1 SCADA şi comunicaţii industriale Subiecte examen 1.Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Generalităţi. Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii. Nivelul de dispozitiv 1.1.Generalităţi. Tehnologia informaţiei (IT – Information technology) - domeniul cu cea mai rapidă creştere şi cel mai puternic impact asupra tuturor celorlalte tehnologii cunoscute, fiind de aceea considerată ca având rolul determinant în tranziţia către o nouă eră - postindustrială. Principalii factori care au favorizat creşterea şi au stimulat dezvoltarea acestui domeniu sunt progresele înregistrate în domeniile: ● Microelectronicii; ● Comunicaţiilor. Tehnologia informaţiei a determinat deja schimbarea ierarhiilor, a structurilor şi a fluxurilor informaţionale în domeniul biroticii şi are un impact din ce în ce mai mare asupra automaticii, acoperind acum toate sectoarele, de la industriile prelucrătoare şi manufacturiere, până la bunurile de larg consum şi automatizarea clădirilor. În prezent, performanţele sistemelor de conducere moderne nu mai sunt determinate doar de controlerele şi dispozitivele de automatizare folosite, ci şi de mediul în care acestea funcţionează: ● vizualizarea; ● monitorizarea; ● operarea instalaţiilor conduse; ● existenţa unui sistem de comunicaţii performant. Capacitatea dispozitivelor de a schimba informaţii prin intermediul unor căi de comunicaţie continue şi transparente a devenit deja o component indispensabilă în structura sistemelor de conducere moderne. 1.2.Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii Conceptul de conducere distribuită, despre care se afirmă de obicei că s-a dezvoltat în anii 1930, are de fapt origini cu mult anterioare acestei perioade. În fabricile din secolul al 19-lea erau utilizate diverse sisteme de comandă discrete, controlere mecanice, regulatoare de turaţie pentru motoare etc. Toate aceste sisteme de conducere nu erau interconectate şi erau “distribuite” geografic, amplasate în diverse puncte de lucru din cadrul fabricii. Mai mulţi operatori circulau între punctele de lucru, supraveghind atent sistemele de conducere ale instalaţiilor şi efectuînd corecţiile necesare. Integrarea tuturor sistemelor într-o reţea la nivelul întregii fabricii necesita o comunicare –adeseori verbală – între aceşti tehnicieni itineranţi. Însă, pe măsură ce dimensiunile fabricilor au crescut şi procesele din punctele de lucru au devenit tot mai complexe, sistemele de conducere izolate – chiar şi asistate de o armată de tehnicieni – nu au mai reuşit să menţină o funcţionare eficientă a fabricii în ansamblu. Dezvoltarea sistemelor de transmisie a datelor a permis ca valorile măsurate ale semnalelor de la senzori să fie transmise într-un punct de comandă central, pentru realizarea calculelor,după care rezultatele erau transmise înapoi, către elementele finale de execuţie.
Transcript
1
SCADA şi comunicaţii industriale
Subiecte examen
1.Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Generalităţi. Modelul
comunicaţiilor la nivelul întreprinderii. Nivelul de dispozitiv
1.1.Generalităţi.
Tehnologia informaţiei (IT – Information technology) - domeniul cu cea mai rapidă creştere şi
cel mai puternic impact asupra tuturor celorlalte tehnologii cunoscute, fiind de aceea considerată
ca având rolul determinant în tranziţia către o nouă eră - postindustrială.
Principalii factori care au favorizat creşterea şi au stimulat dezvoltarea acestui domeniu sunt
progresele înregistrate în domeniile:
● Microelectronicii;
● Comunicaţiilor.
Tehnologia informaţiei a determinat deja schimbarea ierarhiilor, a structurilor şi a fluxurilor
informaţionale în domeniul biroticii şi are un impact din ce în ce mai mare asupra automaticii,
acoperind acum toate sectoarele, de la industriile prelucrătoare şi manufacturiere, până la
bunurile de larg consum şi automatizarea clădirilor. În prezent, performanţele sistemelor de
conducere moderne nu mai sunt determinate doar de controlerele şi dispozitivele de automatizare
folosite, ci şi de mediul în care acestea funcţionează:
● vizualizarea;
● monitorizarea;
● operarea instalaţiilor conduse;
● existenţa unui sistem de comunicaţii performant.
Capacitatea dispozitivelor de a schimba informaţii prin intermediul unor căi de comunicaţie
continue şi transparente a devenit deja o component indispensabilă în structura sistemelor de
conducere moderne.
1.2.Modelul comunicaţiilor la nivelul întreprinderii
Conceptul de conducere distribuită, despre care se afirmă de obicei că s-a dezvoltat în anii 1930,
are de fapt origini cu mult anterioare acestei perioade. În fabricile din secolul al 19-lea erau
utilizate diverse sisteme de comandă discrete, controlere mecanice, regulatoare de turaţie pentru
motoare etc. Toate aceste sisteme de conducere nu erau interconectate şi erau “distribuite”
geografic, amplasate în diverse puncte de lucru din cadrul fabricii. Mai mulţi operatori circulau
între punctele de lucru, supraveghind atent sistemele de conducere ale instalaţiilor şi efectuînd
corecţiile necesare. Integrarea tuturor sistemelor într-o reţea la nivelul întregii fabricii necesita o
comunicare –adeseori verbală – între aceşti tehnicieni itineranţi. Însă, pe măsură ce dimensiunile
fabricilor au crescut şi procesele din punctele de lucru au devenit tot mai complexe, sistemele de
conducere izolate – chiar şi asistate de o armată de tehnicieni – nu au mai reuşit să menţină o
funcţionare eficientă a fabricii în ansamblu. Dezvoltarea sistemelor de transmisie a datelor a
permis ca valorile măsurate ale semnalelor de la senzori să fie transmise într-un punct de
comandă central, pentru realizarea calculelor,după care rezultatele erau transmise înapoi, către
elementele finale de execuţie.
2
Toate informaţiile erau acum disponibile operatorilor grupaţi într-un loc central, iar acest fapt le
permitea să ia decizii mai bune. Existenţa unui sistem de comunicaţie permitea realizarea unei
conduceri centralizate, în condiţiile în care dispozitivele de I/E nu puteau fi altfel decât
distribuite. Realizarea de sisteme de conducere electronice în logică cablată şi ulterior,
programabilă (PLC – Programmable Logic Controller) a marcat o etapă importantă în
conducerea proceselor. Ultimul pas major în această evoluţie avea loc în 1959, când primul
sistem de conducere cu calculatorul era instalat într-o rafinărie din Port Arthur, Texas. Odată cu
apariţia controlerelor programabile, bazate pe microprocesoare şi microcontrolere, o parte din
funcţiile de decizie care anterior erau centralizate, au fost distribuite din ce în ce mai aproape de
dispozitivele I/E, pe niveluri ierarhice, ajungând să fie integrate şi la nivelul senzorilor şi
elementelor de execuţie (“intelligent sensors and actuators”). Sistemele de conducere distribuită
sunt utilizate din ce în ce mai mult, atât în sistemele de fabricaţie, cât şi în automatizarea
proceselor continue. Cu ajutorul acestora, un task de conducere complex poate fi împărţit, de
regulă pe criterii funcţionale, în mai multe subtaskuri, mai uşor de gestionat.
Drept urmare, este necesară o comunicaţie eficientă între subtaskurile implementate pe sisteme
distribuite geografic.
Distribuirea funcţiilor de conducere are numeroase avantaje, dintre care se pot menţiona:
- funcţionarea independentă sau simultană a unor porţiuni distincte ale sistemului condus, sub
controlul unor unităţi distincte;
- realizarea unor programe de conducere mai simple şi mai clare;
- prelucrarea paralelă prin distribuirea sarcinilor pe mai multe unităţi de prelucrare.
Aceste avantaje conduc la creşterea performanţelor sistemului de conducere distribuită prin:
- timpi mai mici de reacţie la schimbările survenite în sistemul condus;
- reducerea încărcării unităţilor de conducere individuale;
- structuri compuse la nivel de sistem pentru realizarea unor operaţii de diagnoză şi înregistrare;
- creşterea disponibilităţii sistemului, întrucât dacă o unitate se defectează,celelalte pot continua
operarea.
O primă împărţire funcţională, naturală, a sarcinilor în cadrul unei întreprinderi conduce la o
structură ierarhizată a comunicaţiilor, pe două niveluri de bază:
- nivelul producţiei nemijlocite;
- nivelul de management al producţiei.
O rafinare suplimentară a acestei ierarhii, pe baza complexităţii şi naturii sarcinilor întâlnite la
cele două niveluri principale, conduce la un model ierarhizat pe 5 niveluri, ca în figura 1.1.
3
Pentru a înţelege mai bine acest model, să observăm că aceeaşi ierarhie se regăseşte şi în modul
de organizare a personalului din cadrul întreprinderii (fig.1.2.).
Informaţia trebuie comunicată în ambele sensuri, atât între nivelurile ierarhice cât şi în cadrul
aceluiaşi nivel.
Muncitorii monitorizează şi lucrează cu maşinile şi dispozitivele de producţie de care răspund.
Maistrul răspunde de activitatea la nivel de celulă, inginerul conduce un grup de celule sau o
secţie, iar managerul conduce activitatea întregii fabrici. Îndatoririle tipice ale fiecăruia, care vor
fi detaliate în continuare, corespund funcţiilor de conducere din modelul comunicaţiilor.
1.3.Nivelul de dispozitiv
Acest nivel constă din dispozitive de I/E (I/O devices) amplasate în imediata proximitate a
procesului (field devices) cum ar fi: valve, senzori, acţionări electrice sau controlere de
temperatură (fig.1.3.). Marea majoritate dispozitivelor întâlnite în întreprinderi sunt dispozitive
foarte simple, fără posibilitatea de a comunica altceva către controlerul programabil sau
calculator decât un semnal binar de tipul “închis – deschis”. În ultimul timp, producătorii de
dispozitive le-au adăugat facilităţi de comunicaţie care le permit conectarea la o magistrală.
● se reduce costul conectării dispozitivelor la controler;
● creşte flexibilitatea sistemului întrucât pot fi făcute modificări prin simpla
inserare sau extragere a dispozitivului pe/de pe magistrală;
● există posibilitatea interschimbării dispozitivelor de la diverşi producători,cu condiţia ca
aceste produse să respecte standardul de magistrală (interoperabilitate).
2.Comunicaţii de date în structurile moderne de conducere automată. Nivelul de celulă. Nivelul
de secţie. Nivelul de fabrică. Reţele industriale în sisteme de conducere.
2.1.Nivelul de celula.
O celulă este un grup format din maşini de tipuri diferite care sunt utilizate pentru realizarea
unuia sau mai multor produse similare. Fiecare maşină are de regulă un tip de program aparte şi
propriul său protocol de comunicaţie, ceea ce le împiedică să comunice direct între ele.
4
Comparând aceasta cu modelul organizării personalului, vom regăsi la acest nivel supervizorul
(maistrul). Acesta află ce trebuie să producă în fiecare zi, desemnează muncitorii care trebuie să
execute fiecare operaţie necesară. Maistrul asigură printr-o bună comunicare şi coordonare a
eforturilor realizarea sarcinilor zilnice de serviciu de către muncitorii din subordinea sa.
Rolul controlerului de celulă (cell controller) este acela de a integra maşini diferite într-o celulă
unitară, comunicând cu fiecare maşină pentru a încărca/descărca programe, pentru a
interschimba informaţii de stare, pentru a porni, a opri şi a monitoriza performanţele fiecărei
maşini. Pot exista mai multe controlere de celulă într-o secţie, tot aşa cum pot exista mai mulţi
maiştri; fiecare conduce activitatea unui grup de maşini. Fiecare controler de celulă poate dialoga
cu celelalte controlere, precum şi cu nivelul ierarhic imediat superior. La acest nivel se utilizează
două tipuri de comunicaţie: primitivă şi complexă (de
obicei serială).
Comunicaţii primitive
Unele maşini nu dispun de posibilităţi de comunicaţie. În acest caz se poate utiliza un mod
primitiv de comunicare, folosind pentru dialog câteva linii de I/E. Acest mod are limitări severe,
întrucât nu permite, de exemplu, încărcarea şi descărcarea de programe sau actualizarea unor
variabile.
Comunicaţii seriale
Cele mai multe dintre maşini dispun drept facilităţi de comunicaţie de cel puţin un port serial
asincron în standardul RS-232. Însă nu este suficient ca două maşini să aibă fiecare câte un port
RS-232 pentru a putea comunica între ele. De regulă, fiecare foloseşte propriul său protocol,
ceea ce împiedică comunicarea. Standardul RS-232 defineşte câte o funcţie pentru fiecare dintre
cei 25 de pini ai conectorului DB25, dar nu impune utilizarea tuturor acestor pini.
Unii producători folosesc doar trei linii (TxD, RxD, GND), alţii folosesc linii suplimentare de
dialog (RTS, CTS). Alte standarde cum ar fi RS-422 şi RS-423 încearcă să elimine dezavantajele
standardului RS-232: o distanţă redusă şi viteză mică de comunicaţie.
Datorită faptului că utilizează o singură masă comună, perturbaţiile au un effect puternic asupra
datelor vehiculate. Pentru aceasta, RS-422 foloseşte linii balansate (diferenţiale), cu linii de masă
separate pentru transmisie şi recepţie. RS-423 este similară cu RS-422, dar foloseşte o singură
linie de masă. Standardul RS-449 defineşte complet caracteristicile mecanice şi electrice ale
specificaţiilor RS-422 şi RS-423. RS-485 este o variantă a standardului RS-422, folosind un
semnal diferenţial între –7V şi 12V, dar permite realizarea de comunicaţii multipunct.
5
Aceasta înseamnă că pe aceeaşi linie se pot conecta mai multe dispozitive (de obicei maximum
32), fiecare având posibilitatea de a recunoaşte mesajele care îi sunt adresate şi de a le ignora pe
celelalte.
Tipuri de controlere de celulă
Atât echipamentele de tip PC industrial, cât şi controlerele programabile (PLC) pot fi utilizate
în aplicaţiile de conducere la nivel de celulă. De fapt, linia de demarcaţie între PC şi PLC este
destul de confuză. Există avantaje şi dezavantaje pentru ambele tipuri de controlere.Controlerele
programabile au avantajul că pot fi uşor de utilizat de către tehnicieni.
De asemenea, cu ajutorul lor pot fi uşor de implementat comunicaţiile primitive, iar dacă există
mai multe PLC-uri de la acelaşi producator, atunci pot uşor comunica printr-o magistrala
industrial - proprietate a acelui producător. PLC-urile sunt mai greu de utilizat atunci când în
celulă există dispositive aparţinând mai multor producători.
Ele nu oferă la fel de multă flexibilitate operatorului ca şi PC-urile, deşi în ultimul timp
terminalele şi afişajele grafice au început să intre şi în structura PLC-urilor.
Utilizarea calculatoarelor ca şi controlere de celulă este în plină expansiune.
Un calculator oferă mai multă flexibilitate şi putere de calcul decât un PLC.
De asemenea, un calculator are mult mai multe facilităţi de comunicaţie decât oricare PLC.
De fapt, toţi producătorii de dispozitive prevăd pentru acestea o posibilitate de comunicaţie cu un
calculator IBM PC sau compatibil şi mai puţin îi interesează comunicaţia cu alte mărci de PLC-
uri, cu roboţi etc. De aceea, este mult mai uşor pentru un calculator să preia rolul de controler de
celulă: acesta poate comunica cu toate dispozitivele din celulă.
Comunicaţia la nivelul celulei este realizată de obicei prin intermediul unui pachet software de
tip SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Acesta este un pachet de programe
care, prin intermediul unor drivere de comunicaţie adecvate, permite dialogul cu o mare varietate
de dispozitive (vezi fig.1.5). Scrierea programelor se face cu ajutorul unor meniuri sau
pictograme. Astfel, programele de tip SCADA permit ca operatorii tehnologi, cei care cunosc cel
mai bine aplicaţia, să poată să scrie efectiv programul de conducere.
Datele culese de pachetele SCADA sunt înregistrate, sunt utilizate în analize statistice, sunt
folosite pentru ajustarea procesului sau sunt prezentate operatorului sub o forma grafică
sugestivă.
6
2.2.Nivelul de secţie
Controlerele de zonă (area controllers) au funcţia de supervizare. Ele primesc comenzi de la
nivelul ierarhic superior, apoi dau de lucru celulelor pentru realizarea sarcinilor. De asemenea,
ele comunică cu controlerele altor secţii pentru a sincroniza producţia. Controlerele de secţie
folosesc comunicaţii sincrone prin reţele locale (LAN – Local Area Network), ca în figura 1.6.
Reţelele locale utilizează o mare varietate de topologii, medii de comunicaţie şi tehnici de acces
la mediu, ceea ce a condus la existenţa a numeroase protocoale de comunicaţie. Încercările de a
impune un standard unic de comunicaţie la acest nivel nu sunt încă pe deplin acceptate, deoarece
aceasta ar însemna înlocuirea tuturor echipamentelor existente în întreprinderi. Acestea din urmă
au făcut deja investiţii substanţiale în alte protocoale (standard de producător, de ţară sau
regionale) şi nu sunt dispuse să suporte pierderile şi cheltuielile suplimentare pe care le-ar
presupune trecerea la un nou protocol.
2.3.Nivelul de fabrică
Conducerea de la acest nivel (host controller) se realizează de regulă cu ajutorul unuia sau mai
multor calculatoare puternice, pe care rulează pachete de programe de gestiune a afacerilor, de
proiectare a produselor şi de comunicaţie între echipamentele de birotică (fig.1.7).
Programele de management al afacerilor sunt pachete de tip MRP (Manufacturing Resource
Planning).
Acestea sunt folosite:
● pentru a introduce comenzi, liste de materiale;
● pentru inventarierea resurselor interne
● verificarea resurselor financiare ale clienţilor.
Ele generează:
comenzi de lucru pentru nivelul inferior;
comenzi pentru aprovizionarea cu materii prime, materiale şi subansamble;
planifică succesiunea operaţiilor şi facturează produsele livrate.
7
Acest nivel este utilizat din ce în ce mai mult pentru optimizarea funcţionării întreprinderii, pe
baza datelor culese automat de la nivelurile inferioare.
2.4.Reţele industriale în sisteme de conducere
Progresele înregistrate în ultimul timp în domeniul calculatoarelor şi al reţelelor de comunicaţii a
determinat mutaţii importante în ierarhia comunicaţiilor industriale.
Două dintre aceste schimbări majore sunt ilustrate în fig.1.8.
În primul rând, datorită creşterii puterii de calcul şi a facilităţilor de comunicaţie al
microcalculatoarelor, nivelul de secţie a dispărut, fiind absorbit de nivelul de fabrică.
Atât nivelul de fabrică, cât şi nivelul de celulă se conectează la aceeaşi reţea de uz general:
Ethernet, ARCNet, FDDI, IBM Token Ring, MAP.
8
Aceste reţele sunt utilizate pentru culegerea datelor, transmiterea comenzilor şi accesul de la
distanţă la procesul de producţie. O astfel de reţea asigură comunicaţia prin mesaje între oricare
două noduri conectate la reţea, precum şi între reţele diferite, prin intermediul unor echipamente
de legătură. Cea de-a doua mare schimbare se petrece la nivelul maşinilor şi al dispozitivelor.
Deşi unele dispozitive încă se mai conectează direct la controlerul maşinii, din ce în ce mai multe
dispozitive sunt interconectate la acesta printr-o reţea. La aceste niveluri se utilizează două tipuri
principale de reţele industriale: reţele de proces (process buses) şi reţele de dispozitiv (device
buses).
3. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. SCADA, control supervizor şi
achiziţii de date. Introducere. Elementele sistemelor SCADA. Sisteme în timp real.
SISTEME DE SUPRAVEGHERE SI CONTROL A INSTALAŢIILOR INDUSTRIALE
2.1. SCADA, control supervizor si achiziţii de date
2.1.1. Introducere
SCADA este tehnologia care oferă utilizatorului posibilitatea să colecteze date de la
unul sau mai multe echipamente aflate la distanţă şi să transmită un set limitat de instrucţiuni
de comandă acestor echipamente. SCADA face să nu mai fie necesar ca un operator să stea
sau să inspecteze frecvent acele locaţii telecomandate în cazul în care acestea funcţionează
normal. SCADA include interfaţa operator şi manipularea datelor concrete ale aplicaţiei dar nu
se limitează numai la asta. Unii producători oferă pachete software pe care le denumesc SCADA
şi deşi acestea sunt adecvate pentru a funcţiona ca părţi ale unui sistem SCADA,
deoarece asigură legături de comunicaţie cu alte echipamente necesare, ele nu sunt un sistem
SCADA complet. SCADA este acronimul format din primele litere ale termenilor: „supervisory
control and data acquisition” (control de supervizare si achiziţie de date). Deşi termenii de bază
nu se referă la termenul distanţă, acesta este comun tuturor sistemelor SCADA. Un astfel de
sistem permite unui operator să realizeze schimbarea punctului de functionare al unui regulator
aflat la distanţă, să închidă sau să deschidă vane sau întreruptoare, să monitorizeze alarme şi să
distribuie informaţii despre măsurători de la o unitate centrală la o instalaţie distribuită în spaţiu.
