Data Acquisition платформи

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2006

 

Същност на DAQ, направления в развитието им, видове платформи

В буквален превод от английски Data Acquisition означава получаване или придобиване на данни. Но да се определят по този начин технологиите, обединени под термина Data Acquisition или съкратено DAQ, би било крайно неточно и дори невярно. Защото Data Acquisition представлява автоматизационна платформа, която разкрива големи възможности за повишаване на производителността, оптимизиране на процесите и поддържане на качеството на произвежданата продукция. Възприятието на повечето инженери в процесната индустрия за Data Acquisition технологиите в повечето случаи се свежда до това, че DAQ е част от управляващите системи в завода. Инженерите, работещи в областта на разпределението на електрическа енергия или природен газ, или в някое от ВиК дружествата в страната, с голяма вероятност разбират DAQ по по-различен начин. Защото в т.нар. ютилити индустрия DAQ е най-общо част от SCADA системите, които събират информация за различни отдалечени един от друг обекти в някаква комуникационна среда. За икономическите отдели в големите обекти от областта на индустрията или комуналния сектор, обаче, терминът Data Acquisition означава възможност да се наблюдава в реално време текущото натоварване на производствените мощности. Независимо от спецификите в приложението на Data Acquisition технологиите в различни обекти, общата тенденция в развитието им е насочена към постигането на максимална точност и бързодействие по отношение събирането и обработката на информацията.

Цели на Data Acquisition

На съвременните инженери в промишлеността често им се налага да разработват и поддържат системи за получаване на данни, на базата на които се мониторират или контролират процесите или се провеждат тестови мероприятия. Data Acquisition системите осигуряват необходимата информация за определяне на оптималните производствени условия, превантивна или предсказваща поддръжка на машините и оборудването, както и необходимостта от спешен ремонт или замяна на оборудване. Предизвикателството в разработване на DAQ е определянето на точния тип система, която е най-подходяща за дадения набор от измервания.

DAQ в промишлеността

Основно изискване към промишленото оборудване е непрекъснато да работи с номиналните си характеристики и с минимален престой за поддръжка с цел осигуряване на максимална производителност. Въпреки че закупуването на технологичната екипировка често е свързано с огромни капиталови инвестиции, редовната поддръжка на оборудването и необходимите ремонтни дейности също биха могли да изискват значителни суми, особено в случаите, при които ремонтите са ненавременни или неочаквани. В случая, една DAQ система би могла да бъде използвана за изпитване, измерване и контрол на промишлени съоръжения с цел минимизиране на непланови ремонти и значително увеличаване на междуремонтните периоди.

Често изпитванията и измерванията са наложителни, за да се осигури оптимална работа и минимално време за престой на промишленото оборудване. Тези измервания включват налягане, температура, разход, мониторинг на консумираната мощност, вибрациите, натоварването и др. Заводските инженери използват измерванията на вибрациите, получени от акселерометри, за да откриват дебалансиране или други аномалии при въртенето на вала на газовите турбини или друго ротационно оборудване, например. Целта от мониторинга на тези характеристики е диагностика за установяване на недобро мазане, износени лагери или децентровани предавки. Понякога измерването на описаните

технологични параметри

се съчетава с измервания на напрежението и тока на електрическия мотор с цел мониторинг на консумираната мощност и сравняването й с приложения товар. Инженерите могат да използват данни за температурата, получени от термодвойки или термосъпротивления, за определяне на промени в топлинния профил на определен елемент, които биха свидетелствали за прекомерно триене в цилиндрите на компресори и помпи.

Всяко промишлено производство се характеризира с определен брой физически и електрически параметри, свързани с технологичните процеси, които трябва да бъдат количествено определени. Сред предизвикателствата към заводските инженери е определянето на оптималната за конкретната автоматизационна задача архитектура за DAQ системите предвид необходимия за успешен мониторинг на промишленото оборудване брой измервания. Типично, DAQ системите обхващат три направления - добиване на данните (измерване на сигнала), анализ на данните (обработка на данните) и представяне на данните (записване на данните).

Честота на отчитане на сигнала

За да се определи какъв би бил най-оптималният тип хардуер за дадена измервателна система е необходимо да се вземат предвид няколко условия, сред най-важните от които е избор на скоростта или честотата на отчитане, която се изисква за измерваните сигнали. Устройствата за натрупване на данни се характеризират с различни възможности по отношение скоростта на отчитане. Скоростта или честотата на отчитане би могла да бъде в обхвата от 1 Hz (един отчет в секунда) до 1 MHz (един милион отчета в секунда), в зависимост от измервания сигнал.

