ARGUMENT

Proiectul ales se intitulează “Sisteme de achiziţie a datelor” şi conţine trei capitole.Utilizarea calculatoarelor numerice în industrie şi cercetare se face pe scară din ce în ce

mai largă pentru rezolvarea problemelor numerice şi prelucrarea datelor, în aplicaţiile concrete care implică cercetarea ştiinţifică fundamentală şi experimentele de laborator, la simularea proceselor, pentru controlul şi conducerea proceselor precum şi în aplicaţiile din domeniul transmiterii informaţiei.

În primul capitol am tratat noţiuni fundamentale despre sisteme de achiziţii de date, am descris componentele principale ale unui sistem de achiziţie modern: calculatorul personal (personal computer), traductoarele (transducers), condiţionerul de semnale (signal conditioning), echipamentele de achiziţie şi analiză a datelor (data acquisition and analysis hardware), programele de achiziţie (software).

Capitolul 2 conţine noţiuni despre structura sistemelor de conducere a unui proces, calculatorul de proces.

Utilizarea calculatoarelor în conducerea proceselor industriale trebuie privită ca fiind o componentă dintr-un sistem complex de conducere automatizat.

Apariţia sistemelor de interfaţă cu procesul a deschis perspective largi utilizării calculatoarelor în conducerea proceselor. Sistemul de interfaţă realizează adaptarea caracteristicilor informaţiilor din proces la cele ale informaţiilor care pot fi introduse în calculator precum şi a caracteristicilor informaţiilor produse de calculator la cele ale comenzilor acceptate de proces. Astfel, s-a trecut la o nouă etapă în care calculatorul este mult mai aproape de proces, având şi posibilitatea de funcţionare în condiţii industriale.

În capitolul al treilea am descris metodologia de achiziţie a datelor experimentale.Prin utilizarea calculatorului ca un „controler” central pentru toate instrumentele

sistemului de măsură s-au putut integra şi coordona mai multe instrumente de măsură într-un singur sistem.

Apariţia plăcilor de achiziţie modulare a eliminat necesitatea cuplării la un procesor dedicat şi a existenţei programelor integrate şi memoriei în interiorul instrumentelor de măsură independente. Avantajele oferite de plăcile de achiziţie au fost următoarele: componentele calculatoarelor au căpătat dimensiuni mai mici, s-au redus costurile şi au crescut performanţele sistemelor de măsură.

Dezvoltarea mediilor specifice de măsurare a condus la dezvoltarea instrumentelor puternic integrate de control şi achiziţie a datelor, analiză şi vizualizare a acestora.

Tehnologiile moderne, de exemplu Microsoft.NET, permit conectivitatea între sisteme aflate la distanţă.

Capitolul 1

NOŢIUNI FUNDAMENTALE

4

Utilizarea calculatoarelor numerice în industrie şi cercetare se face pe scară din ce în ce mai largă pentru rezolvarea problemelor numerice şi prelucrarea datelor, în aplicaţiile concrete care implică cercetarea ştiinţifică fundamentală şi experimentele de laborator, la simularea proceselor, pentru controlul şi conducerea proceselor precum şi în aplicaţiile din domeniul transmiterii informaţiei.

Un sistem de achiziţie are în general trei componente principale (fig.1 şi 2): - achiziţia datelor (analogică); - transformarea datelor; - prelucrarea datelor.

Fig.1 – Structura generală unui sistem de achiziţie de date

Fig.2 – Amplasarea sistemului de achiziţie a datelor în cadrul procesului asistat

Componentele de bază ale unui sistem de achiziţie modern sunt (fig.3): - calculatorul personal (personal computer); - traductoarele (transducers); - condiţionerul de semnale (signal conditioning);

5

- echipamentele de achiziţie şi analiză a datelor (data acquisition and analysis hardware);

- programele de achiziţie (software).

Fig.3 – Structura unui sistem tipic de achiziţie a datelor bazat pe PC Dicţionar: transducers = traductoare; signal conditioning = condiţioner de semnale; data acquisition and analysis hardware = echipament de achiziţie a datelor şi analiză; personal computer = calculator personal (PC); software = programe.

A. Calculatorul personal Atât procesoarele moderne cât şi arhitectura magistralelor de comunicaţie permit

utilizarea calculatoarelor personale în structura sistemelor de achiziţie a datelor. Odatăcu alegerea echipamentului de achiziţie şi arhitecturii magistralei de comunicaţie trebuie să se opteze şi pentru metodele de transfer al datelor care vor fi folosite în procesul de achiziţie şi prelucrare.

