1-1 SISTEME DE CALCUL TIMP - REAL Mircea Grosu Facultatea de Automatic, Calculatoare i Electronic Catedra Ingineria Calculatoarelor i Comunicaiilor1-2 1INTRODUCERE ......................................................................................................................................... 1-6 1.1Definiii i clasificri ........................................................................................................................... 1-6 1.2Elementele unui SCTR ........................................................................................................................ 1-7 1.3Tipuri deSCTR ................................................................................................................................ 1-13 1.3.1Sisteme bazate pe ceas ............................................................................................................... 1-14 1.3.2Sisteme bazate pe evenimente (senzori) .................................................................................... 1-14 1.3.3Sisteme interactive ..................................................................................................................... 1-14 1.3.4Definirea SCTR ......................................................................................................................... 1-14 1.4Clasificarea programelor ................................................................................................................... 1-15 1.4.1Programele secveniale .............................................................................................................. 1-15 1.4.2Programe multitasking ............................................................................................................... 1-15 1.4.3Programe timp - real .................................................................................................................. 1-16 1.5Concluzii ............................................................................................................................................ 1-16 2SCTR PENTRU CONTROLUL PROCESELOR INDUSTRIALE .......................................................... 2-17 2.1Tipuri de procese ............................................................................................................................... 2-17 2.2Operaii realizate de ctre sistemele pentru controlul proceselor ...................................................... 2-17 2.2.1Controlul secvenial al proceselor .............................................................................................. 2-17 2.2.2Controlul n bucl (Direct Digital Control) ............................................................................... 2-18 2.2.3Supervizarea proceselor ............................................................................................................. 2-20 2.2.4Interfaa om-main ................................................................................................................... 2-22 2.2.5Responsabilitile inginerului de sistem .................................................................................... 2-22 2.3Structuride sisteme pentru controlul proceselor industriale ............................................................. 2-23 2.3.1Sisteme de control centralizate .................................................................................................. 2-23 2.3.2Sisteme ierarhizate ..................................................................................................................... 2-24 2.3.3Sisteme distribuite ..................................................................................................................... 2-26 2.3.4Piramida automatizrii ............................................................................................................... 2-28 3STRUCTURA ECHIPAMENTELOR UTILIZATE IN SCTR ................................................................. 3-29 3.1Structura hardware general a calculatorului de proces ..................................................................... 3-29 3.1.1Unitateacentral ....................................................................................................................... 3-31 3.1.2Dispozitive de comunicaie ........................................................................................................ 3-31 3.1.3Dispozitive de proces ................................................................................................................. 3-31 3.1.4Dispozitivele standard ale calculatorului ................................................................................... 3-31 3.1.5Dispozitivele operatorului de proces ......................................................................................... 3-32 3.1.6Ceasul timp - real (Real Time Clock) ........................................................................................ 3-32 3.2Semnale preluate/transmise de SCTR din/ctre lumea real ............................................................. 3-32 3.3Blocurile funcionale ale unui SADC ................................................................................................ 3-33 1-33.3.1Conectarea dispozitivelor de I/E la calculatorul gazd .............................................................. 3-33 3.3.1.1Dispozitive pe magistrala intern ........................................................................................... 3-34 3.3.1.2Dispozitive pe magistrala extern .......................................................................................... 3-34 3.3.2Semnale din proces, traductoare i condiionarea semnalelor.................................................... 3-35 3.3.2.1Tipuri de semnale .................................................................................................................. 3-36 3.3.2.2Traductoare i senzori ............................................................................................................ 3-37 3.3.2.2.1Exemple de traductoare ................................................................................................... 3-37 3.3.3Condiionarea semnalelor .......................................................................................................... 3-41 3.3.3.1Circuit tampon de intrare ....................................................................................................... 3-41 3.3.3.2Conversia curent tensiune ................................................................................................... 3-42 3.3.3.3Scalarea semnalelor analogice ............................................................................................... 3-43 3.3.3.4Filtrarea .................................................................................................................................. 3-43 3.3.3.5Izolare analogic .................................................................................................................... 3-46 3.3.3.6Protecie la supratensiune ...................................................................................................... 3-47 3.3.3.7Scalarea intrrilor/ieirilor numerice ..................................................................................... 3-47 3.3.3.8Izolarea numeric ................................................................................................................... 3-48 3.3.3.9Detectarea contactelor............................................................................................................ 3-48 3.3.3.10Comanda releelor ............................................................................................................... 3-49 3.3.4Subsistemele de intrare/ieire ale SADC ................................................................................... 3-49 3.3.4.1Subsistemul de intrri analogice ............................................................................................ 3-49 3.3.4.1.1Convertoare analog numerice (CAN) .............................................................................. 3-50 3.3.4.1.2Amplificarea .................................................................................................................... 3-51 3.3.4.1.3Multiplexarea analogic .................................................................................................. 3-51 3.3.4.1.4Circuitele de eantionare i memorare (S/H) ................................................................... 3-52 3.3.4.1.5Multiplexarea n timp ...................................................................................................... 3-52 3.3.4.1.6Timpul de conversie ........................................................................................................ 3-52 3.3.4.1.7Conectarea canalelor analogice la multiplexor ................................................................ 3-53 3.3.4.1.8Scalarea intrrilor analogice ............................................................................................ 3-55 3.3.4.2Subsistemul de ieiri analogice .............................................................................................. 3-55 3.3.4.3Subsistemul de intrri-ieiri numerice ................................................................................... 3-56 3.3.4.4Subsistemul de intrri-ieiri de numrare .............................................................................. 3-56 4PROGRAMAREA DISPOZITIVELORI/E N APLICAII TIMP - REAL ........................................... 4-57 4.1Tehnici de comunicare cu dispozitivele de intrare/ieire ................................................................... 4-57 4.1.1Metoda Polling .......................................................................................................................... 4-57 4.1.2Metoda ntreruperilor externe .................................................................................................... 4-58 4.1.3Metoda Intrri/iEiri buffer-ate .................................................................................................. 4-58 4.1.4Alegerea strategiei optime ......................................................................................................... 4-58 1-44.2Programarea utiliznd ntreruperile ................................................................................................... 4-60 4.2.1Prezentarea sistemului de ntreruperi la PC ............................................................................... 4-60 4.2.2Plasarea I8259 n spaiul de I/E la PC ........................................................................................ 4-62 4.2.3Detalii de programare utiliznd ntreruperile la PC cu SO DOS ............................................... 4-63 4.2.4Exemple de utilizare a ntreruperilor ......................................................................................... 4-67 4.3Dispozitive pentru generarea bazei de timp i numrarea de evenimente ......................................... 4-72 4.3.1Dispozitivul mumrtor/periodizator I8254 .............................................................................. 