《自动化撷取与监控发展简介蔡明忠国立台湾科技大学工》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动化撷取与监控发展简介蔡明忠国立台湾科技大学工（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、自动化资料撷取与监控发展简介蔡明忠国立台湾科技大学工Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望Communication,networkDevelopment of sensing and controlCentralization controlDCS, PLC, Remote I/OCommunication,networkDistributed,Openarchitecture,Intelligent, Smart I/O23傳統分散式控制架構傳統分散式控制架構4以個人電
2、腦及控制網路為基礎之控制架構以個人電腦及控制網路為基礎之控制架構5Remote Data Acquisition . Intelligent sensor to controller / computer . Built-in RS-232/RS-485 . Built-in Microprocessor . Programmable I/O . Wireless - Radio modem module . Network - Ethernet, control area network(CAN), Lonwork, . Open architecture - . Friendly MMI
3、(HMI: Human Machine Interface)6OPENI/OArchitecture7Open_ControlisaprogrammablecontrollerwhichisdesignedbasedontheLonWorkscommunicationtechnology.8FieldBussystemsinopennetwork1.ARCNET(AttachedResourceComputerNetwork)2.PROFILBUS(PROcessFieldBus)3.InterbusS(EN50254)4.SERCOS(SerialRealtimeCommunicationS
4、ystem)-www.sercos.org5.CAN(ControlAreaNetwork)www.can-cia.de6.IEEE1394(Firewire)-www.1394ta.org7.IndustrialEthernet8.EIB(EuropeanInstallationBus)9.Lonwork(LocalOperatingNetwork)10.others-Controlnet,WorldFIP,AS-interface9Future Development.Powerful faster host CPU and accessories.Friendly MMI(HMI), P
5、C-based, Window-based.Opened Communication , Network , shared database.Reliability Hardware/ software.Low cost competitive, compatibility.Smarter intelligence( Intelligent ) I/O, DSP, distributed.Smaller Micro sensor, Micro-mechatronics10智慧型I/O與傳統I/O最大的區分，在於它具有類似控制系統之運算、控制及通訊功能以及處理能力，而非只是結合了驅動器及感測器或
6、是結合多種感測器在一起的轉換器。智慧型I/O簡介11Asmartsensormodule12資料擷取系統簡介資料擷取系統簡介1.何謂資料擷取系統？2.資料擷取系統的發展歷史3.資料擷取基本原理4.資料擷取軟硬體系統6.PC-basedControlNet13 廣義的資料擷取系統：量度量度、控制控制與通訊通訊量度系統量度系統：將感測器送來的信號作轉換及前置處理，化作類比數位轉換電路所能處理且解析度最佳的信號，透過電腦運算出量度物理量的數值，透過人機介面或輸出介面送出訊息。控制系統控制系統：可能接收到的是反饋信號，除了與量度系統同樣進行感測之外，電腦的軟體還必須負責控制器的功能，決定適當的輸出，驅
7、動致動器來進行控制。資料擷取系統簡介資料擷取系統簡介14資料擷取是為量測真實訊號(物理現象)，如透過電壓將訊息帶入電腦中來處理、分析、儲存或者做其他處置。物物理理現現象象:如速度、溫度、濕度、壓力、流速、酸鹼值、啟動停止、放射能、光度等轉轉換換器器與與感感測測器器:物理現象-電子訊號，如熱電偶為一轉換器，將溫度轉換呈電壓大小，即可以類比-數位轉換器量測，或如應變錶、流速儀與壓力錶等轉換器，分別可以量測力量、流速與壓力。資料擷取用途資料擷取用途15資料擷取系統與時代潮流資料擷取系統與時代潮流 過去的量測元件原理限於機械電磁的運作，整體的量測必須在獨立的儀器上進行數位技術發展，除了使儀器上能進行分
8、析外，在整合性上也有了很好的進步，產生了儀器與儀器或電腦相連接的自動化量測系統（如RS232或GPIB）後來則有AD/DA卡為中心的量測控制系統，而更進步的資料擷取系統，則是如VXI的高級量測系統作為代表。16EvolutionofInstrumentationPCTVRadioClockTimeFlexibility0501002575Scope(Digital)CRTTransistorVaccumtubeIC/ASICVIAnalogElectronic17以下為各時代的資料擷取特色：1.類比儀器（所有功能在單一機體）2.IEEE488介面及可擴充的儀器（數位化、儀器之間的通訊、資料傳輸
9、）3.AD/DA、GPIB卡加上電腦軟體4.VXI系統（儀器插卡化、電腦本身規格的提昇、免去連線的問題、通訊速率的提昇）18資料擷取基本原理資料擷取基本原理類比到數位的轉換中有兩個重要的參數：解析度（Resolution）及取樣率(SamplingRate)。解析度:即為經過數位轉換後所造成的量化誤差，因為在電腦中紀錄資料的位元組是有限的，以MIO卡的類比數位轉換埠而言，如10V的輸入電壓可以12Bits來紀錄，意即它的精確度的極限是：10/212=0.224mV19資料擷取基本原理資料擷取基本原理與解析度相關的前置處理是放大倍數，通常會將輸入信號放大轉換區間，如信號大小為0.1V，而類比數位
10、轉換埠最大輸入為10V，則可放大100倍，以減少誤差(提高解析度)。取樣率：（信號的頻率）（點數/一週期波形）取樣率NyquistTheorem:取樣率至少為信號頻率大小兩倍.20SamplingRate Determines how fast A/D conversions take place Signals must be sampled fast enough to properly reproduce the signal Aliasing signal is undersampledAliasedduetoundersamplingAdequatelysampled21Simult
11、aneousSamplingFor applications where the time relationship between signals is importantInstrumentation amplifier and sample-and-hold circuitry for each channelMux connects channels to the ADCExample Four 50 kHz signals sampled at 200 kHz ADCS/HInstAmpInstAmpS/HAnalogMuxChannel 1Channel 2Channel 1Cha
