Automatizace měření aneb Když to změří počítač

Transkript

1 Automatizace měření aneb Když to změří počítač přednáška v rámci projektu IET1 Miloslav Steinbauer Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

2 2 Osnova přednášky Historie automatizace Klasifikace měřicích systémů Malé měřicí systémy Software pro automatizaci měření Ukázky aplikace v laboratořích Soutěž

3 3 Co je automatizace? Inženýr: nový stupeň v rozvoji techniky Technolog: mění zastaralé výrobní metody v moderní technologii, umožňuje použít výrobních procesů, o nichž dříve nebylo možno ani hovořit Ekonom: ohromná úspora společensky nutné práce, nová etapa rozvoje výrobních sil společnosti Sociolog: ulehčení a odstranění těžké a únavné monotónní práce člověka, nově se vytvářející vztahy mezi lidmi a výrobou

4 4 Co je automatizace? Automatizace je proces vývoje techniky, kde se využívá automaticky pracujících zařízení k osvobození člověka jak od fyzické, ale zejména od duševní řídící práce.

5 Historie automatizace 5

6 6 Historie Automatizace fyzické práce Starověk: páky, kladky, kola, pára Středověk rozvoj mechanismů (čerpadla vody pro doly, mlýny, varhany, hodiny, orloje, zvonkohry, mechanické hračky), jednoduché programování (kolíčkové válce) Novověk - průmyslová revoluce První regulace - Wattův odstředivý regulátor r Jacquardův tkalcovský stav s programovacím děrovaným pásem (okolo r. 1800) 1913 první montážní výrobní linka hromadné výroby (Henry Ford) automaty ve výrobě

7 7 Moderní historie Automatizace duševní činnosti 1896 el. stroj pro sčítání obyvatelstva (Hollerith) 1924 International Business Machine Corp. (dnes IBM) 1943 reléový počítač MARK I (Harvard) 1944 elektronkový počítač ENIAC 1947 objev tranzistoru 1958 první integrovaný obvod 1971 první mikroprocesor (Intel 4004) pružná automatizace změnou programu 70. léta 20. stol. rozvoj PLC 80. léta 20. stol. CNC, prvky UI

8 8 Důvody automatizace Vynucená automatizace (nezáleží na investici) ochrana života a zdraví (extrémní podmínky ) nemožnost nasazení lidské síly (kosmos, ) limit lidských smyslů (množství údajů, rychlost reakce) Ekonomická automatizace (zisk je nejdůležitější) snížení nákladů výrobních, režijních zvýšení produktivity, objemu výroby, kvality zkrácení doby vývoje a výroby pružná reakce na požadavky trhu Ostatní důvody zvyšování pohodlí člověka poskytování informací (sledování stavu zařízení) ekologie monitorování prostředí, spalování zábavní průmysl

9 9 Od ručního nástroje k prvním strojům První pracovní nástroj - hrubě opracovaný kámen Trvalo půl milionu let, než se objevily nástroje v podobě bodců a škrabek Několik tisíc let př. n.l. - dokonalejší a specializovanější nástroje (luky, šípy, sekery, dláta a motyky) Později místo kamene bronz a železo

10 10 Od ručního nástroje k prvním strojům Díky nástrojům se zvýšila výkonnost člověka, ovšem síla lidských svalů je příliš malá (navíc musí člověk spát, odpočívat, jíst a pít) Časem se lidé naučili spojovat několik nástrojů dohromady ve stroj - pomohl člověku překonat omezenou sílu svalů První stroje již ve starověkém Egyptu i v říši římské např. vodní kolo 17. století - začaly se rozrůstat výrobní dílny, tzv. manufaktury - používaly dokonalejší nástroje a jednoduché ručně poháněné stroje

11 11 Od ručního nástroje k prvním strojům 18. století - první průmyslová revoluce - odstranila řemeslný způsob práce, zvýšila produktivitu Kolem roku v dílnách a továrnách vznikajících z velkých manufaktur se objevily první soustruhy na obrábění kovů - strojírenství získalo svůj základní stroj Parní stroj nahradil lidské svaly, zvířata či vodní kola - začal pohánět továrny, lokomotivy Další zdokonalování strojů brzděno převody - hledaly se stroje pracující bez nich

