Архив
Отзывы читателей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Этот номер журнала поучился очень интересным! Начиная со “Слова редактора” и кончая “Дайджестом популярных антипремий”! Да и моя статья не потерялась, хотя всего на 2-х стр.!

Поздравляю с таким успешным номером!

Самое интересное, что в свое время Л.К.Исаев устроил мне возможность выступить на заседании секции гравитационных исследований ВНИИМС с докладом по теме моей статьи. Там я и познакомился с Мельниковым В.Н. И вот теперь мы встретились снова вместе!



Читать полностью

С уважением, Трунов Г.М.

Читать
Купить
Справочная

Присоединяйтесь к нам
в социальных сетях

TwitterLivejournalПрофессионалы.Ру

Facebook Мы Вконтакте



Русская Школа Управления

Опрос
  1. Как вы относитесь к созданию национальных стандартов в области бережливого производства: «Основные положения и словарь» и «Требования к системе менеджмента бережливого производства»?
    41% Полностью одобряю: нужны оба стандарта
    21% Не слышал об этих стандартах
    18% Нужен только стандарт «Общие положения и словарь»
    15% Не одобряю
    5% Затрудняюсь ответить
Выставки в ЦВК Экспоцентр


ГлавнаяЖурналы → «Мир измерений»

01.05.2018

Современные измерительные системы и их возможности

Общие идеи

Перед рассмотрением подробностей устройства систем сбора данных сформулируем, для чего они вообще нужны. Как правило, проведение измерений – лишь один из шагов в решении какой-то задачи, в нахождении ответа на какой-то вопрос, например, «соответствует ли данное оборудование такой-то спецификации?», «улучшилась ли управляемость автомобиля после изменения конструкции его подвески?», «сколько и каких поездов могут проехать по этому мосту перед тем, как необходимо будет делать его капитальный ремонт?». Если бы на эти вопросы можно было получать ответы, вообще не проводя никаких измерений, их бы и не делали. Таким образом, система сбора данных должна не просто что-то мерить, а помогать пользователю решить его задачу, быстрее получить ответ на его вопрос. Именно этот принцип заложен в оборудование фирмы imc.

Общая структура системы

Ниже приведена общая структура аппаратной части системы сбора и обработки данных.
Стрелками обозначены потоки данных: красные – физическое воздействие, синие – аналоговые сигналы, чёрные – цифровые сигналы. Синие блоки передают данные в систему, красные – из системы, серые блоки – двунаправленные. Толстые рамки вокруг блоков обозначают состав системы в минимальной конфигурации.

