Page 1

P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A numer

200 stron !

PAR miesięcznik naukowo-techniczny

10/2013 ISSN 1427-9126 Indeks 339512 Cena 10,00 zł w tym 8% VAT

www.par.pl

TEMAT NUMERU

ROZMOWA PAR

RYNEK I TECHNOLOGIE

Systemy komunikacji

Wywiad z profesorem Józefem Giergielem z Politechniki Rzeszowskiej

Systemy zdalnego odczytu i kontroli

30

65

80


Dział      Sekcja

90 %

system szybkiej wymiany SWS

szybsza wymiana chwytaka

głowica obrotowa

SRH-plus

Standardowa klasa ochrony

IP67

PGN-plus Nr

1

2-palczasty chwytak równoległy

z prowadzeniem wielozębnym

Państwa zautomatyzowany system załadunkowy. Czas wykorzystać cały potencjał. www.pl.schunk.com/wykorzystujemy-potencjaly Jens Lehmann, Ambasador Marki rodzinnej firmy SCHUNK

2

AnzSynergie_PGNplus_SRH_SWS-I_PL_0413_205x295.indd 1

27.09.13 07:00


Od Redaktora Naczelnego Szanowni Czytelnicy, Drodzy Autorzy, Partnerzy i Współpracownicy Wydanie 200. numeru miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka”, który właśnie trzymają Państwo w rękach, jest doskonałą okazją do wspomnień. Dobrze pamiętam przygotowania pierwszego numeru, z nieżyjącą już Panią Adelą Kaczanowską. Wszyscy byliśmy bardzo podekscytowani. Był rok 1997. Zdecydowaliśmy, że pismo zadebiutuje na targach Automaticon. Przygotowany z wielką determinacją i poświęceniem pierwszy numer miał przyjechać w dniu rozpoczęcia targów. I tak się stało. Niestety, po rozerwaniu paczek okazało się, że druk jest zupełnie nie do przyjęcia – okładka była niemal biała, z trudem można było domyślić się, co na niej jest. Oczywiście zażądaliśmy od drukarni ponownego wydruku, jednak w efekcie tych zawirowań pierwszy numer nowego pisma dotarł na targi nie w dniu otwarcia, lecz dopiero kolejnego dnia. Uznaliśmy wtedy, że ten falstart musi być zapowiedzią przyszłych sukcesów, co poniekąd – jeśli wolno tak nieskromnie powiedzieć – też się stało. Jakiś czas później – może rok, może trochę więcej – miałem okazję z ramienia PIAP pojechać do browaru w Leżajsku, gdzie negocjowaliśmy jakąś umowę. Pamiętam, jak w trakcie krótkiej przerwy inżynier, który reprezentował browar w tych rozmowach, przeprosił nas, informując, że musi coś zjeść, po czym wyciągnął z teczki kanapkę w nieco zatłuszczonym papierze, a zaraz za nią – także dosyć zatłuszczony numer PAR-u, i częstując nas kawą, zaczął go przeglądać. Pomyślałem wtedy, że to jest to, o co nam chodziło: by inżynier chciał do naszego pisma zajrzeć i żeby było mu ono pomocne. W podobnym czasie miałem wielką przyjemność odwiedzić w Akademii Górniczo-Hutniczej profesora Ryszarda Tadeusiewicza. Gabinet maleńki, ale bardzo gustownie urządzony, z reprodukcjami Klimta na ścianach. Profesor w pewnym momencie wyszedł, ja zaś zacząłem rozglądać się wśród półek z książkami i różnymi materiałami. Gdy dostrzegłem wśród nich PAR, uznałem, że trudno o bardziej szacowne miejsce. Jakiś czas później profesor został poproszony o zaopiniowanie naszego pisma, co uczynił skrupulatnie i z życzliwością, ale też nie bez wskazania słabości. Niedługo po wizycie w AGH zostałem wezwany w jakiejś sprawie do Ministerstwa Gospodarki (wtedy jeszcze było to Ministerstwo Przemysłu). Także tam, na biurku urzędnika, wśród kilku innych pism dostrzegłem numer PAR. Gdy poruszyłem ten temat, urzędnik potwierdził, że pismo jest w ministerstwie prenumerowane i że między innymi on – z racji tego, że jest automatykiem – po nie sięga. Wtedy pomyślałem, że spełniły się nasze oczekiwania, by PAR był czasopismem, które trafia do różnych środowisk i które te środowiska – zainteresowane automatyką, robotyką, aplikacjami w przemyśle – integruje. Pragnęliśmy stworzyć narzędzie porozumiewania się, i po tej kolejnej wizycie uznałem, że to nam się udało. A co najważniejsze, to narzędzie – w niełatwych często warunkach – nadal funkcjonuje. Kluczową kwestią są zasoby ludzkie, czyli redakcja, kontakty, nawiązane znajomości, powiązania między różnymi środowiskami. Dlatego z tak ogromnym sentymentem i uznaniem, ale też i nadzieją myślimy o tych, którzy w różny sposób są z PAR-em od wielu lat – korzystając z niego, pomagając innym i wspierając nasze działania wydawnicze. To jest podstawowa wartość, która – wierzę – przetrwa niezależnie od okoliczności.

dr inż. Jan Jabłkowski redaktor naczelny miesięcznika naukowo-technicznego „Pomiary Automatyka Robotyka”, dyrektor Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

3


Spis treści      

Wydarzenia

SCHWEISSEN&SCHNEIDEN 2013 Tegoroczne targi w Essen spokojnie

22

można by nazwać robotowymi targami cięcia i spawania. Praktycznie każdy większy wystawca prezentujący swoje urządzenia starał się przekonać zwiedzających, że pokazywany sprzęt jest idealny do wykorzystania z dowolnym typem robotów. Tak prezentowali się   zarówno producenci palników spawalniczych,   jak i producenci spawarek.

Wydarzenia

Temat numeru

 8

Aktualności

Systemy komunikacji

17

PAR po raz 200!

38

Przełączniki przemysłowe firmy MOXA

26

ASTOR Innovation Room

42

28

Proteus zadebiutował na Stadionie Narodowym

Superszybka sieć 4G – nowa generacja komunikacji bezprzewodowej

44

HARTING RJ Industrial 10G

69

Międzynarodowa Konferencja Mechatronics: Ideas for Industrial Applications

46

Otwarta komunikacja w świecie sterowników Saia PCD

104

Seminaria naukowe PIAP. Semestr XLI „Jesień 2013”

48

Sieci bezprzewodowe w przemyśle

49

Komunikacja aktywna i pasywna

50

Sieciowe moduły pomiarowo-sterujące w ofercie GURU Control Systems

Nowości 14

Nowe produkty

102

Nowe zamki szybkiego montażu CQT.FM

APLIKACJE 54

30 Temat numeru

Rozwój technologii komponentów do komunikacji w sieciach przemysłowych Technologia urządzeń w komunikacji przewodowej jest dziś na bardzo wysokim poziomie i wciąż się rozwija, ponieważ rynek aplikacji sieciowych wymaga komponentów o coraz wyższych parametrach.

4

System testowania presostatów do 40 bar


Automatyka 70

Nowe sterowniki mocy Jumo TYA 201 i TYA 202

72

Patent na silne prądy

73

Nowa seria K5 sterowników PLC

Robotyka 74

Rozwój systemów automatyzacji produkcji – chwytak PGN-plus firmy SCHUNK z prowadnicami wielozębnymi

65

Rozmowa PAR

Pokora znakiem rozpoznawczym uczciwego naukowca

Pomiary

Wywiad z profesorem Józefem Giergielem o mechatronice, filozofii, roli nauki, przyszłości i nie tylko.

76

Mierniki stężenia CO2 – część I

78

Skanery temperatury

79

Pewny pomiar w trudnych warunkach

62

Rynek i technologie 80

Identyfikacja radiowa – możliwości i ograniczenia

88

Technologie RFID w produkcji i logistyce

92

RFID a zdrowie i bezpieczeństwo

94

RFID BIS U: odczyt z dużej odległości

96

RFID we współczesnych komponentach bezpieczeństwa

99

TRIZ przepisem na sukces

100

Bezbłędne RFID

Kontynuacja na str. 6

APLIKACJE P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP oraz PIAP OBRUSN, na zlecenie Instytutu Technologii Mechanicznej Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki

PAR 200 numer stron !

Modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej

Miesięcznik naukowo-techniczny Pomiary Automatyka Robotyka

miesięcznik naukowo-techniczny

10/2013 ISSN 1427-9126 Indeks 339512 Cena 10,00 zł w tym 8% VAT

www.par.pl

Rok 17 (2013) nr 10 (200) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

Poznańskiej, zrealizowali wspólny projekt „Modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej” – stanowisko dydaktyczne w Laboratorium Modelowania Elastycznych

Linii Produkcyjnych.

Na okładce: Modułowy zarządzalny switch przemysłowy Moxa EDS-611

TEMAT NUMERU

ROZMOWA PAR

RYNEK I TECHNOLOGIE 

Systemy komunikacji

Wywiad z profesorem Józefem Giergielem z Politechniki Rzeszowskiej

Systemy zdalnego  odczytu i kontroli 

30

65

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

80

5


Spis treści      

Kontynuacja ze str. 5

193

138

Nowy układ elektroniczny cyfrowej symulacji rezystancyjnych czujników temperatury

dr inż. Jacek Korytkowski, prof. PIAP – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

144

Kierunki zmian we współczesnej metrologii naukowej

dr inż. Wojciech T. Chyla – RADWAG Wagi Elektroniczne, Radom

150

Korekcja błędów obróbki złożonych powierzchni kształtowych na frezarskich centrach obróbkowych

dr inż. Andrzej Werner – Zakład Inżynierii Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Białostocka

156

Adaptacja regulatora PI za pomocą reguł logicznych

Forum młodych

Projekty ESA szansą dla studentów

mgr inż. Tadeusz Hoczek – Wydział Automatyki Elektroniki i Informatyki, Politechnika Śląska

Uzyskanie przez Polskę jesienią 2012 r. statusu 20. państwa

160

Metodyka pomiarów ultradźwiękowych oscylacji narzędzi obróbkowych urządzeniem LDV

dr inż. Piotr Nazarko*, mgr inż. Roman Wdowik**, dr hab. inż. Janusz Porzycki, prof. PRz** *Katedra Mechaniki Konstrukcji, Politechnika Rzeszowska **Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji, Politechnika Rzeszowska

członkowskiego ESA zwiększyło możliwości polskich przedsiębiorstw, a programy edukacyjne ESA zachęcają polskich studentów do współpracy. Warto wykorzystać taką Europejską Agencję Kosmiczną – teraz ESA pokrywa koszty

związane z wyjazdami studentów na warsztaty oraz pobytem

166

Implementacja systemu zarządzania procesem produkcji

dr hab. inż. Wiesław Tarczyński, dr inż. Ryszard Kopka Instytut Automatyki i Informatyki, Politechnika Opolska

172

Sterowanie procesem destylacji z wykorzystaniem regulatorów rozmytych

mgr inż. Aleksandra Grzelak, inż. Mateusz Konkel, dr inż. Robert Piotrowski   – Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska

182

Koncepcja metody bezpiecznej transmisji danych w sieci KNX na potrzeby systemu zdalnego nadzoru

dr inż. Michał Porzeziński – Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska

okazję i wziąć udział w projektach organizowanych przez

podczas realizacji projektów badawczych.