Минималната скорост на отчитане за даден сигнал се определя на базата на теоремата на Найквист. Тя формулира, че сигналите трябва да бъдат отчитани с честота два пъти по-висока от най-високата честота в спектъра на сигнала. Известна е също като теорема за дискретно представяне на непрекъснати сигнали или теорема на Шенон, а понякога и на Котелников. За по-прецизни измервания се препоръчва отчитането на сигнала да е с честота 5 - 10 пъти по-висока от неговата собствена честота. Например, валът на турбина, който се върти с 6000 min-1, има скорост на въртене, еквивалентна на 100 оборота в секунда (rps) или 100 Hz. За адекватно описване въртенето на този вал, теоремата на Найквист изисква скоростта на отчитане да е поне 200Hz. Практиката в натрупването на данни препоръчва, че 500-1000 Hz е оптималната честота на отчитане, необходима за точно представяне или описване на този сигнал.

Прецизност на устройството и тип на сензорите

Втори въпрос, който следва да се реши, е каква е необходимата прецизност на използваното устройство, което ще събира данните за измерваните сигнали. За широко разпространените аналогово-цифрови устройства честотата на отчитане е обратно пропорционална на точността или разделителната им способност. Точността при повечето видове хардуерни средства, специално разработени за натрупване на данни, е между 12 и 24 бита. Например, едно високопрецизно 24-битово устройство, което се използва за мониторинг на бавно променяща се температура, би могло да има максимална честота на отчети от едва 50 Hz. Обратно, едно 8-битово устройство е възможно да има висока честота на отчитане от порядъка на
1 GS/s (гигаотчети в секунда).

Третият въпрос, на който трябва да се отговори, е какъв тип сензори или преобразуватели са необходими за измерваните сигнали. Сензорите и преобразувателите са съществен елемент на всяка DAQ система. Те преобразуват съответния физически параметър като температура, налягане или вибрация в електрически сигнал - обикновено напреженов, който може да се измери. Като примери за сензори и преобразуватели могат да се посочат термодвойки, акселерометри, тензометрични сензори и разходомери.

Нормализация на сигналите и работни условия

Друг аспект, който следва да се вземе предвид, е изискват ли сигналите нормализация, т.е. привеждане до определени стандартни условия. Повечето сензори или преобразуватели произвеждат сигнали, които имат много малки амплитуди, включват нежелани шумове от обкръжаващата среда и съдържат грешки по напрежение от т.нар. синфазна съставна, предизвикани от различните земни потенциали. Нормализацията на сигнала компенсира тези нежелани явления чрез използване на усилване, филтриране и/или електрическо (галванично) изолиране.

Важен е и въпросът в каква обкръжаваща среда работи системата за натрупване. Точното местоположение, изискванията за монтаж, спецификите на работните условия определят вида на използвания хардуер, на базата на който се изгражда DAQ системата. Data Acquisition устройствата могат да се доставят в широка гама от размери, с различни характеристики и приложимост на определени работни температури, вибрации и други характеристики, оказващи влияние върху функционирането им.

Анализ на данните

В зависимост от типа на натрупваните данни, е възможно прилагането на голям набор от алгоритми за последващата им обработка с цел комплексно характеризиране на сигнала. Например, бързото преобразувание на Фурие (БПФ) е аналитичен метод, който пресмята честотните компоненти във времевата област на един сигнал. Пресмятания с БПФ се използват в приложения като мониторинг на честотите на вибрация при ротационни машини или променливотоковата мощност на изхода на генератор.

При измерване на вибрации, чрез софтуерни инструменти за анализ се изчисляват орбитални криви, полярни криви и криви на Кампбел (термини от вибродиагностиката). Например, кривата, която описва центъра на един въртящ се вал, наподобява елипса. Нарича се орбита, тъй като центърът непрекъснато се движи по нея.

При измерване на температура или налягане могат да бъдат изпълнени статистически алгоритми като усредняване по време, максимална и минимална стойност. Понякога се налага използването на софтуерно филтриране, за да бъдат елиминирани нежелани съставни на данните. Много софтуерни приложения, включително графични езици за програмиране, притежават специфични инструменти за анализ в реално време или за последващи периоди с цел бърз, ефикасен и качествен анализ на сигналите.

Представяне на данните

Третият аспект в развитието на Data Acquisition системите включва представяне на натрупаните данни, което обикновено се състои във визуализацията им чрез съответен човеко-машинен интерфейс, както и съхраняването им върху определен носител, например твърд диск или флаш памет, или разпращането им по мрежа. Съхранената информация се използва за оценка на текущите работни условия, диагностика, т.нар. предсказваща поддръжка или като критерий при изследване на проблеми. За бъдеща обработка и анализ, данните могат да бъдат насочени към програмни продукти като Microsoft Excel или друг софтуерен пакет за обработка на събраната информация. Някои софтуерни пакети са с капацитет на съхранение до 1 милиард даннови точки.

Data Acquisition платформи

След избора на архитектура на Data Acquisition системата за натрупване на данни, включително уточняване на всички изисквания при събирането им, целите на анализа и препоръките за представянето им, трябва да се избере апаратната част на платформата за натрупване на данни. Използваните в областта на индустрията Data Acquisition системи са PAC и PCI с разширения за контролно-измервателни уреди (PXI).

