1. ábra. OH-814 típusú vonalíró
| HAZAI MŰSZERÚJDONSÁGOK |
Programozható mérésadatgyűjtő tervezése
A Budapesti Műszaki Egyetem Irányítástechnika és Informatika Tanszékén az elmúlt évben kifejlesztésre került egy programozható digitális regisztráló. Az ipari folyamatok technológiai jellemzőinek mérése, „megfigyelése”, és dokumentálása igen fontos és sok esetben kötelező feladat (pl. a gyógyszergyártásban). Magyarországon napjainkban is elsősorban analóg regisztrálókat használnak ezekre a feladatokra. Ennek elsődleges oka, hogy a piacon kapható digitális regisztrálók ára gyakran egy nagyságrenddel nagyobb az analóg regisztrálókénál. A kapható digitális regisztrálók hátránya továbbá, hogy ezek általában az adataikat floppy lemezre rögzítik, vagyis továbbra is tartalmaznak mechanikus alkatrészeket. Felmerül tehát az igény egy olyan digitális regisztrálóra, amely az adatokat tárban rögzíti, könnyen beállítható az adott feladathoz, és az ára is versenyképes a szokásos papírra dolgozó regisztrálók árával.
A regisztrálók a mért jellemző változásának feljegyzésére alkalmasak az idő, vagy valamilyen más változó (pl. indikátoroknál a helyzet) függvényében.[1][2] A mért jellemző pillanatértékeit rendszerint az idő függvényében folyamatosan, vagy szakaszosan, többnyire diagram formájában rögzítik. A diagramokból a mért jellemző pillanatértékein kívül leolvasható a változás iránya és sebessége is. A diagramok révén ellenőrizhető az üzemvitel, a görbék alatti területek segítségével az elszámoláshoz szükséges adatok megszerezhetők, valamint megítélhető és értékelhető konkrét üzemi folyamatok lefolyása.
Analóg regisztrálók
Az analóg regisztrálók az íróműszer és a regisztrátum előállítása szerint lehetnek vonalírók, pontírók és számjegyírók, a műszeres csatlakozó mérési helyek száma szerint egy vagy több mérőhelyesek, a diagram kialakítása szerint derékszögű vagy poláris koordináta rendszerben írók.
A vonalírók írószerkezetében a regisztrátum előállítására írótollat, grafit vagy színes irónt, bevonatokkal ellátott diagrampapírhoz karcolótűt, vegyi anyagok hatására elszíneződő anyagokkal bevont diagrampapírhoz miniatűr fecskendőt, fényérzékeny papírhoz pedig fény-vagy elektronsugarat használnak. Ezek közül a legegyszerűbb és legelterjedtebb az írótollas szerkezet. Egy ilyen felépítésű regisztráló látható az 1. ábrán.
A pontírók az íróműszerek olyan családja, amelyben a regisztrátumot a diagrampapírra csak meghatározott időközökben érintkező írószerkezet állítja elő. Pontírót akkor alkalmaznak, ha a műszer nyomatéka csak egy szabadonfutó mutató mozgatására elegendő, vagy ha egy papírra ugyanazon mezőben egyidejűleg több görbét kell felrajzolni. A számjegyírók olyankor használhatók, ha a mérési eredmény digitális formában áll rendelkezésre. Fő változataik a villamos írógép, a kártya- és szalaglyukasztó.
Digitális regisztrálók
A manapság kapható digitális regisztrálók többsége nem tud többet egy analóg regisztrálónál.[3] Az adataikat általában mágneslemezre rögzítik, nem egyszer még mindig használnak papírt. Soros vonalról általában nem vezérelhetők, illetve jellemzőik nem állíthatók be. Azok a regisztrálók, amik ezen a szinten túllépnek igen drágák.
Hardver követelmények
A tervezendő regisztrálót mindenképpen a piac igényeihez kell igazítani. Az ipari irányítások egyre nagyobb százalékában jelennek meg a 16-bites mikroprocesszorral vezérelt szabályozók, adatgyűjtők és regisztrálók. Mivel a regisztrálókra egyre több feladat hárul – a mért értékekből fizikai értékeket kell számolniuk, majd az így kapott értékeket korrekciós számításoknak kell alávetniük – elengedhetetlen, a nagyteljesítményű processzorok használata.
Napjainkban a megfigyelő (monitoring) rendszerek a vállalatirányítási rendszer szerves részét képezik. Ezért a tervezendő rendszernek a helyi megjelenítés mellett biztosítania kell, hogy integrálható legyen a vállalat termelésirányítási rendszerébe.