Când dimensiunile unui proces devin foarte mari (sute / mii km), se pot aprecia
beneficiile SCADA, în sensul reducerii costurilor vizitelor de rutină pentru urmărirea
funcţionării echipamentelor. Tehnologia SCADA se aplică cel mai bine proceselor care sunt
distribuite pe suprafeţe largi, sunt relativ simple de controlat si urmărit si care necesită
intervenţii frecvente, regulate sau imediate.
Exemple de astfel de procese pot fi următoarele:
1. Grupuri de staţii hidroenergetice mici care sunt pornite şi oprite ca răspuns al cererii
de energie al clienţilor si care sunt localizate, în general, în locuri îndepărtate. Acestea pot fi
comandate prin închiderea sau deschiderea unor vane a turbinei, trebuie să fie urmărite
continuu şi să răspundă rapid cererilor dispecerului energetic;
2. Zone de extracţie petrol şi gaze, incluzând sonde, sisteme de colectare, echipament de
măsurare a debitelor si pompe. Sunt în general distribuite pe arii largi, necesită comenzi
relativ simple, cum ar fi pornirea sau oprirea motoarelor, necesită centralizarea informaţiilor
metrologice în mod regulat si trebuie să răspundă rapid la condiţiile restului exploatării;
9
3. Reţele de distribuţie gaz, petrol, produse chimice, apa, care au elemente ce sunt
localizate la diferite distanţe de la un punct central de control. Acestea pot fi comandate prin
închiderea sau deschiderea unor vane sau pornirea şi oprirea unor pompe si trebuie să
răspundă rapid condiţiilor pieţei şi pierderilor de materiale toxice sau periculoase;
4. Sisteme de transmisie electrice, care acoperă mii de km2, pot fi comandate prin
închiderea sau deschiderea întreruptoarelor şi trebuie să răspundă aproape instantaneu de
sarcina de pe linie;
5. Sisteme de irigaţii care acoperă sute de km2, pot fi comandate prin închiderea sau
deschiderea unor simple vane şi necesită centralizarea informaţiilor metrologice asupra
cantităţilor de apă furnizate consumatorilor. În afara acestor exemple de comenzi relativ simple,
SCADA poate fi utilizată şi pentru comenzi mai complexe, datorită evoluţiei tehnologiei. Pe
liniile de transmisie, între unităţile îndepărtate şi unitatea centrală SCADA, pot fi transmise
bidirecţional, atât informaţii binare cât şi analogice (comenzi de pornire/oprire, comenzi pentru
schimbarea poziţiei vanelor).
2.1.2. Elementele sistemelor SCADA
10
Componentele sistemului SCADA se prezintă în Figura 2.1. În centru este un operator care
accesează sistemul prin intermediul unui echipament interfaţă numit "consola operator".
Aceasta funcţionează ca o fereastră a operatorului către proces. Consola operator este alcătuită
din două elemente: o unitate display (VDU- Video Display Unit), care afişează date în timp real
despre proces şi o tastatură pentru a introduce comenzile operatorului sau mesajele către
proces.Accesul operatorului în sistem se face prin MTU (Master Terminal Unit) care este
controlerul sistemului. Unele industrii folosesc termenul de „host computer”. Unitatea MTU este
totdeauna bazată pe un calculator. Ea poate monitoriza şi comanda instalaŃia chiar şi când
operatorul nu este prezent. Aceasta se poate realiza prin intermediul unor agende ce pot fi
programate să repete anumite instrucţiuni, la intervale prestabilite. De exemplu, se poate
programa să se ceară informaţii periodice de la RTU (Remote Terminal Unit), ce sunt localizate
departe de staţia centrală.Un sistem SCADA poate avea de la câteva RTU la câteva sute.
Comunicarea se poate face prin două modalităŃi obisnuite: fie cu linii terestre( cabluri de fibre
optice sau electrice),
11
care pot fi proprietatea firmei care utilizează sistemul SCADA sau pot fi închiriate de la
companii telefonice şi prin radio. Sistemele mari pot utiliza combinaţii de sisteme de
comunicaţie radio şi telefonice.În ambele cazuri, este necesar un MODEM (MOdulează si
DEModulează semnale pe o purtătoare). În general, sistemele SCADA controlează procese
simple, cantitatea de informaţii este mică si deci vitezele de transmisie sunt mici. Uzual, vitezele
sunt de ordinul 300 bps (biţi/sec). Sistemele electrice necesită viteze mai mari (2400bps) dar care
sunt încă acceptabile pentru liniile telefonice obisnuite. În mod normal, unităţile MTU au
echipamente auxiliare: imprimante, memorii tampon (backup memories). Acestea sunt
considerate ca făcând parte din MTU. MTU poate comunica către nivele ierarhice superioare
transmiţând informaţii despre starea sistemului prin intermediul unor linii speciale sau, mai nou,
prin reţele LAN ( Local Area Network). În cele mai multe sisteme SCADA, MTU poate primi
informaţii de la alte calculatoare.În felul acesta, programe care rulează pe alte calculatoare pot
asigura un control supervizor al sistemului SCADA. Desi comenzile ce sunt date într-un sistem
SCADA sunt, în general, limitate, această facilitate este caracteristica distinctivă a sistemelor
SCADA . SCADA este un sistem bidirecţional care permite nu numai să se monitorizeze o
instalaţie dar să se si acţioneze asupra ei. Partea de control supervizor a unui sistem SCADA
are această funcţie.
2.1.3. Sisteme în timp real
Mult timp SCADA a funcţionat independent de alte sisteme numerice si faptul că era un
sistem în timp real, nu era important. Din ce în ce mai mult apar sisteme SCADA care
funcţionează pe bază de program prestabilit sau pe bază de cerere. În prezent SCADA îmbina
atât elemente în timp real cât si funcţionare preprogramată.Pentru sistemele SCADA
funcţionarea în timp real înseamnă actualizarea comenzilor în funcţie de schimbările din proces.
În sens strict, comanda în timp real este aceea care nu introduce timp mort între recepţia
măsurătorilor din proces si semnalele de comandă. În realitate, toate sistemele de comandă
introduc o oarecare întârziere. Acelea care introduce întârzieri fără nici un efect măsurabil sunt
denumite, în general, sisteme în timp real. În opoziţie cu acestea sunt sistemele preprogramabile
(secvenţiale). Majoritatea sistemelor care controlează procese continui funcţionează în timp real.
De cele mai multe ori inerţiile specifice sistemului sunt mult mai mari decât timpul de răspuns al
sistemului de comandă, ceea ce face să se poată considera că aceasta se face în timp real.
Un alt element important în proiectarea sistemelor SCADA îl reprezintă alegerea
perioadei de scanare în funcţie de necesităţile procesului si care trebuie făcută de specialişti
care cunosc efectele întârzierilor din sistem. Viteza de reacţie depinde de caracteristicile
sistemului controlat putând fi de la ordinul secundelor, în cazul sistemelor energetice, până la
ordinul orelor, în cazul câmpurilor de extracţie petrolieră.
Practic, timp real pentru sisteme înseamnă că, timpul de întârziere nu este atât de mare
încât să introducă efecte evidente în control. Din acest motiv majoritatea sistemelor SCADA
sunt considerate sisteme de comandă în timp real chiar dacă pot fi puse în evidenţă anumite
întârzieri. Atât pentru MTU cât si pentru RTU, având la bază un sistem numeric si trebuind să
comunice între ele, este importantă selectarea protocolului de comunicaţie. În sistemele
SCADA cea mai frecventă metodă de comunicaŃie este asa numita MASTER-SLAVE. În
acest protocol o singura masină (MTU) este capabilă să iniţieze comunicaţia. MTU apelează
un RTU, îi dă instrucţiuni, cere informaţii si comandă RTU să răspundă. Apoi MTU asteaptă
răspunsul. RTU răspunde imediat ce MTU a terminat comunicaţia, apoi se opreste si asteaptă
12
noi comenzi. MTU comută apoi la alt RTU si trece prin aceeasi procedură. RTU nu poate
iniţia un mesaj; el poate trimite un mesaj doar dacă MTU i-a ordonat să facă asta. Procesul de
interogare al fiecărui RTU în ordine, si apoi reîntoarcerea la primul RTU este numit proces de
scanare. Timpul de scanare nu trebuie să introducă întârzieri în comandă. În acelasi timp există
limitări din punct de vedere al vitezei de transmisie a datelor. Rezultă un interval optim de
scanare a fiecărei unităţi RTU care depinde de numărul de RTU, ce vor fi scanate si de
cantitatea de informaţii ce va fi vehiculată la fiecare scanare.
Cantitatea de informaţii depinde de gradul de independenţă în decizie al echipamentelor
si de complexitatea acestora. În funcţie de acestea, datele pot fi de la un simplu semnal de
stare (1, 2 biţi) până la sute de asemenea semnale sau zeci de semnale analogice (8-16 biţi).
Pentru alegerea perioadei de scanare se ţine seama de unitatea RTU care furnizează cea
mai mare cantitate de informaţii. Dar si comunicaţia este bidirecţională si există intervale în
care MTU cere fiecărui RTU informaţii, sau transmite informaţii fiecărui RTU.
Al treilea factor de care depinde intervalul de scanare este viteza de transmisie. Aceasta
poate fi redusă sau crescută pentru a se ajunge la un optim. Se pot defini două grupe de viteze
de transmisie: prima, care este utilizată pentru liniile telefonice obisnuite si pentru
comunicaţia radio UHF , în gama 300-2400 bps; a doua, care se aplică la mediile de
comunicaţie specială: 19200-10mil. bps. Un alt factor care determină intervalul de scanare este
randamentul comunicaţiei, care reprezintă raportul dintre timpul necesar transmiterii informaţiei
utile si timpul total de comunicaţie. Diferenţele dintre cei doi timpi sunt de cele mai multe ori
evidente, cum ar fi adresele RTU care sunt conţinute în fiecare mesaj si care nu sunt purtătoare
de informaţii. Alte componente sunt mai puţin evidente, cum ar fi codurile de detectare a erorilor
sau timpii de pornire a elementelor de emisie radio, care pot lua mai mult timp decât mesajul.
În cazul în care perioada de scanare determină funcţionarea la limită a unor RTU,
soluţia este cresterea vitezei de transfer ( de la 1200bps la 2400bps). Dublarea ratei de transfer
nu va reduce la jumătate perioada de scanare deoarece randamentul comunicaţiilor este o
funcţie neliniară de rata de transfer. Dacă este necesară reducerea mai drastică a timpului de
răspuns se poate revizui metoda de comunicaţie. Dacă se cunosc atributele fizice ale procesului
ce trebuie controlat, inclusiv frecvenţa naturală maximă, atunci se poate determina frecvenţa de
aliasing. Parametrii procesului trebuie esantionaţi la o frecvenţă mai mare decât cea de aliasing.
Dacă frecvenţa de scanare este mai mare decât frecvenţa de aliasing a procesului, RTU
va esantiona, va transmite datele către MTU, care va realiza calculele, iar rezultatele vor fi
trimise înapoi către RTU si procesate. Pentru acele procese pentru care frecvenţa de aliasing
este mai mare decât frecvenţa de scanare calculele trebuie făcute de către RTU, înainte de
scanare. În funcţie de valorile frecvenţei de aliasing si de scanare se stabileste locaţia unde se vor
face calculele (RTU sau MTU). Rezultă astfel si necesităţile hardware pentru RTU. În
prezent, datorită reducerii dramatice a preţurilor sistemelor numerice de calcul, tendinţa este
de a se utiliza în locaţiile RTU calculatoare suficient de puternice care să realizeze toate
calculele, instrucţiunile către senzori si memorarea istoriei, în mod local.
4. Sistem de supraveghere şi control a instalaţiilor industriale. Sisteme de securitate.
Comunicaţii.
2.1.4. Sisteme de securitate
Toate procesele trebuie să fie echipate cu un sistem de securitate pentru ca o eventuală
13
defectare a unei părţi să nu cauzeze pagube echipamentului sau mediului. Sistemele de
securitate trebuie proiectate pentru a se suprapune sistemului de control normal. Ele pot fi
activate manual sau automat. Sistemul normal de control este proiectat pentru a monitoriza
parametri de funcţionare ai procesului si pentru a efectua reglajele normale necesare păstrării
procesului în anumite limite. În cazul apariţiei unui defect (mecanic, pană de energie, eroare
operator) în sistemul de control normal, sistemul de securitate trebuie să intervină. Acesta trebuie
conceput plecând de la următoarele trei reguli: să fie superior sistemului normal de control; să nu
aibă componente comune cu sistemul normal de control; să fie cât se poate de simplu.
Sistemul de securitate nu trebuie să fie inclus în sistemul SCADA. Pentru procese
complexe sistemul de securitate poate fi centralizat utilizându-se un al doilea RTU,
independent, un al doilea MTU si canale de comunicaţie independente de cele ale sistemului
normal de control.
În Figura 2.2 sistemul de securitate este format din unităŃile MTU2, RTU2, elementul
de execuţie S si traductorul S103. Proiectarea unui proces tehnologic, care urmează a fi controlat
si monitorizat de un sistem SCADA, trebuie să ia în considerare ipoteza apariţiei oricărui tip de
defect imaginabil al sistemului SCADA. Aceste ipoteze pot identifica unele defecte ce pot fi
considerate de risc înalt. Riscul reprezintă produsul dintre probabilitatea unui defect si consecinţa
acestuia. Dacă probabilitatea este mare si consecinţa neglijabilă, atunci riscul nu este mare.
Similar, dacă probabilitatea tinde la zero dar consecinţa este gravă, atunci riscul nu este mare.
Dar, în unele condiţii, probabilitatea de defect este moderat de mare iar consecinţa defectului
14
este importantă. Aceste condiţii indică o situaţie de risc înalt. Figura 2.3 indică o matrice a
acestei metode de stabilire a riscului generic Error! Reference source not found..
Evaluarea riscului este o problemă deosebit de importantă, devenind chiar o specialitate
distinctă. Ea este profesată de specialisti care sunt buni cunoscători ai procesului,
echipamentului, condiţiilor de funcţionare si metodelor de evaluare. Defectele de risc înalt
trebuie să fie evitate prin instalarea de sisteme de securitate locale.
ISA (Instrumentation Systems and Automation Society) a dezvoltat un standard, SP84 -
"Sisteme electronice programabile pentru utilizarea în sisteme de securitate" care detaliază
cerinţele impuse sistemelor de securitate.
2.1.5. Comunicaţiile
Comunicarea este transferarea datelor (informaţiilor) de la o locaţie la alta. Pentru ca
aceasta să aibă loc trebuie să fie îndeplinite trei condiţii:
1. Să existe calea de comunicare. În funcţie de datele ce vor fi transmise se poate alege
un mod de comunicare;
2. Să existe un echipament la capătul de emisie al căii de comunicare, ce să
condiţioneze datele si să le pună într-o formă transmisibilă, prin modul ales;
3. Să existe un echipament la capătul de recepţie al căii de comunicare ce să extragă
mesajul transmis si să-l înţeleagă. În continuare vor fi prezentate câteva modalităŃi si
echipamente utilizate în comunicaţiile aferente sistemelor SCADA ca si factorii de care se ţine
seama la alegerea lor. Comunicaţiile joacă un rol vital în funcţionarea sistemelor SCADA.
Instalarea sistemelor SCADA este justificată în cazul locaţiilor greu accesibile, sau accesibile cu
costura mari. În alte cazuri, se justifică dacă prezenţa unei persoane la o anumită locaţie este
15
periculoasă, dăunătoare sănătăţii sau neplăcută. De cele mai multe ori este prea scump pentru
a avea un operator la o anumită locaţie, în mod permanent. Dacă se poate stabili o comunicaţie
între o locaţie îndepărtată si o locaţie centrală sau master, datele pot fi vehiculate. Dacă nu se
poate stabili o linie de comunicaţie, nu se poate dezvolta un sistem SCADA.
Toate datele vehiculate între MTU si RTU sunt date binare. Ele pot fi sub această formă
în mod natural (starea unui contact, închis/deschis) sau pot fi aduse în această formă în urma
unei conversii din formă analogică. Figura 2.4 indică iesirea unui contact limitator pentru a
indica starea unei vane. În Figura 2.4a vana este deschisă si iesirea limitatorului este la +5V, iar
în Figura 2.4b vana este închisă si iesirea limitatorului este stabilă la 0V. Iesirea este tot 0V
pentru orice poziţie intermediară a vanei. Dacă se doreste, se poate ca pentru orice poziţie
intermediară a vanei iesirea să aibă valoarea +5V. Astfel se va cunoaste cu precizie momentul în
care vana este închisă complet.
Figura 2.5 indică modul în care semnalul limitatorului vanei este transformat într-un
semnal binar. Se foloseste un registru basculant de un bit, cum ar fi, un bistabil de tip D care
sincronizează schimbările de stare ale semnalului de iesire cu fronturile pozitive ale
semnalului de "CEAS". Această tehnică este utilizată frecvent în sistemele de esantionare ale
semnalelor analogice asigurând perioade "linistite", fără comutaţii, în care semnalele
16
analogice pot fi esantionate (intervalele cât semnalul "CEAS" este zero).
Dacă se doreste cunoasterea oricărei poziţii intermediare a vanei se poate utiliza un
sistem potenţiometric, ca în Figura 2.6. Dacă vana este complet deschisă semnalul ce indică
poziţia vanei va fi +5V, iar dacă este complet închisă 0V.
Presupunem că semnalul aplicat este de 3V. Acest semnal nu este aplicat direct unui
registru (ca în cazul anterior) ci unui convertor analog-digital care va transforma semnalul
într-o serie de biţi memoraţi apoi într-un registru.
Iesirile registrului sunt sincronizate cu ajutorul semnalului de "clock". Semnalul este
17
reprodus cu precizia corespunzătoare convertorului, respectiv 1/2n din valoarea de capăt de
scală. Pentru semnale alternative se utilizează un bit suplimentar de semn. În general, precizia
unui convertor analog digital este definită în raport cu ½ LSB. Toată informaţia vehiculată
între MTU si RTU este serială. Alternativa comunicaţiei seriale este cea paralelă dar costul
liniilor suplimentare devine prohibitiv pentru căile de comunicaţie de lungă distanţă. Pentru a se
trimite informaţia trebuie stabilite anumite convenţii cum ar fi: primul bit este MSB si ultimul
este LSB sau în ordine inversă. Aceste convenţii fac parte din protocoalele de comunicaţii ce vor
fi prezentate ulterior.
2.1.5.1. Componentele sistemului de comunicaţii
Figura 2.7 evidenţiază un sistem SCADA simplu format dintr-un MTU si un RTU si
echipamentul de comunicaţie corespunzător. În domeniul telecomunicaţiilor MTU si RTU se
numesc echipamente terminale de date (DTE). Ele pot comunica între ele prin intermediul
MODEM-urilor care sunt numite echipamente de comunicaţie de date (DCE). Acestea sunt
capabile să adapteze informaţia primită de la DTE-uri si să o transmită pe linia de
comunicaţie. La celălalt capăt al liniei de comunicaţie DCE-ul reconstituie informaţia primită
si o transformă într-o forma compatibilă DTE-ului.
ISO (International Organization for Standardization) a dezvoltat un model al
interconectării sistemelor deschise OSI (Open Systems Interconnection), ca în Figura 2.8. El
conţine 7 straturi ale căror funcţii sunt definite de modelul OSI. Stratul cel mai de sus (7) si
ultimele două de jos (2 si 1) sunt suficiente pentru majoritatea sistemelor SCADA.
2.1.5.2. Protocoale de comunicaţii
Un protocol este un set de reguli care definesc înţelesul unei structuri de cuvinte binare.
