13. fejezet - Számítógépes mérésadatgyűjtés és beavatkozás

Tartalom
13.1. A számítógépes mérésadatgyűjtő / feldolgozó rendszer felépítése
13.2. Logikai (digitális) jelek
13.2.1. Digitális bemenetek
13.2.1.1. TTL bemenet
13.2.1.2. Relés érintkező bemenet
13.2.1.3. Digitális bemenet fotodióda segítségével
13.2.1.4. CMOS áramköri bemenetek
13.2.2. Digitális kimenetek
13.2.2.1. TTL kimenetek
13.2.2.2. Három állapotú kimenetek (Three State)
13.2.2.3. Relés kimenet
13.2.2.4. Félvezetős kimenet (Solid State Relay)
13.2.2.5. CMOS áramköri kimenetek
13.3. Analóg jelek
13.4. Analóg be/kimeneti jelek
13.4.1. Analóg jel / Egyenfeszültségű jel
13.4.2. Analóg jel / Időfüggvény
13.4.3. Frekvenciafüggvény
13.5. Időzítés mérése
Irodalmak

13.1. A számítógépes mérésadatgyűjtő / feldolgozó rendszer felépítése

A számítógépes irányítás blokkdiagramja
13.1. ábra - A számítógépes irányítás blokkdiagramja


A számítógépes mérés adatgyűjtés és feldolgozás előnyei:

  • Digitális (mintavételes) átalakítók alkalmazásával az analóg jeleket digitálisan kódolt információvá (jellé) alakítjuk át.

  • Digitálisan kódolt jelek tárolása, (digitális) szűrése és a jeltovábbítás egyszerűbben valósítható meg, mint az analóg jeleknél.

  • A mintavételes rendszerek tervezése funkcionális modulok segítségével történik.

  • Intelligens szabályozók alkalmazhatók (adaptív szabályozás, fuzzy szabályozás, vagy pl. az alapjel súlyozású anti-windup szabályozás, ami egy speciális tulajdonságú (telítésgátolt) PID szabályzó).

  • Egyszerre több berendezést lehet működtetni egy mintavételes irányító rendszerrel, illetve egy rendszer több digitális számítógépből állhat.

  • A mintavételes irányító rendszerben különböző mintavételi sebességek alkalmazhatók.

A számítógépes mérés adatgyűjtés és feldolgozás hátrányai:

  • A mintavételes rendszer tervezéséhez matematikai analízis szükséges, amely néha nagyon komplex és bonyolult, összehasonlítva a folytonos rendszerek tervezésénél alkalmazott módszerekkel.

  • A mintavételes rendszerek stabilitás vizsgálata részletes hatás analízist és behangolást igényel, mint minden más szabályozási rendszeré.

  • A mintavételezéssel a kezelt jelek információ tartalma csökken.

  • Az alkalmazott algoritmusból vagy zajokból eredő programhibák befolyásolhatják a mérőrendszer helyes működését.

  • A mintavételezés információ késleltetést visz be a mérő körbe.

  • A mintavételes (digitális) berendezések működtetéséhez mindig szükséges külső energiaforrás alkalmazása.

Mindezen hátrányok mellett a digitális mérés és irányítástechnika egyre jobban kiszorítja az analóg elven működő méréstechnikát.

Egyedül a nagyfrekvenciás GHz tartományú méréseknél alkalmaznak ma is még analóg működésű mérő és beavatkozó berendezéseket a számítástechnikai rendszerek korlátozott számítási feldolgozási kapacitása miatt.

Áramköri megvalósítások (analóg áramkörök helyett) digitális mérő/irányító rendszereket illetve programozható digitális áramköröket FPGA-t (FPGA = Field Programable Gate Array) alkalmazhatunk, amelyek minden felmerülő feladatot képesek megoldani.

Digitális információ továbbítás, pl. hang/kép továbbítás (pontosság, zavarérzé-ketlenség).

Számítógépes hálózatok az információ forgalom szupersztrádái. Jeltovábbítás az Internet segítségével tetszőleges helyről tetszőleges helyre.