Az analóg regisztrálók az adataikat papírra rögzítették, grafikus, könnyen leolvasható formában, tehát egy digitális regisztrálótól is elvárható, hogy ezt teljesítse, vagyis mindenképpen grafikus formában is meg kell az adatokat jelenítenie. Természetes kívánság hogy a mért értékek numerikus formában is megjeleníthetők legyenek. Mivel a regisztrálók gyakran az ipari technológia közelében helyezkednek el, ezért megfelelő védettséggel kell rendelkezniük (IP-65).
Alapvető kívánalom, hogy a mérést megelőző beavatkozásokat a felhasználó a lehető legegyszerűbben, és leggyorsabban elvégezhesse. Mivel a regisztráló beállítása a mérendő analóg jeleknek megfelelően egy hosszadalmas folyamat ezt célszerű egy felügyelő számítógép segítségével, hálózaton keresztül elvégezni. A többi – a helyszínen történő – felhasználói beavatkozást pedig költségtakarékossági okok miatt úgy kell megtervezni, hogy a lehető legkevesebb (6-8) nyomógomb segítségével megoldható legyen.
A piacon jelen lévő regisztrálók többségének 4-6 analóg bemenete van. A bemenetek száma döntően befolyásolja az egység felhasználási lehetőségeit, vagyis a regisztráló piaci versenyképességét. Tehát legalább 4 analóg bemenetre van szükség, de a bemenetek számának további bővíthetősége is kívánatos lenne. Adatvédelmi szempontból rendkívül fontos a hálózat kimaradás és az illetéktelen beavatkozás elleni védelem.
Szoftver követelmények
A regisztráló szoftverének két alapvető üzemmódja lehet, ez a Specifikációs és a Mérés üzemmód.
A Specifikáció üzemmódban a mérési beállítások történnek meg, az egység nem végezhet mérést. Ekkor az egységhez kapcsolódó érzékelők, illetve távadók adatait lehet megadni, mint például a méréshatárt (0-20 mA vagy 4–20 mA), alsó és felső határértéket, valamint a regisztrálás egészét érintő paramétereket, mint például a mintavételi időt a tárolási időt, illetve a hiszterézis mértékét. Az illetéktelen specifikálást többszintű jelszavas védelem akadályozza meg.
A Mérés a regisztráló legalapvetőbb feladata. A Mérés üzemmódban az egység folyamatosan több funkciót lát el. Először is elvégzi a bemenő jelek mérését, az adatokat a specifikációnak megfelelően fizikai mértékegységekké alakítja. A kívánt értékeket a beállított formában folyamatosan megjeleníti a kijelzőn. A megjelenítés módja a kezelői felület gombjai segítségével módosíthatóak – pl. grafikus vagy táblázatos forma, időszelet változtatása. Az adatokat megfelelő időközönként letárolja. Ebben az üzemmódban az egység a soros vonalon keresztül lekérdezhető, a tárolt adatok a felügyelő számítógép segítségével felolvashatók, megjeleníthetők és rögzíthetők. A grafikus felületen megjelenítésre kerülnek az egyes analóg bemenetek mért értékei külön-külön, illetve egyszerre. A felhasználó által kért időpontban az értéket számjegyes alakban is ki kell jelezni.
A digitális adatátvitel a szoftver azon része, amely talán a legtöbbet nyújtja a felhasználónak egy analóg regisztrálóval szemben. A regisztrálóval soros csatornán keresztül lehet adatcserét folytatni. Ezen keresztül az adatok felolvashatók, a beállítások megtekinthetőek, illetve a regisztráló legalapvetőbb tesztelési feladatai is elvégezhetőek. Ezáltal lehetőség nyílik arra, hogy akár egy mozgó autóból egy laptop és egy mobil telefon segítségével kapcsolatba lépjünk a regisztrálóval, és ellenőrizzük az ipari folyamat legfontosabb paramétereit, és megtegyük a szükséges intézkedéseket.