Любая измерительная система измеряет какой-то физический процесс, именно с него начинается измерительная цепочка. Следующий элемент – датчик, он преобразует изменения измеряемого физического параметра в изменения какого-то электрического параметра (существуют датчики, которые преобразуют физическое воздействие в другие типы сигналов, например, оптические, но они гораздо менее распространены). Чувствительные элементы датчиков, как правило, выдают очень низкие уровни сигналов, и перед их измерением они требуют усиления. Эту функцию выполняет согласующий усилитель. С его выхода сигнал поступает на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который преобразует сигнал из аналогового в цифровой. Существуют датчики со встроенными согласующими усилителями, такие датчики называются активными. Также согласующие усилители часто бывают встроены в систему сбора, что позволяет подсоединять датчики напрямую к ней. Таким образом, согласующий усилитель может быть внутри датчика, системы сбора или представлять собой отдельное устройство.
Данные с нескольких АЦП и других источников должны быть синхронизированы, объединены вместе и переданы на ПК для визуализации и хранения. За это отвечает подсистема передачи данных.
В более гибких системах сбора хранение данных возможно непосредственно внутри самой системы. Также внутри самих систем бывает возможна обработка данных. На первый взгляд, такие возможности могут показаться избыточными, т. к. это может делать ПК. Но ПК, как правило, менее надёжное устройство, чем сама система сбора данных, и при проведении ответственных измерений нужно минимизировать вероятность того, что с измерительным оборудованием что-то пойдёт не так. Хранение данных внутри самой системы позволяет её использовать в режиме «чёрного ящика», когда она без ПК пишет в себе данные. ПК не является системой реального времени, а если измеренные данные надо не просто визуализировать и записать, а на их основании что-то делать (например, аварийно остановить стенд при превышении какого-то параметра (температуры, вибрации, смещения, …) критического значения), то недетерминированные задержки, связанные с работой ПК, могут быть недопустимыми. Оборудование imc поддерживает как хранение, так и обработку данных в реальном времени самой системой.
На основании обработанных данных система может формировать управляющие сигналы для подключённого к ней оборудования (например, для управления стендами, для индикации состояния измеряемого объекта). Часто оно требует аналоговый сигнал, его формирует ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). Управляемое оборудование, как правило, не может быть подсоединено непосредственно к ЦАП, т. к. он не способен выдать сигнал достаточной мощности и необходимого типа, формированием этого сигнала занимается усилитель мощности, который обычно представляет собой отдельный блок (например, ШИМ контроллер электромотора), но для некоторого типа оборудования (например, для сервоклапанов), усилитель может быть встроен в систему сбора.
Для индикации состояния измерительной системы (идёт запись, на диске достаточно места, …) и физического состояния измеряемого процесса (давления в норме, обороты в нужном диапазоне, …) могут служить световые и звуковые индикаторы на самой системе сбора и подключённые к ней.
Испытуемое оборудование всё чаще использует для передачи данных между своими блоками цифровые шины данных. Например, в автомобилях часто используются шины CAN, LIN, в самолётах – ARINC, в поездах – MVB и т. д. Передаваемые по этим шинам данные представляют собой большой интерес, они позволяют лучше понять происходящие в испытуемом объекте процессы. Для сбора этих данных необходим интерфейс цифровой шины данных, поддерживающий необходимый тип шины и позволяющий передать данные с неё внутрь системы, или передать данные из системы в шину данных (например, для управления каким-либо блоком на испытуемом объекте или для симуляции физически отсутствующего блока). Также существуют датчики с цифровыми выходами (например, с CAN выходом), с которых также возможно собирать данные при наличии соответствующего интерфейса. Системы imc поддерживают множество разных типов шин данных, существует серия imc BUSDAQ, которая проводит измерения только с цифровых шин данных.

Оборудование

Аппаратную часть системы сбора данных можно разделить на следующие части:

Входные усилители-преобразователи

Входные усилители-преобразователи сочетают в себе согласующий усилитель и АЦП, они преобразуют сигналы (как правило, аналоговые) от подсоединённых к ним датчиков в цифровые сигналы, передаваемые далее внутрь системы сбора данных.
Основными параметрами усилителя являются: частотная полоса входного сигнала, частота дискретизации, количество разрядов АЦП, поддерживаемые типы датчиков. Усилители-преобразователи imc имеют полосу до 48 kHz, частоту дискретизации – до 100 kHz, разрядность АЦП – до 24 бит, они также на входах имеют настраиваемые аналоговые фильтры для предварительной обработки сигналов, если она необходима.
Важной характеристикой усилителя является поддерживаемые типы входных сигналов. imc производит большое количество усилителей с поддержкой практически всех типов сигналов от датчиков. В частности, существует усилитель UNI2–8,
у которого восемь входов, к каждому из которых можно подсоединить сигналы напряжения, тока, мосты, полумосты, четвертьмосты, термопары, термосопротивления или (через специальный адаптер) ICP датчики. Такая гибкость позволяет, обладая одним прибором, измерять самые разные величины, проводить самые разные испытания.
Важной для пользователя особенностью входов системы измерения является простота подсоединения датчиков. Иногда применяются дорогостоящие разъёмы, требующие аккуратной пайки, сроки поставки которых усложняют работу с системой в целом. imc используют для входов разъёмы серии D-Sub (но возможны, по требованию заказчика, и другие), которые широко распространены и при необходимости могут быть быстро и дёшево приобретены. Вместе с системой поставляются специальные адаптеры с винтовыми клеммами, которые позволяют подсоединять датчики без пайки, используя лишь отвертку.
При наличии большого количества датчиков ввод их параметров в систему сбора становится трудоёмкой, подверженной ошибкам задачей. Для снижения вероятности ошибок, для упрощения и ускорения этого процесса существует стандарт TEDS, при использовании которого информация о датчике хранится в микросхеме памяти, находящейся в самом датчике или его разъёме. Для работы с этим стандартом необходимо не только наличие этой микросхемы, но и поддержка чтения данных с неё со стороны измерительной системы и его ПО. Оборудование imc может считывать и программировать TEDS чипы.
Кроме датчиков, имеющих аналоговые выходы, существуют датчики с цифровыми интерфейсами, такими как CAN, RS485, Ethernet и прочими. Такие датчики не требуют усилителя-преобразователя, но требуют поддержки их протоколов системой сбора. Оборудование imc поддерживает множество различных протоколов, а для нестандартных пользовательских существует специализированная программируемая интерфейсная плата (Application Module).

