wersja mobilna
Online: 587 Czwartek, 2016.09.29

Raporty

Przemysłowe systemy pomiarowe

piątek, 07 grudnia 2012 11:28

Pomiary, akwizycja danych i testowanie to w przemyśle jedne z najważniejszych zagadnień, bez których większość procesów produkcyjnych, przetwórczych oraz związanych z zapewnianiem jakości nie byłaby możliwa. Różnorodność występujących zagadnień metrologicznych i sposobów pomiarów jest przy tym bardzo duża - obejmują one od pomiarów wielkości elektrycznych do określania wartości czynników środowiskowych oraz od użycia urządzeń przenośnych do zastosowania systemów pomiarowych, w tym często rozbudowanych i pozwalających na przesyłanie dużych ilości danych.

Spis treści » Trzy sposoby na systemy pomiarowe
» A gdy to nie wystarcza?
» Co wybierają polscy klienci i jaka jest rola oprogramowania?
» Przemysł i energetyka głównymi odbiorcami
» Zróżnicowana grupa dostawców
» Koniunktura w branży i kierunki jej rozwoju
» Pokaż wszystko

W bieżącym opracowaniu skupiamy się na ostatnim z obszarów, przedstawiając w formie raportu techniczno-rynkowego dostawców komponentów i modułów do akwizycji danych, umożliwiających tworzenie stanowisk testujących oraz rozleglejszych systemów pomiarowych. Uzupełnienie stanowi omówienie dostawców klasycznej, samodzielnej aparatury pomiarowej, która odgrywa cały czas bardzo istotną rolę - szczególnie w sektorze produkcji elektroniki.

Podobnie jak pomiary stanowią kluczowe zagadnienie w wielu branżach przemysłowych, również w magazynie APA tematyka z nimi związana pojawia się regularnie.

Artykuły dotyczące różnego rodzaju czujników, urządzeń przenośnych i stacjonarnych, w tym specjalistycznych - przykładowo do inspekcji rentgenowskiej - publikowane były w postaci sumarycznie kilkunastu opracowań (patrz rysunek 1), przy czym wiele z nich jest regularnie aktualizowanych.

W bieżącym raporcie przedstawiamy ważny wycinek tematyki poświęconej miernictwu, który dotyczy systemów pomiarowych w przemyśle. Chociaż z rysunku 1 wynika, że jest to jedynie element szerszej tematyki, określenie to obejmuje w rzeczywistości wiele urządzeń i rozwiązań - szczególnie że istnieją…

TRZY SPOSOBY NA SYSTEMY POMIAROWE

Rys. 1. Zestawienie publikacji w magazynie APA i na stronie www.automatykab2b.pl, które poświęcone są czujnikom i aparaturze pomiarowej

Systemy pomiarowe, w odróżnieniu od pojedynczych urządzeń czy też czujników, składają się zazwyczaj z większej liczby elementów, które pozwalają na wykonywanie złożonych pomiarów, akwizycji danych i ich przesyłania oraz automatyzacji procesów pomiarowych. Biorąc jako przykład nawet względnie prosty system do testowania zmęczeniowego elementów mechanicznych, można założyć, że zastosowany musi być w nim odpowiedni kontroler sterujący elementem wykonawczym, zestaw czujników dokonujących pomiary, układ przetwarzający dane, dokonujący ich analizy i komunikujący się z kontrolerem.

Taki system wykonać można na kilka sposobów - używając oddzielnych urządzeń pomiarowych i sterujących, integrując całość w postaci układu kasetowego - np. w standardzie PXI czy korzystając z komputera z odpowiednimi kartami pomiarowymi i sterującymi. Wybór rozwiązania podyktowany jest wymogami co do dokładności, szybkości pracy, liczby punktów pomiarowych, warunków środowiskowych podczas przyszłej eksploatacji oraz możliwości ewentualnej rozbudowy i naturalnie kosztów.

Klasycznym podejściem do pomiarów jest wykorzystanie aparatury typu stand-alone, a więc przyrządów samodzielnych. O ile urządzenia takie jak mierniki, multimetry, analizatory widma czy oscyloskopy to z pewnością standardowe wyposażenie biurka inżyniera elektronika, o tyle mogą one być również wykorzystywane do tworzenia przemysłowych stanowisk pomiarowych i testujących.