Az alkalmazott analízis és szintézis technikák

  • Idő tartományban:

  • Lineáris differenciál/differencia egyenlet megoldási eljárások

  • Impulzus válasz analízis

  • Állapotváltozós alakban történő analízis

Frekvencia tartományban:

  • Fourier transzformáció (frekvencia tartomány)

  • Gyökhely görbe (pólusok és zérusok analízise)

  • Frekvencia válasz analízis (impulzus-átviteli függvény)

  • Z transzformáció (mintavételes jelek elemzése)

  • Tervezés állapotváltozós alakban (s tartományban; z tartományban)

Megjegyzendő, hogy minden vizsgálati módszer egy

DSP (= Digital Signal Processing = Digitális Jelfolyamat Kezelés ) eljárást modellez.

A DSP-t „Digitális Jelfeldolgozásnak” nevezik a magyar szakirodalomban.

Egyéb tudományok, amelyek szerepet játszanak a mintavételes irányítástechnika alkalmazásában, mint

  • differenciál és differencia egyenletek,

  • klasszikus szabályozás elmélet,

  • numerikus analízis,

  • végeselem analízis,

  • mintavételes szabályozás elmélet,

  • számítógépes rendszer felépítése,

  • digitális integrált áramkörök működése,

  • jelátalakítók (senzorok és aktuátorok),

  • információs struktúrák (adatelemek felépítése, nagy mennyiségű adat tárolása),

  • irányítási algoritmus tervezés,

  • digitális jel processzálás,

  • program tervezés,

  • ellenőrző programok (önteszt).

Az irányítási feladatra alkalmazott jelátalakítási és transzformációs egységek és eljárások
13.2. ábra - Az irányítási feladatra alkalmazott jelátalakítási és transzformációs egységek és eljárások


Az mérő/feldolgozó rendszereknél jelek bejuttatása a számítógépbe és a számított értékek eljuttatása a berendezésekhez a legfontosabb feladat.

A következőkben röviden áttekintjük a számítógépbe beolvasott és abból kiadott jelek típusait. A jelek tulajdonságainak és mérésének lehetőségei az ezt követő fejezetekben jelennek meg részletesen.

13.2. Logikai (digitális) jelek

13.1. táblázat - Logikai (digitális) jelek

Jeltípus

Ábra

Logikai bemeneti és kimeneti jelek

A logikai jelek aktuális időpillanatbeli állapota az információ.

Logikai pulzushordozók

A logikai jelek állapotváltozása, mint esemény a jelből meghatározott információ.


A digitális jel szabályozástechnikai alkalmazása
13.3. ábra - A digitális jel szabályozástechnikai alkalmazása


13.2.1. Digitális bemenetek

13.2.1.1. TTL bemenet

Nem biztosít galvanikus elválasztást!

A galvanikus elválasztás azt jelenti, hogy a vezérlő bemenet és a vezérelt kimenet között nincs vezetékes (galvanikus) kapcsolat.

Digitális TTL logikai szint értékek
13.4. ábra - Digitális TTL logikai szint értékek


A TTL melynek jelentése tranzisztor-tranzisztor-logika (TTL = Transistor Transistor Logic) a logikai eszköz bementi és kimeneti elektronikus elemének típusát írja le. A kis feszültségszintű tápellátás (5 Volt) mellett jó zajelnyomással rendelkezik, ennek alapján világszabvánnyá vált a logikai áramkörök területén.