4-72 4.3.2Utilizarea I8254 pentru numrarea de evenimente .................................................................... 4-75 4.3.3Utilizarea lui I8254 pentru generarea de ntreruperi .................................................................. 4-76 4.3.4Exemplu de utilizare a dispozitivului I8254 pentru generarea bazei de timp ............................ 4-79 4.3.5Reprogramarea ceasului sistem ................................................................................................. 4-82 4.4Exemplu de sistem de achiziie de date ............................................................................................. 4-84 4.4.1ADA 2100 - date generale i prezentarea resurselor .................................................................. 4-84 4.4.2Generaliti ................................................................................................................................ 4-86 4.4.3Setarea adresei de baz .............................................................................................................. 4-86 4.4.4Harta I/E pentru ADA 2100 ....................................................................................................... 4-86 4.4.5Modul de configurare al modulului ........................................................................................... 4-88 4.4.6Descriere la nivel de schem bloc .............................................................................................. 4-88 4.4.6.1Lanul de conversie analog-numeric .................................................................................... 4-88 4.4.6.2Realizarea unei citiri A/N ...................................................................................................... 4-89 4.4.6.3Circuitele de conversie numeric-analogic ............................................................................ 4-89 4.4.6.4Interfaa paralel programabil (PPI - I8255) ........................................................................ 4-90 4.4.6.5PIT numrtor/periodizator programabil (I8254) .................................................................. 4-90 4.4.7Prezentarea comutatoarelor i a programatoarelor hardware ..................................................... 4-90 4.4.8Proceduri de calibrare ................................................................................................................ 4-93 4.4.9Conectarea modulului la proces ................................................................................................. 4-95 4.4.10Programe de test ........................................................................................................................ 4-95 4.4.11Programarea modulului ADA 2100 ........................................................................................... 4-95 5SISTEME DE OPERARE TIMP - REAL MULTITASKING ................................................................ 5-101 5.1Introducere ....................................................................................................................................... 5-101 5.2Gestiunea task-urilor n aplicaii timp - real .................................................................................... 5-103 5.2.1Tranziia strilor i descriptori de task ..................................................................................... 5-104 5.2.2Descriptori de task ................................................................................................................... 5-105 5.2.3Dispecerizarea i planificarea task-urilor ................................................................................. 5-106 5.2.4Niveluri de prioritate................................................................................................................ 5-106 5.2.4.1Nivelul ntreruperilor ........................................................................................................... 5-108 5.2.4.2Nivelul de ceas ..................................................................................................................... 5-108 1-55.2.4.2.1Task-uri periodice.......................................................................................................... 5-109 5.2.4.2.2Task-uri ntrziate.......................................................................................................... 5-113 5.2.4.3Nivelul de baz .................................................................................................................... 5-113 5.2.5Apelul la dispecer .................................................................................................................... 5-114 5.2.6Exemplu de gestiune a task-urilor: SOTRM REX ................................................................... 5-116 5.2.6.1Strile task-urilor ................................................................................................................. 5-116 5.2.6.2Directivele implicate n tranziia strilor ............................................................................. 5-117 5.2.6.3Descriptori de task ............................................................................................................... 5-118 5.2.6.4Dispecerul ............................................................................................................................ 5-119 5.2.6.5Planificatorul ....................................................................................................................... 5-121 6ALGORITMIDEPLANIFICAREATASK-URILORNSCTRCUCONSTRNGERIDETIMP RIGIDE ........................................................................................................................................................... 6-125 6.1Noiuni introductive ......................................................................................................................... 6-125 6.2Algoritmul de planificare RM ......................................................................................................... 6-128 6.2.1Prezentarea algoritmului .......................................................................................................... 6-128 6.2.2Extinderea algoritmului de planificare RM pentru includerea task-urilor sporadice ............... 6-134 6.2.3Algoritmul de planificare RM n prezena suprancrcrii ocazionale..................................... 6-135 6.2.4Generalizarea algoritmului de planificare RM......................................................................... 6-137 6.2.5Considerarea ntreruperilor ...................................................................................................... 6-139 6.2.6Considerarea sincronizrii task-urilor ...................................................................................... 6-141 6.3Algoritmul de planificare EDF ........................................................................................................ 6-144 6.4Analiza comparativ a algoritmilor RM i EDF .............................................................................. 6-146 6.4.1Suprancrcarea execuiei ........................................................................................................ 6-146 6.4.2Suprancrcarea de planificare ................................................................................................. 6-147 6.5Studiu de caz: algoritm mixt de planificare RM-EDF ..................................................................... 6-148 6.5.1Analiza performanelor algoritmului ....................................................................................... 6-148 6.5.2Testul de planificabilitate ........................................................................................................ 6-149 6.5.3Localizarea Tx ......................................................................................................................... 6-150 7COMUNICAIA TIMP - REAL ............................................................................................................. 7-151 7.1Introducere ....................................................................................................................................... 7-151 7.2Protocoale de comunicaie timp - real ............................................................................................. 7-152 7.3Protocoale bazate pe timpul limit ................................................................................................... 7-152 7.3.1Constrngeri aferente nodurilor ............................................................................................... 7-153 7.3.2Instabilitatea ntrzierii ............................................................................................................ 7-156 8BIBLIOGRAFIE ..................................................................................................................................... 8-157 1-61INTRODUCERE 1.1Definiii i clasificri Aplicaii ale sistemelor de calcul timp - real (SCTR) sunt ntlnite n toate domeniile de activitate. Cea mai mare partedintreacesteaplicaiisereferlasistemeinformaticedesupraveghereicontrolnindustrie(lanivelde utilaje, instalaii, linii tehnologice, secii, ntreprinderi i platforme industriale), n transport i telecomunicaii, n distribuiaenergieielectrice,nautomatizareaexperimentrilortiinifice,nactivitidemanagement,servicii etc.nprezent,potfintlnitepretutindeniechipamente,instalaii,produsedelargconsumetc.careaunglobate aplicaii timp - real. n [Tur99] se arat modul de mprire a pieei comerciale de microprocesoare n anul 1999:maipuinde1%dinlumeamicroprocesoarelorerauutilizatensistemecuntrebuinaregeneral.Peste99% dintremicroprocesoareerauutilizatenaplicaiitimp-real.Acesteasuntomniprezente,delatelefoanele celulare,pagere,cuptoarecumicroundepnlasistemecomplexedecontroltraficaerian,telecomunicaii,utiliti publice, conducerea proceselor industriale, multimedia etc. Structura hardware i software-ul de baz i aplicativ prezint trsturi specifice pentru SCTR, ceea ce face ca aceste sisteme s fie o categorie distinct ntre sistemele de prelucrare a datelor. ntr-un sistem de calcul timp - real, esenial este intervalul de timp dintre momentul introducerii datelor i momentulobineriiiinterpretriirezultatelor.ntr-unsistemdeprelucrareclasic,nusuntimpuse constrngeripefluxulintroduceredateprelucraredate-obinererezultatepecndnSCTRtimpulde rspunsesteesenial.Acestaesteunuldintremotivelepentrucaretrebuieaplicatetehnicispecialepentru introducerea datelor, prelucrare i vizualizare, respectiv aplicare a rezultatelor. Privinddintr-uncadrumailarg,SCTRfacpartedincategoriasistemelordecalculONLINEncare datele de intrare sunt introduse direct de la locul unde suntproduse iar rezultatele sunt transmise direct la loculdeutilizare.Datelefiesuntintrodusedelaterminaledectreoperatoriumani,fieprovindela traductoareorisenzoriamplasainmediulextern.Rezultatelesunttransmiselaieirelaterminalepentru vizualizare de ctre operatorul uman sau la elemente de execuie. SCTResteunsistemdecalculcarepreiasuficientderapiddateledeintrare,efectueazprelucrrile necesarentr-unintervaldetimpsuficientdescurtitransmiterezultatelelaieiresuficientderapid pentru a mai influena desfurarea fenomenului la care se refer