Blog

Számítógépes mérésadatgyűjtés és beavatkozás

A számítógépes mérésadatgyűjtő / feldolgozó rendszer felépítése

A számítógépes mérés adatgyűjtés és feldolgozás előnyei:

Digitális (mintavételes) átalakítók alkalmazásával az analóg jeleket digitálisan kódolt információvá (jellé) alakítjuk át.

Digitálisan kódolt jelek tárolása, (digitális) szűrése és a jeltovábbítás egyszerűbben valósítható meg, mint az analóg jeleknél.

A mintavételes rendszerek tervezése funkcionális modulok segítségével történik.

Intelligens szabályozók alkalmazhatók (adaptív szabályozás, fuzzy szabályozás, vagy pl. az alapjel súlyozású anti-windup szabályozás, ami egy speciális tulajdonságú (telítésgátolt) PID szabályzó).

Egyszerre több berendezést lehet működtetni egy mintavételes irányító rendszerrel, illetve egy rendszer több digitális számítógépből állhat.

A mintavételes irányító rendszerben különböző mintavételi sebességek alkalmazhatók.

A számítógépes mérés adatgyűjtés és feldolgozás hátrányai:

A mintavételes rendszer tervezéséhez matematikai analízis szükséges, amely néha nagyon komplex és bonyolult, összehasonlítva a folytonos rendszerek tervezésénél alkalmazott módszerekkel.

A mintavételes rendszerek stabilitás vizsgálata részletes hatás analízist és behangolást igényel, mint minden más szabályozási rendszeré.

A mintavételezéssel a kezelt jelek információ tartalma csökken.

Az alkalmazott algoritmusból vagy zajokból eredő programhibák befolyásolhatják a mérőrendszer helyes működését.

A mintavételezés információ késleltetést visz be a mérő körbe.

A mintavételes (digitális) berendezések működtetéséhez mindig szükséges külső energiaforrás alkalmazása.

Mindezen hátrányok mellett a digitális mérés és irányítástechnika egyre jobban kiszorítja az analóg elven működő méréstechnikát.

Egyedül a nagyfrekvenciás GHz tartományú méréseknél alkalmaznak ma is még analóg működésű mérő és beavatkozó berendezéseket a számítástechnikai rendszerek korlátozott számítási feldolgozási kapacitása miatt.

Áramköri megvalósítások (analóg áramkörök helyett) digitális mérő/irányító rendszereket illetve programozható digitális áramköröket FPGA-t (FPGA =Field Programable Gate Array) alkalmazhatunk, amelyek minden felmerülő feladatot képesek megoldani.

Digitális információ továbbítás, pl. hang/kép továbbítás (pontosság, zavarérzé-ketlenség).

Számítógépes hálózatok az információ forgalom szupersztrádái. Jeltovábbítás az Internet segítségével tetszőleges helyről tetszőleges helyre.

Az alkalmazott analízis és szintézis technikák

Idő tartományban:

Lineáris differenciál/differencia egyenlet megoldási eljárások

Impulzus válasz analízis

Állapotváltozós alakban történő analízis

Frekvencia tartományban:

Fourier transzformáció (frekvencia tartomány)

Gyökhely görbe (pólusok és zérusok analízise)

Frekvencia válasz analízis (impulzus-átviteli függvény)

Z transzformáció (mintavételes jelek elemzése)

Tervezés állapotváltozós alakban (s tartományban; z tartományban)

Megjegyzendő, hogy minden vizsgálati módszer egy

DSP (= Digital Signal Processing = Digitális Jelfolyamat Kezelés ) eljárást modellez.

A DSP-t „Digitális Jelfeldolgozásnak” nevezik a magyar szakirodalomban.

Egyéb tudományok, amelyek szerepet játszanak a mintavételes irányítástechnika alkalmazásában, mint

differenciál és differencia egyenletek,

klasszikus szabályozás elmélet,

numerikus analízis,

végeselem analízis,

mintavételes szabályozás elmélet,

számítógépes rendszer felépítése,

digitális integrált áramkörök működése,

jelátalakítók (senzorok és aktuátorok),

információs struktúrák (adatelemek felépítése, nagy mennyiségű adat tárolása),

irányítási algoritmus tervezés,

digitális jel processzálás,

program tervezés,

ellenőrző programok (önteszt).