Nauka 106

Odbiorniki GNSS w praktyce inżynierskiej. Wpływ typu anteny na jakość pomiarów GNSS

mgr inż. Arkadiusz Perski, dr inż. Artur Wieczyński, Maria Baczyńska, mgr inż. Konrad Bożek,   mgr inż. Sławomir Kapelko, mgr inż. Sebastian Pawłowski – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

123

Piezoelectric generators: materials and structures

Dariusz Grzybek, PhD – AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics

130

Proste metody sprawdzania dokładności precyzyjnych mostków termometrycznych (2). Pomiary nieliniowości całkowitej metodą dychotomii

doc. dr inż. Aleksander A. Mikhal*, doc. dr inż. Zygmunt L. Warsza**, *Instytut Elektrodynamiki Narodowej Akademii Nauk Ukrainy, Kijów, **Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

6

188

Weryfikowanie specyfikacji wymagań sterownika logicznego za pomocą diagramów aktywności UML, logiki temporalnej LTL i środowiska NuSMV

dr inż. Iwona Grobelna*, mgr inż. Michał Grobelny** *Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski **Katedra Mediów i Technologii Informacyjnych, Uniwersytet Zielonogórski

196

Indeks firm

198

Prenumerata


Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ i odkryj trzeci wymiar papieru PAR+ to bezpłatna aplikacja mobilna na systemy iOS oraz Android, dzięki której Czytelnicy miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” uzyskują bezpośredni dostęp do dodatkowych treści powiązanych z wybranymi publikacjami. PAR jest pierwszym miesięcznikiem naukowo-technicznym w Polsce, który oferuje swoim odbiorcom to unikatowe rozwiązanie. Dzięki PAR+można jednym dotknięciem palca obejrzeć film lub animację powiązaną z artykułem, przejść na stronę internetową lub do galerii zdjęć z wydarzenia opisanego w relacji prasowej, przeczytać rozszerzoną wersję artykułu, przejrzeć i pobrać specyfikację produktu opisywanego w artykule, skomentować artykuł na Facebooku, i wiele, wiele więcej. Więcej informacji na par.pl/plus

Pobierz i uruchom bezpłatną aplikację PAR+

2

Skieruj kamerę telefonu lub tabletu na stronę artykułu oznaczonego ikoną PAR+

3

Na wyświetlaczu urządzenia pojawi się sześcian z logo PAR+ oraz przyciski prowadzące do dodatkowych treści

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

FACEBOOK

VIDEO


Wydarzenia      AKTUALNOŚCI

Grupa Rittal przejmuje Cideon AG

Centrum Szkoleniowe Moxa

Redundancja sterowników z Powerlink

Firma Elmark Automatyka, wychodząc naprzeciw oczekiwaniom klientów, utworzyła Centrum Szkoleniowe Moxa, specjalizujące się w tematyce komunikacji przemysłowej. Szkolenia prowadzone są przez doświadczonych inżynierów, posiadających certyfikaty MTSC (ang. MOXA Technical Support Certification). Obejmują one zarówno część teoretyczną, jak i praktyczną. W pierwszej części omawiane są zasady działania urządzeń, można zapoznać się z ofertą firmy Moxa,

Firma B&R, oferując bazujące na systemie X20 rozwiązanie redundantne dla systemów sterowania, ustala nowe standardy. Rozwiązanie opiera się na standardowych sterownikach z systemu X20, które – przy użyciu Automation Studio – mogą być wzbogacone w dowolnym momencie o funkcje redundancji, obniżające czas przestoju maszyny czy procesu. Wyklucza to konieczność stosowania sterowników dedykowanych do redundancji, które – ze względu na ograniczoną skalę produkcji – są zwykle bardzo drogie. W  rozwiązaniu B&R jeden sterownik zapewnia aktywne sterowanie, podczas gdy drugi pracuje w tle – w trybie oczekiwania. Wszystkie funkcje sieci są monitorowane w sposób ciągły, więc w razie wystąpienia awarii zapasowy sterownik może błyskawicznie przejąć wszystkie funkcje aktywnego PLC. Czas przełączania systemu to jedynie dwa cykle sterownika, tak więc wszystko dzieje się w czasie zaledwie kilku milisekund. Rozwiązanie redundancji B&R wykorzystuje bardzo wydajny protokół czasu rzeczywistego – Ethernet Powerlink. Niezależne redundancyjne łącze światłowodowe o dużej przepustowości zapewnia ciągłą synchronizację wszelkich ważnych danych (jak np. obraz I/O) między sterownikiem aktywnym i nieaktywnym.

a także poznać potencjalne obszary zastosowań przedstawionych produktów. Część praktyczna obejmuje szereg ćwiczeń mających na celu poznanie różnych trybów pracy, sposobów konfiguracji oraz diagnostyki urządzeń. Oferta szkoleń kierowana jest do wszystkich osób, które chcą pogłębić wiedzę z  zakresu komunikacji przemysłowej oraz poznać rozwiązania firmy Moxa, a  w  szczególności do firm integratorskich, służb utrzymania ruchu oraz użytkowników końcowych. Ofertę szkoleń oraz więcej informacji można znaleźć na stronie: https://www.elmark.com.pl/moxa-centrum-szkoleniowe, pod numerem telefonu: (22) 54 18  460 oraz pisząc na adres: moxa@elmark.com.pl. 

8

Fot. Rittal, Elmark Automatyka, B&R

Firma Cideon AG, specjalizująca się w engineeringu, działająca na całym świecie i będąca jednym z wiodących platynowych partnerów Autodesk w Niemczech, stanie się częścią Friedhelm Loh Group. W ten sposób grupa skupiająca Rittal, Eplan i  Kuttig rozbuduje know-how w  zakresie mechaniki – dzięki pozyskanym kompetencjom dotyczącym interfejsów znacznie rozszerzy ofertę w zakresie inżynierii mechatronicznej. Realizacja transakcji wymaga jeszcze zgody Federalnego Urzędu Antymonopolowego. Strony uzgodniły, że nie będą ujawniać ceny zakupu. Celem grupy jest, aby – wraz Eplan i Cideon oraz dzięki międzynarodowej pozycji Rittal jako światowego lidera w zakresie systemów szaf sterowniczych – stać się również wiodącym dostawcą rozwiązań w zakresie inżynierii elektrycznej oraz mechanicznej. Koncepcja rozwoju dotyczy zarówno płaszczyzny produktów, jak i doradztwa w zakresie procesów i implementacji. W wyniku fuzji nastąpi połączenie know-how w obszarze CAD mechanicznego oraz elektrycznego. Silne partnerstwo z SAP i Autodesk oraz integracja z systemami ERP i PLM mają być podstawą sukcesu. – Dzięki pozyskaniu Cideon znacznie rozbudowaliśmy nasze kompetencje mechaniczne, a wraz z Eplan – wiodącym dostawcą rozwiązań w zakresie inżynierii elektrycznej – jesteśmy najlepiej przygotowani na takie megatrendy, jak mechatronika oraz przemysł 4.0. Dzięki temu Friedhelm Loh Group jest jednym z wiodących dostawców oprogramowania w zakresie mechatroniki – komentuje Friedhelm Loh, przewodniczący zarządu Friedhelm Loh Group. Już dzisiaj Cideon oferuje liczne interfejsy wszystkich wiodących na rynku systemów M-CAD z SAP. Także Eplan – w ramach swoich rozwiązań E-CAD – dysponuje interfejsami do różnych systemów ERP i  PLM, m.in. także SAP i  Siemens Teamcenter. 


ROZWIŃ DAR TWORZENIA

DESIGNSPARK MECHANICAL Czas na zaawansowane możliwości modelowania 3D! W RS Components stawiamy na innowacje i postęp, dlatego dostarczamy światowej klasy narzędzia do projektowania całkowicie za darmo. DesignSpark Mechanical to proste w obsłudze, przełomowe oprogramowanie do modelowania 3D, umożliwiające zmianę parametrów na dowolnym etapie tworzenia modelu. Modelowanie jeszcze nigdy nie było tak proste!

POBIERZ OPROGRAMOWANIE DESIGNSPARK MECHANICAL ZA DARMO

Odkryj już dziś www.designspark.com/mechanical

TYLKO W


Sauer-Danfoss rozpoczyna nowy rozdział jako Danfoss

Bilion dolarów na rynku automatyzacji sprzedaży

Firma Sauer-Danfoss zmieniła nazwę na Danfoss i obecnie działa już pod pełną nazwą Danfoss Power Solutions jako nowa część biznesowa grupy Danfoss. Specjaliści z Danfoss Power Solutions nadal będą dostarczać rozwiązania hydrauliki siłowej. W dłuższej perspektywie klienci mogą spodziewać się korzyści z szerszej globalnej sieci i bogatszej bazy technologicznej oferowanych przez firmę Danfoss, a także połączenia know-how wynikającego ze współpracy dwóch firm. Firma Danfoss jest doceniana na całym świecie za innowacyjne i energooszczędne rozwiązania dla wielu branż. Do swojej struktury biznesowej zaadaptowała firmę Sauer-Danfoss, którą kupiła w kwietniu 2013 r. Specjaliści z Danfoss Power Solutions nadal będą dostarczać rozwiązania hydrauliki siłowej, a klienci będą mogli kontynuować współpracę z dotychczasowymi osobami kontaktowymi nad trwającymi i nowymi projektami. Łącząc kompetencje z  organizacją ukierunkowaną na innowacje oraz badania i  rozwój, Danfoss będzie nadal wspierać działania, dzięki którym Sauer-Danfoss stał się liderem innowacji w  branży hydrauliki siłowej. Niels B. Christiansen, prezes i CEO Danfoss podkreśla, że fuzja to kamień milowy w historii Danfoss. – Sauer-Danfoss to dobrze zarządzana firma globalna, więc dla nas oznacza to zbliżenie się dwóch równoważnych jednostek, które po połączeniu staną się silniejsze. Razem odnajdziemy obszary współpracy, będziemy uczyć się od siebie i wypracujemy wspólne podstawy działania, oferując klientom długoterminowe korzyści. 

Z najnowszego raportu firmy Markets and Markets wynika, że w  2019 r. wartość światowego rynku urządzeń automatyzacji sprzedaży może przekroczyć 1 bln USD. Analiza wskazuje, że w  latach 2013–2018 należy spodziewać się na tym rynku stałego, ponad 13-proc. wzrostu. Dotyczy to takich produktów, jak systemy POS, kasy, drukarki paragonów, liczniki banknotów i monet, wagi i czytniki kodów kreskowych oraz wszelkiego rodzaju przenośników i podnośników, a także elementów do znakowania szaf magazynowych. W efekcie, w 2018 r., łączna wartość rynku ma wynieść prawie 974 mld USD. Oznacza to, że nawet 3-proc. wzrost w kolejnym roku pozwoli przekroczyć granicę 1 bln USD. Automatyzacja sprzedaży jest postrzegana jako rynek rozwijający się. Dotyczy to przede wszystkim całego łańcucha logistycznego, w którym dopiero teraz popularyzują się różnego rodzaju systemy monitoringu i  automatyzacji śledzenia towarów. Niemałe znaczenie mają  też wszelkiego rodzaju urządzenia używane przez klientów, takie jak np. systemy umożliwiające przyjmowanie płatności bezgotówkowych. W wielu rejonach świata są one dopiero wdrażane. 

Aluminiowe konstrukcje specjalne firmy Krause

Dobre prognozy dla azjatyckiej automatyki budynkowej

Firma Krause, specjalizująca się w opracowywaniu konstrukcji specjalnych dla przemysłu, proponuje przedsiębiorcom niestandardowe wyposażenie ułatwiające pracę na wysokościach. Są to przede wszystkim indywidualnie zaprojektowane konstrukcje z  metali lekkich dla specyficznych rozwiązań branżowych, schody, podesty z metali lekkich, jak również rusztowania i systemy drabin specjalnych. Każdy projekt traktowany jest indywidualnie i  składa się z  trzech etapów. Pierwszy z  nich to analiza wymagań oraz uwarunkowania otoczenia, drugi – opracowanie koncepcji i  fachowe doradztwo ze strony konstruktorów firmy Krause, trzeci to produkcja poszczególnych elementów konstrukcji, dostawa i  ewentualny montaż. Firma oferuje klientom również serwis posprzedażowy. Wszystkie konstrukcje specjalne sygnowane marką Krause produkowane są w oparciu o obowiązujące normy i przepisy bezpieczeństwa pracy. Podstawową gwarancją jakości są atesty materiałowe oraz certyfikaty TUV uzyskiwane dla wszystkich elementów Krause. Firma oferuje też szkolenia dla pracowników w zakresie użytkowania poszczególnych konstrukcji oraz zapoznania się z podstawowymi informacjami dotyczącymi danego produktu. 

