Automatizace měření aneb Když to změří počítač

přednáška v rámci projektu IET1

Miloslav Steinbauer 9. 11. 2011

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Osnova přednášky • Historie automatizace • Klasifikace měřicích systémů • Malé měřicí systémy • Software pro automatizaci měření • Ukázky aplikace v laboratořích

• Soutěž

2

Co je automatizace? • Inženýr: nový stupeň v rozvoji techniky • Technolog: mění zastaralé výrobní metody

v moderní technologii, umožňuje použít výrobních procesů, o nichž dříve nebylo možno ani hovořit

• Ekonom: ohromná úspora společensky nutné práce, nová etapa rozvoje výrobních sil společnosti

• Sociolog: ulehčení a odstranění těžké a únavné monotónní práce člověka, nově se vytvářející vztahy mezi lidmi a výrobou

3

Co je automatizace? Automatizace je proces vývoje techniky, kde se využívá automaticky pracujících zařízení k osvobození člověka jak od fyzické, ale zejména od duševní řídící práce.

4

Historie automatizace

5

Historie Automatizace fyzické práce • Starověk: páky, kladky, kola, pára • Středověk – rozvoj mechanismů (čerpadla vody pro

doly, mlýny, varhany, hodiny, orloje, zvonkohry, mechanické hračky), jednoduché programování (kolíčkové válce)

• Novověk - průmyslová revoluce ▫ První regulace - Wattův odstředivý regulátor r. 1775 ▫ Jacquardův tkalcovský stav s programovacím

děrovaným pásem (okolo r. 1800) • 1913 první montážní výrobní linka hromadné výroby

(Henry Ford) – automaty ve výrobě

6

Moderní historie Automatizace duševní činnosti • 1896 el. stroj pro sčítání obyvatelstva (Hollerith) ▫ 1924 International Business Machine Corp. (dnes IBM)

• 1943 reléový počítač MARK I (Harvard) • 1944 elektronkový počítač ENIAC • 1947 objev tranzistoru • 1958 první integrovaný obvod • 1971 první mikroprocesor (Intel 4004) ▫ pružná automatizace změnou programu

• 70. léta 20. stol. rozvoj PLC • 80. léta 20. stol. CNC, prvky UI

7

Důvody automatizace • Vynucená automatizace (nezáleží na investici) ▫ ochrana života a zdraví (extrémní podmínky…) ▫ nemožnost nasazení lidské síly (kosmos, …) ▫ limit lidských smyslů (množství údajů, rychlost reakce)

• Ekonomická automatizace (zisk je nejdůležitější) ▫ snížení nákladů výrobních, režijních … ▫ zvýšení produktivity, objemu výroby, kvality ▫ zkrácení doby vývoje a výroby ▫ pružná reakce na požadavky trhu

• Ostatní důvody ▫ zvyšování pohodlí člověka ▫ poskytování informací (sledování stavu zařízení) ▫ ekologie – monitorování prostředí, spalování … ▫ zábavní průmysl

8

Od ručního nástroje k prvním strojům • První pracovní nástroj - hrubě opracovaný kámen • Trvalo půl milionu let, než se objevily nástroje v

podobě bodců a škrabek • Několik tisíc let př. n.l. - dokonalejší a

specializovanější nástroje (luky, šípy, sekery, dláta a motyky)

• Později místo kamene bronz a železo

9

Od ručního nástroje k prvním strojům • Díky nástrojům se zvýšila výkonnost člověka, ovšem

síla lidských svalů je příliš malá (navíc musí člověk spát, odpočívat, jíst a pít)

• Časem se lidé naučili spojovat několik nástrojů dohromady ve stroj - pomohl člověku překonat omezenou sílu svalů

• První stroje již ve starověkém Egyptu i v říši římské – např. vodní kolo

• 17. století - začaly se rozrůstat výrobní dílny, tzv. manufaktury - používaly dokonalejší nástroje a jednoduché ručně poháněné stroje

10

Od ručního nástroje k prvním strojům • 18. století - první průmyslová revoluce - odstranila

řemeslný způsob práce, zvýšila produktivitu • Kolem roku 1800 - v dílnách a továrnách

vznikajících z velkých manufaktur se objevily první soustruhy na obrábění kovů - strojírenství získalo svůj základní stroj

• Parní stroj nahradil lidské svaly, zvířata či vodní kola - začal pohánět továrny, lokomotivy

• Další zdokonalování strojů brzděno převody - hledaly se stroje pracující bez nich

