dr inĪ. Adam Piáat
AGH Katedra Automatyki mgr inĪ. Jakub Klocek OPTISTER Kraków
MODUàOWA APARATURA DO ZADAē
DIAGNOSTYKI I STEROWANIA
Niniejsze opracowanie przedstawia konfigurowalną aparaturĊ kontrolno-pomiarową dedykowaną do zadaĔ diagnostyki i sterowania. Gáówną cechą omawianej platformy sprzĊtowo-programowej jest jej uniwersalnoĞü ze wzglĊdu na liczbĊ wejĞü i wyjĞü oraz funkcjonalnoĞü. Moduáowa konstrukcja warstwy sprzĊtowej umoĪliwia dostosowanie aparatury zarówno do zadaĔ monitorowania, sterowania i przetwarzania sygnaáów analogowo-cyfrowych. Takie urządzenie moĪe byü skonfigurowane wedáug potrzeb pod konkretne zastosowanie. Opracowanie przedstawia wybrane przykáady i moĪliwoĞci zastosowania aparatury. Zamieszczono przykáadowe architektury programowe dedykowane do zadaĔ akwizycji i sterowania z wykorzystaniem tej aparatury. Walory sprzĊtowe zilustrowano zapisem z kilku testów sygnaáowych.
MODULAR APPARATUS FOR DIAGNOSIS AND CONTROL TASKS This elaboration presents the reconfigurable apparatus for diagnosis and control tasks. The main feature of the presented hardware-software solution is the flexibility for applications determined by the configurable number of inputs and outputs as well as functionality. The modular construction allows to adapt the apparatus for monitoring, control and signal processing tasks. Such device can be easily configured to the dedicated application. The selected examples and possible apparatus applications are presented. A few typical software configurations dedicated to the data acquisition and control tasks are given. The hardware features are illustrated by the experimental data from a few signal tests. 1. MOTYWACJA
Gáówną motywacją do wytworzenia opisywanej aparatury są prowadzone badania nad ukáadami aktywnej lewitacji magnetycznej [4, 5]. Wykorzystywane rozwiązania sprzĊtowe [3, 5, 6, 7] o szczególnych wymaganiach dot. sterowania, a wynikających z wáasnoĞci dynamicznych i skutkujących w relatywnie wysokich czĊstotliwoĞciach próbkowania rzĊdu 1í20 kHz i wiĊcej w zaleĪnoĞci od konfiguracji, posiadają swoiste wady i zalety. Potrzeba realizacji zadaĔ sterowania w warstwie sprzĊtowej po ich uprzednim przetestowaniu w zintegrowanym Ğrodowisku projektowania, modelowania i symulacji przyczyniáa siĊ do niniejszego rozwiązania sprzĊtowego. PodjĊto decyzjĊ o budowie indywidualnego rozwiązania sprzĊtowego o okreĞlonej wydajnoĞci i cechach istotnych z punktu widzenia aplikacji kontrolno-pomiarowych ukáadami wielowymiarowymi. Ponadto, ze wzglĊdu na wymagania czasowe ukáadów aktywnej lewitacji magnetycznej koniecznym byáo opracowanie platformy speániającej okreĞlone reĪimy czasowe narzucone przez dynamikĊ ukáadów aktywnej lewitacji magnetycznej. Warto nadmieniü, Īe obecnoĞü na rynku uniwersalnych rozwiązaĔ (oferowanych przez wiodących producentów aparatury kontrolno-pomiarowej moĪliwej do zastosowania w aplikacjach kontrolno-pomiarowych (dSPACE [1],
National Instruments [8], MATHWORKS [9, 2]) o pewnej nadmiarowoĞci rozwiązaĔ do przetwarzania sygnaáów przy jednoczesnym braku ukáadów zasilania mocy oraz ich wysoki koszt dziaáaáy motywująco do opracowania indywidualnego rozwiązania. Wytworzona aparatura jest konkurencyjna cenowo oraz daje peáną kontrolĊ nad wykonywanymi operacjami przetwarzania sygnaáów i obsáugi urządzeĔ wejĞcia/wyjĞcia.