Najnowszy raport firmy badawczej IHS wskazuje, że wartość azjatyckiego rynku automatyki budynkowej przekroczy 1 mld USD w 2015 r. Wynik ten ma być możliwy do uzyskania dzięki 7,5-proc., stałemu wzrostowi w  latach 2012– 2017. Głównymi czynnikami napędzającymi rynek są: rozwijający się przemysł produkcyjny, rosnący stopień urbanizacji w  Chinach, Indiach i  Azji Południowo-Wschodniej oraz wzrost popularności budynków ekologicznych. Te ostatnie mają istotny wpływ na rosnące zapotrzebowanie na automatykę budynkową, gdyż to przede wszystkim dzięki nowoczesnym technologiom możliwa jest minimalizacja zużycia energii oraz redukcja zanieczyszczeń wprowadzanych do środowiska. Aparatura instalowana w „zielonych domach” jest zazwyczaj dosyć kosztowna i wielokrotnie przewyższa koszt automatyki montowanej w  klasycznych budynkach. W  sumie w  latach 2012–2017 wartość rynku automatyki budynkowej w  Azji ma wzrosnąć o  400 mln USD. Do modelowych projektów wykorzystujących wiele komponentów automatyki można zaliczyć: terminal lotniska Soekarno Hatta International w  Indonezji oraz Centrum Usług Obliczeniowych w Chmurze i fabrykę pojazdów Chongqing w Chinach.

10

Fot. posqx.com, Krause, Angkasa Pura, Emerson Process Management

Wydarzenia      AKTUALNOŚCI


OPTOSOFT sp. z o.o. ul. Radzionkowska 10

Miliard godzin pracy sprzętu Emerson CHARM

51-506 Wrocław

Firma Emerson Process Management ogłosiła, że sumaryczna liczba godzin pracy sprzętu opartego na technologii CHARM przekroczyła miliard godzin. Technologia CHARM dotyczy sposobu wykonywania połączeń między różnymi urządzeniami przemysłowymi. Ułatwia komunikowanie się ze sobą urządzeń różnego typu, wyposażonych w różne interfejsy. Sygnał wysyłany przez urządzenie nadawcze jest digitalizowany i przesyłany do dowolnego, wskazanego sterownika w całym systemie. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania skomplikowanego systemu połączeń w  szafach krosowniczych, co znacząco ułatwia ich konfigurację i  serwisowanie oraz zmniejsza liczbę potencjalnych usterek. Początki technologii CHARM sięgają okresu sprzed 35 lat. Długi, nieprzerwany okres pracy urządzeń, które ją wspierają umożliwił przekroczenie granicy miliarda sumy godzin pracy instalacji wyposażonych w  tę technologię.

tel. + 48 71 369 99 50 fax +48 71 369 99 69 kamery@optosoft.pl http://optosoft.pl

Nowe kamery IDS USB3.0 serii CP z najnowszymi sensorami CMOSIS

Doskonałe właściwości!

Oddział Siemens Drive Technologies Division i KUKA Roboter GmbH ogłosiły rozpoczęcie bliskiej współpracy. Głównym jej punktem ma być integracja robotów marki KUKA i  rozwiązań CNC firmy Siemens, co pozwoli na rozwijanie produktów łączących w sobie możliwości wykonywania zadań ładowania i obróbki maszynowej. Zautomatyzowana i  elastyczna, nowoczesna produkcja nie jest właściwie w stanie istnieć bez robotów przemysłowych. Połączenie działań obu firm ma pozwolić na zaoferowanie klientom nowych rozwiązań, dopasowanych do potrzeb poszczególnych odbiorców oraz realiów nowoczesnej automatyki przemysłowej. Co ważne, firmy chcą, by ich produkty optymalnie pasowały do realizowanych zadań przez cały czas „życia” tych maszyn, co oznacza, że muszą one być w stanie współpracować również z tymi podzespołami, które pojawią się w przyszłości. Dzięki partnerstwu Siemens i  KUKA będą oferować klientom zintegrowane rozwiązania, bazujące na dobrze dopracowanych, dojrzałych produktach, co pozwoli firmom zwiększyć swój udział w  rynku. Firmy będą także rozwijać skalowalne, zintegrowane rozwiązania, w których stosowane będą roboty, szczególnie w  zakresie maszyn lekkich. W tym celu będą wspólnie pracowały nad wdrożeniem stosowania materiałów kompozytowych, co powinno ułatwić tworzenie maszyn przemysłowych o małej wadze. Nie jest to pierwsza współpraca tych firm. W 2011 r. zaprezentowały one robota obsługiwanego przez interfejs użytkownika Sinumerik, który służył do programowania, nauki i diagnostyki. 

• innowacyjna architektura sensora • szybki interfejs USB 3.0 • kompaktowa obudowa • do 149 fps przy pełnej rozdzielczości • sensor 2/3”, 2MP i 4MP Zastosowanie:

• inteligentne systemy sterowania ruchem • skanery 3D • przemysłowe systemy wizyjne • urządzenia medyczne • szybkie aplikacje do akwizycji obrazu

ZAUFAJ ŚWIATOWEJ MARCE REKLAMA

Fot. posqx.com, Krause, Angkasa Pura, Emerson Process Management

Siemens i KUKA nawiązały współpracę

It’s so easy! http://optosoft.pl 11

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013


Wydarzenia      AKTUALNOŚCI

Aplikacja do zamawiania filtrów hydraulicznych

Metso DNA w elektrowni wodnej w Szwajcarii

Firma Bosch Rexroth przedstawiła najnowszą aplikację Fit4Filter, która ułatwia wyszukanie za pomocą smartfona i zastąpienie stosowanego dotychczas filtra na filtr od firmy Bosch Rexroth. Fit4Filter pomoże klientom i inżynierom oraz menedżerom projektów szybko znaleźć filtr hydrauliczny spełniający oczekiwania użytkownika. Aplikacja wyposażona jest w  system sync-on-demand, który pozwala na aktualizowanie programu i wyposażenie go w nowe informacje dotyczące filtrów. Dzięki aplikacji możliwy jest bezpośredni kontakt z  osobą odpowiedzialną za elementy hydrauliczne w  Bosch Rexroth, także w Polsce. Fit4Filter jest dostępny w  Apple Store oraz Google Play Store. Aplikacja jest bardzo prosta w  obsłudze. Wystarczy wpisać numer stosowanego filtra, a system sam wyszuka odpowiedni filtr od Bosch Rexroth, dodatkowo podając jego specyfikację. Klikając na ikonę ze słuchawką lub kopertą można połączyć się bezpośrednio z inżynierem, który udzieli wszystkich potrzebnych informacji.

Instalowany system to Metso DNA. Zastąpi on wysłużoną, dotychczasową instalację, której niezawodność pogorszyła się ostatnio ze względu na wiele lat pracy. Metso DNA zostanie użyte do sterowania pracą turbiny i śluzy, do monitorowania wibracji oraz do przeprowadzania symulacji. W ramach umowy firma zajmie się również demontażem dotychczasowej instalacji oraz testowaniem nowej. Wdrożenie ma rozpocząć się w kwietniu 2014 r., a prace uruchomieniowe mają potrwać od maja do czerwca.

Rekordowa sprzedaż inteligentnych mierników

ABB zmodernizuje stadion na Mistrzostwa Świata

Najnowsze badanie firmy analitycznej IHS wskazuje, że liczba inteligentnych mierników energii elektrycznej, sprzedanych w 2013 r., wyniesie ok. 82 mln sztuk, a w  kolejnym roku wzrośnie aż do 100 mln. Firma oszacowała także sumaryczną wartość rynku tego typu urządzeń w okresie aż do 2017 r. Z badania wynika, że za niespełna pięć lat przychody ze sprzedaży inteligentnych mierników energii elektrycznej wzrosną do niemal 5 mld USD. Prognozy te są optymistyczne, pomimo malejącego rynku północnoamerykańskiego, którego gorsza kondycja wynika z ograniczeń w budżecie rządowym, przeznaczonym na tego typu urządzenia. Osiągnięciu dużego wzrostu sprzedaży nie przeszkodzą też niedopracowane regulacje prawne w Ameryce Łacińskiej ani opóźnienia we wdrożeniach tych urządzeń w Unii Europejskiej. Na duży wzrost zapracują przede wszystkim chińscy klienci. Chiny obecnie bardzo intensywnie rozwijają swoją infrastrukturę i  modernizują starsze instalacje, w  celu optymalizacji kosztów, zwiększania bezpieczeństwa i  minimalizacji zużycia energii. Ogromna populacja Chin oznacza bardzo duże zapotrzebowanie na mierniki energii elektrycznej. Trzeba jednak zaznaczyć, że w porównaniu do Unii Europejskiej, znacznie mniejszy odsetek mierników energii elektrycznej instalowanych w  Chinach, to modele, które można uznać za inteligentne.

Firma ABB wygrała przetarg na budowę nowej podstacji energetycznej w Rio de Janeiro, która będzie zasilać tamtejszy stadion Maracana i  jego okolice. Stadion ten będzie jednym z obiektów, na którym rozgrywane będą mecze Mistrzostw Świata w piłce nożnej w 2014 r. Zbudowany w  1950  r. stadion Maracana w chwili otwarcia był największym tego typu obiektem na świecie i  mógł pomieścić 200 tys. widzów. Ostatnio został całkowicie przebudowany i mieści już jedynie ok. 78 tys. osób, ale i  tak jest największym w  Brazylii. W  trakcie Mistrzostw Świata w  piłce nożnej w  2014 r. zostanie na nim rozegranych siedem meczów, w tym finał. Na obiekcie będą też rozgrywane mecze w czasie Igrzysk Olimpijskich w 2016 r. Zmodernizowany stadion wymaga większej mocy zasilania, w  związku z  czym konieczna stała się przebudowa lokalnej sieci energetycznej. Kompaktowa podstacja i  instalacja zastąpią istniejącą, 40-letnią. Zostanie ona wyposażona w  system sterowania zgodny z  IEC-61850, co pozwoli na zdalny monitoring. Wartość kontraktu wynosi 30 mln USD.

12

Fot. Bosch Rexroth, Metso, General Motors

Firma Energie Wasser Bern wybrała Metso na dostawcę kompletnego systemu sterowania elektrownią wodną w Bernie. Głównym celem projektu jest zwiększenie niezawodności elektrowni. Po ukończeniu wdrożenia siłownia ma pracować przez 99,9 proc. czasu – znacznie dłużej niż dotychczas. Pozwoli to też zwiększyć sprawność produkcji energii elektrycznej.


Emerson kupuje Virgo Valves Koncern Emerson Process Management poinformował o transakcji kupna firmy Virgo Valves and Controls LTD, producenta zaworów kulkowych i systemów automatyki. Virgo Valves to prywatna firma, działająca na wielu rynkach na całym świecie, w tym przede wszystkim w Indiach i w USA. Koncentruje się na przemyśle naftowym, gazownictwie, energetyce i górnictwie. Oprócz zaworów kulkowych produkuje wysokiej jakości systemy hydrauliczne do zastosowań w bardzo trudnych aplikacjach przemysłowych. Po zakończeniu transakcji pracownicy Virgo będą włączeni w szeregi kadry firmy Emerson Process Management. Produkty Virgo Valves mają uzupełnić ofertę Emersona, który już teraz dostarcza zawory pod marką Fisher. Z  punktu widzenia zarządu przejmowanej firmy, dołączenie do Emersona powinno ułatwić dotarcie do nowych klientów z różnych miejsc na świecie.

Nowoczesne silniki General Motors w Tychach Koncern General Motors zdecydował się   otworzyć w  Tychach zakład produkujący nowoczesne silniki do samochodów. Inwestycja będzie realizowana przez pięć lat, a  jej wartość to ok. 1,5 mld PLN. Po długich staraniach lokalnych władz oraz przy pomocy ze strony rządu, miasto Tychy przyciągnęło do siebie koncern General Motors, który zbuduje tam nową fabrykę silników spalinowych – poinformował wicepremier i minister gospodarki, Janusz Piechociński. Budowa fabryki potrwa aż pięć lat, a po jej ukończeniu na miejscu zatrudnienie znajdzie ok. 200  osób. Co ważne, silniki będą produkowane praktycznie do zera, w oparciu o sprowadzane, gotowe odlewy. Wszystkie pozostałe komponenty będą przygotowywane i montowane na miejscu. Z nieoficjalnych informacji wynika, że alternatywą dla Tych były lokalizacje na Węgrzech, w Niemczech i w Turcji. Tyska fabryka powstanie w miejscu rozbudowanych zakładów Isuzu, których jedynym właścicielem stał się ostatnio koncern General Motors. Jak to zwykle bywa w przypadku inwestycji motoryzacyjnych, należy się spodziewać, że pociągnie ona za sobą wzrost zapotrzebowania w regionie na komponenty automatyki przemysłowej.

