Počítač v analytické laboratoři Rozhraní přístroj-počítač Ing. Pavel Houška, Ph.D. houska.p@fme.vutbr.cz Ústav výrobních strojů a robotiky Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně Cílem je ukázat lidem žijícím ve světě chemie, jak jejich svět může automatizace posunout dále a jim zjednodušit práci a přinést kvalitnější výsledky.. když akceptují, že automatizaci do svého světa vpustí.. 3 Základní části digitálních přístrojů • Elektrické vstupy/výstupy – Vstupy – měříme (snímače,..) • digitální vstupy • komparátory • A/D převodníky – Výstupy – ovládáme (aktuátory,..) • digitální výstupy • D/A převodníky • Komunikační rozhraní (cokoliv) • Uživatelské rozhraní 4 A/D – D/A převodníky • Převádí spojitou analogovou elektrickou veličinu do diskrétní číslicové podoby – převádí diskrétní údaj na analogovou veličinu • Rozlišení (v bitech) – rozsah analogové veličiny je rozdělen na 2n dílů, kde n je počet bytů • Rychlost převodu – udává kolik převodů hodnot/vzorků je převodník schopen provést za sekundu, při dodržení požadované přesnosti • jednotky - SPS – Samples Per Second • někdy bývá uvedena závislost rychlost/přesnost • Typická rozlišení / rychlost • 24bit – od 1SPS do 100kSPS • 16bit – od 10SPS do 10MSPS • 12bit – od 1kSPS do 500MSPS • 8bit – 1kSPS do 50GSPS 5 Rozsahy měření A/D převodníků • Referenční napětí UREF – úroveň, vůči které A/D převodník měří • Unipolární zapojení – měří napětí mezi zemí (0V) a UREF – umožňuje měřit pouze kladné hodnoty napětí • Bipolární zapojení – měří napětí od - UREF do +UREF – umožňuje měřit kladné i záporné hodnoty napětí • Typické rozsahy a jím odpovídající rozlišení UREF 0V 0 2n-1 +UREF -UREF +2n-1-1 -2n-1 Rozsah 12b ADC 16b ADC 24b ADC ±10V 5 000μV 300μV 2μV 0-20mA 6 200nA 400nA 1,5nA 0-1000‰ 0,28‰ 0,017‰ 0,00007‰ 6 Princip A/D převodu •Měřící interval je rovnoměrně rozdělen na 2n dílů •Počet dílů, na které je interval rozdělen odpovídá rozlišení A/D – D/A převodníku n 7 Více vstupů • Přepínané (multiplexované) vstupy – jeden převodník/více vstupů – s počtem vstupů • klesá rychlost měření • klesá cena/vstup • vznikají problémy s posunem v jednotlivých kanálech • Paralelně vzorkované vstupy – jeden převodník / jeden vstup – rychlost měření se nemění – cena za vstup se nemění 8 Přizpůsobení V/V • Výstupy snímačů / vstupy ovládaných soustav je nutné elektricky přizpůsobit V/V přístroje – používáme přístroj/kartu pro odpovídající snímač/aktuátor 9 Binární vstupy a výstupy • Vstup – převádí napěťovou úroveň na vstupu na binární 0 nebo 1 podle předepsaného standardu • Výstup – převádí binární hodnotu 0 nebo 1 na napěťovou úroveň podle předepsaného standardu • Standardy – TTL/CMOS (..5V) – HTL (24V, 12V) 10 Čítače / Časovače • Čítač – čítá změny signálu na vstupu • směr čítání • rozlišení čítače – umožňuje • čítat impulsy na vstupu • Časovač – čítá do zadaného počtu změn signálu na vstupu poté se resetuje a opakuje čítání – při resetu může provést definovanou akci např. • změnu úrovně výstupu • generování časově definovaného průběhu • Hodiny (RTC) – čítač, který má na vstup přiveden signál s konstantní frekvencí – tzv. časovou základnu 11 Komunikační sběrnice • Pro spojování přístrojů/PC • Pro připojování snímačů • Chytré snímače (SMART Sensor) • Umožňuje získávat –parametry snímače –měřenou veličinu v číslicové podobě –diagnostiku snímače • Kombinované snímače –Možnost připojit pomocí jako analogový nebo digitální • Připojování výstupních prvků • Pro připojování ovládacích prvků 12 Základní termíny • Směr komunikace – Jednostranná komunikace • na lince jsou připojena zařízení, která mohou pouze data vysílat a nebo pouze přijímat – Oboustranná komunikace • půlduplexní (jednočinná) –zařízení mohou komunikovat jedním směrem –komunikaci řídí jedno zařízení, které určuje kdo může vysílat • fullduplexní (plný duplex, dvojčinná) –zařízení mohou komunikovat součastně oběma směry, tzn. zařízení může součastně data vysílat i přijímat • Přenosová rychlost – v bitech/s nebo Baudech – včetně režie protokolu 13 Local Area Network • Vychází z referenčního modelu ISO/OSI • Hardwarová úroveň – Ethernet • „Drátový“ protokol pro přenos dat • Dominantní protokol – WiFi • Bezdrátový protokol pro přenos dat • Softwarová úroveň – TCP/IP • adresování zařízení – IP adresa • existuje velké množství nástrojů –knihoven –diagnostických nástrojů 14 Průmyslový Ethernet • Používá