datele. TimpulderspunsalunuiSCTRestetimpulnecesarpentruageneraoinformaiedereacieladatele introduse. Timpul de rspuns este o valoare absolut care difer n funcie de cerinele aplicaiei timp - real: sisteme de recunoatere a vocii [100ns 10 ms]; simulator de zbor [1us-10us]; simulare de procese i controlul reelelor - [10us-100us]; control n telemetrie i analize seismice -[100us=1ms];controllere pentru roboi [1ms-10ms]; sisteme pentru controlul proceselor i automatizri industriale [100us-100ms]; diagnosticare medical automat i laboratoare automate [10ms 100ms]; 1-7sisteme pentru detectare i alarmare incendiu [ 100ms-1s]; sistem rezervri locuri [2s-3s]; n funcie de domeniul de utilizare exist mai multe tipuri de sisteme de calcul ON LINE, care nglobeaz i sistemele de calcul timp - real: Sisteme pentru controlul i supravegherea proceselor. Sistemeconversaionalecarepresupunlucrulinteractivdelaterminal,introducere de comenzi (date, programe etc.) i rspuns imediat la acestea. Sistemetranzacionalecaresuntinteractivedelaterminal,darnumruli tipuldemesajeicomenziestelimitatpentruasporivitezaderspuns.Rezultateleseafieazn formate prestabilite la proiectarea aplicaiei. Comenzile i mesajele fixe se numesc tranzacii. Exemple: sisteme bancare, rezervare de locuri, conducere de procese n regim ghid operator. Sistemetimp-realncorporate(EmbeddedRealTimeSystems).Acestesistemefacparteintegrant dintr-un sistem tehnic ori tehnologic mai general. Exemple: un sistem pentru conducerea unui robot pe o linie de fabricaie a unui produs, sistem de control al zborului n aviaie, sisteme de control autovehicule.n ceea ce privete SCTR, n literatura de specialitate exist mai multe scheme de clasificare: Din punct de vedere al timpului de rspuns: potfi Hard Real-Time systems(HRT) sau Soft Real-Time systems (STR) HRT=cuconstrngeridetimpdure;ieiriletrebuieprodusenlimitedetimp(deadlines) specificate, n caz contrar va aprea defect de sistem (Exemple: Sisteme de control al zborului,Sisteme de control trafic aerian, Roboti, Sisteme de controlautovehicule...) SRT=cuconstrngeridetimpflexibile;deadline-urilepotfipierduteocazionalfrase considera c sistemul este defect (Exemple: sisteme de comunicaie care utilizeaz protocoale cutimeout,Sistemecasierautomat,Sistemederezervarealocurilor,Sistemepentru controlul proceselor proiectate s tolereze ntrzieri ...) Din punct de vedere al deschiderii: SCTRproprietar,caredepinddecaracteristicilesistemuluideoperareproprietar,arhitectura hard i setul de instruciuni al calculatorului; costurile cu dezvoltrile soft i portarea spre alte platforme sunt foarte mari la aceste sisteme. SCTRdeschise,caresebazeazpestandardeindustrialepentrumicroprocesoare,sistemede operare timp - real, protocoale de comunicaie, magistrale de interfaare; costul sistemelor este maimic,datoritdisponibilitiipachetelordeprograme,uurineideintegrareiutilizare, independena de platforme hard proprietar, etc. Din punct de vedere al arhitecturii: SCTR centralizate, n care procesoarele sunt localizate ntr-un singur nod din sistem iar timpul decomunicarentreproceseesteneglijabilnraportcutimpullordeexecuie;unsistem multiprocesor cu memorie partajat este un exemplu de sistem centralizat. SCTRdistribuite,ncareprocesoarelesuntdistribuitendiverselocuridinsistemiartimpul de comunicare ntre procesele de pe diferite procesoare nu este neglijabil comparativ cu timpul lor de execuie; un exemplu de astfel de sistem este o reea local de calculatoare. 1.2Elementele unui SCTR Se vaconsidera ca exemplu o instalaie pentru nclzirea aerului [Stu88] (figura 1.2-1). Unventilatorsuflaerctreunelementdenclzire,dirijareafcndu-seprintr-oconduct.Laieireadin aceastaesteamplasatuntermistorcareformeazunbraalunuicircuitpuntedemsur.Ieireaamplificata 1-8 Ventilator motor Control motor Unitate tiristorizat A Punte de msur Man flux aer Element de nclzire termistor Sens rotaie Motor on/off Total deschis Total nchis Obturator aspiraie aer Poteniometru "Poziie curent obturator" manual alimentare automat Temperatura masurat Semnal de la 0 la 10V Control manual aspiraie aer Controlmanual nclzire LED Auto/Man LED-uri stare (vent. P/O, obt. nchis/deschis) LED stare elem. nclzire ON/OFF Panou operator Control intrare aerControl element de nclzire Msurare ieire Fig. 1.2-1 Monitorizarea i controlul unei instalaii de nclzire aeracestuicircuitesteproporionalcutemperaturaiesteotensiunecontinundomeniul0..10Vcarepoatefi msurat n punctul B. Valoareacurentuluielectricprinelementuldenclzirepoatefimodificatprintr-ounitatedecontrol tiristorizat. Comanda acestei uniti se face cu o tensiune continu n domeniul 0..10V n punctul A. Debitul1-9aeruluipoatefimodificatprinintermediulunuiobturatorcareesteacionatdeunmotorreversibil.Motorul lucreazlaovitezconstantiarpornireasauoprireasapoateficomandatdeunsemnalnumeric(0sau1) aplicat la circuitul de control almotorului. Tot la acest circuit de controlse aplic unsemnal numeric pentru a comandasensulderotaie.Laobturatoresteataatunpoteniometrudepecaresepoateculegeotensiune proporionalcupoziiaobturatoruluiiarpoziiiletotalnchissautotaldeschisaleacestuiasuntdetectate cudoucontacte.Operatorulareladispoziieunpanoudelacarecontrolulinstalaieipoateficomutatpe AutomatsauManual.nmoduldelucruManualcurentuldepeelementuldenclzireipoziiaobturatorului (aspiraieaer)potfimodificatefolosinddoupoteniometre.Existdeasemeneacomutatoarepentruaopera asupra ventilatorului i elementului de nclzire. Led-urile de pe panou indic ventilator pornit/oprit, element de nclzireoprit/oprit,obturatortotaldeschissautotalnchisistaredefuncionare(AutomatsauManual).n modul de lucru Automat prin controlul poteniometrelor poate fi ajustat temperatura elementului de nclzire i poziia obturatorului. Controlul acestui proces simplu cu ajutorul calculatorului necesit monitorizare (urmrirea strilor i valorilor), calcule n conformitate cu algoritmul de control i acionare. n figura 1.2-2 se prezint o schem a sistemului de conducere cu calculator a instalaiei de nclzire aer: Monitorizarea presupune obinerea informaiilor despre starea curent a procesului. n exemplul prezentat aceastaserealizeazprinintermediulsemnaleloranalogiceprecumtemperaturaaeruluiipoziia obturatorului,prinintrrilenumericedelapoziiileextremealeobturatoruluiprecumiprinsemnalede stare modul de lucru, motor pornit, nclzitor pornit etc.. Calculelesuntnecesarepentrureglareapermanentatemperaturiielementuluidenclzirencorelaiecu temperaturaaeruluilaieire.Reglareasepoatefacenfunciedetemperaturadoritprinintermediul obturatoruluiiprinelementuldenclzire.Calculelesereferilarezolvareaunorsituaiiconflictuale (interblocri):DirecieTotal deschis Totalinchis Termistor On/off Spre panou operator CALCULATOR Intrri numericeCANCNAIeiri numerice Intrare de la puntea de msur PoziieobturatorCircuit de nclzire Ventilator Panou operator MAN / AUTO motor Control motor Element de nclzire Fig. 1.2-2 Sistem de conducere cu calculator a instalaiei de nclzire aer1-10CALCULATORDispozitive I / O standard Dispozitive de intrare din proces Dispozitive de ieire spre proces PROCES Fig.1.2-3Sistemgeneralizatdeconducere proceseINTERFEE CU PROCESUL nclzirea rezistenei nu se poate face dac ventilatorul este oprit; comandaautomatnusepoatefacedacoperatorulatrecutnmodde lucru manual iar comanda manual nu se poate face dac modul de lucru este automat. Acionareapresupune: furnizareauneitensiunipentrucontrolulelementuluidenclzirenconformitatecutemperatura necesar la ieire; comanda ieirilor numerice pentru START/STOP motor, direcia de rotire; aprinderea ori stingerea ledurilor de la panou. Programele(task-urile)deacionareimonitorizareprogrameazdispozitivedeinterfaprecumconvertor analog-numeric (CAN), convertor numeric-analogic (CAN), intrri numerice i ieiri numerice. Schema general este prezentat n figura 1.2-3: Fiecaredintretipurilededispozitivenecesitsoftcaresoperezeasupralor.Nevomreferilaacestsoftn continuare ca task-uri de intrare/ieire (I/E). n figura 1.2-4 se prezint un sistem de control cu calculatorul care include interfee hard i soft: 1-11Dispozitiveledeintrareisoftulaferentfurnizeazinformaiipentruacreaoimagineinternaintrrilordin proces.Imagineaintrriiesteformatdineantioaneprelevatedinsemnaleledinprocesastfelnctfenomenul delaintrarespoatefireconstituitfrdistorsiuni.Eaesteuninstantaneualstriiprocesuluicaretrebuie actualizat: periodic (ciclic), la intervale de timp stabilite pre-execuie sau sporadic,lamodificareastriiunormrimidiscretesaulamodificareavaloriiunormrimicontinuen afara unui interval admisibil.Imagineaieiriireprezintvalorirezultatenurmaaplicriialgoritmuluidecalcul.Aceastaesteactualizat periodicdectretask-uriledecontrol,intervaluldetimpaferentperioadeifiindsuficientdemicpentrua actualizacorectimagineaieirii.Task-uriledeieiretransferdateledinimagineaieiriictreproces, sincronizatcutask-uriledecontrol,acionndasupraacestuiaastfelnctcomportamentulsuscorespund imaginii ieirii. Fig. 1.2-4 Sistem de control generalizat care prezintinterfee hard i soft Imagineaintern aprocesului CALCULATOR Taskuri de control Imaginea intrrii Imaginea ieirii Taskuri de intrareTaskuri de ieire Dispozitive de intrare din proces Dispozitive de ieire spre proces PROCES 1-12Acest model simplu de sistem de control descris mparte task-urile de realizat n trei grupe: task-uri de intrare in proces; task-uri de ieire spre proces; task-uri de control. Comunicarea cu operatorul este tratat n schem ca parte a task-urilor de I/E. n multe aplicaii comunicaia reprezint i altceva dect achiziie de date de la traductoare i senzori ori acionarea de comutatoare, valve etc. Sistemele de control pot fi distribuite pe mai multe calculatoare nu toate situate n acelai loc i trebuie asigurat comunicaia ntre acestea. Prin urmare, modelul prezentat anterior poate fi extins pentru a include i task-urile de comunicaie (figura 1.2-5). 1-13