12、nnel 2Channel 1Channel 4Channel 3Channel 2Simultaneous Sampling15ns(0.09ophaseshift)betweenCh1&4(SC-2040orSCXI-1140)Channel 1Channel 4Channel 3Channel 2Round Robin Sampling15ms(270ophaseshift)betweenCh1&422HighspeedsamplingrateSomedigitizingoscilloscopescanuseequivalent-timesamplingtocaptureveryfast
13、repeatingsignals.Equivalent-timesamplingconstructsapictureofarepetitivesignalbycapturingalittlebitofinformationfromeachrepetition1GHz*1/1000=1MHz。即1MHz取樣率可擷取1GHz訊號(週期性訊號)23Highspeedsamplingrate 24Elements of an Instrumentation System25Signal Classification26272829資料擷取系統資料擷取系統- Signal Conditioning30
14、AmplificationMaximizes use of ADC range and increases accuracyIncreases SNRSignalVoltageS.C.*AmplificationNoise inLead WiresDAQ BoardAmplificationDigitizedVoltageSNRAmplify only atDAQ Board.01 VNone.001 Vx1001.1 V10Amplify at S.C.*and DAQ Board.01 V.001 V.001 Vx10x100x101.01 V100Amplify only atS.C.*
15、.01 VNone1.001 V 1000SignalConditioning31CommonTypesofSignalConditioningThermocouplesRTDsStrain GaugesCommon Modeor High VoltagesLoads Requiring AC Switchingor Large Current FlowSignals with HighFrequency NoiseTransducers/SignalsAmplification, Linearization, andCold-Junction CompensationCurrent Exci
16、tation, Four Wireand Three Wire Configuration,LinearizationVoltage Excitation, BridgeConfiguration, and LinearizationIsolation Amplifiers(Optical Isolation)Electromechanical Relaysor Solid-State Relays Lowpass FiltersDAQ-STCSignal ConditioningDAQ Board32Transducer ExcitationExternal voltage or curre
17、nt applied to transducerProvided by signal conditioning hardwareLinearizationMost transducers are not linearCan be done in hardware or softwareIsolationProtects hardware from high voltagesUsed in systems with high common-mode voltagesFilteringRemove noise or unwanted signals4 Hz filter (SCXI-1121) o
18、ptimum for removing 60 Hz AC noise from slowly sampled signalsAntialiasing filtersSignalConditioning33Signal Sources and Measurement SystemsGrounded Signal Source Plug-in instruments with non-isolated inputsFloating Signal Source Thermocouples Signal conditioning with isolated outputs Battery-powere
19、d devices Grounded Floating Differential Referenced Single-Ended(RSE) Non-Referenced Single-Ended (NRSE)RsVsVmMeasurementSystem+-SignalGroundingandMeasuringTechniques34?DifferentialRSENRSEFloatingGroundedSignalConnections35=+-+-Vm = Vs + DVg* Ground loops: Difference in potential between source grou
20、nd and measurement system ground Often appears as 60 Hz noiseBest method differentialCan also use NRSE (uses fewer channels)Both methods avoid ground loops*IncorrectCorrectMeasurement SystemGroundSourceGroundGround referencedmeasurement systemGrounded signal source=+-+-Vm = (Vs + DVg) - (DVg) = VsNo
21、nreferenced ordifferentialmeasurement systemGrounded signal sourceDVgVsDVgVsDVg+-Vs+-Vs+-MeasuringGroundedSources36Measure with differential, RSE or NRSEDifferential or NRSEUse bias resistors (10 kW W to 100 kW W)Ensure common-mode voltage does not exceed board limitsRSE or NRSEUse when signals are
22、high and noise is lowAll signals should be commonly grounded at the source+-+-R1R2Bias current injectedinto system by theinstrumentation ampResistors (10 kW R 100 kW) provide a return path to ground for instrumentation amplifier input bias currents. Only R2 is required for DC-coupled signal sources.