Jelölések:

  • OL = Kimenet logikai hamis értéke (Output Low)

  • OH = Kimenet logikai igaz értéke (Output High)

  • IL = Bemenet logikai hamis értéke (Input Low)

  • IH = Bemenet logikai hamis értéke (Input High)

A TTL kimenetekáram és feszültség specifikációi a következők:

  • VOL = 0.4 V

  • VOH = 2.4 V

  • IOL = 16 mA

  • IOH = 400 µA

A TTL bemenetekáram és feszültség specifikációi a következők:

  • VIL = 0.8 V

  • VIH = 2.0 V

  • IIL = 1.6 mA

  • IIH = 40 µA

A maximum emelkedési/esési időtartam 50 ns a VIL és VIH között. (fmax = 20 MHz)

Digitális kimenet/bemenet TTL logikai szint értékek
13.5. ábra - Digitális kimenet/bemenet TTL logikai szint értékek


Megjegyzés: A kimeneti áram értékek a kimeneti feszültségszintek megtartása mellett 10 darab TTL bemenet kapcsolódására alkalmasak.

13.2.1.2. Relés érintkező bemenet

Galvanikus elválasztást biztosít!

Relés digitális bemenet
13.6. ábra - Relés digitális bemenet


Az áramkör jelszint transzformációt (is) végez tetszőleges szintű bemeneti logikai értékről TTL szintű logikai értékre.

A késleltetés több komponensből tevődik össze

a villamos rendszer késletetése a relé tekercs induktivitásán kialakuló áram késleltetése

a relé és a kapcsolódó rugók mechanikai mozgatásához szükséges időtartam, amely a geometria méretektől (is) függ.

A relék késleltetése 10-100 msec.

Hátrányuk még a nagy (működtető) teljesítmény igény, amely a relék működtető tekercsei áramfelvételéből ered.

13.2.1.3. Digitális bemenet fotodióda segítségével

Galvanikus elválasztást biztosít!

Digitális bemenet fotodióda segítségével
13.7. ábra - Digitális bemenet fotodióda segítségével


A logikai jelek galvanikus elszigetelését (elválasztását) napjainkban foto-dióda- foto-tranzisztor páros segítségével biztosítják, amely optikai elven valósítja meg a bemeneti és a kimeneti oldal villamos elszigetelését. Az eszköz kis méretű, nem tartalmaz mozgó alkatrészt, nincs karbantartás igénye és kis teljesítmény szükséges a működtetéséhez. A kapcsolási idő, amely a bemenő és a kimenő jel közötti késleltetés nano secundum (ns) nagyságrendű.

Az eszközt a galvanikus elválasztás mellett gyakran alkalmazzák elfordulás (elmozdulás), érzékelőként, amelyre példát a (13.8. ábra) ábrán láthatunk. Itt a fotodiódát és a foto-tranzisztort úgy helyezik el egymáshoz képest, hogy közöttük egy megszakító elem biztosítja/megszünteti a fény útját a két elem között. Ezzel biztosítható, hogy a kódtárcsán elhelyezett rések elmozdulását érzékeljük, és villamos jellé alakítsuk át. A kimeneten megjelenő impulzus sorozatot egy impulzusszámláló áramkör segítségével közvetlenül elmozdulássá tudjuk átalakítani.

Digitális bementi pozicionáló eszköz
13.8. ábra - Digitális bementi pozicionáló eszköz


13.2.1.4. CMOS áramköri bemenetek

Galvanikus elválasztást biztosít!

Digitális CMOS bemenet kapcsolása
13.9. ábra - Digitális CMOS bemenet kapcsolása


A (13.9. ábra) ábrán látható CMOS elemekből felépített logikai jel elválasztó kapcsolás előnyei, hogy

galvanikus elválasztást biztosít a bemeneti és a kimeneti áramkör között

a bementi jel logikai szintjét –amely így eltérő lehet a TTL jelszintektől – TTL szintű jellé alakítja át

a két MOS tranzisztor közül az egyik mindig zárt a másik pedig mindig nyitott a két logiai szint értéknél, ezért az eszközön nagyon kicsiny áram folyik át, amely nanoAmper – pikoAmper nagyságú, ezért az eszköz működtetéséhez nagyon kis teljesítmény szükséges.

MOS tranzisztor felépítése
13.10. ábra - MOS tranzisztor felépítése


Növekményes és kiürítéses típusú FET tranzisztorok.