12 12 Od ručního nástroje k prvním strojům 19. století - člověku se podařilo prakticky využít elektřinu - elektrický motor vytlačil páru Elektrická energie - čistší forma energie, dala se dobře ovládat, dělit, rozvádět i na větší vzdálenosti Člověk stále musí stroje ovládat, zásobovat surovinou a odebírat hotové výrobky, provádět údržbu, seřizovat, opravovat Nastala potřeba vytvořit zařízení, jež by dokázala řídit stroje místo člověka

13 13 Od strojů k prvním automatům Slovo automat známo dávno předtím, než do továren nastoupily pracovní stroje Vzniklo ze starořeckého automaton označení pro vše, co se hýbe V tomto slova smyslu automatem každý stroj, který se hýbe např. i hodiny, dnes už neplatí! První automaty v počátcích našeho letopočtu např. automaty samočinně zažehující obětní ohně, zpívající ptáci, hudební skříně, tančící figurky, samočinně se otevírající dveře a okna vše uváděno v činnost ohřátým vzduchem nebo závažími

14 14 Od strojů k prvním automatům Leonardo da Vinci k uvítání krále Ludvíka XII. sestrojil mechanického lva, jenž samočinně kráčel až k trůnu a tlapou pozdravil panovníka našla se také zmínka o stroji na vysekávání pilníků 17. a 18. století mechanické hodiny s tzv. nepokojem zvonkohra pohyblivé figurky u orlojů bezpočet automatických hraček

15 15 Od strojů k prvním automatům Postaveno i několik automatických hříček využívajících např. vytékání vody maličkým otvorem: problémem regulování rychlosti výtoku vody z otvoru se zabývali i Galileo Galilei a Isaac Newton francouzská Akademie vypsala na vyřešení tohoto problému konkurs - vyhrál slavný Daniel Bernoulli Tyto hříčky přinesly cenné zkušenosti s páčkami, kolíčky a kolečky, s vodní tryskou a plovákem - později se uplatnily jako stavební kostky výrobních automatů

16 16 Od strojů k prvním automatům Prvními automatickými stroji, jež do výroby nastoupily ve velkém počtu, byly dopřádací stroje sestrojené roku 1801 Francouzem Ch. Jacquardem Umožňovaly tkát vzory podle programu předem připraveného v podobě děrných papírových karet Každá karta děrována v pořadí barevných nití, poté do těchto děr zapadaly jehly, které se podle toho buď zvedaly, nebo spouštěly

17 17 Od strojů k prvním automatům V dalších desetiletích se objevily: poloautomatické revolverové soustruhy papírenský stroj zemědělská mlátička Místo rozptýlených manufaktur vznikaly továrny se stroji rozdělenými podle druhu práce začala strojová velkovýroba

18 18 Začátky automatizace Moderní stroje a automaty nejdříve nastoupily do výroby zbraní, především pušek a revolverů Hromadná výroba zbraní přenesena do Ameriky Zpočátku vyráběny ručně ve zvláštních přípravcích - skončilo pasování dílů do sebe Kolem roku 1860 spojily se přípravky s obráběcími stroji v obráběcí automaty - principu se používá dodnes

19 19 Začátky automatizace závod na výrobu mosazných hodin vyrábějící ročně přes půl milionu budíčků - cena klesla na pakatel 19. století Šedesátá léta - hromadná výroba šicích strojů a strojů pro zemědělství Osmdesátá léta - zahájena hromadná výroba psacích strojů Devadesátá léta - trh zásobován jízdními koly

20 20 Začátky automatizace Zpočátku měly továrny stroje seřazeny podle postupu výroby, spojení mezi stroji zajišťovaly vozíky nebo dopravní pásy Takto pracovala jatka a mlýny, od devadesátých let i továrny na kočáry a na železniční vagony Při nástupu automobilu vznikl problém - mnohem složitější než puška, budíky nebo velocipéd automobilka Ford vyrábí 10 tisíc automobilů ročně - po bok soustruhů a fréz nastoupily přesné vyvrtávací stroje a stroje na hoblování a frézování ozubených kol, drážkovačky na hřídele či brusky na přesně uložené části motoru a převodovky

21 21 Začátky automatizace Před r Ford ve snaze vydělat co nejvíce přišel s montážním pásem - vznikla montážní linka Doba montáže na pásu se zkrátila ze 14 na 6 hodin Nebyly to v dnešním slova smyslu automaty pomocní dělníci upínali, vyjímali a přenášeli součásti ručně Dělníci kvůli montážním pásům vysilováni prudkým tempem práce - zavádění úplně automatických strojů a zařízení