2. ARCHITEKTURA APARATURY
Jak wspomniano, gáówną motywacją do opracowania opisywanej aparatury byáy prowadzone badania nad ukáadami aktywnej lewitacji magnetycznej, które stawiają wysokie wymagania aplikacjom sterowania ze wzglĊdu na moĪliwoĞü programowego nastawiania wáasnoĞci dynamicznych. DziĊki wysokim wymaganiom stawianym przez ukáady aktywnej lewitacji magnetycznej opracowana platforma sprzĊtowa zostaáa tak przemyĞlana, aby moĪna ją byáo zastosowaü w aplikacjach monitorowania i sterowania róĪnych urządzeĔ i procesów technologicznych. Opracowane rozwiązanie pozwala na dostosowanie konfiguracji aparatury pod konkretne zastosowanie. Zastosowanie magistrali sygnaáowej i danych pozwala swobodny przesyá sygnaáów analogowych i cyfrowych pomiĊdzy poszczególnymi moduáami. Moduáowa konstrukcja sprawia, iĪ aparatura ta moĪe byü rozwijana i doposaĪona w kolejne moduáy w zaleĪnoĞci od zapotrzebowania.
Moduá we/wy Moduá centralny Moduá akwizycji Moduá sterowania Moduá koĔcówki mocy Moduá zasilacza Moduá zasilacza koĔcówki mocy Magistrala sygnaáów Magistrala danych
Rys. 1. Architektura aparatury
ZaáoĪenie modularnoĞci i konfigurowalnoĞci sprzĊtu zostaáo speánione i moĪliwym jest w zakresie ograniczeĔ sprzĊtowych, konfigurowanie zestawu w zaleĪnoĞci od zastosowania. Z zaáoĪenia platforma ta ma sáuĪyü do badania i sterowania obiektami wielowymiarowymi (ang. MIMO), nie pomijając jednak ukáadów jednowymiarowych (ang. SISO).
Tabela 1. Zestawienie moduáów K.A.D.S.
Moduá gáówny Moduá gáówny komputera jest niezbĊdny do skonfigurowania aparatury í wzajemnych poáączeĔ miĊdzy moduáami oraz stanowi jednostkĊ
komunikacyjną z zewnĊtrznym komputerem klasy PC lub laptopem przez záącze USB i/lub opcjonalnie Ethernet. Moduá gáówny zawiera centralną jednostkĊ sterującą, która jest dedykowana do nadrzĊdnych zadaĔ
sterowania i wymiany danych z urządzeniami zewnĊtrznymi i moduáami sterownika. Jednostka centralna í mikroprocesor 32-bitowy.
Moduá
wejĞcia/wyjĞcia
Moduá wejĞcia/wyjĞcia umoĪliwia dowolną konfiguracjĊ sygnaáów wejĞciowych lub wyjĞciowych w iloĞci do 8 sztuk. Moduá ten moĪe byü uĪyty wielokrotnie w aparaturze w celu zapewniania dostatecznej iloĞci wejĞü/wyjĞü do obsáugi sterowanego procesu. Sygnaáy wejĞciowe są podáączane poprzez precyzyjne záocone záącza niskoszumowe Moduá A/C
01011011 11001001
Moduá akwizycji zawiera do 8 torów pomiarowych oraz pamiĊü o konfigurowalnej pojemnoĞci od 1 MB do 2 GB. Moduá ten realizuje zadania akwizycji jak i obliczeniowe (sterujące). Jednostka centralna í mikroprocesor 32-bitowy.
Moduá C/A
01011011 11001001
Moduá sterowania zawiera do 8 torów wyjĞciowych sterujących oraz pamiĊü o konfigurowalnej pojemnoĞci od 1 MB do 2 GB. Moduá ten realizuje zadania obliczeniowe i sterowania. Jednostka centralna í mikroprocesor 32-bitowy.