Pomimo faktu, że cechują się bardzo dobrymi parametrami metrologicznymi, używane mogą być raczej w niewielkich pod względem złożoności aplikacjach - głównie ze względu na ograniczoną liczbę wejść sygnałowych i możliwości komunikacyjne. W przypadku tych ostatnich ewolucja technologiczna rozpoczęła się ponad pół wieku temu i jej najważniejszymi elementami były popularyzacja interfejsu szeregowego, a następnie General Purpose Interface Bus.

GPIB, który w przypadku aparatury pomiarowej był przez długie lata głównym standardem komunikacyjnym, pozwala na transmisję danych z przepustowością powyżej 1 MB/s i zdalną kontrolę pracy urządzeń (np. synchronizację pomiarów). Ostatnia dekada przyniosła także popularyzację technologii wymiany danych znanych z innych branż - np. USB i Ethernetu, oraz powstanie standardu LXI (LAN Extension for Instrumentation).

TABELA 1. Oferta firm dostarczających modułową aparaturę pomiarową

W aparaturze pomiarowej pojawiły się też interfejsy typowo przemysłowe oraz zaczęły być wykorzystywane sieci bezprzewodowe. Pomimo tych zmian, branża od dłuższego czasu nie może zdecydować się na jeden, uniwersalny rodzaj standardu komunikacyjnego, który pełniłby funkcję analogiczną jak dawniej GPIB.

Z powyższych powodów, a także ze względu na czynniki kosztowe i możliwości tworzenia większych oraz bardziej rozległych systemów, od lat coraz popularniejsze stają się elementy modułowe. Korzysta się tutaj z kilku grup urządzeń, w tym przede wszystkim komputerowych kart akwizycji danych. Występują one w wykonaniach z we/wy analogowymi, cyfrowymi, mogą być też przeznaczone do współpracy z określonymi czujnikami lub mieć funkcje sterujące.

Oferta rynkowa w zakresie takich produktów jest bardzo duża i dobierać je można pod względem m.in. rozdzielczości przetwarzania A/C, częstotliwości próbkowania, liczby we/wy i innych cech. Dostępne są też wersje do sterowania silnikami, terminale przyłączeniowe i inne podzespoły, które pozwalają na rozbudowę systemu według potrzeb klienta.

Inną z grup produktów modułowych są różnego rodzaju przetworniki i podzespoły kondycjonujące. Służą one do przetwarzania informacji o zmierzonych wielkościach fizycznych - takich jak np. temperatura, na standaryzowany sygnał - przykładowo 4?20 mA lub 0?10 V. Moduły takie pozwalają na transmisję sygnału na dalszą odległość, zapewniając też często izolację galwaniczną od reszty systemu.

Ich rozwinięciem są wersje pozwalające na akwizycję danych, czyli moduły DAQ. W tym przypadku do ich wejścia podłączane są czujniki lub inne źródła sygnałów, na wyjściu zaś dane mają postać cyfrową i transmitowane są najczęściej z wykorzystaniem standardu szeregowego albo poprzez Ethernet lub inną sieć.

Tego typu moduły występować mogą w obudowach do montażu na szynie DIN, jako samodzielne, kompaktowe podzespoły lub być montowane w większych systemach, o czym piszemy dalej. Producenci bardzo często w ramach oferty zapewniają całe ich rodziny - zawierające wykonania do współpracy z czujnikami, wersje cyfrowe, kontrolery czy też bramki do sieci komunikacyjnych.

Tego typu produkty mają coraz lepsze parametry pomiarowe (rozdzielczość i dokładność przetwarzania, przepustowość, itp.) oraz funkcjonalne (np. możliwość komunikacji bezprzewodowej), dzięki czemu pozwalają na tworzenie całkiem wydajnych, a przy tym skalowanych i rozproszonych systemów pomiarowych.

Zazwyczaj systemy takie zawierają jakiś element sterujący (komputer przemysłowy, kontroler PAC), a do tego odpowiednie oprogramowanie i dopiero w tej postaci tworzą funkcjonalną całość. Warto dodać, że na rynku, co dotyczy szczególnie przemysłu procesowego, popularyzują się również czujniki inteligentne.