Подсистема передачи данных

После преобразования внешнего сигнала во внутренний для системы данные необходимо передать с усилителя-преобразователя дальше.

Существуют моноблочные измерительные системы, представляющие собой единый блок, или крейт, куда подсоединяются все датчики. У imc существует три серии моноблочных измерительных систем: imc C-SERIES, imc CRONOS-SL и imc CRONOScompact.
Измерительные блоки imc C-SERIES бывают двух типов: CS (более компактные) и CL (крупнее). Блоки CS имеют 8 универсальных входов, или 16 входов по напряжению, также существуют версии с другими типами входов. В блоках CL может размещаться в два раза больше каналов, т. е. максимум 32 входа по напряжению. Измерительные модули imc C-SERIES также имеют цифровые входы и выходы, до четырех энкодерных входов, до четырех каналов ЦАП, могут быть установлены два интерфейса CAN шины, которыми можно либо мерить сигналы в CAN шине, либо расширить количество измерительных каналов с помощью блоков серии imc CANSAS.
Измерительные блоки imc CRONOS-SL представляют собой измерительные системы повышенной надёжности (IP65, температурный диапазон –40 … +85 °C). В блоке могут устанавливаться различные типы входных усилителей в зависимости от требований клиента. Существует корпус на два и на четыре усилителя, всего максимум 64 канала на один блок.
Измерительные блоки imc CRONOScompact представляют собой крейты (существует четыре размера), в которые можно поставить различные типы усилителей, набрав под задачу клиента необходимый комплект разного типа входов. Максимум 128 каналов в одном блоке.
Все вышеописанные измерительные модули поддерживают imc Online FAMOS для обработки данных в реальном времени, имеют общую суммарную пропускную способность 400 000 измерений в секунду, 100 000 измерений в секунду на один канал. Несколько измерительных блоков можно соединить друг с другом, объединив их в единую систему с ещё большим количеством каналов и большей пропускной способностью.
Моноблочные системы сбора хорошо подходят для определённого типа задач. Но представим себе, для примера, поезд, у которого в каждом вагоне установлено несколько датчиков. Если от всех этих датчиков тянуть кабеля в какое-то одно место, то получается салат из кабелей, который неудобен в монтаже и наладке, который ненадёжен, который просто занимает много места. Разумнее поставить рядом с каждой группой датчиков свои усилители-преобразователи, а их подсоединить к одной общей шине, одному кабелю. Именно таким образом устроены распределённые системы сбора данных. Важным параметром распределённой системы сбора данных является то, какая используется шина для передачи данных. Именно это определяет общую пропускную способность всей измерительной системы и точность синхронизации по времени измерительных каналов между собой.
У imc есть две серии распределённых измерительных систем: imc CRONOSflex и imc CANSAS.
Измерительная система на основе блоков серии imc CRONOSflex представляет собой несколько модулей, соединённых друг с другом либо в виде одного блока, либо в виде нескольких блоков. Каждый блок состоит из необходимого комплекта усилителей, которых существует много разных типов для поддержки разных датчиков. Конфигурация системы может быть легко изменена пользователем. В состав системы, кроме усилителей, входит головной блок, который занимается непосредственно сбором данных. Для передачи данных внутри системы imc CRONOSflex использует шину EtherCAT, это позволяет поднять общее суммарное количество измерений одного головного блока до 2 000 000 измерений в секунду. Если этого недостаточно, можно разбить усилители по группам, каждая из которых будет иметь свой головной блок, а они будут синхронизироваться друг с другом по времени, что позволит их использовать как одну систему.
imc CANSAS используют для передачи данных шину CAN. Это делает систему пригодной для измерений на низких – средних частотах (до нескольких килогерц), т. к. максимальная пропускная способность шины – 1 Мбит в секунду (часть которой тратится на служебные данные). Существуют imc CANSAS модули с самыми разными типами входных усилителей, внутри модулей возможно проводить предварительную обработку сигналов. Для сбора данных можно использовать либо модуль imc BUSDAQ, который собирает данные с CAN шины, либо любую другую систему imc с CAN интерфейсом (серии imc CRONOS, imc C-SERIES, …). Также конфигурационное ПО может сгенерировать *.dbc файл, что позволяет собирать данные любым оборудованием, способным получать данные из шины CAN или просто через USB-CAN кабель прямо на ПК.
Серия imc CANSAS включает в себя семейства imc CANSASflex и imc CANSASfit.

