Zařízení pro virtuální instrumentaci

Virtuální instrumentace

Cílem virtuální instrumentace je dočasná nebo i trvalá náhrada prostorově, finančně a časově náročného využití hardwarových prostředků, řešením s virtuálním (zdánlivým), tj. za přispění SW prostředků. Tato náhrada s sebou také přináší rychlý návrh nových aplikací a provádění změn v konfiguraci.

Virtuální instrumentace také přináší zvýšení produktivity a snížení nákladů spojené s testováním, řízením a návrhem aplikací, využitím osobních počítačů za pomoci uživatelsky přívětivého („user friendly“) programového prostředí spolu s modulárním a řídícím hardwarem.

Příslušné hardwarové a softwarové prostředky tak transformuje běžný osobní počítač na uživatelsky definovaný měřicí či řídicí systém.

Počítačový sběr dat – DAQ

Zkratka DAQ - Data Acquisition obecně znamená sběr dat.

Obr. 1: Součásti řetězce pro sběr dat

Měřená data mohou být ve formě analogové (spojité) nebo binární (nespojité) hodnoty. Signál je přitom třeba v závislosti na typu senzoru upravit (Signal Conditioning) a převést na digitální podobu použitím A/D převodníku. Tento proces zajišťuje DAQ Device. Data jsou dále přiváděna do PC, kde probíhá jejich zpracování příslušnou aplikací.

Při sběru dat je nutné počítat s několika faktory ovlivňujícími konečné výsledky měření:

• architektura vstupů karty – multimlexované vstupy nebo simultální vzorkování

• vzorkovací frekvence – nutno dodržet vzorkovací teorém (Nyquistův, Shannonův, Kotělnikovův)

• rozlišení – kolika bitový A/D převodník je pro seriózní výsledky nutno použít

• rozsah měření

 

Volba hardwarového vybavení

Je tedy zřejmé, že nejen vlastní parametry zařízení ovlivňují výsledky, ale také obsluha někdy bývá zdrojem nečekaných výstupů, ať už se jedná o sběr a zpracování dat, ale také např. při řízení procesů.

Protože hardwarové prostředky DAQ umožňují připojit celou řadu senzorů, je nezbytné věnovat dostatečnou pozornost nastavení portů.

Jaké otázky si tedy před pořízením hardwaru položit, abychom získali použitelná data a návratnost investic?

• Jaké typy senzorů budeme používat? - termočlánky, RTD, tenzometry, …

• Kolik kanálů budeme potřebovat? - rozsáhlost měření

• S jakou přesností a rozlišením budeme chtít měřit? - vzorkovací frekvence a rozlišení ADC

• Budeme měřit mimo laboratoř? - přenosné počítače - USB, pro PC - PCI, PCI Expresse

• Budeme chtít v budoucnu systém rozšířit? - modulární měřící systém, samostatná karta

Zařízení DAQ a PAC

Provedení měřících, resp. řídících systémů je značně různorodé. Mezi nejlevnější (low-cost), avšak pro běžná měření postačující, patří přenosné provedení s možností připojení k PC pomocí USB portu.

Obr. 2: USB měřící karta – firma National Instruments

Pokud má měřící, resp. řídicí systém pracovat pouze na trvalém pracovišti, je možné využít řešení s komunikační sběrnicí PCI nebo PCIe. U těchto karet je možné dosáhnout vyšší datové propustnosti než při použití USB.

Obr. 3: PCI měřící karta – firma National Instruments

Podobně jako u PLC i u těchto systémů se setkáváme s modulární koncepcí. Příkladem může být systém CompactDAQ, jež umožňuje rychlou a snadnou konfiguraci podle aktuálních potřeb. Jednotlivé karty jsou jednoduše zasunuty do několika pozicového šasi.

Obr. 4: Modulární koncepce – firma National Instruments

Systémy umožňující virtuální instrumentaci nemusí nutně sloužit jen ke sběru dat. Pro řízení procesů se potom využívá programovatelných řídicích kontrolerů označovaných zkratkou PAC - Programmable Automation Controller. Ty kombinují odolnost programovatelného automatu (Programmable Logic Controller, PLC) s funkcí počítače s otevřenou, flexibilní softwarovou architekturou.

Umožňují pokročilé řízení, komunikaci, zápis dat a zpracování signálu, řízení pohybu, řízení procesu nebo zpracování obrazu.

Obr. 5: Modulární koncepce systému PAC– firma National Instruments

 

Zdroje

Obrázky

• Obr. 1: National Instruments. Součásti řetězce pro sběr dat [online]. [cit. 2014-6-2]. Dostupný na www: http://www.ni.com/images/features/us/111201_fg_daq_info_graphic.jpg.
• Obr. 2: National Instruments. USB měřící karta – firma National Instruments [online]. [cit. 2014-6-10]. Dostupný na www: http://sine.ni.com/images/products/us/ni-9234_l.jpg.
• Obr. 3: National Instruments. PCI měřící karta – firma National Instruments [online]. [cit. 2014-6-10]. Dostupný na www: http://sine.ni.com/images/products/us/041001_pci6518_l.jpg.
• Obr. 4: National Instruments. Modulární koncepce – firma National Instruments [online]. [cit. 2014-6-10]. Dostupný na www: http://www.ni.com/cms/images/devzone/tut/Stand_alone_DAQ.jpg.
• Obr. 5: National Instruments. Modulární koncepce – firma National Instruments [online]. [cit. 2014-6-10]. Dostupný na www: http://www.ni.com/images/pac/us/pac_cfp_feature.jpg.
• Obr. 6: Archiv autora