AUTOMATYZACJA I ROBOTYZACJA PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

1. Krótka charakterystyka systemów wspomagania komputerowego, integracja CAD - CAM:

• Komputerowe wspomaganie projektowania CAD/CADD,

CAD (znane też jako CADD - Projektowanie i kreślenie wspomagane komputerowo) - Komputerowe wspomaganie projektowania/kreślenia. zastosowanie sprzętu i oprogramowania komputerowego w projektowaniu technicznym. Znamienne dla CAD jest cyfrowe modelowanie geometryczne mające na celu opracowanie zapisu konstrukcji wyrobu (jednego obiektu technicznego lub ich układu).

• Komputerowe wspomaganie wytwarzania CAM/CIM,

CAM -System komputerowy integrujący fazę projektowania i wytwarzania. Cechą charakterystyczną systemu jest transformacja (przetwarzanie) obiektów (modeli powstałych w wyniku modelowania komputerowego 2D/3D) na instrukcje maszynowe (kod NC), które umożliwiają wytwarzanie elementów.

CIM - Totalna integracja CAD i CAM. Dziś termin ten zastępuje się określeniem MPM. Obejmuje wszystkie aspekty wytwarzania wspomaganego przez komputer, systemy wspomagania logistyki i technologii produkcji. Charakteryzuje się m.in. możliwością elastycznego reagowania na potrzeby rynku, wprowadzaniem zmian oraz programem modernizacji produktów procesów wytwórczych.

• Komputerowe wspomaganie projektowania CAE - Oprogramowanie komputerowe wspomagające prace inżyniera takie jak CAD z obliczeniami wytrzymałości MES (Metoda elementów skończonych - zaawansowana mat. metoda obliczeń właściwości fiz. układów 2D/3D poddanych pewnemu oddziaływaniu zewnętrznemu. Polega na podziale obszaru na skośne elementy uśredniające stan fiz. ciała i przeprowadzeniu faktycznych obliczeń tylko dla węzłów tego podziału. Poza węzłami wyznaczana właściwość jest przybliżona na podst. wartości najbliższych węzłów. Za pomocą tej metody można badać w mechanice komputerowej (CAE) wytrzymałość konstrukcji, symulować odkształcenia, naprężenia, przemieszczenia, przepływ ciepła, cieczy itp. Bada się też dynamikę, kinematykę i statykę maszyn).

• PDM - Zarządzanie dokumentacją produktu - to funkcja biznesowa, często w ramach zarządzania cyklem życia produktu, odpowiedzialna za tworzenie, zarządzanie i publikowanie danych o produkcie. System zarządzania danymi produktu (PDM) umożliwia gromadzenie i udostępnianie danych o strukturze produktu, jego dokumentacji i procesach jego wytwarzania, wraz z możliwością przetwarzania w bazie danych.

• MPM - Zarządzanie procesem wytwarzania- to zbiór technologii i metod stosowanych do określenia w jaki sposób produkty mają być wytwarzane. Istotą MPM jest badanie alternatywnych scenariuszy linii produkcyjnych w celu zwiększenia efektywności linii montażowych, skrócenia czasu wprowadzenia produktu na rynek oraz umożliwienie szybkiego reagowania na produkt bądź zmianę produktu.

• PLM - Zarządzanie cyklem życiowym produktu - proces zarządzania całym cyklem życia produktu, począwszy od koncepcji, poprzez projektowanie i produkcję, obsługę oraz wycofanie produktu. PLM integruje ludzi, dane, procesy i systemy biznesowe i stanowi podstawę informacji o produktach dla firm i przedsiębiorstw.

Zalety PLM:

• Redukcja czasu wprowadzania produktu na rynek,

• Lepsza jakość produktu,

• Zmniejszone koszty tworzenia prototypów,

• Łatwość optymalizacji produktu,

• Redukcja kosztów,

• Oszczędności uzyskane poprzez pełną integrację prac inżynierskich.

Integracja CAD/CAM:

2. Maszyny CNC, kod G (idea stosowania, możliwości i ograniczenia).

CNC - numeryczne sterowanie przy użyciu komputera. Chodzi o maszyny, które mogą być sterowane przez komputery za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych oraz języków sterowania.

Kod G (G-code) - język zapisu poleceń dla urządzeń CNC. Nazwa właściwa: kod RS 274D.

Definiuje operacje, które należy wykonać, aby otrzymać przedmiot zaprojektowany z użyciem narzędzi CAD.

Istnieje wiele odmian G-code, które przyjmują nazwy zależne od producentów maszyn CNC.

Mimo standaryzacji - różny format dla sterowników różnych producentów.

Kody G:

G00

.

.

.

G99

3. Konwersja analog-cyfra i cyfra-analog; częstość próbkowania, zasada (częstotliwość) Nyquist'a, głębokość bitowa, błąd kwantyzacji.