1.3Tipuri deSCTRTask-uriledeintrare,ieireicomunicaieauotrsturcomun:suntconectateprindispozitivehardwarela procese care sunt externe calculatorului. Acestea au o evoluie proprie n timp, iar calculatorul opereaz n timp realdacaciunilepecarelerealizeazsuntnconcordancutimpuldedesfurarealproceselorexterne. Relaia poate fi definit n termeni referitori la timpul care s-a scurs sau la momentul actual din cursul unei zile ncarecazsespunedespresistemecsuntbazatepeceas.Deasemenea,relaiasepoatedefinintermeni referitori la evenimente, cum ar fi, de exemplu, nchiderea unui contactor, n care caz se spune despre sisteme c suntbazatepeevenimente.Existdeasemeneaoatreiacategorie,ceaasistemelorinteractivencarerelaia dintreaciuniledincalculatorintregulsistemestedefinitntermenimultmailargi.nacestesistemeeste esenial ca setul de aciuni din calculator s se realizeze ntr-un interval de timp predeterminat. Majoritatea task-urilor de comunicare fac parte din aceast categorie. Reea comunicaieDISPLAYTastaturImprimant INTERFEE Taskuri controlTaskuri comunicaie Imaginea intrriiImaginea ieirii Taskuri de intrare Taskuri de ieire Dispozitive de ieirespre proces Dispozitivede intrare din proces PROCES Fig. 1.2-5 Sistem de control generalizat, cu taskuri de comunicaie 1-14Task-uriledecontrol,deinusuntdirectconectatelaevenimenteexterne,trebuiesoperezedeasemenean timp real, rezultatele calculelor trebuind s respecte limite de timp impuse. 1.3.1Sisteme bazate pe ceas Acestesistemeopereazpebazaunorconstantedetimpaleprocesului;valorileacestorapotfideexemplude ordinulorelor,pentruprocesechimicesaudeordinulmilisecundelorpentruaparaturadebordaavioanelor. Pentrucontrolulnbucl,ratadeactualizareaimaginiiprocesului(prelevareadeeantioanedinproces)este dependent de constantele de timp ale procesului controlat; cu ct constanta de timp este mai mic, frecvena de eantionareestemaimare.Sistemulutilizatpentrucontroltrebuiesincronizatcutimpulrealsaucutimpul naturalitrebuiesfiecapabilsrealizezeoperaiiledemsurare,controliacionareperiodic,intervalulde timp asociat cu perioada fiind dependent de constantele de timp ale procesului. SincronizareaseobinedeobiceiprinadugarealaSCTRaunuiceasdenumitnmoduzualceastimp-real (Real-Time Clock RTC). O ieire de la RTCse utilizeazca i comand pentru ntreruperea operaiilor curente ale calculatorului la intervale de timp fixate. Ca rspuns la ntreruperi, sistemul planific i lanseaz n execuie task-uri de intrare, ieire, sau control. Task-urile pot fi grupate pentru controlarea diferitelor pri ale procesului, pentrucareconstanteledetimppotfidiferite.Planificareaexecuieitask-urilorsefaceperiodic,nfunciede aceste constante. Ceamaimic perioad de execuie carepoate fi planificat este egalcu rezoluia RTC; prin numrareantreruperilordeceastrebuiespoatficalculatecuprecizieperioadeledelansareatuturortask-urilor. n mod frecvent ntreruperea de la ceas este utilizat i pentru a calcula data i timpul (ceas i calendar). Multe sisteme dau impresia c sunt bazate pe ceas deoarece afieaz data i ora. Acest lucru nu este relevant. Pentru ca un sistem s fie un SCTR bazat pe ceas el trebuie s se sincronizeze cu procese externe calculatorului. 1.3.2Sisteme bazate pe evenimente (senzori) nunelesistemeaciunilesuntdeclanatenulaanumiteintervaledetimp,cicareacielaevenimenteexterne. Exemplu: pornirea unei instalaii de nclzire ca urmare a scderii temperaturii sub o anumit valoare.Sistemelebazatepeevenimentesuntnmultesituaiiutilizatepentruindicareaunorcondiiidesemnalizare preventiv sau alarmare i pentru startarea aciunilor necesare de ntreprins n astfel de situaii. Exemple: oprirea nclziriiunuicazanladepireapraguluidealarmareasociatpresiunii,declanareaalarmeiiainstalaieide stins incendiu la detectarea prezenei fumului sau la creterea temperaturii etc.nmod uzual, pentru sistemele bazate pe evenimente n specificaiise include i cerina referitoare la timpii de rspuns la evenimente. Astfel de sisteme utilizeaz de regul ntreruperile externe pentru a informa sistemul de calculdeapariiaevenimentului;nsistemelesimpleseutilizeazdemulteoripolling-ulcitireaperiodica senzorilor - pentru a detecta apariia evenimentelor. 1.3.3Sisteme interactive Acoper o gam larg de aplicaii precum rezervri de locuri, automate bancare etc. Cerineletimp-realsuntnmoduzualexprimatentermenireferitorilatimpulmediuderspunscaresnu depeascunanumitinterval(deexemplutimpulmediuderspunspentruunbancomatnutrebuies depeasc 10 secunde). Rspunsul este determinat de starea intern a elementului de prelucrare, nu de procese externe acestuia.1.3.4Definirea SCTRTermenul timp - real se poate aplica la sisteme n care: 1.Ordinea calculelor este determinat de trecerea timpului ori de evenimente externe calculatorului. 1-152.Rezultatele obinute depind de valoarea variabilei timp. Cel mai frecvent sunt evocate n literatura de specialitate dou categorii de sisteme: sistemele care pot avea un timp mediu de execuie care este mai mic dect un interval maxim specificat - constrngerile de timp real sunt flexibile (Soft Real Time Systems sau SRT)prelucrriletrebuieterminatentr-unintervalmaximdetimppentrufiecaresituaienparte(sistemul trebuie s se mite rapid) - constrngerile de timp real sunt rigide (Hard Real Time Systems sau HRT ) Adouacategorieimpuneconstrngerimultmaisevereasupraperformaneisistemuluidectprimacategorie. Dinaceastcategoriefacparteaanumitelesistemencorporate(EmbeddedSystems)ncaresistemul constituie parte integrant a unei maini sau instalaii. 1.4Clasificarea programelor Studii experimentale arat clar c anumite tipuri de programe, n particular acelea care realizeaz operaii timp - real,suntmultmaidificilderealizatdectprogrameleobinuite.Tehniciledelucrupentruverificarea corectitudinii programelor sunt date i de diferenele ntre diferitele tipuri de programe. Lucrri teoretice referitoare la tehnicile pentru demonstrarea corectitudinii unui program au permis identificarea a 3 tipuri de programe: secveniale; multitasking; timp - real. 1.4.1Programele secveniale Aciunilesuntstrictordonatecaosecvenntimp.Comportareaunuiprogramdepindenumaideefectele instruciunilorindividualeideordinealor.Timpulnecesarpentruoanumitprelucrareestemereuacelai. Pentru testare se pornete de la urmtoarele premise: 1.O instruciune practic definete o aciune fix (static) n sistem; 2.Oricare dintre aciunile programului produc secvene statice de evenimente. 1.4.2Programe multitasking Difer de cele secveniale prin aceea c operaiile care trebuie realizate operaiile care trebuie realizate nu sunt executate neaprat ca o secnven continu n timp.. Mai mult, operaiile se pot desfura concurent. Astfel, un program poate fi construit dintr-un numr de pri numite procese sau task-uri care: luate separat, sunt compuse din secvene de instruciuni; se execut concurent cu alte task-uri; comunic cu alte task-uri prin memorie partajat, semnale de sincronizare, mesaje, cutii potale... Testarea presupune aceleai premise ca la programele secveniale, cu unele deosebiri: Task-urile pot fi testate separat numai dac variabilele fiecrui task sunt distincte. Dac variabilele sunt partajate, posibila concuren la resurse poate suspenda execuia pn la eliberarea acestora; Cerineledesincronizarecualtetask-urifaccatimpuldeexecuieasecveneideinstruciunipentru fiecare task s nu poat fi determinat cu precizie de ctre procedurile de validare - timpul de execuie a task-urilor depinde i de modul de execuie aprocedurilor de sincronizare 1-16Prioritatea de lansare n execuie: timpul de executie al task-ului este influenat i de intervalul de timp n care execuia sa este suspendat atunci cnd procesorul execut alte task-uri cu prioritate mai mare.1.4.3Programe timp - real Un program timp - real difer de tipurile anterioare de programe prin aceea c pe lng faptul c aciunile sale nusunt disjuncte n timp, secvena aciunilor sale nu este determinat doar de proiectant, ci i de evenimentele din mediul exterior. Acestea sunt declanate de condiii din afara calculatorului i nu pot fi fcute s respecte, de exemplu,regulile de sincronizare dintre task-uri! Un program timp- real poate fi mprit n task-uri, dar comutarea dintre acesteanu ateapt neaprat dup un semnal intern de sincronizare, deoarece ceea ce se ntmpl n mediul extern nu poate fi ntrziat. n programul timp - real, n contrast cu celelalte tipuri de programe, timpul actual asociat cu o aciune este un factor esenial nprocesuldevalidare.Mijloacelededeterminareacorectitudiniiexecuieidiferfundamentaldemijloacele asociate programelor secveniale sau multitasking.Multelimbajedeprogramarefolositeuzualnuposedmecanismepentrurealizareaaplicaiilortimp-real,iar programatorultrebuiesilecreezesingur.Deasemenea,instrumenteledetestareutilizatenmodcurent pentruvalidareaprogramelornufuncioneazcorectnaplicaiitimp-real.Chiardacexistlimbajede programarepentruaplicaiitimp-real,acesteasuntelaboratepentruanumitetipuridemaini/sistemede operare, portarea pe alte platforme hard/soft necesitnd eforturi nu tocmai neglijabile. Aceasta determin un cost alaplicaieimultmairidicat,iarnmultesituaiilipsaunormijloacededezvoltareitestareaccesibileesten contrast evident cu necesitatea unor aplicaii fiabile. AufostrealizatesistemedeoperaredeTR,dardatoritefortuluimarenecesarpentrurealizarealoriapieei relativ limitate, acestea au fost completate i cu module specifice sistemelor de operare de uz general; exemple de SOTR timp - real :QNX, LYNX, VxWorks, RT Linux, eCOS. Uneori, se obinuiete ca pentru aplicaii timp - real s fie realizate de proiectanii de aplicaiiexecutive de timp real dedicate, care implementeaz algoritmi de planificare i sincronizare proiectain funcie de aplicaie.1.5Concluzii n acest capitol au fost prezentateelemente introductive referitoare la SCTR. Acestea sunt o categorie distinct desistemedecalcul.Pentrudezvoltareaaplicaiilortimp-real,proiectaniiacestoratrebuiesaibcunotine despre: procesul sau domeniul cruia i se adreseaz aplicaia; senzori i elemente de execuie; structura i performanele elementelor de prelucrare; tehnici de interfaare cu lumea real; sistemul de comunicaii de date; sisteme de operare timp-real i algoritmi de planificare; proiectare software; limbaje de programare; proiectarea algoritmilor de control; algoritmi de prelucrare a semnalelor. 2-172SCTR PENTRU CONTROLUL PROCESELOR INDUSTRIALE 2.1Tipuri de procese n funcie de modul n care sunt efectuate prelucrrile, procesele industriale sau de laborator pot fi de tipul: pe loturi (batch processes); continue; de laborator (sau de test); Termenuldeprelucrarenloturiesteutilizatpentrudescriereaproceselorncareosecvendeoperaii determin producerea unor serii rezultate i n care secvena este apoi repetat pentru producerea unor alte serii derezultate.Astfeldeprelucrrisentlnescdeexemplunsistemeledeprocescarecontroleazlaminoare. ntredoulansrinproduciealeunuilotsemodificdateledespreprodusdarsecvenadeoperaiirmne practicaceeai.Caracteristicaproceselorpeloturiestetimpulnecesarpregtiriipentruproducie.Acestase numete timp de setup i nmulte sisteme de acestgen este important raportul dintre timpul de setup itimpul de operare efectiv. Termenul continuu este folosit pentru procesele n care producia este meninut pentru o lung perioad de timp frntreruperi(lunisauchiarani).Caracteristicileproduselorcaretrebuieobinutensistemelecontinuese schimb din mers (exemplu: producia de energie electric).Termenul de sisteme de laborator se refer la acele procese care n mod curent sunt controlate de ctre operator. Acestea constau n utilizarea calculatorului pentru a controla experimente complexe sau echipamente complexe supuse testrii. Exemplu: standuri pentru ncercarea traductoarelor, standuri pentru testarea motoarelor electrice, experimente n medicin, etc. Indiferent de tipul procesului controlat, calculatorul de proces execut una sau mai multe dintre operaiile: controlul secvenial al proceselor; controlul n bucl; supervizarea proceselor; interfaa om-main. nregistrarea datelor; analiza datelor. 2.2Operaii realizate de ctre sistemele pentru controlul proceselor 2.2.1Controlul secvenial al proceselor Deicontrolulsecvenialaparenceamaimareparteaproceselor,elestetotuipredominantlaproceselede produciepeloturi.Controlulsecvenialesteutilizatmaimultnproceselencareoperaiilesereferla amesteculunormateriiprimenanumitecondiiiimpuse.Pelngcontrolulsecvenial,calculatorulrealizeaz frecventicontrolulcontinuunbuclnchispentrureglareaunorparametriprecumtemperatura,presiunea, nivelul, debitul etc. 2-182.2.2Controlul n bucl (Direct Digital Control) n astfel de sisteme calculatorul este interfaat cu procesul ca n figura 2.2.2-1: n aceste sisteme calculatorul este o component critic i trebuie luate msuri pentru a garanta ca n cazul unei proaste funcionri a acestuia procesul va rmne ntr-o stare stabil. Algoritmiidecontrolutilizaidepinddeaplicaie.Ceimaifolosiisuntalgoritmiicarepleacdelaalgoritmul analogic decontrolcu 3termeni(proporional+integral+derivativ-PID).Ecuaiandomeniultimpuluipentru controller-ul PID ideal este[Stu88]: ((