23、 For AC-coupled sources, R1 = R2.MeasuringFloatingSignalSources37383940資料擷取資料擷取提高效率要訣提高效率要訣1.使用高效能界面硬體使用高效能界面硬體/驅動程式驅動程式2.使用個人電腦使用個人電腦/標準的作業環境標準的作業環境3.使用適當的儀控軟體使用適當的儀控軟體4.使用具彈性的儀控架構使用具彈性的儀控架構5.與資訊網路結合與資訊網路結合41模組化的軟體架構模組化的軟體架構程序程序Test Management ServicesSPCSQL報表報表Test Exec儀器驅動程式儀器驅動程式重覆使用率重覆使用率80%90%
24、50%42LabViEW可以控制DAQ卡讀取類比輸入訊號，讀取或送出數位訊號和安排內建計時器來量測頻率、產生脈衝等，對於類比輸入訊號而言，來自感應器的電壓資料透過即插式DAQ卡將訊息帶入電腦中來處理、儲存或做其他處置。DAQ系統實現43PC-based DAQ架構架構GPIB InstrumentsSerial InstrumentsDAQ ProductsUnit to be Tested/ measuredProcess- sensor, ActuatorsVXI InstrumentsApplication SoftwarePC or Workstation硬體及驅動程式硬體及驅動程式控
25、制及應用軟體控制及應用軟體44Application SoftwareInterface SoftwareDAQ solution 軟體支援LabVIEWLabWindows/CVIMATLABVisual BasicC/C+.DAQ BoardPCI/ISADriver(NI-DAQ)Mac, DOS, Win 95/98/ NTMac, DOS, Win 95/98/ NTData In/Out45電腦控制量測儀器電腦控制量測儀器簡化儀控流程簡化儀控流程(儀器驅動程式儀器驅動程式)數據收集及測試決策可同時進行數據收集及測試決策可同時進行人機人機Remote Access量測自動化利器量測自
26、動化利器 IEEE488.2DesktopPCIISAMACSUNPortablePCMCIAParallelSerialEthernetWirelessGPIBDigital ScopePlant Device46 選擇選擇DAQ卡考慮項目卡考慮項目 Test & Measurement World Survey0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%硬體可靠度硬體可靠度準確度準確度軟體可靠度軟體可靠度使用容易使用容易整合性整合性技術支援技術支援t先進技術先進技術價格價格價值價值長期成本長期成本廠牌廠牌產品選擇性產品選擇性Test & Measurement World 1
27、995PC-BasedTestMarketInsightStudy47資料擷取與資料擷取與電腦技術發展電腦技術發展CPU硬體硬體軟體軟體網路網路LANsLANsInternetInternetMITE48CaseStudy:FordIn-VehicleFieldPrototypeTesting需求：可攜帶牢固、耐需求：可攜帶牢固、耐溫的測試系統溫的測試系統挑戰：需要以多種儀表挑戰：需要以多種儀表清楚顯示數據清楚顯示數據方案：工業級可攜帶電方案：工業級可攜帶電腦、腦、LabVIEW軟體及軟體及資料擷取介面卡資料擷取介面卡49CaseStudy:DesignVerification用影像量測半導體
28、溫度變化用影像量測半導體溫度變化需求：要達到需求：要達到micron 解解析度的溫度量測析度的溫度量測挑戰：非接觸式量測半挑戰：非接觸式量測半導體零件溫度分部導體零件溫度分部方案：方案：LabVIEW-based 液晶感測系統加上液晶感測系統加上 IMAQ PCI-1408 影像擷影像擷取卡及辨識軟體取卡及辨識軟體50Case Study: TraulsenNSF 規格冷凍庫測試規格冷凍庫測試挑戰：附合挑戰：附合NSF規格規格測試冷凍庫測試冷凍庫方案：方案： LabVIEW資資料擷取介面卡，料擷取介面卡， SCXI 前端處理硬體前端處理硬體51Reference(1.)“次世代自動化技術趨勢與
29、應用”,中華民國自動化協會研討會,Feb.1997(2.).蔡明忠,”AutomatedSensingandremotecontrol”,1997生產自動化與控制之教學與訓練研討會,國立台灣科技大學自動化及控制中心,03/1997(3.).“新世代PC-based控制技術發展研討會”,中華民國自動化協會研討會,05/1998(4.)Lonworksseminar,Echelon,知業科技,1996(5.)ANCOInc.(OPENAUTOMATION),”OPEN-IOintroduction”;http:/.tw/(6.)葉文彬, “整合控制網路與智慧型I/O在非集中式控制系統之開發研究”,國立台灣科技大學 工程研究所 自動化及控制學程碩士論文, 06/1998.(7.)NIday199852