se pro real-time aplikace • Existuje několik průmyslový Ethernet protokolů – IEC 61158-x: Fieldbus for use in industrial control systems 15 Sériový port - hardwarová úroveň – UART (Universal Asynchronous Transmission) – Rozhraní • RS232C – na PC označováno jako COM port –umožňuje propojení pouze dvou zařízení mezi sebou –pouze na krátké vzdálenosti • RS422, RS485 –umožňuje spojení několika zařízení na stovky metrů –vhodné do průmyslového prostředí • Bezdrátové moduly –na trhu je množství modulů pro bezdrátovou UART komunikaci –je součástí Bluetooth – Komunikační rychlosti • používá se 2400, 9600, 19200, 115200 Bd 16 USB (Universal Serial Bus) • Vlastnosti – Sériová asynchronní oboustranná půlduplexní komunikace – přesně definovaná sběrnice s robustně a flexibilně navrženým protokolem – definovaným odpojováním a připojováním jednotek za běhu (podporuje princip plug-and-play) – rychlosti • USB 1.1 „Low-speed“ 1.5Mb/s • USB 1.1 „Full-speed“ 12Mb/s • USB 2.0 „High-speed“ 480Mb/s • USB 3.0 „SuperSpeed“ 4.8Gb/s • Nevýhody – nedeterministická odezva 17 USB zařízení • USB-RS232C / USB-RS485 – umožňuje nahradit chybějící COM porty PC – problematická odezva – velmi často problematické ovladače • USB-GPIB • USB-CAN • USB-DAQ – cenově zajímavá zařízení – nevhodná pro aplikace s rychlým zápisem 18 Připojení přístrojů • VISA (Virtual Instrument Software Architecture) • standardizované softwarové rozhraní • umožňuje jednotným způsobem komunikovat s různými přístroji z různých programovacích prostředí • SCPI- (Standard Commands for Programmable Instruments) – Obecný protokol pro komunikaci s přístroji – Fyzická vrstva – GPIB (IEEE488.2), RS232, USB, LAN, .. 19 Software přístrojů • Od SW přístrojů vyžadujeme – deterministické chování – odolnost vůči chybám – vysokou spolehlivost • „Real-time“ systémy – zajišťují výše uvedené požadavky – řídí běh programů • časově kritické části – musí být spouštěny v přesně definovaných intervalech –měření –řízení –bezpečnostní funkce • ostatní kód - má nižší prioritu 20 Typy přístrojů – Klasický • uživatel nemůže měnit ani HW ani SW – Programovatelný • uživatel může definovat jednoduché programy – Virtuální • uživatel může měnit HW moduly a psát vlastní SW 21 Programovatelné přístroje • Vlastnosti – jsou navrženy pro skupinu problémů – disponují V/V vyžadovanými skupinou problému • v konfiguraci přístroje je možné zadat –typy a počet V/V –povolený pracovní rozsah – umožňují definovat posloupnost úkonů v čase • nazývanou jako „program“ • Jedná se o – Záznamové jednotky – Programovatelné regulátory – Řídicí jednotky 22 PLC • Programmable logic controller – Velká skupina přístrojů navržených pro „průmyslovou automatizaci“ – Programují se pomocí standardizovaných programovacích jazyků – Dělí se na: • kompaktní – „jedna krabička“ s minimální rozšiřitelností • modulární – CPU modul + karty • Distribuované – CPU + „ostrovy s kartami“ 23 PC jako virtuální přístroj • Nutnost doplnění PC o V/V • Multifunkční karty • PCI • PCIe • USB • Výhody • univerzálnost • rychlost vývoje aplikace • Nevýhody • velké rozměry • pouze pro laboratorní a kancelářské pracovní prostředí 24 Průmyslová PC a PXI Systémy • „Odolná PC“ – podobné součásti jako PC, ale s • rozšířeným teplotním rozsahem • odolné průmyslovému prostředí • snížená spotřeba • Podobné vlastnosti jako PC • Typy – Box PC – Panelová PC – PXI Systémy • PCI eXtension for Instrumentation –Mezinárodní standard –existuje více jak 1500 rozšiřujících modulů od různých výrobců 25 Softwarové knihovny pro práci s přístroji • NI-DAQmx – DAQ - Data Acquisition – Knihovna funkcí pro práci DAQ hardwarem • rozhraní pro C/C++, C#, VB.NET, LabVIEW.. • Obsahuje průvodce pro konfiguraci HW –„Task“ • definuje skupinu vstupů nebo výstupů, které budou používány » vlastnosti jednotlivých vstupů » způsob připojení » rychlost a způsob vzorkování • je vyžadován funkcemi pro čtení/zápis • VISA - rozhraní pro ovládání přístrojů – Unifikuje práci s různými přístroji připojenými přes sběrnice • Ethernet, USB, RS-232,.. – NI-VISA – implementace rozhraní společností NI • rozhraní pro C/C++, C#, VB.NET, LabVIEW.. • obsahuje průvodce pro realizaci připojení přístroje 26 Kompaktní systémy • NI CompactRIO • Compact Reconfigurable I/O 27 Co je to FPGA • Field-Programmable Gate Array 28 Struktura V/V cRIO – Přizpůsobení signálů je realizováno na úrovni V/V modulů