11

Od ručního nástroje k prvním strojům • 19. století - člověku se podařilo prakticky využít

elektřinu - elektrický motor vytlačil páru • Elektrická energie - „čistší forma energie“, dala se

dobře ovládat, dělit, rozvádět i na větší vzdálenosti • Člověk stále musí stroje ovládat, zásobovat

surovinou a odebírat hotové výrobky, provádět údržbu, seřizovat, opravovat

• Nastala potřeba vytvořit zařízení, jež by dokázala řídit stroje místo člověka

12

Od strojů k prvním automatům • Slovo „automat“ známo dávno předtím, než do

továren nastoupily pracovní stroje • Vzniklo ze starořeckého „automaton“ – označení pro

vše, co se hýbe • V tomto slova smyslu automatem každý stroj, který

se hýbe – např. i hodiny, dnes už neplatí! • První automaty v počátcích našeho letopočtu – např.

automaty samočinně zažehující obětní ohně, zpívající ptáci, hudební skříně, tančící figurky, samočinně se otevírající dveře a okna – vše uváděno v činnost ohřátým vzduchem nebo závažími

13

Od strojů k prvním automatům • Leonardo da Vinci ▫ k uvítání krále Ludvíka XII. sestrojil mechanického lva,

jenž samočinně kráčel až k trůnu a tlapou pozdravil panovníka

▫ našla se také zmínka o stroji na vysekávání pilníků • 17. a 18. století ▫ mechanické hodiny s tzv. nepokojem ▫ zvonkohra ▫ pohyblivé figurky u orlojů ▫ bezpočet automatických hraček

14

Od strojů k prvním automatům • Postaveno i několik automatických hříček

využívajících např. vytékání vody maličkým otvorem: ▫ problémem regulování rychlosti výtoku vody z otvoru

se zabývali i Galileo Galilei a Isaac Newton ▫ francouzská Akademie vypsala na vyřešení tohoto

problému konkurs - vyhrál slavný Daniel Bernoulli • Tyto hříčky přinesly cenné zkušenosti s páčkami,

kolíčky a kolečky, s vodní tryskou a plovákem - později se uplatnily jako „stavební kostky“ výrobních automatů

15

Od strojů k prvním automatům

• Prvními automatickými stroji, jež do výroby nastoupily ve velkém počtu, byly dopřádací stroje sestrojené roku 1801 Francouzem Ch. Jacquardem

• Umožňovaly tkát vzory podle programu předem připraveného v podobě děrných papírových karet

• Každá karta děrována v pořadí barevných nití, poté do těchto děr zapadaly jehly, které se podle toho buď zvedaly, nebo spouštěly

16

Od strojů k prvním automatům • V dalších desetiletích se objevily: ▫ poloautomatické revolverové soustruhy ▫ papírenský stroj ▫ zemědělská mlátička

• Místo rozptýlených manufaktur vznikaly továrny se stroji rozdělenými podle druhu práce – začala strojová velkovýroba

17

Začátky automatizace • Moderní stroje a automaty nejdříve nastoupily do

výroby zbraní, především pušek a revolverů • Hromadná výroba zbraní přenesena do Ameriky • Zpočátku vyráběny ručně ve zvláštních přípravcích -

skončilo „pasování“ dílů do sebe • Kolem roku 1860 – spojily se přípravky s obráběcími

stroji v obráběcí automaty - principu se používá dodnes

18

Začátky automatizace • 1855 - závod na výrobu mosazných hodin vyrábějící

ročně přes půl milionu „budíčků“ - cena klesla na pakatel

• 19. století ▫ Šedesátá léta - hromadná výroba šicích strojů a strojů

pro zemědělství ▫ Osmdesátá léta - zahájena hromadná výroba psacích

strojů ▫ Devadesátá léta - trh zásobován jízdními koly

19

Začátky automatizace • Zpočátku měly továrny stroje seřazeny podle

postupu výroby, spojení mezi stroji zajišťovaly vozíky nebo dopravní pásy

• Takto pracovala jatka a mlýny, od devadesátých let i továrny na kočáry a na železniční vagony

• Při nástupu automobilu vznikl problém - mnohem složitější než puška, budíky nebo velocipéd

• 1910 - automobilka Ford vyrábí 10 tisíc automobilů ročně - po bok soustruhů a fréz nastoupily přesné vyvrtávací stroje a stroje na hoblování a frézování ozubených kol, drážkovačky na hřídele či brusky na přesně uložené části motoru a převodovky

20

Začátky automatizace • Před r. 1914 – Ford ve snaze vydělat co nejvíce přišel

s montážním pásem - vznikla montážní linka • Doba montáže na pásu se zkrátila ze 14 na 6 hodin • Nebyly to v dnešním slova smyslu automaty –

pomocní dělníci upínali, vyjímali a přenášeli součásti ručně

• Dělníci kvůli montážním pásům vysilováni prudkým tempem práce - zavádění úplně automatických strojů a zařízení

