Слайд 1Автоматизированные информационно-управляющие системы
Доц. каф. АПП
Кульчицкий Александр Александрович
doz-ku@rambler.ru
Слайд 2Лекция 2
Структура и основные виды АУИС
Слайд 3Обобщенная структурная схема ИИС
Слайд 4Под информацией понимаем некоторую совокупность сведений, представляющих интерес для человека
или полезных для функционирования интеллектуальных систем.
При получении информации (человеком или
системой) возникает потребность ее обработки.
Условие воздействия помех и отсутствия полной информации является чрезвычайно важным в проблеме понимания необходимости применения обработки, а следовательно, и информационно-измерительных систем (ИИС), одной из основных задач которых является обработка информации.
Слайд 5Основные виды ИИС
Системы автоматического контроля,
Системы технической диагностики,
Системы опознания образов,
Телеизмерительные системы.
Слайд 6Системы автоматического контроля
Служат для установлении соответствия между состоянием объекта
и заданной нормой и в выработке суждения о данном или
(и) о будущем состоянии объекта. С помощью таких систем измеряются физические величины, характеризующие состояние объекта, и результаты измерений сравниваются со значениями, принятыми в качестве нормы.
При этом промежуточные результаты измерений, используемые для выработки суждений, могут и не поступать на выход системы. С этой точки зрения контроль является операцией "сжатия" данных, устранения ненужных в данном случае сведений об объекте.
Для выработки суждения о будущем состоянии объекта система контроля должна выполнять прогнозирование на основе сведений о предыдущих состояниях объекта, полученных в ходе измерений, а также на основе его динамических характеристик, известных благодаря проведенным ранее исследованиям.
Слайд 7Системы технической диагностики
Контролируют состояния различных технических устройств, в том числе
устройств автоматики, вычислительной техники, радиотехники. Предназначены для обнаружения их отказов
и определении неисправных элементов. Для таких систем
характерно применение специальных методов поиска неисправностей.
Слайд 8Системы опознания образов.
Их функция состоит в определении соответствия между
исследуемым объектом и заданным образом.
Телеизмерительные системы
систем автоматического контроля, в
которых информация о значениях измеряемых величин передается на большие расстояния - от сотен метров до тысячи километров. Для передачи по протяженным проводным или радиоканалам связи применяются специальные преобразования сигналов, рассчитанные на достижение достаточной точности и достоверности, несмотря на искажения под действием помех, а также на подключение большого числа источников и приемников информации к одному каналу. При этом на выбор технических решений существенно влияет ограниченная пропускная способность каналов связи.
Слайд 9Основными признаки классификации ИИС
область применения
по функциональным возможностям системы (сложности обработки
информации);
способ комплектования;
Структура;
виды входных сигналов;
виды измерений;
режим
работы;
функциональные свойства компонентов.
Слайд 10По области применения ИИС делят на группы:
для научных исследований,
для
испытаний и контроля сложных изделий:
для управления технологическими процессами.
По способу
комплектования:
агрегатированные (Агрегатированные ИИС, как правило, включают универсальное ядро – ИВК, на основе которого, используя датчики различных физических величин можно строить ИИС различного назначения).
неагрегатированные, состоящие из компонентов, специально разработанных для конкретных систем.
Слайд 11По структурным признакам:
системы параллельно-последовательной структуры. Основным признаком такой структуры служит
наличие измерительного коммутатора циклически коммутируемого с множеством датчиков,
системы параллельной структуры,
включающие множество одновременно работающих каналов, выходные системы которых преобразуются
функциональным единым преобразователем и обрабатываются в одном вычислительном устройстве.
Слайд 12Типичная компьютерная система сбора данных
Слайд 13Архитектура распределенной системы промышленной автоматизации на основе общей шины
Пример архитектуры
распределенной системы сбора данных и управления на модулях RealLab!
Слайд 14Типовая современная распределенная система автоматизации, включающая три уровня иерархии
Слайд 15Технологии NI – Интегрированная аппаратная платформа
Слайд 16 Рассмотрим три типичные ситуации:
1. Перед анализом полезной информации необходимо
зафиксировать факт ее поступления. В этом случае задача обработки состоит
в определении факта поступления полезной информации (задача обнаружения).