+ + =dtt deT dt t eTt e K t mdic) () (1) ( ) ( (1) unde e(t)=r(t)-y(t), cu y(t) variabila msurat la ieire, r(t) - variabila de referin (set-point), e(t) - eroarea. Kc estefactoruldeamplificareglobalalcontroller-ului,TiesteconstantadetimpdeintegrareiarTdconstantade timp a aciunii derivative. Acest algoritm poate fi exprimat i n alte forme. De exemplu, aciunea derivativ este nmodfrecventneutilizatsauuneoride/dtestenlocuitprindy/dtpentruaevitadifereniereavariabileide referin etc.Algoritmulpoatefiimplementatsoftutilizndoecuaieechivalentpentru(1).Astfel,dacintervalulde eantionare pentru calcule este T secunde, atunci potfi utilizate aproximrile m r Supraveghere cu calculator i/sau uman Val.de referinVal.msurate Calculatordeproces(controller) Proces condusIeiri y Intrri x Fig. 2.2.2-1 Control n bucl nchis 2-19Te edkdek kk1|= si ==nkkT e dt t e0) (Ecuaia de control devine n acest caz ((

+ +==nkkinn nd c nT eTeTe eT K m011 (2) Dac se fac nlocuirile TTK KTTK KK Kdc dic ic p===

ecuaia (2) poate fi exprimat ca un algoritm de forma ) (11 + + =+ =n n d n i n p nn n ne e K s K e K me s s (3) unde sn este suma erorilor. Algoritmul PID nu este singurul algoritm pentru control n bucl, dar este cel mai utilizat, datorit simplitii i a faptului c este adecvat pentru peste 90% dintre problemele de control. Un controller simplu PID utiliznd algoritmul dat de ecuaiile 3 poate fi programat n C astfel: 2-20 # define KPVAL1.0 # define KIVAL 0.8 # define KDVAL0.3 #define FALSE 0 #define TRUE1 float s, kp, ki, kd, en, enold, mn; unsigned char stop; extern float can(void);/*funcie care achizitioneaza de la convertorul analognumeric,calculeazasireturneazavaloarea erorii e; este dependenta de hardware utilizat.*/ extern void cna(float mn);/*funcie care primeste la intrare corectia (valoareadeactionare)siotransmitela convertorul numeric - analogic*/ void task_PID(void){ stop = FALSE; s = 0.0; kp = KPVAL; ki = KIVAL; kd = KDVAL; enold = can(); /* bucla de control*/ while (!stop){ en = can(); /* adc returnraza valoarea erorii actuale*/ s = s+en;/* suma pentru integrala*/ mn = kp*en + ki*s + kd * (en - enold); cna(mn); enold = en; } } Poziionareavariabileistoppentruoprireatask-uluisefacedinexterior,deexemplucaurmareaaciunii operatorului. Acestexempluesteoabordaresimplificatreferitoarelaimplementareaalgoritmului.Oseriedealifactori, precum ieirea parametrilor din limite, rata de eantionare pentru achiziia datelor, cadena n care sunt acionate ieirile, filtrrile intrriloretc., trebuie luai n considerare. De asemenea, n algoritm nu se ine cont de cerina obligatorie ca variabila de control mn s fie calculat sincronizat cu timpul real. Astfel, rata de eantionare- veziformula(2)depindedevitezadecalculaechipamentuluipecareruleazprogramul.Pentruooperare corect, este nevoie de mijloace de fixare a intervalului de timp pentru calcul la valoarea T. Acest lucru se face prin metode care vor fi prezentate ulterior. 2.2.3Supervizarea proceselor Utilizareacalculatoruluipentrucontrolulproceseloradusladiversificareatipurilordeactiviticaresepot realiza,deoarecesistemelecucalculatorpotscontrolezeoperaiileuneiinstalaiiinparalelsfurnizeze informaii pentru ingineri sau manageri n diverse moduri, prin intermediul interfeei om-main. Unexempludeinstalaiecaresepreteazlasupervizareacuajutorulcalculatoruluiesteprezentatnfigura 2.2.3-1. 2-21 Traductor presiune TP Fig.2.2.3-1Supervizareauneiinstalaiidevaporizare(reproduceredin [Stu88]) Furnizare materie primAbur TP Recirculare solutie Produs concentrat Vaporizatoare 2-22 nacestproces,douvaporizatoaresuntinterconectateinfiecareseintroduceosoluiecareprinevaporarea apei trebuie s i mreasc concentraia n substan util. nclzirea se face la primul vaporizator cu abur care estefurnizatprintr-unschimbtordecldurconectatlaacesta,iarlaaldoileavaporizatorseutilizeazaburulrezultatdinprimulvaporizator.Pentruarealizaoevaporaremaxim,presiuneanvaporizatoaretrebuiesfie ctmaimareposibil,respectndnsmsuriledesigurannexploatare.Totui,estenecesarocoordonare ntre cele dou vaporizatoare: dac primulfuncioneaz la capacitatea maxim, poate furniza att de mult abur nctsdepeasclimiteledesiguranpentrualdoilea.Oschemdesupervizarepentruacestprocesvafiproiectatsoperezeasupracelordouinstalaiiastfelnctsobinrezultatelecelemaibune,ncondiiide siguran.Algoritmiidesupervizarevizeazansamblulprocesuluiiseexecutntimpreal,nparalelcuoperaiunile curente din proces. Cele mai multe dintre aplicaiile de supervizare a proceselor permit inginerilor i operatorilor s cunoasc strile instalaiilor i s intervin n timp real. n unele sisteme complexe sunt implemenati la acest nivelialgoritmidecontroldestinaioptimizrii.Complexitatealordepindedetipulprocesului:esteomare diferendeexempluntreprocesuldeevaporareprezentatmaisusisupervizareaprocesuluintr-ocentral electric nuclear. 2.2.4Interfaa om-main FoarteimportantenSCTRpentrucontrolulproceselorsuntfacilitilefurnizateoperatorilordeproces, inginerilor i managerilor. Unoperatordeprocestrebuiesaibladispoziiemijloacesimpleiclarepentruintervenianinstalaiisau echipamente.Eltrebuiespoatschimbavalorilevariabilelordereferin,sfieinformatrapiddesprecondiiile de alarmare, s poat aciona asupra elementelor de execuie direct de la dispozitivul de intrare.Operatoriiutilizeazconsolededicate,careaudeobiceiotastaturspecial,unulsaumaimultemonitoarei imprimant. Pe monitoare se prezint funcionarea instalaiilor prin intermediul schemelor sinoptice, sunt afiate evenimentele legate de proces i de funcionarea sistemului,se prezint informaii despre modul de funcionare al buclelor de reglare etc. O mare parte din eforturile de proiectare i programare este dedicat dezvoltrii de aplicaii destinate operrii cu mare uurin i prezentrii ct mai sugestive a informaiilor (prin scheme sinoptice, instrumente vizuale etc). 2.2.5Responsabilitile inginerului de sistemIngineruldesistemarecaresponsabilitateconfigurareaaplicaieipentruacontrolaprocesul,pentruaoferi operatorilorinformaiilenecesareipentruacreaiactualizantimprealbazededatecuinformaiinecesare analizei ulterioare, cu evenimentele care au aprut n instalaii etc.Cu alte cuvinte, inginerul responsabil de sistem trebuie s aib posibilitatea: s defineasc modul de achiziie de date i de aciune n proces; s seteze constantele pentru scanare, filtrare, limite de alarmare i acionare etc.; sdefineascbucleledereglare,eventualmoduldecascadareacontroller-elordestinatereglriiide conectare cu alte elemente din schema de control; s poat s regleze modul de achiziie i control prin selectarea amplificrilor celor mai potrivite; s defineasc i s programeze procedurile de control necesare pentru operarea automat;s determine i s implementeze schemele de supraveghere. 2-23Software-ul trebuie s pun la dispoziia inginerului mijloacele necesare pentru a face aceste lucruri. n acest scop, au fost realizate medii de dezvoltare a aplicaiilor de proces precum: WinCC, Monitor PRO, Genesys, InTouch, SL/GMS, PVSS II, ActivWare, MicroSCADA etc. 2.3Structuride sisteme pentru controlul proceselor industriale 2.3.1Sisteme de control centralizate Odat cu reducerea costurilor calculatoarelor s-a extins utilizarea sistemelor de control cu calculator. Primelesisteme(anii1960...1970)constaudintr-unsingurcalculatorcuocapacitatesuficientpentrua ndeplini toatefunciile unuiproces. Acesta era conectat la un set de interfee cu procesul. Semnalele de la traductoare n astfel de sisteme sunt aduse ntr-un singur loc (o camer) pentru a fi conectate la interfee. Dezavantajuluneiastfeldesoluii,pelngconsumulmaredecabluri,estecdefectareacalculatoruluiafecteaz ntregul sistem. Implementarea buclelor de control n sistemele centralizate pune probleme legate dedisponibilitateacalculatoruluicentralnefuncionareaacestuiaeraechivalentcublocareantregului proces.nanii'70s-atrecutlaimplementareabuclelordereglarecuregulatoareanalogice,careprimeau valoriledesetpointdelacalculatorulcentral.ncazuldefectriicalculatorului,regulatoarelecontinuau funcionarea n regim de lucru local.nanii'70-80,caurmareascderiipreuluicalculatoarelor,pentrucretereatoleraneiladefecten aplicaiile industriale critice erau frecvent utilizate sisteme de calculatoare duble ( figura 2.3.1-1). Comutareantreceledoucalculatoarepoatefimanualsauautomat.Cndestenecesarcomutarea automatcomutatoruldevineocomponentcritic.Deasemenea,programareaiproblemeledetestarei control sunt foarte complicate. Periferice standardManagement Calculator ACalculator B ComutatorBloc de control Interfee Proces Fig. 2.3.1-1 Sistem cu calculatoar dublu 2-242.3.2Sisteme ierarhizate Auolargrspndirendomeniileundeseiaudeciziicentralizat.ntr-unsistemierarhizatoceluleste implicat n luarea deciziei n felul urmtor (Fig. 2.3.2-1): Fiecareelementdedeciziepresupunerecepionareaunorcomenzidelanivelulsuperioritransmiterea informaiilornapoilaacestnivel.Pebazainformaieirecepionatedelaelementeledepenivelulinferior precumipebazacoreciilorsauconstrngerilorimpusedeelementeledepeacelainivelsetransmit comenzi la elementele de pe nivel inferior. O structur ierarhic cu mai multe celule poate fi asimilat cu o piramid ca n figura 2.3.2-2: La baza piramidei este necesar un timp de rspuns mic, de ordinul msec sau sec. Pe msur ce se avanseaz spre vrful piramidei timpul de rspuns crete. Luarea deciziei InformaiiComenziNivel superior Constrngeri Informaii Constrngeri Informaii Acelai nivel Informaii (provenitedela nivelul inferor) ComenziNivel inferior Fig. 2.3.2-1 Funcia de fabricare ierarhic a deciziilor Fig. 2.3.2-2 Structura ierarhic de luare a deciziilor 2-25Unexemplutipicdesistemierarhizatestesistemuldeproducieautomataunorloturideproduse(figura 2.3.2-3). Acest sistem are 3 niveluri pe care le vom denumi: manager; supervizor; unitate de control. Se utilizeaz calculatoare separate pentru funciile de manageri, supervizori i pentru controlul procesului. La nivelul de manager funciile principale sunt: gestiunea resurselor; programarea produciei; Manager Supervizor Gestionare resurse Planificare producie Evaluare Elaborare reete Secvene de operaii Coordonare Magistrala de date Unitate de controlUnitate de control PROCES Fig. 2.3.2-3 Prelucrarea n loturi utiliznd un sistem ierarhic 2-26evaluarea produciei. Informaiilereferitoarelaprogramareaproducieisunttransferatelanivelulsupervizor.Acestnivelare implementate reetele de producie i secvenele de operaii pentru obinerea produselor. Informaiile despre processencarclainiiativasupervizoruluinunitiledecontrolcareexecutoperaiileindividuale.n timpulexecuiei,supervizorulvaprimiinformaiidespremoduldederulareafiecruiprocesivarezolva orice conflict n disputa asupra resurselor; de asemenea informeaz managerul despre rezultat. La nivelul inferior, unitile de control sunt responsabile de operaiile de proces (nchiderea deschiderea de vane,comutatoare,controldetemperaturi,viteze,debite,monitorizareaalarmelor)ideinformarea nivelului supervizor despre proces. Cele mai multe sisteme ierarhizate necesit reele de calculatoare distribuite, n practic cel mai des ntlnite sisteme de proces fiind cele distribuite (fizic i logic) i ierarhizate (n procesul de luare a deciziilor). 