Konwersja analog-cyfra:

Przetwarzanie sygnału analogowego x(t) na sygnał cyfrowy może być rozpatrywane jako następujące po sobie 3 elementarne operacje:

1. próbkowanie czyli dyskretyzacja sygnału w czasie,

Sygnały analogowe - sygnały o czasie ciągłym (w każdej chwili sygnał ma określoną wartość)

Sygnał analogowy x(t) => sygnał cyfrowy - zmiana ta polega na przyporządkowaniu liczby x(n), określającej wartość sygnału, kolejnym chwilom n w zadanych odstępach czasu T_p

Sygnały cyfrowe - sygnały o czasie dyskretnym (znamy wartość sygnału tylko w określonych /dyskretnych chwilach).

Częstość próbkowania

Próbkowanie (sampling) - pobieranie i zapamiętanie wartości sygnału w ściśle określonych chwilach.

Pobieranie danych o przebiegu analogowymi ich zapis w postaci cyfrowej. Polega na wielokrotnym pomiarze w równych odstępach czasu wartości chwilowej sygnału analogowego (próbki).

Okres próbkowania T_p - przedział czasu między kolejnymi chwilami pobierania próbek z sygnału analogowego, a jego odwrotność - częstotliwość próbkowania: f_x /T_p (zgodny z poniższą zasadą!). Podawana w hercach lub liczbie próbek na sekundę.

Zasada (częstotliwość) Nyquista

Gdyby częstotliwość próbkowania była mniejsza od szerokości pasma częstotliwości sygnału, to kolejne widma nałożyłyby się na siebie. Spowodowałoby to efekt aliasingu (nałożenia), czyli niejednoznaczności w odczycie próbkowanego sygnału.

Aby uniknąć niejednoznaczności w interpretacji wyniku próbkowania, częstotliwość próbkowania powinna być co najmniej dwukrotnie większa niż szerokość pasma częstotliwości sygnału badanego. Jest to twierdzenie Shannona. Częstotliwość f_x /2 - częstotliwość Nyquista. Jest to krytyczna częstotliwość próbkowania, poniżej której sygnał zostanie mocno zniekształcony. Dla granicy ludzkiego słuchu równej 22 kHz, częstotliwość ta wyniesie więc 44 kHz. Stąd CD Audio wykorzystuje próbkowanie 44.1 kHz.

Jeśli w sygnale analogowym obecne są składowe o częstotliwości wyższej od częstotliwości Nyquista, spowoduje to powstanie błędów próbkowania (aliasing). Jednak ucho ludzkie nie słyszy częstotliwości wyższych niż 22 kHz, dlatego te składowe sygnału są wycinane przed próbkowaniem poprzez zastosowanie filtru dolnoprzepustowego.

2. kwantowanie czyli dyskretyzacja wartości sygnału

Kwantyzacja sygnału - polega na przyporządkowaniu kolejnym próbkom przebiegu określonych wartości (poziomy kwantowania) za pomocą pewnej liczby cyfr/liczby bitów. Inaczej: „zaokrąglanie" wartości do określonej skali; q - przedział kwantowania

Błąd kwantyzacji - (zwany również szumem kwantyzacji) zniekształca ciągły sygnał analogowy, zaokrąglając jego wartości do najbliższych, odpowiadających mu wartości dyskretnych, wskutek czego nie można odróżnić dwóch różnych próbek o zbliżonych do siebie wartościach. Zwiększenie rozdzielczości przetwornika zmniejsza błąd kwantyzacji.

3. kodowanie uzyskanego sygnału dyskretnego

4. przesyłanie

Głębokość (rozdzielczość) bitowa kwantyzacji- ilość bitów opisująca każdą próbkę. wielkość pojedynczej próbki lub ilość bitów na które składa się pojedyncza próbka. Im jest większa, tym większa jest też „dokładność” zacyfrowanego sygnału w stosunku do oryginału.

Rozdzielczość bitowa określa liczbę bitów opisujących każdą próbkę dźwięku (czyli każdą liczbę reprezentującą chwilową wartość sygnału). Rozdzielczość bitowa rośnie wykładniczo, czyli 8-bitowy dźwięk może zawierać 28, czyli 256 różnych poziomów wartości, zaś dźwięk 16-bitowy może ich zawierać już 216, czyli 65 536. Z tego względu cyfrowy dźwięk 16-bitowy zawiera znacznie więcej informacji o pierwotnym sygnale niż dźwięk 8-bitowy o tej samej długości. W rezultacie, dzięki dodatkowej informacji zawartej w dźwięku 16-bitowym jest zredukowany szum występujący w tle, zaś sam dźwięk jest bogatszy i czystszy. Ten sam dźwięk nagrany z rozdzielczością 8-bitową jest zaszumiony i "płytki".