Hardver megvalósítás
A berendezés a további bővíthetőség érdekében moduláris felépítésű. A
vezérlő modul kialakításánál figyelembe vettük a PRODACONT Kft. által
gyártott PROCONT táblaműszer kialakítású digitális adatfeldolgozó
berendezés moduljainak az illeszthetőségét. [4]
A processzor kiválasztása az első fontos lépés. Nagyon fontos szempont,
hogy a processzorhoz megfelelő fejlesztői környezet álljon rendelkezésre,
támogassa a moduláris programozást, hatékony programfejlesztést
biztosítson. A szóba jöhető mikroszámítógép elemek adatlapjainak
áttekintése után a választás a WILKE TECHNOLOGY GMBH által gyártott
BASICTIGER® mikroszámítógépre esett. Ennek a mikroszámítógépnek a központi
egysége egy Toshiba TMP96PM40F típusú 16-bites mikro-vezérlő. [7] A
mikroszámítógép több fajta kivitelben is kapható. A mikroszámítógépbe a
fejlesztők programtárat (flash memória), adattárat (RAM), 4 csatornás A/D
átalakítót, 2 csatornás D/A kimenetet építettek. A mikroszámítógép mellé
vásárolható egy fejlesztői készlet, ami többek között tartalmaz egy
tervezői panelt (2.ábra), egy Windows környezetben futó feladat-szervezésű,
valósidejű BASIC fordítót, és a fejlesztéshez szükséges fejlesztői
leírásokat, amelynek segítségével a fejlesztés nagyon hatékonyan
történhet.
A BasicTiger felhasználásával elkészült modul és a PROCONT többi már meglévő moduljának illesztése a 3. ábrán látható.
Az ábrán látható a BasicTiger, belsejében a TOSHIBA mikrovezérlő, és az ehhez tartozó egységek. A 4 analóg bemeneti jel elsőként a kártyán elhelyezett jelformálóba jut, ahonnan áram-feszültség átalakítás és analóg szűrés után az A/D átalakító bemenetére kerül (4. ábra).
A BasicTiger két RS-232-es soros vonala közül az egyik közvetlenül, a másik
RS-232/RS-485 átalakítás után kerül kivezetésre. A kétféle soros vonal
lehetővé teszi a modemes adatátvitelt (RS-232), és a felfűzött topológiájú
„master-slave” elven működő adatcserét (RS-485).
A belső buszra csatlakozik a kijelző meghajtója, ehhez könnyen illeszthető
folyadékkristályos kijelző. Az általunk felhasznált LCD kijelző az
ELECTRONIC ASSEMBLY GMBH EA P240-7KCTP típusú 240x128 képpont felbontású,
háttérvilágítással rendelkező kijelzője. [8]
A BasicTiger két impulzus szélesség modulációs kimenetét felhasználva két darab 0..20 mA méréstartományú D/A átalakítót valósítottunk meg. E két kimenet felhasználható a számított értékek továbbítására más egységek felé. A BasicTiger tartalmazza a program tárolására szolgáló flash memóriát, és az adatok tárolására szolgáló, hálózat kimaradás ellen védett RAM memóriát is. A BasicTiger univerzális I/O lábait felhasználva kialakítottuk a PROCONT rendszerbusz interfészt, amely lehetővé teszi a már kifejlesztett modulok BasicTiger-hez történő illesztését. Ezek a modulok a következők lehetnek:
Már korábban említettük, hogy az analóg bemenetek száma erősen befolyásolja a regisztráló eladhatóságát. Amennyiben a felhasználó 4-nél több analóg jelet szeretne regisztrálni, a 10 csatornás jelváltót kapcsolva az egyik analóg bemenethez, az analóg bemenetek száma 13-ra növelhető.
A BasicTiger mikroszámítógép programozása a TigerBasic feladat-szervezésű fordítóval valósítható meg. [5][6][10] Ez lehetőséget nyújt arra, hogy a szoftvert részekre bontsuk, és a programot több feladat formájában valósítsuk meg. Az így készült szoftver réteges felépítésű (6.ábra). Központi része az ütemező. Ez végzi a feladatok időbeni vezérlését, és a feladatváltást. Erre épül a TigerBasic fordító, majd a felhasználói program, amely több feladatot is tartalmaz.
A szoftver tulajdonképpen négy alapvető feladatot tartalmaz:
Lássuk most ezeket egyenként.
Specifikáció
Ebben az üzemmódban a specifikálást végző személy egy PC segítségével végezheti el a mérési jellemzők beállítását. Természetesen ezen paraméterek megváltoztatása csak megfelelő szaktudás birtokában végezhető el, így a Specifikáció üzemmód jelszóval védett. A beállítható jellemzők két csoportba sorolhatóak:
Valamennyi bemenetre érvényes jellemzők:
A második csoportba tartoznak a bemenetenként megadható jellemzők:
Ezek a paraméterek flash memóriába tárolódnak le, hogy hálózat kimaradás esetén a beállított paraméterek semmi esetre se vesszenek el, és miután az egység újraindul képes legyen folytatni a munkát. Mivel ezen értékek beállítása a PC-n, és letöltésük a kommunikációs csatornán keresztül történik, ennek módjáról majd ott ejtünk szót. Miután a PC befejezte az adatok letöltését az egység automatikusan átvált mérés üzemmódba és megkezdi a munkát.