2.3.3Sisteme distribuiteCaracteristicile unui sistem distribuit sunt: fiecare unitate poate executa task-uri similare cu celelalte uniti de calcul; n caz de defectare a unei uniti, atributele acesteia pot fi realizate de alt unitate. nsistemeledistribuite,muncaedivizatiexecutatdemaimultecalculatoare.Aceastaimplicdificultin realizareamodulelorhardiapachetelorsoftpentructask-uriletrebuiealocatemaimultorprocesoare,care partajeaz sau nu anumite resurse. n realitate, cele mai multe sisteme moderne utilizeaz structuri distribuite i ierarhizate. n acestea, task-urile de msur,acionare,controlnbucl,comunicarecuoperatorul,supervizareetc.suntdistribuitentremaimulte calculatoare. Acestea sunt interconectate printr-un canal de comunicare de mare vitez (FIELDBUS sau LAN), de-a lungul cruia calculatoarele sunt interconectate ntr-o structur ierarhic de comand (figura 2.3.3-1). Sistemele distribuite i ierarhizate au urmtoarele avantaje: Capacitatea de calcul crete prin partajarea task-urilor ntre diferite procesoare. De exemplu, la nivelul 1 sepotfacemultmaibinefiltrri,scalri,msurri,acionri,nupentrucacesteasuntoperaiifoarte complicate,cimaialespentrucseaplicunuinumrmaredemrimi.Deasemenea,calculele complicatepentrucontrolnbuclsefacdectreprocesoareseparate,crescndvitezadelucrui fiabilitatea. Nivelul 2 preia datele i trimite concluziile prin intermediul mediului decomunicaie. Sistemul este mai flexibil dect cu un singur procesor; se pot face mai uor modificri prin adugarea de noi module. De asemenea, se pot utiliza standardizrile specifice comunicaiilor de date n reea. Defectarea unui modul nu afecteaz ntreg sistemul. Pentru izolarea defeciunii se poate trece uor n alt mod de lucru (manual de exemplu) apoi se face nlocuirea. Se pot face uor modificri hard i soft deoarece este mai uor s modifici un singur modul dect ntreg sistemul. Caleadecomunicareserialpermitecaechipamentelesfiedistribuitepeoariegeograficmaimare, nemaifiind astfel necesare cabluri care s aduc semnalele ntr-o singur ncpere. 2-27 Microcomputer Microcomputer Microcomputer Microcomputer ControllerControllerController PROCES Nivel 1 Achiziie/acionare Nivel 2 Control n bucl Nivel 3 Control secvenial al proceselor Nivel 4 Comunicaie operator Nivel 5 Supervizor Nivel 6 Management Fig. 2.3.2-1 Sistem distribuit i ierarhizat 2-28 2.3.4Piramida automatizrii SCTRdistribuiteiierarhizatenlocuiesctotmaifrecventsistemeleclasicedeautomatizare.Nivelurile ierarhice deautomatizare pot fi reprezentare prin piramida automatizrii (figura 2.3.4-1). Parametriiluainconsideraresunt:nivelulierarhic,cerineletimp-real,volumuldedategestionatde elementele de prelucrare i cerinele de sincronizare. msec Control procese Celuladebaz SupervizareTimp real Volum de date Sincronizare Lent (min sau ore) f. mare NU mareNU mediu NU mare mediuDA/NU micDA Achiziie date i acionareManagement Nivel ierarhicNivel ierarhic Fig. 2.3.4-1 Piramida automatizrii 3-293STRUCTURA ECHIPAMENTELOR UTILIZATE IN SCTR 3.1Structura hardware general a calculatorului de proces Deicelemaimultecalculatoarepotfiutilizatepentruaplicaiitimp-real,nutoatesuntadaptatepentrua rspundecerineloracestora.Cerineleserefernmoduzuallanecesitateaatariilacalculatoraunor dispozitive care s permit comunicarea n timp real cu mediul exterior i cu utilizatorii.Pentrucalculatoareledotatecudispozitivelenecesarenaplicaiiletimp-realpentrucontrolulproceselorse folosetenmodcurentdenumireadecalculatoaredeproces.Ocaracteristicaacestoraesteconcepia modular:elepermitadugarealaelementuldeprelucrareaunormoduleexterne,nparticulardispozitive specializate de intrare/ieire. Dispozitivele tipice de interfaare aleunui calculator sunt prezentate n figura 3.1-1 3-30 MemorieUC Interfee deIntrare/iEire HDD Streamer Imprimant Display, tastatur Panou operatorDisplay Alarmare Imprimant Dispozitive standard Dispozitive operator proces Dispozitive de comunicaii PROCES ntreruperi, RTC Dispozitive de proces Canale de telemetrie CAN CNA In Out Semnalen impulsuri In Out Semnale numerice 1 6 3 2 5 4 Fig. 3.1-1 Dispozitive de interfaare tipice 3-313.1.1Unitateacentral Uniticentralesimilarecualesistemelordeuzgeneral(deex.PCcu80x86),decelemaimulteorin construcieindustrial,suntutilizatefrecventncalculatoareledeproces.nsistemelencorporatesaun sistemele distribuite pentru controlul proceselor sunt disponibile echipamente numitePLC (Programable Logic Controller) sau RTU (Remote Terminal Unit). Astfel de echipamente sunt produse de firme precum SIEMENS, SCHNEIDERElectric,GENERALELECTRICFANUC,ABBs.a.Unitilecentralealeacestorechipamentesuntrealizatecumicroprocesoaredediversetipuri:procesoaredeuzgeneral-80x86,Motorola68xxx(16/32 bii); controllere programabile (calculatoare ntr-unsingur cip) -8051, 8048, HC11,80C552 (8 bii); 80C166 (16 bii) etc. 3.1.2Dispozitive de comunicaie Dispozitivele de comunicaieinterfaeaz calculatorul de proces cumediile de comunicaie n reele industriale sau n reele de uz general. Exist o mare varietate de dispozitive i medii de comunicaie, selectate n funcie de aplicaie, condiii tehnice existente, cerine de performan etc.:dispozitive pentrucomunicaie serial RS232, RS485, RS422;dispozitive pentrucomunicaie n LAN; dispozitive de comunicaie prin microunde; dispozitive de comunicaie n infrarou, etc. 3.1.3Dispozitive de procesDispozitiveledeprocessuntdediversetipuri,nfunciedemrimileachiziionateoricomandate.Aceste dispozitive trateaz:I/Enumericevaloribinare(0sau1logic)pentrufiecaresemnal.Sereferlamrimidegenul pornire/oprire, deschidere/nchidere etc. I/E analogice interfee care primesc sau genereaz semnale analogice continue n curent sau tensiune. Valorile de curent sau tensiune se convertesc n/din uniti inginereti prinmodule soft care in cont de relaiadintredomeniulsemnaluluideI/En/dincalculatoridomeniulmrimiifizice.Semnalele analogicedeintrareprovindelasenzorisautraductoareiarceledeieireseapliclaelementede acionare, instrumente de msur analogice etc. I/E n impulsuri o serie de instrumente de msur (contoare de energie, integratoare de debit etc.) ofer laieireimpulsuriproporionalecumrimilemsurate.Deasemenea,uneleelementedeexecuie (motoare pas cu pas) necesit comanda n impulsuri. Calculatorul trebuie s dispun n aceste cazuri de interfee de numrare a impulsurilor i respectiv de comand n impulsuri. Canaledetelemetrieseutilizeazpentruconectareaunorinstrumentespecializatepentrumsuri control, aflate la distan. nfunciedeloculdeamplasare,dispozitiveledeinterfaarecuprocesulpotfipemagistralaintern(PLUG- IN)saupemagistralaextern(conectatelacalculatorprinintermediulreelelordecomunicaieserialsau interfeelor paralele). 3.1.4Dispozitivele standard ale calculatorului Calculatoarele de proces n multe cazuri au n configurare i dispozitive standard uzuale precum discuri, benzi, display, tastatur, mouse etc. 3-323.1.5Dispozitivele operatorului de proces Operatoruldeprocespoateutilizachiardispozitivelecalculatorului.nunelesituaiiseutilizeaznsconsolespecialealeoperatoruluideprocescareconindispozitivedeafiare(deobiceidisplaycolordemari dimensiuni),decomandnproces(panouridecomand),dealarmare(HUPA),respectivpentrulistareaunor jurnale de evenimente (imprimante de panou). 3.1.6Ceasul timp - real (Real Time Clock)RTCesteundispozitivauxiliar,vitalpentruSCTR.nfunciedetipulaplicaiei,RTCpoatefiunceas electronic,unceasgeneratsoftsauunsimplugeneratordeimpulsuricufrecvenapreciscontrolatcared ntreruperi la intervale de timp programabile. OriceSCTRutilizeazRTCpentruagenerantreruperilaanumiteintervaledetimp(deexemplulaPCde aproximativ 18,2 ori pe secund). nsistemele n care timpul este foarte important se utilizeaz ceasuri digitale care genereaz ntreruperi la anumite frecvene, pot ntreine automat data i ora, alimentarea fcndu-se de la o surs de alimentare auxiliar. n SCTR, RTC este folosit pentru: ntreinere dat i or, stabilire intervale de eantioane a procesului, intervale decomunicaii,timeout,memoraredatepedisc,afiarepedisplayacurbelory(t),elaborarederapoartela imprimant etc.. Uzual,ntrerupereadelaRTCestefolositidectresistemuldeoperaretimp-realpentruplanificareai dispecerizarea task-urilor. 3.2Semnale preluate/transmise de SCTR din/ctre lumea real nmoduzual,calculatoruldeprocesconinedispozitivepentru3tipuridesemnalentensiune:analogice, numerice i n impulsuri. Semnalele analogice se deosebesc de celelalte prin aceea c amplitudinea lor variaz n timp, iar cele numerice sau n impulsuri pot lua numai valori 0 i 1. Distinciantresemnalelenumericeicelenimpulsuriconstnmoduldetratareainformaieiintipul interfeelor hard utilizate pentru achiziie. Unui semnal numeric ataat unui canal i se asociaz un bit la nivelul interfeei de achiziie. Starea de 0 sau 1 a semnalelor numerice este memorat static ntr-un bit sau ntr-o grup de bii care se schimb n funcie de evoluia semnalului din lumea real. Semnalele n impulsuri sunt memorate sub forma unui numr de tranziii care au aprut pe semnalul de intrare sau care trebuie generate la ieire ntr-un interval de timp dat. SemnaleleanalogicesunttransformatenreprezentarenumericprinintermediulCAN(ConvertorAnalog Numeric).SemnaleleanalogicedeieiresuntgenerateporninddelavalorilenumericeprinintermediulCNA (ConvertorNumeric Analog). Cele mai multe interfee de proces accept la intrare semnale n domenii unificate de curent sau tensiune: ~0 V pentru 0 logic i ~5V pentru 1 logic la semnalele numerice sau n impulsuri; intrare n curent continuu 4-20mA (uneori i 2 10 mA, 0 10 mA ) sau n tensiune continu 0 10 V, 0-5V, +/-10V, +/-5 V pentru semnalele analogice. Semnaleleunificatencurenisautensiuneauamplitudinisuficientepentruinterfeeledincalculator.Uneori ns, traductoarele sau senzorii ofer la ieire semnale care nu sunt n curent sau tensiune sau semnale n curent sautensiunecarenusencadreazndomeniileunificate.Dinacestmotiv,suntnecesaremodulede 3-33condiionaresemnalecareadapteazsemnalelelacerineleinterfeeidincalculator.Acestfeldemodulesunt utilizate de asemenea i pentru izolarea calculatorului fa de tensiunile nalte, pentru filtrarea zgomotelor etc. Semnalelenumericesauanalogicedeieiresuntoferitedeinterfeeledeieiredincalculatorndomeniile unificate de curent sau tensiune specificate mai sus. nparagrafulurmtorsuntprezentatedetaliireferitoarelablocurilefuncionalecareefectueaztransformarea semnalelor dinmediul externn format recunoscut de ctre calculator i respectiv transform datele dinformat calculatornsemnalectremediulextern.Pentrusistemelecareconinastfeldeblocurifuncionale, interconectate ntre ele i cu calculatorul,se va utiliza n continuare denumirea de Sistem de Achiziie de Date i Control (SADC). 3.3Blocurile funcionale ale unui SADC Schema bloc i funciile generale ale unui SADC sunt sintetizate n figura 3.3-1 3.3.1Conectarea dispozitivelor de I/E la calculatorul gazd OparteimportantaoricruiSADCestecalculatorulgazd(hostcomputer).Existmultetipuride dispozitive (numiteuneori module) specializate pentru achiziie de datei control, care se pot conecta la calculatorul gazdn unul dintre urmtoarele moduri: direct pe magistralele de date/adrese/comenzi ale calculatorului -conectare pe magistrala internsau PLUG-IN; prin intermediul canalelor de comunicaie seriale sau paralele - conectare pe magistrala extern.Mediul exterrn Mediul extern Traductoare Senzori Condiionare semnale Dispozitive deIntrarepentru conversie semnale n format acceptat de calculator Analiza Decizii Afiare, nregistrare Dispozitive de iEire pentru conversie date ctre proces Elemente de execuie Fig. 3.3-1 Sistem de achiziie de date i control schema bloc 3-34ncontinuare,termenulsistemvafiutilizatndiversemoduri:unsistempoateincludetotceeaceeste necesar pentru achiziie de date i control,inclusiv calculatorul gazd; de asemenea, termenul sistem poate fi utilizat i pentru descrierea unor dispozitive sau subansamble ale unui astfel de sistem, cu toate c acestea ar putea fi denumite mai corect subsisteme. 