W 8 bitach jest 256 różnych głośności. Ale gdy zastosujemy 2 bajty (16 bitów) to mamy 65536 różnych poziomów głośności. Profesjonalne studia nagraniowe stosują zapis 30 lub 22 bitowy.

zatem: 44100[sampli/(kanał*sekunda)]

2[bajty/sample]*2[kanaly]=176400[bajty/sekundy]

KONWERSJA W SKRÓCIE:

Zapisanie wartości chwilowej sygnału (próbkowaniu) w określonych (najczęściej równych) odstępach czasu, czyli z określoną częstością (tzw. częstotliwość próbkowania). Wartość chwilowa sygnału jest przedstawiana za pomocą słowa kodowego, którego wartości odpowiadają wybranym przedziałom kwantyzacji sygnału wejściowego. Przydział zakresu wartości analogowej jednej wartości cyfrowej jest nazywany kwantyzacją (kwantowanie) sygnału, prowadzi to do pewnej niedokładności (błąd kwantyzacji). Im większa częstotliwość próbkowania i im więcej bitów słowa kodowego reprezentuje każdą próbkę, tym dokładność reprezentacji jest większa, a tak zapisany sygnał jest wierniejszy oryginałowi. Na końcu zamienia się wartość cyfrową na kod binarny (kodowanie).

4. Identyfikacja systemu, układy regulacji; układ otwarty, regulacji ciągłej, regulacji nadążnej, regulacji stałowartościowej, regulacji adaptacyjnej. Regulator, regulator dwustawny, trójstawny, liniowy. Inercja systemu; człon inercyjny I i II rzędu. Charakterystyki układów regulacji; charakterystyki statyczne, dynamiczne, czasowe i częstotliwościowe.

Identyfikacja systemu - w teorii sterowania oznacza rozpoznawanie (tj. sporządzanie opisu mat.) właściwości statycznych i dynamicznych elementów i układów automatyki. W czasie identyfikacji określa się wartości parametrów modelu obiektu (procesu), które wykorzystuje się następnie w doborze nastaw regulatora sterującego.

Układy regulacji - zamknięty układ automatyki, posiadający ujemne sprzężenie zwrotne, którego zadaniem jest sterowanie procesem.

• Układ otwarty - uproszczony układ sterowania w stosunku do układu regulacji, w którym sygnał wejściowy nie zależy od aktualnej wartości sygnału wyjściowego, ponieważ nie występuje sprzężenie zwrotne, a wynika jedynie z wewnętrznego stanu obiektu. Przebieg sygnału następuje tylko w jednym kierunku, od wejścia do wyjścia.

Schemat układu regulacji:

• Element porównujący oblicza różnicę między wartościami sygnału zadanego w(t) a wartością sygnału zwrotnego v(t), otrzymaną przez układ sprzężenia zwrotnego z sygnału wyjściowego y(t) otrzymaną z układu pomiarowego w sterowanym obiekcie. Otrzymany w sumatorze sygnał e(t) zwany jest uchybem.

• Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego u(t) tak aby obiekt sterowany zachowywał się w pożądany sposób (np. w jak najkrótszym czasie osiągał wartość zadaną).

• Sygnał sterowania u(t) z regulatora steruje elementem wykonawczym, który oddziałuje na obiekt podając sygnał u*(t) (tzw. wymuszenie).

• Na regulowany obiekt działać mogą zakłócenia z(t).

• Układ ciągłe /regulacji ciągłej - wszystkie sygnały (wejściowe i wyjściowe) są funkcjami ciągłymi w czasie i mogą przybierać dowolną wartość z obszaru swojej zmienności. Układy te opisuje się zwykle równaniami różniczkowymi.

• Układ nadążane /regulacji nadążanej (śledzące), serwomechanizmy - działają w taki sposób, aby sygnał wielkości wyjściowej nadążał za zmianami wielkości wejściowej, tzn. aby y(t) = w(t). Zmiany sygnałów wejściowych nie są znane ani przewidywane - są losową funkcją czasu.

• Układ regulacji stałowartościowej (stabilizacji) - w procesie regulacji mają za zadanie utrzymać stałą (w czasie) wielkość wyjściową mimo zmian wielkości wejściowej i działających na układ zakłóceń.

• Układ regulacji adaptacyjnej -mają zdolność do samoczynnego nastrajania parametrów (np. układu pomiarowego lub regulatora) do zmieniających się parametrów obiektu lub występujących zakłóceń.

Regulator - urządzenie, którego zadaniem jest porównywanie sygnału pomiarowego z sygnałem zadanym i w zależności od powstałego uchybu wytworzenie sygnału sterująceg

Jeden z elementów składających się na obwód regulacji. Zadanie regulatora polega na wygenerowaniu odpowiedniego sygnału sterującego, tak aby obiekt sterowany zachowywał się w pożądany sposób.

