MĚŘENÍ A REGULACE TEPLOTY V LABORATORNÍ PRAXI Jaromír Škuta a Lubomír Smutný b a) VŠB-Technická Univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR, jaromir.skuta@vsb.cz b) VŠB-Technická Univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava - Poruba, ČR, lubomir.smutny@vsb.cz Abstrakt Tento příspěvek popisuje současný stav možností měření teploty v laboratořích. Jsou zde popsány tři přístupy měření z pohledu uživatele (vyučující, student). Možnosti nasazení různých typů snímačů teploty (kontaktní, bezkontaktní) a různé způsoby přenosu informace o teplotě z pohledu použitého jak hardware, tak software. Monitorovacím systémem je SCADA/MMI systém Control Web 5 (Control Web 2000). Tyto zkušenosti jsou demonstrovány na třech praktických příkladech. 1. ÚVOD V současné době se pro měření teplot stále častěji používají inteligentní systémy přenášející měřená data pomocí standardních rozhraní. Jako monitorovací systémy se již většinou používají SCADA/MMI systémy jako jsou In Touch, PROMOTIC nebo Cntrol Web 2000, Control Web 5. Tyto vizualizační systémy podporují standardy komunikace jako jsou DDE, OPC servery nebo přímo ovladače pro vybrané technické prostředky. V laboratořích katedry jsou používány tyto programové i hardwarové prostředky pro měření, ovládaní, nebo regulaci teplotně závislých reálných úloh. 2. SYSTÉM CONTROL WEB 5 Pro monitorování měřených teplot je použit SCADA/MMI systém Control Web 5, jehož součásti jsou komponenty umožňující jednoduché zobrazování a archivaci naměřených dat. Systém Control Web 5 je rozšířen o možnost 3D animace. V principu byla již u verze Control Web 2000 podporována projektová tvorba aplikací, ta je součásti i vyšší verze systému Control Web 5. Tento SCADA/MMI systém je využit u všech třech popisovaných příkladů monitorování, měření a řízení teploty v laboratorních podmínkách. 3. MĚŘENÍ DYNAMICKÝCH A STATICKÝCH VLASTNOSTÍ TERMOČLÁNKŮ V laboratořích katedry automatizační techniky a řízení je jedna z úloh věnována měření dynamických vlastností termočlánku. Měří se přechodová charakteristika, ze které se určují dynamické vlastnosti použitého termočlánku např. časová konstanta. V této konstantě je zohledněna i setrvačnost použitého pouzdra. Dané pracoviště se skládá z regulátoru, který udržuje konstantní teplotu laboratorní pece. V té je umístěn senzor určený pro vyhodnocování skutečné teploty. Do druhé dutiny pece je vkládán testovaný snímač. Napětí tohoto snímače je měřeno pomocí přístroje METEX. Hodnoty tohoto napětí jsou pomocí standardní sériové komunikace (RS 232) přenášeny do aplikace v prostředí Control Web 5. Dana aplikace vytvořená v prostředí Control Web 5 je navržena tak, aby umožňovala monitorování napětí z termočlánku měřeného pomocí měřicího přístroje METEX. Tento přístroj přímo podporuje komunikaci po sériové lince. Není nutný další převodník. Naměřená data se přenáší pomocí ASCII řetězců, ve kterých je zakódována naměřená hodnota. Tato data jsou online zobrazována, s využitím komponenty meter systému Control Web 5, přímo na