Pozwalają one na pomiary parametrów, takich jak temperatura, ciśnienie czy poziom, przy czym w czujniku zintegrowany jest układ kondycjonowania i przetwarzania sygnałów. Zapewniają na wyjściu sygnał w jednym ze standardów przemysłowych lub wręcz pozwalają na podłączenie do cyfrowej sieci komunikacyjnej (w tym bezprzewodowej).

W takim przypadku kompletny, odporny środowiskowo i wysoce niezawodny system stworzony może być praktycznie z wykorzystaniem produktów od jednego dostawcy - takiego jak przykładowo Emerson czy Honeywell.

A GDY TO NIE WYSTARCZA?

Rys. 2. Najczęściej sprzedawane produkty z omawianej grupy

W przypadku gdy konieczne jest zapewnienie akwizycji dużych ilości danych oraz odpowiednie (np. zsynchronizowane) sterowanie pomiarami, systemy pomiarowo-testujące tworzone mogą być z wykorzystaniem urządzeń kasetowych. To trzecia z możliwości dostępnych dla inżynierów, która wraz ze spadkiem kosztów zakupu tego typu aparatury staje się coraz częściej wybierana.

Systemy typu kasetowego bazują na wykorzystaniu odpowiedniej obudowy z płytą bazową (backplane), do której podłączane są standaryzowane moduły - np. pomiarowe, komunikacyjne lub sterujące. Systemy te, określane też po prostu jako "modułowe", cechują się dużą przepustowością transmisji danych oraz spełniają zazwyczaj podwyższone warunki w zakresie odporności mechanicznej, środowiskowej oraz elektromagnetycznej.

Z tych powodów wykorzystywane są one nie tylko w przemyśle, ale też w bardziej wymagających aplikacjach w transporcie szynowym, energetyce, wojsku i różnorodnych złożonych układach testujących. O ile opisy standardów systemów modułowych takich jak m.in. VME oraz VXI znaleźć można w poprzednich raportach poświęconych tematyce urządzeń pomiarowych (publikacje w APA 2/2008 i 9/2010), o tyle w tym miejscu warto omówić najbardziej popularne obecnie urządzenia kasetowe.

Takimi są te wytwarzane w standardzie PXI (PCI eXtensions for Instrumentation). Bazują one na standaryzowanych pod względem wymiarów modułach i o znormalizowanych sposobach podłączania, również standaryzowane są cechy samych obudów (budowa, chłodzenie, zasilanie, odporność elektromechaniczna).

Daje to możliwość kompletacji systemu z produktów pochodzących od różnych dostawców. Standard PXI bazuje na technologii CompactPCI i zapewnia synchronizację zegarową w obrębie odbudowy oraz możliwość wyzwalania modułów. Typowo kaseta PXI zawiera od kilku do kilkunastu slotów na moduły, ma też wbudowany kontroler i gwarantuje przepustowość transmisji danych na poziomie kilkuset MB/s (lub więcej w przypadku PXI Express, który jest rozszerzeniem omawianego standardu).

Zgodnie z analizami rynkowymi, PXI powinien w kolejnych latach pozostać najpopularniejszym standardem kasetowej aparatury pomiarowej. Obecnie na rynku dostępnych jest globalnie ponad tysiąc różnych produktów od około stu dostawców. Producenci urządzeń PXI zapewniają zazwyczaj odpowiednie oprogramowanie pozwalające na ich uruchamianie i tworzenie aplikacji.

Warto w tym miejscu również wskazać inne rozwiązania, które promują dostawcy działający na rynku. W szczególności popularne są produkty firmy National Instruments, takie jak NI CompactDAQ. Jest to kompaktowy, kasetowy system bazujący na chassis z kontrolerem podłączany do komputera z wykorzystaniem USB, do którego dobierać można różne moduły z oferty kilkudziesięciu dostępnych w firmie.

CompactDAQ jest przenośny, instalowany może być bezpośrednio w stanowiskach pomiarowych pracujących w trudnych warunkach (np. w pojazdach), służąc do zdalnej akwizycji danych i testowania.

CO WYBIERAJĄ POLSCY KLIENCI I JAKA JEST ROLA OPROGRAMOWANIA?

