

Nivelul 2 al arhitecturii ITS prezintă proprietățile sistemelor care operează într-o singură organizație și ia în considerare caracteristicile existente și viitoare ale sistemului. Structurile existente privind responsabilitățile în cadrul organizației și sistemele ITS care funcționează pe baza acestora pot fi obiectul unor modificări considerabile în timp.

Nivelul 1 al arhitecturii ITS este orientat spre proiectarea sistemului. La acest nivel, este definită structura sistemului. Astfel, funcțiile ITS sunt grupate pentru implementare și sistemul informațional este descompus logic în subsisteme, în scopul de a fi proiectate la nivelul 0. Sunt alese tehnologii specifice care vor fi indicate doar la nivelul 0.

Nivelurile 1-3 ale arhitecturii ITS sunt independente de tehnologie, fiind relativ stabile în raport cu modificările tehnologice.

Mai jos, în figura 20, este prezentată schița unei arhitecturi ITS, unde CCTV reprezintă televiziunea cu circuit închis (Closed Circuit Television), VMS este panoul cu mesaje variabile (Variable Message Sign) și HAR se referă la informațiile radio pentru autostrăzi (Highway Advisory Radio). În acest mod, din momentul în care au fost alese serviciile ITS, soluția de operare poate fi specificată până la cel mai mic detaliu, luând în considerare responsabilitățile privind furnizarea acestor servicii.

Figura 20: Schița unei arhitecturi ITS

Secțiunea 4.1: Tipuri de arhitecturi ITS

Arhitectura ITS definește diferite puncte de vedere asupra unui sistem. Aceste puncte de vedere sunt denumite arhitecturi, ca de exemplu: arhitectura funcțională, arhitectura fizică arhitectura organizațională, etc.

1) Arhitectura funcțională

La cel mai înalt nivel de prezentare al unei arhitecturi funcționale, aceasta este formată dintr-un număr de domenii funcționale. Fiecare domeniu este identificat printr-un nume și un număr. Funcționalitatea fiecărui domeniu este prezentată prin funcții. Există două tipuri de funcții și anume:

a) Funcțiile de nivel înalt – sunt divizate în subfuncții, pentru a se realiza o înțelegere mai facilă a lor. Unele dintre acestea pot fi la rândul lor funcții de nivel înalt, având un oarecare grad de complexitate, sau funcții de nivel inferior propriu-zise, așa cum se prezintă în continuare. Funcțiile de nivel înalt rareori satisfac direct necesitățile utilizatorilor prin ele însele, dar întotdeauna satisfac aceste necesități prin intermediul funcțiilor de nivel inferior care le compun.

b) Funcțiile de nivel inferior – fiecare funcție are propriul nume, la fel ca și domeniile funcționale. Acest nume conține un verb în structura sa și este o expresie a ceea ce face funcția respectivă. Astfel, o funcție cu numele „administrează vehiculele de urgență” va oferi acea funcționalitate ce permite managementul operării vehiculelor de urgență. Domeniile funcționale sau funcțiile de nivel înalt, pot include depozite de date ce sunt folosite pentru a păstra datele utilizate de mai multe funcții de nivel înalt dintr-un domeniu sau de funcțiile de nivel inferior dintr-o funcție de nivel înalt. Fiecare depozit de date va avea facilitățile de management corespunzătoare (de exemplu controlul citirii / scrierii, crearea jurnalelor, salvarea de siguranță, etc.). Aceste facilități trebuie să acopere toate necesitățile de comunicație, mai ales în cazul în care baza de date este folosită de funcții pe care arhitectura fizică le-a plasat în alt loc. În multe cazuri, fluxurile de date care cer ca datele să fie furnizate de depozitele de date sau care confirmă că datele au fost scrise în baza de date, nu sunt vizibile, deși se presupune că aceste fluxuri există și sunt folosite.

Înlănțuirea funcțiilor se face prin intermediul fluxurilor de date. Acestea permit transmiterea datelor de la o funcție la alta, la sau de la depozitele de date, la sau de la terminale. Terminalul reprezintă interfața dintre arhitectură și mediul exterior, asigurând fluxul de date de la mediul exterior spre arhitectura sistemului și de la aceasta către mediul exterior. Un terminal poate fi o entitate umană, un sistem sau o entitate fizică de la care pot fi obținute date.

2) Arhitectura logică

Arhitectura logică face parte din domeniul nivelului 1 reprezentat în figura „Model multinivel al arhitecturii ITS”. Arhitectura logică prezintă procesele și fluxul informațional dintre procese. În dezvoltarea arhitecturii logice sunt examinate aspectele comune din cerințele funcționale ale diferitelor servicii utilizator, astfel încât cerințele comune pot fi grupate în același set de procese.

În figura 24 este prezentată, ca exemplu, o arhitectură logică de nivel înalt. Săgețile indică direcțiile fluxului de date care sunt necesare pentru a efectua serviciile selectate. Cercurile reprezintă grupuri de procese care sunt prezentate mult mai detaliat pe nivelurile inferioare ale arhitecturii logice. Pe nivelurile cele mai de jos, cercurile descriu prelucrarea de date și algoritmul necesare pentru detectarea automată a incidentelor.

În arhitectura logică grupurile de procese, prezentate prin cercuri, nu implică nici o alocare a responsabilităților organizaționale, dar ele indică faptul că funcția specificată trebuie să fie efectuată și să interacționeze cu alte funcții. Rolul important al arhitecturii logice este de a descrie modul în care sistemul tratează anomaliile.

3) Arhitectura fizică

Arhitectura fizică, orientată pe proiectarea sistemului, distribuie procesele definite de arhitectura logică a subsistemelor fizice, pe baza specificațiilor proceselor funcționale și a locului unde trebuie efectuate funcțiile. Arhitectura fizică distribuie procesele în subsisteme fizice, luând în considerare responsabilitățile instituționale. O schemă de nivel înalt a unei arhitecturi fizice naționale este prezentată în figura 24.

Interfețele dintre cele patru subsisteme ale arhitecturii fizice sunt indicate în figură. Fluxul de date dintre subsisteme se efectuează prin intermediul celor trei tipuri de mijloace de comunicare.

Fiecare țară sau regiune trebuie să stabilească propriile sale necesități și cerințe utilizator în momentul începerii elaborării unei arhitecturi ITS naționale sau regionale. Anumite cerințe locale pot diferi de la o țară la alta. O arhitectură fizică definește și descrie modul în care componentele arhitecturii funcționale pot fi grupate, pentru a forma entități fizice. Principalele caracteristici ale acestor entități sunt faptul că ele furnizează unul sau mai multe dintre serviciile ce sunt cerute de către necesitățile utilizatorilor și faptul că ele pot fi create. Acest proces de creare poate implica entități fizice, cum ar fi structuri amplasate pe drum și diferite forme de echipamente, entități care nu sunt fizice, cum ar fi software-ul, sau combinații ale celor două. În arhitectura fizică ITS (Figura 21) aceste entități fizice sunt numite „sisteme etalon”. Toate „sistemele etalon” pot fi compuse din două sau mai multe subsisteme. Un subsistem, execută una sau mai multe sarcini definite și, poate fi oferit ca un produs comercial.

Fiecare subsistem poate fi compus din una sau mai multe părți ale arhitecturii funcționale (funcții și depozite de date) și poate comunica cu alte subsisteme și cu unul sau mai multe terminale. Aceste comunicații pot fi furnizate prin folosirea fluxurilor fizice de date.

4) Arhitectura organizațională

Responsabilitatea pentru implementarea sistemelor ITS trebuie să fie împărțită între diferite organizații și între diferite departamente de management din cadrul acestor organizații, în funcție de scopuri și cerințe. Arhitecturile logice și fizice trebuie să fie transpuse într-o arhitectură organizațională care este relevantă pentru nivelul local. Arhitectura organizațională este utilizată pentru dezvoltarea și explicarea responsabilităților și a interacțiunilor funcționale dintre organizații publice, private sau parteneriate public / privat. Arhitectura organizațională este dezvoltată prin asigurarea entităților locale din arhitectura logică a unui model organizațional. Modelul de referință european GERDIEN (date generale referitoare la drumurile europene și rețeaua de schimb a informațiilor) este un model organizațional care subliniază dimensiunea grafică, arătând unde este furnizat efectiv un serviciu ITS. Impactul dintre componentele organizaționale este prezentat prin legături.

Figura 22, care arată nivelurile domeniilor geografice, este prezentată cu intenția de a se indica cu claritate zona de acțiune pentru fiecare funcție sau serviciu ITS, din punct de vedere al nivelului geografic. Din momentul în care acest lucru este clar, trebuie să reiasă limpede cum este necesar să interacționeze două sisteme de management. În exemplul dat în figura 22, două sisteme vecine de management al autostrăzii au conexiuni la nivelul superior pentru dirijarea traficului pe distanțe mari. La nivelul inferior următor, două regiuni învecinate colaborează pentru dirijarea traficului vizitatorilor dintr-o regiune care participă la evenimente care au loc în cealaltă regiune. Din momentul în care au fost luate decizii la acest nivel, aceste decizii pot fi transformate în comenzi în interiorul fiecărei regiuni, influențând nivelurile lor inferioare corespunzătoare, ceea ce nu necesită comunicații directe între ele.

Figura 21: Arhitectură fizică națională ITS

Figura 22: Un model geografic ierahic

În figura 23, sunt reprezentate patru sisteme de management sub formă de stive, cu interacțiunile asociate. Modelul organizațional orientat geografic prezintă localizarea, mărimea impactului și interacțiunile dintre organizații pe nivelurile geografice specifice.

În această figură UTMS reprezintă sistemul de management al traficului urban (Urban Transport Management System), ATMS vizează sistemul avansat al traficului (Advanced Traffic Management System) și EMS arată sistemul de management al urgențelor (Emergency Management System). Modelul organizațional prezentat în figura de mai jos poate fi extins pentru a include relații conceptuale, sistemul de management al traficului urban (UTMS – Urban Traffic Management System) și sistemul de management al urgențelor.

Figura 23: Un model organizațional pentru ITS

5) Arhitectura de referință

Arhitectura de referință a sistemului de control și informare în transporturi este o arhitectură orientată pe obiect pentru sistemele de tip ITS, dezvoltată de Organizația Internațională de Standardizare – Comitetul tehnic 204 (ISO TC 204) pentru utilizare la nivel internațional. În momentul în care grupul de lucru a inițiat acest proiect, mai multe țări dezvoltaseră deja arhitecturi ITS, ceea ce poate conduce la standarde și implementări incompatibile.

Arhitectura de referință TICS (Transport Information and Control System – Sistem de control și informare în transporturi) a ISO se bazează pe intrări de la toate arhitecturile regionale, în special arhitectura națională a Statelor Unite (US National Architecture), marele proiect japonez (Japanese Grand Design) și arhitecturi elaborate în cadrul proiectelor CEN (Comitee Europeen de Normalisation – Comitetul European de Standardizare) și DRIVE în Europa. Obiectivul este facilitarea dezvoltării armonioase și interoperabile, la nivel internațional, a ITS prin intermediul unei arhitecturi de referință comune.

Deoarece această arhitectură este o arhitectură de referință, ea nu poate fi utilizată la nivel de detaliu atunci când se face referire la documentele de intrare, cum poate fi utilizată, de exemplu, arhitectura națională a Statelor Unite. Ea nu intenționează să înlocuiască arhitecturile regionale, ci mai curând să promoveze, la nivel internațional armonizarea eforturilor care se depun privind arhitectura și standardizarea. Arhitectura de referință este compatibilă cu arhitecturile regionale existente dezvoltate cu metodologii alternative.

Arhitectura de referință TICS (Figura 25) este un model al sistemului informatic și al relațiilor sale care sprijină managementul și executarea resurselor de transport rutier într-un mediu integrat. A fost aleasă o abordare orientată pe obiect bazată pe tendințele actuale ale tehnologiei informației.

Arhitectura de referință TICS este concepută pe baza modelării vizuale a sistemelor orientate pe obiect și bazată pe componentele specificate în limbajul unificat de modelare (UML – Unified Modelling Language).

Figura 25: Caz de utilizare la nivel înalt a arhitecturii de referință TICS

Secțiunea 4.2: Arhitecturi ITS la nivel național

Scopul central al realizării cu succes a unui ITS la nivel național este stabilirea unei arhitecturi ITS unificate. Dacă arhitectura este proiectată cu minuțiozitate, ea va asigura dezvoltarea unui sistem compatibil la nivel național, care să conecteze toate modurile de transport. Arhitectura încurajează realizarea de standarde naționale, pentru a promova călătoriile între orașe și mișcarea mărfurilor la nivel național, împiedicând în același timp zonele locale sau regionale să dezvolte implementări ITS incompatibile. Arhitectura națională ITS permite agenților economici țintă să adopte elemente ITS într-o manieră și într-un cadru de timp ales de ei, permițând ca aceste elemente să fie livrate de mai mulți furnizori și servind ca bază pentru standarde care pot reduce eforturile depuse de grupurile de agenți economici țintă ce pot accelera procesul de introducere a produselor și serviciilor ITS și pot reduce riscurile întâmpinate de sectorul privat în dezvoltarea acestor produse și servicii.

Baza arhitecturii ITS o reprezintă setul de 32 servicii utilizator, definit de ISO. Serviciile utilizator reprezintă un spectru larg de servicii, incluzând sisteme avansate pentru vehicule, managementul transportului și servicii de plată electronică. Obiectivul programului național pentru dezvoltarea unei arhitecturi ITS este unificarea și organizarea serviciilor utilizator și promovarea standardelor care asigură aceeași funcționare a sistemului în întreaga țară.

Arhitectura ITS națională furnizează o structură comună pentru proiectarea sistemelor de tip ITS. Ea definește cadrul în care se pot dezvolta diferitele moduri de abordare ale proiectării sistemelor ITS, fiecare dintre acestea fiind realizat pentru rezolvarea necesităților regionale specifice, menținând în același timp beneficiile unei arhitecturi comune în cadrul sistemelor actuale cât și a celor planificate. Arhitectura ITS națională definește funcțiile (de exemplu, controlul semnalelor de trafic, managementul autostrăzilor sau managementul incidentelor) ce trebuie să fie îndeplinite de către componente sau subsisteme, locul în care se găsesc aceste funcții (la marginea drumului, în centrul de management al traficului sau în vehicul), interfețele și fluxurile de informații dintre subsisteme, precum și cerințele de comunicații pentru fluxurile de informații (comunicații prin cablu sau radio).

Arhitectura ITS națională poate aduce beneficii pe termen scurt precum economisirea de timp și bani în dezvoltarea unui proiect, de la faza de concepere până la implementarea acestuia, deoarece furnizează un punct de pornire pentru dezvoltarea cerințelor funcționale și a specificațiilor sistemului, realizează corelația între necesități și probleme pentru serviciile ce trebuie să fie efectuate (prin aceasta asigurând, pentru un proiect, posibilitatea de urmărire a necesităților generale de transport), ilustrează eficiența ce poate fi câștigată prin eliminarea implementărilor redundante de funcții similare, oferă o listă extinsă a organizațiilor de transport (prin realizarea corelației dintre funcțiile pe care le execută acestea, cu numele subsistemelor corespunzătoare din arhitectura ITS națională) cu care ar trebui să discute o organizație, în timpul planificării inițiale a unei implementări, identifică interfețele și schimburile de date ce trebuie să fie incluse (de exemplu, schimburi de date între subsistemele de management al traficului și cele amplasate de-a lungul drumului), furnizează o verificare a produsului de către contractorul proiectării (în cazul în care contractorului i se cere să demonstreze folosirea arhitecturii ITS și relația dintre aceasta și proiectarea oferită), ajută la reducerea necesității unor schimburi costisitoare într-o fază târzie a procesului de proiectare și implementare, furnizează estimări aproximative ale costurilor pentru un spectru larg de echipamente și servicii ITS, ce pot fi folosite la calcularea costurilor inițiale ale proiectului și furnizează o perspectivă pentru identificarea serviciilor și funcționalităților care nu au fost luate în considerare inițial, necesare în mod curent și care sunt posibile. Astfel, se furnizează o listă a capacităților viitoare, ce pot fi planificate de acum, ca o anticipare a necesităților viitoare (de exemplu, se poate planifica, pentru un furnizor de informații, distribuirea informațiilor de trafic sau de alt tip de diverși abonați).

De asemenea, un alt avantaj este acela că definește tipul de informații ce trebuie partajate de aceste organizații. Organizația poate folosi informațiile ca o listă de verificare în planificarea proiectului și în discuțiile cu celelalte grupuri țintă, pentru a arăta cum pot participa acestea la partajarea informațiilor.

Un ultim beneficiu pe termen scurt, se referă la faptul că reprezintă un bun punct de plecare sau model pentru dezvoltarea arhitecturii care va direcționa strategia de desfășurare a unui anumit proiect. Astfel, pornind de la arhitectura ITS națională se pot înlătura funcțiile și fluxurile de informații ce nu sunt potrivite și apoi se pot include modificări sau suplimentări, pentru satisfacerea cerințelor și considerațiilor specifice locale.

Utilizarea arhitecturii ITS naționale și standardelor ITS va furniza, de asemenea, mari beneficii pe termen lung. Acestea vor aduce un câștig atât la nivel național, cât și regional și anume:

a) Interoperabilitate – arhitectura ITS națională specifică standardele care sunt necesare pentru asigurarea interoperabilității și componentele cărora li se adresează; de regulă aceste componente sunt de tip interfață între componente de tipul prelucrare, memorare date, comunicare, mediu extern. Soluțiile inovatoare utilizate în definirea arhitecturii pot contribui la dezvoltarea standardelor existente suport pentru asigurarea interoperabilității între componente sau între sisteme.

Utilizarea interfețelor standard va asigura, la nivel național și regional, interoperabilitatea și interschimbabilitatea sistemelor și dispozitivelor utilizate în managementul călătorilor prin intermediul sistemelor ITS.

2) Competiție mai bună – prin solicitarea utilizării de standarde deschise, se va putea răspunde cerințelor arhitecturii de către mai mulți vânzători / furnizori care respectă standardele. Totodată, pot fi obținute sprijin și actualizări din mai multe surse, evitându-se problema blocării la o singură sursă, implicând creșterea competiției.

3) Costuri mai mici – costurile de termen lung ale dezvoltării se vor diminua prin economiile făcute datorită echipamentului și produselor ITS gata fabricate și a competiției dintre mai mulți furnizori.

4) Posibilitatea de extindere viitoare – prin proiectarea într-un cadru comun și utilizarea unor standarde deschise, se poate crea un mediu care integrează sistemele ITS vechi cu sistemele ITS noi și se permite adăugarea unor funcții noi, atunci când acest lucru este dorit sau este necesar.

5) Integrare mai bună într-un sistem de transport – natura deschisă și structura arhitecturii naționale ITS și utilizarea unor componente care să respecte standardele vor facilita integrarea componentelor complexe ale managementului traficului cu componentele altor sisteme de tip ITS. O integrare mai bună a sistemelor proprii diverselor organizații va permite o partajare efectivă a informației și o utilizare mai eficientă a resurselor.

Capitolul 2

Senzori și traductoare

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate

În scopul măsurării mărimilor fizice ce intervin într-un proces tehnologic, este necesară, în general, convertirea acestora în mărimi de altă natură fizică, ce pot fi introduse cu ușurință într-un circuit de automatizare.

Elementul care permite convertirea unei mărimi fizice – de obicei neelectrică – într-o altă mărime fizică – de obicei electrică – dependentă de prima, în scopul introducerii acesteia într-un circuit de automatizare, se numește traductor. De exemplu, o temperatură sau o presiune sunt convertite în mărimi de natură electrică – tensiune, curent electric – proporționale cu mărimile generale, care pot fi utilizate și prelucrate de celelalte elemente de automatizare ale sistemului de reglare automată (SRA) – comparatoare, regulatoare automate, etc.

Structurile de măsurare destinate evaluării mărimilor neelectrice includ, întotdeauna, cel puțin un traductor (mijloc de măsurare care asigură conversia suportului informațional al mărimilor de măsurat). Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice impune ca suportul energetic al mărimii măsurate să fie unul electric. Transmisia informației se simplifică, iar precizia de măsurare se ameliorează. Devin posibile măsurarea mărimilor neelectrice cu sisteme automate cu semnal unificat (bucla de curent, linii de tensiune sau modulație în frecvență) și realizarea sistemelor de reglare automată. Conversia de suport informațional la nivelul unui traductor înseamnă schimbarea naturii mărimii purtătoare de informație, mărimea de intrare și mărimea de ieșire din traductor fiind de natură diferită. Dacă mărimea de ieșire este electrică, traductorul se numește electric. Traductoarele electrice sunt cele mai răspândite datorită facilităților lor de prelucrare complexă (fiind incluse obligatoriu în orice sistem de măsurare automată).