Az eszközben alkalmazott MOS tranzisztor típusok működési elve biztosítja, hogy ugyanazon logikai jelszint értéknél az egyik tranzisztor nyitott a másik pedig zárt állapotban legyen.

13.2.2. Digitális kimenetek

13.2.2.1. TTL kimenetek

Nem biztosít galvanikus elválasztást! (Standard 2 állapotúak)

Digitális kimenet TTL logikai szint értékek
13.11. ábra - Digitális kimenet TTL logikai szint értékek


Egy TTL kimenet a hozzá kapcsolt TTL bemenet logikai magas/igaz (High, True) állapotban tartásához nem igényel csak minimális mikroAmper nagyságú kimeneti áramot.

Jóval nagyobb viszont a TTL kimenet áramkibocsájtása, ha a logikai szintet logikai alacsony/hamis (Low, False) értékre kell beállítania. A TTL kimenethez kapcsolt TTL bementek mindegyike ~1,6 mA áramot igényel az alacsony (hamis) logikai szint megtartásához, így a TTL szabvány szerinti ~16-24 mA maximális áram kibocsájtására alkalmas logikai kimenethez véges számú TTL logikai bemenet kapcsolható.

13.2.2.2. Három állapotú kimenetek (Three State)

Nem biztosít galvanikus elválasztást! )

Ezek a logikai jelkimeneti eszközök egy további engedélyező jel segítségével a két logikai szint értéken kívül egy „harmadik állapotba” is képesek beállítani az eszköz kimentét. Ez a kimeneti állapot a nem aktív állapot , amely sem logikai alacsony, sem pedig logikai magas értékű, hanem a kimenetet szabadon hagyja ”elhúzni” egy másik kimenet által rákényszerített értékre.

A kimenet „elhúzhatósága” azt jelenti, hogy az inaktív elem kimenete úgy viselkedik, mintha egy nagy értékű ellenállással kapcsolódna a korábban általa vezérelt vezetékre, így biztosítja, hogy a vezeték arra a logikai szint értékre állhasson be, amelyet egy másik (aktív) elem kimenete rákényszerít.

Ezzel a villamos logikai elemmel úgynevezett busz áramkört hozhatunk létre, amelynél ugyanazt a villamos vezetéket időben egymás után különböző eszközök közötti logikai jeltovábbításra alkalmazhatunk. Az adott vezeték logikai jelszintjének értékét mindig csak egyetlen eszköz állíthatja be, amelyet az eszközök címzési technikájával választunk ki – ez a beszélő (talker) kimenet. A többi ugyanerre a vezetékre csatlakozó kimenet a harmadik állapotban (tree state) van, ami azt jelenti, hogy nem befolyásolják a vezeték állapotát saját kimeneti értékükkel, mert úgynevezett nagy impedanciás kimeneti állapotban szabadon „elhúzhatók”, az aktív kimenet által rájuk kényszerített értékre.

Digitális kimenet három logikai szint értékkel
13.12. ábra - Digitális kimenet három logikai szint értékkel


13.2.2.3. Relés kimenet

Galvanikus elválasztást biztosít!

Relés digitális kimenet
13.13. ábra - Relés digitális kimenet


A relés kimeneteket elsősorban nagyobb teljesítmény kapcsolásának megvalósításához alkalmazzuk. A szabványos TTL jelszint kimeneti értékétől nagyobb feszültség és áramigény esetén a TTL kimenet „csak” a relés kimeneti egység vezérlő jele és a relé kapcsoló érintkezők segítségével kapcsolunk be/ki a számítógéphez kapcsolt nagyobb teljesítmény igényű berendezéseket.

A relés kimenet előnye, hogy a villamos kapcsolatot fém kontaktusok segítségével valósítjuk meg, így ezek kapcsolódás esetén minimális ellenállásúak. A kis kapcsolói ellenállás pedig azt jelenti, hogy a kontaktusokon átfolyó általában nagy értékű áram a kontaktusok nagyon kicsiny ellenállásán minimális hőmennyiséget hoz létre, és ezt a hőt is gyorsan elvezeti a jó hővezetési tényezővel rendelkező fém érintkező.

