Generalitati despre masurarile industriale

Introducere

Necesitatea de a masura si controla functionarea utilajelor sau a echipamentelor de proces este la fel de veche ca si revolutia industriala. Instrumentatia de masura si control devine acum nervii si creierul uzinelor moderne. Aceasta regleaza si supervizeaza operatiile echipamentelor industriale furnizand si mijloacele necesare pentru a face uzinele viabile din punct de vedere economic. Folosirea instrumentatiei de masura si control permite folosirea unor procese care ar fi foarte dificil sau chiar imposibil sa functioneze fara operare automata.

Instrumentatia de masura si control poate fi diversificata incepand de la un simplu sistem analogic pana la sistemele inteligente folosite astazi, de la un simplu potentiometru pana la analizoare complexe cum ar fi spectrometrele in infrarosu. Pentru toate sistemele avansate, marimile analogice si semnalele electrice care le "poarta" sunt componente definitorii.

Masurarile analogice pot lua multe forme, dar pot fi clasificate in doua tipuri: masurari fizice si masurari compozitionale. Primele includ masurarea unor marimi ca presiune, temperatura, debit, forta, vibratie, masa, densitate etc. Al doilea tip include masurari de PH, conductivitate, analize chimice.

Obtinerea, mentinerea si imbunatatirea calitatii acestor masuratori este scopul de baza al circuitelor de conditionare. O buna conditionare a semnalelor pastreaza calitatea marimilor de masurat disponibile si folosirea optima a sistemelor de achizitie in controlul proceselor industriale. Un exemplu al acestui tip de masurari poate fi monitorizarea vibratiilor in instalatiile industriale. Desi o parte din informatiile date de amplitudinea si frecventa vibratiilor nu sunt necesare pentru controlul automat al procesului, cunoasterea acestora poate oferi suficiente informatii cu privire la conditiile de functionare si a starii tehnice a instalatiei.

Masurarile industriale, in functie de destinatia pe care o au, pot fi:

a)    Doar pentru indicare

Aceste masurari sunt folosite pentru indicarea starilor diferitelor elemente din proces, fiind utile pentru monitorizarea proceselor de productie. De asemenea aceste marimi pot oferi informatii necesare operatorului uman in cazul defectarii sistemelor de control automate.

Un exemplu al acestui tip de masurari poate fi monitorizarea tuturor temperaturilor in instalatiile de distilare. Nu toate temperaturile sunt necesare pentru controlul automat al procesului, dar cunoasterea temperaturii din diferite puncte ofera suficiente informatii cu privire la conditiile de functionare a fazei in care se afla procesul. Aceste informatii pot sa sesizeze operatorului necesitatea interventiei manuale ca urmare a defectarii sistemelor de control.

b)    Pentru controlul automat

Controlul automat al instalatiilor industriale este esential pentru viabilitatea economica, siguranta in functionare a proceselor industriale, asigurand controlul caracteristicilor fizice sau compozitionale.

c)    Masurari privind stocurile de materiale

Aceste masurari necesita o mare acuratete, asigurand stabilitatea si continuitatea procesului de productie. Ele furnizeaza informatii despre stocurile sau necesarul de materie prima si materiale necesare procesului de productie, despre transferurile de materiale si subansambluri de la un punct de lucru la altul. Cunoasterea acestor informatii ajuta la evitarea blocarii procesului de productie datorita supraaglomerarii sau lipsei de materie prima si materiale.

d)    Masurari de mediu

Masurarile parametrilor de mediu au o importanta majora, in ultimii ani furnizand inregistrari privind deversarile de deseuri industriale si emanarea de noxe in atmosfera, ce trebuie sa fie in conformitate cu legislatia in vigoare.

e)    Masurari de siguranta

Acestea sunt furnizate in intregime de sisteme de masura separate si autonome care monitorizeaza si limiteaza situatiile periculoase. Masurarile determina parametrii critici ai procesului, indicand o eventuala operare nesigura sau un potential pericol.

Aceste sisteme trec peste sistemele de control si opresc functionarea echipamentelor pana la realizarea conditiilor de siguranta prescrise. Astfel de sisteme sunt frecvent echipate pentru a inregistra toate evenimentele aparute, permitand efectuarea de analize ulterioare privind cauzele producerii evenimentului respectiv, in scopul de a putea fi evitat sau controlat in viitor.