2. Поступающие данные помимо полезной составляющей (информационная компонента) содержат некоторую дополнительную искажающую составляющую (в технике говорят помеху), которая мешает правильно выделить полезную часть. Задача часто осложняется тем, что полные сведения о помехе отсутствуют. В данном случае задача обработки состоит в наиболее полном исключении помехи (задача выделения).
3. Для принятия какого-либо решения (то есть факт поступления информации зафиксирован, полезный сигнал выделен) необходим анализ полученной информации, причем в полученной информации может не быть всего необходимого, чтобы решение можно было принять с полной уверенностью. В данном случае задача обработки состоит в осуществлении такого анализа информации, чтобы решение было наиболее правильным (задача принятия решения).
Слайд 17Обобщенная структура автоматизированной информационно-управляющей системы
Слайд 18Задачи АИУС
- автоматизированный синхронный ввод в ПК сигналов, регистрируемых группой
датчиков;
- вывод аналоговых сигналов в соответствии с аналитической моделью (например
для калибровки);
- обработка записанных на жесткий диск данных с помощью методов цифровой обработки сигналов для изучения состояния физических объектов и исследования протекающих процессов;
- графическое представление регистрируемой информации и результатов анализа;
- хранение экспериментальных данных и результатов обработки
- управление процессом сбора данных.
Слайд 19Программное обеспечение должно выполнять следующие функции
· настройка параметров и запуск
процедуры сбора данных;
· запись собираемых данных в оперативную память или
на жесткий диск с отображением характера регистрируемых сигналов и временного изменения параметров на экране дисплея;
· графический пользовательский интерфейс со средствами функциональной помощи;
· реализация вычислительных алгоритмов цифровой обработки сигналов с отображением результатов комбинированными средствами представления информации;
· выполнение калибровки передаточных характеристик физико-информационных преобразователей и аналоговых цепей;
· поддержка базы экспериментальных данных о характеристиках объектов испытаний (или исследуемых явлений).
Слайд 20Принципы, используемые при разработке программного обеспечения АУИС
модульность,
использование объектной
метафоры в управлении,
унификация связей,
разделение программ управления, графической поддержки,
обработки и доступа к базе данных.
Слайд 21Устройства сбора данных
Устройства аналогового ввода/вывода
Устройства цифрового ввода/вывода
Счётчики/таймеры
Многофункциональные устройства, поддерживающие аналоговые
и цифровые операции, а также возможности счётчиков
Слайд 22Основные параметры аналоговых устройств ввода
Количество каналов (симметричных и несимметричных).
Частота оцифровки.
Разрешение
АЦП
Диапазон измерений.
Ширина кода
При диапазоне от 0 до 10
В и усилении 100, идеальная ширина кода определяется следующим выражением:
10 / ( 100 * 216) = 1,5 мкВ
дифференциальную нелинейность,
относительную точность,
время установления измерительного усилителя
параметры шума.
Слайд 23Сравнительные характеристики устройств сбора данных
Слайд 24Типовая структура устройства сбора информации устройства
USB 6008
Слайд 26Упрощенная блок-схема модуля ввода-вывода
Слайд 27
Буферная память предназначена для обеспечения обмена данными с компьютером без
потери отсчетов с максимальной скоростью (реализована схема поочередного считывания данных
из буферов).
Цифровой регистр представляет собой 16-разрядный цифровой порт вывода общего назначения с тремя состояниями выхода и предназначен для управления внешними устройствами.
Блок старта предназначен для определения (путем программирования) начала ввода данных.
Таймер синхронизируется от кварцевого генератора и задает временную диаграмму ввода и вывода данных.
· Регистр режимов управляет режимами работы блоков модуля.
· Интерфейсы системной и локальной шин обеспечивают обмен с компьютером и с дополнительными модулями на базе цифровых процессоров сигналов.
· Конвертор питания обеспечивает прецизионным питанием +/-15V аналоговые цепи модуля.
Слайд 28MAX - Measurement & Automation Explorer
MAX - Measurement & Automation
Explorer.
MAX конфигурирует и отображает все устройства National Instruments- DAQ, PCI/PXI
instruments, GPIB, IMAQ, IVI, Motion, VISA, and VXI devices.