Pe baza acestuia se realizează transmisia datelor pe linia staţiei receptoare utilizând aceleasi
reguli pentru a decodifica informaţia. Diversitatea protocoalelor de comunicaţie este foarte
mare ele fiind dezvoltate cu mult înainte de a se fi introdus standarde în domeniu. Si în
prezent există producători de echipamente SCADA care îsi dezvoltă propriile protocoale chiar
dacă organizaţiile de standardizare au definit standarde deschise. Protocoalele pot fi adaptate
mai bine sau mai puţin bine pentru o anumită aplicaţie, dar cel mai important este ca unităţile
MTU si RTU, dintr-un anumit sistem SCADA, să aibă acelasi protocol. Figura 2.9 indică
18
forma unui mesaj trimis într-un protocol special bazat pe standardul IEEE C37.1.
Este definită semnificaţia fiecărui bit. Lungimea totală a transmisiei reprezintă suma
dintre toţi biţii cu semnificaţie fixată, plus numărul de biţi trimisi ca date.
Pachetul "SINCRO" avertizează toţi potenţialii receptori că urmează un mesaj,
furnizând si o referinţă ce poate fi folosită de fiecare receptor pentru a sincroniza ceasul cu
ceasul transmiţătorului.
Pachetul "Funcţie" defineste căruia din cele 256 de tipuri de mesaje îi aparţine cel
prezent("Deschideţi următoarele întreruptoare").
Pachetul "Adresă internă" specifică cărui set de registre, din staţia receptoare, îi va fi
destinat mesajul.
Pachetul "Modificator" defineste câte cuvinte de date sunt incluse în mesaj.
Pachetul "Comenzi speciale" conţine mesaje scurte despre condiţiile de funcţionare ale
RTU si MTU. ( "Resetaţi toate contoarele de erori de comunicaţie").
19
Pachetul "Date" este de lungime variabila, între 0-192 biţi.
Pachetul "CRC" este codul de detectare a erorilor de transmisie obţinut pe baza formulei
Bose Chaudhuri Hocquenguem (BCH), pentru acest protocol.
Există mai multe tipuri de coduri de eroare. Ele se calculează utilizând formule diferite
dar este important ca la ambele capete ale transmisiei (recepţie si emisie) să se utilizeze
acelasi "CRC". În exemplul anterior se utilizează codul de eroare numit (255,239) BCH. 255
reprezintă numărul maxim de biţi ce sunt transmisi, iar 239 numărul maxim de biţi utili
neincluzând CRC. În comunicaţiile industriale există si alte coduri de eroare, cum ar fi: CRC-
16; CRC-CCITT.
În continuare se va detalia modul de calcul al codului de eroare (255,239) BCH.
Preia biţii care apar într-o reţea şi îi înaintează (repetă) pe cealaltă reţea.
În unele cazuri, un repetor trebuie să translateze datele între două formate de
nivel fizic, spre exemplu de pe fibră optică pe cablu UTP. Aceasta poate necesita o procesare a
semnalului recepţionat în vederea eliminării zgomotului.
Transferul datelor recepţionate se face indiferent de câmpul de adresă.
Punţile (bridges) şi comutatoarele (switches) - utilizate pentru a interconecta
reţele la nivelul legăturii de date, mai precis al subnivelului de control al
accesului la mediu (MAC – Medium Access Control).
De regulă aceasta necesită ca cele două reţele să aibă niveluri MAC identice, deşi
ele pot fi şi similare. Spre deosebire de repetor - punţile repetă pachetele, filtrând zgomotele şi
erorile. Pot fi folosite pentru a segmenta traficul şi de a localiza pachetele la nivelul unui
singur segment dacă şi sursa şi destinaţia sunt conectate la acelaşi segment.
Ruterele (routers) - interconectează reţelele la nivelul 3 (de reţea)
- implementează funcţii de selectare a traseului optim pentru un pachet de date.
44
Se pot regăsi şi în combinaţie cu porţile (brouter): ori de câte ori este posibil, un
brouter funcţionează ca o poartă şi nu ca un router.
Porţile (gateways) - folosite pentru interconectarea unor reţele cu arhitecturi
complet diferite (spre exemplu TCP/IP - OSI)
45
10. Măsurări electronice industriale. Introducere. Mediul de măsură industrial. Generalităţi
despre prelucrarea numerică a semnalelor
Introducere
Necesitatea de a măsura şi controla funcţionarea utilajelor sau a echipamentelor de proces
este la fel de veche ca şi revoluţia industrială. Instrumentaţia de măsură şi control devin acum
nervii şi creierul uzinelor moderne. Aceasta reglează şi supervizează operaţiile echipamentelor
industriale furnizând şi mijloacele necesare pentru a face uzinele viabile din punct de vedere
economic. Folosirea instrumentaţiei de măsură şi control permite folosirea unor procese care ar fi
foarte dificil sau chiar imposibil să funcţioneze fără operare automată.
Măsurările industriale, în funcţie de destinaţia pe care o au, pot fi:
a) Doar pentru indicare
Aceste măsurări sunt folosite pentru indicarea stărilor diferitelor elemente din proces,
fiind utile pentru monitorizarea proceselor de producţie. De asemenea aceste mărimi pot oferi
informaţii necesare operatorului uman în cazul defectării sistemelor de control automate.
Un exemplu al acestui tip de măsurări poate fi monitorizarea tuturor temperaturilor în
instalaţiile de distilare. Nu toate temperaturile sunt necesare pentru controlul automat al
procesului, dar cunoaşterea temperaturii din diferite puncte oferă suficiente informaţii cu privire
la condiţiile de funcţionare a fazei în care se află procesul. Aceste informaţii pot să sesizeze
operatorului necesitatea intervenţiei manuale ca urmare a defectării sistemelor de control.
b) Pentru controlul automat
Controlul automat al instalaţiilor industriale este esenţial pentru viabilitatea economică,
siguranţa în funcţionare a proceselor industriale, asigurând controlul caracteristicilor fizice sau
compoziţionale.
c) Măsurări privind stocurile de materiale
Aceste măsurări necesită o mare acurateţe, asigurând stabilitatea şi continuitatea
procesului de producţie. Ele furnizează informaţii despre stocurile sau necesarul de materie
primă şi materiale necesare procesului de producţie, despre transferurile de materiale şi
subansambluri de la un punct de lucru la altul. Cunoaşterea acestor informaţii ajută la evitarea
blocării procesului de producţie datorită supraaglomerării sau lipsei de materie primă şi
materiale.
d) Măsurări de mediu
Măsurările parametrilor de mediu au o importanţă majoră, în ultimii ani furnizând
înregistrări privind deversările de deşeuri industriale şi emanarea de noxe în atmosferă, ce trebuie
să fie în conformitate cu legislaţia în vigoare.
e) Măsurări de siguranţă
46
Acestea sunt furnizate în întregime de sisteme de măsură separate şi autonome care
monitorizează şi limitează situaţiile periculoase. Măsurările determină parametrii critici ai
procesului, indicând o eventuală operare nesigură sau un potenţial pericol.
Aceste sisteme trec peste sistemele de control şi opresc funcţionarea echipamentelor până
la realizarea condiţiilor de siguranţă prescrise. Astfel de sisteme sunt frecvent echipate pentru a
înregistra toate evenimentele apărute, permiţând efectuarea de analize ulterioare privind cauzele
producerii evenimentului respectiv, în scopul de a putea fi evitat sau controlat în viitor.
Mediul de măsură industrial
Un sistem de măsură şi control industrial poate fi prezentat simplificat ca în figura 4.1.
Sunt prezentate doar elementele esenţiale, făcându-se totuşi distincţie între camera de control şi
mediul industrial. Prin mediu industrial se înţelege aria în care sunt amplasate echipamentele de
producţie sau depozitele de materiale. De asemenea se înţelege cel mai adesea podeaua
întreprinderii sau zona exterioară în cazul complexelor industriale. Părţi componente ale
sistemului de producţie se află de multe ori în zone diferite, fiind supuse perturbaţiilor electrice şi
factorilor de mediu. Echipamentul amplasat aici este supus unui număr mare de perturbaţii
electrice datorate surselor de alimentare, motoarelor electrice, precum şi factorilor de mediu ca
temperatură, umiditate, medii corozive şi periculoase. De asemenea, mediul industrial este locul
din care trebuie preluate mărimile de proces şi unde sunt plasate diferite circuite de condiţionare.
Firele de legătură cu echipamentul de măsură pot fi în apropierea echipamentelor electrice de
putere, a contactoarelor de motoare şi a arcurilor electrice. Acolo unde firele de legătură au
lungimi de zeci sau sute de metri, probabilitatea interferării cu acest mediu creşte peste limitele
admise.
Camera de control
Camera de control este cel mai „blând” loc din întreprindere, cu atmosferă curată şi aer
condiţionat. Aici se găseşte cea mai mare parte a echipamentului electric necesar desfăşurării
măsurărilor de calitate. Camera de control conţine de asemenea şi circuite de condiţionare a
semnalelor, echipamentele de calcul sensibile de obicei la interferenţe de natură electrică.
Camera de control este de asemenea locul de unde oamenii interacţionează cu sistemele
de măsură şi control din întreprindere. Există şi excepţii, dar camera de control este locul unde se
iau cele mai multe decizii legate de procesul de producţie.
Cablurile de legătură
Cablurile de conectare a instrumentaţiei din camera de control sunt de obicei cu 16 ÷ 18
perechi cu fir plin. De obicei sunt torsadate pentru a reduce interferenţele datorate cuplărilor
magnetice. Ele sunt pozate împreună cu alte fire de semnal, dar departe de cablurile de
alimentare de putere. Un număr mare de senzori sau semnale pot fi conectate la blocurile
terminale aflate în interiorul camerei de control sau în imediata sa apropiere, pentru o conectare
uşoară cu circuitele de condiţionare a semnalelor sau dispozitivele de afişare.
În multe cazuri, costul firelor de legătură este o bună parte din costul de instalare al sistemului de
măsură şi control. Costul creşte considerabil atunci când cablurile trebuie să străbată zone
47
conţinând vapori sau gaze inflamabile. Riscurile reprezentate de aceste condiţii necesită folosirea
unor tehnici adecvate pentru prevenirea focului sau exploziilor cauzate de scântei electrice.
Concentratoarele de date
Acestea pot fi folosite pentru reducerea costului cablurilor de legătură. Aceste dispozitive
colectează un mare număr de semnale, realizează condiţionarea semnalelor şi conversia numerică
a acestora. Datele astfel obţinute sunt transmise direct către echipamentul din camera de control.
4.3. Generalităţi despre prelucrarea numerică a semnalelor
Sistemele de măsură au ca scop prelucrarea mărimilor electrice sau neelectrice dar
convertite în semnale electrice în scopul afişării, prelucrării sau elaborării unei decizii. Sistemul
de instrumentaţie este un sistem de măsura complex, adesea computerizat sau cel puţin dotat cu
microprocesor şi caracterizat prin posibilităţi de prelucrare a informaţiei provenite din procesul
de măsurare.
Informaţia reprezintă, într-un sens mai restrâns, date şi detalii relative la un obiect sau
eveniment. Semnalul poartă informaţiile de mărime şi timp ce caracterizează evoluţia acelui
obiect sau eveniment. Sistemele de instrumentaţie (fig.4.2) sunt destinate prelucrării
informaţiilor provenite dintr-un proces de măsură (transformate în semnale electrice) şi nu
modificării (transformării) acestor semnale. Ele sunt de regulă sisteme deschise, rolul lor fiind de
Condiţionare
de semnale
Condiţionare
de semnale
Proces
Sisteme de achiziţie şi
distribuţie de date
Aer condiţionat
Operatori umani
CAMERA DE CONTROL
Semnale de control
Semnale de măsură
MEDIU INDUSTRIAL
–40oC ÷ +85
oC
Umiditate
Mediu periculos
Platforma de
lucru
Motoare /
Surse de alimentare Arcuri electrice Iluminare
Indicare Indicare
Înregistrare
Operator / Interfaţă
proces
Surse de perturbaţie
Fig.4.1. Sistem de măsură şi control industrial
48
a realiza atât acţiunea de măsurare propriu-zisă, cât şi de analiză a mărimilor prelevate din
proces.
Din punct de vedere constructiv, sistemele de instrumentaţie pot fi simple sau inteligente
când pe lângă măsurarea propriu-zisă sistemul permite şi prelucrarea informaţiilor obţinute prin
măsurare precum şi operaţii de corecţie a rezultatelor sau control a condiţiilor de măsură
(eliminarea zgomotelor, corecţii de neliniaritate, calibrare automată). Sistemele de instrumentaţie
inteligente au în componenţa lor de cele mai multe ori unităţi de prelucrare numerică ceea ce le
conferă performanţe ridicate.
Fig. 4.2. Exemplu de folosire a unui Sistem de Instrumentaţie
KEITHLEY 3327 CHIP TEST FIXTURE
LOW HIGH
42V DC MAX
Proces tehnologic Sistem de
traductoareSistem de
Instrumentatie
49
Spre deosebire de sistemele de instrumentaţie, sistemele de control (Fig.4.3) sunt
destinate atât prelucrării informaţiilor culese prin măsurare cât şi elaborării comenzilor
elementelor de execuţie ce acţionează asupra procesului supravegheat.
Sistemele de control sunt sisteme închise, ce prelevează o stare şi generează comenzi
(corecţii) în sensul menţinerii stării într-o evoluţie prestabilită. Sistemele de control pot fi statice
sau dinamice. Un sistem de control static are rolul de a menţine ieşirea la o valoare precisă cât
mai mult timp, plecând de la mărimea de intrare luată ca referinţă. Un sistem dinamic permite
mărimii de ieşire să urmărească cât mai fidel evoluţia intrării ce urmează o lege prestabilită.
O categorie specială de sisteme o formează sistemele de măsură cu parametrii controlaţi
care urmăresc determinarea mărimii de măsurat în condiţii bine determinate. Un astfel de sistem
are atât caracteristici de instrumentaţie cât şi de control.
Structura unui sistem de control / instrumentaţie cu parametrii controlaţi include în
principiu următoarele componente :
- traductoarele ce prelevează mărimile de măsurat;
- circuitele de condiţionare a semnalelor ce realizează procesarea analogică a semnalelor
(filtrare, izolare, amplificare);
- circuitele de achiziţie a datelor ce transformă semnalul analogic de intrare într-o mărime
numerică;
- sistemul de calcul care realizează analiza şi eventual elaborează deciziile;
- circuitele de ieşire analogice care furnizează semnalele prelucrate sau comenzile pentru
sistemele în buclă închisă;
Intrări proces
Elemente de
execuţie
Proces Senzori şi
Traductoare
Procesare
analogică
Condiţionare
de semnal
Ieşiri analogice
(conversii N/A)
Achiziţie de date
(conversii A/N)
Sistem de
calcul
Ieşiri proces
Operator uman
Fig.4.3. Structura unui sistem de control
Sistem de
Instrumentaţie
50
- blocul de postprocesare analogică care permite interfaţarea cu elementele de execuţie.
4.3.1. Clasificări
Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal –
PC) cu elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) se obţine un sistem
de achiziţie a datelor. Noţiunea de sistem de achiziţie este ceva mai generală, fiind incluse
aici şi alte sisteme numerice de achiziţie care nu se bazează pe PC. În condiţiile
existenţei funcţiilor de conducere, sistemul se va numi sistem de achiziţie şi conducere.
Prin sistem de achiziţie a datelor se înţelege un sistem de măsurare care permite vizualizarea
şi/sau înregistrarea evoluţiei temporale a mai multor mărimi, analogice şi/sau numerice,
poate implementa mai multe regimuri de achiziţie şi permite diverse prelucrări numerice.
Principalele regimuri de achiziţie implementate de sistemele de achiziţie a datelor sunt
următoarele:
- regimuri de achiziţie pentru afişare locală (Digital Panel Meter) – permit
măsurarea numerică a mai multor mărimi în scopul unor monitorizări locale. Tot odată pot
fi realizate şi prelucrări numerice simple de tipul liniarizării caracteristicilor senzorilor.
Valorile măsurate nu se memorează, dar pot fi transmise la distanţă;
- regimuri de achiziţie de lungă durată (Data Logger) – permit memorarea
evoluţiilor temporale ale mărimilor măsurate, putându-se face prelucrări ulterioare ale
informaţiilor;
- regimuri de achiziţie de scurtă durată (Transient Recorder) – permit vizualizarea
şi/sau înregistrarea unor regimuri tranzitorii, sau a unor secvenţe numerice nerepetitive.
Modul de desfăşurare a achiziţiei de date depinde de un eveniment de tip trigger, prin care se
defineşte zona de interes din evoluţiile analizate. Se pot întâlni două moduri principale
de achiziţie:
-modul posttrigger;
-modul pretrigger.
Modul posttrigger realizează achiziţia unui număr specificat de eşantioane după
apariţia unui eveniment trigger, adică după recepţionarea unui semnal trigger (de
sincronizare). După ce bufferul care stochează datele achiziţionate (de lungime specificată de
utilizator) este plin, achiziţia este stopată. În cadrul modului pretrigger datele sunt
achiziţionate continuu, înainte şi după primirea unui semnal trigger. Datele sunt
colectate într-un buffer precizat de utilizator până când se recepţionează semnalul
trigger. După aceasta, sistemul de achiziţie va mai colecta un număr specificat de
eşantioane după care stopează achiziţia. Bufferul este tratat ca un buffer circular, adică după ce
întregul buffer este completat, datele sunt stocate de la început prin suprascrierea datelor
vechi. La terminarea achiziţiei, bufferul conţine eşantioane dinaintea şi după apariţia
semnalului trigger. Numărul de eşantioane salvate în buffer depinde de lungimea acestuia
(specificată de utilizator) şi de numărul specificat de eşantioane ce trebuie achiziţionat după
apariţia semnalului trigger.
Pe lângă aceste variante principale, în funcţie de firmele producătoare de sisteme de
achiziţie s-au dezvoltat tehnici de achiziţie care derivă din acestea, un exemplu fiind
modul de achiziţie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care
51
utilizează o tehnică asemănătoare cu modul pretrigger, completând bufferul specificat de
utilizator în mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apelează la un al
doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, înainte ca acestea să fie suprascrise.
Sarcina fundamentală a sistemelor de achiziţie şi conducere este măsurarea şi/sau generarea
semnalelor fizice din lumea reală. Diferenţa de bază între diversele opţiuni de realizare
hardware este metoda de comunicare între hardware-ul de achiziţie şi sistemul de calcul. Din
acest punct de vedere putem clasifica hardware-ul de achiziţie în două categorii principale:
- hardware (plăci) de achiziţie de uz general;
- hardware de achiziţie special (instrumente sau aparate de măsurare speciale).
Echipamentele din prima categorie stau la baza sistemelor de achiziţie de tip
instrument virtual, iar cele din a doua categorie la baza sistemelor de achiziţie cu
aparatură de măsură programabilă şi a sistemelor de achiziţie dedicate.
4.3.2. Sisteme de achiziţie a datelor tip Virtual Instrument – VI
Acest tip de sistem este obţinut prin conectarea unei plăci de achiziţie la un
calculator şi prin utilizarea unor module exterioare de cuplare. Plăcile de achiziţie asigură
realizarea unor funcţii cum ar fi condiţionarea de semnal, măsurarea numerică propriu-
zisă, conectarea informaţională cu calculatorul. Calculatorul asigură la rândul său funcţii cum
ar fi interfaţarea cu placa de achiziţie, controlul achiziţiei datelor, stocarea datelor, prelucrări
complexe ale informaţiilor.
4.3.3. Sisteme de achiziţie cu aparatură de măsură programabilă
Aparatura de măsură utilizată este cea din categoria multimetrelor, osciloscoapelor
digitale, generatoarelor de funcţii, iar cuplarea la procesul fizic măsurat este directă.
Standardul de cuplare este de obicei de tip GPIB (IEEE 488). Aceste sisteme implementează
de obicei regimuri de achiziţie de tip Data Logger şi uneori de tip Transient Recorder.
4.3.4. Sisteme de achiziţie dedicate
Sunt sisteme de achiziţie configurate pentru procese industriale complexe sau
componente elementare ale unor sisteme distribuite de măsurare şi monitorizare. De
regulă, aceste sisteme de achiziţie sunt impuse de firmele puternice din domeniu (National
Instruments, Analog Devices, Tektronix etc.), fiind conturată încadrarea acestor sisteme
dedicate în standardul VXI. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) defineşte un
protocol standard de comunicaţie care utilizează comenzi ASCII pentru controlul
instrumentelor de măsură, asemănător cu GPIB.