Traductoarele pot fi proiectate pentru orice mărime neelectrică prin alegerea unui material corespunzător pentru elementul sensibil (datorită structurii electronice a materiei, orice variație într-un parametru neelectric va avea ca efect o variație corespunzătoare a unui parametru electric). Trebuie menționat că o anumită mărime neelectrică poate fi detectată cu ajutorul mai multor tipuri de senzori. De exemplu, deplasarea poate fi convertită în variație de rezistență, de inductanță, de capacitate electrică etc.

Astfel, traductorul este un dispozitiv de automatizare care stabilește o corespondență între mărimea de măsurat (ce poate fi de orice natură sau domeniu de variație) și o mărime de natură dată, având un domeniu de variație calibrat, mărime ce este recepționată și prelucrată de către echipamentele de conducere (regulatoare și calculatoare de proces).

În literatura de specialitate, deseori, termenul de „traductor” este înlocuit cu cel de „senzor”. Această terminologie este des utilizată în zona americană, în timp ce termenul de „traductor” este uzitat în zona europeană. Cuvântul “senzor” este derivat din cuvântul latin sentire care înseamnă “a percepe”, în timp ce “traductor” din transducere care înseamnã “a traversa”. O definiție de dicționar atribuie cuvântului “senzor” semnificația de „dispozitiv care detectează o schimbare într-un stimul fizic si o transformă într-un semnal care poate fi măsurat sau înregistrat”, în timp ce pentru cuvântul “traductor” definiția este de „dispozitiv care transferă putere de la un sistem la altul în aceeași formă sau în una diferită”. Prin prisma definiției, un senzor realizează aceeași funcție ca și un traductor, adică percepe starea unei mărimi fizice pe care o convertește în semnal electric. În consecință, structura funcțională a unui senzor respectă – în principiu – aceeași schemă ca a traductorului. Aceasta arată de ce, cele două noțiuni sunt folosite frecvent în explicarea principiilor funcționale pentru diferite structuri constructive.

În cadrul unui SRA monovariabil, traductorul (Tr) este plasat pe calea de reacție, având la intrare mărimea reglată – y, pe care o convertește în mărime de reacție – yr (Figura 1).

Figura 1: Schema de principiu a unui SRA monovariabil

În cazul unui sistem multivariabil de reglare și / sau conducere automată, schema de principiu este de tipul celei din figura 2, unde EE este elementul de execuție, SI-I sistemul de interfață a intrărilor, Tr este traductorul, SI-E este sistemul de interfață a ieșirilor, SIA este sistemul de interfață pentru mărimi analogice, SIN este sistemul de interfață pentru mărimi numerice, CP este calculatorul de proces, CO este consola operator, CU este calculatorul universal și PG sunt perifericele generale.

Figura 2: Sistem de conducere automată a unui proces multivariabil

Din cele două figuri de mai sus, se constată că traductoarele (Tr) sunt situate pe calea informațională având sensul de transmitere de la proces către sistemul de conducere, iar elementele de execuție (EE) sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere către proces.

Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realiza în diverse moduri – mecanic, termic, electric etc, în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informație referitoare la mărimea de măsurat. Datorită unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, și numai în cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole de explozii sau incendii). Ca urmare, semnalele de ieșire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune, curenți) sau pneumatică (aer instrumental), acestea având domenii de variație fixate.

Întrucât traductoarele, sau unele componente ale acestora, sunt montate direct în instalațiile în care se desfășoară procesul, este necesar ca acestea să funcționeze corect, în condiții foarte dificile: umiditate, medii corozive sau uneori la temperaturi ridicate sau la presiuni foarte mari.

Un traductor diferă de un aparat de măsurat, sub raportul mai multor caracteristici. Prin aparat de măsurat se înțelege acel dispozitiv care stabilește o dependență între mărimea de măsurat și o altă mărime ce poate fi percepută nemijlocit cu ajutorul organelelor de simț umane, într-o manieră care permite determinarea valorii mărimii necunoscute în raport cu o anumită unitate de măsură. În cazul sistemului de reglare automată (SRA), unde conducerea procesului se face fără participarea directă a operatorului uman, mijloacele prin care se realizează operația de măsurare se numesc traductoare.

Realizându-se un paralelismul funcțional între aparatele de măsurat și traductoare, se observă o serie de deosebiri ce rezultă, în special, din faptul că traductorul este un element component al SRA. Din punct de vedere al caracteristicilor, traductoarelor li se impun următoarele cerințe:

a) relație de dependență liniară între intrare și ieșire (I – E).

b) dinamică proprie care să nu influențeze în mod esențial comportarea SRA.

Aceste cerințe reprezintă restricții severe în construcția traductoarelor. Dacă pentru un aparat de măsură relația de dependență I-E poate fi neliniară deoarece scara aparatului se gradează neliniar, în cazul traductorului dependența I-E este impusă strict liniară. Mai precis, eroarea de neliniaritate admisă este foarte redusă.

În ceea ce privește dinamica proprie, este necesar ca informația furnizată de traductor către echipamentul de conducere să ajungă la acesta fără întârziere, pentru ca deciziile de conducere să fie oportune. Acest lucru înseamnă că dinamica proprie a traductorului trebuie să fie rapidă, astfel încât programarea informației prin traductor (I-E) să se facă cu întârzieri minime (neglijabile) în raport cu dinamica procesului condus.

Realizarea funcțiilor de către traductor astfel încât semnalul obținut la ieșirea acestuia să reprezinte valoric mărimea măsurată, sub formă accesibilă dispozitivelor de automatizare, implică o serie de operații de conversie însoțite totodată și de transformări energetice bazate fie pe energia asociată mărimii preluate din proces, fie pe cea furnizată de sursele auxiliare.

Traductorul se compune dintr-o serie de elemente care îi permit să realizeze conversia unei mărimi fizice într-o altă mărime fizică dependentă de prima, în scopul introducerii acesteia într-un circuit de automatizare (Figura 3).

Figura 3: Structura generală a unui traductor

Elementele componente, reprezentate în figura de mai sus, sunt un adaptor (A≡AD), un element sensibil denumit detector (ES≡D), ce este specific fiecărui parametru măsurat, un element de transmitere sau de transfer (ET), în cazul în care este necesar, și o sursă de energie auxiliară (SEA).

Mărimea de măsurat X este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând parametrul reglat (temperatură, debit, presiune, turație, nivel, vitază, forță, etc). Mărimea de ieșire Y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune). Însă, această structura generală a traductoarelor este diferită de la un tip de traductor la altul.

Faptul că în structura traductorului sunt prezente blocurile de prelucrare și de ieșire sugerează restricțiile (cerințele) care pot fi impuse semnalului de ieșire, și anume proporționalitatea ieșirii cu mărimea de măsurat (ceea ce înseamnă că la un traductor caracteristica statică este liniară) și normalizarea semnalului electric de ieșire, prin impunerea unor limite inferioare și superioare de variație, indiferent de tipul și gama de variație a mărimilor de intrare.

Detectorul (D≡ES), numit și element sensibil, senzor sau captor, este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. Detectorul / Senzorul este elementul sensibil ce are rolul de a sesiza mărimea de măsurat aplicată la intrarea sa, X(t) și de a o converti într-o altă mărime fizică, de aceeași natură sau de natură diferită, Y(t), care poate fi ușor măsurată, cel mai frecvent pe cale electrică. Conversia mărimii de intrare în mărime de ieșire la senzori se bazează pe efecte fizice sau chimice.

În mediul în care trebuie să funcționeze traductorul, în afara mărimii X, există și alte mărimii fizice. Detectorul trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variațiile mărimii X, fără ca informațiile pe care acesta le furnizează să fie afectate de celelalte mărimi din mediul respectiv sau din proces.

În urma interacțiunii dintre mărimea de măsurat și detector are loc o modificare de stare a acestuia, care conține informația necesară determinării valorii mărimii de măsurat. Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În funcție de fenomenele fizice pe care se bazează detecția și de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieșirea elementului sensibil. Există și situații în care modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametrii de material a căror evidențiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA).

Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului (D), informația furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin elementul de transmitere / de transfer (ET) și prin adaptor (A≡AD).

Senzorilor / Detectorilor le sunt specifice trei caracteristici:

Miniaturizarea, care permite realizarea de măsurări (determinări) “punctuale”ale mărimilor investigate

Multiplicarea funcțională, adică existența în structura unui senzor a unui număr mare de dispozitive sensibile care îndeplinesc aceeași funcție, dispuse liniar sau matricial

Fusiunea senzorială, care presupune reuniunea mai multor senzori într-o configurație unică, pentru a asigura o funcționalitate dorită.

Traductorul poate avea în structura sa mai mulți senzori, capabili să efectueze conversia mărimii de măsurat într-o mărime electrică, indirect, prin mai multe etape intermediare, până la obținerea mărimii de ieșire finale Y. Traductorul care include un singur senzor se numește traductor direct. În caz contrar, acesta se numește traductor complex.

Adaptorul (A) are rolul de a modifica / de a adapta informația obținută la ieșirea detectorului (D) la cerințele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează, adică de a o converti sub forma impusă pentru semnalul de ieșire Y.

La partea de intrare, adaptorul se caracterizează printr-o mare diversificare constructivă pentru a putea prelua variatele forme sub care pot să apară modificările de stare ale diferitelor elemente sensibile (ES).

Pe parte de ieșire, adaptoarele cuprind de regulă (la echipamentele standardizate) elemente comune necesare generării semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de variație al mărimii de intrare.

Adaptorul asigură conversia variațiilor de stare ale elementului sensibil (ES) în semnale calibrate la ieșire, ce reprezintă (la o altă scară) valoarea mărimii de intrare. Deci, adaptorul (AD) realizează operația specifică măsurării, adică, comparația cu unitatea de măsură adoptată. Modalitățile practice de efectuare a comparației sunt diverse, comparația putând fi simultană sau succesivă (nesimultană). Este necesar ca la ieșirea adaptorului dependența intrare – ieșire (I-E) să fie liniară.

Adaptoarele se pot clasifica în mai multe categorii, în funcție de elementele constructive și de forma de variație a semnalelor de ieșire. În funcție de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieșire, adaptoarele pot fi electrice (electronice) și pneumatice. În raport cu forma de variație a semnalelor de ieșire, adaptoarele pot fi analogice și numerice.

Utilizarea unui traductor este precedată de operația de calibrare inițială prin care intervalul de variație al semnalului analogic de la ieșirea traductorului se asociază domeniului necesar al mărimii de intrare în traductor și în consecință, fiecărui nivel de semnal la ieșire îi corespunde o valoare bine precizată a mărimii de intrare – datorită legii de dependență liniară a mărimii măsurate.

Particularitățile referitoare la aspectele tehnologice sau economice impun și prezența unor elemente auxiliare în anumite cazuri. De exemplu, în măsurarea temperaturilor înalte, elementul sensibil nu poate fi plasat în aceeași unitate constructivă cu adaptorul. De aceea, este necesar un element de legătură între detector și adaptor. Aceste elemente, numite elemente de transmitere (ET), realizează legături electrice, mecanice, optice, etc. între detector și adaptor.

Dacă mărimea generată de detector este neadecvată pentru transmisie (cum se întâmplă în cazul transmisiilor la mare distanță), atunci elementul de transmitere conține și elemente de conversie, potrivit cerințelor impuse de canalele de transmisie.

În categoria elementelor auxiliare intră și sursele de energie auxiliară, care ajută la conversia semnalelor din detector și adaptor, atunci când aceste conversii nu se pot obține utilizând puterea asociată mărimii de măsurat, sau când aceste conversii (cu energie proprie luată de la semnalul de măsurat) introduc dificultăți în realizarea performanțelor cerute semnalului de ieșire din traductor.

Ansamblul format dintr-un senzor integrat in același circuit (chip) cu elementul de adaptare poartă numele de traductor "integrat". Recent, a apărut conceptul de senzor sau traductor "inteligent" care prezină asocierea unui traductor cu un microprocesor (microcontroller). Astfel se pot obține semnale de ieșire cu mare imunitate la perturbații, liniarizarea caracteristicii de conversie a mărimii de intrare X in mărime de ieșire Y, autocalibrarea, corecții față de diverși factori de influență, generarea unor mărimi de control.

Evident, “inteligența” unui astfel de dispozitiv trebuie înțeleasă prin organizarea traductorului în jurul unei unități procesoare, care, pe lângã asigurarea comunicației prin intermediul magistralei de câmp, permite efectuarea unor operații suplimentare ca:

Funcția de prelucrare (operații matematice de calcul, compararea cu limite de bună funcționare, liniarizarea caracteristicii statice a elementului sensibil)

Autoetalonarea, prin folosirea unor circuite de compensare automată a influenței mediului, corecția erorilor de derivă a nulului, eliminarea erorilor sistematice, diminuarea erorilor aleatoare prin calculul unor valori medii

Autotestarea, la pornire și / sau periodică, cu afișarea componentei / blocului defect.

Secțiunea 2: Caracteristici generale ale senzorilor și traductoarelor

Pe baza relației de dependență dintre semnalul de intrare și cel de ieșire se stabilesc următoarele caracteristici generale, valabile pentru orice traductor:

a) natura fizică a mărimilor de intrare și de ieșire (presiune, debit, temperatură, deplasare, etc. respectiv rezistență electrică, tensiune, curent, etc.)

b) puterea consumată la intrare și cea transmisă elementului următor (de obicei, puterea este relativ mică și de aceea, în cele mai multe situații, elementul următor este un amplificator)

c) caracteristica statică a traductorului

d) sensibilitatea absolută sau panta absolută Ka, ce reprezintă raportul dintre variația mărimii de ieșire ΔY și a mărimii de intrare ΔX

e) panta medie (Km), care se obține echivalând caracteristica statică, cu o dreaptă având coeficientul unghiular Km = tg α ≈ Ka

În acest caz, relația de traducere devine Y = KmXi + Y0, unde Y0 este valoarea de gol a mărimii de ieșire.

f) domeniul de măsurare, definit de pragurile de sensibilitate, superioare X max și Y max și inferioare X min și Ymin.

g) zona de insensibilitate, ce este cuprinsă între două curbe limită.

Traducerea nu este riguros univocă, ceea ce înseamnă că pentru o valoare X a mărimii de intrare corespunde o plajă de valori ΔY ale mărimii de ieșire. Zona de insensibilitate constituie o sursă de erori și se datorează histerezisului magnetic sau mecanic (frecare uscată), precum și a condițiilor de funcționare (temperatură, tensiune de alimentare, solicitări mecanice, etc.).

h) eroarea absolută ΔYa, ce reprezintă diferența dintre valoarea reală a mărimii de ieșire și valoarea pentru care s-a făcut etalonarea

i) eroarea relativă e, ce reprezintă raportul dintre eroarea absolută ΔYa și valoarea mărimii de ieșire în punctul considerat Y. Aceasta se reprezintă procentual (e%).

Performanțele traductoarelor / senzorilor pot fi apreciate pe baza următoarelor caracteristici:

a) sensibilitatea, ce reprezintă limita raportului dintre variația infinit mică a mărimii de ieșire și cea de intrare, când ultima tinde spre zero.

Sensibilitatea traductorului se definește în raport cu mărimea de intrare, neglijând sensibilitățile parazite introduse de mărimile perturbatoare. Pentru variații mici X și Y sensibilitatea se definește prin raportul dintre variația ieșirii și variația intrării. În cazul unei caracteristici statice liniare sensibilitatea este reprezentată de coeficientul unghiular al dreptei, conform relației 1 de mai jos.

S = dy/dx y/x = k = tg (1)

O altă exprimare a sensibilității, ce ține seama de domeniul de măsurare, este dată de relația 2:

(2)

Din relația (2) rezultă că sensibilitatea este constantă pentru întregul domeniu de măsurare.

În cazurile caracteristicilor liniare, sensibilitatea (S) se va numi factor de amplificare, dacă este supraunitară (S > 1), iar dacă S < 1, sensibilitatea se va numi factor de atenuare.

Este necesar ca această sensibilitate să fie constantă pe tot domeniul de măsură, mai precis ca elementul să fie liniar. În caz contrar, sensibilitatea se poate defini în jurul oricărui punct de funcționare. În mod normal, elementele de măsurat prezintă un anumit prag de sensibilitate, adică o valoare limită sub care nu mai apare nici o mărime măsurabilă la ieșire.

b) precizia, ce se definește ca valoarea relativă a erorii exprimată în procente.

Termenul de precizie se referă la gradul de reproducere al măsurătorii. Cu alte cuvinte, dacă exact aceleași valori au fost măsurate de un anumit număr de ori, atunci un senzor ideal va scoate la ieșire aceași valoare de fiecare dată. Senzorii reali scot însă la ieșire valori apropiate de valoarea reală.

Scopul fundamental al oricărei măsurări, acela de a determinarea și exprima numeric valoarea mărimii de măsurat, poate fi realizat numai cu un anumit grad de incertitudine. Oricât de perfecționate ar fi metodele și aparatele utilizate și oricât de atent ar fi controlat procesul de măsurare, rezultatul măsurării va fi întotdeauna diferit de valoarea reală sau adevărată a măsurandului.

Eroarea de măsurare reprezintă diferența dintre rezultatul măsurării și valoarea reală. Este evident că, din punct de vedere calitativ, măsurările sunt cu atât mai bune cu cât erorile respective sunt mai mici. Cauzele erorilor de măsurare sunt multiple și se pot evidenția printr-o analiză atentă a operației de măsurare. Dintre cele mai cunoscute tipuri de erori de măsurare, se pot enumera:

Eroarea de interacțiune – este provocată de faptul că ES al traductorului exercită o acțiune asupra valorii reale a mărimii de măsurat, astfel încât valoarea efectiv convertită diferă de cea reală

Eroarea de model – este determinată de faptul că se idealizează caracteristicile statice, ignorându-se anumiți factori care le pot influența

Erori de influență – apar atunci când mărimile perturbatoare au variații mari și nu pot fi compensate prin mijloace tehnice

Erorile sistematice – se produc în același sens în condiții neschimbate de repetare a măsurării și au valori constante sau variabile, după o lege determinată în raport cu sursele care le generează

Erorile aleatoare (întâmplătoare sau accidentale) variază imprevizibil la repetarea măsurătorii, putând lua valori diferite atât ca sens cât și ca valoare

Erorile grosiere (inadmisibile) – se datorează funcționării incorecte a aparatelor sau utilizării unor metode incorecte de măsurare și afectează puternic rezultatele măsurătorii astfel încât rezultatele nu pot fi luate în considerare.

c) liniaritatea, care se referă la aspectul caracteristicii statice a elementelor.

Această caracteristică nu trebuie să prezinte curburi și histerezis pe tot domeniul de variație al mărimilor de intrare și ieșire.

Liniaritatea unui traductor este expresia cu, care curba măsurată a senzorului se diferențiază de curba ideală. În figura 4 se arată o relație exagerată între curba ideală și cea măsurată, care se mai numește și linie de calibrare. Liniaritatea este specificată în procente, iar definirea ei este realizată astfel:

Neliniaritatea (%) = (Din(max) / INfs)* 100 (3)

Unde:

Neliniaritatea (%) reprezintă procentul de neliniaritate

Din(max) reprezintă deviația maximă la intrare

INfs reprezintă semnalul maxim.

Neliniaritatea statică definită de ecuația 3 este uneori subiectul unor factori de mediu, inclusiv temperatura, vibrațiile, nivelul acustic de zgomot și umiditatea. Tocmai de aceea, este important de știut în ce conditii această caracteristică este validă și se îndepărtează de acele condiții care nu furnizează modificări ale liniarității.

d) comportarea dinamică, ce se referă la capacitatea elementului de a reproduce cât mai exact și fără întârziere variațiile mărimii măsurate

Comportamentul dinamic al unui traductor corespunde funcționării acestuia în situația în care mărimea de măsurat (X) și implicit semnalul de ieșire (Y) variază în timp

e) reproductibilitatea, care reprezintă proprietatea elementelor de a-și menține neschimbate caracteristicile statice și dinamice pe o perioadă cât mai lungă de timp, în anumite condiții de mediu admisibile

f) timpul de răspuns, care reprezintă intervalul de timp în care un semnal aplicat la intrare se va resimți la ieșirea elementului

g) gradul de finețe, acesta caracterizându-se prin cantitatea de energie absorbită de traductor din mediul de măsură

h) rezoluția, ce reprezintă detecția celui mai mic a parametru de intrare care poate fi detectat din semnalul de ieșire și care poate fi exprimată fie proporțional cu semnalul citit, fie în valori absolute

i) acuratețea, ce este data de diferența dintre valoarea actuală și valoarea indicată la ieșirea senzorului, putând fi exprimată în procente sau în valori absolute.