A relés kapcsolók előnye:

Nagy teljesítményű berendezések kapcsolható be/ki a segítségükkel. Meghatározott teljesítményekhez meghatározott érintkező méretek szükségesek az áramsűrűség, érintkező nyomás biztosításához ezért gyakran alkalmaznak kaszkád kapcsolású relé -ket, amelyek lehetővé teszik, hogy egy relé általánosan csak ~10-50-szer nagyobb teljesítményű jelet kapcsoljon, mint amilyen a saját bementi vezérlő jele.

A relés kapcsolók hátrányai:

  • A kapcsolási időtartam ~10-100 ms. Az általános vezérlési feladatok megoldásához ezek a kapcsolási idők elegendőek.

  • A relé mozgó mechanikai elemeket tartalmaz, amelyek karbantartást igényelnek és véges számú kapcsolás megvalósítására alkalmasak.

  • A relék működtetéséhez szükséges villamos teljesítmény (áram érték) jelentős mértékű többlet teljesítmény igényt jelent a logikai kapcsolat megvalósításánál.

13.2.2.4. Félvezetős kimenet (Solid State Relay)

Galvanikus elválasztást biztosít!  

Digitális félvezetős kimenet
13.14. ábra - Digitális félvezetős kimenet


A 13.14. ábra ábrán egy szilárd test relé (solid state relay) kapcsolási rajza látható. Nagy teljesítményű egyen és/vagy váltakozó áramú kapcsoló. KW-os nagyságú kimeneti teljesítmény kapcsolására alkalmas. Mivel a „kapcsoló elem” félvezetőből van, melynek jóval nagyobb ellenállása van, mint a fémeknek, ezért a kapcsoló elemen átvezetett áram magát a kapcsoló elemet is fűti. Ezt a keletkezett hőmennyiséget kell megfelelő hűtő felülettel és intenzív hűtéssel eltávolítani, mert a túlmelegedés az eszköz tönkremenetelét eredményezi (13.15. ábra).

Optikai vezérlésű CMOS kapcsolók
13.15. ábra - Optikai vezérlésű CMOS kapcsolók


Solid State relé
13.16. ábra - Solid State relé


13.2.2.5. CMOS áramköri kimenetek

Galvanikus elválasztást biztosít!

CMOS = C omplementer M etal O xide S emiconductor

Áramköri megoldás szintáttevésre alkalmas ±15V nagyságú feszültség szintekre „alakítja át” a TTL feszültség szinteket, amelyek a logikai állapotokat jelentik.

Összefoglalás digitális bemenetek

Digitális bemenetek (összefoglalás)
13.17. ábra - Digitális bemenetek (összefoglalás)


Összefoglalás digitális kimenetek

Digitális kimenetek (összefoglalás)
13.18. ábra - Digitális kimenetek (összefoglalás)


Általánosan elmondható, hogy a normál TTL szint 1-2 m távolságra vihető át megfelelő vevőoldali jelszint mellett.

A nagy jelsebesség miatt (20-60 MHz) a logikai jelet egy távvezetékhez hasonló rendszerben kell vizsgálni. Ebből a szempontból a jelvezetéket egy elosztott paraméterű hálózattal modellezzük és így vizsgáljuk meg a jeltovábbítás időbeni folyamatát.

Távvezeték elosztott paraméterű modelljének helyettesítő kapcsolása
13.19. ábra - Távvezeték elosztott paraméterű modelljének helyettesítő kapcsolása


ahol

 

R

 ellenállás [Ohm]

 

C

 kapacitás [Farad]

 

L

 induktivitás [Henry]

 

G

 vezetés (a jelvezetékek közötti átvezetés) [Siemens]

Ideális eset lenne, ha: R=0 [Ohm]; C=0 [Farad]; L=0 [Henry]; G=∞ [Siemens] lenne.