11. Măsurări electronice industriale. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură
numerice
4.4. Prelucrarea semnalelor în sistemele de măsură numerice
52
:
( ),
,
x T M
x f t
t T x M
Un semnal este o entitate fizică capabilă atât cantitativ cât şi calitativ să poarte
informaţie. Lumea înconjurătoare abundă în exemple de semnale. Omul este creatorul unui
număr foarte mare de semnale de regulă de natură electrică. Cu toate acestea există foarte multe
surse de semnale neelectrice (biologice, acustice, mecanice). În general acestea sunt posibil de
modelat prin semnale electrice (tensiune sau curent).
4.4.1. Semnale analogice şi semnale numerice
Prin semnal analogic se înţelege o mărime fizică de regulă electrică ce poate fi
reprezentată printr-o funcţie de timp care poate lua valori într-un domeniu de variaţie bine
precizat :
(4.1)
în care T este mulţimea momentelor de timp, M este mulţimea eşantioanelor semnalului, x este
descrierea semnalului ce asociază fiecărui 1element t T un element xM bine definit, numit
eşantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T Z orice semnal definit pe T se numeşte
discret iar dacă T R semnalul se numeşte continuu.
Dacă M R semnalele au valori reale şi se spune despre aceste semnale că sunt
analogice putând reprezenta măsuri ale mărimilor din lumea înconjurătoare.
Daca M Q şi este numărabilă, semnalul este cuantizat şi este posibilă reprezentarea sa
numerică (codificarea sa) .
Din punct de vedere al posibilităţii de cunoaştere a evoluţiei lor în timp, semnalele pot fi :
- deterministe ce au valori bine precizate şi eventual descrise de legi de variaţie cunoscute;
- aleatoare ce au valori ce pot fi măsurate cu o anumită probabilitate. În această categorie se
includ zgomotele.
Exemple de semnale:
a) semnale continue
bat)t(x
)tsin()t(x
(4.2)
b) semnale discrete
Rt,Zn),ntsin()nt(x 000 (4.3)
c) semnale cuantizate
Zm,Qq,mqx|xM (4.4)
53
Un semnal discret şi cuantizat se numeşte semnal numeric (digital) şi poate fi prelucrat
prin metode numerice. Transformarea semnalelor analogice în semnale numerice se face prin
eşantionare şi cuantizare, operaţii ce formează digitizarea. Procesul este ireversibil în sensul că
prin aceste operaţii se pierde o parte din informaţia purtată de semnalul analogic iniţial. Dacă
această pierdere este acceptabilă, se poate apela la metodele numerice de prelucrare a
semnalelor, putânduse reconstrui parţial un semnal numeric prin netezire (interpolare, filtrare).
Pentru semnalele discrete se pot folosi notaţiile x (kt0) sau x (k) , k Z deoarece t0 este constant.
Eşantionarea şi cuantizarea stau la baza circuitelor de conversie a datelor (conversie analog -
numerică).
Cele mai importante semnale utilizate în descrierea fenomenelor de conversie şi
prelucrare a semnalelor sunt :
- Impulsul unitar :
1, . 0
( )0, . 0
pt kd k
pt k
(4.5)
- Treapta unitate:
1, . 0
( )0, . 0
pt kk
pt k
(4.6)
- Semnalul dreptunghiular neperiodic:
x (t) x (kt0) xq (kt0) eşantionare cuantizare
k
k
k
k
1
1
1
1
( )d k
( )k
( )x k
( )kr k
Fig.4.4. Semnal continuu şi discret
-1 -2 -3
-4 -5
0 1 2 3 4 5
k
t
x(t)
x(k)
-6
54
1, .0 1
( )0, .
k
pt k Kr k
în rest
(4.7)
- Semnal sinusoidal de perioadă N:
0
2( ) sin ( )x k A k k
N
(4.8)
Spunem că un semnal discret este periodic cu perioada K dacă x (k) = x (k + K) pentru
toate valorile lui k. Dacă un semnal este definit pentru un număr finit K de eşantioane, el se
numeşte semnal de durată limitată, K reprezintă durata unui astfel de semnal :
0 0x(k),pt.k k k K 1x(k)
0, în.rest
(4.9)
4.4.2. Eşantionarea semnalelor
Eşantionarea unui semnal analogic constă în prelevarea valorilor semnalului la momente
de timp, de regulă echidistante, t0 (interval sau perioadă de eşantionare). Eşantionarea ideală se
realizează prin înmulţirea semnalului analogic x (t) cu un tren de impulsuri ideale definit ca mai
jos:
k
0 )ktt()t( (4.10)
Se obţine un semnal xs (t) numit semnal eşantionat de forma :
s 0 0
k
x (t) x(t) (t) x(kt ) (t kt )
(4.11)
Spectrul semnalului eşantionat XS(ω) constă în repetări periodice axate faţă de kω0 ale
spectrului original denumite spectre secundare. Pentru a reface semnalul iniţial este necesar ca
aceste spectre secundare să poată fi eliminate. Acest lucru este posibil doar dacă ω0 >2ωm în caz
contrar semnalul original nu poate fi reconstituit în întregime. Acest rezultat este cunoscut sub
numele de teorema eşantionării (Shannon) care precizează că pentru reconstrucţia unui semnal de
bandă limitată la fB din eşantioanele sale, preluate cu o frecvenţă de eşantionare fs este necesar ca
frecvenţa de eşantionare să fie cel puţin dublă faţă de frecvenţa maximă fB, din spectrul
semnalului. Frecvenţa fs/2 se numeşte frecvenţă Nyquist. În figura 4.5 sunt prezentate spectru
semnalului, spectrele secundare în cazul respectării şi nerespectării frecvenţei Nyquist precum şi
caracteristica filtrului necesar pentru a nu apare fenomenul de aliere.
Deoarece în practică este imposibil de realizat un filtru ideal de obicei se ia fs≥(4-10) fB .
Aceste filtre se numesc filtre antialias.
După eşantionare semnalul este cuantizat. Eşantionarea reală utilizează în locul trenului
de impulsuri ideale δ∞(t) cu un tren de impulsuri reale S(t).
55
0( )j kt
k
k
S t c e
având coeficienţii 0
0
0
sin
k
k
tc
kt
t
(4.12)
Aceşti coeficienţi au un maxim pentru k=0 şi descresc progresiv. Spectrul de frecvenţă va
fi:
s k
k
X c X k
(4.13)
4.4.3 Cuantizarea semnalelor
Cuantizarea semnalelor este o operaţie strict necesară în vederea conversiei lor numerice.
Pentru realizarea cunatizării se împarte domeniul de variaţiei finit al semnalului în clase
echidistante : q q
iq x iq , pt. i 0, 1, 2,....2 2
(4.14)
Fig. 4.5. Spectrul semnalelor eşantionate
0 fs fs/2
f
| XS(ω) |
fB 0
f
Filtru
antialias
| XS(ω) |
fB -fB 0 fs fs+ fB fs- fB fs/2
f
| XS(ω) | fB -fB 0 fs/2
f
| XS(ω) |
56
unde x este valoarea semnalului iar q este mărimea cuantei care caracterizează clasa de
apartenenţă i. Prin cuantizare se înlocuieşte valoarea x a semnalului cu centrul clasei de
apartenenţă cea mai apropiată.
Ieşirea cunatei poate fi scrisă :
qq xx (4.15)
unde q este eroarea de cuantizare (zgomot de cuantizare).
Datorită acestei erori orice valoare de intrare cuprinsă în intervalul (x-q/2 , x+q/2] va
produce aceeaşi ieşire cuantizată xq. Este evident faptul că eroarea de cuantizare depinde de
pasul ales q. Apare necesitatea găsirii unui optim căci un pas prea mare nu va satisface cerinţele
de rezoluţie, iar un pas prea mic va produce date redundante.
4.4.4. Conversia analog numerică privită ca proces de eşantionare şi cuantizare
Operaţia de eşantionare este realizată cu circuite de eşantionare şi memorare, iar operaţia de
cuantizare este realizată cu circuite de conversie numite şi dispozitive de cuantizare. Pentru a
respecta restricţiile impuse de teorema eşantionării se utilizează filtre antialias care să limiteze
banda semnalului de intrare. Astfel schema bloc a unui convertor analog numeric este prezentată
în figura 4.6.
4.4.5. Conversia numeric analogică şi ireversibilitatea reconstituirii semnalului
Din formă numerică în formă analogică se poate ajunge prin operaţia de conversie numeric-
analogică, operaţie ce ar trebui să fie inversă celei analog-numerice. În realitate prin eşantionarea
semnalului pierde parţial o parte din componentele sale spectrale, datorită limitării benzii prin
filtrul antialias. Presupunând că acest efect este neglijabil sau semnalul de intrare este deja de
bandă limitată se poate admite că este posibilă reconstituirea completă a semnalului x(t).
Figura 4.7 prezintă schema bloc specifică procesului de conversie numeric-analogic.
Semnalul numeric xq(t) este transformat într-un semnal aproape analogic cu ajutorul unui
convertor N/A. Aproximaţia semnalului analogic iniţial x t se obţine după netezire cu un
filtru trece jos de ordinul 1 sau 2.
Convertor
numeric-analogic
Filtru de
netezire
xq(k) xq(t) x(t) ~
Fig.4.7. Procesului de conversie numeric-analogic.
Filtru
ANTIALIAS
Dispozitiv de
cuantizare
x(t)
Fig.4.6 Conversia analog numerică
(t)
(t
)
xq(k) xs(t)
57
4.4.6. Circuitul de eşantionare-memorare
Un circuit de eşantionare şi memorare (CEM) realizează extragerea (prelevarea), la un
moment dat a valorii unui semnal analogic (tensiune electrică) de intrare ui, memorarea acestei
valori ue şi menţinerea constantă a acesteia pe toată durata efectuării prelucrării (fig.4.8)
În starea de eşantionare impusă prin nivelul 1 logic al semnalului de comandă S/H, CEM
funcţionează ca repetor, semnalul la ieşire ue urmărind semnalul de la intrare ui. Frontul de
coborâre al semnalului de comandă S/H determină memorarea valorii tensiunii de la intrare ui de
la momentul corespunzător frontului. Această valoare a tensiunii de intrare este menţinută la
ieşirea CEM pe intervalul corespunzător stării de memorare impus prin nivelul 0 logic al
semnalului de comandă S/H. Aceste circuite de eşantionare şi memorare se utilizează atât în
sistemele de achiziţie a datelor cât şi în sistemele de distribuţie de date.
În mod obişnuit circuitele de eşantionare şi memorare au amplificare unitară. Ele pot fi
considerate pe bună dreptate memorii analogice a căror funcţionare este asemănătoare cu cea a
memoriilor dinamice - un condensator este încărcat la valoarea semnalului de intrare
(eşantionare) şi apoi este utilizat pentru a păstra valoarea pe durate de timp finite (memorare).
Caracteristicile circuitului de eşantionare şi memorare (CEM)
Un circuit de eşantionare şi memorare ideal ar trebui să comute regimurile de lucru
instantaneu, timpii de stabilizare ar trebui sa fie nuli iar durata memorării infinită. Din păcate în
practică aceste deziderate nu pot fi îndeplinite. Se prezintă în continuare principalele
caracteristici ale unui pe baza caracteristicii de funcţionare prezentată în fig.4.9.
u e u i
S/H
C E
M
semnal de
intrare
semnal
eşantionat
u e
u i
S/H
t
t
Fig. 4.8. Circuit de eşantionare şi memorare
58
apmaxmax tP
Eroarea staţionară – reprezintă abaterea de la amplificarea unitară sau cea prescrisă
prin datele de catalog
Eroarea de decalaj – reprezintă valoarea tensiunii de ieşire pentru o tensiune de intrare
nulă
Timpul de apertură tap, reprezintă intervalul dintre frontul de comandă al stării de
memorare pentru CEM şi trecerea efectivă a acestuia în starea de memorare; are semnificaţia
unei inerţii a circuitului la aplicarea comenzii. Rezultă că, în procesul de achiziţie, fronturile de
comandă ale stării de memorare trebuie să fie decalate cu tap înainte faţă de momentele impuse
de prelevare a eşantioanelor. Instabilitatea timpului de apertura tap reprezintă limita maximă a
variaţiilor aleatoare ale timpului de apertură. Rezultă ca valorile memorate ale eşantioanelor sunt
afectate de erori cu limita maxima:
(4.16)
unde Pmax reprezintă panta maxima a semnalului de intrare ui.
În procesul de achiziţie, eroarea max trebuie să satisfacă relaţia:
LSB2
1tP apmaxmax (4.17)
Timpul de stabilizare ts la comutarea CEM în starea de memorare reprezintă
intervalul dintre momentul de sfârşit al timpului de apertură şi momentul reducerii amplitudinii
oscilaţiilor la ieşirea CEM sub valoarea 1/2 LSB. Un proces de conversie-analog numerica se
declanşează numai după stabilizarea ieşirii CEM în starea de memorare, adică după sfârşitul
timpului de stabilizare ts.
Modificarea tensiunii ue de la ieşirea CEM în starea de memorare este caracterizată prin
panta de variaţie a acesteia (ue/t), numită viteza de alterare. Alterarea tensiunii ue de la ieşirea
CEM în starea de memorare până în momentul terminării conversiei analog-numerice trebuie să
fie mai mică de 1/2 LSB.
Diafonia caracterizează variaţia tensiunii de ieşire în starea de memorare datorită
variaţiilor tensiunii de intrare.
S/H Memorare Eşantionare
ui
ue
ui
diafonie
tap ts
alterare
semnal
tac
ue
Fig. 4.9. Caracteristica CEM
59
Timpul de achizitie tac reprezintă intervalul de timp dintre momentul aplicării
frontului de comandă al stării de eşantionare şi momentul în care ieşirea CEM urmăreşte intrarea
acestuia cu o precizie dată (eroare mai mică de 1/2 LSB). Acest timp de achizitie apare datorită
intârzierii la comanda de comutare în starea de eşantionare, datorită vitezei limitate de variaţie a
tensiunii de la ieşirea CEM precum şi procesului oscilatoriu premergător stabilizării tensiunii de
la ieşirea CEM. Timpul de achiziţie reprezintă o caracteristică importantă a CEM care limitează,
în procesul de achiziţie, frecvenţa de eşantionare (frecvenţa de culegere a valorii semnalelor).
4.4.7. Ansamblul CEM – CAN
În continuare se prezintă modul de comandă al ansamblului CEM - CAN în corelaţie cu
caracteristicile celor două componente ale ansamblului (figura 4.10).
Semnalele de control ale CAN sunt:
Start Conversie care permite declanşarea procesului de conversie analog-numerică prin
fronturile crescătoare ale acestui semnal;
Stare Conversie care indică prin nivelul logic 1 efectuarea de către CAN a unei conversii şi
deci prin frontul descrescător indică sfârşitul conversiei analog-numerice.
În scopul achiziţiei unui eşantion (realizării unei conversii analog-numerice), CEM este
comandat în starea de memorare la momentul t1 (fig.4.11).
Declanşarea conversiei analog-numerice se realizează la momentul t2, după stabilizarea ieşirii
CEM: sap12 tttt
ue ui C E M C A N
Start
Conversie
Stare
Conversie
b1 b2... bN
S/H
Fig.4.10. Ansamblul CEM–CAN - structura de principiu
t1
Start Conversie
Stare Conversie
b1 b2... bN
S/H
Fig.4.11. Ansamblul CEM–CAN - diagramele de timp
t2 t3 t4
t
t
t
t
60
Momentul t3 reprezintă sfârşitul convesiei analog-numerice moment precizat de
comutarea la nivel 0 logic a semnalului Stare Conversie. Rezultă C23 Ttt unde TC este timpul
de conversie al CAN.
Tot la momentul t3, CAN încarcă liniile de ieşire b1 b2 ... bN cu rezultatul conversiei şi se
comandă CEM în starea de eşantionare. Această stare este menţinută până la momentul t4 astfel
încât ac34 ttt unde tac este timpul de achiziţie al CEM.
Perioada de achiziţie minimă Tacmin caracteristică ansamblului CEM - CAN reprezintă
intervalul de timp minim între momentele de prelevare a două eşantioane consecutive.
Rezultă deci că: acCsap14minac tTttttT (4.18)
4.4.8. Principii constructive ale CEM
Simbolul frecvent folosit pentru descrierea circuitelor de eşantionare şi memorare în
schemele bloc este un comutator în serie cu un condensator, unde Ri reprezintă rezistenţa internă
a sursei de semnal.
Comutatorul controlează modul de lucru al dispozitivului, iar condensatorul memorează
valoarea tensiunii. Un circuit de eşantionare şi memorare poate folosi doar aceste componente,
dar cu performanţe foarte scăzute. Studiind deficienţele rezultate din această schemă se trag
concluzii privind componentele ce trebuie adăugate pentru îmbunătăţirea performanţelor
circuitului.
În primul rând, în modul urmărire, timpul de încărcare al condensatorului este dependent
de impedanţa sursei de intrare. O sursă cu impedanţă mare de intrare va da o constantă mare de
timp RC, având ca rezultat creşterea timpului de achiziţie. Pentru a ameliora acest efect se
foloseşte la intrare un circuit de adaptare de impedanţă cu amplificator operaţional în
configuraţie repetoare ce trebuie să suporte o sarcină capacitivă. Timpul de achiziţie devine astfel
independent de impedanţa sursei şi este foarte mic având în vedere impedanţa foarte mică de
ieşire a amplificatoarelor operaţionale. În al doilea rând, în modul memorare condensatorul se va
descărca pe sarcina de ieşire. Deci viteza de degradare a tensiunii memorate va fi dependentă de
sarcina de ieşire ce nu poate fi foarte mare. Pentru a ameliora acest dezavantaj, un amplificator
repetor va separa de asemenea condensatorul de circuitul de ieşire. În consecinţă, pentru a
încărca şi memora o valoare de tensiune pe condensator, circuitul practic de eşantionare şi
memorare include adaptare de impedanţă atât pe intrare, cât şi pe ieşire. Există două variante de
bază ale acestei structuri: în buclă deschisă sau buclă închisă în funcţie de reacţia folosită.
La arhitectura în buclă deschisă, figura 4.13, la intrare şi la ieşire se folosesc
amplificatoare operaţionale în configuraţie repetoare.
VIN
CH
VOUT
Fig. 4.12. Simbolizare CEM
Ri
S/H
VIN -
+ CH
VOUT -
+
Fig. 4.13. CEM în buclă deschisă
S/H
A1
A2
61
Reducerea erorilor de decalaj ale CEM se poate obţine prin includerea celor două
amplificatoare operationale A1 şi A2 într-o buclă de reacţie globală, ca în figura 4.14.
Efectul principal al utilizării reacţiei globale constă practic în eliminarea erorilor de decalaj
corespunzătoare amplificatorului de ieşire A2. Rezultă că în cazul structurii de principiu din
fig.4.14, erorile de decalaj ale CEM sunt date doar de amplificatorul operaţional de intrare AO1,
care trebuie ales cu deriva redusă a tensiunii de decalaj. În ambele cazuri ( buclă închisă sau
deschisă ) pe durata memorării, deoarece bucla de reacţie este întreruptă sau lipseşte,
amplificatorul de intrare se saturează şi la trecerea în starea de eşantionare intrarea trebuie
reachiziţionată, chiar dacă semnalul de intrare nu a suferit nici o modificare.
Pentru a evita intrarea în saturaţie a amplificatorului A1 se poate folosi următoarea
schemă pentru circuitul de eşantionare şi memorare ( figura 4.15.)
Când comutatorul este închis (stare de eşantionare) cele două amplificatoare lucrează ca
repetor într-o buclă de reacţie globală, diodele D1 şi D2 fiind blocate. Când comutatorul este deschis (stare de memorare) una din cele două diode ( D1 sau D2) va
conduce având rolul de a preveni saturaţia ieşirii amplificatorului A1 şi de a permite ca acesta să-
şi reia rapid rolul la trecerea în starea de eşantionare.
12. Măsurări electronice industriale. Sisteme electronice de măsură cu aparatură programabilă
4.5. Sisteme electronice de măsurare cu aparatură programabilă
4.5.1. Consideraţii generale
Se prezintă, procesoarele specializate pentru măsurări, şi procesoare de uz general,
deoarece acestea din urmă pot fi utilizate şi în diverse aplicaţii de măsurare automată.