22 22 Začátky automatizace automaty se poprvé uplatnily v automatické montáži - Smithova továrna v Milwauke Výroba rámu automobilu - celkem jen 16 minut lidské práce - dělníci stroje pouze ošetřovali a kontrolovali Současnost - základem prudkého růstu společenské produktivity práce je automatizace spojená s novými vědecky podloženými technologickými způsoby výroby Nové technologie a automatizace ovlivňuje nejen samu výrobu, nýbrž i její organizaci

23 Automatizace v měření 23

24 24 Model automatizovaného měřicího systému (AMS) Software Měřicí přístroje Modem / NET Tiskárna Měřený objekt

25 25

26 26 Vlastnosti AMS Měří velký počet veličin Pracují bez obsluhy (ochrana zdraví, dlouhodobá měření, měření na těžko dostupných místech) Měří rychle a přesně Měří spolehlivě a s vysokou reprodukovatelností Provádí komplexní zpracování a archivaci naměřených dat

27 Klasifikace měřicích systémů 27

28 28 Rozdělení AMS Měřicí systémy Standardní rozhraní Speciální rozhraní PCI, PCI-E, PCMCIA RS232, USB, LAN Ethernet (LXI) GPIB VME, VXI, PXI Fieldbus, Měřicí karty Externí zařízení Externí zařízení Externí rámy (mainframe)

29 29 Moderní měřicí systém Podniková síť Temperature Pressure Alarm Conditions Flow STOP Control Panel MXI-3 GPIB-ENET GPIB přístroje DAQ karty, CBI karty (DMM, OSC...)

30 30 Měřicí karty Výhody zpravidla nízká cena Nevýhody nutnost montáže do PC omezený počet volných slotů problém vzájemného rušení a izolace mezi počítačem a kartou rychlost karty závisí na CPU

31 31 Rozhraní RS-232 Výhody žádné náklady na sběrnici malé náklady na kabeláž a interface přístrojů kompatibilita s většinou OS a SW jednoduché ovládání Nevýhody malý dosah (15,6 m při 20 kbd) omezený počet připojitelných zařízení malá přenosová rychlost (max. 230 kbd)

32 32 Sériové rozhraní RS-422 a RS-485 používají se pro zvýšení dosahu RS232 dosah 1200 m při rychlosti 10 Mb/s (díky použití proudové smyčky) používá se kroucená dvojlinka až 32 zařízení na jedné lince

33 33 USB Výhody 12 Mb/s (USB1.1) až 480 Mb/s (USB 2.0) PnP podpora, hot-swap PC standard široká podpora ze strany SW převodníky USB GPIB/RS232/ Nevýhody vzdálenost max. 15 m

34 34 Ethernet Výhody 10 Mb/s až 1 Gb/s hot-swap PC standard celosvětový dosah kabel 100 m převodníky Ethernet RS232/GPIB Nevýhody závislost na síti

35 USB-RS232 a USB-GPIB 35

36 Ethernet - RS232/GPIB/USB 36

37 WiFi 37

38 38 GPIB - General Purpose Interface Bus počátek vývoje 1965 (Hewlett-Packard) ANSI/IEEE standard 488.2, HPIB, IEC 625 nejrozšířenější systém paralelní 8 bitová sběrnice přenosová rychlost až 1 MB/s, automatické nastavení podle připojených zařízení maximální počet zařízení je 15, snadné propojování kabely

39 39 GPIB - možnosti propojení Hvězdicové uspořádání Lineární uspořádání

40 40 GPIB - General Purpose Interface Bus Výhody přijatelné náklady na sběrnici (orientačně karta 15 tis., kabel 3 tis. Kč) přístroje jsou autonomní široká podpora ze strany SW rozšířenost (až 90 % lab. přístrojů je vybaveno GPIB) Nevýhody 1,8 MB/s - nedostatečná přenosová rychlost pro nové typy rychlých měřicích přístrojů

41 41 VXI VME extension for Instrumentation Výhody perspektivní standard měřicích systémů vysoká rychlost přenosu vysoká spolehlivost široká podpora ze strany SW moduly výrobně jednodušší (nemají zdroj ani zobrazovací modul a klávesnici) Nevýhody značná cena (moduly řádově tisíce US $) moduly nelze použít mimo mainframe bus

