Postavljanje PC sistema za akviziciju podataka, merenje i procesno upravljanje (u daljem tekstu DAQ) u optimalan radni režim može biti težak projekat ako ranije niste bili u prilici da se upoznate sa hardverskim i softverskim komponentama ovakvih uređaja. Saveti i upustva u daljem tekstu imaju za cilj da pomognu novim korisnicima DAQ sistema, kao i onima koji nisu potpuno verzirani u primeni i izradi aplikacija. Ovi saveti treba da budu podsticaj i ohrabrenje novim korisnicima odnosno, treba da ih učine spremnijim za probleme koji ih očekuju, kao i da ih upute u metode koje se koriste u merenju i procesnom upravljanju.

U najvećem broju slučajeva teškoće u primeni industrujskih PC kontrolera i sistema za akviziciju podataka nastaju kada korisnici prelaze sa tradicionalne relejne PLC tehnologije ili standardne benchtop instrumentacije i sa tradicionalnih načina merenja na PC-bazirane uređaje a naročito kada nisu upoznati sa terminologijom koja se koristi u ovim sistemima. Novi korisnici se po prvi put sreću sa ovakvim hardverom i ponekad imaju teškoća da ga pravilno razumeju a kasnije i instaliraju i koriste. Novajlije jednostavno nemaju predhodna iskustva i kod izbora hardverskih komponenata za svoju specifičnu primenu. 

Na osnovu dugogodišnjeg iskustva sa korisnicima, u nastavku, biće sumirani najčešći problemi i diskutovana rešenja za njihovo otklanjanje. Poslednji dopisani tekst na ovoj strani urađen je 20.04.2002.

Neke preporuke za izbor procesorskog modula

Pre nego što se odlučite koji PC bord treba da specificirate za naše industrijske PC kontrolere A2, A7, ili za vaš lični industrijski PC dizajn, potrebno je da predvidite sve pojedinosti buduće aplikacije. Nekoliko sledećih pitanja i odgovora treba da vas podsete na eventualna unapređenja ili ograničenja, što može biti važno za vaše buduće opredelenje:

1. Koji operativni sistem (OS) imate nameru da koristite?  
Obratite pažnju na to da različiti operativni sistemi imaju različite zahteve po pogledu hardvera, posebno procesora, memorije i diska. 

Kada imate u planu upotrebu Windows-a potrebe za resursima rastu "eksponencijalno" u odnosu na druge primene. Drugim rečima, moraćete da upotrebite procesorki bord koji angažuje veliku snagu iz izvora za napajanje. Rezultat je da izvor za el. napajanje (PSU) u vašem kontroleru mora biti veće snage a ovo najčešće znači da treba primeniti PSU sa prinudnim hlađenjem. To opet znači da ćete imati pokretne delove u sistemu, filtar za vazduh i obavezu da ga čistite s vremena na vreme itd. Takođe, ovakva konfiguracija zahteva hard disk i veću memoriju. Performanse koji ovaj sistem donosi su velika procesorska moć i standardni, isprobani softverski alati i ako je ovo neophodno za datu aplikaciju na pravom ste putu. Da se podsetimo, postoji veliki broj aplikacija koje ne možete rešiti nikakvim drugim sredstvima nego samo ovakvim ili sličnim snažnim i nažalost skupim konfiguracijama. 

Ako ste DOS, Linux, ili QNX korisnik problema će biti manje. Low power varijanta je enegetski malo zahtevna i ovakav PC procesorski modul se veoma lako aplicira. On takođe zahteva manje memorije a umesto hard diska najčešće će biti optimalan FLASH poluprovodnički disk od nekoliko gigabajta, u zavisnosti od aplikacije. Sa ovakvom konfiguracijom otvaraju vam se putevi za projektovanje mobilnih sistema i rešenja za primene u ambijentu u kome postoje vibracije, što tretiraju i sledeća dva pitanja. 

2. Da li je vaša aplikacija mobilnog tipa? 
Ako jeste, možda je potrebno razmisliti o nabavci pre štedljivog nego snažnog procesorskog modula jer on može biti veliki potrošač vaših baterija ili akumulatora ukoliko kod njih postoje neka ograničenja.

3. Da li ambijent u koga instalirate vaš industrijski PC ima vibracija? 
Može se postaviti i dodatno pitanje: Iz kog dela spektra potiču i kojeg su inteziteta? U svakom slučaju vibracije su prepreka za kvalitetnu primenu PC sistema koji ima rotacione delove kao što je hard disk. Ova prepreka se može zaobići upotrebom low power modula, jer oni ne zahtevaju ventilator za hlađenje. Takođe, FLASH disk (SSD) je idealna zamena za mehanički hard disk jer on nema pokretne komponente. Pošto ovakav sistem za rad troši malu energiju neće biti potreban sistem za napajanje sa ventilatorom. Upotreba ovakve konfiguracije ne zahteva gotovo nikakvo održavanje. 