Mérés
Ez a feladat végzi a regisztráló alapfunkcióját. Miután a mérési beállítások megtörténtek ez a feladat veszi át a működés irányítását. A következő alapfeladatokat látja el:
Fontos feladata, hogy figyeli a tár kapacitását, és ha ez egy előre beállított érték alá csökken, akkor figyelmezteti a kezelőt, hogy az adatok mentéséről gondoskodjon. Ezt az értéket, úgy kell megválasztani, hogy a kezelőnek elegendő ideje legyen a mentés elvégzésére.
Egy másik biztonsági funkciónak tápfeszültség kimaradás esetén van szerepe. Az akkumulátor feszültségét folyamatosan mérjük. Amennyiben a feszültség egy bizonyos érték alá csökken az egység figyelmeztető hangjelzést ad.
Minden mérés után szükséges a kijelzőn az új mért értékek megjelenítése. Ezt a megjelenítés alprogram (szubrutin) végzi.
Megjelenítés
Ez az alprogram hasonlóan a Mérés feladathoz periodikusan fut, minden új mérés után a Mérés feladat indítja el. A kijelzés két formában történhet, grafikusan vagy táblázatosan.
Grafikusan egyszerre négy analóg bemenetre érkező jelek jeleníthető meg. A függőleges tengelyen 100 képpont (pixel) felbontásban kerül a fizikai méréshatár kijelzésre, míg vízszintesen 200 mintavételi idő kerül kijelzésre. Az idő tengelyen megjelenik még egy jelzővonal (kurzor), aminek segítségével az éppen beállított időpontban megjelenik a mért érték számjegyesen is. Erre azért van szükség, mivel a grafikus megjelenítés elvi pontossága csak 1%. A kijelzőn továbbá megjelenik az idő és a dátum, valamint az egyes kijelzésre kerülő bemenetek száma és mértékegysége.
Táblázatosan szintén négy bemenet adatai jeleníthetők meg, de ez esetben csak tíz mérés eredménye látható egyszerre. Ebben az esetben is megjelennek a már előbb említett alapinformációk.
A megjelenítésre kerülő időszelet a kezelőfelület gombjainak segítségével változtatható, vagyis megtekinthetjük a korábbi mérések eredményeit is. Amennyiben az időszelet végét a jelen pillanatra állítjuk be, a megjelenítés folyamatosan frissül, és mindig megjelenik a legutolsó mérés eredménye is.
Beavatkozás
Ez a feladat dolgozza fel a kezelői utasításokat. A beavatkozások két csoportra oszthatók, a megjelenítés jellemzőinek beállítása, és megjelenítés közben az időszelet beállítása. A megjelenítés beállítás lehetőségei:
Megjelenítés közben változtatható a megjelenítendő időszelet, amennyiben korábbi mérési eredményekre vagyunk kíváncsiak.
Soros vonali adatátvitel
Az adatcsere szervezése réteges szerkezetű. Az alsó szinten az XBus
protokoll található. A protokoll a programozó felé SAP-okon (Service Access
Point – Szolgálat Hozzáférési Pont) keresztüli adatátvitelt tesz
lehetővé.
Az XBus protokoll soros átviteli vonalon keresztül valósít meg, egy
felügyeleti szerv, és egy PROCONT/PROCOR készülék közti adatcserét. A
kommunikáció master-slave felépítésű. A master (felügyelő) szerepét
értelemszerűen a felügyelő számítógép tölti be, a slave (szolga) szerepét
pedig a PROCONT/PROCOR készülék. A soros átviteli vonal lehet RS-232 vagy
RS-485 soros terepbusz.
A megvalósított protokollban adatkapcsolatot csak a felügyelő PC kezdeményezhet. A kérést egy vagy több PROCOR/PROCONT szolga készüléknek is címezheti, ezek erre válaszolnak. A szolga egységnek megadott időn belül válaszolnia kell a kérésre. Ha ezt nem teszi meg a felügyelő új adást kezdeményezhet, akár másik szolgának is.