Polski oddział ABB ma nowego prezesa. Paweł Łojszczyk zastąpił na tym stanowisku Mirosława Gryszkę, który z dniem 1 września 2013 r. przestał pełnić obowiązki prezesa zarządu spółki oraz dyrektora krajowego ABB i  objął nowo utworzone w  ramach Grupy ABB stanowisko Dyrektora Grupy Krajów (Cluster Manager) na Rosję, kraje bałtyckie, centralną Azję i kraje kaukaskie. Mirosław  Gryszka karierę zawodową rozpoczął w  elbląskim Zamechu, który w 1990 r. został kupiony przez koncern ABB. Od tamtej pory sprawował wiele funkcji kierowniczych, a poprzednie stanowisko piastował od 1997 r. Paweł Łojszczyk, który obejmie oba stanowiska odchodzącego prezesa, był m.in. dyrektorem krajowym ABB w  Kazachstanie oraz pełnił funkcje kierownicze w działach zajmujących się automatyką i energetyką. Jednym z jego głównych zadań będzie dalszy rozwój organizacji ABB w Polsce oraz utrzymanie wzrostu obrotów i zysków spółki.

Dział powstaje we współpracy z portalem

REKLAMA

Fot. Bosch Rexroth, Metso, General Motors

Nowy prezes zarządu ABB

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

13


Nowości     Nowe produkty

Nowy system telemetrii radiowej

Datapaq jest preferowanym wyborem w profilowaniu temperatury i nadal

dostarcza systemy, które spełniają, a nawet przekraczają oczekiwania klientów. Teraz firma Datapaq uzupełniła gamę rozwiązań do profilowania temperatury o nowy system telemetrii radiowej. Ten unikalny układ pozwala, by zebrane dane temperatury były przechowywane w rejestratorze oraz transmitowane na żywo do komputera monitorującego, w którym mogą być przeglądane, analizowane

i raportowane w czasie rzeczywistym. System telemetrii radiowej TM21 Datapaq został zaprojektowany do współpracy z rejestratorem Tpaq21. Nowy system pozwala na większą elastyczność i znacznie lepszy przekaz danych, przez co wpływa na efektywność, umożliwiając transmisję danych profilu temperatury nawet z najbardziej wymagających procesów, które mają

być monitorowane. Dzięki użyciu systemu telemetrii radiowej podczas długich procesów, trwających nawet trzy dni, nie trzeba czekać na koniec, aby odczytać dane.

TERMO-PRECYZJA sp. j. ul. Armii Ludowej 12 51-214 Wrocław tel. 71 78 27 400 71 78 27 600 e-mail: biuro@termo-precyzja.com.pl

Zestawy narzędziowe dla złączy Han Osiowa technika łączeniowa opracowana przez HARTING poszerzyła możliwości szybkiego montażu obiektowego złączy przemysłowych. Technika osiowa obok techniki śrubowej należy do najszybszych technik montażowych, jej zaletą jest brak konieczności stosowania zaciskarek. Do zarobienia przewodu wraz z kontaktem potrzebne jest odizolowanie przewodu na odpowiednią długość oraz heksagonalny klucz. Polecane jest, aby klucz posiadał możliwość ustawienia wartości momentu obrotowego. Jednakże aby

jeszcze bardziej ułatwić i zapewnić prawidłowy montaż, HARTING wprowadził do oferty zestawy narzędziowe. Poszczególne zestawy narzędziowe dedykowane są do konkretnych typów kontaktów i złączy: zestaw do kontaktów wysokoprądowych zarabianych w techni-

ce osiowej z nastawianą wartością momentu z zakresu 5–14 Nm oraz zestaw do kontaktów mocy umożliwiający nastawienie wartości momentu z zakresu 1–5 Nm. Dzięki tym zestawom możliwe jest zarobienie różnych kontaktów, np. Han 200A Axial czy Han 40A, a obsługa i regulacja wartości momentu jest łatwa i intuicyjna. Dostępny jest również zestaw narzędziowy posiadający na stałe zdefiniowane

wartości momentu obrotowego: 0,5 Nm oraz 1,2 Nm, przeznaczony do montażu wkładów w obudowach. Dodatkowo dostępny jest również zestaw śrubokrętów wysokiej jakości, zoptymalizowany do stosowania ze złączami Han.

HARTING Polska Sp. z o.o. ul. Duńska 9, 54-427 Wrocław tel. 71 352 81 71 fax 71 350 42 13 e-mail: pl@HARTING.com www.HARTING.pl

Nowy zasilacz 24 V serii PSU67 firmy Turck, o wysokim stopniu ochrony (IP67) może być instalowany w dowolnym miejscu, np. bezpośrednio na maszynie, bez dodatkowej obudowy ochronnej. PSU67 jest szczególnie przydatny w przypadku, gdy urządzenie obiektowe znajduje się w znacznej odległości od szafy sterującej. Wówczas zasilacz jest rozwiązaniem zapewniającym miejscowe

14

Promocja

zasilanie 24 V, bez konieczności prowadzenia długich i drogich linii zasilających, które często charakteryzują się spadkami napięcia. Zasilacz został wyposażony w zabezpieczenie przed zwarciem i pracą bez obciążenia oraz pasywne chłodzenie powietrzem. Urządzenie automatycznie niweluje spadki napięcia trwające do 50 ms. Wysoka wydajność zasilacza wynika z dobrego bilansu energetycznego

na poziomie 90 %. Szeroki zakres napięcia AC/DC oraz temperatury pracy (–25 °C...+60 °C) umożliwia stosowanie rozwiązania w każdym miejscu na świecie. Zasilacz jest wyposażony w 4-pinowe złącze wyjściowe 7/8“. Wskaźnik LED pokazuje stan pracy modułu. Turck oferuje PSU67 w czterech wariantach: 2 A, 4 A i 8 A z jednym wyjściem oraz 4 A z dwoma wyjścia-

mi. Zasilacz jest zgodny z wymaganiami normy PN-EN 60950-1 oraz ma dopuszczenia cULus i CE. www.turck.pl

Fot. Termo-Precyzja, HARTING, Turck, Elesa+Ganter, Elmark

PSU67 – nowy zasilacz w IP67


NOWE PRODUKTY      Nowości

GN 115.7 – zamek i uchwyt w jednym

Uchwyt z zamkiem GN 115.7

Firma Elesa+Ganter poszerzyła ofertę o element, który jest połączeniem zamka i uchwytu. Rozwiązanie to pozwala na zaoszczędzenie przestrzeni w miejscu instalacji, a montaż jest mniej pracochłonny. W ofercie firmy jest szeroki wybór zamków i uchwytów. Zazwyczaj produkty te stosuje się w tych samych aplikacjach, jednak jako osobne elementy. Z tego właśnie powodu powstał innowacyjny produkt, łączący obie wspomniane funkcje.

Serwery portów szeregowych z komunikacją ZigBee

zamykania polega na obrocie kluczem o 90°. Podczas tego ruchu rygiel wykonuje obrót, a jego wyprofilowana końcówka zapewnia łatwe i pewne zamknięcie. Uchwyt z zamkiem GN 115.7 jest uniwersalny w zastosowaniu. Zapewnia to specjalna podkładka pozycjonująca – użytkownik ustala jeden z czterech zakresów ruchu rygla zamykającego. Podkładka jest demontowalna, dzięki czemu w razie potrzeby można wybrać inny zakres ruchu. Powyższe rozwiązanie sprawia, iż GN 115.7 może być mocowany z każdej strony drzwi/osłony zarówno w pionie, jak i w poziomie. Kolejną przewagą w porównaniu do innych rozwiązań jest łatwy montaż.

Fot. Termo-Precyzja, HARTING, Turck, Elesa+Ganter, Elmark

Zakres ruchu rygla zamykającego w zależności od położenia podkładki pozycjonującej

Estetyczny i ergonomiczny uchwyt, będący jednocześnie korpusem zamka, jest wykonany z odlewu cynkowego, pokrytego warstwą żywicy epoksydowej w kolorze srebrnym lub czarnym. Pozostałe metalowe części są ocynkowane. Wkładka zamka dostępna jest standardowo w pięciu odmianach pod różne rodzaje klucza. Mechanizm zamykający pracuje precyzyjnie i jest odporny na drgania i wibracje. Rygle zamykające są dostępne w 22 rozmiarach, dzięki czemu GN 115.7 może być stosowany w aplikacjach, gdzie szerokość ramy drzwi/osłony wynosi od 4 mm do 50 mm. Operacja

Ze względu na konstrukcję GN 115.7 wymaga wykonania jedynie dwóch otworów w drzwiach/osłonie. Pierwszy o średnicy 22+0,3 mm, drugi o średnicy 6,8+0,2 mm. To bardzo wygodne rozwiązanie, ponieważ osobno montowany zamek wymaga otworu o specjalnym kształcie, zabezpieczającym korpus przed obrotem. Wykonanie takiego otworu bez odpowiednich narzędzi jest czasochłonne.

Firma Moxa jest znana m.in. z urządzeń do komunikacji szeregowej, a głównie z serwerów portów szeregowych. Od jakiegoś czasu w jej ofercie znaleźć można Nport Z2150/EU oraz Z3150/EU, czyli NPorty, które komunikują się w protokole ZigBee. ZigBee to standard bezprzewodowy, który opiera się na IEEE 802.15.4 – standardzie podobnym do WiFi. NPort Z2150/EU może być skonfigurowany jako coordinator (ZC), jako router (ZR) lub jako end device (ZED). Z kolei Nport Z3150 pełni funkcje bramy między siecią Ethernet a NPortami Z2150. W sieci ZigBee Z3150 działa jako Coordinator (ZC). Oba NPorty wspierają topologię: siatki, gwiazdy i drzewa. NPort Z3150 wspiera do 99 węzłów w jednej sieci, a więc NPortów Z2150. Konfiguracja modelu Z3150 jest prosta i wygodna, a dokonuje się jej za pomocą przeglądarki internetowej. W przypadku Z2150 sprawa wygląda nieco inaczej,

ponieważ nie posiada on Ethernetu. Konfiguracja w nim odbywa się za pomocą portu szeregowego i oprogramowania ZigBee Configuration Utility.

Stosowanie NPortów z serii Z daje duże korzyści, m.in. oszczędności na przewodach, możliwość stosowania urządzeń na ruchomych platformach, łatwość wdrożenia w działających obiektach. Ponadto – dzięki komunikacji bezprzewodowej – uzyskuje się izolację między urządzeniami z interfejsem szeregowym.

ELMARK Automatyka Sp. z o.o. www.elmark.com.pl

REKLAMA

ELESA+GANTER Polska Sp. z o.o. tel. 22 737 70 47 fax 22 737 70 48 e-mail: egp@elesa-ganter.com.pl www.elesa-ganter.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

15


Nowości     Nowe produkty

DesignSpark Mechanical – szybkie, intuicyjne i darmowe oprogramowanie do modelowania 3D

Firmy RS Components i Allied Electronics, należące do koncernu Electrocomponents plc, udostępniły nowe, bezpłatne oprogramowanie do modelowania 3D, stworzone we współpracy z firmą SpaceClaim. DesignSpark Mechanical jest dostępny z wielojęzycznym (w tym polskim) interfejsem użytkownika i stanowi ważny krok na drodze ewolucji internetowego środowiska DesignSpark oraz powiązanej z nim społeczności inżynierskiej. Udostępnienie programu DesignSpark Mechanical umożliwia początkującym przedsiębiorcom pokonanie poważnych trudności, na które inżynierowie trafiają na początku kariery: pozwala im skorzystać z potencjału trójwymiarowego modelowania, by szybko tworzyć zaawansowane wizualizacje produktów, bez ponoszenia ogromnych kosztów ani poświęcania

bardzo dużej ilości czasu na naukę narzędzi CAD. Wynika to z faktu, że omawiane oprogramowanie nie tylko jest darmowe, ale także bardzo proste w użytkowaniu i wystarczy tylko kilka minut, by zapoznać się z nim w stopniu umożliwiającym właściwe korzystanie z programu. W znacznym stopniu wykorzystuje ono bowiem zalety intuicyjnej pracy w oparciu o gesty. Tworzone w nim projekty są wystarczająco dokładne, by mogły być wykorzystane bezpośrednio w produkcji. Oprogramowanie obsługuje też mechanizm tworzenia zestawu komponentów potrzebnych do realizacji danego projektu i umożliwia natychmiastowe otrzymanie wyceny niezbędnych komponentów na podstawie ofert RS Components lub Allied Electronics. Narzędzie pozwala ponadto na importowanie rysunków obwodów płytek drukowanych z formatu IDF i ponad 38 tys. modeli z katalogu RS/Allied. Projekty można też wyeksportować w formacie STL. DesignSpark Mechanical można bezpłatnie pobrać ze strony designspark.com.