Regulator służy do doprowadzenia obiektu do żądanego stanu lub poprawy niekorzystnych własności obiektu regulowanego. Regulator może np. poprawić dynamikę obiektu regulowanego (silnik będzie szybciej osiągał żądaną prędkość). Niewłaściwe zastosowanie może prowadzić do niestabilności obwodu regulacji.

• 
  Regulator dwustawny: - wielkość wyjściowa może przyjmować tylko dwie wartości: maksymalną lub minimalną (zwykle zerową).

• Regulator trójstawny - wielkość wyjściowa może przyjmować tylko trzy wartości.

• Regulator liniowy - Regulator PID ze swoimi kilkoma parametrami to niewątpliwie regulator o ograniczonej złożoności. Alternatywnie można zastąpić go przez ogólny regulator liniowy. Ogólny regulator o dwóch stopniach swobody (tak zwany regulator RST, lub regulator R-S-T)

Ogólny regulator liniowy stanowi uogólnienie regulatora PID. Innymi słowy regulator PID jest szczególnym przypadkiem ogólnego regulatora liniowego. Z tego też względu możliwości ogólnego regulatora są dużo większe niż możliwości regulatora PID.

Człon inercyjny

Wielkość wyjściowa wykonuje pewną bezwładność w stosunku do sygnału wejściowego.

Charakterystyka statyczna członu jest identyczna do charakterystyki statycznej członu proporcjonalnego.

Wartość wyjściowa osiągana jest dopiero po pewnym czasie.

• Człon inercyjny I rzędu - ma transmitancję postaci:

• Człon inercyjny II rzędu - ma transmitancję postaci:

Charakterystyki układów regulacji:

• Charakterystyki statyczne - zależność między sygnałem wyjściowym y a sygnałem wejściowym x w stanie ustalonym. W odróżnieniu od wykresów charakterystyk dynamicznych, wykres charakterystyki statycznej nie jest zależny od czasu.

• Charakterystyki dynamiczne - to inaczej charakterystyki czasowe.

Do przedstawienia charakterystyk dynamicznych obiektu używa się:

• odp. członu na skok jednostkowy sygnału wejściowego,

• odp. członu na impuls jednostkowy

• odp. członu na sygnał wejściowy narastający liniowo.

• Charakterystyki czasowe - - w teorii sterowania podstawowe charakterystyki czasowe to:

• charakterystyka skokowa

• charakterystyka impulsowa.

Zaliczają się one do charakterystyk dynamicznych.

Charakterystyki czasowe podobnie jak charakterystyki częstotliwościowe można określać doświadczalnie (w przybliżeniu) a zatem mogą stanowić podstawę do identyfikacji układu. Wyznaczają one jednoznaczny opis typu wejście-wyjście.

• Charakterystyki częstotliwościowe - określają one zależność sygnału wyjściowego od wejściowego, najczęściej w postaci przebiegu sinusoidalnego.

5. Regulacja PID. Zasada działania, dobór członów regulatora, problem doboru nastaw. Regulacja kaskadowa.

Regulator PID

P - proporcjonalny (kompensuje uchyb bieżący)

I - całkujący (człon ten kompensuje akumulację uchybów z przeszłości)

D - różniczkujący (kompensuje przewidywane uchyby w przyszłości)

Najczęściej jego celem jest utrzymanie wartości wyjściowej na określonym poziomie, zwanym wartością zadaną.

Dobór członów regulatora PID

W niektórych zastosowaniach do odpowiedniej regulacji potrzebne jest działanie tylko jednego lub dwóch członów. Wówczas odpowiednim parametrom nadaje się zerowe wartości. Regulator PID, w którym niektóre człony są nieaktywne, nazywa się, zależnie od przypadku, regulatorem PI, regulatorem PD, regulatorem P albo regulatorem I. Regulatory PI spotyka się dość często, gdyż działanie różniczkujące jest wrażliwe na szum pomiarowy, a ewentualny brak członu całkującego może uniemożliwić osiągnięcie przez układ wartości zadanej.

Dobór nastaw regulatora PID polega na określeniu optymalnych wartości parametrów poszczególnych członów, tak aby uzyskać pożądane sterowanie. Stabilność (ograniczenie oscylacji) stanowi wymóg zasadniczy, ale poza tym różne układy zachowują się w inny sposób, różne zastosowania wiążą się z różnymi wymaganiami i wymagania mogą być sobie przeciwstawne.

Dobór nastaw regulatora PID to trudne zadanie, mimo że w grę wchodzą jedynie trzy parametry, a problem daje się łatwo opisać, ponieważ muszą zostać spełnione złożone kryteria przy ograniczeniach samego regulatora PID. Istnieją różne metody doboru nastaw, bardziej wyszukane metody są przedmiotem patentów.