Figura 4: Curba ideală și eroarea liniarității

Secțiunea 3: Clasificarea traductoarelor

În general, clasificarea traductoarelor și, implicit, a senzorilor din structura lor, se face în funcție de natura mărimii de ieșire Y sau în funcție de natura mărimii de intrare X.. În funcție de natura mărimii electrice, aplicate la intrare (X), se disting:

a) traductoarele de mărimi neelectrice (temperatură, deplasare, viteză, presiune, etc.)

b) traductoarele de mărimi electrice (curent, frecvență, putere, fază, etc.)

În raport cu semnalul de ieșire, se disting traductoare analogice, cvasinumerice și numerice.

Traductoarele numerice pot fi realizate în variantele incremental (care oferă informații privind doar modificarea mărimii de intrare) și absolute (care, prin cuvântul binar, reprezentând mărimea de ieșire, pun în evidență atât valoarea cât și semnul mărimii de intrare). Spre deosebire de traductoarele analogice, traductoarele numerice au avut, până în prezent, o arie de utilizare mai restrânsă, fiind asociate structurilor numerice de măsurare pentru evaluarea mărimilor geometrice.

În funcție de domeniul de variație al mărimii de ieșire, traductoarele se clasifică în traductoare unificate (la care mărimea de ieșire reprezintă un semnal unificat electric sau pneumatic) și traductoare neunificate.

În funcție de necesitatea existenței unei surse auxiliare de activare pentru obținerea semnalului de intrare, se deosebesc:

a) traductoarele pasive sau parametrice, la care mărimea măsurată este transformată într-un „parametru de circuit electric” (rezistență, inductanță sau capacitate).

Traductoarele pasive sunt destinate măsurării unor mărimi, care nu permit eliberarea energiei de măsurare. Ele prezintă, ca mărime de ieșire, o impedanță electrică sau componente ale acesteia: rezistență, capacitate, inductanță. Tocmai de aceea, traductoarele parametrice se împart, la rândul lor, în traductoare rezistive, inductive și capacitive.

Senzorii pasivi se mai numesc și senzori parametrici sau modulatori. Pentru formarea semnalului de ieșire, în cazul senzorilor parametrici, este necesară folosirea unei surse auxiliare de energie. Ansamblul senzor pasiv – sursă de alimentare crează semnalul electric, ai cărui parametri (amplitudine, frecvență) sunt dependenți de caracteristicile mărimii de măsurat.

b) traductoarele active sau generatoare, la care mărimea măsurată este transformată într-o tensiune electromotoare a cărei valoare depinde de valoare mărimii respective.

Acest tip de senzori efectuează transformarea directă a energiei mărimii de măsurat, într-o energie asociată mărimii de ieșire, de regulă o mărime electrică.

Pentru a nu se perturba mărimea de măsurat și a nu afecta exactitatea măsurării, este nevoie ca energia necesară formării semnalului de ieșire yo(t) preluată chiar de la fenomenul studiat, să fie suficient de mică.

Senzorii activi furnizează un semnal electric, de obicei o tensiune electrică. Tocmai de aceea, acești senzori sunt întâlniți în literatura de specialitate și sub denumirea de senzori generatori sau energetici.

Marele avantaj pe care îl prezintă acești traductori, constă în posibilitatea de măsurare directă a mărimii de ieșire cu un mijloc electric de măsurare.

Însă, clasificarea cea mai răspândită a traductoarelor este realizată în funcție de mărimea măsurată. În consecință, există traductoare de temperatură, presiune, proximitate, viteză și turație, accelerație, forță, cuplu, control dimensional, pentru mărimi electrice și mărimi geometrice, de poziție, umiditate, debit, nivel,etc. Mai jos, sunt prezentate, pe scurt, câteva tipuri de traductoare.

1) Dintre traductoarele de temperatură, cele mai des întâlnite sunt cele cu termorezistență, care își bazează funcționarea pe proprietatea metalelor (materiale conductoare) de a produce o sarcină electrică spontană ca rezultat al modificării bruște a temperaturii (efectul piro-electric). S-au folosit mai ales informații legate de rezistivitate, inversul conductibilității, rezultând dezvoltarea traductoarelor de temperatură cu termorezistență.

Acestea sunt realizate din metale a căror rezistență crește cu temperatura.

Pentru o variație mică de temperatură rezistivitatea crește liniar cu temperatura:

t=0[1+(t-t0)] (4)

Unde:

t = rezistivitatea la temperatura t;

0 = rezistivitatea la temperatura t0;

=coeficient de temperatură al termorezistenței (C-1).

Măsurarea temperaturii este esențială în industrie. Această sarcină revine traductoarelor de temperatură cu termorezistențe care sunt disponibile în configurații variate (Figura 5), atât în medii normale (de laborator), cât și în medii cu pericol ridicat de explozie.

Figura 5: Structura traductorului de temperatură cu termorezistență

În figura 5, ES este elementul sensibil, CC este circuitul de condiționare, CAN este Convertorul Analog Numeric, SAE este sursa auxiliară de energie și ICA este interfața de comunicare și afișare.

Materialele utilizate pentru realizarea senzorilor de temperatură sunt alese pe baza următoarelor caracteristici:

stabilitate și repetabilitate a proprietăților fizico-chimice, pentru o utilizare îndelungată într-un domeniu de tempratură cât mai larg și interschimbabilitate

sensibilitate cât mai mare (Dr / Dq) într-un domeniu de temperatură cât mai larg, pentru a necesita scheme de măsurare cât mai simple

rezistivitate ridicată, pentru ca o valoare mare a rezistenței să se obțină cu un volum mic de material.

Rezistența inițială mare este necesară pentru a micșora influența negativă a variației rezistenței conductoarelor de legătură dintre senzor și circuitul de măsurare a rezistenței asupra preciziei de măsurare. Dimesiunile reduse sunt impuse de necesitatea ca senzorul să poată fi utilizat în zone greu accesibile și să nu modifice, prin prezența sa, câmpul termic din zona în care se efectuează măsurarea.

2) Traductoarele de presiune conțin elemente elastice care convertesc presiunea în deformația elastică a unor corpuri de formă specială. Elementele sensibile utilizate frecvent sunt tubul simplu curbat, tubul spiral, membrana simplă sau dublă (capsulă) și tip burduf.

Membranele sunt plăci elastice de grosime mică, de formă circulară, încastrate la extremitate. Fixarea pe contur a membranelor face ca sub acțiunea presiunii aplicate pe o față să dea deformații relativ ușor măsurabile, ceea ce a căpătat o largă utilizare de aparate de măsurat. După forma constructivă, membranele pot fi clasificate în membrane:

a) plane, a căror suprafață este dreaptă (Figura 6)

Materialele din care se confecționează de regulă membranele plane metalice sunt: bronzul fosforos, bronzul cu beriliu, oțelul inoxidabil. Cât privește membranele plane nemetalice, ele pot fi executate din cauciuc, țesături cauciucate, piele. Însă, în general, în cadrul traductoarelor de presiune se utilizează ca elemente sensibile membranele metalice.

b) gofrate sau ondulate, a căror suprafață are un anumit profil (Figura 7)

Membranele ondulate sunt prevăzute cu o serie de gofreuri concentrice, având în zona centrală o porțiune plană, de obicei rigidizată. Față de membranele plane, membranele gofrate prezintă o serie de avantaje în funcționare, cum ar fi posibilitatea obținerii unor deformații (săgeți) mari fără deformări permanente (se pot deci măsura presiuni mari), o caracteristică de funcționare apropiată de cea liniară, stabilitate mai mare a caracteristicilor etc.

Dezavantajul important îl constituie tehnologia de execuție care este mult mai complicată față de membranele plane. Formele cele mai utilizate de gofreuri sunt sinusoidal, trapezoidal, ascuțit.

Membranele ondulate pot fi folosite simplu sau sub forma unor ansambluri de două membrane lipite pe circumferință, care poartă numele de capsule (Figura 8).

c) sferice, a căror suprafață este curbată în formă de calotă sferică (Figura 9).

Figura 6: Membrană plană Figura 7: Membrană gofrată

Figura 8: Capsulă Figura 9: Membrană sferică

Măsurarea pe cale electrică a presiunii se poate face utilizând traductoare complexe. Fiind o mărime greu perceptibilă cu traductoare electrice fundamentale (inductiv, rezistiv, capacitiv), presiunea necesită o conversie suplimentară într-o mărime ușor măsurabilă cu traductoarele elementare. În majoritatea situațiilor practice, mărimea intermediară este deplasarea sau deformația..

3) Traductoarele de proximitate au de regulă o caracteristică de tip releu, mărimea de ieșire având variații discrete ("tot sau nimic") discerne între două valori care reprezintă (convențional) prezența sau absența corpului controlat. Această particularitate conduce la realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil și adaptorul (ES + AD) fiind plasate în aceeași unitate constructivă. (Figura 10)

Traductoarele de proximitate oferă informații privind gradul de apropiere dintre două obiecte, unul din acestea fiind considerat ca referință. Ele sunt, prin definiție, traductoare fără contact între obiectele care definesc proximitatea, iar caracteristica lor de transfer este de tip releu, mărimea de ieșire schimbându-și starea când apropierea obiectelor devine mai mică decât o valoare impusă (pentru imunizare la vibrații, caracteristica intrare-ieșire trebuie să prezinte histerezis).

Proximitatea, în sens larg, exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referință. Se poate realiza controlul poziției unui obiect care se deplasează, fără contact între acesta și referință.

În categoria măsurărilor de proximitate intră sesizarea capetelor de cursă, sesizarea interstițiului dintre suprafețe, sesizarea prezenței unui obiect în câmpul de lucru, etc.

Figura 10: Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate

Detectorul are rolul de a converti informația asupra poziției unui obiect metalic (în raport cu fața sensibilă) în semnal electric. Blocul adaptor prelucrează semnalul electric de la ieșirea detectorului și comandă un etaj final cu ieșire pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice. Oscilatorul din blocul-detector întreține, prin câmpul magnetic alternativ, oscilațiile în jurul bobinei ce formează (împreună cu miezul de ferită) fața sensibilă a detectorului.

Când un obiect metalic (cu proprietăți feromagnetice) intră în câmpul magnetic al detectorului, în masa metalului apar curenți Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic de sens opus câmpului principal pe care îl atenuează puternic și ca urmare blochează oscilațiile.

Principalele caracteristici funcționale ale unui traductor de proximitate sunt următoarele:

a) zona de acțiune, delimitată de valorile [3 până la 40] mm, este cuprinsă între curba de anclanșare (oprirea oscilațiilor) și curba de declanșare (pornirea oscilațiilor);

b) distanța utilă de detecție – , este influențată puternic de natura și dimensiunile obiectului (ecranului), cât și de variația temperaturii, a tensiunii de alimentare și de dispersiile câmpului magnetic (din fabricație).

c) fidelitatea, ce reprezintă toleranța preciziei de reperare a punctelor de oprire și pornire a oscilațiilor atunci când se mențin constanți următorii parametri: distanța, sensul și viteza de deplasare, temperatura și tensiunea de alimentare.

d) histerezisul, ce reprezintă cursa (distanța) dintre punctele de oprire și de pornire a oscilațiilor în aceleași condiții

e) durata impulsului de ieșire, ce este determinată de viteza deplasării ecranului (obiectului) și dimensiunile acestuia.

Există și traductoare magnetice de proximitate. Acestea au o construcție simplă și sunt formate dintr-un contact întrerupător (releu de tip Reed) plasat pe un braț al unei carcase sub formă de "U" și un magnet permanent fixat pe celălalt braț. Trecerea unui obiect metalic printre brațele detectorului (carcasei) modifică liniile de forță ale magnetului (le ecranează) și, ca urmare, contactul releului își schimbă starea (Figura 11).

4) Transportul, distribuția și utilizarea energiei electrice au impus utilizarea traductoarelor pentru mărimi electrice atât în producerea și transportul energiei electrice, cât și în scopuri de reglare, supraveghere locală sau la distanță.

În general, principiul de funcționare al traductorului se bazează pe conversia mărimilor electrice preluate direct (de la rețea), sau prin intermediul unor elemente primare de transformare – în semnale unificate de tensiune sau curent.

Figura 11: Traductor magnetic de proximitate

Cele mai utilizate sunt traductoarele care servesc la conversia următoarelor mărimi electrice: curent, tensiune, putere, frecvență (abatere de frecvență), defazaj și factor de putere.

Având în vedere diversitatea de aplicații, se pot construi variante ale aceluiași tip de traductor având caracteristici statice diferite. Notând cu Y mărimea de ieșire și cu X mărimea de intrare în traductor, în figura 12 sunt prezentate principalele tipuri de caracteristici statice ale acestor traductoare.

Figura 12: Tipuri de caracteristici statice pentru traductoare de mărimi electrice

De regulă, mărimile de intrare în traductoarele electrice nu se aplică direct, ci prin intermediul unor elemente auxiliare standardizate: șunturi electrice, divizoare de tensiune (pentru mărimile continue), transformatoare de curent și transformatoare de tensiune (pentru mărimile alternative). Forma caracteristicilor statice a traductoarelor de mărimi electrice este impusă de natura aplicațiilor (care sunt diversificate).

În general, dependența intrare – ieșire este liniară, dar la traductoarele de curent și / sau tensiune (folosite pentru supravegherea parametrilor energetici), aceste caracteristici se impun neliniare.

Parametrii principali, specificați în catalogul firmelor producătoare de traductoare sunt:

a) semnalul de ieșire, ce este curentul sau tensiunea electrică cu limitele de variație standardizate: Ymin – limita inferioară și Ymax – limita superioară.

b) precizia de măsurare, care la traductoarele pentru mărimi electrice este de [0,5 , 1]%

c) timpul de răspuns, ce este de ordinul zecilor de ms, sutelor de ms sau de ordinul secundelor pentru traductoare ce funcționează pe principiul conversiei (prin redresare și filtrare)

d) rezistența de sarcină, pe care pot lucra traductoarele de mărimi electrice și care variază în funcție de tipul semnalului unificat și de domeniul (ecartul) de variație al acestuia.

Ca și traductoare pentru mărimi electrice se pot enumera traductoarele de curent continuu (cu amplificator – convertor, prin compensare de cuplu), de curent alternativ (pentru semnale sinusoidale nedistorsionate, pentru semnale sinusoidale distorsionate, prin compensare de cuplu), de tensiune electrică (pentru tensiuni continue – cu amplificator – convertor, prin compensare de cuplu și pentru tensiuni alternative – pentru semnale sinusoidale nedistorsionate, pentru semnale sinusoidale distorsionate, prin compensare de cuplu), de putere (sunt aparate destinate să pună în evidență puterea transmisă pe o linie – circuit – de la un generator la o sarcină și pot fi de putere activă monofazată funcționând prin compensare de cuplu, de putere reactivă monofazată funcționând prin compensarea cuplului, de putere activă monofazată cu medierea statică a valorilor instantanee și trifazate de putere activă și reactivă), de frecvență și abatere de frecvență (ce au rolul de a asigura semnale unificate proporțional cu frecvența rețelei) și de defazaj cu medierea impulsurilor (ca funcționare, se bazează pe sesizarea trecerilor prin zero ale tensiunii, respectiv curentului, și formarea unor impulsuri a căror arie este proporțională cu defazajul).

6) Traductoarele electrice pentru mărimi mecanice (forță, moment, accelerație, putere mecanică) fac parte din categoria traductoarelor complexe, senzorii fiind, de regulă, de deformație.

Formele senzorilor sunt variate (Figura 13), adecvate direcției deformației: longitudinală, transversală, sau oricărei direcții dorite.

Principalele tipuri de traductoare electrice de deformație sunt cele rezistive și cele piezoelectrice. Traductoarele piezoelectrice sunt utilizate la determinarea forțelor dinamice, bazându-se în funcționarea lor pe fenomenul piezoelectric.

Traductoarele tensometrice rezistive cele mai răspândite sunt cele cu senzor conductor. Deși acestea au o sensibilitate mult mai mare, variantele cu senzor semiconductor sunt mai rar utilizate datorită neliniarității caracteristicii intrare-ieșire și a senzitivității ridicate la variațiile temperaturii.

Figura 13: Formele senzorilor adecvate direcției de deformție

Capitolul 3

Comunicații

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate

Telecomunicațiile sunt una dintre cele mai rapide tehnologii în curs de dezvoltare. Principalul factor care a condus la acest lucru este creșterea permanentă a cererilor din partea clienților pentru servicii mai multe și mai bune. Organizațiile guvernamentale au venit în întâmpinarea acestor cereri. Aceasta a condus la o creștere a competiției, ce a avut ca și rezultat dezvoltarea atât a tehnologiilor de hardware, cât și de software.

Capitolul de față își propune să ofere o privire de ansamblu asupra tehnologilor de comunicații. Putem realiza o clasificare a modalităților de comunicații din punctul de vedere al tehnologiilor utilizate:

Tehnologii de comunicații fără fir (wireless):

a) pe distanțe mici:

• microunde (microwaves)

• infraroșu (IR)

• wireless LAN

• bluetooth

• DSRC (Dedicated Short Range Communication)

• DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication)

b) pe distanțe mari:

• GSM (Global System for Mobile Communication)

• 3G (Third Generation)

• TETRA/TETRAPOL

• comunicații prin satelit

c) broadcast:

• radio

• televiziune

d) poziționare:

• GPS (Global Positioning Systems)

• European Systems

Tehnologii de comunicații prin fire:

a) telefon:

• POTS

• ISDN (Integrated Services Digital Network)

b) DSL (Digital Subscriber Line):

• ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line)

• CDSL (Consumer DSL)

• DSL Lite

• HDSL (High bit-rate DSL)

• S-HDSL (Single pair HDSL)

• RADSL (Rate-Adaptive DSL)

• SDSL (Single-line DSL)

• UDSL (Unidirectional DSL)

• VDSL (Very high data rate DSL)

c) X.25

d) Frame Relay

e) ATM (Asynchronous Transfer Mode)

Tehnologii de comunicații optice:

a) SDH

b) POS ( Pachet over SONET)

Secțiunea 2: Comunicații prin Bluetooth

Dezvoltarea într-un ritm alert a rețelelor wireless a venit pe fondul creșterii accentuate a numărului de echipamente mobile de calcul și a aplicațiilor care presupun o mobilitate ridicată a utilizatorilor. Necesitatea interconectării facile și rapide a echipamentelor și rularea în aceleași condiții a aplicațiilor, au determinat o serie de organisme internaționale și companii din domeniul comunicațiilor și tehnicii de calcul să facă demersurile necesare realizării unor noi standarde.

Dintre initiațivele finalizate, se remarcă standardul 802.11 elaborat de IEEE; standardul Bluetooth dezvoltat de IBM, Intel, Ericsson, Nokia si Toshiba; HiperLan dezvoltat de ETSI (European Telecommunications Standards Institute – Institutul European pentru Standarde în Telecomunicații).

Termenul Bluetooth se referă la o așa-numită “open specification” (disponibilă tuturor, larg răspândită și acceptată) pentru o tehnologie de comunicație fără fir pe distanțe scurte, prin intermediul căreia se pot transmite voce și date. Comunicația fără fir de mică distanță presupune conectarea unei multitudini de dispozitive folosind unde radio de mică putere, înlăturându-se conexiunile prin fir. Unele tehnologii de comunicație wireless sunt proiectate să transporte doar voce, pe când altele tratează doar traficul de date. Prin Bluetooth se pot transporta atât date, cât și voce și în felul acesta este o tehnologie ideală pentru unificarea acestor două elemente, permițând tuturor tipurilor de dispozitive să comunice, ele transportând fie voce, fie date, fie pe amândouă. Banda de frecvențe din spectrul radio în care operează tehnologia Bluetooth este fără licență în întreaga lume, echipamentele care folosesc această tehnologie putând lucra fără să necesite modificări, indiferent unde se află utilizatorul echipamentului.

Specificația Bluetooth definește, în mod explicit, o modalitate de transport wireless al informației menită să înlăture cablurile seriale, așa cum sunt cele folosite pentru modemuri, camere digitale și PDA-uri. Tehnologia poate fi utilizată pentru a înlocui și alte tipuri de cabluri așa cum sunt cele ce conectează perifericele la un computer (imprimante, scanere, tastaturi, mouse și altele).