Nowy komputer panelowy 15” firmy iEi Technology

Praca w zmiennych warunkach otoczenia, aplikacjach mobilnych, narażających urządzenie na wstrząsy, a także częściowy wpływ warunków atmosferycznych stwarzają konieczność zastosowania systemów komputerowych o specjalnej konstrukcji. Odpowiednie cechy ma nowy komputer panelowy UPC-V315 firmy iEi. Cechuje się on przede wszystkim bardzo dużą szczelnością – IP65. Bardzo szeroki zakres temperatury pracy – od –20 °C do +60 °C – przy wilgotności powietrza od 5 % do 90 % oraz odporność na wstrząsy o sile do 3G i wibracje (MI-STD-810F 514.5C-1) pozwalają na pracę urządzenia w różnego typu pojazdach, w tym jako terminal wózka widłowego. Matryca 15² jest podświetlana diodami LED i osiąga jasność 400 cd/m2. Obudowa komputera wykonana jest z aluminium, co czyni ją lekką i odporną mechanicznie. Na froncie obudowy producent umieścił 10 programowalnych przycisków funkcyjnych, a pod nimi podświetlane diodami wskaźniki stanu pracy, co znacznie zwiększa funkcjonalność urządzenia. Wewnątrz bezwentylatorowej

konstrukcji mogą pracować procesory Intel Celeron, Core i3 lub Core i7. Komputer wyposażony jest w 2 GB pamięci DDR3 RAM. Do dyspozycji użytkownika oddano szereg interfejsów, z których warto wymienić: trzy porty RS-232, RS-422/485, RJ-45, gniazdo HDMI, dwa interfejsy Ethernet i dwa USB. Jest także izolowana magistrala CAN, istotna w aplikacjach samochodowych. Oprócz dwuzakresowego modułu IEEE802.11a/b/g/n 3 × 3 MIMO komputer można rozbudować o moduły Bluetooth, GPS oraz czytnik RFID (EM lub Mifire). Dostępna jest także wbudowana kamera internetowa o rozdzielczości 2 Mpx oraz mikrofon. Opcjonalnie komputer można wyposażyć w 4-kanałową kartę przechwytującą materiał audio/video. Wewnątrz komputera jest miejsce na dysk 2,5” HDD/SSD oraz na moduły standardu mSATA.

urządzenie podłącza się za pomocą pojedynczego,

6-metrowego przewodu, co ułatwia instalację.

Firma iEi Technology wprowadziła nowe komputery panelowe przeznaczone do sterowania robotami. Urządzenie o nazwie RobotTP-65M ma zintegrowany 6,5-calowy ekran z panelem dotykowym oraz 33-przyciskową klawiaturę membranową. Został wykonany zgodnie ze standardami przemysłowymi i cechuje się stopniem ochrony IP64. Jest też odporny na upadek

16

z wysokości 1 metra. Przeznaczeniem urządzenia jest przede wszystkim sterowanie robotami przemysłowymi, w tym mobilnymi. Jasny wyświetlacz (800 nitów) ułatwia obsługę maszyn poprzez graficzny interfejs użytkownika. Programowalna klawiatura i przycisk zatrzymania awaryjnego pozwalają sprawić, że sterowanie robotem będzie proste i intuicyjne. Co więcej,

Fot. RS Components, JM Elektronik, iEi

6,5-calowy panel do sterowania robotami


jubileusz      Wydarzenia

PAR po raz 200!

A•R AT Y K

YKA OBOT

10/2

1 ISSN ks Inde

R PA TOM

Cena

m w ty

Dwieście wydań i ponad 16 lat pracy za nami! Te liczby najlepiej świadczą o tym,

2 0 0 str

o

r nume n

!

POM

•AU IARY

ię c z m ie s

że miesięcznik naukowo-techniczny „Pomiary Automatyka Robotyka”, którego

auk n ik n

owo

n ic -tech

zny

. p a r. www

pl

pomysłodawcą i wydawcą jest Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, zajmuje stałe i ważne miejsce na rynku wydawniczym, na trwałe gości w sercach Czytelników i jest obecny na biurkach wielu firm, a nawet w gabinetach różnych urzędów.

Debiut pisma podczas targów Automaticon w 1997 r. nie był przypadkowy – miesięcznik z założenia miał być wsparciem dla branży, którą gromadziły targi, tak by miała ona dostęp do stałego źródła informacji i wiedzy, zarówno na temat nowości technicznych i technologicznych na rynku, jak i prowadzonych w tym zakresie prac badawczo-rozwojowych. Z tego też względu od początku w piśmie ukazywały się zarówno publikacje typowo informacyjne, w tym te opracowane przez firmy będące uczestnikami rynku, jak i artykuły naukowe. Byliśmy w tym działaniu prekursorem, jako że w tym czasie w zasadzie nie istniało na rynku pismo o podobnym profilu, kierowane do branży automatyki

przemysłowej i automatyzacji produkcji. Cel był więc od początku ambitny, i z tego też względu, jednocześnie z wydaniem pierwszego numeru miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka”, powołano do życia także – we współpracy z Dyrekcją PIAP – Radę Programową, w składzie której znalazły się autorytety z branży pomiarów, robotyki i automatyki przemysłowej. Od marca 1997 r., kiedy ukazał się pierwszy numer, zaszło wiele zmian – zmieniali się ludzie, szata graficzna, objętość pisma. Zmiany w zespole redakcyjnym w niemal każdym przypadku wynikały z odejścia na zawsze osób związanych z pismem. Tak było w przypadku pierwszego redaktora naczelnego,

doc. dr. inż. Jana Beka, który piastował tę funkcję od początku istnienia pisma aż do śmierci w 2000 r. To właśnie jemu pismo zawdzięcza zespół doświadczonych redaktorów, który został pozyskany do współpracy dzięki wieloletniemu doświadczeniu w pracy wydawniczej i akademickiej. W 2001 r. obowiązki redaktora naczelnego przejęła mgr inż. Adela Kaczanowska, pełniąca wcześniej funkcję jego zastępcy – najpierw jako p.o., a od 2005 r. jako

Barbara Wójcicka, prezes zarządu Sabur Miesięcznik PAR czytamy od pierwszego wydania, czyli od 1997 r. Dziś mamy „piękne” okazje do świętowania: PAR wydaje 200. numer, a firma Sabur działa ponad 20 lat. Z tej okazji – 200. Fot. RS Components, JM Elektronik, iEi, Sabur

wydania miesięcznika PAR – życzymy Redakcji kolejnych lat sukcesów, wielu kreatywnych pomysłów w tworzeniu interesujących publikacji i utrzymania znaczącej pozycji na zmieniającym się rynku wydawniczym. Jednocześnie chciałabym podziękować za wieloletnią, bardzo profesjonalną współpracę z Redakcją PAR, której doświadczamy przy redagowaniu naszych biuletynów „Automatyka”. Jeszcze raz wielkie gratulacje, wraz z wyrazami uznania i sympatii, w imieniu zespołu Sabur.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

17

PAR OWA

ROzM u uMeR

N

TeMAT

my syste acji nik komu

30

d z pro Wywia chni z Polite

65


Wydarzenia      Jubileusz

Tomasz Nowak, dyrektor KUKA Polska Cieszę się, iż czasopismo ma już swoje 200 wydanie. Miesięcznik PAR jest niewątpliwie prekursorem działającym w szeroko zakrojonym temacie automatyki przemysłowej. Zawartość, jaką przekazuje Czytelnikom, jest poparta fachową wiedzą oraz kompetencjami. Wybrane tematy opisywane są nie tylko w sposób ogólnikowy – autorzy przekazują nam pogłębioną wiedzę techniczną. Na kolejne 200 wydań życzę niewyczerpanych i ciekawych tematów z dziedziny automatyki.

redaktor naczelna. Niestety, jej pracę i życie przerwał w 2006 r. tragiczny wypadek. Wówczas obowiązki przejął jej dotychczasowy zastępca, dr inż. Jan Jabłkowski, który w 2010 r. objął funkcję redaktora naczelnego. Wśród osób, których nie ma już wśród nas, a które miały ogromny wpływ na kształt pisma, byli też prof. dr hab. inż. Anatol Gosiewski – przewodniczący Rady Programowej PAR, prof. dr inż. Adam Morecki – członek Rady Programowej oraz mgr inż. Marek

Kowalski – współtwórca szaty graficznej ponad 50 wydań PAR. Obecnie pismo nasze powstaje na co dzień dzięki pracy niewielkiego zespołu, którego skład tworzą: Seweryn Ścibior – zastępca redaktora naczelnego, Małgorzata Kaliczyńska – redaktor merytoryczny i naukowy, Jolanta GórskaSzkaradek i Sylwia Batorska, – marketing, Ewa Markowska – grafik, Elżbieta Walczak – korekta i dział prenumeraty, oraz Urszula Chojnacka – sekretarz redakcji.

Wraz z rosnącą liczbą wydań rosła też liczba stron pisma. Objętość miesięcznika, który rozpoczynał swą przygodę na rynku wydawniczym od 48 stron w wydaniu zeszytowym, częściowo w wersji biało-czarnej, w kolejnych latach systematycznie zwiększała się. Wartość pisma doceniono w 2010  r., czego wyrazem była pierwsza nagroda „NUMERUS PRIMUS inter pares” w konkursie na najlepszy numer specjalistycznego, branżowego czasopisma technicznego

Piotr Glinka, prezes zarządu Turck Żyjemy w czasach niesamowitego rozwoju technologicznego, dotyczy to również bliskiej naszym sercom automatyki przemysłowej. Wasze czasopismo, łącząc w sobie naukowy opis postępujących w branży trendów z przykładami zastosowań najnowszych oraz bieżącymi informacjami z życia branży, stanowi dla wielu z nas swoisty przewodnik, umożliwiający koncentrowanie się wyłącznie na istotnych tematach w zalewających nas ze wszystkich stron gigabajtach informacji. Gratuluję 200. wydania i życzę kolejnych tylu w tak dobrej formie. Okładka pierwszego numeru PAR

18

Fot. KUKA, Turck, Balluff, Skamer-ACM

technologii w gotowych aplikacjach


odpowiedzialny za technologiczną stronę utrzymania i rozwoju produkcji. Słowa uznania należą się całemu zespołowi redakcyjnemu PAR, który bazując na doświadczeniach Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP, organizującego m.in. specjalistyczne targi Automaticon, od 16 lat dzieli się z Czytelnikami pasją do automatyzacji i z sukcesem integruje środowisko producentów oraz użytkowników automatyki przemysłowej i obszarów naukowo-edukacyjnych. Przez cały ten czas partnerska współpraca z PAR w zakresie dostępu do informacji o najnowszych technologiach w dziedzinach detekcji, pomiarów, identyfikacji oraz połączeń sieciowych była dla nas, jako producenta takich rozwiązań systemowych, dużym wyróżnieniem i wyzwaniem, by – szczególnie w okresie dynamicznych zmian w przemyśle i nauce – zapewnić Czytelnikom dostęp do użytecznej wiedzy na oczekiwanym przez wydawcę wysokim poziomie merytorycznym. Dotychczasowy