VIN -
+
Fig. 4.14. CEM în buclă închisă
S/H
A1
CH
VOUT -
+ A2
VIN -
+
Fig. 4.15. CEM –schemă îmbunătăţită
S/H
A1
CH
VOUT -
+ A2
D1 D2
R
62
Orice proces de măsurare conţine următoarele elemente principale:
- măsurandul, sau mărimea de măsurat;
- metoda de măsurare;
- aparatul de măsurat;
- etalonul.
Dacă mărimea de măsurat rămâne neschimbată în timp, dezvoltarea ştiinţei contribuind
numai la creşterea mulţimii măsuranzilor, celelalte trei elemente ale procesului de măsurare au
cunoscut transformări majore pe diverse trepte de dezvoltare tehnologică a societăţii. Elementul
cel mai dinamic dintre toate este aparatul de măsurat. Perfecţionarea lui continuă produce
modificări şi asupra celorlalte elemente ale procesului de măsură, respectiv metoda de măsurare
şi etalonul.
În domeniul măsurărilor electrice şi electronice, aparatele de măsurat au trecut prin
următoarele etape de dezvoltare:
- aparate de măsurat analogice;
- aparate de măsurat numerice;
- aparate de măsurat numerice, cu microprocesor;
- plăci de achiziţie de date cuplate la calculator PC.
.
4.5.2. Structuri de procesoare cu aplicabilitate în măsurări
4.5.2.1. Generalităţi
Arhitecturile diferitelor procesoare, fie ele de uz general, fie specializate pentru
rezolvarea anumitor probleme concrete, prezintă o mare importanţă pentru proiectantul de
hardware, deoarece cunoaşterea structurii interne şi a modului de funcţionare a unui procesor
permite utilizarea lui optimă într-un circuit electronic proiectat pentru implementarea unei
aplicaţii specifice.
Termenul de microprocesor este în general atribuit unui procesor realizat pe un singur
cip. Apariţia conceptului de procesor este strâns legată de apariţia conceptului de
microprogramare.
Microprogramarea înseamnă controlul unei structuri numerice prin intermediul unor
cuvinte "citite" secvenţial, pas cu pas, dintr-o memorie. Prin citirea succesivă a acestor cuvinte,
microinstrucţiunile, se generează semnalele de control, microoperaţiile, necesare funcţionării
corecte a structurii respective. Proiectarea unei structuri microprogramate este astfel mult mai
sistematică şi mai flexibilă decât cea a unei structuri convenţionale realizate prin logică cablată.
În principiu, o maşină microprogramată este o maşină în care o secvenţă coerentă de
microinstrucţiuni este folosită pentru execuţia operaţiilor mari ce definesc funcţionarea maşinii.
Tehnica microprogramării a fost folosită cu succes în domeniul minicalculatoarelor şi a
microprocesoarelor de tip bit-slice microprogramabile şi este în continuare folosită de
proiectanţii procesoarelor cu arhitecturi de tip CISC (Complex Instruction Set Computer) sau a
circuitelor de tip ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
4.5.2.2. Microprocesoare bit-slice
Familiile de circuite bit-slice sunt alcătuite din diverse blocuri constructive care au rolul
de a permite implementarea comodă a structurilor de control microprogramate. Aceste structuri
63
au două funcţii principale: de secvenţiere şi de procesare propriu-zisă, împărţite la rândul lor în
mai multe subfuncţii: procesarea datelor, controlul adresei de microprogram, controlul adresei
de macroprogram, controlul întreruperilor, accesul direct la memorie (DMA), controlul I/E,
controlul memoriei.
Datorită integrării structurilor clasice de prelucrare cu ALU şi secvenţiatoare, proiectarea
structurilor microprogramate cu circuite bit-slice este mai avantajoasă şi mai performantă decât
proiectarea cu circuite integrate de uz general, dar ea rămâne în continuare dificilă datorită
necesităţii de implementare a unor structuri hardware complexe nestandard şi a numărului foarte
mare de circuite integrate folosit.
Progresele tehnologice actuale şi dezvoltarea procesoarelor specializate pe aplicaţii fac
tot mai puţin oportună utilizarea în viitor a microprocesoarelor bit-slice.
4.5.2.3. Microprocesoare de uz general pe 8/16/32/64 biţi
Microprocesoarele pe 8 biţi au apărut în mod firesc în contextul dezvoltării tehnologiei de
realizare a circuitelor integrate. Cele două automate din structura unui procesor au fost integrate
funcţional într-un singur cip, iar numărul de biţi ai cuvântului prelucrat a fost fixat la 8
(compromis între tehnologie şi putere de procesare), fără posibilităţi de extensie ca în tehnica bit-
slice.
Chiar şi astăzi există şi se dezvoltă în continuare numeroase aplicaţii care folosesc
microprocesoare pe 8 biţi, aplicaţii care nu necesită o mare putere de calcul, din domeniul
măsurărilor, automatizărilor, bunurilor de larg consum (procesorul specializat al unei maşini de
spălat este structurat pe 6 biţi), etc.
Cel mai reprezentativ microprocesor pe 8 biţi este Z 80, cu diverse variante constructive
care acceptă o frecvenţă de ceas de la 2 la 6 MHz.
Trecerea de la microprocesoarele pe 8 biţi la cele pe 16 biţi nu a însemnat o simplă
dublare a magistralei de date. Deşi structurile sunt bazate tot pe conceptul clasic al maşinii von
Neumann, apar îmbunătăţiri esenţiale ale atributelor de arhitectură, posibilitatea de realizare a
noi funcţii, totul bazat pe dezvoltări importante ale structurii. Arhitecturile pe 16 biţi au o
diversitate mai mare decât cele pe 8 biţi. O structură de referinţă este microprocesorul INTEL
8086. Acest microprocesor are o structură internă microprogramată pe un singur nivel, în timp ce
MC68000 de la MOTOROLA, de exemplu, este proiectat în tehnica programării pe două nivele.
Aceste arhitecturi, ca şi cele care vor fi amintite în continuare sunt arhitecturi de procesoare cu
set complex de instrucţiuni (CISC).
Procesoarele superioare lui 8086 păstrează compatibilitatea şi aduc în plus unele avantaje
faţă de predecesorul lor. Astfel, 80186 repetă structura lui 8086 la o frecvenţă dublă de
funcţionare şi integrează pe acelaşi cip circa 15 circuite integrate care se montau pe placă pentru
a realiza un microsistem cu 8086 (3 numărătoare programabile pe 16 biţi, logică pentru controlul
magistralelor, controler DMA, controler programabil de întreruperi). Limbajul de programare
conţine 10 instrucţiuni noi. Apariţia în scurt timp a lui 80286, cu arhitectură superioară şi
performanţe sporite, nu a permis impunerea lui 80186 pe piaţă.
Primul microprocesor pe 32 biţi realizat de INTEL este 80386. El combină segmentarea
memoriei cu paginarea, adică implementarea memoriei virtuale bazată pe blocuri de mărime
fixă numite pagini. Microprocesorul 80486 introduce în schema bloc funcţională o unitate de
execuţie în virgulă mobilă, care, la procesoarele de până acum era realizată pe un cip extern
separat, sub numele de coprocesor matematic, destinat creşterii vitezei şi preciziei calculelor în
64
virgulă mobilă. În plus, conţine o memorie cache (ascunsă) de 8 Kbytes folosită pentru stocarea
variabilelor frecvent utilizate. În acest fel se elimină, de câte ori este posibil, accesul la memoria
RAM externă a microcalculatorului, acces care necesită un timp mai mare chiar pentru cele mai
rapide memorii.
Microprocesorul Pentium este realizat pe 64 biţi şi oferă performanţe greu de imaginat
până la el. O folosire intensă a tehnicilor pipeline şi a registrelor cache interne separate pentru
instrucţiuni şi date (reducerea timpului mediu de acces la memorie şi acces rapid la instrucţiunile
şi datele recent folosite) permite execuţia a două instrucţiuni pe întregi, în paralel pe un singur
tact, în timp ce unitatea de virgulă flotantă (FPU) execută două instrucţiuni de virgulă flotantă
pe un singur tact. Creşterea de viteză se obţine şi printr-un bloc de anticipare dinamică a
salturilor, un mecanism de paginare extins şi un suport hardware special pentru întreruperi
virtuale.
O constatare deosebit de interesantă pentru domeniul nostru de interes este că procesorul
Pentium are numeroase facilităţi care permit testarea şi monitorizarea performanţelor. Există
posibilitatea de detecţie a erorilor la dispozitivele interne şi interfaţa de magistrală externă prin
mecanisme de calcul ale parităţii şi Excepţie Generală de Test (MCE - Machine Check
Exception). Aceste excepţii pot fi cauzate de o serie de condiţii şi duc la poziţionarea bitului
MCE din registrul CR4. Există suport hardware pentru verificarea terminării corecte a ciclului de
bus şi posibilitate de autotest (BIST - Built In Self Test) precum şi port standard IEEE 1149.1
de acces pentru testarea procesorului din exterior. Modul de lucru sondare (Probe Mode)
permite accesul la regiştrii interni şi la spaţiul I / O de memorie, fiind posibilă modificarea stării
CPU, utilităţi necesare depanării. Prin ştergerea bitului DE (Debug Extensions) din registrul CR4
se aduce procesorul în stare compatibilă cu 486.
Microprocesorul P6, sau sub cea mai recentă denumire Pentium Pro, este printre cele
mai noi produse al compatibilelor x86. Este cel mai performant procesor CISC, deşi împrumută o
serie de tehnici de la arhitecturile RISC. Unitatea centrală este alcătuită din două părţi mari:
partea de prelucrare în ordinea dată a instrucţiunilor şi partea de execuţie într-o ordine diferită a
lor, funcţie de necesităţi. Rezultatele se depun într-o memorie tampon de reordonare, unde se
reface ordinea corectă. O tehnică de redenumire a registrelor elimină problemele datorate unui
număr relativ redus de registre generale la arhitecturile x86. O altă noutate este integrarea
memoriei cache de nivel 2 în aceeaşi capsulă cu unitatea centrală şi accesarea ei prin intermediul
unei magistrale dedicate. Pe ansamblu, arhitectura este mult diferită faţă de cea a compatibilelor
x86 de la INTEL, organizată pe o structură de 2 cipuri şi un număr de 21 milioane de
tranzistoare, la o frecvenţă minimă de lucru de 133 MHz. Performanţele sunt duble faţă de
Pentium la 100 MHz. Microprocesoarele Pentium II au frecvenţa maximă de lucru de 550 MHz.
Urmează microprocesoarele Pentium III având frecvenţa maximă de lucru de 750 MHz, etc.
4.5.2.4. Microcontrolere
Un microcalculator integrat pe un singur cip, numit şi microcontroler, conţine pe lângă
unitatea centrală implementată cu un microprocesor de uz general, şi alte unităţi funcţionale din
structura unui calculator: memorie RAM, memorie ROM, porturi de intrare / ieşire serie sau
paralel, circuite de numărare/temporizare programabile, circuite de tratare a întreruperilor,
circuite de transfer DMA, circuitele de ceas.
Gradul sporit de integrare determină o simplificare esenţială a hard-ului necesar unei
aplicaţii şi apare pentru prima dată posibilitatea realizării unor funcţii complexe de control
65
(măsurare, conducere, reglare) numai cu câteva circuite integrate. Implicaţiile acestui fenomen,
constau în pătrunderea microcalculatoarelor în sfera bunurilor de larg consum, a unităţilor de
control industriale, a echipamentelor periferice utilizate în tehnica de calcul. Există posibilitatea
utilizării microcontrolerelor ca elemente de procesare paralelă în calculatoarele vectoriale sau
matriciale.
Primul microcalculator integrat a fost INTEL 8048, care conţine o unitate centrală pe 8
biţi, o memorie RAM de 64 octeţi, o memorie ROM de 1 Koctet, un număr de 27 linii de intrare
/ieşire şi un numărător programabil pe 8 biţi. Aceste elemente sunt asamblate într-o arhitectură
standard de microsistem pe 8 biţi, asemănătoare unei structuri realizate în jurul
microprocesorului pe 8 biţi INTEL 8080. Şi setul de 96 de instrucţiuni este în mare măsură
asemănător cu cel al microprocesorului 8080, care a fost luat ca model în realizarea acestui
microcalculator integrat.
Există diferenţa între noţiunea de microcalculator integrat şi cea de microcontroler. Ea
include microcontrolerele în mulţimea microcalculatoarelor integrate, precizând totuşi că nu
există o diferenţă netă între cele două categorii. Ea defineşte microcontrolerele ca fiind
microcalculatoare cu set de instrucţiuni mai redus, şi "mai intim legate de aplicaţiile de control,
urmărire şi automatizare industrială".
MC 6801 este un microcalculator integrat pe 8 biţi care s-a dezvoltat din familia
microprocesorului de uz general MC 6800. El asigură o compatibilitate software perfectă cu MC
6800, dar are câteva instrucţiuni noi în plus, printre care cea de înmulţire fără semn. Este cu circa
20 % mai rapid decât 6800 şi poate funcţiona ca microcalculator de sine stătător, sau ca
microcalculator de uz general cu memorie externă de până la 64 Kocteţi.
Pe lângă microprocesorul propriu-zis MC6801 include o memorie fixă de 2 Kocteţi, o
memorie RAM de 128 octeţi, 29 linii de intrare/ieşire, 3 numărătoare programabile de 16 biţi
fiecare şi un circuit de ceas.
Unul dintre cele mai moderne produse din seria HC11 a firmei MOTOROLA şi
reprezentativ pentru întreaga familie, este microcontrolerul MC68HC11-F1, care conţine pe
lângă CPU, un timer complex pe 16 biţi cu patru nivele de prescalare, selectabile prin software,
interfaţă serială sincronă/asincronă, 512 octeţi de memorie EEPROM cu mecanism de protecţie,
1 Koctet de memorie RAM static cu posibilitate de stand-by, convertor analog/numeric pe 8 biţi,
întrerupere de timp real, 4 ieşiri programabile pentru selecţia unor periferice externe, regimuri de
funcţionare cu consum redus. Circuitul poate funcţiona în 4 moduri distincte, selectabile în
secvenţa de RESET, prin controlul asupra liniilor MODA şi MODB.
În modul de operare single-chip toţi pinii circuitului sunt folosiţi ca linii de intrare/ieşire
şi circuitul lucrează ca un microcontroler complet, fără a folosi memorie sau periferice externe.
Programul trebuie să fie încărcat în EEPROM. Modul de operare expanded-nonmultiplexed
reconfigurează o parte din intrări/ieşiri pentru a implementa fizic magistralele de date şi adrese.
Modul de operare bootstrap este similar cu modul single-chip, dar la RESET controlul este
preluat de un "bootloader"(un program scurt plasat în ROM), care încarcă în RAM-ul intern un
program pe interfaţa serială. În sfârşit, modul de operare TEST a fost iniţial conceput pentru
testarea circuitului la fabricant, dar este disponibil şi pentru utilizator, făcând posibilă
programarea unor date în EEPROM.
Adresele memoriei interne pot fi deplasate în spaţiul de memorie adresabil de circuit prin
intermediul unor porturi şi registre de configurare a sistemului. Convertorul analog/numeric pe 8
biţi este cu aproximaţii succesive şi are 8 intrări externe multiplexate şi circuite de eşantionare şi
memorare încorporate.
66
Familia de microcontrolere cu cea mai mare răspândire, pentru care s-a creat o gamă
largă de aplicaţii, este familia 8051. Deosebirile între membri familiei 8051 sunt date de tipul şi
prezenţa memoriei program interne: 8031 fără memorie, 8051 cu 4 Kocteţi memorie ROM
programată la fabricarea circuitului şi 8751 cu 4 Kocteţi memorie EPROM, programabilă de
utilizator. Practic, când vorbim de "8051" putem înţelege oricare din aceste circuite.
4.5.2.5. Procesoare numerice de semnal (DSP)
Prelucrarea numerică (digitală) a semnalelor (PDS) este un domeniu de actualitate, cu
mare aplicabilitate practică (filtrare numerică, transformare Fourier rapidă, prelucrare de semnal
audio, prelucrare de imagini, etc.).
Realizarea practica a sistemelor PDS constă în transpunerea algoritmului de prelucrare
într-o structura hardware sau într-un program de calcul. În funcţie de necesităţile utilizatorului si
de performantele sistemului de prelucrare, exista mai multe posibilităţi de implementare a
sistemelor PDS:
- realizarea în logica cablata, sub forma unei structuri specializate, constând din
interconectarea unor circuite aritmetice sau logice elementare (registre, sumatoare,
multiplicatoare, porţi);
- realizarea în logica programata, pe sisteme cu unul sau mai multe microprocesoare;
- realizarea sub forma de circuite specializate pentru operaţiile de prelucrare a semnalelor
(în tehnologii diverse: semiconductoare, circuite cu transfer de sarcina, circuite cu unde acustice
de suprafaţa, circuite optoelectronice).
Posibilităţile hardware de realizare a unităţii centrale, folosind circuite VLSI, sunt
următoarele:
- microprocesoare de uz general;
- microcalculatoare si microcontrolere într-un singur cip;
- procesoare digitale de semnal (PDS);
- calculatoare cu set redus de instrucţiuni (RISC);
- circuite specializate realizate la cerere (“custom”) - de exemplu, circuite specifice
aplicaţiei (ASIC).
Primele patru elemente ale listei nu se exclud reciproc întrucât toate implica utilizarea
procesoarelor. În general, microprocesoarele pot fi modulele de procesare de baza, deoarece
conţin UAL (Unitatea Aritmetica si Logica), elemente de control si un număr limitat de registre
interne. Ele necesita dispozitive externe sau periferice: memorie RAM pentru stocarea datelor
(operanzilor), memorie ROM pentru stocarea programelor si dispozitive I/O pentru interfaţa cu
mediul exterior. Microcalculatoarele monocip conţin toate elementele sistemului de calcul într-
un singur circuit. În plus, microcontrolerele conţin si un anumit număr de interfeţe I/O pentru
conectarea perifericelor: porturi paralele sau/si seriale, circuite de ceas intern (de exemplu,
Motorola MC6801, MC68HC11, unele variante ale MC68HCO5 si Intel 80510, controlere
pentru întreruperi. Unele au, de asemenea, convertoare analog-digitale interne (de exemplu:
MC68HC11, unele variante ale MC68HC05, Intel 8098 si OKI MSM66301).
Procesoarele RISC operează cu un set redus, relativ elementar de instrucţiuni, care pot fi
executate foarte rapid - în cel mult una sau doua perioade de ceas. Unele dintre acestea dispun de
coprocesoare în virgula mobila pentru a extinde setul de instrucţiuni de baza. Menţionam ca
noile procesoare RISC, ca Motorola 88000, Intel 80860 si seria SPARC a companiei SUN, etc.,
pot depăşi performantele unora dintre procesoarele PDS actuale. În general, dezvoltarea
67
calculatoarelor RISC implica folosirea multor componente si, în consecinţa, ele nu sunt la fel de
uşor de proiectat si de realizat ca cele bazate pe procesoare PDS unicip.
Ultima categorie menţionata include dispozitive VLSI care sunt destinate unor aplicaţii
specifice de procesare digitala a semnalelor si unor funcţii necesare altor procesoare. Acestea
includ, de exemplu, acumulatoare - multiplicatoare, filtre, dispozitive care realizează histograme
si circuite care prelucrarează imagini, generatoare de adrese si generatoare de coeficienţi pentru
algoritmi, etc.
Procesoarele digitale de semnal sunt microcalculatoare într-un singur cip, având
caracteristici hardware si software specifice. Din punct de vedere hardware, procesoarele PDS se
remarca în primul rând printr-o viteza mare de execuţie a instrucţiunilor. Aceasta este obţinuta
prin folosirea arhitecturilor paralele, combinate cu folosirea principiului pipe-line de funcţionare.
Este utilizata curent arhitectura de tip Harvard, cu spatii de adrese separate pentru date si
programe si cai de transfer separate. Folosirea principiului pipe-line consta în fragmentarea
activităţilor si executarea acestora pe unităţi funcţionale distincte. În felul acesta, în procesor pot
exista la un moment dat mai multe instrucţiuni, în diferite stadii de execuţie. Din acest motiv,
procesoarele PDS executa majoritatea instrucţiunilor într-o singura perioada de tact. Procesoarele
PDS sunt prevăzute cu memorie interna pentru programe, iar unele variante si cu memorie pentru
date. Având în vedere specificul algoritmilor PDS, procesoarele de semnal au incorporate
multiplicatoare de tip paralel si registre pentru deplasarea binara a datelor.