obrazovce PC. Pro následné zpracování dat je možno použít přístroj archiver, kde lze naměřená data archivovat. Maska archivovaných souboru je konstantní jen se mění pořadové číslo souboru. Rozhraní mezi systémem Control Web 5 a měřicím přístrojem METEX je realizováno pomoci standardně dodávaného ASCII ovladače systému Control Web 5. Okno vytvořené aplikace je na obr. 1. Obr.1 Okno aplikace Dynamické vlastnosti termočlánku 4. VYUŽITÍ DATALABI/O PRO MĚŘENÍ A ŘÍZENÍ TEPELNÝCH DĚJŮ Jednou z úloh zabývající se měřením tepelných dějů v laboratořích katedry automatizační techniky a řízení je úloha prezentující hierarchickou strukturu řízení. Tato úloha umožňuje monitorování a řízení teplovzdušného modelu ze 4 úrovní řízení. Na této úloze si lze ověřit základní znalosti z problematiky syntézy regulačních obvodů. Tuto soustavu lze ovlivňovat pomocí tří akčních členů (1x žárovka a 2x ventilátor). Teplotu lze měřit pomocí tří termistorů umístěných v různých vzdálenostech od zdroje tepla. Jako regulátor je použit průmyslový počítač komunikující s externí I/O jednotkou DataLabI/O. Algoritmus v IPC využívá dva regulátory PID a dva dvouhodnotové regulátory. Důvodem použití čtyř regulátorů je možnost regulovat dvě veličiny současně s dvěma typy regulátorů. Standardní PC s CW5 Teplovzdušná soustava Signálové vodiče DataLabPC/LCD s CW5 TCP/IP USB rozhraní RS 485 DataLabI/O DataLabPC s CW5 Obr.2 Propojení hardware pro aplikaci Hierarchická struktura řízení
DataLabI/O je vstupně výstupní konfigurovatelná jednotka připojena k průmyslovému počítači (DataLabPC/LCD) pomocí standardního rozhraní USB. Tato jednotka dovoluje pracovat aplikaci v DataLabPC/LCD s diskrétními vstupy a výstupy, dále pak se 4-mi (8-mi) analogovými vstupy a 8-mi analogovými výstupy. Nadřazenou jednotkou pro tento systém je další průmyslový počítač DataLabPC, ten je propojen s DataLabPC/LCD pomocí RS 485 a je připojen k datové síti, přes kterou komunikuje s aplikaci spuštěnou na standardním PC. Posledním koncovým hardwarem je libovolné PC v síti internet. Hardwarové propojení je zobrazeno na obr.2. Aplikace na všech třech úrovních je vytvořená v software od firmy Moravské přístroje a.s. Úloha reálného řízení je vytvořená v prostředí Control Web 5 s využitím standardně dodávaných komponent (panely, tlačítka, PID regulátor ). S využitím ovladače pro komunikaci s jednotkou DataLabI/O jsou mapovány vstupy a výstupy z těchto regulátoru přímo na analogové vstupy a výstupy této jednotky (U1,U2,Y1,Y2). Konfigurace a aktivace regulátorů se provádí podle jednotlivých bytů rámců posílaných po RS 485 z vyšší úrovně řízení. Zpět jsou zasílaná aktuální data z reálné úlohy. Okno aplikace je na následujícím obrázku. Obr.3 Okno aplikace v prostředí Control Web 5 (DataLabPC/LCD) Pro tvorbu aplikací určených pro dálkovou správu řídicích systémů je velmi důležitým krokem vytvoření propracované logické struktury celé aplikace. Logická struktura úlohy je patrná z obr.4. Zde je vidět dělení aplikace jak z pohledu komunikace v datové síti tak z pohledu komunikace s vybraným vstupně/výstupním zařízením, v našem případě to je externí jednotka DataLabI/O s průmyslovým počítačem DataLabPC/LCD. Vazby mezi jednotlivými moduly aplikace jsou realizovány pomocí proměnných, ty tvoří interface mezi samostatnými funkčními celky. Pokud je k dispozici ovladač systému Control Web 5 k danému technickému prostředku lze z něj vytvořit pomoci komponenty firmy Moravské přístroje a.s. OPC server. Touto standardizací se rozšiřují možnosti takovýchto aplikací.