Paweł Stefański, prezes firmy Balluff

zakres tematyczny miesięcznika PAR bardzo dobrze wpisuje się w strategię dalszego rozwoju firmy Balluff w Polsce, opartą na

Jubileusze dają wiele powodów do radości i dumy z tego, co już

aktywnej współpracy z przemysłem i sektorem naukowo-eduka-

zostało osiągnięte, a jednocześnie są wyzwaniem przyszłości. Bez

cyjnym, celem poprawy konkurencyjności wszystkich zaangażo-

wątpienia tak jest również w przypadku miesięcznika PAR, który

wanych stron. Życzymy Wydawcy, by 200. numer PAR stał się

przez 200 wydań wspierał, rozwijał i inspirował grono fachow-

dla nas wszystkich impulsem do tworzenia i rozwijania konku-

ców czynnie związanych z szeroko pojętą automatyką przemy-

rencyjnych sposobów wytwarzania przemysłowego, wspieranego

słową i robotyką – inżynierów-automatyków, służby utrzymania

przez optymalną automatyzację produkcji, której ciągłym źródłem

ruchu, integratorów, jak również menedżerów oraz inny personel

inspiracji będzie kolejnych 200 wydań miesięcznika.

w 2009 r., którą miesięcznik „Pomiary Automatyka Robotyka” otrzymał za numer 7-8/2009. Dziś nasi Czytelnicy co miesiąc mają do dyspozycji ponad setkę stron, w całości w kolorze, w klejonej oprawie, na dobrej jakości papierze kredowym. Prawdziwą metamorfozę przeszła też

szata graficzna, która obecnie jest synonimem prawdziwie nowoczesnego i atrakcyjnego wizualnie pisma. Za rewolucją graficzną poszła ta, bez której dziś obyć się nie sposób: technologiczna. Wersji drukowanej współczesnego PAR-u towarzyszy nie tylko wersja PDF i nowoczesna strona internetowa, ale także obecność

w mediach społecznościowych poprzez fanpage na Facebooku. Prawdziwym świadectwem nowoczesności pisma jest jednak wprowadzenie w tym roku wartości dodanej dla posiadaczy tabletów i smartfonów, którzy dzięki aplikacji PAR+ mają dostęp do znacznie rozszerzonych informacji.

Andrzej Turak, wiceprezes zarządu Skamer-ACM W imieniu firmy Skamer-ACM składam serdeczne gratulacje całej Redakcji PAR z okazji wydania 200. numeru czasopisma. Nasza firma od 26 lat zajmuje się profesjonalnie pomiarami i automatyką przemysłową. Powstały w 1997 r. miesięcznik stanowił i nadal stanowi dla nas i w ogóle dla automatyków istotne źródło wiedzy i informacji o rozwoju branży. Jest też wsparciem dla projektantów i inżynierów automatyków w zakładach przemysłowych. W naszej ocenie, dzięki profesjonalizmowi całej załogi, PAR jest numerem 1.

Fot. KUKA, Turck, Balluff, Skamer-ACM

na rynku czasopism technicznych w branży pomiarów i automatyki. Bardzo dziękujemy za wsparcie nas w organizacji corocznych Konferencji Automatyków (w tym roku odbyła się już XVII Konferencja). Patronat medialny PAR, osobisty udział przedstawicieli Redakcji, zamieszczane materiały konferencyjne i sprawozdania w dużym stopniu przyczyniają się podnoszenia tego majowego spotkania automatyków na coraz wyższy poziom. Cenimy sobie dotychczasową współpracę, liczymy na dalszą, a Redakcji życzymy kolejnych powodów do świętowania.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

19


Wydarzenia      Jubileusz

Łukasz Szymczak, dyrektor Działu Sieci Przemysłowe Elmark Automatyka Elmark Automatyka współpracuje z miesięcznikiem PAR od 15 lat. Bardzo cenimy sobie tę kooperację, gdyż uważamy PAR za jeden z najbardziej wartościowych tytułów dotyczących rynku automatyki przemysłowej. Całej Redakcji oraz wszystkim Czytelnikom życzymy kolejnych 200 wydań!

Stefan Życzkowski, prezes ASTOR Po dziś dzień bardzo dobrze

Tatiana Perczak-Szanowska, dyrektor ds. marketingu i sprzedaży WIKA Polska

pamiętamy pierwszy numer miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka”. Od początku istnienia czasopisma byliśmy zaangażowani

200. wydanie to powód do dumy i radości dla całej

w jego rozwój i wspieraliśmy

Redakcji PAR i wszystkich wiernych Czytelników.

inicjatywy wydawnictwa. Dlatego

Od lat PAR jest autorytetem w branży automatyki

200. numer bardzo nas cieszy,

i stanowi cenne źródło merytorycznych informacji

szczególnie, że PAR ewoluuje,

z zakresu pomiarów. To Państwa zaangażowanie

idąc z duchem nowych technologii.

i profesjonalizm pozwalają nam podążać za

Z okazji 200. wydania życzymy

zmieniającymi się trendami. Gratuluję 200. wydania

Redakcji dalszych sukcesów

oraz składam ogromne podziękowania za ciężką,

na rynku.

rzetelną pracę i życzę wielu, wielu lat sukcesów.

Miesięcznik PAR jest tytułem

i wielu innych aspektów dotyczących codzienności przemysłowej

dobrze rozpoznawalnym na

w Polsce. Bardzo ciekawym działaniem miesięcznika PAR jest

polskim rynku czasopism

wprowadzenie oferty dla użytkowników smartfonów i tabletów

profesjonalnych. Nieodmiennie

– dzięki dedykowanej aplikacji Czytelnik zainteresowany danym

od lat PAR porusza tematykę

tematem może zapoznać się z dodatkowymi informacjami

dotyczącą bezpośrednio

dotyczącymi danego zagadnienia.

techniki, analizuje trendy

Comau Robotyka w Polsce bardzo ceni sobie dotychczasową

rynkowe i wydarzenia oraz

współpracę z PAR, zarówno tę wydawniczą i marketingową, jak

publikuje ciekawe wywiady

i w zakresie prenumeraty. PAR nieodmiennie pozostaje jednym

z przedstawicielami przemysłu

z głównych tytułów branżowych, z którym współpracujemy

w Polsce. Dzięki kompleksowemu przekrojowi poruszanej

publikując nowości i informacje o rozwiązaniach technicznych.

tematyki PAR jest interesującą lekturą dla wszystkich tych grup.

PAR jest również bardzo ciekawą lekturą dla naszych pracowników.

Inżynierowie cenią sobie artykuły dotyczące pomiarów, automatyki,

Z okazji 200. wydania życzymy Redakcji dalszych sukcesów

robotyki, sterowania i różnych innych obszarów dotyczących

i coraz większego nakładu trafiającego do coraz większej grupy

technicznej strony funkcjonowania zakładów przemysłowych.

Czytelników.Jesteśmy pewni, że nasza współpraca będzie trwała

Menedżerowie mogą zapoznać się z ciekawymi publikacjami

i z pewnością będziemy świętować, wspólnie z Redakcją, kolejne

dotyczącymi trendów rynkowych, wydarzeń, nowych produktów

„okrągłe” wydania.

20

Fot. Elmark Automatyka, WIKA Polska, ASTOR, Comau, Festo Polska, WObit, PAR

Michał Ochmański, kierownik Działu Handlowego Comau Poland


Andrzej Soldaty, prezes zarządu Festo Polska Festo współpracuje z miesięcznikiem naukowo-technicznym PAR od samego początku jego istnienia. Przez te wszystkie lata na łamach miesięcznika ukazało się bardzo wiele interesujących artykułów dotyczących innowacji na rynku automatyki, wraz z przykładami ich rzeczywistego zastosowania. Razem z miesięcznikiem PAR firma Festo stara się przekazywać Czytelnikom istotne informacje mające wpływ na rozwój naszej branży, jaką jest automatyka przemysłowa. Z okazji 200. wydania życzymy całej Redakcji dalszych sukcesów oraz wielu wspaniałych publikacji.

Przez wszystkie te lata nie zmieniło się tylko jedno: cel wydawania pisma, jakim jest wsparcie merytoryczne dla naszych Czytelników i integracja środowiska technicznego i naukowego, w tym także tego młodszego, które doczekało się u nas nawet własnej sekcji – Forum Młodych. Sygnały, że jesteśmy dla współpracujących z nami firm i osób nie tylko źródłem informacji, ale i inspiracją, utwierdzają nas w przekonaniu, że to zadanie udaje nam się wykonywać całkiem nieźle. Nie do przecenienia w tym względzie jest życzliwe wsparcie, jakiego udzielały i udzielają nam współpracujące z nami firmy z branży

automatyki oraz skupione wokół tej branży środowisko naukowe. Dziękujemy wszystkim, którzy są z nami od początku oraz tym, którzy dołączyli do nas później. Jesteście dla nas wsparciem, motywacją i wyznacznikiem kierunku, w jakim powinniśmy iść. Liczymy, że będą Państwo z nami przy okazji kolejnych jubileuszy i okrągłych wydań.

Redakcja miesięcznika naukowo-technicznego „Pomiary Automatyka Robotyka”

Okolicznościowa statuetka przygotowana z okazji 15-lecia PAR (marzec 2012)

Fot. Elmark Automatyka, WIKA Polska, ASTOR, Comau, Festo Polska, WObit, PAR

Przemysław Degórski, kierownik Działu Doradztwa i Sprzedaży PPH WObit Czy można pokusić się

przekazywanych pasjonatom automatyki przemysłowej i robotyki.

o stwierdzenie, że miesięcznik

Naszym kluczem do rozwoju, aktualnym od początku istnienia

PAR i firma WObit to stare, dobre

firmy WObit do dnia dzisiejszego, jest PASJA. To właśnie pasja

małżeństwo? Jeśli wyznacznikiem

i entuzjazm naszego zespołu sprawiają, że powstają nowe,

takiego miana miałyby być lata

innowacyjne rozwiązania, wpływające na świat automatyki.

i różnorodność współpracy, to

Tematyka poruszana na łamach miesięcznika jest zbieżna

zdecydowanie tak.

z profilem działalności WObit i w znaczący sposób pomaga

Z PAR-em jesteśmy od wielu

przekazywać pasję i wiedzę gromadzoną przez naszą firmę

lat, Czytelnicy mogli poznać

jego Czytelnikom. I jak we wszystkich dziedzinach życia,

nas poprzez reklamy, widzieć

również za czasopismem PAR stoją przede wszystkim ludzie,

nas na okładkach i przede wszystkim w wielu artykułach

reprezentujący Wydawcę, recenzentów i zespół redakcyjny

technicznych. Serdecznie dziękujemy za dotychczasową

czasopisma. 200. wydanie miesięcznika PAR to wspaniała

współpracę i cieszymy się, że zaostrza ona nasz apetyt na

okazja do podziękowania im za ich solidność, profesjonalizm,

więcej. PAR w sposób profesjonalny prezentuje najnowsze

doświadczenie, cierpliwość, zrozumienie i okazywaną życzliwość.

trendy ze świata przemysłu oraz nauki. Wsparcie wydawcy oraz

Załączamy życzenia dalszego rozwoju czasopisma zwieńczonego

profesjonalnych recenzentów, będących specjalistami z różnych

sukcesami samego wydawnictwa oraz firm współpracujących

dziedzin nauki i techniki, gwarantuje rzetelność informacji

i jego Czytelników.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

21


Wydarzenia      RELACJE

Tegoroczne targi w Essen spokojnie można by nazwać robotowymi targami cięcia i spawania. Praktycznie każdy większy wystawca prezentujący swoje urządzenia starał się przekonać zwiedzających, że pokazywany sprzęt jest idealny do wykorzystania z dowolnym typem robotów. Tak prezentowali się zarówno producenci palników spawalniczych, jak i producenci spawarek.

Fot. po prawej: palniki spawalnicze prezentowane na robotach Reis, KUKA i ABB

22

Przykładem może być firma TBi Industries, która ponad połowę swojej ekspozycji poświęciła osprzętowi dla zrobotyzowanych stanowisk przemysłowych. Przedstawiła ona szeroki wybór palników i złącz antykolizyjnych, zarówno dla robotów typu standard, jak i z przelotowym ramieniem. Prezentację, oprócz ekspozycji robotów różnych producentów, stanowiły także cele demonstracyjne, w których regularnie odbywały się pokazy spawania.