În tehnologia Bluetooth comunicația se face în radiofrecvență, folosind unde radio, la fel ca în cazul radiodifuziunii. La nivelul numit bandă de bază (baseband), când două dispozitive stabilesc o legătură Bluetooth, unul activează în rolul de Master, iar celălalt ca Slave. Această specificație permite oricărui dispozitiv Bluetooth să îndeplinească unul dintre cele două roluri și chiar posibilitatea ca un dispozitiv oarecare să funcționeze ca master într-o legătură și ca slave într-o legătură cu un alt dispozitiv. Deci, este posibilă comunicația punct – multipunct. Rolul de master nu conferă unui dispozitiv nici un fel de privilegii sau autoritate. Acest statut se referă la modul de realizare a sincronizării comunicației de tip FHSS între dispozitive: masterul este cel care stabilește atât modelul frequency hopping (pe baza adresei sale de dispozitiv Bluetooth), cât și faza secvenței de salt (pe baza frecvenței sale de tact). Toate slave-urile care comunică cu un același master își schimbă frecvența în același timp cu masterul. În general, statutul de master este atribuit dispozitivului care a inițiat comunicația. De fapt, nu putem spune că i se conferă acest statut deoarece nu există un control centralizat prin care să se atribuie aceste roluri, ci mai degrabă este un rol pe care dispozitivul și-l asumă printr-o configurare specială.

Unele dispozitive Bluetooth ar putea fi configurate să activeze într-un singur rol, însă majoritatea își pot asuma oricare rol, în funcție de modelul de utilizare în care este implicat. Așadar, un master poate comunica cu mai multe slave-uri (până la 7 dipozitive slave active sau până la 255 de dispozitive slave în starea parked). Slave-urile împreună cu masterul cu , care comunică formează ceea ce specificația numește o picorețea (piconet). Într-o picorețea nu poate exista decât un singur master. Relația master – slave este necesară în comunicația la nivelurile inferioare Bluetooth, dar în general dispozitivele pot fi considerate „egale”. Atunci când un dispozitiv stabilește o legătură punct la punct cu un alt dispozitiv, rolul pe care fiecare dintre cele două și-l asumă (master sau slave ) este irelevant pentru protocoalele de la nivelurile superioare și pentru utilizatorii dispozitivelor.

Modelul rețelei Bluetooth este unul de tipul peer-to-peer, adică dispozitivele comunicante sunt considerate egale, iar rețelele se formează prin simpla apropiere a dispozitivelor unele de altele. Aceasta înseamnă că atunci când un dispozitiv radio se apropie de un altul, intrând astfel în “raza de acțiune” a acestuia, ele pot stabili automat o legătură de comunicație. Comunicația nu va începe spontan deoarece cele două dispozitive se află în proximitate, ci dispozitivele Bluetooth pot fi configurate la nivelul baseband astfel încât să accepte doar anumite conexiuni sau chiar să nu accepte niciuna.

Distanța nominală pe care se poate desfășura o comunicație între dispozitive radio Bluetooth standard la o putere de 1 mW este 10 m.

Prin faptul că dispozitivelor Bluetooth le este necesară o singură condiție pentru a putea începe să comunice între ele, pot lua naștere federații de dispozitive personale ca telefoane mobile, pagere, calculatoare notebook și PAD-uri, cărora, dacă pot comunica fără probleme, le este mult sporită utilitatea lor totalizată. O altă aplicație, a acestei facilități de comunicație, este interactivitatea dintre dispozitivele mobile și cele fixe (imprimante, puncte de acces la rețea, chioșcuri telefonice, automate pentru vânzare de produse diverse, etc.).

O picorețea este alcătuită dintr-un singur master și mai multe dispozitive slave aflate în proximitate, care sunt conectate la acel master și se află în comunicație cu el. În oricare moment, dispozitivele slave se pot afla într-una din stările active (recepționează transmisiile efectuate de master), sniff (devine activ cu o anumită periodicitate), hold (poate înceta complet să urmărească pachetele provenite de la master, pe durata unui interval de timp specificat sau poate înceta să urmărească anumite tipuri de pachete) sau parked (continuă să mențină sincronizarea cu masterul). Toate componentele unei picorețele sunt sincronizate și ca urmare își schimbă simultan frecvența de transmisie. În afara acestor situații, mai este posibil ca un dispozitiv să facă parte din mai multe picorețele în același timp. Atunci când două sau mai multe picorețele se suprapun parțial în timp și spațiu, se formează o rețea scatternet. Principiile de organizare și funcționare ale unei picorețele individuale se aplică și pentru fiecare picorețea, din componența unei scatternet, în parte. Un slave poate face parte din mai multe picorețele pe rând, stabilind conexiuni cu diverși masteri din proximitate cu care se sincronizează. Este posibil ca un același dispozitiv să fie slave într-o picorețea și să fie master într-alta. Topologia rețelei scatternet oferă o metodă flexibilă prin care dispozitivele pot întreține conexiuni multiple, fapt extrem de util în cazul dispozitivelor mobile, care în mod frecvent se apropie și se depărtează de alte dispozitive.

Tipurile de scenarii sunt aproape nelimitate ca număr și, chiar dacă multe nu pot fi încă realizate, tehnologia Bluetooth oferă suportul pentru ca ele să devină posibile. Bluetooth oferă mult mai mult decât renunțarea la cablurile de interconectare, putându-se imagina și crea scenarii fascinante în care este implicată această tehnologie. Așa cum mulți analiști au prevăzut, Bluetooth va ajunge la un înalt grad de dezvoltare deoarece poate schimba modul în care oamenii privesc și interacționează cu calculatoarele și dispozitivele de comunicație și prin aceasta le poate schimba puțin viața. Conectând cu ușurinta și rapid toate perifericele Bluetooth, obținem o rețea locală personală (PAN), care combină toate instrumentele de muncă esențiale. Se elimină constrângerile de loc și de timp, iar orice spațiu este transformat în birou virtual. Perifericele și alte aparate mobile sunt conectate între ele și permit angajaților mobili să muncească în mod continuu. Confortul moral este grozav și timpul poate fi organizat mult mai bine. Tehnologia fără fir face ca firma să fie mult mai inteligentă și mai productivă, iar angajații au mai multă libertate în a-și alege mediul de muncă și mai multă ușurință în a lua decizii.

Secțiunea 3: Comunicații prin DSL

Tehnologia DSL (Digital Subscriber Line) este o tehnologie de transmisie pe cabluri de cupru, care aduce informația în bandă largă la stațiile de lucru cu ajutorul sistemului telefonic. Clasa de protocoale xDSL se referă generic la mai multe protocoale de tip DSL cum ar fi ADSL, CDSL, HDSL, S-HDSL, RADSL, SDSL, IDSL, UDSL, VDSL. Conexiunea DSL oferă utilizatorului posibilitatea de a alege viteza potrivită de transmisiune a datelor – de la 32 Kbps pînă la 50 Mbps. Tehnologia DSL oferă o creștere mare de viteză în comparație cu alte tehnologii, puterea reală a serviciilor bazate pe tehnologie DSL constând în oportunități conduse de aplicații multimedia, necesare utilizatorilor actuali ai rețelei.

Unul din cele mai importante avantaje ale tehnologiei DSL este acela că oferă providerilor de rețea, Network Service Provider (NSP) și utilizatorilor deserviți, avantajul deplin al infrastructurii existente. DSL este o tehnologie care asigură o lărgime mare de bandă pentru transferul de date printr-o banală linie telefonică, adică prin firele de cupru. Practic modemurile si router-ele DSL transformă această linie telefonică normală într-un flux digital de mare viteză.

Pentru a înțelege tehnologia xDSL, trebuie revăzută structura existentă a rețelei telefonice (Figura 1). Rețelele telefonice au suferit numeroase modernizări și modificări ale infrastructurii pentru a profita de avantajele avansării tehnologiei transmisiilor și comunicațiilor. Transmisiile prin fibră optică sunt prezente aproape în fiecare infrastructură a companiilor telefonice din întreaga lume, existând capabilități de servicii de înaltă capacitate între companiile telefonice. Totuși situația este foarte diferită dacă privim accesul local la rețeaua care conectează utilizatorii la infrastructura rețelei companiei.

De acasă sau de la serviciu suntem interconectați prin perechi de cabluri de cupru răsucite (UTP) la un distribuitor MDF (Main Distribution Frame). MDF reprezintă punctul central în care se întâlnesc toate conexiunile din companie. Birourile centrale (CO) sunt interconectate printr-o rețea inter-CO. Această rețea constă din Digital Acces și Cross-Connect System (DACS) și echipament de transmisie T/E. Inter-CO a fost modernizată prin implementarea tehnologiei transmisiei prin fibră optică.

Figura 1: Rețea telefonică tipică

Accesul în rețea constă din conexiunile locale și echipamentul asociat care conectează utilizatorii la cel mai apropiat oficiu central (CO). Actualmente, se estimează că există aproximativ 700 milioane de linii de acces prin fire de cupru, de la utilizatorii casnici sau instituții către rețeaua publică telefonică în întreaga lume. Mai mult de 95% din accesele locale sunt formate dintr-o pereche de fire de cupru care suportă POTS (Plain old telephone service). POTS reprezintă un concept pentru transportul conversațiilor vocale, aceste linii suportând frecvențe de la 0 Hz la 3.400 Hz. Această bandă a suportat doar apeluri vocale sau modem-uri analogice a căror viteză a ajuns recent la aproximativ 57 Kbps.

PTSN (Public Telephone Switched Network) și conexiunile rețelelor locale au fost concepute pentru a permite transmisii pe canale analogice de voce de 3.400 Hz. De exemplu, telefoanele, fax-modem-urile, modem-urile limitează transmisia prin rețeaua locală la linia telefonică la spectrul de frecvențe existent între 0 Hz și 3400 Hz. Aceasta înseamnă că cea mai mare rată de transfer, folosind acest spectru de 3.400 Hz, este mai mică decât 56 Kbps cu rată optimă semnal-zgomot.

Tehnica DSL oferă rate în milioane de bps prin POTS. Trecând peste frecvența de 3.400 Hz, DSL folosește plaje mai largi de frecvențe decât canalele de voce. Astfel de implementare necesită transmiterea informației pe o plajă largă de frecvențe, de la capătul conexiunii la alt periferic, care recepționează semnalul de frecvență largă de la capătul îndepărtat al conexiunii. Eliminarea barierei de 3.400 Hz e teoretic posibilă, dar practic trebuie luate în considerare unele limitări provenite din suportul fizic.

Trei dintre cerințele dominante ce trebuie avute în vedere sunt:

a) Atenuarea – pierderile provocate de diminuarea puterii semnalului analogic sau digital la trecerea acestuia prin mediul fizic. Atenuarea mare poate duce la imposibilitatea recuperării semnalului la celălalt capăt al mediului. În special, semnalele de frecvență înaltă sunt afectate de atenuare mult mai mult decât cele de joasă frecvență. O cale de minimizare a atenuării o reprezintă folosirea de cabluri mai groase cu rezistență electrică mai redusă. Cablurile mai groase au rezistență mai redusă decât cele subțiri, ceea ce înseamnă o mai mică atenuare a semnalului, semnalul putând fi astfel transmis pe o distanță mult mai mare. O altă cale de micșorare a efectului atenuării este de a insera repetoare de semnal pe parcursul traseului datelor. Aceste aparate pot mări puterea semnalului. Tehnicile de modulare pot, de asemenea, să ajute la minimizarea atenuării.

b) Crosstalk – se referă la interferența dintre canale. În lumea xDSL, interferența dintre cablurile învecinate are un impact negativ asupra performanțelor. Near-end crosstalk (NEXT) apare atunci când transmiterul emite un semnal și un transceiver, aflat la capătul apropiat de linie, prin cuplare inductivă, „aude” semnalul respectiv. Far-end crosstalk (FEXT) apare atunci când transmiterul emite un semnal și un transceiver, aflat la capătul distant de linie, prin cuplare inductivă, „aude” semnalul respectiv. Dintre cele doua tipuri de interferențe NEXT este cea mai semnificativă, deoarece semnalul puternic dintr-un sistem apropiat poate induce crosstalk semnificativ în semnalul primar. FEXT este mai puțin agresivă deoarece interferența la capătul îndepărtat al conexiunii este atenuată de / prin traversarea mediului.

c) Bridged taps – extensii neterminate ale conexiunilor cauzează pierderi de conexiune în jurul porțiunii lungimii de undă a frecvenței din lungimea extensiei. Deoarece lungimea de undă și frecvența reprezintă o relație de proporționalitate inversă, extensiile scurte au un impact mai mare asupra serviciilor de bandă îndepărtată, iar extensiile lungi asupra celor de bandă apropiată.

Există câteva tipuri diferite de xDSL, fiecare dezvoltat în funcție de cerințele din mediul de implementare respectiv. Cel mai frecvent în literatura de specialitate, acestea sunt clasificate după metoda de modulare folosită la codificarea datelor.

ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) oferă abilitatea de a transmite și recepționa informații digitale la viteză mare. Cum sugerează și numele, serviciul este asimetric. În cazul ADSL, asimetria provine de la faptul că lărgimea benzii este împărțită pentru a permite realizarea ratei de biți într-o direcție mai mare decât în alta.

Forma asimetriei constă în faptul că semnalele cu frecvență înaltă sunt transmise de la CO la utilizatori și semnalul de joasă frecvență de la utilizatori la CO. Cel mai mult trafic este realizat când un utilizator folosește browser-ul de internet sau descarcă fișiere. În orice caz , traficul realizat prin cererea formulată de utilizator este foarte scăzut, pe când răspunsul din partea internetului poate conține milioane de biți de date. Conexiunea utilizatorului poate fi optimizată pentru traficul asimetric prin alocarea unei benzi mai largi pentru download și a uneia mai înguste pentru upload.

ADSL (Figura 2) se poate defini ca o tehnologie folosită pentru utilizatorii care au nevoie să recepționeze o cantitate mult mai mare de informație decât vor să transmită. Desigur, această tehnologie asimetrică devine improprie în cazul în care e nevoie de a transmite mai multă informație decât se recepționează.

Rata maximă de download, ce se poate obține folosind această tehnologie, este de 6.144 kbps pentru download, iar rata maximă pentru upload este de 640 Kbps. Deoarece există un proces de control al rețelei care folosește 64 Kbps, rata efectivă de upload este de 576 Kbps.

ADSL folosește frecvențe mai înalte decât telefoanele analogice, care operează în rețea, dar soluția ADSL este mult mai complexă decât o aplicație de folosire a frecvenței mai înalte, deoarece nu există două conexiuni care să aibă exact aceleași caracteristici. Astfel, abilitatea transportului de semnal depinde de distanță, tipul de cabluri folosite și nivelul interferențelor electrice.

Figura 2: Modem ADSL conectat la bucla locală

Pentru satisfacerea diferențelor de caracteristici ce pot apărea, ADSL este adaptativ. Când modemul ADSL este pus în funcțiune, acesta verifică linia pentru depistarea caracteristicilor acesteia și alege tipul de comunicare, folosind tehnici optime pentru această linie. În particular, ADSL folosește o schemă cunoscută sub denumirea de Discret Multi Tone modulation (DMT), care combină multiplexarea divizoare a frecvenței și tehnica de multiplexare inversă.

Multiplexarea divizoare a frecvenței în DMT este implementată prin divizarea lărgimii de bandă în 286 de frecvențe separate sau subcanale, din care 255 frecvențe folosite pentru download, 31 folosite pentru upload și 2 folosite pentru controlul informației. Conceptual se comportă ca și cum ar exista câte un modem care să ruleze pentru fiecare subcanal în parte, având fiecare flux purtător sau propriu modulat. Purtătoarea este poziționată la intervale de 4.1325 Khz pentru a evita interferența dintre canale. Mai mult, pentru a evita interferența cu semnalele telefonice, ADSL folosește frecvențe de peste 4 Khz. Când este pus în funcțiune sistemul ADSL, ambele capete verifică frecvențele disponibile pentru a determina care semnale nu deranjează și care crează interferențe. Adițional, pentru selectarea frecvenței, ambele capete verifică calitatea semnalului la fiecare frecvență și folosește calitatea pentru a selecta schema de modulare.

Dacă o frecvență particulară are o rată mare semnal-zgomot, ADSL selectează o schemă de modulare care codifică mai puțini biți per baud.

Rezultatul adaptării constă dintr-o tehnologie robustă care se poate adapta automat la diferitele condiții de mediu. Din punctul de vedere al utilizatorului, adaptarea are o proprietate interesantă: ADSL nu garantează o rată precisă de transfer de date. ADSL poate doar garanta că va face atât cât linia îi oferă condiții de operare. Totuși rata de download variază între 32 Kbps și 6.4 Mbps.

RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line) este o variantă a tehnologiei ADSL. RADSL este un modem adaptativ la orice rată. Rata de upload depinde de rata de download, care e în funcție de condiția liniei și de rata de zgomot. Software-ul este capabil de a determina rata de upload și de download pentru un anumit client. RADSL livrează de la 640 Kbps la 6.4 Mbps.

HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line) este prima din clasa xDSL utilizată la scară largă. Principala caracteristică a HDSL o reprezintă simetria: lățimea de bandă disponibilă în ambele direcții este egală. HDSL folosește două perechi de cabluri de cupru pentru transmisii ful duplex, care transportă fiecare 784 Kbps, rata maximă de transmitere fiind mai mică decât în cazul ADSL. Deoarece rata maximă de transmitere este scăzută, influența electromagnetică exercitată asupra altor perechi de cablu telefonic este slabă. HDSL2 reprezintă a doua generație a tehnologiei HDSL care oferă o rată de transfer maximă de 1.544 Mbps, atât pentru upload cât și pentru download.

VDSL (Very High Speed DSL) este cea mai nouă variantă de DSL. Fiind în dezvoltare, capabilitățile finale nu pot fi încă stabilite cu fermitate, dar se presupune ca lărgime de bandă pentru download standard până la 52 Mbps și ca lărgime de bandă simetrică până la 26 Mbps.

Se preconizează ca VDSL să depășească ADSL ca răspândire, urmând să coexiste cu acesta. Tehnologia de transmisie și eficiența ei în anumite medii nu este încă determinată, însă asupra acestui subiect lucrează o serie de organizații.

Rata reală de transfer a conexiunilor cu diferite transmisiuni xDSL depinde de o serie de factori precum calitatea fizică a firelor, zgomot și, în special, distanța. De fapt, fiecare tehnologie poate fi utilizată doar pe o distanță limitată, așa cum reiese și din figurile 3 și 4.

Figura 3: Raportul distanță / viteză oferit de tehnologiile xDSL.

Figura 4: Raportul upload / download oferit de tehnologiile xDSL.

Secțiunea 4: Frame Relay

Frame Relay este o tehnologie succesoare tehnologiei X.25, care a fost concepută pentru a fi robustă datorită existenței circuitelor analoagice, mult prea susceptibile la interferențe și generatoare de erori. Tehnologia X.25 a fost construită pentru a oferi posibilitatea refacerii erorilor și implica, în principiu, corectarea erorilor, secvențialitatea și controlul fluxului.

O dată cu progresul înregistrat în comunicațiile de date, nu mai există cerințe imperioase de robustețe. De aceea, a fost nevoie de o nouă tehnologie care să poată beneficia de noutățile apărute în comunicații (realizarea conexiunilor prin fibre optice, de exemplu) și creșterea vitezei de procesare.

Tehnologia Frame Relay este similară într-un fel cu X.25 dar, lucrează doar la primele două niveluri ale stivei de protocoale OSI (nivelul fizic și nivelul legăturilor de date). Se elimină astfel corecția erorilor de la nivelul 3, nivelul de rețea. De asemenea, Frame Relay nu se preocupă de secvențialitate, fiind o versiune mai "fluidă", ce profită de avantajele progreselor la nivel de infrastructură. La fel ca și X.25, folosește cadre de lungime variabilă, făcând foarte puțină procesare. Operațiunea care se face este următoarea: se ia un pachet de date care se transmite următorului nod cu o foarte mică întârziere, lucru aflat în beneficiul aplicațiilor (voce, video, etc.) ce depind de aceste întârzieri. Viteza cu care se transmit datele este mult mai mare (deocamdată maximum 45 Mbps).

Tehnologia Frame Relay folosește avantajele statistice ale comutării pachetelor, folosind mai eficient lățimea de bandă, prin multiplexarea pachetelor individuale în rețeaua WAN. Cadrele de lungime variabilă sunt ideale pentru transmiterea datelor în rețea și formarea fluxurilor de trafic. Ruterele Frame Relay pot prelua un cadru Frame Relay pentru a-l transmite mai departe de-a lungul unui circuit virtual. Se impune observația că avantajele implementării tehnologiei Frame Relay pentru un furnizor de servicii (Service Provider – SP) sunt de nivel strategic (au multiple repercursiuni legate de costurile implicate în afacere, de profiturile realizate, de dezvoltarea ulterioară a firmei, etc.).

Beneficiile oferite de această tehnologie sunt numeroase, dar putem evidenția trei considerate a fi cele mai importante: costuri reduse de operare și întreținere a rețelei – costurile sunt avantajoase atât pentru beneficiari cât și pentru furnizorii de servicii, flexibilitate și scalabilitate, ușurința și eficiența cu care este utilizată lățimea de bandă în Frame Relay.