Majoritatea procesoarelor PDS au un set bogat de instrucţiuni, conţinând practic toate
tipurile de instrucţiuni ale procesoarelor de uz general. În plus, sunt prevăzute instrucţiuni pentru
înmulţire si acumulare, pentru rotirea datelor într-un tablou, pentru inversarea biţilor, etc.
Modurile de adresare folosite pentru date sunt: adresare imediata, directa, indirecta, circulara,
adresare cu inversarea biţilor. Un ajutor important în folosirea circuitelor PDS îl oferă sistemele
de operare specifice. În prezent, cel mai răspândit este sistemul de operare SPOX (Spectron
Microsystems Inc.). El conţine un nucleu pentru multiprocesare în timp real, module pentru
gestionarea memoriei, funcţii matematice specifice PDS, o biblioteca în limbajul C, facilitaţi
pentru depanare software. Sistemul SPOX rulează în prezent pe sisteme cu procesoare 21000
(Analog Devices), 96002 (Motorola), C3X si C40 (Texas Instruments). O versiune mai recenta,
MICROSPOX, este destinata funcţionarii cu procesoarele în virgula fixa 56000 (Motorola),
ADSP 2100 (Analog Devices), TMS 320C2X si TMS 320C5X (Texas Instruments). Familia de
procesoare 56000 (Motorola) lucrează si sub sistemul de operare VRTX (Ready Systems), sistem
care poate lucra împreuna cu majoritatea familiilor de procesoare PDS. Sistemul de operare
VCOS al firmei AT&T implementează familia DSP 3210 pe placa de baza a calculatoarelor PC
sau a staţiilor de lucru.
Seria de procesoare TMS 320 constituie un standard în lumea procesoarelor de semnal,
creşterea posibilităţilor tehnologice de integrare având ca efect realizarea unor cipuri tot mai
performante. Primul reprezentant al familiei a fost TMS 32010, care efectua 5 milioane de
operaţii de tip adunare şi înmulţire pe secundă. A doua generaţie de procesoare cu TMS 32020 şi
TMS 320C25 reuşeşte dublarea performanţei, în timp ce reprezentantul celei de-a treia generaţii
de procesoare de la TEXAS INSTRUMENTS, TMS 320C30 efectuează 33 milioane de operaţii
în virgulă mobilă pe secundă (33 Mflop/s), atingând performanţa unui supercalculator.
Unul dintre cele mai puternice procesore de semnal este TMS320C80 cu performanţe de
excepţie, care îl recomandă pentru orice aplicaţie, inclusiv procesarea semnalului video, aplicaţii
de realitate virtuală tridimensională, compresie digitală de semnal audio sau video, etc. S-a reuşit
integrarea pe un singur cip cu 305 pini a unui număr de peste 4 milioane de tranzistoare
68
(tehnologie CMOS de 0,5m), la o tensiune de alimentare de 3,3V. De fapt, procesorul TMS
320C80 este conceput într-o veritabilă arhitectură paralelă. Ca şi în cazul celorlalte generaţii de
procesoare de semnal, TMS 320C80 dispune de produse de dezvoltare software: compilator C
optimizat, asambloare, editor de legături, programe de depanare la nivel de cod sursă, biblioteci
de programe, etc., care permit implementarea comodă a aplicaţiilor. Deocamdată nu se aşteaptă o
introducere largă a procesoarelor de semnal în domeniul măsurărilor. Este convenabil ca
procesoarele PDS să fie folosite pentru implementarea unor algoritmi mai performanţi decât cei
din acest domeniu. Principalul obstacol îl constituie preţul, sau mai bine zis raportul
preţ/performanţă, care este cu siguranţă în favoarea arhitecturilor actuale de sisteme integrate de
măsurare, cu atât mai mult cu cat în domeniul de interes pentru noi, de cele mai multe ori nu este
neapărat necesară prelucrarea în timp real a semnalelor.
4.5.2.6. Arhitecturi paralele
Arhitecturile paralele au apărut din necesitatea creşterii performanţelor sistemelor de
calcul. Apariţia şi dezvoltarea lor a fost orientată spre:
- creşterea eficacităţii în execuţia comenzilor procesorului (tehnici pipeline de execuţie a
instrucţiunilor, logică cu execuţie anticipată a instrucţiunilor, etc.);
- creşterea vitezei de transfer a datelor în zona de execuţie a procesorului (folosirea
memoriei pipeline, a registrelor, ca memorie a zonelor de viteză maximă din sistem, extinderea
numărului de canale de transfer, etc.);
- alegerea structurii de legături, funcţie de structura topologică a problemei de rezolvat
(structură orientată spre aplicaţie, operaţii vectoriale şi matriciale, adresare asociativă, etc.).
Tehnici de prelucrare paralelă au fost folosite de la apariţia microprogramării. Atunci
când o microinstrucţiune trimisă de la unitatea de comandă spre unitatea de prelucrare comandă
încărcarea simultană a mai multor registre din unitatea de prelucrare avem de-a face cu un
paralelism. Când tehnologia a permis o creştere a gradului de integrare, după fiecare prelucrare
combinaţională s-a introdus un registru şi au apărut tehnicile pipeline. Procesorul TMS 320C80,
are o arhitectură MIMD (Multiple Instruction - Multiple Data Stream), care este o arhitectură
paralelă foarte puternică. Cu toate acestea, văzut din exterior, din punctul de vedere al
utilizatorului, el este un simplu procesor cu performanţe de excepţie. Dar aceste performanţe sunt
rezultatul arhitecturii paralele din interior.
13. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de
măsurare. Generalităţi. Clasificări. SAD cu un singur canal. Sisteme utilizând circuite de
eşantionare şi memorare
4.6. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare
4.6.1. Generalităţi. Clasificări
Sistemele de achiziţie de date sunt sisteme complexe de supraveghere a unor procese în care
intervin, de regulă, mai multe mărimi fizice. Ele realizează prelevarea, prin intermediul unor
traductoare adecvate, de semnale analogice sau numerice (în funcţie de natura traductorului), în
scopul memorării, transmiterii sau prelucrării informaţiei achiziţionate.
69
Memorarea poate fi făcută direct sau după prelucrarea datelor, pe intervale de timp mai lungi,
medii sau scurte.Transmiterea datelor e necesar a fi făcută pe distanţe mai lungi sau mai scurte.
Prelucrarea informaţiei poate consta în operaţii simple (comparări), până la prelucrări
matematice complicate (integrări, diferenţieri, medieri, calcul de transformate Fourier, etc.).
Scopul prelucrării diferă de la caz la caz: comanda unui proces (industrial, militar, de cercetare),
sau numai informare asupra evoluţiei procesului prin vizualizarea datelor. Operaţia cea mai
importantă este conversia analog – numerică, realizată cu unul sau mai multe circuite. În funcţie
de tipul aplicaţiei mai pot fi necesare şi alte circuite analogice de prelucrare. Configuraţia şi
tipurile de circuite utilizate într-un sistem de achiziţie de date – SAD – depind de o serie de
factori:
rezoluţia şi precizia cu care se cere realizarea conversiei A/N;
numărul de canale analogice investigate;
frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal;
capacitatea sistemului de prelucrare în timp real a datelor;
necesitatea condiţionării (adaptării) semnalului analogic de intrare.
Datele achiziţionate pot fi:
analogice (tensiuni, curenţi – continue sau alternative) şi reprezintă, de regulă, ieşirile unor
traductoare ce supraveghează mărimile care intervin în procesul condus;
numerice, provenind de la traductoare cu ieşire numerică sau de la alte echipamente implicate
în desfăşurarea procesului.
SAD va fi prevăzut deci cu un număr corespunzător de intrări adecvate acestor date:
intrări analogice;
intrări numerice.
Altă operaţie frecvent întâlnită în SAD este eşantionarea şi memorarea temporară a
eşantioanelor prelevate. Frecvenţa de eşantionare se stabileşte în funcţie de:
spectrul de frecvenţă al semnalelor de intrare;
viteza de lucru a convertorului A/N;
precizia impusă procesului de prelucrare.
O frecvenţă minimă şi care permite determinarea parametrilor statistici ai semnalului este
dublul frecvenţei maxime din spectrul acestui semnal. Dacă se cere ca eşantioanele prelevate să
reprezinte cu suficientă precizie un semnal continuu de la intrare, fără a mai calcula valori
intermediare eşantioanelor prelevate, frecvenţa de eşantionare trebuie sa fie de cel puţin 8…10
ori mai mare decât frecvenţa celei mai înalte armonici. Perioada de eşantionare nu poate fi mai
mică decât timpul de conversie. Înaintea eşantionării, semnalele analogice sunt supuse unor
operaţii de adaptare cu sistemul de prelucrare, numite generic condiţionare. Acestea pot fi:
amplificare/atenuare cu câştig programabil;
amplificare cu izolare galvanică;
comutare automată a intervalelor de măsurare;
compresie logaritmică;
filtrare;
conversie tensiune - frecvenţă;
conversie curent – tensiune.
Clasificări ale sistemelor de achiziţie de date:
După condiţiile de mediu în care lucrează:
sisteme destinate unor medii favorabile (laborator);
70
SAD destinate utilizării în condiţii grele de lucru (echipamente militare, instalaţii
telecomandate, anumite procese industriale, etc.).
După numărul de canale supravegheate:
monocanal, cu una din variantele:
o numai circuite pentru conversia directa a semnalului;
o preamplificator urmat de circuitele de conversie;
o preamplificator, circuite de eşantionare-memorare, urmate de circuite de conversie;
o preamplificator, circuite de condiţionare a semnalului şi una din variantele anterioare;
SAD multicanal în una din variantele:
o cu multiplexarea ieşirilor unor convertoare analog-numerice, fiecare convertor
corespunzând unui canal;
o cu multiplexarea intrărilor circuitelor de eşantionare-memorare (S/H – sample and hold –
engl.);
o sisteme de achiziţie destinate multiplexării semnalelor de nivel scăzut.
La realizarea unui sistem de achiziţie de date computerizat se pot urmări etapele:
a.identificarea tipurilor de intrări şi ieşiri:
o intrări analogice (temperaturi, presiuni, punţi tensiometrice, tensiuni, curenţi, semnale
acustice sau vibraţii, etc.);
o ieşiri analogice (tensiuni, curenţi, generatoare de funcţii);
o intrări/ieşiri numerice (compatibile TTL, de tensiune ridicată c.c., c.a., comunicaţie paralelă,
comandă relee);
o intrări/ieşiri de temporizări (de frecvenţă, numărare evenimente şi temporizare, măsurări de
durate de impulsuri, generare de trenuri de impulsuri);
b.alegerea metodei de condiţionare a semnalelor:
o pentru semnalele sensibile fata de zgomote, circuitele de condiţionare (amplificări, izolare,
filtrare) pot fi grupate în module speciale, plasate între sursa de semnal şi unitatea de calcul,
având posibilitatea de a procesa concomitent un mare număr de canale;
o la aplicaţii cu număr redus de intrări şi la care pretenţiile de imunitate sunt mai reduse,
condiţionarea se poate realiza direct pe placa de achiziţie sau cu module mai puţin complexe;
o la aplicaţii care nu necesita condiţionare, aplicarea semnalelor se realizează direct, prin
elementele de conectare: plăci cu conectori, mufe BNC, alte accesorii;
c.alegerea modulului de prelucrare potrivit – se face în funcţie de precizie, frecvenţa de achiziţie,
număr de canale, repetabilitate, expandabilitate, platforma de calcul de care se dispune, adică:
o module de instrumentaţie – asigură performanţe superioare ca timpi de stabilire, precizii
garantate, viteze ridicate de eşantionare, sincronizare multiplă, număr de temporizări şi
contorizări, conectori ecranaţi;
o plăci de achiziţie de cost redus, cu număr de intrări redus şi performanţe nu prea ridicate;
o sisteme de achiziţie portabile, folosite în mijloace care se deplasează, testări ale mediului,
aplicaţii aerospaţiale, etc.;
d.alegerea cablurilor de legătură şi a accesoriilor pentru condiţionarea semnalelor: pentru precizii
bune, protecţie faţă de zgomote şi conectare sigură la modulele de instrumentaţie se recomandă
conductoare ecranate; în situaţii de precizii reduse şi cost redus se pot folosi cabluri panglică;
e.alegerea metodei software de prelucrare – se face în funcţie de platforma de calcul de care se
dispune, de tipul de magistrală cu care acesta este echipat, de funcţiile de calcul, instrumentele
virtuale necesare; fiecare firma are dezvoltate sisteme software proprii, compatibile cu produsele
hardware furnizate; se pot achiziţiona părţi de soft în funcţie de nevoi, care să acopere
71
necesităţile şi să fie în acelaşi timp economice. Caracteristicile tehnice cele mai importante ale
plăcilor de achiziţie sunt:
rezoluţia de intrare - se specifică în biţi, mai exact în numărul de biţi ai convertorului analog -
numeric folosit. O valoare des întâlnită este 12 biţi, dar şi de 8, 10,14 sau 16. Exprimarea
rezoluţiei se poate face fie prin indicarea numărului de biţi, fie a tensiunii pe care o reprezintă
variaţia celui mai puţin semnificativ bit al codului numeric de conversie. De exemplu, pentru un
domeniu de intrare de ±5 V, la o conversie pe 12 biţi a mărimii de intrare, rezoluţia care rezultă
este:
10 V : 212
= 10 V : 4096 = 2,44 mV
Se recomandă folosirea unor plăci cu rezoluţia optim aleasă în raport cu aplicaţia căreia îi este
destinata, întrucât plăcile cu rezoluţii ridicate au preţurile în consecinţă.
precizia intrării - nu este identică cu rezoluţia, deşi se raportează la aceasta. Depinde de
performanţele circuitelor analogice ale părţii de intrare a plăcii (convertorul analog - numeric,
amplificatorul cu câştig programabil, multiplexoarele de intrare). Poate fi exprimată prin eroarea
absolută sau relativă, în mai multe moduri, dar având acelaşi rezultat;
viteza maximă de eşantionare, exprimată în număr de eşantioane/secundă (kes./sec.,
Mes./sec.) şi nu în Hz. Atunci când placa are mai multe canale de intrare, pentru a găsi viteza
maximă de eşantionare a unuia dintre canalele utilizate într-o aplicaţie, se împarte viteza maximă
de eşantionare a plăcii la numărul canalelor folosite. Se pune problema relaţiei dintre câştig şi
viteză maximă de eşantionare. De regulă, aceasta este specificată pentru acelaşi câştig stabilit pe
fiecare canal. Există placi de achiziţie la care, prin incrementarea codului de selecţie a canalelor
prin multiplexor, se aplică şi amplificarea selectată pentru intrarea respectivă. De asemenea, la
viteze ridicate de eşantionare se pune problema rezervei de memorie a calculatorului pentru
prelucrarea eşantioanelor, având în vedere şi viteza sa de lucru. Pentru evitarea acestei dificultăţi,
multe din plăcile rapide de achiziţie sunt prevăzute şi cu memorii proprii (până la 2 Mbyte), încât
viteza de lucru a calculatorului să nu devină o limitare. Vitezele de eşantionare pot varia de la
placă la placă, de la valori de zeci de kes./sec. până la valori de 1 Ges/sec.
Alţi parametri:
domeniul de intrare al plăcii de achiziţie - trebuie pus în acord cu domeniul de variaţie al
semnalului furnizat de traductor. Există placi cu domenii fixe de intrare şi placi cu domenii de
intrare selectabile fie hard, prin comutatoare (jumperi), fie prin program. Pentru o exploatare la
maxim a posibilităţilor de conversie, este necesar ca domeniul de semnal al traductorului să fie
egal cu domeniul de intrare al plăcii;
tipul de convertor analog - numeric - poate sa fie un criteriu important la alegerea variantei
de placa aleasa. Cele mai întâlnite convertoare sunt cele cu aproximare succesivă, cu integrare,
cu conversie tensiune - frecvenţă şi cele paralel. O prezentare comparativă a acestor tipuri este
dată în tabelul următor.
Tip convertor Viteza Rezoluţie
[biţi]
Imunitate la
zgomot Preţ
- cu convers.
tens./frecv.
redusă 14…24 foarte bună mediu
- cu integrare redusă 12…18 foarte bună scăzut
72
- cu aprox. succesive medie 10…16 mică scăzut
- paralel (flash) foarte mare 4…8 fără mare
Cele mai multe plăci de uz general au prevăzute convertoare cu aproximare succesivă. Pentru
măsurări în medii zgomotoase se folosesc cele cu conversie tensiune - frecvenţă, în timp ce
plăcile având viteze de eşantionare foarte mari sunt echipate cu convertoare paralel.
De asemenea este important şi modul de eşantionare. Semnale de triggerare pot fi folosite la
iniţierea preluării de date, la oprirea ei sau preluare de date înainte şi după un trigger. Ultimele
două moduri sunt foarte utile când cunoaşterea unei părţi a datelor este condiţionată de
producerea unui eveniment marcat de semnalele de trigger;
Modurile de transfer a datelor: la plăcile de mare viteză se impune folosirea fie a
transferului prin acces direct la memorie (DMA), fie prin metoda întreruperilor. Prin comandă
completă hardware a transferului DMA acesta a devenit extrem de rapid. În aplicaţiile de viteză
redusă metoda întreruperilor poate fi suficient de bună;
Pentru asigurarea unei independente a vitezei de preluare fata de viteza magistralei
calculatorului, plăcile rapide dispun de memorii proprii;
registre FIFO (primul intrat, primul ieşit) sunt locaţii de memorie prevăzute pe plăcile de
achiziţie pentru stocarea temporară a mărimilor de intrare convertite. Ele constituie un tampon
între viteza ridicată de conversie şi viteza la care calculatorul poate prelua eşantioanele de pe
placă. Funcţionarea lor nu permite suprapunerea sau pierderea de date;
intrări/ieşiri numerice - este funcţia fără conversii analog - numerice cel mai des prezentă. Ea
permite conectarea plăcii la surse de semnal numeric, respectiv la dispozitive de ieşire numerice.
Foarte multe placi au prevăzute interfeţe pentru semnale TTL. Chiar şi astfel de plăci au totuşi
circuite de condiţionare a semnalelor, permiţând lucrul cu o mare varietate de semnale;
ieşiri analogice - sunt folosite pentru generarea de tensiuni de excitaţie, comenzi pentru alte
dispozitive, generarea de forme de undă, simulări de ieşiri ale altor echipamente. Ieşirile
analogice au aceleaşi caracteristici ca şi intrările analogice (rezoluţia în biţi, viteza eşantioanelor
în eşantioane/sec, etc.);
intrări/ieşiri de numărare / temporizare - este o funcţie prezentă la foarte multe plăci.
Circuitele de temporizare sunt utilizate pentru a face mai precisă preluarea de eşantioane la
intrările sau ieşirile analogice, dar şi la măsurarea frecvenţei, numărarea unor evenimente,
măsurarea unor intervale de timp, întârzieri sau la generarea de frecvenţe de ieşire cunoscute.
73
Fig.4.16.
Schema bloc a unei plăci de achiziţie de cost redus – Lab-PC+ - se dă în fig. 4.16 şi se pot
regăsi etajele amintite anterior.
4.6.2. SAD cu un singur canal (monocanal)
Este varianta cea mai simplă, conţinând un singur CAN şi având schema minimală din
fig.4.17, în care:
CAN – convertor analog-numeric;
MT- memorie tampon;
DC – dispozitiv comandă.
Frecvenţa maximă a semnalului de intrare, la care variaţia semnalului de intrare pe durata unui
ciclu de conversie Tc nu depăşeşte 1 LSB (Last Significant Bit- bit de semnificaţie minimă -
engl.), pentru a evita erori grosolane, este:
c
)1N(
maxT
2f
(4.19)
unde N este numărul de ranguri binare al convertorului, Tc durata conversiei.
Fig.4.17.
74
Sistemele cu conversie directă se folosesc când semnalul analogic ar trebui transmis printr-un
mediu cu perturbaţii puternice şi se amplasează direct lângă sursa de semnal.
4.6.3. Sisteme utilizând circuite de eşantionare şi memorare
Fig.4.18.
Aceste circuite asigură o creştere a vitezei de variaţie admise a semnalului supus conversiei, fără
diminuarea preciziei.
În fig. 4.18:
PA – preamplificator;
CEM – circuit de eşantionare – memorare.
Între două conversii succesive, CEM urmăreşte variaţiile semnalului de intrare. Înainte de
iniţierea conversiei, CEM este trecut în starea de memorare în care oferă la ieşire valoarea
momentană a semnalului de intrare de la sfârşitul etapei de urmărire. Starea de memorare se
menţine pe toata durata conversiei. Astfel precizia CAN nu este afectată, indiferent de viteza de
variaţie a semnalului de intrare şi de tipul de CAN folosit.