21

Začátky automatizace • 1928 - automaty se poprvé uplatnily v automatické

montáži - Smithova továrna v Milwauke • Výroba rámu automobilu - celkem jen 16 minut

lidské práce - dělníci stroje pouze ošetřovali a kontrolovali

• Současnost - základem prudkého růstu společenské produktivity práce je automatizace spojená s novými vědecky podloženými technologickými způsoby výroby

• Nové technologie a automatizace ovlivňuje nejen samu výrobu, nýbrž i její organizaci

22

Automatizace v měření

23

Model automatizovaného měřicího systému (AMS)

24

Měřený objekt

Modem / NET

Software

Tiskárna

Měřicí přístroje

25

Vlastnosti AMS • Měří velký počet veličin

• Pracují bez obsluhy (ochrana zdraví, dlouhodobá měření, měření na těžko dostupných místech)

• Měří rychle a přesně

• Měří spolehlivě a s vysokou reprodukovatelností

• Provádí komplexní zpracování a archivaci naměřených dat

26

Klasifikace měřicích systémů

27

Rozdělení AMS

28

Měřicí systémy

Standardní rozhraní Speciální rozhraní

PCI, PCI-E, PCMCIA RS232, USB,… LAN Ethernet

(LXI) GPIB VME, VXI, PXI

Měřicí karty Externí zařízení Externí zařízení Externí rámy (mainframe)

Fieldbus, …

Moderní měřicí systém

29

Podniková síť

MXI-3

GPIB přístroje DAQ karty, CBI karty (DMM, OSC...)

GPIB-ENET

Control Panel

Flow

Pressure Alarm Conditions

STOP

Temperature

Měřicí karty Výhody • zpravidla nízká cena Nevýhody • nutnost montáže do PC • omezený počet volných slotů • problém vzájemného rušení a izolace

mezi počítačem a kartou • rychlost karty závisí na CPU

30

Rozhraní RS-232 Výhody • žádné náklady na sběrnici • malé náklady na kabeláž a interface

přístrojů • kompatibilita s většinou OS a SW

jednoduché ovládání Nevýhody • malý dosah (15,6 m při 20 kBd) • omezený počet připojitelných zařízení • malá přenosová rychlost (max. 230 kBd)

31

Sériové rozhraní RS-422 a RS-485 • používají se pro zvýšení dosahu RS232 • dosah 1200 m při rychlosti 10 Mb/s (díky použití

proudové smyčky) • používá se kroucená dvojlinka • až 32 zařízení na jedné lince

32

USB Výhody • 12 Mb/s (USB1.1) až 480 Mb/s (USB 2.0) • PnP podpora, hot-swap • PC standard • široká podpora ze strany SW • převodníky USB – GPIB/RS232/ Nevýhody • vzdálenost max. 15 m

33

Ethernet Výhody • 10 Mb/s až 1 Gb/s • hot-swap • PC standard • celosvětový dosah • kabel 100 m • převodníky Ethernet – RS232/GPIB Nevýhody • závislost na síti

34

USB-RS232 a USB-GPIB

35

Ethernet - RS232/GPIB/USB

36

WiFi

37

GPIB - General Purpose Interface Bus • počátek vývoje 1965 (Hewlett-Packard) • ANSI/IEEE standard 488.2, HPIB, IEC 625 • nejrozšířenější systém • paralelní 8 bitová sběrnice • přenosová rychlost až 1 MB/s, automatické

nastavení podle připojených zařízení • maximální počet zařízení je 15, snadné propojování

kabely

38

GPIB - možnosti propojení

39

Lineární uspořádání

Hvězdicové uspořádání

GPIB - General Purpose Interface Bus Výhody • přijatelné náklady na sběrnici

(orientačně karta 15 tis., kabel 3 tis. Kč) • přístroje jsou autonomní • široká podpora ze strany SW • rozšířenost (až 90 % lab. přístrojů je

vybaveno GPIB) Nevýhody • 1,8 MB/s - nedostatečná přenosová rychlost

pro nové typy rychlých měřicích přístrojů

40

VXI – VME eXtension for Instrumentation Výhody • perspektivní standard měřicích systémů • vysoká rychlost přenosu • vysoká spolehlivost • široká podpora ze strany SW • moduly výrobně jednodušší (nemají zdroj ani

zobrazovací modul a klávesnici) Nevýhody • značná cena (moduly řádově tisíce US $) • moduly nelze použít mimo mainframe