Calculatorul care va fi utilizat pentru achiziţia datelor poate afecta considerabil viteza maximă de achiziţie continuă a datelor; o alternativă modernăşi flexibilă este cea care utilizează calculatoarele portabile. Echipamentele care formeazăun sistem de calcul (numite hardware) sunt următoarele:

unitatea centrală de prelucrare, care efectuează calculele şi urmăreşte realizarea secvenţială (pas cu pas) a programului (interpreteazăşi procesează informaţiile); memoria centrală în care sunt păstrate temporar instrucţiunile şi datele procesate; echipamentele periferice, utilizate pentru introducerea datelor în calculator (echipamente de intrare), pentru extragerea datelor din calculator (echipamente de ieşire) şi pentru memorarea pe termen lung a programelor şi datelor (echipamente de memorie auxiliară).

Factorul care poate limita achiziţia unei cantităţi mari de date este adesea capacitatea discului fix al calculatorului. Timpul de acces la disc şi fragmentarea acestuia pot reduce semnificativ viteza maximă la care datele pot fi achiziţionate şi transferate pe disc.

Pentru sistemele care trebuie să achiziţioneze semnale de înaltă frecvenţă, este indicat să se aleagă o unitate de disc cu viteză mare şi să se asigure un spaţiu liber şi nefragmentat (contiguu) pe disc, suficient de mare pentru colectarea datelor. În plus, este util să se dedice un disc fix numai pentru achiziţia datelor iar sistemul de operare să fie rulat de pe un disc separat atunci când datele sunt transferate pe disc.

Aplicaţiile care solicită procesarea în timp real sau semnale de înaltă frecvenţă necesită procesoare pe 32 biţi sau 64 biţi de viteză mare, cu coprocesor sau un procesor de semnale digitale (DSP – digital signal processing). În cazul în care aplicaţia achiziţioneazăşi scalează

6

numai o citire, odată sau de două ori pe secundă, poate fi utilizat un PC fără performanţe deosebite.

B. Traductoarele şi condiţionerele de semnale

Traductoarele sesizează fenomenele fizice şi generează semnalele electrice pe care le măsoară sistemul de achiziţie. De exemplu, termocuplele, termistoarele, etc. convertesc temperatura într-un semnal analogic pe care un convertor analog-digital îl poate transforma în semnal numeric. La fel, alte tipuri de traductoare cum ar fi cele de debit, de presiune, de forţă etc., măsoară debitul, presiunea, forţa, etc. şi produc un semnal electric proporţional cu parametrul fizic pe care îl monitorizeazăşi care trebuie măsurat.

Semnalele pot fi clasificate în două categorii:

a. semnale analogice Un semnal analogic poate fi orice mărime variabilă în raport cu timpul, de exemplu:

tensiunea, temperatura, presiunea, sunetul şi sarcina. Caracteristicile primare ale unui semnal analogic sunt (fig.4):

nivelul: deoarece semnalele analogice pot lua orice valoare în raport cu timpul, nivelul oferă informaţii vitale referitoare la semnalul analogic măsurat; când se măsoară nivelul unui semnal, semnalul nu se schimbă rapid în raport cu timpul. Precizia măsurării este foarte importantă. forma: semnalele sunt denumite în funcţie de forma lor specifică: sinusoidal, pătratic, dinţi de fierăstrău şi triunghiular. Forma unui semnal analogic poate fi la fel de importantă ca şi nivelul, deoarece măsurarea formei unui semnal analogic permite o viitoare analiză a semnalului, incluzând valorile de vârf, panta, etc..frecvenţa: un semnal analogic poate fi caracterizat prin frecvenţa sa. Aceasta nu poate fi măsurată direct, semnalul trebuind să fie analizat cu ajutorul programelor specifice pentru a determina informaţiile referitoare la frecvenţă.

Fig.4 – Caracteristicile primare ale unui semnal analogic

b. semnale digitale

7

Un semnal digital nu poate lua orice valoare în raport cu timpul. Un semnal digital poate avea două niveluri posibile: superior şi inferior. În general, semnalele digitale se conformează anumitor specificaţii. Informaţiile utile care pot fi măsurate pentru un semnal digital sunt (fig.5):

starea – Semnalele digitale nu pot lua orice valoare în timp. Starea unui semnal digital este în esenţă nivelul semnalului: on sau off, superior sau inferior. viteza – Defineşte modul în care semnalul îşi schimbă starea în raport cu timpul. Rata de eşantionarea semnalelor digitale măsoară cât de des apare o secvenţă a semnalului, nefiind necesar un program special de calcul.

Fig.5 – Caracteristicile primare ale unui semnal digital

Unele traductoare generează semnale prea dificil sau prea periculos a fi măsurate direct cu un echipament de achiziţie, de exemplu când apar măsurări simultane sau valori extreme.

Semnalele electrice generate de traductoare trebuie să fie optimizate din punctul de vedere al nivelului de intrare în echipamentul de achiziţie. Condiţionerul de semnale amplifică semnalele joase, apoi le izoleazăşi le filtrează pentru măsurări mai precise. El măreşte precizia sistemului, permite traductoarelor să funcţioneze corect, precis şi în condiţii sigure.