KoĔcówka mocy
B A
Moduá ten zawiera 2 sterowane wyjĞcia mocy do zasilania urządzeĔ zewnĊtrznych takich jak silniki DC, pompy, siáowniki i inne urządzenia automatyki. Zakres napiĊü wyjĞciowych to 0í50 V i prąd o natĊĪeniu 0í3 A na kanaá. Do kaĪdego z moduáów koĔcówki mocy jest niezbĊdny moduá zasilania koĔcówki mocy.
Zasilacz aparatury,
Moduá zasilacza; zasila sterownik konfigurowalny; musi byü zainstalowany w sterowniku w liczbie 1 szt.
Zasilacz
koĔcówki mocy
KM
Moduá zasilający koĔcówkĊ mocy obsáuguje jedną bądĨ dwie koĔcówki mocy w zaleĪnoĞci od obciąĪenia prądowego.
W aparaturze mogą zostaü zainstalowane nastĊpujące moduáy: x moduá centralny sáuĪący do konfiguracji sterownika,
x moduá wejĞcia/wyjĞcia zawierający elementy áączeniowe z czujnikami i zewnĊtrznymi urządzeniami wykonawczymi posiadającymi wáasne stopnie mocy,
x moduá akwizycji zawierający do oĞmiu kanaáów analogowo-cyfrowych umoĪliwiający rejestracjĊ sygnaáów pomiarowych i sterujących w pamiĊci,
x moduá sterowania zawierający do oĞmiu kanaáów cyfrowo-analogowych
umoĪliwiający sterowanie elementami automatyki. Sygnaá podáączany jest do moduáu wejĞcia/wyjĞcia lub koĔcówek mocy,
x moduá koĔcówki mocy zawierający dwa kanaáy wyjĞciowe sáuĪące do bezpoĞredniego sterowania zewnĊtrznymi elementami wykonawczymi takimi jak pompy, silniki, siáowniki itp.,
x moduá zasilacza sáuĪący do zasilania sterownika,
x moduá zasilania koĔcówki mocy sáuĪący do zasilania moduáu koĔcówki mocy.
Aparatura skáada siĊ z zestawu moduáów, które są umieszczane w obudowie przemysáowej (standard 19"). Obudowa ta zawiera panel tylny stanowiący element áączeniowy poszczególne moduáy. Panel ten zawiera 9 gniazd, do których moĪliwe jest podáączenie poszczególnych moduáów, gniazdo do podáączenia moduáu zasilania i miejsce na wstawienie moduáów zasilania koĔcówek. Zaprojektowana aparatura zostaáa opracowany tak, aby moĪna byáo ją umieszczaü w standardowych obudowach zgodnych ze standardami IEC. I tak moĪna ją zamontowaü w eurokasecie przeznaczonej do montaĪu w przemysáowych szafach sterowniczych, jeĞli zajdzie potrzeba przeniesienia w obrĊbie fabryki moĪna umieĞciü ją w przenoĞnej obudowie typu comptec. W przypadku zastosowania laboratoryjnego/ badawczego umieszczana jest w estetycznej obudowie ratiopacPRO, która moĪe byü w formie kasety 19" z rączkami, w obudowie pionowej (ang. tower) lub oscyloskopowej (z rączką uáatwiającą przenoszenie).
W celu zilustrowania moĪliwoĞci konfiguracyjnych pojedynczego zestawu w tabeli 2 zestawiono wybrane i typowe konfiguracje. Cechują je róĪne iloĞci poszczególnych moduáów w zaleĪnoĞci od docelowego przeznaczenia. Na tym etapie naleĪy zaznaczyü, iĪ autonomiczne konfiguracje aparatur mogą byü miedzy sobą áączone poprzez moduá wejĞcia/wyjĞcia stanowiący most analogowy pomiĊdzy aparaturami. DziĊki temu moĪliwym jest skonfigurowanie jednego zestawu jako typowo pomiarowego a drugiego jako bezpoĞrednio sterującego urządzeniami (z moduáami koĔcówek mocy). DziĊki tej dodatkowej uniwersalnoĞci i moduáowoĞci moĪliwym jest realizowanie záoĪonych zadaĔ monitorowania i sterowania procesami i obiektami wielowymiarowymi.