Alte caracteristici includ faptul că Frame Relay este o tehnologie complementară cu ATM și IP, implică o fiabilitate crescută a rețelei permițând gestionarea lățimii de bandă utilizate.

Din figura 5 se observă că, pentru a se realiza conexiunea celor 6 noduri la rețea, sunt necesare câte 5 legături CSU / DSU de conexiune pentru fiecare nod, asigurându-se astfel comunicarea cu celelalte noduri din rețea.

Avantajul rețelei este evident prin reducerea complexității rețelei considerată drept exemplu, dar și prin considerarea cazului conectării unui nou nod la rețea: în cazul rețelei clasice, apariția unui nou nod implică crearea a încă 6 legături pentru noul nod, pe când, în cazul rețelei Frame Relay trebuie creată o singură legătură.

Figura 5 : Comparația dintre o rețea clasică și una Frame Relay

CSU (Channel service unit) este un echipament cu interfață digitală ce conectează echipamentul utilizatorului cu locația digitală telefonică. DSU (Data service unit) este un echipament utilizat în transmisii digitale ce acționează pe post de adaptor a interfeței fizice a unui echipament DTE cu o linie de transmisiune precum T1 sau E1. De regulă, la aceste două tipuri de echipamente se face o referire în comun, prin utilizarea denumirii CSU/DSU.

O altă caracteristică importantă a tehnologiei Frame Relay este posibilitatea de multiplexare. Multiplexarea se referă practic la două lucruri: pe de o parte, ruterul poate identifica diferite protocoale ca apoi să le încorporeze într-un singur circuit DLCI sau PVC, folosind procedeul de identificare a protocoalelor numit NLPI (Network Layer Protocol Identification – Identificarea protocolului nivelului rețea). Pe de altă parte, putem avea mai multe grupuri de utilizatori atașați la norul rețelei folosind aceeași rețea fizică, dar având rețele proprii virtuale separate. În concluzie, există două nivele de multiplexare: unul la nivelul protocoalelor folosite în rețea, iar celălalt la nivelul grupurilor de utilizatori ce dețin rețele virtuale separate în cadrul aceleiași rețele fizice. În figura 6, ruterele conectate la rețeaua Frame Relay aparțin la 3 grupuri de utilizatori, grupurile A, B, C, care formeaza astfel 3 rețele virtuale private, distincte una față de alta.

În plus, tehnologia Frame Relay folosește alocarea dinamică a lățimii de bandă. Acest lucru presupune folosirea unui procent de 200% din lățimea de bandă alocată. Spre exemplu, pentru o legatură de 256K, în care există 4 conexiuni de 64K, se poate trece de această limită de 64K prin procedeul numit "oversubscribing" – supraabonare (Figura 7).

Figura 6: Multiplexarea într-o rețea Frame Relay

Acest lucru se bazează pe natura statistică a datelor: nu toată lumea transmite în același timp, totdeauna. Anumitor circuite li se poate oferi întrega capacitate a legăturii dacă există această posibilitate.

Figura 7: Reducerea costurilor prin supra-abonarea porturilor

Frame Relay se bazează pe multiplexarea statistică, oferind posibilitatea traficului în rafale, pentru utilizarea mai bună a lățimii de bandă disponibile. Supra-abonarea presupune posibilitatea ca unui singur port (în acest caz de 256 Kbps) să-i fie atribuite mai multe circuite virtuale permanente (circuite PVC) și, ca urmare, o rată de informație transmisibilă (CIR – Comitted Information Rate) mai mare decât viteza totală stabilită a portului. De asemenea, supra-abonarea permite folosirea în comun a capacității portului de către mai multe conexiuni de rețea individuale. Multiplexarea statistică și alocarea dinamică a lățimii de bandă permit aceste lucruri. Deoarece media de utilizare a conexiunii este de 30%, furnizorii de servicii pot construi rețeaua pe baza acestui trafic mediu și fără a lua în considerare momentele de vârf ale traficului.

Din punct de vedere arhitectural, tehnologia Frame Relay se compune din patru blocuri de baza (Figura 8): Interfața utilizator – rețea (UNI – User to Network Interface), Comutatoarele (Switch -urile) Frame Relay; Trunchiul (trunk) și Interfața rețea – rețea (NNI – Network to Network Interface).

Interfața utilizator-rețea acoperă practic cea mai mare parte a definiției pentru rețeaua Frame Relay, identificând modalitatea în care un echipament terminal se poate atașa rețelei.

Switch-urile reprezintă partea centrală a rețelei, care pot fi produse de orice producător de astfel de echipamente. Frame Relay nu ține cont de modalitatea de transmitere a pachetelor de la un nod la altul, fie dacă se folosește ATM sau altă tehnologie, fiind un standard de interfață.

Componenta de interfață rețea – rețea (NNI) este, în esență, partea ce conectează două rețele împreună, deosebindu-se de UNI prin faptul că este bidirecțională. Mai precis, ce se întâmplă într-o parte a rețelei este translatat și transmis de cealaltă parte, în timp ce UNI este unidirecțională.

Figura 8: Cele patru componente ale unei rețelei Frame Relay

Frame Relay reprezintă o tehnologie simplă si matură, bine definită. Cele patru blocuri funcționale au interfețe standard bine definite. Astfel, UNI specifică linia de acces la rețea, iar NNI reprezintă specificația conexiunii la o altă rețea Frame Relay. Tehnologia Frame Relay are risc scăzut. Prin încorporarea acestei tehnologii, furnizorii de servicii își pot reduce costurile operaționale, simplifica arhitectura rețelei, crește fiabilitatea și lărgi portofoliul de servicii oferite clienților

Frame Relay reprezintă o tehnologie de comutare de mare viteză ce oferă un mare debit de date și o latență scăzută. Debitul mare este oferit prin multiplexarea mai multor canale logice, cunoscute sub numele de circuite virtuale de-a lungul unei singure conexiuni.

Aceste circuite sunt tradiționalele circuite virtuale permanente, dar, mai nou, au apărut așa numitele circuite virtuale comutate, ce reprezintă viitorul în acest domeniu. Circuitele permanente virtuale sunt create și alocate de furnizorul rețelei, asigurând conexiunea între două noduri identice dintr-o rețea Frame Relay. Fiecarui nod îi este asociat un identificator de conexiune numit DLCI (Data Link Connection Identifier), care poate fi altul la fiecare din capete și are o semnificație locală. Pentru a putea fi folosite astfel de circuite nu este nevoie de nici un apel special (de tipul Call Setup), o legătură PVC fiind gata de lucru imediat ce ruterele de la capetele rețelei Frame Relay au inițializat propria interfața Frame Relay.

Identificatorul DLCI este un câmp de 10 biți al header-ului pachetului Frame Relay (a fost implementat și un câmp de 4 octeți pentru a oferi o mai mare flexibilitate în alegerea adreselor ce pot fi accesate). În esență, DLCI conține informația necesară unui nod (switch) pentru a ști ce sa facă cu ea. Fiecare DLCI are asociat un număr care este asociat unei rute stocate în memorie, deci prin cunoașterea DLCI se știe exact unde va merge pachetul și în ce mod.

Circuitele virtuale comutate sunt dinamice, fiind constituite atunci când este nevoie de acestea. Înainte ca datele sa fie transmise pe un astfel de circuit SVC, are loc în rețea un schimb de mesaje de tipul CALL SETUP/CONNECT CONFIRM, acest lucru fiind similar cu modalitatea de efectuare a unui apel telefonic. Se pot apela, de asemenea, diferite puncte terminale din cadrul rețelei Frame Relay. Odată efectuat apelul de setup, circuitul virtual comutat se comportă și este tratat identic ca un circuit virtual permanent.

Frame Relay simplifică arhitectura rețelei prin combinarea mai multor tipuri de trafic într-o singură rețea, ducând la costuri operaționale și administrative reduse. De asemenea, natura rețelei Frame Relay face deosebit de simplă crearea sau modificarea circuitelor virtuale, acestea putând fi adăugate fără conectarea de linii suplimentare. Frame Relay este o tehnologie foarte eficientă din punct de vedere al costurilor, deoarece folosește liniile de transmisie în mod eficient. Ca majoritatea sistemelor de transmisii de date, această tehnologie folosește generarea de cadre de lungime variabilă (ca și la X.25), de la câțiva octeți până la 1.600 de octeți sau chiar mai mult, și este transparentă pentru majoritatea protocoalelor uzual folosite, precum IP, IPX și DECnet. Astfel, se consideră că Frame Relay este o tehnologie ideală pentru traficul în rafale între rețelele LAN.

Datorită faptului că Frame Relay este o tehnologie stabilă,, există o serie largă de echipamente de conectare ale utilizatorilor ce suportă tehnologia Frame Relay (Figura 9), în care sunt incluse echipamentele de acces Frame Relay (FRAD – Frame Relay Access Device) și ruterele. De asemenea, există și alte standarde definite ce suportă voce pentru Frame Relay (VoFR – Voice over Frame Relay) și SNA pentru Frame Relay. Astfel, Frame Relay poate suporta mai multe tipuri de trafic în cadrul aceleiași infrastructuri, la costuri operaționale și administrative mai mici, lărgindu-si, în același timp, portofololiul de servicii oferite clienților (Figura 10).

Figura 9: Arhitectură simplificată de rețea

Circuitele virtuale comutate (SVC) Frame Relay reprezintă echivalentul circuitelor virtuale comutate ale tehnologiei X.25 pentru utilizatorii Frame Relay. Apelurile sunt stabilite complet atunci când este necesar transferul datelor. Circuitele SVC reduc, de asemenea, greutatea administrării unui număr mare de circuite PVC, din moment ce aceste circuite pot fi stabilite direct între rutere fără a fi nevoie să fie predefinite în rețeaua Frame Relay. Dintre beneficiile utilizării circuitelor SVC amintim:

a) Cost redus pentru consumatori – chiar dacă furnizorii de servicii nu au anunțat introducerea pe larg a tarifelor SVC, este foarte probabil că aceștia vor oferi prețuri atractive pentru realizarea legăturilor dintre circuitele SVC și PVC în scopul măririi atractivității tehnologiei Frame Relay pentru site-uri de dimensiuni mai mici sau pentru utilizatori cu necesități mai reduse pentru lățimea de bandă.

b) Topologie mai bună – în care fiecare punct din rețea este conectat cu oricare alt punct al rețelei. Deoarece un circuit virtual comutat poate fi stabilit între oricare două puncte ale rețelei, se poate astfel crea o topologie în care fiecare punct se află în legătură cu oricare alt punct din rețea. Datorită costurilor suplimentare ce apar prin definirea circuitelor PVC, modalitățile de tarifare curente au încurajat utilizatorii să proiecteze topologii de rețele stea pentru care tot traficul de la un site la altul este rutat printr-un hub central ce implică creșterea latenței și o legătură în plus. Performanțele globale ale rețelei pot fi îmbunătățite atunci când este creată o rută mai directă între două DLCI.

Figura 10: Frame Relay oferă aplicații și servicii diverse

O altă aplicație deosebit de folositoare a tehnologiei Frame Relay este difuzarea multiplă (Figura 11). Pe scurt, aceasta oferă posibilitatea trimiterii anumitor informații în rețea mai multor utilizatori. Atunci când datele ce trebuie trimise au un volum mare sau numărul de utilizatori este mare, acest lucru este dificil de realizat. Frame Relay rezolvă această problemă prin facilitatea de multicasting (difuzare multiplă) care presupune că pachetul de date este trimis în rețea o singură dată, ca apoi acesta să fie transmis tuturor utilizatorilor la care trebuie sa ajungă. Există multe domenii aplicative ce necesită acest lucru, de exemplu trimiterea de către o firmă clienților săi a acelorași pachete de date, actualizarea prețurilor la toate punctele de vânzare ale unei companii, actualizarea informațiilor bancare de la sediul central către sucursalele unei bănci, etc.

Figura 11: Difuzarea multiplă în Frame Relay

Aceste circuite virtuale comutate sunt încă în faza de testare, dar nu va mai trece multă vreme si vor apărea pe linia de producție. Ideea, în principiu, este simplă. Este vorba despre un număr mare de utilizatori ce folosesc și partajează un număr limitat de resurse, ca în cazul unui sistem telefonic. Ce se poate face, este preluarea unui port logic, asocierea unei adrese E.164, ce reprezintă un număr de telefon. Astfel, orice punct poate stabili o convorbire cu alt punct din rețea folosind acest număr de telefon și comenzi SNMP, generate fie de terminalul respectiv, fie prin management de rețea. Echipamentele SVC pot, de asemenea, comunica cu alte echipamente compatibile PVC, oferind trecerea graduală de la PVC la SVC. Cooperarea la nivel rețea Frame Relay – ATM este unul dintre aspectele cele mai importante ale problemei, deoarece oferă scalabilitate în centrul rețelei. Deoarece tehnologia Frame Relay este limitată la 45 Mbps pe trunchi de rețea, acest trafic poate fi considerat mare față de tehnologii predecesoare precum X.25, dar nu este totuși o lățime de bandă foarte mare. De aceea este nevoie de o tehnologie scalabilă, ce oferă o latență scazută si o lățime mare de bandă precum ATM. Deci acest standard de interconectare cu ATM este foarte important, oferind ATM ca mecanism de transport pentru Frame Relay, în mod transparent față de echipamentele Frame Relay de la capete.

Capitolul 4

Sisteme de achiziție de date

Secțiunea 1: Definire și încadrare în literatura de specialitate

Achiziția de date poate fi definită ca procesul de obținere de date de la o sursǎ externǎ sistemului de calcul.

În general, achiziția de date se realizează în urma procesului de măsurare a unor parametri, în cadrul sistemelor de supraveghere și conducere a proceselor industriale. Starea procesului industrial este caracterizată în fiecare moment de valori ale unui anumit număr de parametri fizico-chimici. Atribuirea unei valori numerice unei mărimi fizice sau chimice se realizează pe baza procesului de măsurare (Figura 1).

Figura 1: Structura unui sistem de achiziție de date

Proiectarea unui sistem de achiziție de date trebuie să conducă la satisfacerea condițiilor impuse de aplicația specifică și care sunt definite în caietul de sarcini. În principal, aceste condiții se referă la domeniul maxim de măsurare, precizie, rezoluție, rapiditate, frecvență de eșantionare și timpul de scrutare.

a) Domeniul maxim de măsurare este definit ca fiind diferența dintre valorile Mmax și Mmin care pot fi măsurate, unde „M” este mărimea măsurandului.

Dm = Mmax – Mmin (1)

b) Precizia unui sistem se exprimă prin intermediul incertitudinii de măsurare care afectează rezultatul, aceasta fiind notată cu δM. Incertitudinea poate fi doar estimată. Valoarea adevărată se înscrie în intervalul M ± δM, unde M reprezintă rezultatul furnizat de către sistem.

Eroarea relativă a sistemului de achiziție de date (SAD) se notează cu εp și se definește:

εp = δM/(Mmax -Mmin) (2)

c) Rezoluția se definește ca fiind variația minimă ΔM a mărimii măsurandului care produce o variație ΔM a valorii M măsurate. Rezoluția specifică este dată de numărul de valori distincte care pot fi asociate măsurandului pe domeniul maxim de măsurare.

d) Rapiditatea caracterizează capacitatea dispozitivului de a răspunde la variațiile în timp ale măsurandului, în timp ce frecvența de eșantionare trebuie să respecte condiția Nyquist:

Fe ≥2Fh (3)

Unde Fh reprezintă valoarea cea mai ridicată din spectrul de frecvențe al semnalului de măsurare.

Practic, frecvența de eșantionare trebuie să fie mult superioară valorii rezultate din condiția Nyquist.

Între două operații succesive de eșantionare efectuate pe același canal de măsurare, se derulează perioada Te = 1/Fe. Pe durata acestui interval, trebuie eșantionate și convertite N semnale, corespunzătoare la N canale. Timpul de scrutare reprezintă durata necesară achiziției complete pe un canal. Se poate scrie astfel:

Ntsc ≤Ten (4)

Un sistem de achiziție de date reprezintă, practic, o interfață între o zonă analogică, (reprezentată de mulțimea traductoarelor pentru diverse mărimi fizice, precum și de dispozitivele de condiționare a semnalului) și o zonă numerică (formată din convertoarele analog-numerice – CAN – și dispozitivele de tratament și comandă, care pot fi sisteme cu microprocesor). Arhitectura unui sistem de achiziție de date trebuie definită în funcție de numărul mărimilor care trebuie măsurate și de viteza de variație a acestora.

Cele mai simple configurații de sisteme de achiziție de date îl reprezintă sistemele de achiziție cu un singur canal (Figura 2). Practic, este vorba despre un lanț de măsurare numeric, care poate fi deschis (dacă se urmărește doar obținerea mărimii de măsurat, în vederea afișării sau înregistrării pentru o prelucrare ulterioară) sau închis (dacă rezultatul măsurării acționează asupra comenzii unui proces). La acest tip de sisteme, semnalul provenit de la un traductor este condiționat prin intermediul unui bloc de condiționare a semnalului (de exemplu, montajul potențiometric), transmis apoi unui sistem de eșantionare – blocare, al cărui rol este de a preleva valorile instantanee și de a le menține la intrarea convertorului analog-numeric pe o perioadă cel puțin egală cu timpul necesar conversiei.

Figura 2: Structura unui sistem de achiziție de date cu un canal

Cele două circuite sunt comandate de un sistem logic care, la momente de timp prestabilite, furnizează comanda de eșantionare, blochează semnalul la intrarea convertorului și gestionează funcționarea acestuia din urmă. Această funcție poate fi realizată de un sistem logic cablat simplu sau de către un microprocesor care oferă posibilitatea de a programa funcționarea sistemului la parametrii doriți. Semnalul furnizat la ieșirea din convertorul analog-numeric poate fi tratat de către un calculator, poate fi memorat pentru analiza ulterioară sau poate fi reconstituit în forma sa analogică inițială cu ajutorul unui convertor numeric-analogic, formă ce va fi folosită pentru controlul procesului (reglarea temperaturii într-un cuptor, controlul calității și al producției, etc.).

Însă, în majoritatea situațiilor industriale, este necesar să se achiziționeze mai multe mărimi în același timp (Figura 3). Se constituie astfel un sistem de achiziție de date cu multiplexare temporală. Multiplexorul este un dispozitiv format dintr-un set de comutatoare analogice la care ieșirile sunt legate astfel încât să constituie o ieșire unică a multiplexorului. Comanda închiderii și deschiderii comutatoarelor este efectuată prin intermediul unei intrări de adresare a fiecărui canal. Aceasta este o intrare logică pe unul sau mai mulți biți. O intrare de ”n” biți adresează 2n canale. Fiecare canal este caracterizat de adresa sa, care reprezintă numărul său de ordine. Un multiplexor cu 16 intrări are intrările numerotate de la 0 la 15. Adresarea se poate face secvențial sau aleatoriu. În ultimul caz, microprocesorul adresează direct fiecare canal. În situația adresării secvențiale, fiecare canal este adresat într-o ordine bine definită. Dacă anumite mărimi prezintă o variație în timp mult mai rapidă decât celelalte, acestea pot fi eșantionate cu o frecvență mult mai mare. Astfel, sistemul cu microprocesor trebuie să genereze semnalul de comandă al dispozitivului de eșantionare-blocare E/B, semnalul de începere a conversiei (START) și semnalele de adresare a canalului pentru multiplexor.

La rândul său, CAN furnizează un semnal de sfârșit de conversie (EOC), cu rolul de a semnaliza faptul că datele numerice sunt disponibile și stabile. Prin intermediul acestor semnale de comandă, microprocesorul organizează procesul de măsurare și gestionează funcționarea componentelor sistemului.

Figura 3: Structura unui sistem de achiziție de date cu „n”canale

Această arhitectură a sistemului prezintă însă și un inconvenient. Deoarece dispozitivul de eșantionare-blocare se găsește în aval față de multiplexor, nu este posibil să realizeze măsurarea a două mărimi în același timp. Viteza de achiziție este considerabil redusă dacă numărul „n”de canale crește. Pentru a evita acest inconvenient, se poate amplasa un dispozitiv de eșantionare-blocare la intrarea fiecărui canal de intrare. Dacă sistemul de achiziție de date se află la o anumită distanță de dispozitivele de tratament, de afișare sau de înregistrare, datele pot fi transmise în mod serial, pe două fire, pe ieșirea serială a CAN. Acest sistem poartă denumirea de sistem de achiziție de date sincrone și este prezentat, mai jos, în figura 4.