La eşantionare cu o frecvenţă prea scăzută, în semnalul rezultat apare o componenta de JF
supărătoare, denumită semnal alias, şi care trebuie rejectat, prin filtrare.
14. Măsurări electronice industriale. Sisteme de achiziţie de date. Sisteme integrate de măsurare.
Sisteme de achiziţie multicanal. Modalităţi de conectare a semnalelor la SAD. Tehnici de
condiţionare a semnalelor
4.6.4. Sisteme de achizitie multicanal
4.6.4.1 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor convertoarelor cu un singur
canal
Este un sistem paralel (fig.4.19), pentru fiecare sursa de semnal se utilizează câte un CAN, care
nu ridică în mod deosebit preţul.
PA – preamplificator;
P – procesor;
Avantaje faţă de sistemele cu multiplexare analogică:
se pot folosi şi CAN mai puţin rapide, chiar pentru o viteză dorită mare de achiziţie;
permit conversia locală, la locul de amplasare a traductoarelor, informaţia fiind ulterior
transmisă sub formă numerică, mai imună la perturbaţii;
posibilitatea unei separări galvanice mai uşoare a sursei de semnal împreună cu CAN aferent,
faţă de restul sistemului;
incluzând un bloc procesor local, datele numerice de pe fiecare canal pot fi prelucrate înainte
de a fi multiplexate şi transmise.
75
Fig.4.19.
4.6.4.2 Sisteme de achizitie cu multiplexarea iesirilor CEM
Există aplicaţii în care e necesară achiziţionarea simultană, din mai multe puncte de măsurare, a
unor date, intr-un timp relativ scurt. Schema care corespunde cel mai bine acestor cerinţe este se
dă în fig. 4.20.
Fig.4.20.
Sursele de semnal analogic sunt conectate la câte un CEM. Comanda de trecere în starea
de memorare este data simultan pentru toate CEM, după care ieşirile acestora sunt multiplexate
la intrarea CAN. Multiplexarea se poate face secvenţial sau cu adresare aleatoare. CEM trebuie
să aibă o stabilitate foarte bună a tensiunii memorate, având în vedere numărul de canale
multiplexate (timp lung de multiplexare).
4.6.4.3 SAD cu multiplexarea intrarilor CEM
Este o structură mai simplă decât cea anterioară - fig. 4.21.
76
Fig.4.21.
Sursele de semnal sunt multiplexate la intrarea CEM, care va retine, de fiecare dată,
valoarea unui singur eşantion în vederea conversiei. Pentru a optimiza timpul de achiziţie,
comutarea la următorul canal are loc pe durata stării de memorare a CEM pentru canalul
precedent (conversie), la sfârşitul căreia circuitul CEM este comandat în starea de eşantionare,
pentru preluarea semnalului canalului următor, deja comutat.
Sistemul este mai lent decât precedentele, dar mai ieftin.
4.6.4.4 SAD cu multiplexarea semnalelor de nivel scazut
Cea mai simplă, dar şi cea mai puţin performantă schemă de SAD este cea denumită cu
multiplexarea semnalelor de nivel scăzut. Simplificarea constă în utilizarea unui singur
amplificator instrumental, în loc de a folosi câte unul pentru fiecare sursă de semnal – fig.4.22.
Uneori amplificatorul instrumental este prevăzut cu amplificare programabilă, pentru a valorifica
eficient rezoluţia CAN (nivelul maxim al semnalului la intrarea CAN, pentru orice sursă de
semnal, să fie apropiat de limita superioară a domeniului de intrare al CAN).
Fig.4.22.
Inconvenient: efect important al perturbaţiilor (semnal analogic mic, de la surse diferite). La
perturbaţiile proprii, fiecărui canal i se adaugă: influenţa semnalului util, dar mai ales a
perturbaţiilor de mod comun dintr-un canal asupra canalelor învecinate. Este necesară ecranarea
individuală a conductoarelor aferente fiecărui canal şi intercalarea de filtre, aplicaţiile fiind lente.
4.6.5. Modalităţi de conectare a semnalului la SAD
77
Precizia şi sensibilitatea ridicată a unui SAD cuplat la calculator impun o preocupare
permanentă de a elimina influenţa tensiunilor perturbatoare asupra procesului de măsurare. Dacă
semnalele digitale, prin natura lor discretă, sunt relativ imune la zgomot, semnalele analogice pot
fi influenţate chiar de tensiuni perturbatoare de nivel redus.
Suprapunerea zgomotului peste semnalul util măsurat se realizează prin cuplaj
capacitiv(cablu de semnal amplasat în apropierea cablului de alimentare de la reţea), cuplaj
inductiv(comutarea unor curenţi mari în apropierea cablului de semnal) sau cuplaj ohmic(bucle
de masă).
Cuplajul capacitiv este o modalitate importantă de apariţie a tensiunilor perturbatoare de
mod comun cu frecvenţa reţelei. Tensiunea de mod comun Vcm este indusă în circuitul perturbat
B de câmpul electric perturbator generat de reţeaua electrică A (fig. 4.23)
V Z VCAB
cmR
Reţeaua ACircuitul
perturbat B
V Z VcmR
Reţeaua ACircuitul
perturbat B
AEC CBE
Ecran
ZE
Fig. 4.23. Fig. 4.24.
Mărimea semnalului perturbator va depinde de reactanţa XAB a capacităţii reţea-circuit şi
de impedanţa Z faţă de masă a circuitului perturbat, conform expresiei:
VV
Z j XZcm
R
AB
, (4.20)
unde X CAB AB 1/ . (4.21)
Prin VR şi au fost notate tensiunea şi respectiv pulsaţia reţelei.
Prin ecranarea circuitelor de semnal se poate reduce mult valoarea tensiunii perturbatoare
induse. Efectul util al ecranului rezultă din analiza cazului prezentat în figura 4.24. Dacă
impedanţa ZE în raport cu masa a ecranului care separă circuitul perturbat de reţea este mică,
astfel încât nodul comun al capacităţilor C AE şi CBE să poată fi considerat, practic, conectat la
masă, tensiunea Vcm este neglijabilă.
Cuplajul inductiv poate fi mult atenuat prin separarea cablurilor de semnal ale
traductoarelor de intrare de cablurile de forţă, în etapa de proiectare a SAD şi folosirea cablului
ecranat sau a perechilor de conductoare torsadate pentru conectarea semnalului la SAD.
Apariţia tensiunilor de mod comun prin cuplaj ohmic este caracteristică situaţiei în care
atât traductorul, cât şi circuitele electronice de prelucrare a semnalului au câte un punct conectat
local la masă. Datorită căderilor de tensiune produse de curenţii care circulă pe traseul de masă,
este posibilă apariţia tensiunii Vcm , ca în figura 4.25, care acţionează ca o tensiune de mod
comun. Mărimea ei depinde de distanţa dintre traductor şi blocul electronic.
Această tensiune de mod comun poate fi eliminată prin evitarea legăturii CD la masă.
Masa circuitelor electronice şi ecranul conductoarelor de semnal se conectează la masă prin
legătura AB. O conexiune cu totul nerecomandată este cea în care ecranul cablului coaxial cu un
78
singur conductor, sau unul din fire (dacă nu se foloseşte cablu coaxial), este legat în două puncte
diferite la masă.
Măsurarea semnalelor de tensiune flotante cu intrările amplificatorului operaţional
neconectate la masă, este necesară introducerea unei rezistenţe de polarizare între fiecare din
intrări şi masă. Valorile rezistenţelor se aleg în domeniul 10 K...100 K.
AB C
+
_
Vcm
Conductoare de legăturăecranate
Traductor Circuite placă
D
Fig. 4.25.
Alte modalităţi de reducere a influenţei tensiunilor perturbatoare de mod comun sunt
sugerate pe baza evaluării cantitative a efectului acestor tensiuni asupra semnalului prelucrat.
Vom considera circuitul din figura 4.26 în situaţia în care tensiunile de semnal date de traductor
sunt nule, iar Z1 şi Z 2 sunt impedanţele prin care poate fi echivalat traductorul între masă şi
bornele de ieşire. Modelul adoptat pentru cablul ecranat este dat în figura 4.26, iar schema
echivalentă simplificată a intrării în acest caz este dată în figura 4.27.
VcmV
C
Traductor
Z
Z
A+
_
Circuite placăModel cablu
1
2
1A2A
1B2B
Z
Z
Z
Z
Bcm
A
B
C
Z
Z Z
Z
R C
1
2
A
B
i i
Fig. 4.26. Fig. 4.27.
Impedanţele Z si Z1A 1B sunt de natură inductivă, în timp ce Z si Z2A 2B sunt de natură
capacitivă. La frecvenţele tensiunii de mod comun , Vcm , impedanţele Z si Z1A 1B se pot neglija
în raport cu Z1 şi Z 2, iar Z si Z2A 2B se echivalează cu ZA , respectiv ZB , care reprezintă
impedanţele de izolaţie între bornele de intrare A, respectiv B, şi masă.
R i şi C i reprezintă componentele impedanţei de intrare a blocului electronic. Cum Z i>>
Z1, Z 2, la frecvenţa tensiunii de mod comun, se neglijează efectul impedanţei de intrare Z i, prin
eliminarea ei din circuit.
Putem scrie acum pentru circuitul din figura 4.27 expresia tensiunii de mod comun între
nodurile de intrare A şi B:
79
VZ
Z ZV
Z
Z ZVAB
A
A
cmB
B
cm
1 2
, (4.22)
de unde rezultă:
cm
BA
BAAB V
ZZZZ
ZZZZV
21
12 (4.23)
Folosind notaţia Z 2 - Z1 = Z şi înlocuind în expresia (4.23) vom obţine:
cm
BA
B
BA
BAAB V
ZZZZ
ZZ
ZZZZ
ZZZV
2121
2 (4.24)
unde primul termen din paranteză este neglijabil faţă de al doilea pentru că ZA şi ZB se
presupun de valori apropiate. Tensiunea Vcm va avea valoarea maximă când termenul al doilea
din paranteză este maxim. Acest lucru se realizează atunci când Z = Z 2, respectiv Z1 = 0. Cu
această condiţie şi neglijând la numitor termenii Z1 şi Z 2 faţă de ZA şi ZB , rezistenţele de
izolaţie având valori foarte mari, obţinem:
VZ
ZVAB
B
cm max 2 (4.25)
Din această relaţie rezultă că influenţa perturbatoare a tensiunii de mod comun este cu
atât mai mare cu cât impedanţa de izolaţie ZB este mai redusă şi cu cât asimetria circuitului
traductorului în raport cu punctul C este mai mare.
Condiţia ca impedanţele de izolaţie să fie cât mai mari se poate realiza practic prin
gardarea intrărilor amplificatorului operaţional, pentru că circuitul imprimat pe care se află
montate dispozitivele electronice determină de cele mai multe ori apariţia unor curenţi de
pierderi între noduri de potenţiale diferite. Inelul de gardă este realizat în jurul bornelor
amplificatorului de intrare în blocul electronic şi este conectat la un potenţial apropiat de cel al
liniilor de semnal, printr-un circuit cu impedanţă scăzută de ieşire. Astfel, inelul de gardă
îndeplineşte şi rolul de ecran.
Se recomandă evitarea traductoarelor care solicită conectarea obligatorie la masă şi
crearea unei impedanţe de valoare cât mai ridicată între traductor şi masă.
Dar cea mai bună metodă de înlăturare a tensiunilor de mod comun o constituie
întreruperea buclei perturbative cu transformatoare neutralizatoare, optocuploare sau
amplificatoare de instrumentaţie izolatoare. Aceste dispozitive întrerup bucla de curent prin
separare galvanică, una din funcţiile generale de condiţionare a semnalelor.
4.6.6. Tehnici de condiţionare a semnalului
Blocul de condiţionare a semnalelor primite de la traductoare este un element foarte
important în construcţia unui SAD. Calitatea semnalului care ajunge la unitatea de conversie de
date depinde de modul de prelucrare a semnalului în unitatea de condiţionare. Acesta presupune
conversia curent-tensiune, scalare, filtrare, izolare, amplificare, multiplexare, etc.
80
Pentru traductoarele care furnizează la ieşire un semnal de curent unificat 4-20 mA,
conversia curent-tensiune se face simplu, prin introducerea unei rezistenţe de precizie în bucla de
curent. Pentru a obţine rezoluţia maximă se alege o valoare de rezistenţă cât mai mare, astfel
încât să nu se depăşească domeniul maxim specificat al tensiunii de intrare. Astfel, pentru
valorile uzuale de 250 , respectiv 500 , şi pentru semnalul de curent specificat mai sus, se
obţin domeniile de tensiune de 1…5 V, respectiv 2…10 V. Valoarea exactă a rezistenţei nu este
foarte importantă, pentru că se mai pot face corecţii prin soft, dar stabilitatea acestei valori este
un parametru esenţial. Se folosesc de obicei rezistenţe cu peliculă metalică cu o toleranţă de
0,1%.
Această metodă este totuşi limitată pentru valori mari ale curentului din buclă. Pentru
măsurarea unui curent maxim de 1A ar fi necesară o rezistenţă de 5 M, iar erorile de măsurare
ar fi inacceptabile, datorită zgomotului şi a circuitului care preia tensiunea rezultată pe rezistenţă.
Problema se rezolvă prin folosirea configuraţiei de măsură din figura 4.28, în care amplificatorul
operaţional are FET-uri pe intrări, iar tensiunea este preluată de la ieşirea amplificatorului
operaţional.
OPA 111+
_
R
IIN
VOUT
R R
R R
C C
C C
semnalintrare
VOUT=
_IIN
. R
R
R*
*
Fig. 4.28. Fig. 4.29.
Având în vedere că pentru circuitul OPA 111 curentul maxim pe intrări este de 1pA,
configuraţia din figură permite măsurarea curenţilor mai mari de 10pA, cu precizie foarte bună.
Acelaşi circuit integrat se poate folosi pentru a obţine o impedanţă foarte mare de intrare, prin
conectarea lui ca repetor (tensiunea de intrare se aplică pe intrarea neinversoare, iar intrarea
inversoare se conectează la ieşire). Din necesitatea polarizării corecte a intrărilor se conectează
de la intrarea neinversoare la masă o rezistenţă de valoare: R = 1mV / 1pA =109 , acceptând o
eroare maximă de 1mV. Se alege o valoare mai mică de 109. De exemplu, un senzor pentru
citirea ph-ului cu o impedanţă de 500 M şi o tensiune maximă de ieşire de 50mV se poate
conecta direct, fără altă rezistenţă la intrarea circuitului repetor. La ieşire se obţine aceeaşi
tensiune, dar cu rezistenţa internă de 100, rezistenţa de ieşire a amplificatorului operaţional.
Semnalul preluat de la traductor trebuie de obicei amplificat înainte de a ajunge la blocul
de conversie. Prin scalare se înţelege amplificarea semnalului astfel încât valoarea lui maximă
vârf la vârf să acopere domeniul tensiunilor de intrare ale blocului de conversie A/D. Cele mai
frecvente domenii de tensiune sunt: 0…10V, 5V sau 10V. De obicei circuitele
amplificatoare au amplificări programabile prin soft sau prin jumperi. Pot exista situaţii în care
semnalele de intrare depăşesc domeniul şi atunci condiţionarea presupune atenuarea semnalelor
cu ajutorul unui atenuator rezistiv compensat.
81
În blocul de condiţionare a semnalelor există de obicei filtre pasive trece-jos cu unul sau
cu doi poli. În figura 4.29 s-a reprezentat un filtru trece jos, diferenţial, cu doi poli. Rezistenţele
R au fost introduse pentru polarizarea în curent continuu a intrărilor circuitelor de amplificare.
Orice asimetrie în valorile componentelor din cele două ramuri ale filtrului înrăutăţeşte rejecţia
tensiunii perturbatoare de mod comun. Frecvenţa de tăiere este:
CRf /03,0 (4.26)
iar raportul de atenuare V Vin out/ la o frecvenţă dată fx , este:
2
1088,0
CRf
V
V x
out
in (4.27)
Performanţe superioare se obţin folosind filtre active cu mai mulţi poli. O metodă
eficientă de filtrare este medierea software a semnalelor zgomotoase. Pentru fiecare valoare de
tensiune măsurată sistemul face un număr mare de citiri (de exemplu 100) şi calculează o valoare
medie.
Tehnica izolării semnalelor analogice culese este larg folosită pentru că oferă protecţia
blocurilor electronice la apariţia accidentală a unor supratensiuni pe intrări, dar elimină şi buclele
de masă. Izolarea, sau separarea galvanică, se realizează prin cuplaj capacitiv, inductiv sau optic.
Pentru circuitele de izolare realizate cu componente discrete, performanţele cele mai bune erau
asigurate de cuplajul prin transformator, dar soluţia era şi cea mai scumpă. La ora actuală există
amplificatoare de izolaţie integrate cu performanţe de excepţie, cum sunt circuitele din seria ISO
ale firmei Burr - Brown:
- circuitul 3656 foloseşte cuplajul magnetic, are o impedanţă de izolaţie de 10 613 pF , o
tensiune maximă admisă pe bariera de izolare de 8 KV cc şi o rejecţie a modului izolat de 112
dB, la 60 Hz.
- circuitul ISO 100 foloseşte cuplajul optic, are aceeaşi impedanţă de izolaţie ca 3656,
tensiunea maximă de izolaţie de 2 5, KVcc şi rejecţia modului izolat mai mare de 108 dB.
- circuitul ISO 122 foloseşte cuplajul capacitiv, are impedanţa de izolaţie de 10 215 pF ,
tensiunea maximă de izolaţie de 2 4, KV valoare efectivă şi rejecţia modului izolat mai mare de
140 dB.
O placă de achiziţie tipică are între 8 şi 16 intrări analogice şi între 8 şi 24 linii de
intrare/ieşire numerice. Prin multiplexare externă numărul de canale de intrare/ieşire poate fi
extins la câteva sute sau chiar mii. Modul de citire a canalelor se face prin soft, funcţie de natura
semnalelor citite, pentru o achiziţie corectă a lor. Un semnal de temperatură poate fi citit mai rar
decât un semnal proporţional cu forma de undă a tensiunii din reţea.
Şi semnalele numerice se condiţionează prin folosirea unor limitatoare cu diode Zener,
sau porţi trigger Schmitt, pe intrări, respectiv optocuploare sau relee, pentru semnalele
traductoarelor de ieşire.
Toate firmele producătoare de SAD realizează blocul de condiţionare a semnalelor sub
forma unui sertar amplasat cât mai aproape de traductoare. Sertarul conţine module specializate
care realizează diverse funcţii de condiţionare a semnalului. De la sertar, semnalele amplificate şi
izolate sunt trimise spre placa de achiziţie amplasată în calculator. O structură reprezentativă de
82
condiţionare de semnal analogic din seria PCI-5B de la firma Intelligent Instrumentation este
dată în figura 4.30.
SENZOR DE
TEMPERATURA
COMPENSARE
JONCŢIUNE
RECE
REFERINŢĂ
DE PRECIZIE
FILTRU
TRECE JOS
FILTRU
TRECE JOS
AMPLIFICATOR
DE IZOLAŢIE
CONVERTOR
CC/CC
_V +V
Vout
+ 5V
OSCILATOR
DE PUTERE
SURSĂ DE
ALIMENTARE
IZOLATĂ
+ V
NC
_ IN
+IN SUPRATENSIUNE
PROTECŢIE
Fig. 4.30.
Firma National Instruments numeşte blocul de condiţionare a semnalelor, sistem SCXI.
Există o mare varietate de module SCXI: de exemplu, SCXI-1120 este un amplificator de
izolaţie cu 8 canale separate. Fiecare canal conţine câte un amplificator de izolaţie cu câştig
programabil de până la 2000 şi câte un filtru trece jos configurabil pentru frecvenţe de tăiere de
la 4Hz la 10KHz. Modulul SCXI-1121 este un amplificator de izolaţie pe 4 canale. Fiecare canal
are sursă proprie de excitaţie, configurabilă în tensiune sau curent şi câte o punte de măsură
pentru mărci tensometrice.