Elosztott paraméterű modell alapján kell azt a lezárási impedanciát meghatároznunk, amellyel túllendüléstől mentes kimeneti jelet biztosítjuk.

A kimenetet a hullámimpedanciával kell lezárni, ahhoz, hogy a kialakuló esetleges jel visszaverődésekből keletkező jelszint változás (lengés) minimális legyen. A lezáró hullámimpedancia értéket az egyes jelvezeték típusokhoz megadják illetve méréssel meghatározzák (pl. 75 Ohm). A mérés megvalósítását a (13.20. ábra) ábrán láthatjuk, a mérések alapján a hullámimpedancia számítási képletét a 13.1 képlet adja meg.

Minél nagyobb a jelszint (értsd a jel feszültség szintje) annál kevésbé sérülékenyek a logikai értékek, ezért történik a kis feszültség szint értékű TTL jelszintek átalakítása nagyobb feszültség szint értékű jelekké.

Áramgenerátoros táplálással (4-20 mA) szintén nagy távolságú megbízható adatátvitelt lehet megvalósítani. A nagyobb áram értékek azonban vastagabb vezetékeket, így nagyobb a távolságra vetített fajlagos költség.

Hálózat rövidzárási és üresjárási impedanciájának mérése
13.20. ábra - Hálózat rövidzárási és üresjárási impedanciájának mérése


A hullám-impedancia meghatározásának képlete:

 

Z h = Z r Z ü

(13.1)

ahol Z h a hullámimpedancia

13.3. Analóg jelek

13.2. táblázat - Analóg jelek

Jeltípus

Ábra

Egyenfeszültségű jel

Programozott időzítés (mintavétel)

beolvasás egyedi adatonként a számítógépbe.

Időfüggvény

Hardware-rel támogatott időzítés (mintavétel)

blokkok formájában történő beolvasás a számítógépbe.

Frekvenciafüggvény

Az időfüggvényből határozzuk meg!

Hardware-rel támogatott időzítés (mintavétel)

blokkok formájában történő beolvasás a számítógépbe.

A transzformált jel különböző frekvenciájú komponenseinek amplitúdó függvénye


13.4. Analóg be/kimeneti jelek

13.4.1. Analóg jel / Egyenfeszültségű jel

Az analóg egyenfeszültségű jel szabályozástechnikai alkalmazása
13.21. ábra - Az analóg egyenfeszültségű jel szabályozástechnikai alkalmazása


13.4.2. Analóg jel / Időfüggvény

Az analóg időfüggvény szabályozástechnikai alkalmazása
13.22. ábra - Az analóg időfüggvény szabályozástechnikai alkalmazása


Az analóg időfüggvény mintavételezése
13.23. ábra - Az analóg időfüggvény mintavételezése


13.4.3. Frekvenciafüggvény

Az analóg frekvenciafüggvény szabályozástechnikai alkalmazása
13.24. ábra - Az analóg frekvenciafüggvény szabályozástechnikai alkalmazása


DSP = Digital Signal Processing

A frekvencia tartományban történő feldolgozáshoz alapvető a gyors Fourier transzformáció (FFT = Fast Fourier Transzformáció), amely egy alapfüggvény a DSP könyvtárban.

Inverz Fast Fourier Transzformációval visszatérhetünk a frekvencia tartományból időtartományba. Ilyen módon történik a frekvencia átviteli függvényekkel történő jelanalízis.

13.5. Időzítés mérése

13.3. táblázat - Időzítés mérése

Jeltípus

Ábra

Időzítések mérése

Digitális impulzus időtartamának lemérése (Gate)

adott nagyságú órajel alkalmazásával egy számláló áramkört kapuzunk (Gate AND Clock).


Irodalmak

[13.1.] Chi-Tsong-Chen. Analog And Digital Control System Design. Sounders College Publishing . 2006.

[13.2.] Chi-Tsong-Chen. Linear System Theory and Design. Oxford University Press. 1999.

[13.3.] Gajic, Zoran . Modern Control Systems Engineering. 1996.