Figura 4: Structura unui sistem de achiziție de date sincrone

Alături de aceste tipuri de sisteme de achiziție de date prezentate mai sus, mai există și sisteme de achiziție de date rapide, ce se utilizează în situația în care semnalul de intrare se modifică rapid și arhitecturile precedente, care utilizează un singur CAN, nu mai pot fi utilizate. Artificiul frecvent utilizat îl constituie legarea în paralel a mai multor astfel de convertoare. Fiecare dintre aceste convertoare este precedat de un sistem de eșantionare-blocare. Ieșirile numerice ale convertorului analogic-digital sunt multiplexate pe același principiu ca multiplexorul analogic, permițând astfel conectarea mai multor intrări de „n” biți la o ieșire unică, tot de, „n” biți (Figura 5).

Orice sistem de achiziție de date are un mediu de măsurare. Prin mediu de măsurare se înțelege totalitatea mărimilor fizice și chimice, altele decât măsurandul, care influențează diferitele componente ale SAD, modificându-i astfel performanțele prin alterarea semnalului de măsură. Cele mai importante influențe le au temperatura, paraziții și perturbațiile electromagnetice, dar pot fi menționați și alți factori care afectează rezultatul măsurării, precum vibrațiile, umiditatea, radiațiile nucleare, etc.

Zgomotul de fond reprezintă totalitatea semnalelor nedorite, de natura fizică a componentelor care constituie dispozitivul electronic. Spre deosebire de zgomotul de fond, care este o caracteristică proprie oricărui circuit electronic, paraziții se transmit prin cuplajul intempestiv între un circuit sursă și circuitul pe care îl perturbează.

Figura 5: Structura unui sistem de achiziție de date rapide

Paraziții reprezintă tensiuni sau curenți variabili și nedoriți, care se suprapun peste semnalul util, produs sau tratat de către un aparat de măsură. Paraziții pot degrada informația conținută de semnalul util și pot provoca reacții inoportune în sistemele de reglare. Această situație se produce mai ales atunci când semnalele utile sunt de mică amplitudine, respectiv în zona inițială a SAD (traductoare sau blocuri de condiționare a semnalului). Influența paraziților asupra circuitului perturbat depinde de natura și intensitatea fenomenelor electrice din circuitul sursă, de influența sursei asupra circuitului perturbat și de caracteristicile electrice ale circuitului perturbat.

Perturbațiile provocate de paraziți pot fi minimizate sau chiar evitate, dacă se acționează asupra sursei (pentru a limita pe cât posibil fenomenele care provoacă paraziții), asupra cuplajului între circuit și sursă (în vederea anulării sau reducerii influenței perturbatoare) sau asupra circuitului perturbat (în vederea minimizării sensibilității semnalului la paraziți).

Pentru a reduce influența mediului înconjurător asupra SAD, se poate acționa fie prin minimizarea influenței acestor factori (prin adoptarea de măsuri de protecție adecvate: suporți antivibrații, incinte termostatate, blindaje antiparaziți, etc.), fie prin luarea în considerare a influenței acestora, în vederea corectării rezultatului măsurării.

Deoarece simpla măsurare și înregistrare a datelor nu mai satisface cerințele sistemelor de conducere, s-au impus funcții multiple pentru sistemele de achiziție de date (Figura 6), și anume:

a) extragerea informațiilor referitoare la mărimile din proces și convertirea acestora în semnale electrice, prin intermediul traductoarelor și al blocurilor de condiționare a semnalului

Traductorul și dispozitivele de condiționare a semnalului furnizează ca mărime de ieșire o tensiune corespunzătoare mărimii de măsurat. De regulă, traductorul este situat la o oarecare distanță de dispozitivele care asigură tratamentul și exploatarea informației. Prin urmare, transmiterea informației trebuie realizată în condiții care să nu permită degradarea acesteia prin paraziți sau distorsiuni provocate de lipsa de calitate a legăturii. Transmiterea datelor poate fi realizată analogic sau numeric.

Transmisia numerică este recomandată atunci când informația trebuie prelucrată și tratată ulterior, deoarece dispozitivele care realizează tratamentul semnalului sunt, la rândul lor, numerice. De asemenea, transmisia numerică este mai economică, întrucât permite partajarea aceleiași linii sau magistrale între mai multe echipamente care generează informație, spre deosebire de transmisia analogică, la care fiecărui traductor trebuie să i se asocieze o linie separată. Este evident că, pentru a putea fi utilizate transmisii numerice, datele trebuie mai întâi convertite sub formă numerică.

Transmisiile numerice pot fi realizate paralel sau în serie. În cazul transmisiei paralele, cei opt biți ai unui octet sunt transmiși simultan, pe opt linii. Acest tip de transmisie permite transferul rapid al datelor, dar presupune un număr mare de linii. În plus, se mai adaugă legături suplimentare, indispensabile pentru a controla fluxul de date. Datorită costurilor mari pe care le impune, precum și datorită pericolului interferențelor, acest tip de transmisie se folosește doar pentru distanțe scurte (de câțiva metri). În cazul transmisiei serie, biții, care formează un octet, sunt transmiși unul după altul, pe o linie sau două, fapt ce conduce la viteze de transfer reduse. În schimb, costul liniilor se diminuează foarte mult, deci distanțele pe care se realizează transmisia pot crește sensibil.

b) tratamentul analogic al semnalului, cu rol de a curăța semnalul de zgomot și paraziți prin amplificare și filtrare

Pentru eliminarea sau reducerea semnalelor perturbatoare și a zgomotelor, elementele de condiționare au în componență filtre analogice ce pot fi filtre trece jos (pentru semnale ce variază lent) și filtre antialising (pentru semnale cu variații bruște).

c) selecția semnalului util din mulțimea semnalelor disponibile, prin intermediul multiplexării

Necesitatea multiplexării apare atunci când se realizează transmiterea semnalelor obținute de la senzori grupați, aflați relativ departe de hardware-ul de achiziție. Costurile legate de transmisia semnalelor vor fi mai mici și vor justifica utilizarea multiplexorului. În principiu, un multiplexor transmite pe rând, pe o singură linie, semnale analogice primite simultan pe mai multe ieșiri. Se realizează astfel o eșantionare a semnalelor analogice înainte de transmiterea acestora. Pentru a nu afecta rezultatele măsurătorii este necesar ca viteza de variație a semnalelor multiplexate să fie mult mai mică decât frecvența de lucru a multiplexorului, astfel încât pe intervalul de timp dintre transmiterea a două eșantioane succesive ale aceluiași semnal acesta să poată fi considerat constant. Trebuie remarcat că în acest fel este afectată și frecvența maximă cu care se poate face achiziția de date.

d) conversia semnalului sub formă numerică, prin intermediul blocului de eșantionare -blocare și al convertorului (A / D)

e) coordonarea și conducerea acestor operații, asigurată de calculator.

Structura unui sistem PC inclus într-un sistem de achiziție este similară unui calculator de uz general. Ca urmare acesta va conține procesor, memorie, bus-uri pentru transfer date, CLK, spațiu disc, etc.

Figura 6: Funcțiile multiple ale sistemelor de achiziție de date

PC-ul va constitui și gazda soft-ului de aplicație necesar atât achiziționării datelor cât și elaborării comenzilor către sistem. La unitatea centrală vor fi cuplate periferice standard sau specifice de comunicare cu operatorul uman (monitor, tastaură, imprimantă, mouse, etc.).

În plus, calculatorul poate efectua diverse prelucrări asupra semnalelor numerice rezultate, în vederea facilitării exploatării acestora sau a corecției erorilor specifice aparaturii utilizate (autoetalonare).

Secțiunea 2: Soft-ul de achiziție

În general, în soft-ul de achiziție sunt incluse drivere specifice elementelor hard incluse în sistemul de achiziție și programe de aplicație. Soft-ul reprezintă interfața logică între hardware și utilizator, cum este reprezentat în figura 7.

Figura 7: Componența soft-ului de achiziție și poziționarea acestuia

Driverele controlează funcționarea elementelor componentelor hardware ale sistemului de achiziție și au funcțiile de a citi / scrie date de la placǎ, de a controla frecvența de achiziție, de a integra achiziția cu resursele PC (întreruperi, DMA, memorie) și sistemele de condiționare, de acces la multiple IN / OUT pe placă și acces la mai multe plǎci.

Software-ul de aplicație controlează achiziția și prelucrarea specifică a datelor, elaborarea și transmiterea comenzilor pentru elementele de execuție, prezentarea acestora către operatorul uman și realizează gestionarea de date, afișările grafice și prelucrările.

Hardware-ul de achiziție are ca principală sarcină compatibilizarea informației obținută de la elementele primare de măsură cu, calculatorul numeric și cuplarea cu acesta, precum și transmiterea comenzilor, elaborate de sistemul de calcul pe baza informațiilor furnizate, către elementele de execuție.

Partea hardware a sistemului de achiziție este constituită din plăci de achiziție date ce pot fi montate pe slot-urile calculatorului sau pot fi externe și atașate calculatorului pe interfețele standard (interfața paralelă standard, USB, etc.). Principalele caracteristici ale plăcilor de achiziție ce trebuie avute în vedere la alegerea unei plăci de achiziție, sunt:

1) Intrări analogice (AI)

Numărul și domeniul de variație al tensiunilor analogice cu care poate opera un sistem de achiziție diferă mult și constituie un criteriu de definire a performanțelor sistemului de achiziție. Structura generală a hardware-ului de achiziție este prezentată în figura 8.

Figura 8: Structura generală a hardware-ului de achiziție

2) Ieșiri analogice (AO)

Interfețele pentru semnalele analogice permit implementarea comenzilor elaborate de către programul de aplicație implementat pe calculatorul numeric.

Utilizarea elementelor de execuție analogice impun prezența convertorului numeric-analogic. În structura interfeței de ieșire analogice apare ca o necesitate prezența unor elemente de memorare analogice pentru a memora comanda sub formă analogică pe toată durata de timp pentru care aceasta rămâne constantă. Mai mult, se impune menținerea comenzii la valoarea anterioară, chiar și în cazul defectării regulatorului. Din acest punct de vedere, se pot realiza interfețe cu un singur convertor numeric-analogic (Figura 9) și interfețe cu mai multe convertoare numeric-analogice, câte unul pentru fiecare canal de ieșire (Figura 10).

Figura 9: Interfață ieșiri analogice cu un singur convertor numeric – analogic

Figura 10: Interfață ieșiri analogice cu mai multe convertoare numeric – analogice

Principalii parametrii ai sistemului de cuplare a regulatorului la elementele de execuție analogice sunt: viteza maximă de variație a semnalului pe o ieșire, numărul de biți transmiși la canal (rezoluția) și prețul interfeței.

Funcțiile interfeței de ieșire sunt:

a) Transmiterea datelor de la regulatorul numeric la interfață prin intermediul blocului de comandă – datele pot fi transmise paralel, când interfața este inclusă în structura regulatorului, sau serial, în cazul în care interfața se află în câmp lângă elementul de execuție.

b) Memorarea informației pe fiecare canal de conversie numeric-analogică. Informația care este transmisă pentru conversie pe un canal trebuie memorată pe un interval de timp determinat de două adresări prin program. Memorarea se poate face cu memorii analogice realizate cu amplificatoare operaționale și condensatoare în regim de memorie. Selectarea fiecărui canal se realizează cu ajutorul demultiplexorului analogic DMX sau cu ajutorul demultiplexorului numeric. Memoria analogică asigură memorarea cu precizie limitată pe intervale reduse de timp între două adresări. În cazul utilizării mai multor convertoare se folosesc memorii tampon pe fiecare canal.

c) Comutarea informației pe mai multe canale de ieșire analogice, funcție realizată prin intermediul demultiplexoarelor. Demultiplexarea se poate realiza prin metode analogice sau prin metode numerice. Alegerea uneia dintre aceste două variante se face în funcție de modul în care se realizează operația de memorare a informației pe canalele de ieșire între două momente de adresare.

d) Reactualizarea informației pe fiecare canal de ieșire, la diferite momente de timp de adresare. Interfața de ieșire poate transmite informația pe un canal analogic prin trei metode: secvențial, simultan și aleator. Alegerea uneia dintre aceste variante depinde de caracteristicile elementelor de execuție utilizate și de modul de rezolvare a problemelor enunțate anterior. Pentru sistemele de reglare numerică a proceselor tehnologice, având în vedere caracteristicile dinamice ale proceselor în raport cu fiecare canal de comandă, se alege metoda aleatoare de adresare prin program.

Principalii indici ce definesc performanțele ieșirilor analogice sunt:

Timpul stabilire (reprezintă intervalul de timp dintre modificarea codului numeric și stabilizarea valorii tensiunii de ieșire)

Rata de conversie (ce reprezintă frecvența posibilǎ pentru a modifica semnalul de ieșire în scarǎ cu trepete de 1LSB)

Rezoluția (determinată de numărul de biți)

3) Intrări- ieșiri numerice (DIO)

Pentru majoritatea plăcilor de achiziție date, funcțiile de ieșire și intrare pentru canalele digitale pot fi programate. Ca și elemente de intrare-ieșire digitale pot fi cuplate elemente de comandă și semnalizare de tip logic (butoane de comandă, selectoare, lămpi de semnalizare, etc), dar și informații numerice trimise pe canalele digitale. De obicei, canalele de intrare-ieșire digitală sunt organizate în cuvinte de 8 biți. Canalele digitale de intrare și ieșire sunt programabile pentru majoritatea plăcilor de achiziție date.

Principalele caracteristici de performanță ce caracterizează canalele de intrare-ieșire digitală sunt:

Numărul de linii digitale

Viteza de generare / recepționare date

Tensiunea și curentul pentru nivelul logic 0 (low)

Tensiunea și curentul pentru nivelul logic 1 (high)

4) Intrări de temporizare (Timere)

Canalele aferente circuitelor de temporizare sunt utilizate pentru comanda circuitelor de contorizare / temporizare care de obicei utilizează contori implementați hard și soft. Aceste canale sunt utilizate pentru temporizări, contorizare de evenimente, generare de semnale, etc.

Frecvența de ceas utilizată de circuitele de temporizare poate fi furnizată de clock-ul plăcii (ceas intern), ceasul calculatorului sau poate fi furnizată de un generator de ceas extern.

Fiecare din aceste soluții are caracteristici specifice. Astfel, folosind timer placa (clock intern) se obține o acuratețe bunǎ, o programare simplificatǎ și frecvențe mari de achziție. Folosind timer CPU (clock software) acuratețea este mai scǎzutǎ, programarea mai greoaie și , iar folosind clock extern, se obțin achiziții de rată scăzută și neconstantă.

În general, achiziția de date asistată de calculator apelează la un sistem special (Figura 11), constituit dintr-un calculator personal, un produs software și o placă de achiziție de date controlată tot de către calculator. Placa se instalează de regulă în calculator, dar există și posibilitatea plasării ei ca un modul exterior acestuia. Unii fabricanți furnizează sisteme interadaptabile, constituite din module independente, a căror juxtapunere permite obținerea unor stații de măsurare compacte. Configurația unor asemenea sisteme cuprinde, de obicei, un modul de alimentare, un modul CPU, precum și numeroase module specifice, cu intrări și ieșiri definite în funcție de aplicație. Plăcile de achiziție de date sunt adesea furnizate împreună cu traductoare de măsurare (de forță, deplasare, viteză, accelerație, debit, presiune, temperatură etc.). De asemenea, ele pot avea circuite de condiționare a semnalului adaptate mărimii fizice care trebuie achiziționată, unul sau mai multe multiplexoare, convertoare analog-numerice a căror rezoluție trebuie să corespundă exigențelor sistemului de măsurare.

În consecință, calculatorul îndeplinește și o serie de alte funcțiuni: conducerea procesului de măsurare, analiza și tratamentul semnalului, gestiunea conexiunilor serie și paralel, vizualizarea rezultatelor, trasarea curbelor, etc. Pentru aceasta, fabricanții oferă și programe software destinate unor asemenea utilizări. Soluția montării plăcii de achiziție în interiorul calculatorului oferă avantajul furnizării imediate a datelor achiziționate către memoria RAM, putând fi astfel tratate în timp real. În cazul utilizării plăcilor de achiziție de date externe calculatorului, controlul intrărilor și ieșirilor acestora este efectuat de către calculator, prin intermediul unei interfețe seriale sau paralele. Acest tip de montaj se utilizează atunci când se studiază procese la care traductoarele trebuie amplasate în diverse locuri sau când semnalele analogice nu pot fi transmise pe distanțe mari, din cauza paraziților. În acest caz, conversia analog-numerică trebuie realizată cât mai aproape de traductoare.

Transmisia datelor sub formă numerică se realizează prin intermediul unei legături seriale sau paralele. Legăturile serie de tip RS 232 și RS 422 sau RS 485 limitează drastic viteza de transfer a datelor în memorie.

Calculatorul posedă, de regulă, două porturi seriale, din care unul este necesar pentru comunicarea cu imprimanta. De asemenea, utilizarea legăturilor RS 422 sau RS 485 nec485 necesită o interfață de conversie în RS 232. În plus, legătura RS 232 permite doar comunicarea cu un singur instrument. Dacă trebuie utilizate mai multe instrumente, este necesară adăugarea unei plăci cu porturi multiple sau a unui multiplexor.

Figura 11: Structura unui sistem de achiziție de date asistat de PC

Pentru realizarea transmisiei paralele poate fi utilizată magistrala GPIB (IEEE 488). Numeroase aparate de măsură (voltmetre, multimetre, frecvențmetre) posedă o interfață GPIB, care le permite conexiunea la magistrala care asigură legătura la calculator prin intermediul unei plăci de interfață montate în interiorul calculatorului. Magistrala GPIB este caracterizată, în special, de distanțele limitate specifice utilizării în laborator. Instrumentele de tip VXI (VME eXtension for Instrumentation) sunt constituite din module (condiționare, achiziția semnalului), dispuse într-o carcasă, care comunică între ele printr-o magistrală (VXI bus). Conexiunea cu calculatorul poate fi realizată printr-o magistrală GPIB (Figura 12), în prezența interfețelor necesare.

În majoritatea cazurilor, este necesară condiționarea prealabilă a semnalelor care intră în placa de achiziție. De asemenea, unele tipuri de traductoare (termorezistențele, mărcile tensometrice, etc.) necesită alimentare proprie de la o sursă de tensiune sau de curent. În acest caz, între traductoare și placa de achiziție se amplasează module capabile să permită atât alimentarea traductoarelor, cât și condiționarea semnalelor furnizate. Pentru aplicațiile în timp real, sistemele de achiziție de date pot avea suplimentar în structura lor un coprocesor, cu rolul de a controla dispozitivele de intrare / ieșire, de a stoca datele în memoria locală și de a le trata în timp real.

Sistemele de achiziție de date utilizate în mediul industrial sunt, în plus, însoțite de mijloace de comunicare ce permit conexiunea între sisteme, precum și de echipamente de supervizare. Asemenea sisteme au și posibilitatea de a fi configurate de la distanță. Pentru conducerea plăcii de achiziție de date, utilizatorul poate apela la un limbaj de programare generalizat (C, C++, Visual Basic, limbaj de asamblare, Pascal, Fortran, Delphi) sau poate opta pentru un mediu de dezvoltare special conceput pentru achiziția de date (LabVIEW).

Începând cu anul 1996, s-a extins utilizarea unui nou tip de software, care permite utilizarea plăcii de achiziție de date la fel de simplu ca utilizarea unui veritabil instrument de măsurare convențional. Este vorba despre programe executabile, prevăzute cu o interfață grafică menită să creeze utilizatorului impresia că se află în fața unui instrument clasic: butoane rotative, întrerupătoare, cursoare și ferestre de vizualizare a curbelor. De aceea, sistemul constituit din acest tip de software și o placă de achiziție de date a primit denumirea de instrument virtual.

Figura 12: Conexiunea instrumentelor de măsurare la calculatorul personal prin intermediul magistralei GPIB

Capitolul 5

Realizarea unui sistem pentru achiziția de date pentru Sisteme Inteligente de Management al Parcărilor Auto

Secțiunea 1: Descriere generală

Capitolul acesta prezintă modul în care poate fi implementat și conceput un Sistem Inteligent pentru Management al Parcărilor Auto, precum și pașii prin care se realizează achiziția de date.

Din punct de vedere tehnologic, există două variante care stau la baza modului de implementare a Sistemului Inteligent de Management pentru Parcări:

cu numărător pentru intrările / ieșirile din parcare

cu numărător pentru spațiile (locurile) libere / ocupate din parcare.

În primul caz, achiziția datelor se realizează prin numărarea autovehiculelor care intră și care ies dintr-o parcare. Informația asupra vehiculelor, care urmează să intre sau să iasă din parcare, se obține prin folosirea buclelor inductive, a senzorilor de presiune sau a barierelor.