Koncepcyjnie projektowanie i dobór nastaw regulatora PID wydaje się być intuicyjny, ale jeśli chce się uzyskać kilka (często sprzecznych) celów na raz - takich jak krótki stan przejściowy i duży zapas stabilności - w praktyce może to być trudne. Zwykle, początkowe nastawy uzyskane za pomocą dostępnych metod muszą być kilkakrotnie poprawiane poprzez prowadzenie symulacji komputerowych do czasu, aż układ będzie działał zgodnie z oczekiwaniami lub zaakceptuje się rozwiązanie kompromisowe.

Regulatory PID dają często akceptowalną regulację przy ustawieniach domyślnych, ale w ogólności można osiągnąć poprawę jakości regulacji poprzez staranny dobór nastaw, a przy niewłaściwym doborze działanie regulatora staje się nie do zaakceptowania.

Regulacja kaskadowa

Dwa regulatory PID pracują tak, że jeden z nich steruje nastawami drugiego.

Znaczącą zaletą regulacji PID jest możliwość zestawienia do pracy dwóch regulatorów PID na raz (tak zwana regulacja kaskadowa) co skutkuje ulepszonym działaniem. W regulacji kaskadowej dwa regulatory PID pracują tak, że jeden z nich steruje nastawami drugiego. Regulator PID działa jako regulator pętli zewnętrznej, która steruje zasadniczymi parametrami fizycznymi (takimi jak poziom płynu lub prędkość) Drugi regulator działa jako regulator pętli wewnętrznej i odczytuje wyjście z regulatora pętli zewnętrznej jako nastawę, zwykle sterując parametrem, który podlega szybszym zmianom (na przykład przepływem czy przyspieszeniem). Można dowieść matematycznie, że w przypadku stosowania kaskadowej regulacji PID częstotliwość pracy regulatora wzrasta, a stała czasowa regulowanego obiektu ulega zmniejszeniu.

W przypadku kaskadowej regulacji PID regulatorem głównym jest najczęściej regulator PI lub PID, a regulatorem pomocniczym najczęściej regulator P.

6. Zasada działania i konstrukcja sterowników PLC. Pole zastosowań PLC i ich ograniczenia.

PLC - programowalne sterowniki logiczne

Sterowniki PLC - sterują urządzeniami, a ich sposób działania w postaci programu jest pamiętany w sterowniku.

PLC - składają się z:

• jednostki centralnej (CPU),

• bloków wejść cyfrowych,

• bloków wejść analogowych,

• bloków komunikacyjnych,

• bloków wyjść cyfrowych,

• bloków wyjść analogowych,

• bloków specjalnych.

Zasada działania PLC:

Podstawową zasadą pracy sterowników jest praca cykliczna, w której sterownik wykonuje kolejno po sobie pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejność, w jakiej są one zapisane w programie.

• Na początku każdego cyklu program odczytuje „obraz” stanu wejść sterownika i zapisuje ich stany (obraz wejść procesu),

• Po wykonaniu wszystkich rozkazów i określeniu (wyliczeniu) aktualnego dla danej sytuacji stanu wyjść, sterownik wpisuje stany wyjść do pamięci będącej obrazem wyjść procesu a system operacyjny wysterowuje odpowiednie wyjścia sterujące elementami wykonawczymi,

• Tak więc wszystkie połączenia sygnałowe spotykają się w układach (modułach) wejściowych sterownika, a program śledzi ich obraz i reaguje zmianą stanów wyjść w zależności od algorytmu.

Cykl pracy- krokowo:

1. Autodiagnostyka

2. Odczyt wejść

3. Wykonanie programu

4. Zadania komunikacyjne

5. Ustawienia wyjść

Pole zastosowań PLC:

Zakres zastosowań PLC jest bardzo szeroki od pojedynczych maszyn, np. pakujące, drukujące, wtryskarki, obrabiarki itp. poprzez gniazda produkcyjne, instalacje wodociągowe, klimatyzacyjne, wiatrowe, automatyzacje budynków, automatykę okrętową, systemy transportowe i logistyczne, zrobotyzowane linie montażowe po automatyzacje kompletnych procesów technologicznych. Sterowniki PLC spotykamy w różnych branżach, przykładowo przemysł ciężki, chemiczny, spożywczy, drzewny, farmaceutyczny, samochodowy ciepłownictwo itd.

Ograniczenia:

7. Systemy nadzorujące przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego (SCADA) - funkcje, struktura, pole zastosowań.

SCADA - system nadzorujący przebieg procesu technologicznego lub produkcyjnego. To zwykle system komputerowy, który pełni role nadrzędną w stosunku do sterowników PLC i innych urządzeń.

Główne funkcje:

• zbieranie aktualnych danych (pomiarów),

• ich wizualizacja,

• sterowanie procesem technologicznym,

• alarmowanie,

• archiwizacja danych (do porównań z obecnymi w przypadku błędów lub złej jakości „materiałów” dostarczanych obecnie).