1.2. Mediul de masura industrial

Un sistem de masura si control industrial poate fi prezentat simplificat ca in figura 1.1. Sunt prezentate doar elementele esentiale, facandu-se totusi distinctie intre camera de control si mediul industrial

Prin mediu industrial se intelege aria in care sunt amplasate echipamentele de productie sau depozitele de materiale. De asemenea se intelege cel mai adesea podeaua intreprinderii sau zona exterioara in cazul complexelor industriale. Parti componente ale sistemului de productie se afla de multe ori in zone diferite, fiind supuse perturbatiilor electrice si factorilor de mediu. Echipamentul amplasat aici este supus unui numar mare de perturbatii electrice datorate surselor de alimentare, motoarelor electrice, precum si factorilor de mediu ca temperatura, umiditate, medii corozive si periculoase.

De asemenea, mediul industrial este locul din care trebuie preluate marimile de proces si unde sunt plasate diferite circuite de conditionare. Firele de legatura cu echipamentul de masura pot fi in apropierea echipamentelor electrice de putere, a contactoarelor de motoare si a arcurilor electrice. Acolo unde firele de legatura au lungimi de zeci sau sute de metri, probabilitatea interferarii cu acest mediu creste peste limitele admise.

Camera de control

Camera de control este cel mai "bland" loc din intreprindere, cu atmosfera curata si aer conditionat. Aici se gaseste cea mai mare parte a echipamentului electric necesar desfasurarii masurarilor de calitate. Camera de control contine de asemenea si circuite de conditionare a semnalelor, echipamentele de calcul sensibile de obicei la interferente de natura electrica.

Camera de control este de asemenea locul de unde oamenii interactioneaza cu sistemele de masura si control din intreprindere. Exista si exceptii, dar camera de control este locul unde se iau cele mai multe decizii legate de procesul de productie.

Cablurile de legatura

Cablurile de conectare a instrumentatiei din camera de control sunt de obicei cu 16 18 perechi cu fir plin. De obicei sunt torsadate pentru a reduce interferentele datorate cuplarilor magnetice. Ele sunt pozate impreuna cu alte fire de semnal, dar departe de cablurile de alimentare de putere.

Un numar mare de senzori sau semnale pot fi conectate la blocurile terminale aflate in interiorul camerei de control sau in imediata sa apropiere, pentru o conectare usoara cu circuitele de conditionare a semnalelor sau dispozitivele de afisare.

In multe cazuri, costul firelor de legatura este o buna parte din costul de instalare al sistemului de masura si control. Costul creste considerabil atunci cand cablurile trebuie sa strabata zone continand vapori sau gaze inflamabile. Riscurile reprezentate de aceste conditii necesita folosirea unor tehnici adecvate pentru prevenirea focului sau exploziilor cauzate de scantei electrice.

Concentratoarele de date

Acestea pot fi folosite pentru reducerea costului cablurilor de legatura. Aceste dispozitive colecteaza un mare numar de semnale, realizeaza conditionarea semnalelor si conversia numerica a acestora. Datele astfel obtinute sunt transmise direct catre echipamentul din camera de control.

1.3 Generalitati despre prelucrarea numerica a semnalelor

Sistemele de masura au ca scop prelucrarea marimilor electrice sau neelectrice dar convertite in semnale electrice in scopul afisarii, prelucrarii sau elaborarii unei decizii. Sistemul de instrumentatie este un sistem de masura complex, adesea computerizat sau cel putin dotat cu microprocesor si caracterizat prin posibilitati de prelucrare a informatiei provenite din procesul de masurare.

Informatia reprezinta, intr-un sens mai restrans, date si detalii relative la un obiect sau eveniment. Semnalul poarta informatiile de marime si timp ce caracterizeaza evolutia acelui obiect sau eveniment. Sistemele de instrumentatie (fig.1.2) sunt destinate prelucrarii informatiilor provenite dintr-un proces de masura (transformate in semnale electrice) si nu modificarii (transformarii) acestor semnale. Ele sunt de regula sisteme deschise, rolul lor fiind de a realiza atat actiunea de masurare propriu-zisa, cat si de analiza a marimilor prelevate din proces.