Pentru condiţionarea semnalelor, firma Analogic Corporation a realizat o familie de
module care comunică cu orice sistem de calcul (PC sau altceva) prin intermediul interfeţelor
seriale standard RS-232 sau RS-485. Pe o singură linie serială se pot conecta până la 124
module, amplasate la o distanţă de până la 1200 m de calculatorul central. Modulele D-1000/D-
2000 primesc semnale de la traductoare, realizează conversia A/D, apoi o eventuală prelucrare a
datelor numerice şi transmiterea lor pe serială spre o unitate de calcul. Rezoluţia pe intrări este de
15 biţi. Eventuale condiţii de alarmă sau date despre protocolul de comunicaţie serială se
stochează într-o memorie EEPROM existentă pe modul. Modulele D-1000 au funcţie de transfer
fixă, în timp ce modulele D-2000 permit obţinerea unor funcţii de transfer neliniare,
programabile de utilizator. Modulele D-3000/D-4000 sunt destinate generării unor semnale de
ieşire analogice, pentru comanda traductoarelor de ieşire. Rezoluţia conversiei D/A este de 12
biţi. D-4000 sunt module care oferă posibilitatea programării parametrilor semnalelor generate
(slew-rate, scalare, recitirea prin reacţie a semnalului generat la ieşire, etc.).
Aceste module ale firmei Analogic sunt de fapt veritabile SAD-uri, deşi catalogul le
defineşte ca module de condiţionare a semnalelor.
15. Senzori şi traductoare. Măsurarea. Noţiuni generale
5.1. Măsurarea. Noţiuni generale
Măsurarea este operaţia de comparare a două mărimi de aceiaşi natură în scopul
constatării de câte ori unitatea de măsură se cuprinde în mărimea de măsurat.
83
Operaţia de măsurare este caracterizată de relaţia :
M = Mi U (5.1)
unde: M-mărimea de măsurat, Mi-multiplu al unităţii de măsură, U-unitatea de măsură.
Mărimea de măsurat este un parametru fizic sau chimic care poate fi evaluat prin
măsurare, comparare sau reperare şi exprimat numeric.
Unitatea de măsură este mărimea care serveşte ca măsură de bază pentru toţi parametrii
de acelaşi fel. Materializarea fizică a unităţii de măsură este etalonul.
In mod ideal o operaţie de măsurare definită de relaţia (5.1) poate fi reprezentată prin
schema bloc din figura 5.1.
Figura 5.1
În fig.5.1: ES- elementul sensibil al elementului de măsurare; e = x-variabila de ieşire care
interesează.
Cele trei elemente: procesul (mediul), elementul de măsurare şi dispozitivul de redare
constituie sistemul de măsurare.
Dacă nu există perturbaţii, rezultatul măsurării depinde numai de valoarea mărimii de
măsurat (M) şi unitatea de măsură ( U ).Deci : Mi = f(M, U)
Observaţie: operaţia de măsurare ideală este un sistem de transmitere a unei informaţii
într-un singur sens, semnalul final rezultând la dispozitivul de redare.
In practică, există o serie de mărimi de perturbaţie şi reacţii inverse care provoacă erori
de măsurare. Erorile de măsurare depind de variaţia în timp a mărimilor de perturbaţie existente.
La o măsurare reală schema bloc este mult mai complicată (figura 5.2):
Figura 5.2
Un sistem de măsurare poate fi utilizat :
1. numai în scopul măsurării, rezultatul apărând direct la dispozitivul de redare.
84
2.ca element component într-un dispozitiv de automatizare sau de conducere, când se
pune problema ca variabila de ieşire să fie menţinută la o anumită valoare, când la dispozitivul
de redare apare un semnal analogic denumit mărime de reacţie ( r ).
Toate perturbaţiile şi reacţiile interne care acţionează asupra elementului de măsurare
conduc la eronarea rezultatului măsurării.
1.Perturbaţiile externe zi pot să se suprapună peste semnalul de măsurare apărând sub diferite
forme: câmp electric sau magnetic extern, modificarea temperaturii, presiunii, umidităţii
mediului ambiant în care se află elementul de măsurare, deplasarea nulului activ al scalei, etc.
putând acţiona şi în zona în care se află ES.
2. Perturbaţiile interne apar la elementul de măsurare sub forma jocurilor elementelor mobile în
lagăre, frecări în articulaţii, histereză, intervalul de insensibilitate, etc.
3. Reacţiile inverse apar ca semnale cu un anumit conţinut informaţional care au sensul de
propagare invers faţa de sensul informaţiei utile de la ES la elementul de redare. Acestea apar
mai ales când se măsoară presiuni sau temperaturi.
Pentru un anumit sistem de măsurare, o analiză a sensibilităţii poate stabili care mărime
de perturbaţie influenţează prin variaţia ei rezultatul măsurării. Se poate stabili o ierarhizare a
mărimilor de perturbaţie funcţie de influenţa acestora asupra rezultatului măsurării deoarece
orice sistem de măsurare poate fi considerat ca un sistem multivariabil.
Clasificarea erorilor de măsurare
Erorile de măsurare în operaţia de măsurare apar datorită acţiunii perturbaţiilor interne şi
externe cât şi datorită reacţiilor inverse.
Eroarea absolută, notată cu Mi exprimă abaterea rezultatului măsurării Mi faţă de
valoarea mărimii de măsurat Mo care ar fi indicată de un aparat de măsurare ideal :
Mi =Mo -Mi (5.2)
Eroarea relativă se defineşte ca raportul dintre eroarea absolută şi rezultatul măsurării:
= Mi / Mi = (Mo -Mi )/ Mi *100 % (5.3)
Termenul de corecţie C reprezintă acea valoare numeric egală cu valoarea absolută, dar
de semn schimbat :
C = -Mi = Mi -Mo (5.4)
Utilizarea termenului de corecţie este importantă deoarece astfel se compensează, într-o
anumită proporţie influenţa mărimilor de perturbaţie.
Deoarece nu se cunoaşte valoarea adevărată Mi a mărimii de măsurat, de cele mai multe
ori nu se cunoaşte nici Mi. Din acest motiv una din cele mai importante probleme ale prelucrării
matematice a rezultatelor măsurărilor este estimarea adevăratei valori a mărimii măsurate sau
estimarea unei valori pentru Mi cât mai apropiată de Mo.
Valoarea aproximativă a mărimii de măsurat cu o eroare cât mai mic posibilă se poate
determina prin calcul matematic aplicat asupra unui şir de valori măsurate, fiecare din acestea
fiind afectată de o eroare necunoscută. Metoda de prelucrare a şirului de valori măsurate
utilizează calcule statistice, de probabilitate şi de foarte multe ori de regresie (ca de exemplu
metoda celor mai mici pătrate ).
Erorile de măsurare se încadrează în două clase:
a) erori statice
Erorile statice apar în cazul măsurării unor mărimi invariabile în timp.
b) erori dinamice
85
Erorile dinamice apar la măsurarea unor mărimi variabile în timp, depinzând în mare
măsură atât de valoarea momentană a mărimii de măsurat cât şi de variaţia în timp a acesteia.
Erorile statice se clasifică în funcţie de cauzele care le produc în :
1. erori întâmplătoare; 2. erori grosolane; 3. erori sistematice.
1. Erorile întâmplătoare se datorează modificării condiţiilor exterioare sau acţiunii unor
mărimi de perturbaţie exterioare accidentale. Caracteristica principală a acestor erori constă în
faptul că acestea diferă între ele atât ca mărime cât şi ca semn, fără a rezulta din înşiruirea datelor
vreo regulă sistematică de ordonare. Aceste erori se repartizează după legi statistice ca de
exemplu curba lui Gauss. In marea majoritate a situaţiilor mărimea adevărată a erorii
întâmplătoare rămâne necunoscută deoarece rămâne necunoscută valoarea adevărată a mărimii
măsurate.
2. Erorile grosolane intervin atunci când se manifestă neglijenţe fie în realizarea
condiţiilor de măsurare fie în aplicarea corectă a metodelor de măsurare. Aceste erori sunt
momentane şi foarte uşor de descoperit deoarece sunt incomparabil mai mari decât erorile
întâmplătoare.
3. Erorile sistematice apar în mod sistematic în timpul operaţiei de măsurare şi se
clasifică în două clase :
-după sursa de apariţie;
-după aspectul analitic.
In practică apar:
-erori instrumentale provenite din defecte ale aparatelor (element de măsurare sau dispozitiv de
redare);
-erori personale datorate organelor de simţ care percep diferit auditiv şi vizual semnalul de ieşire;
-erori datorate metodei nepotrivite de măsurare.
Erorile sistematice au o acţiune unilaterală şi deosebit de periculoasă prin efectul lor
cumulativ asupra operaţiei de măsurare, motiv pentru care trebuie eliminate.
Erorile dinamice au cauze multiple. Astfel forţele masice, sistemele de amortizare,
capacităţile calorice a părţilor componente a aparaturii mecanice, condensatorii şi rezistenţele
ohmice sunt câteva surse de erori dinamice.
Aceste erori sunt mai mari dacă în componenţa instalaţiei de măsurare intră elemente de
reglare cu timp mort. Din această categorie fac parte analizoarele de gaze şi lichide care trebuiesc
montate la o anumită distanţă de utilaj sau instalaţie, conductele de legătură sunt elemente de
întârziere pură ce introduc timpi morţi în comportarea dinamică a acestor echipamente.
Caracteristicile instalaţiilor de măsurare
Instalaţiile de măsurare prezintă următoarele caracteristici :
-statice ;
-metrologice;
-tehnice;
-dinamice.
Caracteristicile statice sunt :
-domeniul de măsurare;
-limita de supraîncărcare;
-limita de siguranţă;
-constanta sistemului de măsurare;
-caracteristica statică de etalonare.
86
Domeniul de măsurare este domeniul de valori ale mărimii de măsurat pentru care erorile
de măsură sunt reglementate prin norme legale individuale.
Limita de supraîncărcare este valoarea maximă a mărimii de măsurat pentru care după
revenirea în limitele domeniului de măsurare nu se modifică caracteristicile statice sau dinamice
ale elementului de măsurare.
Limita de siguranţă este valoarea maximă admisibilă a mărimii de măsurat la care poate fi
expus elementul de măsurare fără a fi distrus, cu toate că apar modificări ireversibile a
caracteristicii statice a acestuia.
Constanta de măsurare este raportul dintre valoarea mărimii de măsurat şi valoarea citită
pe scala aparatului. Valoarea mărimii măsurate se obţine înmulţind indicaţia obţinută cu
constanta de măsurare. In practică pot să apară 2,3 scale pentru domenii diferite de valori ale
aceluiaşi parametru.
Caracteristica statică este dependenţa redată grafic, matematic sau tabelar dintre indicaţia
aparatului şi mărimea măsurată.
Caracteristicile metrologice sunt :
-precizia;
-justeţea;
-fidelitatea;
-sensibilitatea;
-pragul de sensibilitate;
-domeniul de histereză.
Precizia reflectă gradul de exactitate al rezultatelor măsurărilor. Cea mai utilizată formă
de exprimare a preciziei este cea ca un raport între valoarea absolută maximă Mi şi valoarea
domeniului de măsurare. Acest raport se numeşte eroare de bază relativă şi se exprimă în
procente. Clasa de precizie reprezintă de fapt mărimea erorii de bază relativă iar precizia erorii
de bază relativă exprimată procentual. Elementele de măsurare ale căror erori maxime tolerate
sunt exprimate în erori absolute sunt repartizate în clase de precizie cărora le sunt atribuite
numere de ordine. Cele mai mari numere desemnează elementele de măsurare ale căror erori
maxime tolerate sunt cele mai mari.
Justeţea este proprietatea de a da rezultate apropiate de valoarea adevărată a mărimii de
măsurat.
Fidelitatea se referă la proprietatea unui element de măsurare de a avea variaţii cât mai
mici ale rezultatului la variaţia repetată a aceleiaşi mărimi în condiţii identice de măsurare.
Sensibilitatea este proprietatea de a percepe şi a reda variaţii cât mai mici ale mărimii de
măsurat. In cadrul elementelor de măsurare cu caracteristica statică liniară, sensibilitatea este
chiar panta caracteristicii statice care este egală cu raportul dintre variaţia indicaţiei scalei
dispozitivului de reglare şi variaţia corespunzătoare a mărimii de măsurare M.
Pragul de sensibilitate se defineşte ca cea mai mică valoare a mărimii de măsurat M
pentru care se obţine o variaţie sesizabilă la indicaţia dispozitivului de redare.
Domeniul de histereză este diferenţa maximă a valorilor indicaţiei dispozitivului de
redare care se obţine pentru aceleaşi valori a mărimii de măsurat M, dacă la această valoare se
ajunge printr-o variaţie lentă crescătoare sau descrescătoare a mărimii de măsurat M.
Caracteristicile tehnice sunt determinate de principiul de funcţionare, formă, gabarit şi
modul în care influenţează măsurarea factorii perturbanţi. Aceste caracteristici sunt :
-stabilitate;
-inerţie;
87
-generalitate;
-fiabilitate.
Stabilitatea constă în menţinerea calităţii metrologice în timp, indiferent de condiţiile
externe.
Inerţia reflectă modul în care elementul de măsurare răspunde în timp la variaţia mărimii
de măsurat
Generalitatea este caracteristica unui element de măsurare de a putea fi înlocuit în
determinări similare cu echipamente de acelaşi fel cu aceleaşi caracteristici metrologice şi
tehnice.
Fiabilitatea este proprietatea care se exprimă prin probabilitatea ca un element de
măsurare să-şi îndeplinească funcţia impusă în anumite condiţii prescrise în cursul unei perioade
de timp date.
Cei mai importanţi parametrii ce caracterizează fiabilitatea şi care trebuiesc precizaţi
pentru un element de măsură sunt :
-durata de viaţă : durata de timp din momentul în care aparatul iese de la fabrică până la
uzura totală;
-număr de porniri;
-timpul de reparare : timpul total afectat reparaţiilor în durata de viaţă;
-durata de bună funcţionare exprimată prin suma timpilor de bună funcţionare;
-mentenabilitatea - exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să poată fi
supravegheat, întreţinut, reparat într-o anumită perioadă de timp;
-disponibilitatea exprimată prin probabilitatea ca un element de măsurare să fie în stare de
funcţionare în orice moment în intervalul dintre operaţiile de întreţinere planificate.
Caracteristicile dinamice sunt reflectate prin răspunsurile la semnal tip a elementelor de
măsurare. Cel mai des este utilizat răspunsul la semnal treaptă. Cel mai important indicator ce
caracterizează proprietăţile dinamice este constanta de timp T care este obligatoriu să fie inserată
în orice prospect în care este prezentat elementul de măsurare.
Constanta T reflectă întârzierea transmiterii informaţiei în interiorul instalaţiei de
măsurare de la locul în care se află montat elementul sensibil la scala dispozitivului de redare.
Dacă în structura elementului de măsurare există şi elemente de reglare de întârziere pură,
acestea trebuie să se specifice, având ca caracteristică dinamică timpul mort tm.
16. Senzori şi traductoare. Aparate de măsurare şi traductoare. Generalităţi. Caracteristicile
senzorilor. Măsurarea presiunii
5.2. Aparate de măsurare şi traductoare
5.2.1. Generalităţi
Aparatele de măsurare au rolul de a transforma un parametru (o mărime de o anumită
natură - fizică, chimică, etc.) într-o mărime de natură electrică, pneumatică, etc. Această
transformare s-a impus datorită avantajelor pe care le oferă semnalele electrice sau pneumatice în
ceea ce priveşte liniile de transmisie şi aparatele de măsurare utilizate. Datorită creşterii gradului
de complexitate aparatele de măsurare sunt tratate ca şi sisteme.
În cadrul dispozitivelor de automatizare, traductoarele (sistemul de măsurare) au rolul de
a transforma mărimea de ieşire e a procesului automatizat, în mărime de reacţie r. Mărimea de
reacţie r apare sub forma unui semnal informaţional, care de cele mai multe ori este de altă
88
natură fizică, decât mărimea de ieşire e (mărimea reglată x). În cadrul sistemelor de reglare
automată, traductoarele se află plasate pe calea de reacţie, asigurând transmiterea informaţiei la
intrarea regulatorului.
Schema bloc a unui sistem de măsurare (traductor) este redată în figura 5.3
Figura 5.3
Elementul de măsurare (M) denumit şi traductor de măsurare, este alcătuit din elementul
sensibil (M1) şi traductorul de baza (M2) şi adaptorul de intrare Ai
Elementul sensibil (M1) se află în contact direct cu mediul în care se urmăreşte variaţia
variabilei de ieşire, e. Prin intermediul elementului sensibil se transformă variaţiile variabilei de
ieşire (mărimii reglate), în variaţiile unei mărimi auxiliare. De exemplu, cu ajutorul unui
termocuplu, se transformă variaţii de temperatură, în variaţii de tensiune; prin intermediul unei
diafragme, variaţiile de debit se transformă în variaţiile unei presiuni diferenţială. De cele mai
multe ori, mărimea auxiliară care constituie semnalul de ieşire al elementului sensibil, nu este
adecvată prin natura fizică sau prin valoarea ei, pentru a fi aplicată direct elementului calculator.
Din acest motiv semnalul de ieşire trebuie supus unei prelucrări intermediare. Această operaţie o
realizează traductorul de baza (M2). Variabila de ieşire a traductorului de bază, denumită mărime
de reacţie r, este o mărime electrică (curent, tensiune, etc.).
Rolul elementului de măsurare, în cadrul dispozitivului de automatizare este de a stabili o
dependenţă univocă şi continuă între variabila de ieşire e de o anumită natură fizică şi mărimea
de reacţie r de natură electrică. În general, se urmăreşte ca dependenţa dintre r şi e să fie liniară,
astfel ca ecuaţia caracteristicii statice a elementului de măsurare să fie de forma:
r = KM . e (5.5)
din care să rezulte că acesta este un element proporţional cu coeficient de transfer KM.
Dacă întârzierile de transmitere a semnalului de reglare în elementul de măsurare sunt
neglijabile în comparaţie cu cele ale altor elemente din circuitul de reglare, se poate admite
că, elementul de măsurare este de ordinul zero, ecuaţia comportării dinamice fiind de forma:
r(t)=KM.e(t) (5.6)
Deoarece în elementul calculator, mărimea de reacţie r trebuie să ajungă sub forma unui
semnal electric sau pneumatic unificat (4-20 mA; 0,2-l ats.), după traductorul de bază, se
intercalează adaptorul de intrare Ai, care are rolul mai sus amintit. De multe ori se întâmplă
ca acesta să formeze cu elementul de măsurare un singur ansamblu constructiv sau să
lipsească cu totul din structura dispozitivului de automatizare, dacă traductorul de bază are
ca variabilă de ieşire un semnal unificat.
Traductoarele pot fi utilizate atât ca elemente de măsurare pentru controlul parametrilor cât
şi ca elemente componente în cadrul dispozitivelor de automatizare intercalate în sisteme de
reglare automată.
Traductoarele se pot clasifica după următoarele criterii:
1. După parametrul măsurat:
-traductoare de temperatură, presiune, debit, nivel, pH, compoziţie, concentraţie, etc.
Traductoarele îşi bazează funcţionarea pe fenomene sau proprietăţi ale materialelor care
permit transformarea unor mărimi fizice în altele cum ar fi: dilatarea corpurilor, variaţia
rezistenţei electrice, pierderea de presiune pe rezistenţe hidraulice sau pneumatice etc.
2. După natura fenomenului care stă la baza funcţionării lor.
89
- traductoare: electrice, pneumatice, chimice, de radiaţie etc.
Calitatea şi stabilitatea circuitelor de reglare depind în mare măsură de caracteristicile
tehnice şi metrologice ale traductoarelor. Cu cât aceste caracteristici sunt mai bune, cu atât
performanţele sistemelor de reglare automată sunt mai ridicate.
Câteva principii de dependenţă a unor mărimi electrice de alte mărimi, neelectrice sunt
prezentate în tabelul 5.1.
Traductoarele active, sau generatoare convertesc un anumit fel de energie, termică,
mecanică, chimică, etc. în energie electrică. Având în vedere destinaţia acestor convertizatoare
de energie, esenţială este precizia corespondenţei dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire şi mai
puţin randamentul energic al conversiei. Pentru a nu perturba starea reală în punctul în care se
efectuează măsuratoarea, se impune ca energia absorbită de traductor să fie cât mai mică. Câteva
procedee, respectiv traductoare active, sunt reprezentate în tabelul 5.2.
Tabel
5.1.
Principiul de funcţionare Traductorul Mărimea de intrare Mărimea de ieşire
![CAO SCADA - Caiet Sarcini [1].pdf](https://static.documente.net/doc/80x56/55cf9cbd550346d033aadfa2/cao-scada-caiet-sarcini-1pdf.jpg)