Međutim, ako je za datu aplikaciju i primenjeni softver potrebna velika procesorska snaga, sistem sa low power procesorom neće zadovoljavati ove zahteve. U nekim situacijama rešenje za ovu prepreku je moguće naći u optimizaciji softverskog koda i upotrebi manje zahtevnog operativnog sistema. Bolje rešenje je upotrebiti nešto skuplji SSD, odnosno poluprovodnički disk velikog kapaciteta i brzine. Ovde ostaje još problem ventilatora, ali upotrebom ventilatora sa magnetnim ležajevima (maglev), moguće je sprečiti oštećenja ležaja u okruženju sa vibracijama.

4. Kolika je temperatura ambijenta? 
Vodite računa da ovi procesorski moduli mogu sigurno da rade u ambijentu gde temperatura ne silazi ispod nule i ne prelazi 50C. Ako vaša aplikacija zahteva širi temperaturski opseg tada treba razmisliti o primeni grejača za prostor gde je instaliran kontroler da bi se temperatura ambijenta povećala na prihvatljiv nivo ili o dodatnom prinudnom hlađenju kako bi se temperatura ambijenta snizila ispod maksimalno specificirane. Naravno da će ove dorade prouzrokovati dodatne troškove ali se u krajnjem iznosu sve ovo isplati imajući u vidu visoke procesorske performanse koje se dobijaju u odnosu na primenu slabašnih mikro kontrolera ili tradicionalno ograničenih PLC sistema. 

Da zaključim, temperata ambijenta je vrlo važan faktor koji određuje izbor procesorskog modula, OS i način izvođenja instalacije sistema. Uvek je lakše izaći na kraj sa niskim temperaturama ambijenta nego sa visokim. 

5. Da li vaša aplikacija zahteva lokalni monitoring ili ne?  
Ako vam lokalni monitoring i vizuelizacija procesa nije neophodna jer vaš procesorski modul radi kao udaljena stanica distribuiranog sistema ili kao RTU tada modul sa low power procesorom može biti apliciran sa najmanjim finansijskim ulaganjem, jer se često najviše procesorske snage troši na vizuelizaciju.

6. Da li budući sistem treba da radi kao data loger?
Ako treba kontinualno da snimate izmerene podatke na disk u dužem vremenskom intervalu ili ako je aplikacija mobilna ili sistem radi kao udaljena stanica bez ljudske posade sa nestabilnim napajanjem preporučuje se opet platforma sa malom potrošnjom. Ali, ako imate potrebu da podatke obrađujete i snimate velikom brzinom (50 -100 KHz) verovatno ćete morati da investirate u jaču platformu sa svim troškovima koje ovaj bord nosi. ED ima jedno dobro rešenje za ove primene pod imenom A2 Logger.

7. Koliku energiju zahtevaju procesorski moduli?
Najštedljiviji potrošač je low power procesorski modul za A7 koji troši tipično 7W. Ova potrošnja zavisi, naravno, od trenutno aktuelnog procesora. A2 procesorski moduli su generalno veći potrošači, ali kod njih je moguća instalacija ventilatora. 

Kada se primenjuje Single Ended  a kada Differential konfiguracija?

Slika 1. je blok dijagram osnovnog ulaznog stepena u DAQ sistemu, i ilustruje neke koncepte koji ćemo u nastavku razjasniti.

 

Slika 1. Ulazni stepen u DAQ sistemu i veze između izvora za napajanje, mase i signala.

 

Početna grešaka koju korisnici ponekad prave je pogrešan izbor ulazne merne konfiguracije. Skoro svi komercijalni sistemi za akviziciju podataka mogu da se konfigurišu sa zajedničkom masom (Engl. Single Ended - u daljem tekstu SE) ili u diferencijalnom spoju (Engl. Differential - u daljem tekstu DIFF). Kako korisnik bez iskustva može da proceni koju od ove dve konfiguracije treba da upotrebi? Za početak znamo da je pravilan izbor jedan od uslova za tačno merenje.

Slika 1. pokazuje da DAQ sistem radi sa izvorom za napajanje, koji je referisan u odnosu na masu napajanja računara. Ova masa je spojena na kućište računara (uzemljenje) obično preko šuko utičnice. Korisnik treba da omogući da struja curenja (leakage current) teče od ulaza u DAQ sistem, natrag u izvor za napajanje. Obezbeđenjem ovog povratnog puta, možete rešiti ovaj problem dodavanjem otpornika prema masi, kao što je prikazano na Slici 2.