Pole zastosowań:

Systemy SCADA znajdują zastosowanie niemal w każdej branży przemysłu. Stanowią one istotny element nadzorowania procesów w przemyśle energetycznym i gazowniczym, a także w oczyszczalniach ścieków, gospodarce wodnej, górnictwie, hutnictwie i wielu innych.

Struktura:

Sterowniki PLC połączone są bezpośrednio z urządzeniami wykonawczymi (zawory, pompy, itp.) i pomiarowymi (czujniki temperatury, poziomu itp.) i zbierają aktualne dane z obiektu oraz wykonują automatyczne algorytmy sterowania i regulacji.

Za pośrednictwem sterowników PLC dane trafiają do systemu komputerowego i tam są archiwizowane oraz przetwarzane na formę bardziej przyjazną dla użytkownika. Operatorzy systemu zadają generalne parametry procesu lub prowadzą proces w trybie ręcznym.

SCADA:

• czasami zwana HMI (Human Machine Interface),

• duże, rozproszone systemy pomiarowo-kontrolne,

• pozwalają kontrolować lub/i kontrolować/sterować procesami chemicznymi, fizycznymi i transportowymi.

Funkcje oprogramowania SCADA:

• wizualizacja pracy procesu na obrazie zbiorczym,

• wybór i zadawanie parametrów technologicznych,

• sterowanie automatyczne,

• zdalne sterowanie węzłami technologicznymi,

• zezwalanie na sterowanie remontowe,

• alarmowanie o awariach i przekroczeniach parametrów technologicznych z podpowiedziami dla operatora.

8. Interfejsy komunikacyjne, podstawowe dane (szybkość, zasięg, pole zastosowań w automatyce przemysłowej); RS-232, RS-485, USB, Bluetooth, Ethernet, SCSI, IEEE 488, znaczenie protokołu MODBUS.

RS-232 - prędkość transmisji: do 115,2 kb/s, w niektórych implementacjach do np. modemy jako karty wewn., do 230,4 kb/s, w trybie synchronicznym do 1 Mb/s. Zasięg do ok. 15 m (nie określono w standardzie). Umożliwia użycie protokołu TCP/IP do komunikowania się z urządzeniami posiadającymi interfejs RS-232 lub RS-485. Do komunikacji można wykorzystać sieci LAN, WAN lub Internet

RS-485 - prędkość transmisji: 35Mbit/s (do 10m), i 100Kbit (do 1200m). Zasięg do ok. 1200m. RS485 jest najczęściej stosowanym interfejsem przewodowym w sieciach przemysłowych - z jednego prostego powodu, przesył różnicowy zapobiega wpływowi zakłóceń zewnętrznych (np. sprzętu indukcyjnego jak silniki) na transmisję danych.

USB - prędkość transmisji: 1.1 1.5 MB/s, 2.0 wg specyfikacji do 60 MB/s (rzeczywista do 30 MB/s zapis i do 42 MB/s odczyt), 3.0 wg specyfikacji do 640 MB/s (rzeczywista do 400 MB/s). Długość magistrali 3 lub 5 m (Wtórnik USB umożliwia przedłużenie kabla USB o swoją długość). USB pozwolił na zastąpienie kilku wcześniej stosowanych interfejsów jednym, a dodatkowo znacząco ułatwił obsługę wielu urządzeń.

Bluetooth - prędkość transmisji: do 5 MB/s (Bluetooth 3.1 + High Speed). Zasięg: 1, 10 i 100 m. Bezprzewodowa łączność umożliwia bezawaryjną i niezawodną transmisję danych i sygnałów w połączeniu z szybką i ekonomiczną instalacją.

Ethernet - prędkość transmisji do 10 Gb/s. Zasięg: W zależności od zastosowanych technologii od 25 m (skrętki) do 10 km (światłowody). Wdrożenie Ethernetu w sieciach przemysłowych umożliwiło uproszczenie i ujednolicenie technik komunikacji oraz zmniejszenie kosztów administracji, a duża prędkość transmisji pozwoliła na wprowadzenie nowych usług, obejmujących komunikację głosową i wideo (np. Wideomonitoring), a także na łatwiejszą integrację struktury przemysłowej z systemami ERP i MES. Jednakże decydującym czynnikiem okazała się coraz skuteczniejsza obsługa aplikacji czasu rzeczywistego.

SCSI - prędkość transmisji: od 5 MB/s (szyna 8-bitowa) do 320 MB/s (szyna 16-bitowa). Zasięg z zależności od wariantu: od 1,5 do 12.5 m. Wszystkie urządzenia podłączone do magistrali są równorzędne, każde z nich może pełnić rolę zarówno inicjatora (rozpoczynać operację) jak i celu (wykonywać operację zleconą przez inicjator). Niektóre urządzenia potrafią pełnić tylko jedną z ról. SCSI zapewnia kompatybilność różnych swoich wariantów. Możliwa jest praca mieszana, bez konieczności wyboru najwolniejszego lub najprostszego trybu pracy. W trakcie pierwszego połączenia między inicjatorem a urządzeniem docelowym wykorzystywany jest wolny protokół asynchroniczny w celu ustalenia wzajemnych właściwości i możliwości.