Системи PAC

PAC представляват хибридни платформи от персонален компютър (PC) и програмируеми контролери (PLC). Разработени са с оглед комбиниране на процесорните възможности, приложния софтуер и RAM-а, характерни за персоналните компютри, с надеждността, стабилността на работа и възможностите за разпределено управление на програмируемите контролери. Системите PAC също поддържат характеристики на PC от високо ниво, като процесори с плаваща запетая за често срещани пресмятания, вградени мрежови сървъри за бърз контрол и мониторинг, флаш памет за съхранение на данните и Ethernet свързаност за обмяна на данните по мрежа.

Счита се, че системите PAC са идеални за работа в тежки и разпределени приложения, изискващи ниски скорости на отчитане. Изобщо, обменът на данни при PAC системите е функция на софтуера и е ограничен до няколко хиляди херца. Освен това, тези системи са устойчиви на ударни натоварвания до 50 g и вибрации до 5 g, отличават се с електромагнитна съвместимост, съответстваща на стандартните изисквания за много тежки работни условия, т.е подходящи са за употреба в среди с електрически шум и се характеризират с работни температури от -25 до 60 °C.

Използване на стандар-тен промишлен софтуер

Характерни за PAC системите са високоточните аналогови входове/изходи с вградена нормализация на сигнала и 16-битова разделителна способност. Тъй като високата разделителна способност и нормализирането на сигнала не могат да гарантират повторяеми точни измервания, измервателната система трябва да бъде калибрирана в съответствие с международно признат стандарт. Също така, PAC системите позволяват директна връзка със сензори като термодвойки, термосъпротивления, аналогови изходи за високо напрежение, без допълнителен хардуер.

Системите PAC използват стандартен, промишлен софтуер, който поддържа широк набор от функции като мащабиране, съчетаване на криви, таблици със сортирани данни и изчертаване на графики. Поддържат основни компоненти за изпълнение на произволни функции, включително линейно алгебрични, диференциално и интегрално пресмятане, работа с масиви, филтриране и други сложни математически операции. Тази комбинация позволява бързо изграждане на всяко приложение на базата на необходимите специфични за конкретния случай функции.

Съхранение и предаване на данните

Също така PAC системите предлагат широк набор от инструменти за регистриране и съхранение на данни. Значителен дял от предлаганите на пазара PAC системи включват енергонезависима вътрешна флаш памет и преносима флаш памет, позволявайки да се съхраняват повече от 1 GB данни в стандартни файлове. Във възможностите на някои PAC системи е възстановяване данните чрез използването на FTP сървър или предаване на данни в определена комуникационна среда. Други PAC разполагат с преносима флаш памет чрез която данните се пренасят до PC за по-нататъшен анализ. PAC системите не остават встрани и от все по-широкото използване на Ethernet и web технологиите в областта на индустрията, за трансфер на съхранените данни в реално време и отдалечен контрол.

PXI системата

PXI е разработена през 1997 г. за изграждане на модулни и мащабируеми CompactPCI платформи – промишлена версия на компютърната PCI шина. Днес PXI се ръководи от PXI Systems Alliance, независима организация, обхващаща повече от 60 компании. Платформата PXI съчетава стабилността на CompactPCI със специализирани измервателни свойства.

Съществуват много продукти за PXI, предназначени за тестови и измервателни приложения. PXI предлага продукти за натрупване на информация, характеризиращи се със скорост и точност в диапазона от 60 S/s [отчета в секунда] при 24-битова точност до 1 GS/s при 8-битова точност. Пригодените за различни цели PXI устройства могат да притежават до 64 канала за аналогов вход, 2 канала за аналогов изход и 32 линии за цифрови входове/изходи.

Архитектурата на PXI е проектирана за тестове и измервания в тежки промишлени условия. С работен температурен обхват от 0 до 50 °C, устойчивост на ударни въздействия до 30 g и способност да издържа до 0.3 g вибрации, платформата PXI е много по-добре приспособена за тежки производствени условия от който и да е стандартен персонален компютър. За сигналите от преобразувателите, изискващи специално компенсиране (измервания с термодвойки, измервания на деформации, на високи напрежения и др.), може да се използва специална апаратура за нормализация на сигнали, която се свързва директно с хардуера на платформата.

PXI използва стандартни софтуерни архитектури като Microsoft операционни системи, позволяващи на потребителя да разработва и изпълнява софтуерни приложения на масово разпространени персонални компютри. Анализът след приемането на данните може да бъде извършен от приложна програма, избрана от потребителя, като например графичен програмен език със специални аналитични функции. Както PAC, така и PXI предлагат възможност да съхраняват информацията на локално записващо устройство или да я обменят по LAN мрежа чрез Ethernet.




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top