Acest sistem prezintă totuși un dezavantaj important și anume, faptul că poate indica un număr fals al spațiilor de parcare disponibile. Situația are loc atunci când un conducător nu își parchează corect autovehiculul și ocupă două spații de parcare. În acest caz, sistemul va indica un număr de spații libere mai mare cu o unitate decât numărul real al spațiilor de parcare disponibile. Erorile pot deveni de neacceptat în cazul în care mai mulți conducători nu parchează corect autovehiculele. Sistemul de parcare cu numărător pentru intrări / ieșiri este prezentat în figura 1.

Figura 1: Sistem de parcare cu numărător pentru intrări / ieșiri

În cea de-a doua situație, referitoare la sistemul de parcare cu numărător pentru spațiile de parcare libere, se elimină erorile ce pot apărea în cazul sistemului de parcare cu numărător pentru intrări / ieșiri, deoarece achiziția datelor se realizează prin numărarea spațiilor libere / ocupate din parcare. Informația asupra locurilor libere / ocupate se face prin amplasarea unui senzor de detecție în fiecare spațiu de parcare (Figura 2).

Figura 2: Sistem de parcare cu numărător pentru spații de parcare libere

Sistemul realizat de mine, prezintă modul în care pot fi gestionate, în mod inteligent, patru locuri ale unei parcări. Pentru afișarea corectă a locurilor de parcare disponibile am ales implementarea sistemului cu detector de prezență pentru fiecare spațiu disponibil.

Arhitectura funcțională a unui Sistem de Management al Parcărilor Auto, care realizează numărarea atât a autovehiculelor la intrarea și la ieșirea din parcare, cât și a locurilor disponibile, este prezentată în figura 3, de mai jos.

Figura 3: Arhitectura unui Sistem de Management al Parcărilor Auto

Secțiunea 2: Simularea schemei electrice în programul „Multisim”

Multisim este un mediu de programare care oferă o gamă largă de componente și care face posibilă construcția oricărui dispozitiv, indiferent de complexitatea acestuia, analogic sau digital. Programul oferă posibilitatea urmăririi funcționării acestuia prin simularea proceselor de lucru. Este posibilă testarea diferitor proiecte experimentale și efectuarea de măsurări în orice punct al schemelor.

Schema electrică a sistemului, prin care se realizează achiziția de date pentru Sistemul de Management al Parcării Auto, este descrisă în figura 4. În realizarea schemei electrice, au fost folosite 5 comutatoare, un multiplexor cu 8 intrări și o ieșire, un numărător BCD 74LS90 TTL, un circuit decodor BCD – 7 segmente, un generator de cuvinte și un afișor cu 7 segmente.

Montajul este alimentat la o tensiune continuă de 5 V. J1-J4 sunt comutatoare basculantă de tipul 1X3 și au rolul de a înlocui, în schema electrică a montajului, senzorii de prezență montați în fiecare spațiu de parcare, deoarece nu este posibilă realizarea și simularea unei scheme electrice într-un soft dedicat simulărilor, așa cum este programul „Multisim”, dezvoltat de compania National Instruments. Comutatoarele vor asigura pe intrările multiplexorului tensiunile de 5 V sau 0 V, corespunzătoare stărilor „1” logic, respectiv „0” logic.

U4 este un multiplexor cu 8 intrări și 2 ieșiri (o ieșire nenegată și o ieșire negată). Ieșirile celor 6 comutatoare, care vor furniza informația asupra stărilor de liber sau ocupat pentru locurile de parcare, sunt conectate la intrările D0-D3 ale multiplexorului U4, intrările D4 – D7 rămânând neconectate. Multiplexorul este un dispozitiv format dintr-un set de comutatoare care au ieșirile legate, ceea ce face posibil ca multiplexorul să aibă o ieșire unică. Comanda închiderii și deschiderii comutatoarelor este efectuată prin intermediul intrărilor de adresă A, B, C. Intrările de adresă ale multiplexorului sunt conectate la generatorul de cuvinte. Trebuie menționat că în schemă (Figura 4), generatorul de cuvinte înlocuiește placa de achiziție de date ce face parte din montajul real al machetei.

Generatorul de cuvinte (Word Generator) a fost setat în modul „ciclu”, fiind introduse 4 cicluri de date în hexazecimal, pentru o frecvență 100 Hz. Logic Analyzer oferă posibilitatea vizualizării diagramei de timp.

U3 este un numărător asincron pe patru biți. Pentru simulare, am ales acest numărător deoarece modelul 74LS47 se apropie bine, prin configurația pinilor, de numărătorul real din aceeași familie. Numărătorul reprezintă blocul principal de execuție care va număra locurile libere din parcare, pe baza informațiilor furnizate de senzorii de prezență, prin intermediul multiplexorului. Ieșirea Y a multiplexorului comandă intrarea INA a numărătorului U3. Intrarea INB este conectată la ieșirea QA a numărătorului. Pinii R01, R02, R91, R92 sunt conectați la masă, ei reprezentând pinii de MR (Master Reset) prin care se realizează resetarea fiecărui bistabil în parte, pentru un numărător real. Ieșirile QA, QB, QC, QD sunt conectate la decodorul BCD – 7 segmente. Pentru alimentarea acestor familii de numărătoare, am optat pentru o soluție destul de rar utilizată: conectarea la Vcc se face prin pinul 5, iar la masă prin pinul 10.

Decodorul BCD – 7 segmente (U2) va transforma informațiile provenite de la numărător, pentru comanda iluminării segmentelor afișorului U1, prin combinarea segmentelor rezultând caractere zecimale. Ieșirile decodorului 74LS47 sunt conectate la afișorul U1, prin intermediul rezistoarelor limitatoare R1-R7 de 470 Ω. Pinii BI/RBO, RBI, LT sunt activi în 0 logic. Prin pinul LT (Lamp Test) al decodorului se verifică funcționarea corectă a afișorului cu 7 segmente. Pinul LT va fi alimentat cu 5 V sau 0 V în funcție de poziția comutatorului J5. Astfel, când pe pinul LT vom avea tensiunea de 0 V, toți segmenții afișorului vor fi aprinși și vor indica cifra „8”. Pentru vizualizarea datelor, căderea de tensiunea pe pinul LT trebuie să fie de 5 V.

U1 este un afișor cu 7 segmente în conexiune anod comun. Pinul de alimentare al display-ului va fi conectat la .

Prin simularea schemei prezentate mai sus, afișorul va indica rezultatul unei numărări ciclice, crescătoare de la 0 la 9 pe perioada celor 4 cicluri de date cu care a fost setat generatorul de cuvinte. După ce generatorul de cuvinte termină citirea datelor cu care a fost încărcat, procesul de numărare se încheie. Comutarea în orice moment a comutatorului J5 face ca indicația afișorului sa fie 8.

Figura 4: Schema electrică în programul Multisim

Secțiunea 3: Schema bloc a montajului

În figura 5 este prezentată schema bloc a montajului.

Figura 5: Schema bloc a montajului

1) Senzorii de prezență (Anexa Data Sheet–ul cu Senzorul de prezență TLE 4905 L)

Deși în implementarea Sistemelor de Management al Parcărilor Auto se folosesc, pentru detecția prezenței autovehiculelor, senzori de presiune, bariere optice sau senzori ultrasonici, pentru sistemul prezent, implementarea acestor senzori era dificilă. Din acest motiv, am ales să utilizez 4 senzori magnetici cu efect Hall, ce vor fi amplasați în fiecare spațiu destinat parcării. Efectul Hall se manifestă la anumite materiale semiconductoare care, plasate într-un câmp magnetic de inducție B, generează o tensiune la ieșire, proporțională cu valoarea inducției B. Astfel, prezența unui magnet într-un loc pe machetă ce sugerează un spațiu destinat parcării, va avea ca efect producerea unui curent pe pinul de ieșire al senzorului.

Caracteristicile generale ale senzorului TLE 4905 L sunt următoarele:

• senzor pentru câmpuri magnetice unipolare și alternative

• ieșire digitală

• protecție împotriva tensiunilor inverse

• gamă largă de temperaturi

• curentul maxim de ieșire

• ieșire cu protecție la perturbații electrice

Schema bloc a senzorului magnetic este prezentată în figura 6, de mai jos.

Figura 6: Schema bloc a senzorului magnetic

Din schema bloc prezentată în figura 6 se observă că ieșirea Q a senzorului este de tipul „open collector”. Astfel, pentru a se obține o valoare stabilă de 1 logic sau 0 logic, este necesară utilizarea unei rezistențe externe, care se conectează între ieșirea Q a senzorului și tensiunea de alimentare VCC (Figura 7).

Prezența unui câmp magnetic în apropierea senzorului are ca efect producerea unui curent în baza tranzistorului, ceea ce face ca tranzistorul să intre în regim de saturație, la ieșire obținându-se o valoare 0 logic. În absența câmpului magnetic, tranzistorul este blocat, tensiunea VCE fiind egală cu tensiunea Vcc, obținându-se la ieșie un potențial înalt, adică valoarea de 1 logic.

Valoarea de 470 Ω a rezistenței a fost determinată experimental.

Figura 7: Senzor magnetic cu rezistență externă

2) Blocul de multiplexare a intrărilor (Anexa Data Sheet-ul cu Multiplexorul CD4512B)

Blocul de multiplexare a intrărilor este reprezentat de multiplexorul CD4512B (Figura 8). Multiplexorul este un circuit logic combinațional, care selectează una din intrările sale pentru a o transmite la ieșirea unică.

Caracteristicile generale ale multiplexorului sunt evidențiate mai jos:

• are 8 intrări și o ieșire

• alimentat între 3 și 18 V

• curentul maxim pe oricare intrare este de 10 A

• gama de temperaturi: -55 ○C…+125○C

• puterea disipată :

Figura 8: Multiplexorul CD4512B

3) Blocul numărător (Anexa Data Sheet-ul cu Blocul Numărător 74HCT193)

74HCT193 este un circuit numărător sincron realizat în tehnologie CMOS. Numărătoarele sunt circuite secvențiale utilizate pentru contorizarea impulsurilor aplicate la intrarea acestora. Ele se pot realiza cu ajutorul circuitelor bistabile și a porților logice. Pentru numărătoarele asincrone, bistabilele nu comută simultan sub acțiunea unui semnal de tact comun, ci ieșirea unui bistabil va determina comutarea unui alt bistabil. În cazul numărătoarelor sincrone, impulsurile de tact sunt aplicate simultan la toate bistabilele, care vor comuta în același timp, deci nu succesiv ca în cazul numărătoarelor asincrone. Deoarece numărătoarele asincrone prezintă dezavantajul timpului mare de comutare a circuitelor bistabile, am optat pentru un numărător sincron pentru ca frecvența de lucru să fie întârziată doar de un singur bistabil. Figura 9 prezintă schema logică a unui numărător binar sincron pe 4 biți cu numărare în sens direct.

Figura 9: Schema logica a unui numărător binar sincron pe 4 biți

74HCT193 este un numărător sincron binar reversibil pe 4 biți, cu posibilitatea de încărcare paralelă. Există două intrări de tact, pentru cele două sensuri de numărare: (Count Down Clock Input), pentru numărarea inversă, și CPU (Count Up Clock Input), pentru numărarea directă. Intrarea de tact neutilizată se conectează la 1 logic. Intrarea MR (Asynchronous Master Reset Input) se folosește pentru ștergere, iar PL (Asynchronous Parallel Load Input) se folosește pentru încărcarea paralelă. Pentru ștergere, se aplică 1 logic pe intrarea MR. Dacă intrarea PL are 0 logic, se validează operația de încărcare paralelă, independentă de semnalul de tact și de starea numărătorului.

Pentru conectarea mai multor numărătoare sunt prevăzute ieșirile TCU – Terminal Count Up (carry) Output și TCD – Terminal Count Down (borrow) Output. TCU se activează când se ajunge la numărul maxim și TCD = 0 (la numărărea directă), iar TCD se activează atunci când se ajunge la 0 și TCU = 0 (la numărarea inversă).

Configurația pinilor numărătorului 74HCT193 este indicată, mai jos, în figura 10.

Figura 10: Configurația pinilor numărătorului 74HCT193

4) Decodorul binar – zecimal (Anexa Data Sheet-ul cu Decodorul SN74LS47)

Decodorul BCD – 7 segmente este un circuit integrat pentru extragerea datelor binar-zecimal din numărătorul binar și afișarea lor în formă zecimală. Pentru comanda sistemului de afișaj cu 7 segmente, decodorul trebuie să asigure curentul de ieșire pentru polarizarea segmentelor, valorile uzuale fiind de 2 la 20 mA. Deoarece valorile tensiunilor directe pe un segment sunt cuprinse între 1,6 V și 3,4 V, se impune conectarea unei rezistențe serie la decodoarele cu circuit de ieșire „colector deschis” (open collector) pentru compatibilitatea cu tensiunea de alimentare de 5 V.

Caracteristicile tehnice generale ale decodorului SN74LS47 (Figura 11) sunt următoarele:

• ’LS47 are patru intrări de date de tip BCD

• curentul maximim absorbit este de 12 mA pentru nivelul Low (activ) și 4 mA pentru nivelul High (inactiv)

• tensiunea de alimentare 5 V

• ieșire open collector

• gama de temperaturi cuprinsă între -55○C și 125○C

• intrările BI/RBO, RBI, LT sunt active în 0 logic

• LT în 0 logic aprinde toate segmentele afișorului

Figura 11: Configurația pinilor decodorului SN74LS47

5) Afișarea

Diodele electroluminiscente, cunoscute mai mult sub denumirea de LED (Light Emiting Diodes), sunt dispozitive semiconductoare cu joncțiune pn, care emit radiații în spectrul vizibil atunci când sunt polarizate direct. În acest fel, LED-ul este imun la solicitările mecanice. Caracterele, prin care se face afișajul, sunt așezate într-un singur plan, realizările practice fiind cu 7 segmente pentru afișarea cifrelor 0, …9.

Conectarea diodelor electroluminiscente, în cazul afișării cu 7 segmente, se face cu anodul sau catodul comun, iar comanda de la decodor se aplică la catozi, respectiv la anozi.

Printre performanțele tipice ale sistemului de afișare cu LED-uri putem aminti funcționarea stabilă în domeniul de temperatură 0 – 70 ºC, durată de viață mare și consum redus. TOS-1106BH-B este un display cu 7 segmente, de culoare roșie, în conexiune anod comun, dimensiunea display-ului fiind de 36*24 (mm). Tensiunea directă pe segment este de 1,6 V, iar curentul prin segment este, aproximativ, 7,5 mA.

Din cele prezentate mai sus, rezultă că este necesară conectarea de rezistoare limitatoare între decodorul BCD – 7 segmente și display. R1-R7 sunt rezistoare limitatoare în valoare de 470. Rezistorul este o piesă componentă a cărei proprietate principală este rezistența electrică.

5 V = R*7*10-3 + 1.6

R= 453 Ω => se aleg rezistoare 470 Ω cu toleranță de %

Schema electrică și cablajele imprimate sunt prezentate, mai jos, în figura 12, respectiv 13.

Figura 12: Schema electrică

Figura 13: Cablajul imprimat

Secțiunea 4: Placa de achiziție de date

Placa de achiziție este o componentă electronică distinctă, ce poate fi montată în calculator sau conectată la o intrare USB și care realizează conversia semnalului purtător de informație. Componenta principală a unei plăci de achiziție este Convertorulul Analog – Digital. Acesta atașează o cifră unei tensiuni și astfel, o mărime fizică poate fi „vizibilă” pentru un calculator.

Principalele funcții ale unei plăci de achiziție sunt prezentate mai jos:

• intrare analogică (măsurarea unui semnal, sub forma unei tensiuni electrice, provenit de la un traductor aflat în sistemul studiat)

• ieșire analogică (generarea unui semnal, sub forma unei tensiuni electrice care să comande un element de acționare din sistemul monitorizat)

• comunicații digitale (primirea și emiterea de valori în formă binară, reprezentând date sau coduri ale unor comenzi; comunicațiile digitale pot fi utilizate și pentru măsurări sau generări de semnale în cazul în care traductorul sau elementul de acționare prezintă o funcționare descrisă de o stare logică binară – comutatoare cu două poziții, întrerupătoare, relee, etc.)

• numărare / cronometrare (primirea și emiterea de semnale în care informația este conținută în numărul de impulsuri din serie sau în frecvența acestora)

Când se măsoară semnale analogice cu o placã DAQ, trebuie luați în considerare următorii factori, care pot afecta calitatea semnalului digitizat:

• intrări simple (configurare RSE pentru placa de achiziție de tip NI DAQ USB 6008) și diferențiale (mod de configurare diferențial)

• rezoluție

• domeniu

• rată de eșantionare

• precizie

• zgomot

Intrările simple sunt toate raportate la un punct de masă comun. Aceste intrări sunt folosite atunci când semnalele de intrare sunt de nivel mare (mai mare de 1V), iar legăturile de la sursa de semnal la intrarea analogică hard sunt scurte (mai mici de 2 m).

Dacă nu sunt îndeplinite aceste condiții, canalele de achiziție sunt configurate în modul diferențial (fiecare intrare are referința ei proprie de masă). Este important de amintit faptul că, intrările diferențiale reduc sau elimină erorile de zgomot.

Rezoluția reprezintă numărul de biți utilizați de convertorul analogic digital pentru reprezentarea semnalului analogic (pentru detecția unor variații mici ale semnalului este necesară o rezoluție mai mare, domeniul fiind împărțit într-un număr mai mare de un diviziuni).

Domeniul se referă la nivelele de tensiune minimă și maximă pe care convertorul analogic digital le poate cuantifica. Plăcile de achiziție a datelor oferă domenii selectabile (în general 0 la 10 V sau -10 la 10 V), ceea ce permite alegerea domeniului de semnal pentru care convertorul analogic digital va avea o rezoluție disponibilă maximă pentru măsurarea precisă a semnalului.

Placa de achiziție folosită este NI USB-6251. National Instruments USB-6251 este un dispozitiv USB de mare viteză din seria M pentru achiziția datelor, modul optimizat pentru rate rapide de eșantionare. NI USB-6251 este ideală pentru aplicații de genul unui semnal dinamic de achiziție.

Caracteristicile tehnice ale plăcii de achiziție NI-6251 sunt cele de mai jos:

• magistrală: USB

• intrări analogice: 16 SE/8DI

• rata eșantionare pentru semnalele de intrare (S/sec): 1.25MS/s

• rezoluție intrare (biți): 16

• gama de intrare: max (V) ±10; min (mV) ±100

• ieșiri analogice: 2

• rata eșantionare pentru semnalele de ieșire (S/sec): 1.28 MS/s

• rezoluție ieșire (biți): 16

• I/O digitale: 24

• numărătoare: 8, 32 biți

• tehnologie TTL

În tabelul de mai jos (Tabelul 1), sunt precizate conexiunile dintre pinii circuitelor integrate și placa de achiziție de date NI USB-6251.

Tabelul 1: Conexiunile dintre pinii circuitelor integrate și placa de achiziție de date NI USB-6251

Secțiunea 5: Software-ul de achiziție de date

Software-ul de achiziție include drivere specifice elementelor hard incluse în sistemul de achiziție și programe de aplicație. Software-ul reprezintă interfața logică între hardware și utilizator.

Driverele controlează funcționarea elementelor componentelor hardware ale sistemului de achiziție și au funcțiile de a citi / scrie date de la placǎ, de a controla frecvența de achiziție, de a integra achiziția cu resursele PC și sistemele de condiționare, de acces la multiple IN / OUT pe placă și acces la mai multe plǎci.

Software-ul de aplicație controlează achiziția și prelucrarea specifică a datelor, elaborarea și transmiterea comenzilor pentru elementele de execuție, prezentarea acestora către operatorul uman și realizează gestionarea de date, afișările grafice și prelucrările.

Fiecare serie M pentru achiziția datelor, include o copie a NI LabView Signal Expres LE, astfel încât este posibil să se achiziționeze, analizeze și prezinte rapid informațiile, fără a fi nevoie de programare. În plus, seria M a dispozitivelor pentru achiziția de date este compatibilă cu versiunile mai noi de software dezvoltat de NI-LabVIEW 7.1, Lab Windows / CVI 7.X sau Measurement Studio 7.x. Seria M a plăcilor de achiziție reprezintă acele dispozitive compatibile cu Visual Studio.Net, C / C++ și Visual Basic 6.

LabVIEW (prescurtarea de la Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) este o platformă și un mediu de dezvoltare pentru limbajul de programare vizuală de la National Instruments. Inițial lansat pentru Macintosh în 1986, LabVIEW este frecvent folosit pentru achiziții de date, ca instrument de control, și automatizări industriale pe o diversitate de platforme, inclusiv Microsoft Windows, diverse sisteme UNIX, Linux, și Mac OS. Cea mai recentă versiune de LabVIEW este versiunea 8.6.1, lansată în luna februarie 2009.

