Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji pomiarów i

Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji pomiarów i

 POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ TRANSPORTU
KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO
LABORATORIUM DIAGNOSTYKI POJAZDÓW SZYNOWYCH
ĆWICZENIE 14
Komputerowe interfejsy pomiarowe
w automatyzacji pomiarów i diagnostyce maszyn
Katowice, 2009.10.01
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie studentów z metodami automatyzacji
pomiarów i ich analizą w diagnostyce maszyn. Zapoznanie się z metodyką pomiarów
wykonywanych przy pomocy komputera klasy PC, oraz architekturą interfejsów
komputerowych. Celem ćwiczenia jest również wykonanie szeregu pomiarów wzorcowania
czujnika temperatury podłączonego do portu równoległego komputera i wyznaczenie
dokładności wykorzystywanej aparatury pomiarowej.
2. PODSTAWY TEORETYCZNE ĆWICZENIA
Obecnie bardzo często mamy do czynienia z procesami technologicznymi i
eksploatacyjnymi, których systemy oparte są na utrzymaniu odpowiedniego poziomu kilku a
nawet kilkunastu parametrów pracy jednocześnie. Systemy takie wymagają sterowania i
diagnostyki opartej na wielokanałowych systemach pomiarowych mierzących żądane
parametry w czasie rzeczywistym z dużą dokładnością i wykorzystujące uzyskane informacje
z pomiarów do automatycznej korekty prawidłowości pracy systemu. Poprawne działanie
systemów opartych o kilka, kilkadziesiąt czy kilkaset osobno sterowanych urządzeń, nie jest
możliwe bez użycia automatyzacji ich sterowania i kontroli z wykorzystaniem komputerów.
Dawniej do zadań przemysłowych wykorzystywano jedynie komputery przemysłowe o
architekturze wewnętrznej ukierunkowanej na stawiane cele w przemyśle. Architektura
dzisiejszego komputera klasy PC, poziom technologiczny jego wykonania i oprogramowania
a ponad wszystko dostępność i niska cena spowodowały, że dzisiaj często łatwiej jest
konstruować i eksploatować urządzenia sterujące i pomiarowe oparte o komputer PC.
Wykorzystanie komputerów w technice pomiarowej i diagnostyce daję wiele zupełnie
nowych możliwości. Umożliwia szybki przesył dużej ilości informacji na teoretycznie
nieograniczonym zasięgu (również bezprzewodowo), pozwala przetwarzać sygnały
pomiarowe w czasie rzeczywistym i analizować uzyskane wyniki z wykorzystaniem
zaawansowanych technik wnioskowania wykorzystujących sztuczną inteligencję.
Najczęstszym rozwiązaniem w konstrukcji układów pomiarowych opartych o
komputer klasy PC jest dziś rozwiązanie pokazane na rysunku 1. Czujnik pomiarowy o
znanym zakresie i funkcji zamiany wartości wielkości mierzonej na sygnał wyjściowy
wysyła sygnał napięciowy (prądowy) do wzmacniacza pomiarowego. Wzmocnienie
wzmacniacza jest tak dobrane, aby z jednej strony objąć swoim zakresem pracy cały zakres
sygnału wyjściowego czujnika, a z drugiej strony, aby zakres sygnału wyjściowego po
wzmocnieniu mógł w całości być rejestrowany przez przetwornik analogowo cyfrowy lub
bezpośrednio przez rejestrator. Tak przetworzony sygnał przesyłany jest poprzez jeden z
interfejsów komputera do wyznaczonej komórki pamięci. Zainstalowane wcześniej
oprogramowanie ustala protokół transmisji danych, pobiera je z odpowiedniego adresu
pamięci operacyjnej, dekoduje, przetwarza, rejestruje i przedstawia w formie graficznej.
Niejednokrotnie stosuje się również wstępną analizę uzyskanych wyników, a nawet
umożliwia wnioskowanie i wykonywanie określonych zadań sterowania na podstawie
uzyskanych rezultatów pomiarowych.