Ekspozycje robotowe stanowiły także znaczącą część prezentacji na ogromnym stanowisku firmy Binzel. Dziewięć nieruchomych robotów, uzbrojonych w osprzęt do spawania, demonstrowało praktycznie wszystkie możliwe kombinacje zrobotyzowanego spawania. Wśród prezentowanych eksponatów, poza flagowymi produktami, takimi jak palniki do różnorakich technologii spawalniczych, złącz antykolizyjnych i czyszczarek, uwagę przyciągała cela demonstracyjna.

Fot. Mateusz Kieniewicz (PAR)

SCHWEISSEN&SCHNEIDEN 2013


Fot. Mateusz Kieniewicz (PAR)

Fot. po prawej: Robot KUKA podczas pokazu spawania, współpraca z czyszczarką do palnika system tandem

Możliwości współpracy z komponentami firmy Binzel prezentowały dwa roboty. Robot firmy Fanuc, wyposażony w skaner laserowy, wykonywał symulację spawania z korektą on-line. Zwiedzający mogli się przekonać, że pomimo przesuwania detalu w trakcie pracy robota proces jest prowadzony płynnie, a robot nie gubi trajektorii. Z kolei robot firmy KUKA prezentował głowicę do spawania laserowego MFS V3. Także potentaci, np. austriacka firma Fronius, znaczną część swojej ekspozycji poświęcali wyposażeniu dla robotów. Roboty przemysłowe, zarówno w celach demonstracyjnych, jak i jako nieruchome ekspozycje, konkurowały o uwagę odwiedzających z fachowcami, prezentującymi na żywo różnorakie nowości z zakresu technologii spawania. Nie mogło zabraknąć dowodu rzeczowego świadczącego o sile marki. Na stanowisku wspomnianej firmy Fronius, gdzie ustawiono kompletną karoserię samochodu, każdy zwiedzający mógł nie tylko zobaczyć, jak dziś spawa się konstrukcje w przemyśle motoryzacyjnym, ale wręcz dotknąć ekspozycji i urządzeń. Targi to także miejsce prezentacji nowinek technologicznych oraz innowacyjnych pomysłów. W ten schemat doskonale wpisały się firmy Ophardt Maritim, SCHUNK oraz Sinterleghe.

Fot. na dole: ekspozycje nieruchome – roboty KUKA, Reis, Closs, OTC, Motoman, Fanuc i Comau; w tle przestrzeń stanowiska firmy Binzel

Firma Ophardt Maritim zaprezentowała nowatorskie podejście do produkcji łodzi opierające się na pełnej automatyzacji i produkcji seryjnej, wzorowanej na przemyśle motoryzacyjnym. Firma oferuje trzy długości aluminiowych kadłubów, gotowych do zabudowy – 8-, 10- i 12-metrowy – i przystosowanych do wykorzystania jako platforma dla łodzi policyjnych, kutrów rybackich czy łodzi patrolowych. SCHUNK zademonstrował urządzenie o nazwie PSM 400 Premium, manipulator do automatyzacji spawania mikrolaserowego. Stanowisko może być wykorzystywane zarówno do prac naprawczych, jak również do produkcji – wszędzie tam, gdzie potrzebna jest precyzja i elastyczność, połączona z prostotą obsługi. Firma Sinterleghe z kolei prezentowała wyniki projektu badawczo-rozwojowego, który obejmował automatyzację kontroli stanu zużycia elektrod w zgrze-

Ekspozycja wyposażenia dla robotów; w tle cela demonstracyjna

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

23


Wydarzenia      Relacje

Fot. na górze: ekspozycja firmy Fronius, fachowiec i maszyna – przyszłość spawalnictwa

Fot. po lewej: PSM 400 Premium firmy Schunk – manipulator do automatyzacji spawania mikrolaserowego

Fot. Mateusz Kieniewicz (PAR)

Fot. na dole: stanowisko firmy Fronius, karoseria Mercedes-Benz SLS AMG

24


Ekspozycja firmy Ophardt Maritim

Fot. poniżej: stanowisko spawania tarciowego na stoisku firmy KUKA Roboter

wadle. System, oprócz kontroli, umożliwia ostrzenie elektrod, tak by przez cały okres eksploatacji miały optymalny kształt. Również na stanowisku firmy KUKA, niemieckiego producenta robotów, można było zobaczyć coś więcej niż standardowe rozwiązania, mianowicie stanowisko spawania tarciowego, z potężnym robotem KR500. Na stanowisku tym demonstrowano technologię spawania elementów aluminiowych bez użycia łuku elektrycznego. Robot przenoszący głowicę obrotową wykonuje trwałe połączenie, wykorzystując jedynie siłę tarcia. Materiał łączonych detali topi się w wyniku ciepła

wytworzonego przez tarcie pomiędzy głowicą a elementami łączonymi. Tegoroczna, 18. już edycja targów Schweissen&Schneiden, która odbyła się w dniach 16–21 września 2013 r. w niemieckim Essen, zgromadziła na powierzchni 100 tys. m2 ponad tysiąc wystawców. Targi odwiedziło 55 tys. zwiedzających z ponad 130 krajów. Kolejne targi spawania i cięcia w Essen za cztery lata (18–23 września 2017 r.). 

Mateusz Kieniewicz PAR

Fot. Mateusz Kieniewicz (PAR)

System kontroli i ostrzenia elektrod na stoisku firmy Sinterleghe

Detal wykonany techniką spawania tarciowego

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

25


Wydarzenia      RELACJE

ASTOR Innovation Room Robot Kawasaki ZD130S pracuje na stanowisku paletyzacji

Firma ASTOR wraz z partnerami – ośrodkami naukowymi, dostawcami sprzętu, technologami – przygotowała w swojej krakowskiej siedzibie miejsce nazwane ASTOR Innovation Room (AIR), w którym zaawansowane rozwiązania

Dokładnie w samo południe 25  września 2013 r. w Krakowie przy ul. Smoleńsk  29, w  głównej siedzibie firmy ASTOR, w obecności licznie przybyłych zaproszonych gości, dokonano uroczystego otwarcia AIR – ASTOR Innovation Room z interaktywną wystawą robotyki i  technologii IT. W  jednym miejscu zaprezentowano działanie nowoczesnych systemów produkcyjnych z  robotami przemysłowymi firmy Kawasaki i Epson, nadzorowane przez sterowniki GE Intelligent Platforms oraz oprogramowanie SCADA i MES firmy Wonderware.

W ASTOR Innovation Room wszyscy zainteresowani mogą zobaczyć wybrane procesy produkcyjne z zastosowaniem robotów przemysłowych, tj. spawanie łukowe, paletyzowanie i  pakowanie. Firma ASTOR zaprasza do swojej siedziby, a przede wszystkim do AIR, przedstawicieli zakładów produkcyjnych, firm integratorskich, wyższych uczelni i szkół oraz krakowskich przechodniów. W nowo oddanej inwestycji można wykonać testy robotyzacji, dokonać weryfikacji rozwiązań, przeanalizować kolejne zmiany przed ich wdrożeniem. Jest to

techniczne dostępne są dla każdego, tzn. profesjonalisty, naukowca czy po prostu

Robot Kawasaki YF003N, pracując między dwoma taśmociągami, wykonuje precyzyjne i szybkie ruchy

26

Fot. Jolanta Górska-Szkaradek (PAR)

zainteresowanego przechodnia.


Fot. Jolanta Górska-Szkaradek (PAR)

bardzo dobre miejsce do przeprowadzenia szkoleń, ponieważ teorii towarzyszy również praktyka. W AIR proces spawania łukowego realizowany jest przez robot Kawasaki RA006L, który został wyposażony w nowoczesne i ekonomiczne źródło spawalnicze firmy Fronius. Połączenie precyzyjnych ruchów robota i  optymalnego sterowania procesem spawania zapewnia wysoką jakość spoin uzyskanych podczas spawania stalowych elementów. Z  kolei na stanowisku do paletyzacji robot Kawasaki ZD130S wyposażony w chwytak pneumatyczny zdejmuje kartony z taśmociągu i umieszcza je na europalecie. Taśmociąg napędzany jest silnikiem z falownikiem o mocy 0,75 kW Astraada Drive GD10. Wypełniona europaleta transportowana jest przenośnikiem rolkowym (napędzanym silnikiem z falownikiem GD10) pod owijarkę firmy Haloila. Tutaj w trybie automatycznym następuje zabezpieczenie towaru i przygotowanie palety do transportu. Robot może przenosić produkty o wadze do 130 kg. Kolejne zrobotyzowane stanowisko powstało z wykorzystaniem robota Kawasaki YF003N, który pracuje w aplikacji ultraszybkiego pakowania wykonując cztery ruchy na sekundę. Robot wyposażony jest w system wizyjny, dzięki któremu rozpoznaje produkty chaotycznie rozmieszczone na taśmociągu oraz określa ich położenie. Następnie przy pomocy ssawki pobiera je i  przekłada w  usystematyzowany sposób na drugi taśmociąg. Taśmociągi napędzane są niezależnie, za pomocą silników sterowanych falownikami Astraada Drive, a  prędkość przesuwu taśm regulowana jest przez układ sterowania robota. Wykorzystanie funkcji Conveyer Tracking

SMS wysłany i udało się – Jarosław Gracel, dyrektor ds. marketingu i PR firmy ASTOR uruchomił wybraną aplikację z robotem

umożliwia robotowi przekładanie produktów bez zatrzymywania taśm, dzięki czemu dodatkowo wzrasta wydajność. W ASTOR Innovation Room zastosowano nadrzędny system sterowania z najnowszym kontrolerem firmy GE Intelligent Platforms, czyli RXi. Zastosowanie kontrolera sieci Profinet pozwoliło na zbudowanie niezawodnej i deterministycznej sieci, w skład której wchodzą trzy roboty Kawasaki oraz cztery wyspy rozmieszczone w  różnych miejscach ekspozycji. Wyspy te działają w  oparciu o  interfejsy komunikacyjne Profinet RSTi PACSystems, które zbierają sygnały ze wszystkich urządzeń oraz komunikują się z falownikami Astraada Drive. Zastosowanie w całym systemie sterowania sieci Profinet oraz urządzeń najwyższej klasy umożliwia realizację w ASTOR Innovation Room wykonywanie testów, rozbudowę aplikacji oraz prezentację aplikacji nawet osobom niewtajemniczonym w rozwiązania stosowane w rozproszonych systemach sterowania. System nadzorujący pracę urządzeń oparty jest na Platformie Systemowej firmy Wonderware. Nadzór nad aplikacją

zapewnia oprogramowanie Platforma Systemowa ArchestrA wraz z InTouch. Dzięki zbudowanemu przejrzystemu interfejsowi każdy pracownik, także bez specjalistycznej wiedzy, jest w stanie uruchomić stanowisko pokazowe i monitorować postęp jego pracy. Dodatkowo system rejestruje parametry wydajnościowe każdego ze stanowisk oraz steruje innowacyjnym oświetleniem wykorzystującym kontrolery inteligentnego budynku i domu firmy Fibaro, w zależności od pracy poszczególnych zrobotyzowanych stanowisk. Otwierając ASTOR Innovation Room, firma ASTOR umożliwia m.in. uczelniom i szkołom realizację praktycznych zajęć z wykorzystaniem najnowszych technologii oraz np. ułatwia wybór kierunku kształcenia. Dzięki temu, że cała ekspozycja AIR znajduje się na parterze siedziby firmy ASTOR, a  budynek od strony ul. Smoleńsk jest przeszklony, zainteresowany przechodzień może nawet z zewnątrz obejrzeć, jak pracują roboty. Roboty w wybranej aplikacji rozpoczną pracę po wysłaniu SMS-a z telefonu komórkowego (koszt SMS-a wg standardowej taryfy operatora) na podany w witrynie AIR numer. Firmie ASTOR gratulujemy pomysłu i  życzymy dużego zainteresowania ze strony odwiedzających. Może będzie to kolejna atrakcja w Krakowie?