Az mérő/feldolgozó rendszereknél jelek bejuttatása a számítógépbe és a számított értékek eljuttatása a berendezésekhez a legfontosabb feladat.

A következőkben röviden áttekintjük a számítógépbe beolvasott és abból kiadott jelek típusait. A jelek tulajdonságainak és mérésének lehetőségei az ezt követő fejezetekben jelennek meg részletesen.

Digitális bemenetek

TTL bemenet

Nem biztosít galvanikus elválasztást!

A galvanikus elválasztás azt jelenti, hogy a vezérlő bemenet és a vezérelt kimenet között nincs vezetékes (galvanikus) kapcsolat.

A TTL melynek jelentése tranzisztor-tranzisztor-logika (TTL = Transistor Transistor Logic) a logikai eszköz bementi és kimeneti elektronikus elemének típusát írja le. A kis feszültségszintű tápellátás (5 Volt) mellett jó zajelnyomással rendelkezik, ennek alapján világszabvánnyá vált a logikai áramkörök területén.

Jelölések:

OL = Kimenet logikai hamis értéke (Output Low)

OH = Kimenet logikai igaz értéke (Output High)

IL = Bemenet logikai hamis értéke (Input Low)

IH = Bemenet logikai hamis értéke (Input High)

A TTL kimenetekáram és feszültség specifikációi a következők:

VOL = 0.4 V

VOH = 2.4 V

IOL = 16 mA

IOH = 400 µA

A TTL bemenetekáram és feszültség specifikációi a következők:

VIL = 0.8 V

VIH = 2.0 V

IIL = 1.6 mA

IIH = 40 µA

A maximum emelkedési/esési időtartam 50 ns a VIL és VIH között. (fmax = 20 MHz)

Relés érintkező bemenet

Galvanikus elválasztást biztosít!

Az áramkör jelszint transzformációt (is) végez tetszőleges szintű bemeneti logikai értékről TTL szintű logikai értékre.

A késleltetés több komponensből tevődik össze

a villamos rendszer késletetése a relé tekercs induktivitásán kialakuló áram késleltetése

a relé és a kapcsolódó rugók mechanikai mozgatásához szükséges időtartam, amely a geometria méretektől (is) függ.

A relék késleltetése 10-100 msec.

Hátrányuk még a nagy (működtető) teljesítmény igény, amely a relék működtető tekercsei áramfelvételéből ered.

Digitális bemenet fotodióda segítségével

Galvanikus elválasztást biztosít!

A logikai jelek galvanikus elszigetelését (elválasztását) napjainkban foto-dióda- foto-tranzisztor páros segítségével biztosítják, amely optikai elven valósítja meg a bemeneti és a kimeneti oldal villamos elszigetelését. Az eszköz kis méretű, nem tartalmaz mozgó alkatrészt, nincs karbantartás igénye és kis teljesítmény szükséges a működtetéséhez. A kapcsolási idő, amely a bemenő és a kimenő jel közötti késleltetés nano secundum (ns) nagyságrendű.

Az eszközt a galvanikus elválasztás mellett gyakran alkalmazzák elfordulás (elmozdulás), érzékelőként, amelyre példát a (13.8. ábra) ábrán láthatunk. Itt a fotodiódát és a foto-tranzisztort úgy helyezik el egymáshoz képest, hogy közöttük egy megszakító elem biztosítja/megszünteti a fény útját a két elem között. Ezzel biztosítható, hogy a kódtárcsán elhelyezett rések elmozdulását érzékeljük, és villamos jellé alakítsuk át. A kimeneten megjelenő impulzus sorozatot egy impulzusszámláló áramkör segítségével közvetlenül elmozdulássá tudjuk átalakítani.

Növekményes és kiürítéses típusú FET tranzisztorok.

Az eszközben alkalmazott MOS tranzisztor típusok működési elve biztosítja, hogy ugyanazon logikai jelszint értéknél az egyik tranzisztor nyitott a másik pedig zárt állapotban legyen.

Egy TTL kimenet a hozzá kapcsolt TTL bemenet logikai magas/igaz (High, True) állapotban tartásához nem igényel csak minimális mikroAmper nagyságú kimeneti áramot.