3.3.1.1Dispozitive pe magistrala intern Principalele avantaje ale conectrii directe pe magistrala calculatorului gazd (de exemplu la PC) sunt: viteza mare de achiziie i comand; costul sczut; dimensiuni mai mici. La aceste sisteme costul este mai redus pentru c nu mai este nevoie de incinte i surse de alimentare separate, alimentareafcndu-sedinsursainternacalculatoruluigazd.Vitezelemariseobindatoriteliminrii protocolului de comunicaie i a cilor de comunicaie care fac ca transmisia datelor s fie lent. Exemplu: Rata de achiziie a unui SADC folosind interfaa RS 232 la viteza de 9600 bauds este limitat la zeci de eantioane / sec. n contrast, SADC ce conin dispozitive pe magistrala intern pot achiziionasute de mii de eantioane pe secund. n figura 3.3.1.1-1se prezint schema bloc simplificat a unuisistem cu dispozitive pe magistrala intern. SADCpemagistralainternconindispozitive(module)deinterfaareceseconecteazdirectpesloturile disponibile din calculator. Mai mult, exist sisteme ce permit ca un singur modul s conecteze la calculator mai multetipuridesemnaledeI/E,nmodselectiv.Sistemelemoderneincludprocesoaredesemnalioferfuncii de achiziie, prelucrare primar a datelor, transmisii de date etc. n unele aplicaii un calculator ce dispune de suficiente resurse poate coninemodule de achiziie pe magistrala interninacelaitimppoateficonectatprincanaledecomunicaieserialesauparalelecualteSADCsau calculatoaregazd.Acelaicalculator,pecareseexecutsoftwaredebazideaplicaieadecvate,poateexecuta concurent funcii de achiziie, control, analiza datelor, grafic, etc. 3.3.1.2Dispozitive pe magistrala extern Acestea sunt de obicei echipamente inteligente, capabile s ndeplineasc sarcini de achiziie de date i control i sarcini de comunicaie. La nivel fizic, comunicaia este realizat prin interfee standardizate cablate (RS 232, RS 422, RS 485, IEEE 802.3, IEE 488 (GPIB)...) sau wireless (microunde, infrarou...)Dispozitivele inteligente pe magistrala extern sunt la rndul lor SADC-uri cu module conectate pe magistrala intern sau extern. BUS Dispozitive ADC + calculator gazd Dispozitive I/E C (PC) Proces mag. intern Fig. 3.3.1.1-1 Sistem ADC pe magistral intern 3-35Exemple de dispozitive conectate pe magistrala extern: calculatoare de proces cu UC compatibil IBM PC (cunoscute sub denumirea IPC Industrial PC); echipamentePLCsauRTUcuUCrealizatecumicrocontrollere(precumceledinfamiliaI80C51, 80C166, MOTOROLA 68000, ZILOG 180) sau microprocesoare de uz general; traductoare/senzoriielementedeexecuieinteligente,realizatecumicrocontrolleresauprocesoarede semnal. n figura 3.3.1.2-1 se prezint schema bloc a sistemelor conectate pe magistrala extern: PosibilitateadeaavealadistanSADCpermiterealizareaunorSCTRdistribuite.Reelelecare interconecteaz mai multe dispozitive pe magistrala extern i calculatoare gazd se numesc reele industriale. Pentrureeleleindustrialecablate,nliteraturadespecialitatesemaiutilizeazidenumireadefieldbus (magistrala/bus de teren). Exempludereeaindustrial:SADC-uriledinstaiiledetransformarealeuneicompaniisuntconectateprin fieldbus-uriRS485laundispeceratenergeticamplasatncldireaadministrativ.Aceastapermitecaprin intermediulunorcalculatoaregazddinreeaualocaldeladispeceratsfieefectuateactivitide monitorizare/calcule/acionare i supervizare a ntregului proces de gestiune energetic. Avantaje ale conectrii pe magistrala extern: teoretic se poate configura orice sistem, orict de mare ar fi distribuirea sa n spaiu; SADC pot fi la mare distan fa de calculatorul gazd (sute de m, km...), permind astfel amplasarea n apropierea zonei n care se gsesc senzorii i elementele de execuie; SADC degreveaz calculatorul gazd de sarcinile specifice de achiziie de date i control; SADCsepoateconectalaoricetipdecalculatorcaredispunedeinterfeedecomunicaie corespunztoare. 3.3.2Semnale din proces, traductoare i condiionarea semnalelor Deoarecesemnaleledinlumearealsuntdeofoartemarediversitate,suntnecesaredispozitivecaressimplificetratareaacestoradectredispozitiveledeconversien/dinformatnumericacceptatdectre calculator.Acestlucruserealizeazprinintermediultraductoarelor(senzori),elementelordeexecuiesi circuitelor de condiionare semnale.DispozitivI/Epemag.extern Dispozitive I/E pemag. intern C Calculator gazd RS 232 RS 422 RS 485 IEEE 488 LAN Proces Fig. 3.3.1.2-1 SADC cu dispozitive pe magistrala extern 3-36n continuare se prezint cele mai comune semnale din proces i modul n care acestea sunt prelucrate. 3.3.2.1Tipuri de semnale n general, un SADC accept 3 tipuri de semnale n tensiune: analogice; binare (numite uneori i numerice); n impulsuri. Unele traductoare ofer semnale n curent, care se convertesc n tensiune pentru a fi msurate de sistemul de achiziie. Deitoatesemnaleledinprocessuntvariabilentimp,numaiceleanalogiceimodificamplitudinea proporionalcuvaloareamrimiideintrare.Semnalelenumericeicelenimpulsurisuntsimilaredinmai mai multe puncte de vedere: ambele au amplitudine constant i sunt reprezentate prin cele 2 valori posibile, High i Low. H 2 -:-5V; L 0 -:- 0,8V. Totui,nprocespotfisemnalenumericedevalorimaimari(110V,220V)iacesteatrebuieadaptatela nivelurile TTL precizate mai sus. Distinciantresemnalelenumericeiceledeimpulsuriconstnmoduldetratareainformaieiintipuriledeinterfeeutilizate.UnuisemnalnumericataatunuiSADCiseasociazunbitlanivelul calculatorului. Deoarecesemnalele numerice i pot schimba starea cumare vitez, informaiase pstreaz static ntr-un bit sau un grup de bii, citii de pe interfa la un anumit moment de timp. n contrast, informaia n impulsuri se memoreaz sub form de numr de tranziii ale strii sau sub forma de rat de tranziie (Ex.: impulsuri / sec). Semnaleleanalogicesuntconvertitenformatcalculatorprinintermediulconvertoareloranalog-numerice (CAN). 0 5V Semnal numeric -10V +10V Semnal analogic Fig. 3.3.2.1-1 Semnale numerice vs. semnale analogice 3-37De obicei, semnalele analogice oferite de traductoare sunt: semnalele unificate n tensiune: 0 10 V; 0-:-5V; 5V; 10V. semnalele unificate n curent: 4 20 mA se lucreaz cu 0 viu(de exemplu0mA poate indica fir rupt ); 2 10 mA se lucreaz cu 0 viu; 0 20 mA; 0 10 mA; Semnaleleunificatentensiuneicurentauamplitudineasuficientdemarepentruapermiteointerpretare bun a fenomenelor. Exist totui i senzori i traductoare precum: termocuple; celule fotoelectrice; senzori piezoelectrici; senzori biomedicali, ceproducsemnalemici,deordinulmVsaumaimici.SADCtrebuiesfiecapabilsamplificeaceste semnale de nivel sczut astfel nct s le trateze cu aceeai acuratee precum trateazsemnalele unificate. 3.3.2.2Traductoare i senzori Indiferent de fenomenele urmrite sau de dispozitivele controlate, traductoarele joac un rol vital n SADC. Traductorul asigur conexiunea ntre lumea real i cea electric. Semnaleledeintraredinlumearealpotreprezentatemperaturi,debite,deplasri,fore,vitezeetc. Semnalele de ieire spre lumea real pot controla valve, relee, vane, lmpi, motoare etc. Semnalele produse de traductoare sunt cel mai adesea sub form de tensiune, curent, rezisten sau capacitate. Indiferent de tipul semnalelor produse de traductoare, prin procesul de adaptare (condiionare) a semnalelor, ele vor fi convertite n semnale de tensiune deoarece, dup cum se va vedea ulterior, intrrile n SADC sunt intrri n tensiune. 3.3.2.2.1Exemple de traductoare Termocupluri (TC) Acestea sunt cele mai utilizate pentru msurarea temperaturii. Un TC este o jonciune ntre 2 metale diferite. AceastaproduceotensiuneelectromotoareproporionalcutemperaturajonciuniiefectulSeebecksau efectul termoelectric. Pot fi msurate temperaturi de la 200 C la 4000 C. Tensiunea de ieire a unui TC este n mod uzual, ntre 10mV i +50mVi are osensibilitatemedie de 10 pn la 50V/ C nfuncie de termocuplulutilizat. ExistmaimultetipurideTCceutilizeazomarevarietatedemetale.Urmtoareletipurisuntcelemai utilizate: 3-38Tip J combinaie Fe C(Fier Constantan) Tip K combinaie Ch A l (Crom Aluminiu) Tip T combinaie Cu C (Cupru Constantan) TCaupresczutivolummic,cuprecizielimitat,ngeneralngama13%indiferentdematerialsau moduldeutilizare.Timpulderspunsestedeordinulactorvasecundeiestenecesarcompensarea fenomenelor de neliniaritate i de jonciuni multiple. Legeajonciunii-jonciuneaunuiTCgenereazotensiuneelectromotoareproporionalcutemperatura (efectul Seebeck): K= coeficient Seebeck definit pe o jonciune particular metal metal t = temperatura exprimat nC AceasttensiunenusepoatemsuradirectpentrucatuncicndseconecteazunTClaundispozitivde msur conexiunile ce se fac ntre aparatul de msur i traductor creeaz un nou circuit termoelectric. Ex.: - s conectm un voltmetru la un TC tip T (Cu C) (figura3.3.2.2.1-1) Ji =jonciunea i, i = [1,3]. Pentrudeterminareatemperaturii,sedoretemsurareatensiuniiV1 nJ1(careesteamplasatnmediula cruitemperaturtrebuiemsurat).Dar,princonectareavoltmetruluis-auformatnc2jonciuniJ2 iJ3. Jonciunea J3 este o jonciune Cu Cu i nu se creeaz o tensiune termoelectromotoare V3 = 0. J2 este o jonciune Cu C tensiunea V2 opus ca semn tensiunii V1 (pentru c avem Cu-C inuC-Cu). Ca rezultat pe voltmetru se va citi o tensiune Vv proporional cu diferena temperaturilor din punctele J1 i J2. PrinurmarenuputemcunoatetemperaturanJ1 frcanprealabilscunoatemtemperatura dinJ2. O modalitate este aceea de a pune J2 ntr-o baie de ghea fornd temperatura la 0C. Aceasta definete pe J2 ca pe o jonciune de referin, putnd astfel considera t2 ca o temperatur de referin tref . Vv = V1 Vref= K(t1 tref) (2) DenotatcVref 0VpentrucrelaiaSeebecksebazeazpescaraKelvin(zeroabsolut).Deasemenea coeficientulKdepindeieldetemperatur.ExisttabelecareconinnunumaiVref laoricetemperaturci chiar Vv cnd tref=0C. TCCu-Cesteuncazspecialpentrucunuldintrefire,celdeCu,estedinacelaimetalcubornele voltmetrului (Cu). S considerm un caz mai general utiliznd un TC Fe-C J3 devine jonciune Cu-Fe. Se poateartacdacjonciuneaCu-FeiCu-Csuntlaaceeaitemperatur,rezultantadetensiuneeste echivalentcuauneisingurejonciuniFe-C.Aceastanepermitesutilizmrelaia(2)pentrucaambele V=K(t)(1) Voltmetru Cu Cu J3Cu J2Constantan J1 V1 Fig. 3.3.2.2.1-1 Msurarea temperaturii cu un termocuplu 3-39jonciuni sunt din acelai material (Fe-C n acest caz). Este important ca ambele jonciuni parazite s fie la aceeai temperatur de referin. Revenind la (2) trebuie artat c tref trebuie cunoscut cu precizie pentru calculul lui t1. Se pot utiliza n acest scop alte dispozitive de msurare ale temperaturii precum: termistoare; senzori semiconductori; termorezistente. Aadar, sub controlul unui calculator operaiile de msurare a unui TC devin: 1.msurarealuitrefideterminarea(dintabele)atensiuniiechivalenteVrefaTCpentrujonciunea parazit; 2.msurareaVv i determinarea V1 (scznd Vref din Vv); 3.conversia tensiunii V1 n temperatura cutat t1. Aceastprocedurestecunoscutsubnumeledecompensareadejonciune.Sepuneproblemadecese utilizeazTCcenecesitcompensareadejonciunentimpceexistdispozitivecarenunecesit compensare? Rspunsul este: 1.TC pot fi utilizate pentru msurarea unui interval mare de temperaturi 2.Existaavantajeconstructive,TCputndficonstruitladimensiuniledorite,fieprinsudare,fieprin ncapsulare, pentru protecie folosindu-se diverse tipuri de nveliuri (teci, carcase, etc). La alegerea unui TC se va ine cont de urmtorii factori: pre; precizie; posibiliti de msurare. Exemplu:Tip J Pre sczut Sensibilitate mare Precizie moderat (nu pot fi utilizate peste 760 C pentru c se decalibreaz) Tip K pre moderat; sensibilitate moderat; precizie sczut i domeniul de msur ridicat (pot s msoare max. 1370 C). Tip T pre moderat; sensibilitate moderat; precizie nalt (utilizat pentru msurarea temperaturilor sczute). 