Wykorzystując fakt, że najczęściej do zadań pomiarowych, wystarczy zastosowanie
komputera Pentium 386 i dyskiem o niewielkiej pojemności, często upraszcza się schemat
układu pomiarowego pokazanego na rysunku 1 do układu, gdzie dodatkowo rolę rejestratora
przejmuje bezpośrednio komputer. Wykorzystanie w tym celu komputera przenośnego typu
notebook umożliwia podobną mobilność całego układu pomiarowego taką jak dla
klasycznych układów z rejestratorami, ale umożliwia uzyskanie kilku dodatkowych funkcji,
2
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
takich jak wstępna analiza i prezentacja uzyskanych wyników, ich rejestracja w ”dużej
ilości”, korekta i możliwość przesłania na odległość. Jedną z ważniejszych korzyści
związanych z wykorzystaniem komputera do diagnostyki maszyn, jest możliwość
oprogramowania go tak, aby odpowiadał indywidualnym wymaganiom i specyfikacji
przeznaczonego do pomiaru zmian wielkości parametrów diagnozowanego procesu. Program
zarządzający pracą systemu pomiarowego czy pomiarowo sterującego, pozwala na
wykorzystanie praktycznie nieograniczonej liczby i stopnia komplikacji funkcji
wykonywanych na mierzonych przebiegach.
3. STANOWISKO LABORATORYJNE
W celu zapoznania studentów z budową systemu pomiarowego opartego na komputerze
klasy PC i umożliwienia wykonania pomiarów temperatury i drgań, stanowisko laboratoryjne
zaopatrzono w komputer, oscyloskop cyfrowy, termoparę, miernik uniwersalny z
optozłączem do PC, pirometr i przetwornik analogowo cyfrowy wraz z odpowiednim
oprogramowaniem.
Rejestrator
Interfejs do
transmisji
danych
Interfejs
komputera
PC
Zamiana i
przesył danych
szeregowo
lub równolegle
Odczyt danych Odczyt danych z
wg ustalonego komórki pamięci
protokołu i przetworzenie
Oprogramowa
nie
Odczyt
informacji z
komórek
pamięci
Zakres sygnału
pomiarowego
Czujnik
pomiarowy
Przetwornik
A/C
Multiplekser
Przetwornik
Wzmacniacz
sygnału
sygnału
pomiarowego
Sygnał
parametryczny
lub generacyjny
Wstępne
przetworzenie
sygnału
Zamiana z
Wzmocnienie do
sygnału
zakresu
przetwornika AC analogowego na
postać cyfrową
Zapis w
pamięci
podręcznej
RAM
Rys. 1. Schemat architektury układu pomiarowego wykorzystującego komputer klasy PC
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
W celu wykonania wzorcowania układu pomiarowego opartego na rezystancyjnym
czujniku temperatury i ośmiobitowym przetworniku analogowo cyfrowym poprzez
jednoczesny pomiar układem pomiarowym z wykorzystaniem termopary i miernika
3
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
uniwersalnego podłączonego do komputera przez interfejs RS 232 oraz pirometru, należy
zmontować układ według schematu pokazanego na rysunku 2. Po prawidłowym połączeniu
układu należy przeprowadzić wzorcowanie układu pomiarowego opartego na porcie
szeregowym i przetworniku AC.
Czujnik
pomiarowy
termistor
Źródło
ciepła
Wzmacniacz
sygnału
Ośmiobitowy
przetwornik A/C
Pirometr
Minolta
Czujnik
pomiarowy
termopara
Interfejs do
transmisji
danych LPT
(Centronics)
Miernik uniwersalny z funkcją pomiaru
temperatury po wywzorcowaniu termopary,
transmisja do PC poprzez RS 232
Specjalistyczne
oprogramowanie do odczytu,
dekodowania i prezentacji
wyników pomiarów
odczytanych z komórki
pamięci
Oprogramowanie firmowe
przyrządu pomiarowego
Rys. 2. Schemat stanowiska laboratoryjnego
Interfejs to zespół środków zapewniających dopasowanie mechaniczne, elektryczne i informacyjne oraz
ustalających funkcjonalne relacje pomiędzy fizycznie odrębnymi częściami systemu, zgromadzonymi w celu
wymiany informacji między nimi. Podstawowymi elementami interfejsu są: kable, złącza, nadajniki linii,
odbiorniki linii, linie sygnałowe, funkcje interfejsowe z opisem logicznym, zależności czasowe oraz sterowanie.
Wymiana danych odbywa się przez kanał transmisyjny, którym może być np. przewód, światłowód, fale
radiowe.
Rys. . Kanał interfejsu pomiędzy dwoma jednostkami.