 

Slika 2. Otpornik prema masi pravi put za struju curenja.

 

(Napomena: Vodite računa o signalima koji su generisani u različitim konfiguracijama Vitstonovog mosta, jer u nekim slučajevima dodavanje otpornika na opisani način može da prouzrokuje greške u merenju).

ED-ovi priključni paneli, DAQ sistemi i analogno-digitalni moduli za PC kontrolere imaju mogućnost instalacije otpornika za oticanje struje tako da korisnik u slučaju potrebe može lako da ga instalira, najčešće bez lemljenja. 

Konfiguracija sa zajedničkom masom (Single Ended)

Merenje napona je ustvari praćenje potencijala između dve tačke. DAQ sistemi konfigurisani sa SE ulazom konfiguracijom koriste kućište računara kao zajedničku referencu za sve ulaze. Ova konfiguracija je dobra za praćenje signala koji rade sa izolovanim napajanjem. Za signale, veza sa sistemom za merenje se ostvaruje sa dva provodnika, koji povezuju signal i “masu”. “Masa” se spaja sa kućištem računara, a signal se vodi na ulaz DAQ sistema. 

U ovakvoj situaciji, pošto je spoljni signal izolovan, kroz provodnik koji je priključen na DAQ sistem teče jedino struja curenja. Sa malom strujom curenja, međuveza bi trebala da bude jako dugačka, pa da pad napona na provodniku postane dovoljno velik da prouzrokuje probleme u merenju.

Kondicioneri signala sa izolovanim izlazom mogu takođe, vrlo tačno da mere u single-ended konfiguraciji. Sa jednim izlaznim priključkom (obično onim na nižem potencijalu, ali nije neophodno) spojenim na masu računara, i drugim spojenim na signalni ulaz sistema, mogu da se dobiju tačna merenja, pošto izolovani izlaz ima samo struju curenja koja teče između kondicionera i DAQ sistema.

Kada se koristi single-ended  konfiguracija kod kondicionera koji nemaju izolovano napajanje, promena napona u tački merenja potiče isključivo od promene mernih parametra. Ako se, na primer, merni ulaz spoji na otpornik za senziranje struje izvora za napajanje, koja se vraća sa naizmeničnom strujom linije za napajanje, korisnik može imati lažnu indikaciju o struji koja teče u izvor napajanja. U takvoj situaciji, bilo koja naizmenična struja koja teče kroz kabl za napajanje računara će proizvoditi serijski napon između kućišta računara i mase izvora za napajanje. U SE konfiguraciji, sistem za akviziciju će izmeriti i prikazati sumu napona izvora za napajanje i pada napona koji nastaje na kablu za napajanje računara.

Pojednostavljeno, SE ulaz ima dva priključka: ulaz signala i masu. Sistem za akviziciju podataka meri razliku između signala i mase (odnosno zemlje PC-a jer je ovaj po pravilu uzemljen). Ovaj princip zahteva da izvor signala jednim svojim krajem bude umašen odnosno da je na istom potencijalu kao i šasija PC-a. SE ulaz je za korisnika najjeftinija opcija. 

Diferencijalna merna konfiguracija (Differential)

Diferencijalna merna konfiguracija je pogodna za merenje signala, kada se signal od interesa ne meri u odnosu na masu ili kada se meri u odnosu na masu koja se razlikuje od mase računara. Diferencijalna konfiguracija omogućava merenja signala u prisustvu šuma.

Mnogi od nas mere signale generisane na različitim konfiguracijama Vitstonovog mosta. Neki od senzora koji koriste mosnu mernu konfiguraciju su senzori za merenje naprezanja i pritiska, odnosno merne ćelije za silu. Najčešće, takvi senzori imaju četiri priključka (+ ulaz, - ulaz, napajanje i povratni vod napajanja), pri čemu se generisani potencijali nalaze na približno polovini potencijala napajanja i povratnog voda napajanja. Uobičajeno je da ovakvi senzori rade sa naponom napajanja od 10 V i imaju pun opseg izlaznog signala od 30 do 50 mV. U takvim aplikacijama, potrebno je izmeriti potencijalnu razliku između dva izlazna priključka sa tačnošću od nekoliko mikrovolti, pri čemu je potencijal svakog priključka približno 5 V. 