imc CANSASflex представляют собой модули, из которых можно собрать распределённую измерительную систему, объединяя, при необходимости, в одном месте несколько модулей в один блок, соединяя такие блоки в единую систему CAN шиной. Модули imc CANSASfit очень компактны, предназначены для эксплуатации в жёстких условиях, имеют рабочий температурный диапазон –40 … +125 °C, IP65.
Возможна передача данных с АЦП непосредственно на ПК. Такие системы существуют и обладают определёнными преимуществами, прежде всего ценовыми. Однако такой подход имеет и недостатки: ПК не является системой реального времени, и если необходимо не просто собирать данные, но и выдавать какие-то управляющие сигналы, зависящие от входных (например, формировать ПИД регулятором управляющий сигнал для сервоклапана на гидроцилиндре), то ПК может в самый неудачный момент решить заняться чем-то ещё или просто зависнуть. ПК устаревают, ломаются за несколько лет, и может создасться ситуация, что АЦП некуда подсоединять, т. к. старый ПК сломался, запчастей не найти, а для нового компьютера нет драйверов АЦП. У систем imc подсистемы, работающие в реальном времени, не зависят от ПК, они находятся в самом измерительном оборудовании.
Для передачи данных с измерительной системы на ПК системы imc используют интерфейс Ethernet. Это позволяет ставить ПК достаточно далеко от испытуемого объекта (для обеспечения больших расстояний возможно использование оптоволокна), позволяет легко подсоединить несколько блоков к одному ПК, использовать Wi-Fi для беспроводной связи с ПК или даже со смартфоном или планшетом. Программисты imc стараются максимально долго поддерживать своё оборудование в ПО. Текущие версии управляющего ПО imc полностью поддерживают работу с оборудованием, выпускаемым более 10 лет назад.

Продолжение в №3

Теги: Мир измерений
Начало активности (дата): 01.05.2018
Количество показов: 320

Автор: А. Желиговский
Рубрика: МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Полная версия статьи доступна подписчикам журнала "Мир измерений".

Подписаться

Материалы по данной теме можно СКАЧАТЬ в Электронной Библиотеке >>>



Доступна мобильная версия журнала "Мир измерений"

Журнал Мир измерений в App Store Журнал Мир измерений на Google play


Открытые статьи:

Измерения качества жилищно-коммунальных услуг
Температурный мониторинг удалённых объектов по GSM-каналу
Главные социальные проблемы России последнего десятилетия
Новый измерительный инструмент?
О потерях в Великой Отечественной войне
Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре
Военное применение лазерных технологий
Обеспечение качества продовольственных товаров
Государственный первичный эталон единицы массы ГЭТ 3-200842
Автономный прибор для экспресс-контроля пассажирских лифтов в жилых и административных зданиях
Рождение нефтяной отрасли в России
Красота спасет мир... науки



 

СТАНЬТЕ ПОДПИСЧИКОМ НАШЕГО ЖУРНАЛА!

ЗАО Мультифильтр - Промышленные воздушные фильтры Рейтинг@Mail.ru