Konfiguracja 1 to zestaw dedykowany do zadaĔ sterowania. Moduáy We/Wy konfiguruje siĊ jako kanaáy wejĞciowe lub wyjĞciowe. DziĊki temu dwa pierwsze moduáy są przewidziane do dostarczania sygnaáów do przetworników A/C a trzeci do wyprowadzenia sygnaáów sterujących ze sterownika. Dodatkowo w tej konfiguracji dwie dwukanaáowe koĔcówki mocy pozwalają na bezpoĞrednie sterowanie czterema urządzeniami. Ostatecznie w tej konfiguracji moĪna sterowaü systemami o maksymalnie 16 wejĞciach i 10 wyjĞciach. Podobną architekturĊ ma sterownik 2, w którym uĪyto wyáącznie ukáadów mocy do sterowania, co sprawiáo, iĪ w stosunku do poprzedniej konfiguracji wysterowuje siĊ 6 urządzeĔ wykonawczych, jednakĪe Īadne zewnĊtrzne urządzenia mocy nie są juĪ wymagane. Konfiguracja numer 3 zakáada, iĪ system posiada wáasne stopnie mocy przy urządzeniach wykonawczych i potrzebne jest przetwarzanie 16 sygnaáów wejĞciowych i 16 wyjĞciowych. Taka konfiguracja pozwala na sterowanie systemami wielowymiarowymi. ZastĊpując moduá C/A moduáem A/C moĪna przetwarzaü 24 sygnaáy pomiarowe i generowaü 8 sterowaĔ. Konfiguracja numer 4 jest dedykowana do realizacji zadaĔ pomiarowych, bowiem umoĪliwia odczyt sygnaáów z 32 Ĩródeá.
Tabela 2. Zestawienie wybranych konfiguracji
Slot Konfiguracja 1 Konfiguracja 2 Konfiguracja 3 Konfiguracja 4 1 2 3 01011011 11001001 4 01011011 11001001 0101101111001001 5 01011011 11001001 B A 01011011 11001001 0101101111001001 6 01011011 11001001 B A 01011011 11001001 0101101111001001 7 B A B A 01011011 11001001 01011011 11001001 8 B A Zasilacz mocy 1 01011011 11001001 01011011 11001001 9 10 11 KM KM 12 KM KM 3. OBSàUGA PROGRAMOWA
Moduá gáówny stanowiący jednostkĊ centralną pozwala na wymianĊ danych pomiĊdzy aparatura a komputerem nadrzĊdnym. Oprogramowanie konfigurujące oraz wymiany danych pozwala na konfiguracjĊ aparatury oraz prowadzenie eksperymentów. Integracja na platformie Windows z oprogramowaniem MATLAB/Simulink umoĪliwia wizualizacjĊ danych, programowanie moduáów przetwarzania C/A oraz realizacjĊ nadrzĊdnych zadaĔ sterowania i optymalizacji. Zastosowanie moduáu do zegarowych wywoáaĔ cyklicznych z maksymalną czĊstotliwoĞcią 1 kHz gwarantuje zachowanie reĪimów czasowych (rys. 2 i 4). Tym samym zadania analizy danych, modyfikacji sterowania oraz rekonfigurowanie aparatury moĪe byü przeprowadzone z zachowaniem reĪimów czasowych. Inna moĪliwą konfiguracją jest podáączenie aparatury do Ğrodowiska Simulink i wykorzystanie go do analizy i wizualizacji danych pomiarowych oraz rekonfiguracji aparatury (rys. 3). W podstawowej postaci Simulink nie zapewnia reĪimów czasu rzeczywistego. DoposaĪenie Simulink-a w taką warstwĊ umoĪliwia realizacjĊ zadaĔ sterowania w czasie rzeczywistym. Najbardziej zaawansowanym zastosowaniem aparatury jest wykorzystanie jej jako docelowego ukáadu sterowania z nadrzĊdną warstwą optymalizacji i adaptacji sterowania.