IEEE 488 - Prędkość transmisji: do 8 MB/s. Zasięg: do 20 m. Łącze o krótkim zasięgu, 8-bitowa szyna danych pomiarowych (16 linii) i sterujących (5 linii).

MODBUS - to protokół komunikacyjny stosowany przez firmę Modicon. Obecnie jest standardem otwartym i przemysłowym, służącym do komunikacji z programowalnymi kontrolerami tej firmy (PLC), a także innych producentów. RS-232, RS-485 i częściowo Ethernet miały tylko zdefiniowane zagadnienia warstwy sprzętowej, czyli jak „przesyłać i odbierać bity”. Potrzebna jest warstwa protokołu komunikacyjnego - najpopularniejsze różne odmiany MODBUSA.

9. Funkcje systemów pomiarowych. Podział systemów pomiarowych ze względu na przeznaczenie. Ogólny schemat układu pomiarowego. Klasa układu pomiarowego. Kryteria oceny jakości systemów pomiarowych.

System pomiarowy - zestaw urządzeń i algorytmów (programów) działania, przeznaczonych do realizacji określonego zadania pomiarowego.

Funkcje systemów pomiarowych:

W systemie pomiarowym są realizowane pewne powtarzalne funkcje, najważniejsze:

• generowanie sygnałów wejściowych dla badanego obiektu,

• rejestrowanie wyników pomiarów,

• przetwarzanie tych wyników pomiarów,

• przekazywanie przetworzonych danych pomiarowych do dalszych ogniw systemu,

• sterowanie wewnętrzne (programowe) procesem pomiarowym,

• komunikacja z otoczeniem.

Podział systemów pomiarowych ze względu na przeznaczenie:

Wersja 1:

• badawcze: stosowane są głównie w pomiarach naukowych, których celem jest empiryczna weryfikacja hipotez naukowych; są wykorzystywane w dziedzinach elektroniki, fizyki, chemii, mechaniki, biologii, medycyny.

• pomiarowo - kontrolne: stanowią integralną część każdego procesu technologicznego, umożliwiając jego automatyzację, pozwalają na pomiar znacznej liczby parametrów. Procesy takie są kontrolowane głównie poprzez pomiary parametrów wytwarzanych w trakcie procesu obiektów, jak i parametrów urządzeń technolog. służących do ich wyrobu. W takich systemach stosuje się zwykle znane ilości czujników rozmieszczonych terytorialnie na całym kontrolowanym obszarze i przetworników formujących sygnały wykorzystywane dalej przez regulatory sterujące procesem.

• pomiarowo - diagnostyczne: służą detekcji, lokalizacji, identyfikacji lub przewidywaniu uszkodzeń obiektów na podst. objawów charakterystycznych dla poszczególnych stanów niezawodności. Do podstawowych problemów diagnostyki należą metody wytwarzania różnego rodzaju testów i procedur diagnostycznych. Zależnie od charakteru obiektu wyróżnia się określone rodzaje diagnostyki (np. diagnostyka techniczna lub medyczna).

Lub

• laboratoryjne - bardzo wysoka dokładność pomiaru,

• produkcyjne - nacisk położony jest na niezawodność oraz szybkość pomiaru,

• serwisowe - ergonomia, wielofunkcyjność oraz automatyka pomiarów.

Wersja 2:

• badawcze - znajdujące zastosowanie głównie w badaniu obiektów o małym stopniu rozpoznania, charakteryzujące się na ogół znaczną złożonością i dużymi możliwościami funkcjonalnymi;

• kontrolne - przeznaczone do kontroli obiektów o dobrze znanych właściwościach, a celem ich działania jest sprawdzanie, czy wyróżnione parametry obiektu znajdują się we właściwych granicach,

• diagnostyczne - przeznaczone do testowania obiektów pod względem poprawności ich działania, lokalizacji niesprawności, rozpoznania jej rodzaju i przyczyn itp.

Ogólny schemat układu pomiarowego:

• generatory - wytwarzają sygnały testowe,

• badane urządzenie (ang. DUT - Device Under Test),

• analizatory - analiza sygnałów testowych przetworzonych przez badane urządzenie.

Jakość generatorów ma decydujący wpływ na jakość sygnałów testowych, a więc i na dokładność pomiarów.

Klasa układu pomiarowego:

Generalna zasada - przyrządy pomiarowe (generator i analizator) muszą być o klasę lepsze niż badane urządzenie.