Din punct de vedere constructiv, sistemele de instrumentatie pot fi simple sau inteligente cand pe langa masurarea propriu-zisa sistemul permite si prelucrarea informatiilor obtinute prin masurare precum si operatii de corectie a rezultatelor sau control a conditiilor de masura (eliminarea zgomotelor, corectii de neliniaritate, calibrare automata). Sistemele de instrumentatie inteligente au in componenta lor de cele mai multe ori unitati de prelucrare numerica ceea ce le confera performante ridicate .

Spre deosebire de sistemele de instrumentatie, sistemele de control (Fig.1.3) sunt destinate atat prelucrarii informatiilor culese prin masurare cat si elaborarii comenzilor elementelor de executie ce actioneaza asupra procesului supravegheat.

Sistemele de control sunt sisteme inchise, ce preleveaza o stare si genereaza comenzi (corectii) in sensul mentinerii starii intr-o evolutie prestabilita. Sistemele de control pot fi statice sau dinamice. Un sistem de control static are rolul de a mentine iesirea la o valoare precisa cat mai mult timp, plecand de la marimea de intrare luata ca referinta. Un sistem dinamic permite marimii de iesire sa urmareasca cat mai fidel evolutia intrarii ce urmeaza o lege prestabilita.

O categorie speciala de sisteme o formeaza sistemele de masura cu parametrii controlati care urmaresc determinarea marimii de masurat in conditii bine determinate. Un astfel de sistem are atat caracteristici de instrumentatie cat si de control.

Structura unui sistem de control / instrumentatie cu parametrii controlati include in principiu urmatoarele componente :

- traductoarele ce preleveaza marimile de masurat

- circuitele de conditionare a semnalelor ce realizeaza procesarea analogica a semnalelor (filtrare, izolare, amplificare)

- circuitele de achizitie a datelor ce transforma semnalul analogic de intrare intr-o marime numerica

- sistemul de calcul care realizeaza analiza si eventual elaboreaza deciziile

- circuitele de iesire analogice care furnizeaza semnalele prelucrate sau comenzile pentru sistemele in bucla inchisa

- blocul de postprocesare analogica care permite interfatarea cu elementele de executie

1.3.1 Clasificari

Prin completarea configuratiei unui calculator (de regula un calculator personal - PC) cu elemente din categoria interfetelor de proces (placi de achizitie) se obtine un sistem de achizitie a datelor . Notiunea de sistem de achizitie este ceva mai generala, fiind incluse aici si alte sisteme numerice de achizitie care nu se bazeaza pe PC. In conditiile existentei functiilor de conducere, sistemul se va numi sistem de achizitie si conducere .

Prin sistem de achizitie a datelor se intelege un sistem de masurare care permite vizualizarea si/sau inregistrarea evolutiei temporale a mai multor marimi, analogice si/sau numerice, poate implementa mai multe regimuri de achizitie si permite diverse prelucrari numerice.

Principalele regimuri de achizitie implementate de sistemele de achizitie a datelor sunt urmatoarele:

- regimuri de achizitie pentru afisare locala (Digital Panel Meter) - permit masurarea numerica a mai multor marimi in scopul unor monitorizari locale. Tot odata pot fi realizate si prelucrari numerice simple de tipul liniarizarii caracteristicilor senzorilor. Valorile masurate nu se memoreaza, dar pot fi transmise la distanta;

- regimuri de achizitie de lunga durata (Data Logger) - permit memorarea evolutiilor temporale ale marimilor masurate, putandu-se face prelucrari ulterioare ale informatiilor;

- regimuri de achizitie de scurta durata (Transient Recorder) - permit vizualizarea si/sau inregistrarea unor regimuri tranzitorii, sau a unor secvente numerice nerepetitive.

Modul de desfasurare a achizitiei de date depinde de un eveniment de tip trigger, prin care se defineste zona de interes din evolutiile analizate. Se pot intalni doua moduri principale de achizitie:

-modul posttrigger;

-modul pretrigger.