41

bus

VXI - uspořádání

42

Rám VXI (mainframe) s moduly

bus

VXI • počátky v roce 1987 • ANSI/IEEE standard 1155 • perspektivní otevřený systém • sestává z modulů v rámu (mainframe), velikost

modulů A, B, C, D • přenosová rychlost mezi modulem mainframe až

160 MB/s • definované EMC a chlazení modulů

43

bus

PXI – PCI eXtension for Instrumentation

• verze 1.0 - srpen 1997 • vychází z VXI a sběrnice CompactPCI • perspektivní systém • sestává z modulů v rámu (obdoba VXI) • vyplňuje mezeru mezi GPIB a VXI

44

PXI Výhody • standard měřicích systémů

(1997, National Instruments) • vysoká rychlost přenosu (ale menší než u VXI) • vysoká spolehlivost (vychází z osvědčené

CompactPCI) • knihovny W9x/NT, VISA • možnost koexistence s VXI, GPIB Nevýhody • moduly nelze použít mimo mainframe

45

PXI - uspořádání

46

Rám PXI s moduly

LXI – LAN eXtension for Instrumentation

• verze 1.0 - září 2005 • vychází ze standardu Ethernet

10M / 100M / 1G / (10G) • perspektivní systém • umožňuje propojení se systémy GPIB, VXI, PXI • jednoduchý vzdálený přístup přes LAN / WAN / WiFi • správa a nastavování přístrojů přes webové rozhraní

47

LXI

48

SCXI-1001

Řešení přesně na míru

49

Servis

Laboratoř

Výroba

PCMCIA

PCI, USB, GPIB

PXI

VXI

Přenosné PC

Stolní PC

Průmyslové PC

Workstation

Malé měřicí systémy

50

Malé systémy Výhody • přijatelná cena • univerzální použitelnost pro běžné aplikace • snadná programová obsluha • možnost začlenění do rozsáhlých systémů

(GPIB, LAN) Nevýhody • omezený sortiment modulů

51

Malé systémy Představitelem je například Agilent 34970A • založen na osvědčeném DMM 34401 • 3 sloty • multiplexery, D/A, čítač

52

Přepínač pro malý systém 34470A

53

Software pro automatizaci měření

54

Software pro AMS • Jednoduché utility výrobců ▫ pro konkrétní přístroj ▫ univerzální DAQ sw

• SW pro virtuální instrumentaci ▫ LabView ▫ Agilent VEE ▫ Control Web ▫ …

55

LabVIEW®

56

LabVIEW

• Kompilované grafické programování • Ikony a dráty • Plně univerzální programovací jazyk

57

Princip programování

• Čelní panel ▫ Grafické uživatelské rozhraní ▫ Ovládací prvky a indikátory

• Blokový diagram ▫ Zdrojový kód ▫ Výběr mnoha funkcí ▫ Rychlé programování ▫ Snadná orientace v programu

58

Program běží po směru dat

• Data tečou po drátech • Data tečou vždy od výstupu ke vstupům • Několik operací může probíhat současně

59

Graf

Ulož

RMS Probíhají současně

Programování pro více platforem

Snadný přenos programů mezi platformami

60

Přístrojový ovladač

Přístrojové ovladače a aplikační software

61

Aplikační software

(Program)

Přístroj

• LabVIEW • Measurement Studio • Visual C++ • Visual Basic…

Analýza naměřených dat • DC/RMS složky • Harmonické zkreslení • Kmitočtová analýza • Generování signálů • Digitální filtry • Kontrola průběhů

maskou

62

Vytvoření zprávy v HTML • Vložení čelních

panelů • Text • Tabulky • Grafika • Seznamy s odrážkami • Hypertextové odkazy

63

Volání vzdálených VI • Snadná distribuce programu

64

Zobrazení Kdekoliv

Měření Kdekoliv

Analýza Kdekoliv

Spolupráce s jinými programy

65

Excel a MATLAB • Vytváření a načítání

MATLAB skriptů • Export polí a

průběhů (waveform) do Excelu

66

Databáze • Přístup pomocí doplňkového nástroje

67

Application Builder • Vytváří soubory typu EXE a DLL • Je možné vytvořit instalátor • Instaluje se přímo do prostředí LabVIEW • Volné šíření zkompilovaných programů

68

LabVIEW RT • Měření a řízení v reálném čase • Programy se nahrají na specializovaný hardware,

kde běží deterministicky v reálném čase

69

Agilent VEE

70

Ukázky aplikace v laboratořích

71

Měření magnetizačních křivek

72

Pracoviště pro měření přenosu zesilovače

73

Děkuji za pozornost

74