Окно для конфигурации и тестирования .
Слайд 29Конфигурирования и тестирования платы сбора данных (DAQ)
Слайд 33Виды источников сигналов
Заземленный
Незаземленный
Слайд 34Для увеличения отношения сигнал/помеха усиление сигнала производится непосредственно у источника
Слайд 35Коэффициент подавления синфазного сигнала
KD и KCM – коэффициенты усиления разностного
и синфазного
сигналов соответственно.
Схема измерения коэффициента подавления синфазного сигнала, определяемого в
dB как:
Слайд 36Измерительная система с дифференциальными входами
Instrumentation amplifier – инструментальный усилитель
Напряжение синфазного
сигнала
Слайд 37Схемы с несимметричными входами
Система с незаземленными несимметричными входами
(NRSE)
Заземленная измерительная система
с несимметричными входами
Слайд 41Стандартные сигналы
Аналоговые сигналы:
0…5 В;
0…10 В;
0…20 мА
4…20 мА,
токовая петля.
Дискретные сигналы:
сигналы TTL-уровня с диапазоном 0…5 В;
сигналы TTL-уровня с диапазоном
0…24 в.
Слайд 42То́ковая петля́
То́ковая петля́ (Current Loop) — способ передачи информации с помощью
измеряемых значений силыCurrent Loop) — способ передачи информации с помощью измеряемых
значений силы электрического тока.
Принцип работы токовой петли это дифференциальная пара
Для задания измеряемых значений тока используется, как правило, управляемый источник тока. По виду передаваемой информации различаются аналоговая токовая петля и цифровая токовая петля.
Токовая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования применяется гальваническая развязкаТоковая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах.
Основное преимущество токовой петли —точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока будет автоматически поддерживать требуемый ток в линии. Схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приемников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно
Слайд 43Принцип действия "токовой петли"
В качестве линии передачи обычно используется экранированная
витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную
и синфазную помеху.
Слайд 44
Стандарт 4-20 мА
логическому уровню "1" соответствует ток в линии
от 4 до 20 мА протекающий в ПРЯМОМ направлении
логическому
уровню "0" соответствует ток в линии от 4 до 20 мА протекающий в ОБРАТНОМ направлении.
При токе ниже 4 мА приемник и передатчик обнаруживают ошибку "ОБРЫВ ЛИНИИ".
При токе выше 20 мА передатчик обнаруживает ошибку "КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ЛИНИИ".
Слайд 45Согласование сигналов
Усиление/ Для достижения наибольшей точности максимальный диапазон напряжения в
усиленном сигнале должен равняться максимальному входному диапазону АЦП.
Изоляция Необходима
по соображениям безопасности и избежания эффекта паразитного контура с замыканием через землю
Фильтрация –удаление ненужных составляющих из измеряемого сигнала.
Питание – питание для параметрических датчиков, таких как датчики деформаций, термисторы и терморезисторы.
Линеаризация – учет нелинейности отклика
Следует чётко понимать природу измеряемого сигнала, конфигурацию, в которой производятся измерения и воздействие, которое может оказывать окружающая среда. Основываясь на этой информации, можно определить, нужно ли использовать модули согласования сигнала в данной системе сбора данных или нет.
Слайд 46Типы датчиков, сигналов и виды кондиционирования сигналов
Слайд 47Измерительные (нормирующие) преобразователи датчиков температуры
ИП 0304
Слайд 50Универсальный нормирующий преобразователь НПТ1
Преобразование сигналов термодатчиков в унифицированный сигнал 0(4)...20мА
Универсальный
вход
Поддержка большинства известных типов термодатчиков
Высокая точность преобразования
Высокая разрешающая способность
Настройка по
интерфейсу USB 2.0
Климатическое исполнение «-40...+85 С»
Слайд 51Нормализатор сигнала тензомоста
Тип входного сигнала — мост
Диапазон входного сигнала: ±15,
±30, ±100 мВ
Выходной сигнал: 0-10, 0-5 В, 0-20 мА
Гальваническая изоляция
1000 В
Слайд 52Усилитель тензосигнала тип 131
Сопротивление моста от 120 до 2000 Ом
Четырехпроводная схема подключения тензомоста
Напряжение питания 12-24В
Рабочая температура -20ºC..+50ºC
Обеспечивает напряжение
возбуждения моста 8,0В
Линейность 1:4000
Слайд 53Линейное преобразование переменного тока частотой 45 - 65 Гц в
выходной унифицированный сигнал постоянного ток
Слайд 54Линейное преобразование активной мощности трехфазных и однофазных, четырех- и трехпроводных
цепей переменного тока в унифицированный выходной сигнал постоянного тока или
напряжения
Слайд 55Преобразователи линейного преобразования частоты переменного тока в унифицированные выходные сигналы
постоянного тока
Слайд 56Модули ввода-вывода Мх110
Стандарт проводной связи RS-485.