Funkcje interfejsu
Funkcja konwersji polega na dostosowaniu typu danych w jednostce do typu danych
stosowanego w kanale transmisyjnym (poziomy logiczne, kody, formaty wszystkich
informacji).
Funkcja synchronizacji (ang. handshake) zapewnia synchronizację transmisji danych, uwzględnia ewentualne
nieregularne lub przypadkowe opóźnienia w kanale transmisyjnym.
Funkcja przerwania pozwala na zatrzymanie normalnej komunikacji, aby umożliwić przesłanie specjalnych
komunikatów, dotyczących zarządzania interfejsem.
Funkcja buforowania jest konieczna, gdy interfejs nie jest w stanie odbierać danych w sposób ciągły lub gdy
kanał transmisyjny nie jest zawsze zdolny do transmisji danych w momentach, w których oczekuje tego
odbiorca danych.
4
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
Funkcja zarządzania interfejsem zapewnia właściwe funkcjonowanie złożonych systemów interfejsu (inicjacja
interfejsu, obsługa przerwań, zabezpieczenia przed przeciążeniem).
Funkcja korekcji błędów pozwala na korekcję błędów w danych, spowodowanych przez kanał transmisyjny.
Poszczególne elementy składowe (bloki funkcjonalne) można połączyć w jeden system pomiarowy, jeżeli
spełniają one tzw. warunki kompatybilności. Oznacza to:
-
zgodność mechaniczną i konstrukcyjną gniazd przyłączeniowych oraz rozmieszczenia sygnałów w
gnieździe
-
zgodność parametrów elektrycznych poszczególnych sygnałów
-
zgodność stosowanych kodów i protokołów komunikacyjnych
-
zgodność metod transmisji danych.
Zasięg interfejsu :
Szkielet komputerowego systemu pomiarowego jest tworzony przez system interfejsu. Rodzaj i parametry
interfejsu pomiarowego decydują o parametrach całego systemu pomiarowego. Jednym z istotnych parametrów
jest zasięg terytorialny interfejsu.
Interfejsy o małym zasięgu pozwalają na konstruowanie bardzo rozbudowanych systemów
pomiarowych. Wykorzystują one transmisję równoległą długich słów i charakteryzują się
dużą szybkością (dziesiątki MB/s). W interfejsach o średnim zasięgu informacja dzielona na
bajty, bity każdego bajta przesyłane równolegle. Stosowana jest wolniejsza transmisja
szeregowo – równoległa (setki kB/s). Interfejsy o dużym zasięgu działają w oparciu o
transmisję szeregową i prosty kanał transmisyjny (np. kabel dwużyłowy). Pozwalają na
uzyskanie niewielkiej szybkości (dziesiątki kB/s), która zależy od nośnika fizycznego i
odległości pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.
Interfejs szeregowy RS-232
Standard RS-232 powstał w 1962 r. jako interfejs do współpracy terminali z modemem w dużych systemach
komputerowych. Obecnie stosowany jest w prostych systemach pomiarowych, składających się z kontrolera i
jednego bloku funkcyjnego lub gdy istnieje konieczność przesyłania danych na większe odległości.
Wykorzystuje on tanie kable o bardzo małej liczbie przewodów (2-3). Systemy oparte na standardzie
szeregowym RS-232 charakteryzuje mała prędkość przesyłania danych, wymiana informacji możliwa jest w
danej chwili jedynie między dwoma urządzeniami. Stosowane jest złącze 25-stykowe lub 9-stykowe. Magistrala
interfejsu składa się z linii danych, linii sterujących, linii synchronizacji oraz linii masy. Zgodnie z zaleceniami
normy RS-232C dopuszcza się stosowanie dowolnego podzbioru zdefiniowanych w normie linii.
Tryby przesyłania danych w standardzie RS-232
-
simpleks – transmisja jednokierunkowa między dwoma urządzeniami
-
półdupleks – transmisja dwukierunkowa niejednoczesna po jednej linii transmisyjnej
5
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
-
dupleks – transmisja dwukierunkowa jednoczesna.
Interfejs szeregowy RS-485
RS- 485 – standard transmisji szeregowej wprowadzony w 1983 r. jako rozwinięcie standardu RS-422A.