Este important ca pentru condiţionerul de semnale să se selecteze echipamentul adecvat. Aceste echipamente pot fi furnizate atât ca module cât şi ca echipamente integrate (fig.6).

Fig.6 – Variante de echipamente pentru condiţionarea semnalelor oferite de firma National Instruments

Condiţionarea semnalelor poate fi folosită pentru: 8

amplificare: este cea mai comună aplicaţie şi are ca scop mărirea preciziei la maximum posibil; izolare: semnalul traductorului este izolat galvanic de calculator, pentru siguranţă; multiplexare: este o tehnică comună de măsurare a mai multor semnale cu o singură operaţie de măsurare; filtrare: scopul este îndepărtarea semnalelor nedorite din semnalul care trebuie măsurat; excitare: unele traductoare au nevoie de semnale externe în tensiune sau curent pentru excitaţie; linearizare: multe traductoare au un răspuns neliniar la variaţiile mărimilor care sunt măsurate.

C. Echipamentele de achiziţie

Acestea au rolul de interfaţă între calculator şi mediul extern (fig.7) deoarece digitizează semnalele analogice de intrare, astfel încât calculatorul să le poată interpreta.

Fig.7 – Variante de echipamente de achiziţie ale firmei National Instruments

Specificaţiile de bază disponibile pentru majoritatea sistemelor de achiziţie se referă la: numărul de canale analogice de intrare; rata de eşantionare – determină frecvenţa conversiilor; o rată mare de eşantionare permite achiziţia mai multor date într-un interval de timp dat şi poate de aceea să ofere o mai bună reprezentare a semnalului original; multiplexarea – permite măsurarea mai multor semnale în acelaşi timp; rezoluţia – este numărul de biţi pe care convertorul analog-digital îl utilizează pentru a reprezenta semnalul analogic; domeniul – reprezintă diferenţa dintre nivelurile de tensiune minim şi maxim pe care convertorul analog-digital le poate cuantifica.

D. Programul de achiziţie Programele de calcul (numite generic software) se împart în trei mari categorii: programe sistem - controlează operaţiile efectuate de sistemul de calcul şi asigură

legătura între componenetele acestuia şi programele de aplicaţie şi utilitare. Rolul acestora este de a uşura sarcina utilizatorilor, simplificând operaţiile de alocare a memoriei, afişare a caracterelor pe ecran şi la imprimantă, citire a caracterelor de la tastatură, accesul la informaţiile stocate pe discurile magnetice etc.;

9

programe de aplicaţie - interacţionează direct cu utilizatorul, fiind specializate în executarea unor prelucrări strict definite. În această categorie intră editoarele de texte, programele pentru gestiunea bazelor de date, programele de tehnoredactare şi grafică asistată de calculator etc.;

programe utilitare - interacţionează direct cu utilizatorul dar, spre deosebire de programele de aplicaţii, realizează prelucrări de uz general. Ele ajută utilizatorul să "administreze" sistemul de calcul şi produsele software prin copierea fişierelor, pregătirea discurilor magnetice pentru utilizare, crearea de copii pentru salvare, testarea sistemului de calcul etc.

O categorie aparte de programe utilitare o constituie programele de interfaţă, care îndeplinesc rolul de "interpret" între utilizator şi sistemul de operare.

Programul de achiziţie transformă calculatorul şi echipamentul de achiziţie într-un instrument complet de achiziţie a datelor, analizăşi prezentare. El constituie intermediarul între programul de aplicaţie şi echipament, coordonând operaţiile efectuate de echipamentul de achiziţie şi integrarea sa cu resursele sistemului de calcul.

E. Programul de aplicaţie O posibilitate adiţională de programare a echipamentului de achiziţie este utilizarea

aplicaţiei software. Avantajul utilizării acesteia este că ea analizeazăşi prezintă posibilităţile programului de conducere. Programul de aplicaţie integrează de asemenea instrumentele de control cu achiziţia de date.

F. Dezvoltarea sistemului Pentru a dezvolta un sistem de achiziţie a datelor de înaltă calitate pentru măsurare şi

control sau testare şi măsurare, trebuie analizată detaliat fiecare componentă implicată. Deoarece componentele unui sistem de achiziţie inclus în sistemul de calcul nu au posibilitatea de afişare, programul este singura interfaţă cu sistemul. În acest caz, programul este componenta care leagă toate informaţiile referitoare la sistem şi este elementul care controlează sistemul. Programul integrează traductoarele, condiţionerele de semnal, echipamentul de achiziţie şi le analizează ca un sistem de achiziţie complet, funcţional (fig.8).

Fig.8 – Funcţiile de procesare a semnalelor din LabWindows/CVI permit operaţii de analizăşi vizualizare

10