Buforowa wymiana danych pozwala na prowadzenie róĪnorakich eksperymentów i zastosowanie aparatury w wielu aplikacjach przemysáowych (chemicznych, transportu ciepáa, masy, urządzeniach elektromechanicznych, mechatronicznych, itp.) oraz badawczych (rys. 4). K.A.D.S. Obsáuga w czasie rzeczywistym Wizualizacja i analiza danych, programowanie aparatury celem zmiany funkcjonalnosci Rys. 2. Akwizycja danych, generowanie sygnaáów, adaptacja sterowania lub nadrzĊdne sterowanie
z wykorzystaniem pakietu MATLAB
K.A.D.S. Sterownik urządzenia dla pakietu Simulink Wizualizacja i analiza danych Rys. 3. Akwizycja danych z wykorzystaniem pakietu Simulink
K.A.D.S. Obsáuga w czasie rzeczywistym Algorytm identyfikacji, optymalizacji i sterowania Bufor pomiarowy Bufor sterowaĔ Parametry regulatora
Dla 10 tys. zarejestrowanych zdarzeĔ przez moduá obsáugi w czasie rzeczywistym (rys. 2 i 4), dokonano analizy czasu wystąpienia i zaobserwowano nastĊpujące wskaĨniki procentowe: 0,02 %, 59,97 %, 39,99 %, 0,02 % odpowiednio dla chwil czasu: 78,0016 ms, 94,0000 ms, 108,9999 ms, 109,9984 ms (rys. 5). Obserwowany brak punktualnoĞci (ang.
jitter) jest związany z dziaáaniem mechanizmu czasowego na platformie Windows. Brak
punktualnoĞci na poziomie –6 ms i +9 ms z punktu widzenia aplikacji sterowania nadrzĊdnego jest akceptowalny, bowiem algorytm ten ma dokonywaü zadaĔ decyzyjnych co do wypracowania nowego sterowania bądĨ zmiany nastaw ukáadu regulacji bezpoĞredniej.
70
80
90
100
110
120
10
010
210
4Czas [ms]
Il
osc zd
ar
zen
Rys. 5. Histogram zdarzeĔ dla procedury czasu rzeczywistego z Īądaniem wykonania co 100 ms
4. POMIARY TESTOWE
W celu wizualizacji dziaáania aparatury przeprowadzono test polegający na generowaniu sygnaáu prostokątnego przez moduá C/A oraz jego pomiarze przez moduá A/C. Jako sygnaá testowy wybrano sygnaá prostokątny. Od tego typu sygnaáu, zwáaszcza w aplikacjach sterowania czasooptymalnego wymaga siĊ precyzji w generowaniu zbocza, punktualnoĞci i powtarzalnoĞci. Na rys. 6 przedstawiono zbocze opadające sygnaáu zarejestrowane przez moduá A/C pracujący z próbkowaniem 250 kHz (okres próbkowania 4 Ps).
0
4
8
12
16
20
24
18495
65434
Czas [us]
u
Ten sam sygnaá zmierzony oscyloskopem miaá szerokoĞü zbocza wynoszącą 1,36 Ps. ħródáem sygnaáu byáo napiĊcie wyjĞciowe przetwornika C/A o czasie ustalania 5 ns. Zarejestrowane przeáączenie jest Zarejestrowanie peánego przeáączenia zajmuje 8 Ps ze wzglĊdu na czĊstotliwoĞü próbkowania, to jednak w wiĊkszoĞci aplikacji sterowania czasooptymalnego jest bardzo dobrym wynikiem i nie bĊdzie miaáo skutków w dynamice sterowanego ukáadu o staáych czasowych wiĊkszych niĪ 100 Ps.