Sledeći primer je kada se zahteva diferencijalna merna konfiguracija za merenje struje izvora za napajanje, što je opsano u prethodnom odeljku. Ako korisnik konfiguriše akvizicioni sistem za diferencijalno merenje, spajanjem (+) ulaza na jednu stranu otpornika, a (-) ulaza na drugu, DAQ sistem će meriti samo razliku napona između ta dva ulaza. Sve dok DAQ ima dovoljno širok propusni opseg, diferencijalni ulaz će onemogućiti da bilo kakav frekventni linijski signal, koji se generiše između kućišta računara i mase izvora za napajanje, dođe do A/D konvertora DAQ sistema. U takvoj konfiguraciji, merenje će korektno interpretirati struju izvora za napajanje.

Struja curenja (leakage current) i kako se postupa sa njom

I za diferencijalna i za single-ended merenja, korisnici treba da znaju da je struja curenja od “najveće važnosti” i da zahteva povratnu putanju ka izvoru za napajanje. U single-ended merenju, tu putanju obezbeđuje veza koja spaja naponske referentne tačke (masu i kućište).

Ali, u diferencijalnoj konfiguraciji postoji realna opasnost da se povratna putanja prekine, što može da prouzrokuje netačna i nestabilna merenja. Pogledajmo zato prethodni primer sa Vitstonovim mostom. Pretpostavimo da je povratni vod napajanja mosta spojen na kućište računara. U takvoj konfiguraciji, most ima zatvorenu povratnu putanju ka izvoru napajanja, obezbeđujući tačno i stabilno merenje.

Međutim, ako je Vitstonov most spojen na izolovani izvor za napajanje (ili bateriju) i ako nije ostvarena veza između izvora za napajanje i računara, neće postojati povratni put za struju curenja ka sistemu za akviziciju. Jedan od načina za funkcionisanje mosta u ovakvoj konfiguraciji je da se umetne otpornik između povratnog voda napajanja mosta i šasije računara. Pošto je u ovom slučaju napajanje mosta izolovano, neće teći bilo kakva struja kroz otpornik prema računaru, ali sada struja curenja ima zatvoren povratni put.

Jedan primer netačnog merenja, prouzrokovanog nepostojanjem povratnog puta za struju curenja, je ilustrovan na slici 2. Bez otpornika, struja curenja sa ulaza mernog sistema bi mogla da napuni bateriju do nivoa iznad kojeg sistem ne može tačno da meri taj napon. Postavljanjem otpornika, struja curenja teče sa ulaza akvizicione kartice kroz otpornik, a zatim natrag u izvor za napajanje. Sa DAQ karticom koja ima visokoimpedantni ulaz, struja curenja je isuviše mala da bi prouzrokovala znatniju grešku merenja.

Kako Common Mode napon utiče na merenja?

Common Mode napon (CMV) je zajednički signal, koji se pojavljuje istovremeno na oba ulazna priključka diferencijalno konfigurisanog akvizicionog modula. Ako se podsetimo prethodnog primera sa Vitstonovim mostom, Common Mode napon iznosi 5 V. Ako nivo CMV, uvećan za iznos mernog signala, premašuje ulazni merni opseg kartice, doći će do netačnog merenja. Na primer, ako je akvizicioni modul konfigurisan za pun merni opseg od 10 V, a očekuje se da diferencijalni ulaz neće preći 6 V, korisnik mora da obezbedi uslove u kojima je CMV manji od 4 V.

Da bi se sprečilo oštećenje DAQ sistema, treba proveriti da ukupni rezultantni napon (CMV + merni signal) ne prekorači maksimalni dopušteni napon DAQ sistema.

U slučajevima kada se mere mali diferencijalni naponi, a merenje zahteva visok CMV, korisnik treba da koristi module za kondicioniranje signala koji diferencijalni napon svode na dopušteni merni opseg DAQ sistema, u kojem je obezbeđeno tačno merenje.

Kada nastaju oštećenja?

Specifikacija maksimalnog nivoa prenapona variraju od kartice do kartice i od proizvođača do proizvođača ali je uobičajena vrednost do ±35 V. Korisnik mora da zna da ova specifikacija definiše maksimalni nivo napona koji sistem može da izdrži bez oštećenja. Korisnik mora biti siguran da nivo napona koji želi da meri neće prekoračiti granice prenaponske zaštite sistema.

Zašto sistem ne radi?

Pre nego što započnete aplikaciju, proverite da li su svi fizički ulazi u DAQ karticu u saglasnosti sa softverskim opcijama vašeg PC-a. To znači da programabilni parametri DAQ modula koji se unose sa kontrolnog panela, kao što su broj kanala, brzina skeniranja, naponski opsezi, pojačanje i ulazna merna konfiguracija (single-ended ili diferencijalna) treba da budu setovani na način koji je konzistentan sa opcijama koje su specificirane softverom.