Modul posttrigger realizeaza achizitia unui numar specificat de esantioane dupa aparitia unui eveniment trigger, adica dupa receptionarea unui semnal trigger (de sincronizare). Dupa ce bufferul care stocheaza datele achizitionate (de lungime specificata de utilizator) este plin, achizitia este stopata.

In cadrul modului pretrigger datele sunt achizitionate continuu, inainte si dupa primirea unui semnal trigger. Datele sunt colectate intr-un buffer precizat de utilizator pana cand se receptioneaza semnalul trigger Dupa aceasta, sistemul de achizitie va mai colecta un numar specificat de esantioane dupa care stopeaza achizitia. Bufferul este tratat ca un buffer circular, adica dupa ce intregul buffer este completat, datele sunt stocate de la inceput prin suprascrierea datelor vechi. La terminarea achizitiei, bufferul contine esantioane dinaintea si dupa aparitia semnalului trigger Numarul de esantioane salvate in buffer depinde de lungimea acestuia (specificata de utilizator) si de numarul specificat de esantioane ce trebuie achizitionat dupa aparitia semnalului trigger.

Pe langa aceste variante principale, in functie de firmele producatoare de sisteme de achizitie s-au dezvoltat tehnici de achizitie care deriva din acestea, un exemplu fiind modul de achizitie de tip double-buffered, dezvoltat de National Instruments, care utilizeaza o tehnica asemanatoare cu modul pretrigger, completand bufferul specificat de utilizator in mod continuu. Spre deosebire de modul pretrigger, aici se apeleaza la un al doilea buffer, care preia datele vechi din primul buffer, inainte ca acestea sa fie suprascrise.

Sarcina fundamentala a sistemelor de achizitie si conducere este masurarea si/sau generarea semnalelor fizice din lumea reala. Diferenta de baza intre diversele optiuni de realizare hardware este metoda de comunicare intre hardware-ul de achizitie si sistemul de calcul. Din acest punct de vedere putem clasifica hardware-ul de achizitie in doua categorii principale:

hardware (placi) de achizitie de uz general

- hardware de achizitie special (instrumente sau aparate de masurare speciale)

Echipamentele din prima categorie stau la baza sistemelor de achizitie de tip instrument virtual, iar cele din a doua categorie la baza sistemelor de achizitie cu aparatura de masura programabila si a sistemelor de achizitie dedicate.

Sisteme de achizitie a datelor tip Virtual Instrument - VI

Acest tip de sistem este obtinut prin conectarea unei placi de achizitie la un calculator si prin utilizarea unor module exterioare de cuplare. Placile de achizitie asigura realizarea unor functii cum ar fi conditionarea de semnal, masurarea numerica propriu-zisa, conectarea informationala cu calculatorul. Calculatorul asigura la randul sau functii cum ar fi interfatarea cu placa de achizitie, controlul achizitiei datelor, stocarea datelor, prelucrari complexe ale informatiilor.

Placile de achizitie folosite in cadrul sistemelor de achizitie tip Virtual Instrument pot fi de mai multe tipuri dar se pot incadra in doua categorii principale: placi de achizitie universale si placi de achizitie complexe (dedicate).

Placile de achizitie universale asigura prelucrari analogice minime, ofera iesiri numerice si analogice pentru a putea fi folosite in conducerea proceselor si asigura functiile numerice minimale. Placile complexe rezolva in plus cerinte de prelucrari speciale, cum ar fi analiza spectrala, regimuri tranzitorii, masurari de precizie, achizitii de tip adaptiv care urmaresc viteza de variatie a marimilor analogice etc.

Sisteme de achizitie cu aparatura de masura programabila.

Aparatura de masura utilizata este cea din categoria multimetrelor, osciloscoapelor digitale, generatoarelor de functii, iar cuplarea la procesul fizic masurat este directa. Standardul de cuplare este de obicei de tip GPIB (IEEE 488). Aceste sisteme implementeaza de obicei regimuri de achizitie de tip Data Logger si uneori de tip Transient Recorder.

Sisteme de achizitie dedicate.