Zawiera wydzielony symetryczny i zrównoważony tor transmisyjny przeznaczony do podłączenia wielu
odbiorników i nadajników sygnału do jednej linii. Nadajniki sygnału muszą być trójstanowe, a w danym
przedziale czasu może pracować tylko jeden z nich – pozostałe są w stanie wysokiej impedancji (trzeci stan).
Liczba urządzeń przyłączonych do wspólnego toru zależy od zastosowanych układów scalonych, zwykle
ogranicza się do kilkudziesięciu urządzeń nadawczo-odbiorczych w jednym torze fizycznym.
2. Przebieg ćwiczenia.
Na ćwiczeniach zapoznaliśmy się z komputerowymi pomiarami interfejsu. Pomiary były przeprowadzane przy
pomocy specjalnego programu komputerowego 7000 Utillity.
Pierwszą rzeczą jako należało zrobić po uruchomieniu programu było kliknięcie prawym przyciskiem na „Mój
komputer” i wybranie zakładki „Sprzęt”
Następnie należało wejść w zakładkę „Menadżer urządzeń”
6
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
Następnie należy wybrać „Porty Com i LPT” i zmienić na odpowiedni numer portu.
7
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
Właściwości ICPDAS l-756X Converter (COM)
W dalszej części ćwiczeń nasza uwaga skupiła się na pracy w programie 7000 Utillity.
Efekt pracy w programie :
8
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
Sposób podłączenia :
Połączenie PC – urządzenia peryferyjne poprzez konweter z wykrzystaniem interfejsu RS – 485
Obecnie szereg urządzeń pomiarowo-sterujących posiada interfejs RS485. Zbudowanie sieci w tym przypadku
jest bardzo proste. Do komputera PC należy przyłączyć konwerter RS232-RS485 (I-7510/20). Zakłada się, że
aplikacja na komputerze PC powinna umieć zaadresować każde urządzenie, które znajduje się w sieci RS485.
Adresowanie urządzeń RS232 w sieci RS485
9
Diagnostyka Pojazdów Szynowych – Komputerowe interfejsy pomiarowe w automatyzacji
pomiarów i diagnostyce maszyn
Połączenie PC – urządzenia peryferyjne poprzez aktywny moduł, oraz konwetey z wykorzystaniem interfejsu
RS – 232 i RS – 485
Są to aktywne moduły, które oprócz funkcji konwersji interfejsów przypisują urządzeniom RS232 adres w sieci
RS485. Moduły konwerterów adresowalnych mogą mieć od 1 do 9 portów szeregowych
5. ZAKRES SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Wstęp teoretyczny.
2. Opis metodyki pomiarowej i przebiegu procesu pomiarowego wykonywanego w
trakcie laboratorium.
3. Podpisane przez prowadzącego tablice pomiarowe z otrzymanymi w trakcie zajęć
wynikami pomiarów.
4. Prezentację graficzną otrzymanych wyników.
5. Wnioski i spostrzeżenia dotyczące wykonanego ćwiczenia laboratoryjnego.
6. LITERATURA
1. B. Żółtowski: Podstawy diagnostyki maszyn. Bydgoszcz: Wydawnictwo Uczelniane
Akademi Techniczno – Rolniczej w Bydgoszczy, 1996.
2. W. Jakubiec, J. Malinowski: Metrologia wielkości geometrycznych. Warszawa:
WNT, 1999.
3. J. Podemski, R. Marczewski, Z. Majchrzak: Zestawy kołowe i maźnice. Warszawa:
Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1978.
4. PN-57/MPM-07588-Tabor kolejowy. Montaż zestawów kołowych, warunki
techniczne.
5. PN-61/R-91045-Tabor kolejowy. Zestawy kołowe wagonów, wymagania i badaniatechniczne.
6. PN-58/R-91042-Tabor kolejowy. Lokomotywy i tendry. Obręcze nieobrobione do
zestawów kołowych, warunki techniczne.
7. PN-53/K-91031-Tabor kolejowy. Wagony i tendry. Koła bose obrobione do
zestawów kołowych.
8. PN-53/R-9103-Tabor kolejowy. Pierścienie zaciskowe do zestawów kołowych.
9. BN-67/3511-06-Zestawy kołowe do łożysk ślizgowych.
10. PN-70/R-91049-Zestawy kołowe obręczowane do łożysk tocznych
11. BN-69/3541-12-Zestawy kołowe bezobręczowe z czopami osi o φ 120 mm.
10