Przyrząd złego układu pomiarowego:

• komputer z nieprofesjonalną kartą dźwiękową stosowany do pomiaru parametrów innego urządzenia,

• niska jakość przetworników C/A i A/C karty dźwiękowej, wysoki poziom szumu.

Przykład dobrego układu pomiarowego:

• specjalizowany przyrząd pomiarowy współpracujący z komputerem za pomocą odpowiedniego interfejsu.

Kryteria oceny jakości systemów pomiarowych:

• szybkość uzyskiwania danych;

• dokładność pomiaru (klasa przyrządu);

• wielkość urządzenia;

• odporność na uszkodzenia;

• ergonomia obsługi;

• sposób zobrazowania wyników;

• automatyka pomiarów (np. automatyczny dobór zakresów);

• wielofunkcyjność;

• możliwość rozbudowy;

• możliwość przechowywania danych pomiarowych;

• niezawodność.

10. Konstrukcje przyrządów pomiarowych - idea wirtualnych przyrządów pomiarowych. Ich zalety i wady w porównaniu do przyrządów konwencjonalnych.

Konstrukcje przyrządów pomiarowych:

• Przyrządy specjalizowane - samodzielne urządzenia jedno- i wielofunkcyjne (również PLC)

• Przyrządy współpracujące z komputerem - komputer jako interfejs pomiędzy użytkownikiem a przyrządem.

• Systemy komputerowe - komputer zaangażowany w proces przetwarzania sygnałów pomiarowych, procesy sterujące, komunikację z użytkownikiem.

• Przyrządy wirtualne - oprogramowanie komputerowe, współpracujące z układem pomiarowym, tworzy interfejs użytkownika.

Współczesne przyrządy pomiarowe są najczęściej wielofunkcyjnymi urządzeniami komputerowymi.

Budowa typowego komputerowego przyrządu pomiarowego:

• układ pomiarowy - generatory, analizatory, przetworniki;

• oprogramowanie:

• sterowanie pracą przyrządu,

• analiza wyników,

• zapis wyników i ustawień przyrządu.

Idea wirtualnych przyrządów pomiarowych polega na zastąpieniu poszczególnych przyrządów pomiarowych podłączanych lub wbudowywanych do komputera jedną kartą przetworników A/C-C/A wraz z odpowiednim oprogramowaniem użytkowym, realizującym oczekiwane funkcje pomiarowe.

Przyrządy wirtualne - realizowane są za pomocą komputera wyposażonego w specjalną, odpowiednio oprogramowaną kartę pomiarową. Komputer z kartą pomiarową (lub kilkoma) umożliwia realizacja w pełni zautomatyzowanych stanowisk pomiarowych, w których tradycyjnym sposobem byłoby konieczne zastosowanie kilku autonomicznych (samodzielnych) przyrządów wyposażonych w interfejs.

W zależności od rodzaju karty pomiarowej odpowiednio oprogramowanej komputer może pełnić funkcję np. amperomierza lub woltomierza (napięcia stałego lub przemiennego), oscyloskopu lub rejestratora cyfrowego.

Specjalne programy (np. LabVIEW) umożliwiają uzyskanie dowolnych obrazów elementów regulacji oraz uzyskanie obrazu konkretnych przebiegów na ekranie monitora. Za pomocą klawiatury komputera można zmienić jasność, wymiary i kolor obrazu przebiegu na ekranie monitora.

Wady i zalety w porównaniu do przyrządów konwencjonalnych:

Tradycyjny	Wirtualny
Podstawa - sprzęt (hardware)	Podstawa - oprogramowanie (software)
Konstrukcja producenta	Konfiguracja użytkownika
Ograniczone możliwości realizacji wyspecjalizowanych funkcji	Przyrząd adaptowalny do warunków pomiaru
kosztowny	Znacznie niższe koszty
Zamknięta struktura (określony zestaw funkcji pomiarowych)	Struktura otwarta, b. elastyczna
Długi cykl życia przyrządu (5÷10 lat)	Krótki cykl życia przyrządu (1, 2 lata)
Wysokie koszty opracowania i wykonania	Oprogramowanie znacznie zmniejsza koszty

Program CAD

Program CAM

Program CNC

plik DXF

plik NC

• rysunek części (3D lub 2D)

• programowanie wykonania części (czego, z czym)

• generacja kodu NC

• produkcja części

• tworzenie

• wiercenie

• szlifowanie

• rozładowanie ładunku elektrostatycznego

poziomy kwantowania

w(t)

e(t)

u(t)

u*(t)

z(t)

y(t)

v(t)

regulator

element wykonawczy

obiekt regulacji

element pomiarowy

Typowa charakterystyka

u*(t)

u2 gdy E < 0

u1 gdy E >= 0

Typowa charakterystyka

u*(t)

u1 gdy E >= a

u2 gdy b < E < a

u3 gdy E <= b

GENERATORY

BADANE URZĄDZENIE

ANALIZATORY

---