3-40ToateTCpotfiutilizatepebazaunorcurbesautabelestandardpublicatencataloagencareexist coresponden ntre temperatur i tensiunea electromotoare generat. Termistoare Termistorul este un dispozitiv din oxid metalic sau semiconductor ce i modific rezistena cu temperatura. Areuncoeficientdetemperaturnegativceajungela-4:--8%/C.Existitermistoarecucoeficient pozitivdetemperatur.Coeficientuldetemperaturfiinddecteva%peC,faceposibilsesizareaunor variaiimicidetemperatur(0,01C)fadealtedispozitive.Preciziatermistoarelorestede10orimai buncaTC,variindntre+/-0.1C.DimensiunilemiciiRnominalmareconstituieavantajesemnificative pentru termistoare. Sunt confecionate din amestec de Ni, Mn, Co, Fe, Mg, Ti,etc, sintetizate la temperaturi de 1000 C, se ncapsuleaz n plastic, metal sau sticl. Sepotfacemsurtorinintervalul100+300C.Pelngintervalullimitatdemsuraretrebuiemare atenie n montarea i mnuirea lor, deoarece sunt foarte fragile.Termorezistente metalice (RTD) Ca i termistoarele RTD se bazeaz pe variaia rezistenei cu temperatura. Pentru confecionare se utilizeaz Pt, Ni, Wo, Cu, Rd, Ag, etc. Exemplu: Pt100 RTD platin 100 (100 este rezistena firului n ohmi) Intervalul util de temperatur pentru RTD cu Pt este 180 C + 680 C. Defaptplatinaesteceamaiutilizat.RTDauuncoeficientdetemperaturpozitiviprezintoanumit neliniaritate. Pentru acurateeamsurtoriise pot aplica corecii. (ex.: polinoame degradul 3 pornind de la tabele de corecie). Termorezistenele sunt construite fie cu fir metalic fie cu pelicul. Cele cu pelicul ofer un trspuns mic, pre sczut i o valoare mare a rezistenei, ns fa de cele cu fir metalic sunt mai puin stabile n timp. ConstruciaRTDdepindededestinaialor.Seutilizeaznspecialnfluideconductoare(ap,ulei).Cele mai multe termorezistene cu Pt au 100 sau 200 ohmi. RTD cu pelicul Pt 100 sunt cele mai larg rspndite. Acestea au sensibilitate de 0,4 ohmi / C i pot fi utilizate la msurtori ntre -180C 1000C cu precizie de 0,1 1 C, dar la unele traductoare speciale se poate ajunge pn la 0,01 C. Sunt interschimbabile i au timp de rspuns relativ mic. Senzori de temperatur jonciune semiconductor Semainumescisenzoricusiliciu(Si).Esteformatdintr-uncircuitelectroniccareexploateaz comportamentuljonctiuniiactivesemiconductoarelavariatiatemperaturii.Existjonciunicuieirin curent sau tensiune. n ambele cazuri ieirile sunt direct proporionale cu temperatura. Ieirea liniar este de nivelrelativnalt,ceeacefaceinterpretareafoarteuoar.Celemaicunoscutetipurigenereaz1A/K(298A la 25C). Acesta poate fi convertit extern ntr-o tensiune utiliznd o rezisten cunoscut.Dispozitivele semiconductoare se utilizeaz pentru msurarea temperaturii n intervalul -50C +150 C. Precizii de 0,5 C sunt comune, dar se pot obine i precizii de 0,1 C. Traductoare de presiune, for, deformare, poziie, deplasare, nivel Dei fiecare din aceti senzori sunt bazai pe principii diferite, semnalele lor de ieire sunt tensiuni, cureni, impedane. Aceste semnale se convertesc direct sau indirect n niveluri de tensiune analogice. Traductoarele de presiune: - se mpart n 3 categorii: 3-41pentru msurarea vacuumului (vidului); pentru msurarea presiunii medii; pentru msurarea presiunii mari. Vacuummetrele traductoare cu ionizare care pot fi: pentru presiuni medii traductoare tensometrice, inductive, capacitive sau piezoelectrice; pentru presiuni mari traductoare de presiune cu manganin. Traductoareledeforpotfimrcitensometrice,traductoarepiezoelectrice(bazatepeefectul piezoelectric al cristalului de cuartz aplicarea unei fore genereaz o tensiune electric proporional cu aceasta). Msurarea deformaiei se face cu traductoare rezistive. Msurarea deplasrii se face cu traductoare rezistive, capacitive sau inductive. Msurarea nivelului se face cu traductoare rezistive, capacitive, etc. 3.3.3Condiionarea semnalelor Aacums-aartatanteriortraductorulesteconsideratcasursdesemnalcareestetrecutprintr-ointerfade condiionareasemnalelor,amplasatntretraductorisistemuldeachiziiedateicontrol.Deoarece condiionarea semnalelor are efect asupra calitii semnalului de intrare, performanele sistemului pot fi n mare msur influenate de tipul condiionrii utilizate. Condiionarea semnalelor include: conversii curent tensiune; scalri; filtrri; izolri; amplificri. Fizic,moduleledecondiionarepotfiinstalatendiverselocuri,inclusivlngsursadesemnal,pepanourispeciale de borne sau pe modulul de achiziie de date. Ceamaiuzualiconvenabilesteinstalareanpanoudeborne.Pentrudiverseaplicaiisuntnecesarefie condiionri active, fie condiionri pasive ale semnalelor. Toate panourile de borne se conecteaz la proces prin intermediulunorregletedesemnal.Panourilepasiveconinschemecomunecurezistene,inductane, condensatoare, diode. Cu acestea se pot configura divizoare de tensiune, filtre, protecii la supratensiune. Exist de asemenea, elemente active pentru filtrare, amplificri diferenialeprogramabile, compensri, izolri, etc. Pentru cuplarea panourilor de borne la SADC se utilizeaz cabluri ecranate, torsadate sau cabluri panglic. Sunt prezentate n continuare tipurile de condiionri cel mai des ntlnite. 3.3.3.1Circuit tampon de intrare 3-42Caracteristiciledeintrare(curentbias,impedan,tensiuneadeoffset,lrgimeadebandetc.)SADCimplic anumite limitri referitoare la plaja semnalelor care pot fi msurate cu acuratee. Unele traductoare (exemplu: de pH, piezoelectrice etc.) au o impedan de ieire foarte mare. Conectarea acestora direct la SADC (care n mod normal are o impedan de intrare moderat) poate s duc la erori de msurare. La aceste tipuri de semnale se intercaleaz ntre traductor i SADC un amplificator operaional cu impedan de intrare mare, cu rol de circuit tampon ntre semnal i dispozitivul de msurare. 3.3.3.2Conversia curent tensiune Semnaleledeieirealesenzorilorsuntadeseancurentde420mA.naintedeaintranSADCacestease convertesc n tensiune printr-unrezistor. Se utilizeaz R=250 sau 500 ohmi pentru a se face conversia n 1 5 V sau 2 10 V. Important este nu valoarea rezistenei ci stabilitatea acesteia (cu temperatura n special).Tehnica ce utilizeaz numai rezistene pentru a face conversia curent tensiune are limitri. Dac de exemplu se dorete utilizarea unui curent de 1uA, este necesar o rezisten de aproximativ 5 Mohmi. n acest caz apar ns Vout - + + OPA 104 R1* * R1 pn la 109ohmi Fig. 3.3.3.1-1 Circuit tampon de intrare + Vout 250 ohmi Tin Fig. 3.3.3.2-1 Conversia curent-tensiune (4-20mA) Vout=-Iin*R1 - + + OPA 111 R1 Fig. 3.3.3.2-2 Conversie curent-tensiune pentru cureni foarte miciIin -> 3-43erorifoartemaridatoratezgomotuluiincrcriisistemuluidemsurare.EtajeledeintrarenSADCconin dispozitiveelectronicecarecreeazcurenimicidarfinii(curenidepolarizare=bias).Aceticurenisunt absorbiidesursadesemnal.Deasemenea,eisuntdebitaiprinrezistenadeconversiecurenttensiune afectnd semnalul ce vine din proces. Acestea suntmotivele pentru care pentrumsurare nu semai folosete o singur rezisten, ci o schem inversoare cu AO. Cu astfel de scheme pot fi msurai cureni ncepnd de la 10 pA. 3.3.3.3Scalarea semnalelor analogice nmod obinuitintrrile CAN sunt la 0 10 V; 0-5V;+/-5 V; +/-10 V. Dac semnalulde intrare estemaimic dect 1 V, rezoluia i precizia sunt afectate. n aceste situaii, este bine s se amplifice semnalul naintea CAN. nfunciedecaracterulsemnalului,nmoduzualseutilizeazamplificri(gain)de2,4,8,16,100i1000. Multe dintre circuitele ce nglobeaz CAN au amplificatoare ncorporate. n alte situaii este necesar s se msoare semnale de intrare de 12, 48 sau 100 V. Pentru a aduce aceste semnale n domeniul de intrare al SADC se utilizeaz divizoare de tensiune. ncazuldivizoareloresteimportantmoduldeselectarearezistoarelorR1iR2.AlegerealuiR1marepoate introducelimitridelimidebandasemnaluluidatoritfiltruluitrecejosprodusdeR1ideocapacitate parazitCpnparalelcuR2.LimeabenziipoatefiextinsintroducnduncondensatorCsnparalelcuR1. Valoarea sa trebuie selectat astfel nct R1Cs = R2Cp. n plus ecuaia presupune ca impedana sursei de semnal s fie mic n comparaie cu R1 + R2, iar R1 i R2 ct mai mari posibil.3.3.3.4Filtrarea Arecascopeliminareadinmrimeamsuratazgomotelorcareonsoescicaresuntperiodicesau neperiodice. Zgomotele provin de obicei din: induciasemnalelordefrecvenindustrial(50Hz,60Hz,300Hz)caurmareauneivecintintre cablul de for i cel de msur; inducia unor impulsuri provenite din regimuri tranzitorii pe cabluri de for. Ometoddefiltrareestemediereadatelorachiziionate,carecreteraportuldintresemnalizgomot. Datorit vitezei i facilitilor oferite de SADC moderne, medierea este uor de implementat. Medierea este cea mai eficient pentru reducerea zgomotelor aleatoare periodice (50Hz, 60Hz, etc). Toatetehniciledefiltrare,fiecsuntsoftware,fiecsunthardware,suntcreatesfiltrezeuneletipuride zgomote specifice. Firmele de specialitate ofer module de condiionare a semnalelor prevzute cu diverse tipuri de filtre. Cele mai comune tipuri sunt reprezentate prinfiltre pasive cu 1 i 2 poli , ca n figura 3.3.3.4-1: R1 + Vout R2 Vout = Vin * R 2 / (R 1 + R 2)Vin Fig. 3.3.3.3-1Divizor de tensiune pentru a reduce semnalale de intrare sub 10V 3-44 Figura B este un exemplu de circuit bipolar de filtrare pentru mod comun care atenueaz zgomote de 60-80 Hz. Figura 3.3.3.4-2 sugereaz un filtru trece jos diferenial cu 2 poli. * reprezint rezistenele de retur pentru curenii de polarizare (bias) ai amplificatoarelor din SADC. Rezistenele i condensatoarele pentru filtrul prezentattrebuie alese cu atenie, orice neadaptare a atenurii putnd aduce la degradarea rejeciei de mod comun a sistemului. SADCutilizeaztehnicideeantionareadatelor,ceeacenseamnc,deisemnaleledeintraresunt continue,citirealordectreSADCnuestecontinu(existgap-urintreeantioane).Larefacerea semnalelorsefacunelepresupuneriasupradatelorcareexistntrepunctelecunoscute.Deobiceise foloseteinterpolarealiniar,caretraseazliniidreptentrepuncteledate(cunoscute).Dacinterpolarea liniar nu este suficient de precis, se recurge n mod logic la creterea ratei de eantionare care are ca efect micorarea gap-urilor dintre eantioane prin adugarea de date citite. Nyquist a fundamentat foarte solid din punctdevedereteoreticaspectelelegatedeeantionareadatelor.ntermenisimpli,criteriulluiNyquist referitor la eantionare se formuleaz astfel: C R C R * C R C R * Semnal intrare Spre SADC Fig. 3.3.3.4-2 Filtru trece jos cu 2 poli diferenial + C1 R1 + C1 2,7F R1 C2 2,7F R2 A B Fig. 3.3.3.4-1 Filtru trece jos cu 1 (A) sau 2 (B) poli 10K 10K 3-45Dacunsemnalcontinuucubandalimitatdefrecvennuconinecomponentedefrecvenmaimare dect o frecven maxim specificat, semnalul original poa