Sunt sisteme de achizitie configurate pentru procese industriale complexe sau componente elementare ale unor sisteme distribuite de masurare si monitorizare. De regula, aceste sisteme de achizitie sunt impuse de firmele puternice din domeniu (National Instruments, Analog Devices, Tektronix etc.), fiind conturata incadrarea acestor sisteme dedicate in standardul VXI. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) defineste un protocol standard de comunicatie care utilizeaza comenzi ASCII pentru controlul instrumentelor de masura, asemanator cu GPIB.

1.4 Prelucrarea semnalelor in sistemele de masura numerice

Un semnal este o entitate fizica capabila atat cantitativ cat si calitativ sa poarte informatie. Lumea inconjuratoare abunda in exemple de semnale. Omul este creatorul unui numar foarte mare de semnale de regula de natura electrica. Cu toate acestea exista foarte multe surse de semnale neelectrice (biologice, acustice, mecanice). In general acestea sunt posibil de modelat prin semnale electrice (tensiune sau curent).

1.4.1 Semnale analogice si semnale numerice

Prin semnal analogic se intelege o marime fizica de regula electrica ce poate fi reprezentata printr-o functie de timp care poate lua valori intr-un domeniu de variatie bine precizat :   

in care T este multimea momentelor de timp, M este multimea esantioanelor semnalului, x este descrierea semnalului ce asociaza fiecarui 1element t I T un element xIM bine definit, numit esantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T Ì Z orice semnal definit pe T se numeste discret iar daca T Ì R semnalul se numeste continuu.

Daca M Ì R semnalele au valori reale si se spune despre aceste semnale ca sunt analogice putand reprezenta masuri ale marimilor din lumea inconjuratoare.

Daca M Ì Q si este numarabila, semnalul este cuantizat si este posibila reprezentarea sa numerica (codificarea sa) .

Din punct de vedere al posibilitatii de cunoastere a evolutiei lor in timp, semnalele pot fi :

- deterministe ce au valori bine precizate si eventual descrise de legi de variatie cunoscute

- aleatoare ce au valori ce pot fi masurate cu o anumita probabilitate. In aceasta categorie se includ zgomotele.

Exemple de semnale:

a)      semnale continue

b)      semnale discrete

c)       semnale cuantizate

Un semnal discret si cuantizat se numeste semnal numeric (digital) si poate fi prelucrat prin metode numerice. Transformarea semnalelor analogice in semnale numerice se face prin esantionare si cuantizare, operatii ce formeaza digitizarea. Procesul este ireversibil in sensul ca prin aceste operatii se pierde o parte din informatia purtata de semnalul analogic initial. Daca aceasta pierdere este acceptabila, se poate apela la metodele numerice de prelucrare a semnalelor, putanduse reconstrui partial un semnal numeric prin netezire (interpolare, filtrare). Pentru semnalele discrete se pot folosi notatiile x (kt₀) sau x (k) , k I Z deoarece t₀ este constant.

Esantionarea si cuantizarea stau la baza circuitelor de conversie a datelor (conversie analog - numerica).

Cele mai importante semnale utilizate in descrierea fenomenelor de conversie si prelucrare a semnalelor sunt :

Impulsul unitar :

Treapta unitate:

Semnalul dreptunghiular neperiodic:

Semnal sinusoidal de perioada N:

Spunem ca un semnal discret este periodic cu perioada K daca x (k) = x (k + K) pentru toate valorile lui k. Daca un semnal este definit pentru un numar finit K de esantioane, el se numeste semnal de durata limitata, K reprezinta durata unui astfel de semnal :

1.4.2 Esantionarea semnalelor

Esantionarea unui semnal analogic consta in prelevarea valorilor semnalului la momente de timp, de regula echidistante, t₀ (interval sau perioada de esantionare). Esantionarea ideala se realizeaza prin inmultirea semnalului analogic x (t) cu un tren de impulsuri ideale definit ca mai jos :

Se obtine un semnal x_s (t) numit semnal esantionat de forma :

Spectrul semnalului esantionat X_S(ω) consta in repetari periodice axate fata de kω₀ ale spectrului original denumite spectre secundare. Pentru a reface semnalul initial este necesar ca aceste spectre secundare sa poata fi eliminate . Acest lucru este posibil doar daca ω₀ >2ω_m in caz contrar semnalul original nu poate fi reconstituit in intregime.