Egy adatátviteli egység a távirat, ami meghatározott szabály szerint, elemi karakterekből épül fel. Célja szerint kétfajta távirat lehetséges:
Parancs táviratot csak felügyelő egység adhat ki, választáviratot csak a
szolga. A szolga minden parancsra köteles válaszolni, kivéve az úgynevezett
„broadcast” táviratokat, melyek egyszerre szólnak minden
szolgának.
A táviratok hosszuk szerint két félék lehetnek:
A parancstáviratok mindig kertezettek, míg a választáviratok lehetnek keretezettek vagy rövidek.
Keretezett táviratok
A keretezett táviratok közé számítanak a felügyelő által küldött
parancstáviratok, és egy szolgától származó választáviratok.
A keretezett távirat egy start bájtból, a cél állomás címéből, a kért
szolgálat számából, a forrás címből, egy opcionális adat részből, egy stop
bájtból és a keretet lezáró ellenőrző ösz-szegből áll:
A cél címe (32-255) jelöli ki azt az állomást, amelynek a távirat szól. A
rendszerben a master (felügyelő) egység címe a 32-es. A 33-254 címtartomány
a slave (szolga) egységeknek fenntartott terület.
A forrás címe (SA)(32-254) azonosítja a táviratot kiadó
állomást.
Ha parancs táviratról van szó, akkor a szolgálat címe (SSAP) jelöli ki a
kívánt funkciót, és határozza meg a válasz típusát. Értéke 32-255
lehet.
A DATA mező több bájton tartalmazza az átviendő adatokat.
Az ellenőrző összeg egy 1 bájtos érték, ami az összes előzőleg átvitt bájt
értékéből, számítástechnikailag igen egyszerűen, és gyorsan számítható.
Ezen összeg segítségével a bithi-bák észlelhetők.
Rövid táviratok
A rövid táviratok csakis a szolgáktól származhatnak, és a felügyelőtől
kapott táviratra adnak rövid választ. A rövid távirat egyetlen byte-ból
áll. Ez három fajta lehet:
Pozitív nyugtát akkor adhat a szolga, ha a parancsot vette, végrehajtotta,
de nincs válasz adat.
Hiba nyugtát akkor adhat, ha a parancsot hibásan vette (pl. rossz ellenőrző
összeg), és nem tudta végrehajtani.
Negatív nyugtát akkor adhat, ha a parancsot hibátlanul vette, de nem tudta
végrehajtani, mert pl. a megadott művelet nem létezik, vagy nem hajtható
végre.
Ha a szolga a parancsot vette, végrehajtotta, és van válasz adata, akkor
keretezett táviratot küld.
Kommunikációs modell
Az elmondottakból kitűnik, hogy az átvitelt mindig a felügyelő kezdeményezi, és a szolga erre válaszol vagy egy keretezett távirattal, vagy egy rövid válasszal (7. ábra).
A szolgálat hozzáférési pontok
A SAP-ok a felügyelő által küldött táviratokban jutnak szerephez. A megszólított szolgáknak itt adjuk tudtára, hogy milyen funkciót kívánunk elérni. Amennyiben a távirat nem csak adatkérő, hanem a regisztráló működésén változtat, parancstáviratnak nevezzük.
Lebegőpontos SAP-ok
Egyes SAP-ok lebegőpontos adatokkal dolgoznak. A BasicTiger mikroszámítógépekben alkalmazott lebegőpontos formátum eltér a PC-kben alkalmazott lebegőpontos formátumtól. E probléma megoldására az alacsony-szintű kezelőprogram tartalmaz olyan rutint, amely a BasicTiger által alkalmazott lebegőpontos formátumot, a megfelelő formátumra alakítja át. E függvény alkalmazásával a lebegőpontos SAP-ok alkalmazása is igen egyszerűvé válik.
* * *
A többi hasonló felhasználási területre szánt regisztráló készülékkel összehasonlítva a tervezett berendezés minden tekintetben versenyképes. Az egység a lehető legkevesebb mechanikus alkatrészt tartalmazza, mindössze 6 nyomógomb található rajta. A beállításokat soros vonalon keresztül lehet végrehajtani, ezen keresztül a tárban lévő adatok is letölthetőek. Van grafikus felülete, amelyen egyszerre akár 4 analóg bemenet mért értékeit is meg lehet jeleníteni. A regisztrálót TIGERBASIC nyelven lehet programozni, az elkészült program moduláris felépítésű. Végezetül az egység megfelelő tokozással, és védelemmel van ellátva. Az ára körülbelül negyede más, hasonló készülékek árának.
JUHÁSZ MIHÁLY
A laprendszer készítője: UFE Bt.