Простые протоколы, основанные на принципе
«запрос-ответ». работа по протоколам ModBus-ASCII, ModBus-RTU, DCON и ОВЕН.
Модули объединяются
в сеть с помощью двухпроводной линии связи и подключаются к ведущему устройству (Master). В роли мастера может выступать:
ПЛК,
персональный компьютер с установленной SCADA-системой
панель оператора.
модулей (Slave), имеет уникальный адрес.
Одновременно в одной сети может быть один мастер и до 32 модулей. Максимальная длина линии связи составляет 1200 м. Длина линии связи и количество модулей в сети могут быть увеличены с помощью повторителей интерфейса (например, ОВЕН АС5).
Слайд 57Модификации модулей ввода вывода Mx110
Слайд 61
Модульная система согласования сигналов SCXI - высокопроизводительная многоканальная платформа согласования
и коммутации из одного или нескольких промышленных шасси с установленными
различными модулями согласования сигналов.
Портативная недорогая система согласования сигналов SCC–недорогое решение для задач согласования сигналов с небольшим количеством каналов с возможностя поканальной конфигурации каналов ввода/вывода с использованием одно- и двухканальных модулей
SC серия – устройства сбора данных со встроенными возможностями согласования сигналов - расширяют возможности платформы PXI путем интегрирования схем согласования сигналов в 16-разрядные модули PXI.
Высокоточные регистраторы температуры и
Слайд 63Шасси CompactDAQ на базе интерфейсов USB и Ethernet
Слайд 64Модули ввода вывода C-серии
Аналоговый ввод, аналоговый вывод, цифровой ввод-вывод, реле
Слайд 67Технология реконфигурируемого ввода/вывода (RIO)
Reconfigurable input/output – RIO) предоставляет вам возможность
создания на аппаратном уровне вашей собственной контрольно-измерительной системы, используя программируемые
логические интегральные схемы (ПЛИС) и инструментарий среды графической разработки приложений LabVIEW
Слайд 69CompactRIO
Контроллер реального времени
Реконфигурируемое шасси
Модули ввода/вывода
Слайд 70Контроллер реального времени
LabVIEW Real-Time
Слайд 72Канал общего пользования
КОП (General Purpose Interface Bus - GPIB)
разработан компанией Hewlett Packard в конце 1960 года для обеспечения
связи между компьютерами и измерительными приборами, известен как стандатр IEEE 488.(2.).
КОП является цифровой 24-х разрядной параллельной шиной. Шина состоит из:
8 линий данных (data lines),
5 линий управления шиной (bus management lines) - ATN, EOI, LFC, REN, SRQ,
3 линий квитирования (handshaking),
8 заземленных линий.
сообщения (messages) представляются в виде символов ASCII
Слайд 73Устройства и типичная система с КОП
Каждое устройство, включая плату-контроллер,
должно иметь свой уникальный адрес КОП в диапазоне от 0
до 30
Слайд 74PXI и VXI
VXI, сокращение от «VMEbus extension for Instrumentation»
(«расширение шины VME для использования в инструментальных системах»)
PXI, сокращение
от «compactPCl extension for Instrumentation» («расширение шины Compact-PCI для использования в инструментальных системах»)
Слайд 75Вопросы
1. Какие основные функции могут осуществлять ИИС?
2. Из каких основных
компонент состоит ИИС?
3. По каким основным класификационным признакам подразделяются ИИС?
4.
В чем различие между системами автоматизированного контроля и телеизмерительными системами?