Kada treba dodati izolacione module?

Izolacija omogućava da između senzora i sistema za akviziciju, ne protiče struja. Ako se na DAQ sistem dodaju izolacioni moduli, CMV signal može da “pliva” do naponskog nivoa izolacije, koji obično za ED-ove ISO komponente iznosi od 750 do 1500 V. Izolacione jedinice se ponekad koriste između DAQ sistema i izvora signala da potisnu CMV. Izolovani sistemi se koriste za merenja ali i za zaštitu jer se sa ovim komponentama može otkloniti potencijalna opasnost za DAQ module, računar i za ljude koji rade sa ovom opremom.

Kako postići bolje performanse? - akvizicija podataka

Za dobar početak potrebno je izabrati odgovarajuću ulaznu konfiguraciju. Početnik treba da zna da postoje dva nezavisna parametra, koji definišu četiri moguće ulazne konfiguracije. Prvi parametar definiše unipolaran ili bipolaran rad, a drugi parametar definiše diferencijalno ili single-ended merenje. Imajući u vidu prethodno diskutovane single-ended i diferencijalne konfiguracije, evo nekoliko sledećih primera koji će vas voditi do optimalnih performansi DAQ sistema.

Izaberte odgovarajući ulazni polaritet napona
Za svaku aplikaciju postoji samo jedna ulazna opcija, od četiri moguće, koja će obezbediti najtačnije merenje. Međutim, da bi odabrali najbolju opciju, morate da znate polaritet signala koga treba da merite. Na primer, u aplikaciji kojom se ispituje neki materijal metodom otklona svetlosnog zraka, ako se zrak uvek otklanja samo na jednu stranu (ili samo sabijanje uzorka materijala, na primer), sistem treba konfigurisati za unipolaran rad. Ista je stvar ako se uzorak izlaže samo rastezanju. Ali, ako se uzorak izlaže naizmenično i sabijanju i rastezanju, neophodno je konfigurisati opciju koja omogućava bipolaran rad.

Izaberite odgovarajući ulazni naponski opseg
Opšte je pravilo da DAQ sistem treba da se konfiguriše tako, da naponski opseg signala koji se meri, treba da pokriva pun merni opseg akvizicione kartice. Na primer, ako se merni signal menja samo u opsegu od ±20 mV, a DAQ modul je konfigurisan za opseg od ±10 V, veći deo dinamičkog opsega sistema nikada neće biti iskorišten. Izbor ulaznog opsega određuje i rezoluciju merenja.

Rezolucija i pun opseg ulaznog napona su u korelaciji !
Da bi se iskoristile prednosti koje pružaju četiri raspoložive ulazne konfiguracije DAQ sistema, treba da izaberete konfiguraciju koja maksimizira rezoluciju sistema. Često se eksperimentalni rezultati mogu unaprediti prebacivanjem senzora ili signalnog izvora sa bipolarnog na unipolaran rad. Ako se bipolarni ulaz koristi za merenje unipolarnog signala, rezolucija se može udvostručiti prebacivanjem konfiguracije na unipolaran rad. Na primer, ako korisnik želi maksimalnu rezoluciju pri merenju napona od (0-5) V, a selektovao je bipolaran ulaz, A/D konvertor koristi 12 bita da obezbedi rezoluciju od 1/4096 za pun opseg od 10 V (±5 V). U ovakvoj konfiguraciji, rezolucija iznosi 2.44 mV/bit (10 V/4096). Ako se umesto toga izabere unipolaran ulaz, rezulucija će se unaprediti na 1.22 mV/bit, pošto A/D konvertor koristi istih 12 bita za opseg od samo 5 V. Ovi rezultati pokazuju da se za dati broj bitova postiže veća rezolucija, što je manji naponski span.

Problemi sa nadgradnjom računarskog sistema

Kada vršite unapređenje DAQ sistema sa novim PC-om, potrebno je  proveriti mogućnosti novog računara u odnosu na stari. Pošto svi računari ne koriste svoje resurse na isti način, novi računar može da ne radi za korisnika na transparentan način, pa će biti neophodne promene u programiranju. Prilikom instalacije DAQ sistema sa starog na novi PC, uputno je uvek misliti na potencijalne probleme u konfiguraciji. Treba obratiti pažnju i na upotrebu novijih operativnih sistema, jer oni često nisu u potpunosti ili uopšte kompatibilni sa drajverima za prethodni OS.

Nastaviće se...