Standardní PC DataLabPC Modul další úlohy Modul komunikace TCP/IP Komuni -kace s nadřazenou úrovni Komuni -kace s nižší úrovni DataLabPC/LCD RS 485 USB Vlastní řízení a komunikace s DataLabI/O Obr.4 Logická struktura víceúrovňového distribuovaného řídicího systému Jednotlivé úrovně hierarchické struktury řízení mají specifická okna pro konfiguraci a monitorování reálné úlohy. S ohledem na bezpečný provoz této úlohy jsou omezená práva na vyšších úrovních řízení např. nelze měnit parametry regulátoru, ale lze měnit typ regulace s parametry nastavenými na nižší úrovni. 5. BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ TEPLOTY S VYUŽITÍM CAN SBĚRNICE V podmínkách laboratoře je vytvořen model polohování objektu s inteligentním ultrazvukovým senzorem. Tato úloha je rozšířená o měření teploty pohybujícího se objektu. Je zde provedena modifikace detekovaného objektu, který má vlastnost měnit teplotu. Obslužný program pro konfiguraci parametrů infračerveného teplotního senzoru je vytvořen v prostředí C a program určený pro monitorování je vytvořen v prostředí Control Web 2000. Aby detekovaný objekt vyzařoval teplotu pouze jedním směrem, je použita izolační pěna, která má na jedné straně přilepenou hliníkovou fólií. Na ohřev ocelové desky je použit odporový drát, který je elektricky izolován od ocelové desky a hliníkové fólie. Elektrickým izolantem je průhledná fólie, která vydrží 350 C. Na objektu se nachází regulátor i ukazatel teploty. Napětí na odporovém drátu je regulováno potenciometrem, který otevírá a zavírá výkonový tranzistor BDX33C. Hodnota proudu procházející odporovým drátem je 0-3 A. Tranzistor má maximální kolektorový proud 12 A. Ukazatel teploty snímá teplotu pomocí termočlánku, který je umístěn ve středu objektu. Pro zpracování, vyhodnocení a následný přenosu dat do monitorovacího systému je použita jednotka na basi jednočipového počítače řady PIC, která pomocí sběrnice CAN přenáší data do PC. Software pro PIC17C44 a servisní program pro modul infračerveného senzoru vychází z ultrazvukového senzoru, který je součásti tohoto systému. V systému Control Web 2000 jsou vytvořeny panely (panel Ovládání, panel Referenční hodnoty, panel Kalibrace a panel Graf ). V panelu Graf jsou grafy, které zobrazují aktuální stav ultrazvukového a infračerveného teplotního snímače. Dále lze aktuální hodnoty ukládat přímo do souborů (*.DBF).
Obr.5 Bezkontaktní měření teploty CAN sběrnice Infračervený teplotní senzor, typ OS136-1-V2 je připojen přes sběrnici CAN k PC přes obslužné programy a hlásí se pod zkratkou IRTS. Teplotní senzor je umístěn před ultrazvukovým senzorem. Maximální teplotu, kterou může snímač měřit je 70 C. OS136-1- V2 je schopen měřit až do 204 C, pouze za předpokladu, že je opatřen vodním chlazením. Detekovaný objekt má konstantní teplotu. Objekt lze programově vzdalovat od snímače a zaznamenávat hodnoty do souboru *.DBF. Např. u teploty 38,5 C je statická charakteristika se vzrůstající vzdálenosti objektu od senzoru konstantní do vzdálenosti 210 mm. Pak jsou odchylky od dané teploty větší a při vzdálenostech nad 210 mm teplota klesá. Obr.6 Okno v aplikaci systému Control Web 2000 pro bezkontaktní měření teploty
6. ZÁVĚR Příspěvek popisuje vybrané způsoby měření teploty v laboratorních podmínkách kat. 352. Je zde popsán způsob měření a ukládaní dat s využitím standardních průmyslových komunikačních rozhraní (RS 485, CAN). Jako snímače jsou použity termočlánky a termistory. Pro vyhodnocení naměřených dat, jsou použity externí jednotky nebo jednočipové počítače řady PIC. Monitorovací úroveň je realizována pomocí SCADA/MMI systému Control Web 2000 nebo jeho vyšší řadou Control Web 5. Jsou zde popsány části tří laboratorních úloh zabývajících se měřením, řízením nebo monitorováním teploty. Tato práce vznikla za podpory grantu GACR 101/07/1345. LITERATURA [1] CONTROL WEB 5. 2005. Manuál. Alcor - Moravské přístroje, a.s.,2005. Dostupný z www: <URL:http//www.mii.cz>. [2] HRBÁČEK, J. 2002. Komunikace mikrokontroléru s okolím. Praha, BEN-technická literatura, 2002, ISBN 80-86056-42-2. [3] VACEK, V. 2002. Praktické použití procesoru PIC. Praha, BEN-technická literatura, 2002, ISBN 80-86056-56-7. [4] VLACH, J. 2002. Počítačová rozhraní, přenos dat a řídicí systémy. Praha, BEN-technická literatura, 2002, ISBN 80-7300-010-5.