Jóval nagyobb viszont a TTL kimenet áramkibocsájtása, ha a logikai szintet logikai alacsony/hamis (Low, False) értékre kell beállítania. A TTL kimenethez kapcsolt TTL bementek mindegyike ~1,6 mA áramot igényel az alacsony (hamis) logikai szint megtartásához, így a TTL szabvány szerinti ~16-24 mA maximális áram kibocsájtására alkalmas logikai kimenethez véges számú TTL logikai bemenet kapcsolható.

Három állapotú kimenetek (Three State)

Nem biztosít galvanikus elválasztást! )

Ezek a logikai jelkimeneti eszközök egy további engedélyező jel segítségével a két logikai szint értéken kívül egy „harmadik állapotba” is képesek beállítani az eszköz kimentét. Ez a kimeneti állapot a nem aktív állapot , amely sem logikai alacsony, sem pedig logikai magas értékű, hanem a kimenetet szabadon hagyja ”elhúzni” egy másik kimenet által rákényszerített értékre.

A kimenet „elhúzhatósága” azt jelenti, hogy az inaktív elem kimenete úgy viselkedik, mintha egy nagy értékű ellenállással kapcsolódna a korábban általa vezérelt vezetékre, így biztosítja, hogy a vezeték arra a logikai szint értékre állhasson be, amelyet egy másik (aktív) elem kimenete rákényszerít.

Ezzel a villamos logikai elemmel úgynevezett busz áramkört hozhatunk létre, amelynél ugyanazt a villamos vezetéket időben egymás után különböző eszközök közötti logikai jeltovábbításra alkalmazhatunk. Az adott vezeték logikai jelszintjének értékét mindig csak egyetlen eszköz állíthatja be, amelyet az eszközök címzési technikájával választunk ki – ez a beszélő (talker) kimenet. A többi ugyanerre a vezetékre csatlakozó kimenet a harmadik állapotban (tree state) van, ami azt jelenti, hogy nem befolyásolják a vezeték állapotát saját kimeneti értékükkel, mert úgynevezett nagy impedanciás kimeneti állapotban szabadon „elhúzhatók”, az aktív kimenet által rájuk kényszerített értékre.

Relés kimenet

A relés kimeneteket elsősorban nagyobb teljesítmény kapcsolásának megvalósításához alkalmazzuk. A szabványos TTL jelszint kimeneti értékétől nagyobb feszültség és áramigény esetén a TTL kimenet „csak” a relés kimeneti egység vezérlő jele és a relé kapcsoló érintkezők segítségével kapcsolunk be/ki a számítógéphez kapcsolt nagyobb teljesítmény igényű berendezéseket.

A relés kimenet előnye, hogy a villamos kapcsolatot fém kontaktusok segítségével valósítjuk meg, így ezek kapcsolódás esetén minimális ellenállásúak. A kis kapcsolói ellenállás pedig azt jelenti, hogy a kontaktusokon átfolyó általában nagy értékű áram a kontaktusok nagyon kicsiny ellenállásán minimális hőmennyiséget hoz létre, és ezt a hőt is gyorsan elvezeti a jó hővezetési tényezővel rendelkező fém érintkező.

A relés kapcsolók előnye:

Nagy teljesítményű berendezések kapcsolható be/ki a segítségükkel. Meghatározott teljesítményekhez meghatározott érintkező méretek szükségesek az áramsűrűség, érintkező nyomás biztosításához ezért gyakran alkalmaznak kaszkád kapcsolású relé -ket, amelyek lehetővé teszik, hogy egy relé általánosan csak ~10-50-szer nagyobb teljesítményű jelet kapcsoljon, mint amilyen a saját bementi vezérlő jele.

A relés kapcsolók hátrányai:

A kapcsolási időtartam ~10-100 ms. Az általános vezérlési feladatok megoldásához ezek a kapcsolási idők elegendőek.

A relé mozgó mechanikai elemeket tartalmaz, amelyek karbantartást igényelnek és véges számú kapcsolás megvalósítására alkalmasak.

A relék működtetéséhez szükséges villamos teljesítmény (áram érték) jelentős mértékű többlet teljesítmény igényt jelent a logikai kapcsolat megvalósításánál.