Rys. 3. Najczęstsze wykorzystanie urządzeń i systemów pomiarowych w przemyśle oraz zastosowaniach profesjonalnych

Spoglądając na całość wymienionych w poprzednich rozdziałach urządzeń oraz biorąc pod uwagę opinie polskich dostawców zbierane od kilku lat przez redakcję magazynu APA, można stwierdzić, że wśród polskich firm stopniowo rośnie popularność aparatury modułowej. Oczywiście wybór architektury systemu pomiarowego czy testującego jest każdorazowo podyktowany samą aplikacją, czyli m.in. wymogami co do liczby mierzonych wartości, dokładności, przepustowości danych, możliwości integracji, kwestii występujących warunków środowiskowych i oczywiście ceny.

Niemniej spoglądając na całość opinii, widzimy, że krok po kroku właśnie aparatura modułowa staje się coraz bardziej popularna. Opinie krajowych dostawców urządzeń pomiarowych dla przemysłu dotyczące najczęściej sprzedawanych produktów z omawianej grupy przedstawione zostały na wykresie 2.

Chociaż duży udział procentowy mają tutaj urządzenia samodzielne, sumarycznie najwięcej sprzedawanych jest różnorodnych modułów - i tych samodzielnych i systemowych (w tym urządzeń kasetowych). Również nieźle cały czas sprzedają się różnorodne karty akwizycji danych. W stosunku do wyników sprzed dwóch lat nastąpiły niewielkie zmiany procentowe, aczkolwiek kolejność wymienionych kategorii jest stała.

O ile w poprzednim rozdziale skupiliśmy się na omówieniu urządzeń i generalnie rozwiązań sprzętowych, o tyle należy również dodać, że bardzo istotnym elementem systemów pomiarowych jest oprogramowanie. Jest nim zarówno to o charakterze wbudowanym (np. w urządzenia stand-alone), jak też narzędziowe, służące do komputerowej akwizycji danych, ich przetwarzania, analizy i generowania raportów.

TABELA 2. Oferta firm dostarczających klasyczną aparaturę pomiarową (typu stand-alone)

O tego typu narzędzia zapytaliśmy również w redakcyjnej ankiecie (patrz tabela 1) - zdecydowana większość firm dostarcza jak widać jakiś rodzaj oprogramowania. Standardem jest dołączanie do sprzedawanej aparatury standaryzowanych bibliotek sterowników, które pozwalają na tworzenie aplikacji wykorzystujących określone urządzenia pomiarowe.

Producenci coraz częściej jednak w pakiecie dostarczają bardziej zaawansowane narzędzia - pozwalające na przetwarzanie danych i tworzenie aplikacji pomiarowo-testujących. Szczególną rolę odgrywają w omawianym zakresie produkty firmy National Instruments, która oferuje tzw. wirtualne przyrządy pomiarowe.

Tego typu rozwiązania łączą uniwersalne moduły w warstwie sprzętowej z oprogramowaniem, za pomocą którego definiuje się właściwą funkcjonalność systemu. Najbardziej znanym narzędziem soft ware’owym jest tutaj LabVIEW - pozwala ono na projektowanie kompletnych systemów pomiarowych, testujących i sterujących z wykorzystaniem graficznego języka programowania.

Systemy takie mogą być uruchamiane na różnych platformach sprzętowych, w tym korzystają z takich zaawansowanych rozwiązań jak przetwarzanie wieloprocesorowe i układy programowalne FPGA.



 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Zawory proporcjonalne do sterowania przepływem gazów w zakresie 0...1000 slpm

2016-09-29   |
Zawory proporcjonalne do sterowania przepływem gazów w zakresie 0...1000 slpm

Sierra Instruments informuje o wprowadzeniu do oferty nowej serii zaworów SmartVO do sterowania przepływem gazów. Są to zawory elektromagnetyczne z proporcjonalną kontrolą sygnałem napięciowym 0...5 VDC lub prądowym 4...20 mA, produkowane w obudowach z aluminium i stali nierdzewnej 316L.
czytaj więcej

Chłodziarki Peltiera do obudów przemysłowych

2016-09-29   | Stoltronic Polska
Chłodziarki Peltiera do obudów przemysłowych

Stoltronic oferuje serię modułów chłodniczych do obudów przemysłowych bazujących na ogniwach termoelektrycznych Peltiera. Zapewniają one duża niezawodność i niezłą wydajność jak na klasę elementu chłodzenia.
czytaj więcej

Nowy numer APA