Pentru scrierea programelor în LabVIEW se utilizează limbajul grafic, limbajul de programare, mediul LabVIEW conținând mai multe biblioteci de funcții predefinite pentru achiziția, prelucrarea, afișarea și transmiterea datelor.

Programele realizate în LabVIEW se numesc instrumente virtuale (Visual Instruments – VIs), la baza acestora stând conceptele de modularizare și ierarhie arborescentă. Când se proiectează și se implementează un IV, trebuie să se țină cont de natura modulară a acestuia și anume, să poată fi utilizat atât ca program principal cât și ca subrutină în componenta unui alt IV. Un IV folosit la realizarea unui alt IV se numește subIV, având rolul unei subrutine. Prin crearea și utilizarea de subIV la realizarea altor IV, utilizatorul definește ierarhii de IV. Un IV are trei părți componente și anume, panoul frontal, diagrama bloc, pictograma și conectorul.

Panoul Frontal definește interfața grafică cu utilizatorul sau ceea ce va vedea utilizatorul pe ecranul calculatorului. Obiectele grafice de interfață, disponibile pentru realizarea panoului frontal, se împart în controale și indicatoare. Prin intermediul controalelor, utilizatorul introduce sau actualizează valorile datelor de intrare. Indicatoarele sunt folosite pentru a se afișa rezultatele prelucrărilor. În figura 14, se prezintǎ o interfațǎ pentru vizualizarea legilor de mișcare a unui element mobil.

Figura 14: Panou frontal – interfațǎ graficǎ

Părții din interfața grafică cu utilizatorul, dată de panoul frontal, îi corespunde diagrama bloc (Figura 15, în care se prezintǎ diagrama bloc pentru un element motor în mișcarea de rotație), care reține codul programului și definește funcționalitatea IV. Realizarea diagramei bloc a IV se face utilizând limbajul grafic, pentru definirea fluxurilor datelor în diagrama bloc, corespondențele legându-se între ele prin “fire” (sau conductoare).

Figura 15: Diagramă bloc

A treia componenta a unui IV este repezentată de pictogramă și conector. Astfel, prin stabilirea pictogramei și conectorului, acel instrument virtual va putea fi folosit ca și subrutina în diagrama bloc a altui IV.

Secțiunea 6: Calculul economic

Calculul economic presupune un calcul pentru costul de producție și un calcul pentru prețul de vânzare. Trebuie precizat faptul că prețul de vânzare este diferit de costul de producție. Prețul de vânzare este mai mare decât costul producției deoarece el include și profitul, în timp ce costul de producție asigură doar recuperarea cheltuielilor.

Elementele componente ale costului de producție sunt: costul componentelor și a software-ului de achiziție (Tabelul 2), costul manoperei și costul transportului.

Tabelul 2: Costul componentelor

Costul total al componentelor sistemului și a software-ului : 5092.3 RON

Costul manoperei reprezintă cheltuielile directe făcute pentru plata celor care au confecționat placa:

Cost manoperă = 200 RON

Costul transportului reprezintă cheltuielile făcute pentru aducerea materialelor de la furnizor:

Cost transport = 20 RON

Costul total de producție = Costul componentelor și al software-ului + Costul manoperei + Costul transportului = 5312 RON

Prețul net de vânzare = Costul de producție + Profit (20% Costul de producție)

Prețul net de vânzare = 6374.4 RON

Prețul brut de vânzare = Prețul net de vânzare + TVA (Taxa pe Valoare Adaugată)

Prețul brut de vânzare = 7585,536 RON

Secțiunea 7: Calculul de fiabilitate

Determinarea indicatorilor de fiabilitate s-a făcut conform STAS 10307/75 "Fiabilitatea produselor industriale-indicatori de fiabilitate".

Calculul a fost făcut pe baza următoarelor considerații:

Dispozitivul este nereparabil, nu este alcătuit din module ce pot fi schimbate, deci s-a luat în considerare timpul de funcționare până la defectare

Regimul de lucru a fost considerat continuu.

Pentru asigurarea funcțiilor dispozitivului, componentele sale se consideră în conexiune serie.

Formule utilizate la calculul fiabilității și non-fiabilității:

Λ = λR•nR+ λS•nS+ λI•nI (1)

Unde:

nR = numărul de rezistoare

nS = numărul de suduri cu fludor

nI = numărul de circuite integrate

Coeficienții de fiabilitate pentru fiecare tip de componentă:

kS = 0,2…0,3→ λS=kS• λR

kI = 2,5…3,3→ λI= kI• λR

Funcția de fiabilitate:

R(t) = e-Λt (2)

Unde t = perioada de funcționare exprimată în ore, pentru o lună, 3 luni, 6 luni și un an, astfel încât:

t1 = 720 ore

t2 = 2160 ore

t3 = 4320 ore

t4 = 8640 ore

Funcția de non-fiabilitate: F(t) = 1 – R(t), (valoare subunitară).

Fiabilitatea montajului:

λR=0,03•10-6 buc / oră

λS=kS• λR=0,3•0.03•10-6 =0,009•10-6 buc/oră

λI=kI• λR=0,03•3,3•10-6 =0,099 10-6 buc/oră

Λ=0,03•10-6•11+0,009•10-6•72+0,099•10-6•8=(0,33+0,648+0.792)•10-6=1,77•10-6 buc/oră

Λ=1,77•10-6 buc/oră

Pentru o lună

Pentru 3 luni

Pentru 6 luni

Pentru 12 luni

Diagrama de defectare a sistemului:

• prin defectarea afișorului nu mai există posibilitatea vizualizării spațiilor de parcare libere

• defectarea rezistoarelor R1-R7 poate produce arderea decodorului BCD-7 segmente

• defectarea decodorului BCD-7 segmente determină imposibilitatea afișării datelor pe display

• defectarea numărătorului determină imposibilitatea de prelucrare a datelor de la multiplexor

• prin defectarea multiplexorului nu se realizează culegerea de date de la senzori

• defectarea rezistoarelor R8-R11 poate duce la imposibilitatea stabilirii valorilor de 0 logic sau 1 logic de la ieșirea senzorilor

• defectarea senzorilor are ca efect lipsa informației din teren

Bibliografie

Cărți:

Academia Română (2008), Dicționarul Explicativ al Limbii Române, Editura Univers Enciclopedic, București

Adăscăliței, A. (2000), Contribuții la perfecționarea sistemelor moderne multimedia în procesul didactic de asimilare a cunoștințelor din domeniul disciplinei de bazele electrotehnicii, Teză de doctorat

Carr, J., Brown, M., Terminologia senzorilor – Introducere la Biomedical Equipment Technology, Editura Prentice Hall

Dolga, V. (2008), Senzori și achiziții de date – Lucrarea de laborator „ Mediul LabVIEW 1”

Ionescu, G. (1988), Traductoare pentru automatizări industriale, Volumul I, Editura Didactică și Pedagogică, București

Mihoc, D., Popescu, St. (1978), Automatizări, Editura Didactică și Pedagogică, București

Petre, V., Senzori și traductoare – Suport de laborator, Facultatea de Electrotehnică

Șerban, T.(2006), Senzori și traductoare – Suport de curs, Facultatea de Electronică

Tertișco, M., Stamata, A. et all (1982), Aparate de măsură și automatizări în industria chimică, Editura Didactică și Pedagogică, București

Adrese internet

www.crop.ro

www.eur-lex.europa.eu

www.intelligentparking.com

www.ipa.ro/AMTRANS/ceex2007/simpozion/PARTEA-I/25-Lucrare-X2C25.pdf

www.iso.org

www.iteris.com

www.karen.com

www.revistaie.ase.ro/content/17/zota1.pdf

www.revistaits.ro (Numerele 1, 2, 3, 4 și 5)

www.wikipedia.org

Lista Prescurtărilor și Abrevierilor

3G – Third Generation (Generația a Treia)

A≡AD – Adaptor

ADSL – Asymetric Digital Subscriber Line

AIRS – Auto Incident Recording System (Sistem de Înregistrare a Incidentelor Auto)

ATIS – Advanced Traffic Information System (Sistem Avansat de Informare pentru Trafic)

ATM – Asynchronous Transfer Mode

ATMS – Advanced Traffic Management System (Sistem Avansat de Management al Traficului)

AVCS – Advanced Vehicle Control System (Sistem Avansat de Control al Vehiculului)

BCS – Bloc de Condiționare a Semnalului

BI/RBO – Blanking Input / Ripple Blanking Output

CAN≡CNA – Convertor Analog – Numeric

CC – Circuit de Condiționare

CCTV – Closed Circuit Television (Televiziunea cu Circuit Închis)

CDSL – Consumer Digital Subscriber Line

CEN – Comitee Europeen de Normalisation (Comitetul European de Standardizare)

CIR – Comitted Information Rate (Rata de Informație Transmisibilă)

CMOS – Complementary Metal–Oxide–Semiconductor

CO – Consola Operator (Abreviere pentru elemente din anumite figuri ale lucrării)

CO – Central Office (Birou Central)

CP – Calculatorul de Proces

– Count Down Clock Input

CPU – Central Processing Unit (Unitate Centrală de Procesare – Procesor)

CPU – Count Up Clock Input

CSU – Channel Service Unit

CU – Calculatorul Universal

DACS – Digital Acces and Cross-Connect System

DAQ – Data AcQuisition (Achiziție de Date)

DECnet – Digital Equipment Corporation network protocols

DECT – Digital Enhanced Cordless Telecommunication

DLCI – Data Link Connection Identifier (Identificator de Conexiune)

DMA – Direct Memory Access

DMT – Discret Multi Tone modulation

DSL – Digital Subscriber Line

DSRC – Dedicated Short Range Communication

DSU – Data Service Unit

DTE – Data Terminal Equipment

E1 – European 1 (E-carrier)

E / B – Dispozitiv de Eșantionare – Blocare

EE – Element de Execuție

EMS – Emergency Management System (Sistemul de Management al Urgențelor)

EOC – End of Conversion (Sfârșitul Conversiei)

ES≡D – Element Sensibil / Detector / Senzor

ET – Element de Transmitere / Transfer

ETSI – European Telecommunications Standards Institute (Institutul European pentru Standarde în Telecomunicații)

FEXT – Far-End CrossTalk

FHSS – Frequency-Hopping Spread Spectrum

FRAD – Frame Relay Access Device

GERDIEN – General European Road Data Information Exchange Network (Date Generale Referitoare la Drumurile Europene și Rețeaua de Schimb a Informațiilor)

GPIB – General Purpose Interface Bus

GPS – Global Positioning System (Sistem de Poziționare Globală)

GSM – Global System for Mobile Communication (Sistem Global de Comunicații Mobile)

HAR – Highway Advisory Radio (Informațiile Radio pentru Autostrăzi)

HDSL – High bit-rate DSL

IBM – International Business Machines

ICA – Interfața de Comunicare și Afișare

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (Institutul Inginerilor Electrotehniști și Electroniști)

IP – Internet Protocol

IPX – Internetwork Packet Exchange

IR – InfraRed (Infraroșu)

ISDN – Integrated Services Digital Network (Rețea cu Servicii Digitale Integrate)

ISO – International Organization for Standardization (Organizația Internațională de Standardizare)

ITS – Intelligent Transportation System (Sistem Inteligent de Transport)

LabVIEW – Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

LAN – Local Area Network (Rețea Locală)

LED – Light Emiting Diodes (Diode Electroluminiscente)

LT – Lamp Test

MDF – Main Distribution Frame (Repartitor Principal)

MR – Asynchronous Master Reset Input

NEXT – Near-End CrossTalk

NLPI – Network Layer Protocol Identification (Identificarea Protocolului Nivelului Rețea)

NNI – Network to Network Interface (Interfața Rețea – Rețea)

NSP – Network Service Provider

PAD – Portable Application Description

PAN – Personal Area network (Rețea Locală Personală)

PC – Personal Computer (Calculator personal)

PDA – Personal Digital Assistant (“Asistent Personal Digital”)

PG – Periferice Generale

PL – Asynchronous Parallel Load Input

POS – Pachet over SONET

POTS – Plain Old Telephone Service

PTM – Public Transportation Management (Management al Transportului Public)

PTSN – Public Telephone Switched Network

PVC – Permanent Virtual Circuits (Circuite Virtuale Permanente)

RADSL – Rate-Adaptive DSL

RATB – Regia Autonomă de Transport București

SAD – Sistem de Achiziție de Date

SDH – Synchronous Digital Hierarchy

SDSL – Single-line DSL

SEA – Sursă de Energie Auxiliară

S-HDSL – Single pair HDSL

SIA – Sistemul de Interfață pentru mărimi Analogice

SI-E – Sistemul de Interfață a Ieșirilor

SI-I – Sistemul de Interfață a Intrărilor

SIN – Sistemul de Interfață pentru mărimi Numerice

SNA – Systems Network Architecture

SNMP – Simple Network Management Protocol

SONET – Synchronous Optical NETworking

SP – Service Provider

SRA – Sistem de Reglare Automată

SVC – Switched Virtual Circuit (Circuit Virtual Comutat)

T1 – Telecomunications 1 (T-carrier)

TCD – Terminal Count Down (borrow) Output

TCU – Terminal Count Up (carry) Output

T/E – Transmission Equipment (Echipament de Transmisie)

TICS – Transport Information and Control System (Sistemul de control și informare în transporturi)

Tr – Traductor

TVA – Taxa pe Valoare Adaugată

UDSL – Unidirectional DSL

UML – Unified Modelling Language (Limbaj Unificat de Modelare)

UNI – User to Network Interface (Interfața Utilizator – Rețea)

USB – Universal Serial Bus

UTC – Urban Traffic Control (Controlul traficului urban)

UTMS – Urban Transport Management System (Sistemul de Management al Traficului Urban)

UTP – Unshielded Twisted Pair (Cablu cu Perechi Răsucite Neecranat)

VDSL – Very high speed DSL

VIs – Visual Instruments (Instrumente Virtuale)

VME – VERSA-Module Europe

VMS – Variable Message Sign (Panou cu Mesaje Variabile)

VOFR – Voice Over Frame Relay

VTR – Video Tape Recorder (Videorecorder)

VXI – VME eXtension for Instrumentation (Instrumente VME)

ANEXE

=== Lista Prescurtari ===

ABREVIERI

3G – Third Generation (Generația a Treia)

A≡AD – Adaptor

ADSL – Asymetric Digital Subscriber Line

AIRS – Auto Incident Recording System (Sistem de Înregistrare a Incidentelor Auto)

ATIS – Advanced Traffic Information System (Sistem Avansat de Informare pentru Trafic)

ATM – Asynchronous Transfer Mode

ATMS – Advanced Traffic Management System (Sistem Avansat de Management al Traficului)

AVCS – Advanced Vehicle Control System (Sistem Avansat de Control al Vehiculului)

BCS – Bloc de Condiționare a Semnalului

BI/RBO – Blanking Input / Ripple Blanking Output

CAN≡CNA – Convertor Analog – Numeric

CC – Circuit de Condiționare

CCTV – Closed Circuit Television (Televiziunea cu Circuit Închis)

CDSL – Consumer Digital Subscriber Line

CEN – Comitee Europeen de Normalisation (Comitetul European de Standardizare)

CIR – Comitted Information Rate (Rata de Informație Transmisibilă)

CMOS – Complementary Metal–Oxide–Semiconductor

CO – Consola Operator (Abreviere pentru elemente din anumite figuri ale lucrării)

CO – Central Office (Birou Central)

CP – Calculatorul de Proces

– Count Down Clock Input

CPU – Central Processing Unit (Unitate Centrală de Procesare – Procesor)

CPU – Count Up Clock Input

CSU – Channel Service Unit

CU – Calculatorul Universal

DACS – Digital Acces and Cross-Connect System

DAQ – Data AcQuisition (Achiziție de Date)

DECnet – Digital Equipment Corporation network protocols

DECT – Digital Enhanced Cordless Telecommunication

DLCI – Data Link Connection Identifier (Identificator de Conexiune)

DMA – Direct Memory Access

DMT – Discret Multi Tone modulation

DSL – Digital Subscriber Line

DSRC – Dedicated Short Range Communication

DSU – Data Service Unit

DTE – Data Terminal Equipment

E1 – European 1 (E-carrier)

E / B – Dispozitiv de Eșantionare – Blocare

EE – Element de Execuție

EMS – Emergency Management System (Sistemul de Management al Urgențelor)

EOC – End of Conversion (Sfârșitul Conversiei)

ES≡D – Element Sensibil / Detector / Senzor

ET – Element de Transmitere / Transfer

ETSI – European Telecommunications Standards Institute (Institutul European pentru Standarde în Telecomunicații)

FEXT – Far-End CrossTalk

FHSS – Frequency-Hopping Spread Spectrum

FRAD – Frame Relay Access Device

GERDIEN – General European Road Data Information Exchange Network (Date Generale Referitoare la Drumurile Europene și Rețeaua de Schimb a Informațiilor)

GPIB – General Purpose Interface Bus

GPS – Global Positioning System (Sistem de Poziționare Globală)

GSM – Global System for Mobile Communication (Sistem Global de Comunicații Mobile)

HAR – Highway Advisory Radio (Informațiile Radio pentru Autostrăzi)

HDSL – High bit-rate DSL

IBM – International Business Machines

ICA – Interfața de Comunicare și Afișare

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (Institutul Inginerilor Electrotehniști și Electroniști)

IP – Internetwork Packet

IPX – Internetwork Packet Exchange

IR – InfraRed (Infraroșu)

ISDN – Integrated Services Digital Network (Rețea cu Servicii Digitale Integrate)

ISO – International Organization for Standardization (Organizația Internațională de Standardizare)

ITS – Intelligent Transportation System (Sistem Inteligent de Transport)

LabVIEW – Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

LAN – Local Area Network (Rețea Locală)

LED – Light Emiting Diodes (Diode Electroluminiscente)

LT – Lamp Test

MDF – Main Distribution Frame (Repartitor Principal)

MR – Asynchronous Master Reset Input

NEXT – Near-End CrossTalk

NLPI – Network Layer Protocol Identification (Identificarea Protocolului Nivelului Rețea)

NNI – Network to Network Interface (Interfața Rețea – Rețea)

NSP – Network Service Provider

PAD – Portable Application Description

PAN – Personal Area network (Rețea Locală Personală)

PC – Personal Computer (Calculator personal)

PDA – Personal Digital Assistant (“Asistent Personal Digital”)

PG – Periferice Generale

PL – Asynchronous Parallel Load Input

POS – Pachet over SONET

POTS – Plain Old Telephone Service

PTM – Public Transportation Management (Management al Transportului Public)

PTSN – Public Telephone Switched Network

PVC – Permanent Virtual Circuits (Circuite Virtuale Permanente)

RADSL – Rate-Adaptive DSL

RATB – Regia Autonomă de Transport București

SAD – Sistem de Achiziție de Date

SDH – Synchronous Digital Hierarchy

SDSL – Single-line DSL

SEA – Sursă de Energie Auxiliară

S-HDSL – Single pair HDSL

SIA – Sistemul de Interfață pentru mărimi Analogice

SI-E – Sistemul de Interfață a Ieșirilor

SI-I – Sistemul de Interfață a Intrărilor

SIN – Sistemul de Interfață pentru mărimi Numerice

SNA – Systems Network Architecture

SNMP – Simple Network Management Protocol

SONET – Synchronous Optical NETworking

SP – Service Provider

SRA – Sistem de Reglare Automată

SVC – Switched Virtual Circuit (Circuit Virtual Comutat)

T1 – Telecomunications 1 (T-carrier)

TCD – Terminal Count Down (borrow) Output

TCU – Terminal Count Up (carry) Output

T/E – Transmission Equipment (Echipament de Transmisie)

TICS – Transport Information and Control System (Sistemul de control și informare în transporturi)

Tr – Traductor

TVA – Taxa pe Valoare Adaugată

UDSL – Unidirectional DSL

UML – Unified Modelling Language (Limbaj Unificat de Modelare)

UNI – User to Network Interface (Interfața Utilizator – Rețea)

USB – Universal Serial Bus

UTC – Urban Traffic Control (Controlul traficului urban)

UTMS – Urban Transport Management System (Sistemul de Management al Traficului Urban)

UTP – Unshielded Twisted Pair (Cablu cu Perechi Răsucite Neecranat)

VDSL – Very high speed DSL

VIs – Visual Instruments (Instrumente Virtuale)

VME – VERSA-Module Europe

VMS – Variable Message Sign (Panou cu Mesaje Variabile)

VOFR – Voice Over Frame Relay

VTR – Video Tape Recorder (Videorecorder)

VXI – VME eXtension for Instrumentation (Instrumente VME)