Inną waĪna z punktu widzenia aplikacji sterowania i pomiarów jest moĪliwoĞü pracy wielokanaáowej z programowalną czĊstotliwoĞcią próbkowania jednoczesnego lub nie. W pierwszym przypadku wszystkie kanaáy są próbkowane z tą samą czĊstotliwoĞcią, zaĞ w drugim z róĪną. Pozwala to na zastosowanie aparatury w aplikacjach sterowania o róĪnych staáych czasowych i optymalne dostosowanie czĊstotliwoĞci próbkowania i zasobów pamiĊci do zadaĔ sterownia. Na rys. 7 przedstawiono sygnaáy próbkowane z czĊstotliwoĞcią 160 kHz po normalizacji. Analizując dane obserwuje siĊ caákowity brak przesáuchów miĊdzy kanaáami. Rys. 8 ilustruje akwizycjĊ z czĊstotliwoĞcią 250 kHz czterech róĪnych sygnaáów generowanych przez moduá C/A pracujący z czĊstotliwoĞcią 51 kHz. Otrzymane wyniki potwierdzają prawidáowoĞü funkcjonowania aparatury i jej potencjalne moĪliwoĞci z punktu widzenia zastosowania w aplikacjach diagnostyki i sterowania.
a) 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 1 b) 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 2 c) 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 3 d) 0 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 4
Rys. 7. Równolegáe próbkowanie z czĊstotliwoĞcią 160 kHz na czterech kanaáach róĪnych sygnaáów generowanych z tą samą czĊstotliwoĞcią
a) 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 1 b) 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 2 c) 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 3 d) 0.5 1 1.5 0 0.5 1 Czas [ms] A/ C 4
Rys. 8. Równolegáe próbkowanie z czĊstotliwoĞcią 250 kHz na czterech kanaáach sygnaáów generowanych z czĊstotliwoĞcią 51 kHz
5. PODSUMOWANIE
Opracowana moduáowa aparatura (rys. 9) do zadaĔ diagnostyki i sterowania stanowi ciekawą alternatywĊ dla rozwiązaĔ dostĊpnych na rynku. Ma ona wiele istotnych cech znaczących z punktu widzenia sterowania bezpoĞredniego i nadrzĊdnego. Wielokanaáowa akwizycja danych z programowaną czĊstotliwoĞcią pozwala na jednoczesną diagnostykĊ stanu caáego systemu. RównieĪ jednoczesne generowanie sygnaáów eliminuje wystĊpowanie opóĨnieĔ w torze sterowania. Moduáowa konstrukcja pozwala na dostosowanie aparatury do wymagaĔ stawianych zadaniom badawczym, diagnostycznym i sterowania.
PODZIĉKOWANIE
Praca powstaáa w ramach projektu badawczego 3585/B/T02/2009/37 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa WyĪszego
BIBLIOGRAFIA
1. dSPACE Systems, http://www.dspaceinc.com 2. MC Wavebook/516E, http://www.mccdaq.com
3. Piáat A., Piątek P.: Multichannel control & measurement board with parallel data processing, Recent advances in control and automation, Academic Publishing House EXIT 2008, pp. 373–380
4. Piáat A. Analiza sprĊĪystoĞci i táumienia przy lokowaniu biegunów w systemie aktywnego zawieszenia magnetycznego, Automatyka 2009, t. 13 z. 1, pp. 43í54
5. Piáat A., Sterowanie systemami magnetycznej lewitacji – Rozprawa doktorska, Katedra Automatyki AGH, Kraków, 2002
6. Piáat A., Grega W.: Hardware and software architectures for reconfigurable time-critical control tasks, Computer Science, 2007 vol. 8, pp. 69–81
7. Rosóá M., Piáat A., Turnau A.: Real-time controller design based on NI compact-RIO, Proceedings of the International Multiconference on Computer Science and Information Technology. Vol. 5, October 18–20, 2010, Wisáa, Poland, pp. 825–830
8. Rozwiązania sprzĊtowe i Oprogramowanie LabVIEW, http://www.ni.com 9. xPCTarget, http://www.mathworks.com/products/xpctarget/