Acest rezultat este cunoscut sub numele de teorema esantionarii (Shannon) care precizeaza ca pentru reconstructia unui semnal de banda limitata la f_B din esantioanele sale, preluate cu o frecventa de esantionare f_s este necesar ca frecventa de esantionare sa fie cel putin dubla fata de frecventa maxima f_B, din spectrul semnalului. Frecventa f_s/2 se numeste frecventa Nyquist. In figura 5.2 sunt prezentate spectru semnalului, spectrele secundare in cazul respectarii si nerespectarii frecventei Nyquist precum si caracteristica filtrului necesar pentru a nu apare fenomenul de aliere.

Deoarece in practica este imposibil de realizat un filtru ideal de obicei se ia f_s≥(4-10) f_B . Aceste filtre se numesc filtre antialias.

Dupa esantionare semnalul este cuantizat. Esantionarea reala utilizeaza in locul trenului de impulsuri ideale δ_∞(t) cu un tren de impulsuri reale S(t)

avand coeficientii

Acesti coeficienti au un maxim pentru k=0 si descresc progresiv. Spectrul de frecventa va fi :

1.4.3 Cuantizarea semnalelor

Cuantizarea semnalelor este o operatie strict necesara in vederea conversiei lor numerice. Pentru realizarea cunatizarii se imparte domeniul de variatiei finit al semnalului in clase echidistante :

unde x este valoarea semnalului iar q este marimea cuantei care caracterizeaza clasa de apartenenta i. Prin cuantizare se inlocuieste valoarea x a semnalului cu centrul clasei de apartenenta cea mai apropiata.

Iesirea cunatei poate fi scrisa :

unde e_q este eroarea de cuantizare (zgomot de cuantizare).

Datorita acestei erori orice valoare de intrare cuprinsa in intervalul (x-q/2 , x+q/2] va produce aceeasi iesire cuantizata x_q. Este evident faptul ca eroarea de cuantizare depinde de pasul ales q. Apare necesitatea gasirii unui optim caci un pas prea mare nu va satisface cerintele de rezolutie, iar un pas prea mic va produce date redundante.

1.4.4 Conversia analog numerica privita ca proces de esantionare si cuantizare

Operatia de esantionare este realizata cu circuite de esantionare si memorare iar operatia de cuantizare este realizata cu circuite de conversie numite si dispozitive de cuantizare. Pentru a respecta restrictiile impuse de teorema esantionarii se utilizeaza filtre antialias care sa limiteze banda semnalului de intrare. Astfel schema bloc a unui convertor analog numeric este prezentata in figura 1.6.

1.4.5 Conversia numeric analogica si ireversibilitatea reconstituirii semnalului

Din forma numerica in forma analogica se poate ajunge prin operatia de conversie numeric-analogica, operatie ce ar trebui sa fie inversa celei analog-numerice. In realitate prin esantionarea semnalului pierde partial o parte din componentele sale spectrale, datorita limitarii benzii prin filtrul antialias. Presupunand ca acest efect este neglijabil sau semnalul de intrare este deja de banda limitata se poate admite ca este posibila reconstituirea completa a semnalului x(t).

Prin cuantizare se produce insa o pierdere de informatie ireversibila datorita erorii de cuantizare intrinseci. Aceasta eroare poate fi minimizata dar niciodata eliminata. Se poate observa ca prin conversie numeric-analogica se obtine doar o aproximatie a semnalului initial, cu atat mai buna cu cat eroarea de cuantizare este mai mica si deci rezolutia mai ridicata.

Conversia N/A permite obtinerea unui numar finit de valori analogice pentru un semnal, ceea ce face ca acesta sa nu capete inca aspectul unui semnal analogic. In practica se utilizeaza interpolarea cu filtre de netezire, care apropie foarte mult semnalul obtinut de cel original.

Figura 1.5 prezinta schema bloc specifica procesului de conversie numeric-analogic.

Semnalul numeric x_q(t) este transformat intr-un semnal aproape analogic cu ajutorul unui convertor N/A. Aproximatia semnalului analogic initial se obtine dupa netezire cu un filtru trece jos de ordinul 1 sau 2.