42 42 VXI - uspořádání bus Rám VXI (mainframe) s moduly

43 43 VXI počátky v roce 1987 ANSI/IEEE standard 1155 perspektivní otevřený systém sestává z modulů v rámu (mainframe), velikost modulů A, B, C, D přenosová rychlost mezi modulem mainframe až 160 MB/s definované EMC a chlazení modulů bus

44 44 PXI PCI extension for Instrumentation verze srpen 1997 vychází z VXI a sběrnice CompactPCI perspektivní systém sestává z modulů v rámu (obdoba VXI) vyplňuje mezeru mezi GPIB a VXI

45 45 PXI Výhody standard měřicích systémů (1997, National Instruments) vysoká rychlost přenosu (ale menší než vysoká spolehlivost (vychází z osvědčené CompactPCI) knihovny W9x/NT, VISA možnost koexistence s VXI, GPIB Nevýhody moduly nelze použít mimo mainframe u VXI)

46 46 PXI - uspořádání Rám PXI s moduly

47 47 LXI LAN extension for Instrumentation verze září 2005 vychází ze standardu Ethernet 10M / 100M / 1G / (10G) perspektivní systém umožňuje propojení se systémy GPIB, VXI, PXI jednoduchý vzdálený přístup přes LAN / WAN / WiFi správa a nastavování přístrojů přes webové rozhraní

48 LXI 48

49 SCXI Řešení přesně na míru Výroba Servis PCMCIA Laboratoř PCI, USB, GPIB Přenosné PC PXI Stolní PC VXI Průmyslové PC Workstation

50 Malé měřicí systémy 50

51 51 Malé systémy Výhody přijatelná cena univerzální použitelnost pro běžné aplikace snadná programová obsluha možnost začlenění do rozsáhlých systémů (GPIB, LAN) Nevýhody omezený sortiment modulů

52 52 Malé systémy Představitelem je například Agilent 34970A založen na osvědčeném DMM sloty multiplexery, D/A, čítač

53 Přepínač pro malý systém 34470A 53

54 54 Software pro automatizaci měření

55 55 Software pro AMS Jednoduché utility výrobců pro konkrétní přístroj univerzální DAQ sw SW pro virtuální instrumentaci LabView Agilent VEE Control Web

56 LabVIEW 56

57 57 LabVIEW Kompilované grafické programování Ikony a dráty Plně univerzální programovací jazyk

58 58 Princip programování Čelní panel Grafické uživatelské rozhraní Ovládací prvky a indikátory Blokový diagram Zdrojový kód Výběr mnoha funkcí Rychlé programování Snadná orientace v programu

59 59 Program běží po směru dat Graf RMS Ulož Probíhají současně Data tečou po drátech Data tečou vždy od výstupu ke vstupům Několik operací může probíhat současně

60 60 Programování pro více platforem Snadný přenos programů mezi platformami

61 61 Přístrojové ovladače a aplikační software Aplikační software (Program) Přístrojový ovladač LabVIEW Measurement Studio Visual C++ Visual Basic Přístroj

62 62 Analýza naměřených dat DC/RMS složky Harmonické zkreslení Kmitočtová analýza Generování signálů Digitální filtry Kontrola průběhů maskou

63 63 Vytvoření zprávy v HTML Vložení čelních panelů Text Tabulky Grafika Seznamy s odrážkami Hypertextové odkazy

64 64 Volání vzdálených VI Snadná distribuce programu Zobrazení Kdekoliv Měření Kdekoliv Analýza Kdekoliv

65 Spolupráce s jinými programy 65

66 66 Excel a MATLAB Vytváření a načítání MATLAB skriptů Export polí a průběhů (waveform) do Excelu

67 67 Databáze Přístup pomocí doplňkového nástroje

68 68 Application Builder Vytváří soubory typu EXE a DLL Je možné vytvořit instalátor Instaluje se přímo do prostředí LabVIEW Volné šíření zkompilovaných programů

69 69 LabVIEW RT Měření a řízení v reálném čase Programy se nahrají na specializovaný hardware, kde běží deterministicky v reálném čase

70 Agilent VEE 70

71 Ukázky aplikace v laboratořích 71

72 Měření magnetizačních křivek 72

73 Pracoviště pro měření přenosu zesilovače 73

74 Děkuji za pozornost 74