Jolanta Górska-Szkaradek PAR

Uroczystego przecięcia wstęgi dokonali: Małgorzata Bywanis-Jodlińska – dyrektor generalna Małopolskiego Urzędu Wojewódzkiego, Jan Okoński – pełnomocnik Prezydenta Miasta Krakowa ds. Przedsiębiorczości oraz Stefan Życzkowski – prezes ASTOR

Stanowisko spawania łukowego z robotem Kawasaki RA006L

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

27


Wydarzenia      RELACJE

Proteus zadebiutował na Stadionie Narodowym 24 września odbyła się premiera systemu Proteus – jednego z najnowocześniejszych na świecie systemów wspomagania jednostek antykryzysowych i antyterrorystycznych. Przeprowadzona na Stadionie Narodowym w Warszawie zainscenizowana akcja ratownicza, w której wzięły udział trzy roboty interwencyjne, mobilne centrum dowodzenia i samolot bezzałogowy była prawdziwym majstersztykiem.

Duży Robot w akcji

28

Pokaz obserwowało kilkaset osób

Fot. Łukasz Widziszowski

Zainscenizowana akcja terrorystyczna

Pokaz na Stadionie Narodowym stanowił ukoronowanie ponad pięciu lat pracy nad jednym z największych projektów badawczo-rozwojowych w  Polsce. Całkowity budżet zrealizowanego przez konsorcjum 10 jednostek naukowych pod przewodnictwem Przemysłowego Instytutu Automatyki i  Pomiarów PIAP projektu wyniósł ponad 68 mln PLN. Wymagania techniczne i operacyjne zostały opracowane we współpracy z docelowymi odbiorcami – policją, strażą pożarną, centrami antykryzysowymi. Jednostka operacyjna, która powstała w  efekcie tych prac gwarantuje efektywność i niezawodność w  niemal każdym rodzaju zagrożenia kryzysowego – począwszy od powodzi po zagrożenia terrorystyczne, chemiczne oraz biologiczne. Główne elementy systemu Proteus to trzy wielofunkcyjne roboty mobilne – Mały Robot, Średni Robot i Duży Robot – oraz samolot bezzałogowy i Mobilne Centrum Dowodzenia. MCD zamontowane jest na podwoziu samochodu ciężarowego i  wyposażone w  szereg rozwiązań telekomunikacyjnych oraz informatycznych, z  wykorzystaniem technik satelitarnych. Tu są przetwarzane i  analizowane dane nadchodzące z  pozostałych elementów Proteu­sa, np. samolotu bezzałogowego czy robotów. – To spinacz, który spaja cały system w całość. To tu spływają wszystkie informacje i podejmowane są decyzje. Instalacja zapewnia komunikację ze wszystkimi pozostałymi jednostkami wchodzącymi w skład systemu Proteus oraz ze światem zewnętrznym – mówi prof. Piotr Szynkarczyk z PIAP, szef projektu Proteus. System po przeanalizowaniu sytuacji kryzysowej pod wieloma różnymi względami przedstawia operatorom


Fot. Łukasz Widziszowski

i kierującym akcją listę możliwych scenariuszy rozwiązania problemu, a  systemy łączności i  wymiany informacji zapewniają efektywną współpracę różnych służb oraz komunikację ze stacjonarnymi stanowiskami kierowania. Zadaniem samolotu bezzałogowego jest wspomaganie działań poprzez obserwację, zbieranie za pomocą czujników – takich jak np. w  pełni innowacyjny czujnik płomieni – danych z zagrożonych obszarów i  przekazywanie ich do mobilnego centrum dowodzenia. Usprawnia to proces decyzyjny i  koordynację służb zaangażowanych w  akcję. Samolot wyposażony w  głowicę optyczną z kamerami światła dziennego (zoom 36 x) i termowizji jest jednostką częściowo autonomiczną – dzięki możliwości poruszania się po zadanej wcześniej trasie przelotu nie wymaga stałej uwagi operatora i  przeszkolenia w  zakresie pilotażu. Podstawową funkcją Małego Robota jest inspekcja trudno dostępnych i  potencjalnie skażonych miejsc, gdzie zdrowie i  życie osób biorących udział w  akcji jest poważnie zagrożone. Został on wyposażony w szereg urządzeń pozwalających na pobranie próbek do analiz o różnym stanie skupienia i przewiezienie ich do laboratorium w  celu dalszej analizy. Innowacyjny, gąsiennicowy układ napędowy umożliwia poruszanie się w  trudnym terenie i  wspinanie na przeszkody do wysokości pół metra. Istniej możliwość zamontowania na robocie pobieraka próbek gleby, cieczy i gazów. Średni Robot łączy w  sobie funkcje interwencyjne i rozpoznawcze. Gąsienicowy układ napędowy umożliwia poruszanie się w  trudnym terenie, również we wnętrzach budynków. Funkcje rozpoznawcze są realizowane dzięki możliwości montażu szerokiego wachlarza czujników, które wchodzą w skład systemu Proteus (np. czujnik materiałów wybuchowych). Funkcje interwencyjne zapewnia wielofunkcyjny manipulator o  zasięgu aż dwóch metrów i  możliwości przenoszenia ładunków o  maksymalnym udźwigu 28 kg. Układ napędowy pozwala na poruszanie się w  trudnym terenie oraz wspinanie się na krawężniki i schody. Duży Robot, dzięki możliwości rozwijania dużej prędkości – ponad 10 km/h – i doskonałym właściwościom jezdnym, może sprawnie i  szybko poruszać się na trudnym, nieutwardzonym podłożu. Odpowiednia konstrukcja i gabaryty pozwalają na podnoszenie i  przewożenie

Po zakończeniu akcji każdy mógł poznać bliżej jej bohaterów

ładunków o znacznej masie, nawet do 40 kg. Manipulator Dużego Robota służyć może do montażu urządzeń peryferyjnych. Ciekawostką jest możliwość zastosowania antyterrorystycznych zestawów negocjacyjnych czy prądnicy strażackiej, służącej do gaszenia pożarów. Ważnym elementem systemu Proteus jest też powstały w Zakładzie Automatyki i  Osprzętu Lotniczego Politechniki Warszawskiej symulator robota mobilnego, który pełni funkcję ośrodka szkoleniowego i testowego. Jedną z najważniejszych funkcji symulatora jest szkolenie operatorów robotów i przygotowanie ich do przyszłych działań operacyjnych w każdych warunkach. Istotną funkcją jest również wsparcie prac projektowych i rozwojowych oraz badania symulacyjne obiektów ruchomych. Podczas prezentacji na Stadionie Narodowym przedstawiciele administracji, przyszli użytkownicy, eksperci oraz zaproszeni dziennikarze – w sumie kilkaset osób – mieli możliwość zobaczenia systemu Proteus w zainscenizowanej akcji ratowniczej obejmującej

interwencję straży pożarnej oraz policji. Do działania zostały skierowane trzy roboty interwencyjne, mobilne centrum dowodzenia, mobilne centrum operatorów robotów i samolot bezzałogowy. Czytelny nawet dla laików scenariusz był zrealizowany w  najdrobniejszych szczegółach i  przeprowadzony w  oszałamiającym tempie, a  największymi bohaterami były oczywiście roboty mobilne. Goście mieli też możliwość bezpośredniego zapoznania się po pokazie z  elementami systemu oraz porozmawiania z inżynierami odpowiedzialnymi za dane elementy. Organizatorem pokazu był Przemysłowy Instytut Automatyki i  Pomiarów PIAP. Patronat nad wydarzeniem objęli: prof. Barbara Kudrycka, Minister Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Elżbieta Bieńkowska, Minister Rozwoju Regionalnego, prof. Krzysztof Jan Kurzydłowski, Dyrektor Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Projekt Proteus został zrealizowany dzięki współfinansowaniu ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w  ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na lata 2007-2013. Jego realizacja umożliwiła podmiotom biorącym w nim udział zdobycie wiedzy, dzięki której w  przyszłości będą mogły skuteczniej współpracować z  przemysłem opracowując innowacyjne produkty. Wyniki projektu mogą stanowić podstawę do stworzenia konkretnych rozwiązań i produktów, które wspomogą działania służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo publiczne.  Urszula Chojnacka

Mobilne Centrum Dowodzenia

PAR

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

29


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Kabel FTP-C-11Y firmy Technokabel

Rozwój technologii komponentów do komunikacji w sieciach przemysłowych Technologia urządzeń w komunikacji przewodowej jest dziś na bardzo wysokim poziomie i wciąż się rozwija, ponieważ rynek aplikacji sieciowych wymaga komponentów o coraz wyższych parametrach.

Nowoczesna technologia w zakresie automatyzacji sieci przemysłowych wymaga przesyłu coraz większej ilości danych, toteż dla zapewnienia bezpiecznego przesyłu danych konieczne są połączenia bardzo wysokiej klasy. Komponenty do sieci przemysłowych są stosowane w różnych gałęziach przemysłu, np. w liniach produkcyjnych, nowoczesnych maszynach, w systemach sterowania i kontroli.

Rynek sieci przemysłowych Obecnie dostawcy oferują na polskim rynku wiele urządzeń sieciowych, wśród nich m.in. switche, konwertery, przewody. Stosowanie sieci przemysłowych przyczynia się do poprawy kontroli i zarządzania złożonymi, często rozproszonymi układami automatyki przemysłowej. Ważną rolę na rynku komponentów sieci przemysłowych odgrywa firma ASTOR. Paweł Podsiadło, specjalista ds. sterowania i sieci przemysłowych tej firmy twierdzi, że przewodowa transmisja danych z wykorzystaniem sieci Ethernet jest jednym z najbardziej popularnych sposobów wymiany informacji w przemyśle. Wysoka przepustowość sieci Ethernet w połączeniu z łatwą rozbudową o nowe urządzenia oraz szybką instalacją magistral sprawiają, że

30

coraz więcej użytkowników wybiera ten standard jako wiodący. Powoduje to, że jednym z najczęściej stosowanych urządzeń komunikacyjnych jest switch (przełącznik) przemysłowy. Rosnącym zainteresowaniem cieszą się zwłaszcza switche zarządzalne, które poza przemysłowym wykonaniem charakteryzują się szeregiem specjalnie opracowanych funkcji, np. pozwalających na szybkie wykrywanie i usuwanie awarii (zdalna diagnostyka) oraz zabezpieczających sieć przed awarią (rozbudowane, samonaprawiające się struktury sieciowe). Cenionym przez administratorów sieci przemysłowych narzędziem jest również dedykowane oprogramowanie pozwalające w sposób automatyczny wykrywać połączenia sieciowe oraz budować graficzną wizualizację struktury całej sieci Ethernet. Switche zarządzalne dostarcza również firma Antaira Technologies. Jak podkreśla Cezary Kalista, specjalista Antaira Technologies, switche te – oprócz wzmocnionej konstrukcji – cechuje rozbudowana funkcjonalność, która pozwala na budowanie deterministycznych sieci, odpornych na przerwanie łącza. Typowym rozwiązaniem, zapewniającym redundancję połączeń w przemysłowej sieci Ethernet jest technologia redundantnego pierścienia.

W przypadku przerwania pierścienia realizowana jest natychmiastowa rekonfiguracja sieci i przejście na połączenia zapasowe w czasie poniżej 20 ms. W niektórych zastosowaniach tworzenie jednego dużego pierścienia może okazać się niemożliwe, dlatego przewiduje się tworzenie wielu mniejszych pierścieni z redundantnymi połączeniami między poszczególnymi pierścieniami, tzw. Ring Coupling, Dual Homing lub Dual Ring. Nie wszystkie protokoły redundantnego pierścienia są ze sobą kompatybilne, dlatego w sytuacji, gdy chcemy wpiąć switch do istniejącej już sieci, można zastosować standardowy protokół redundancji RSTP/STP. Przełączniki zarządzalne firmy Antaira mają zaimplementowaną większość dostępnych mechanizmów i protokołów zwiększających niezawodność przesyłanych danych. Umożliwiają tworzenie wirtualnych sieci lokalnych VLAN, co pozwala na logiczny podział sieci, bez ingerencji w fizyczną infrastrukturę. IGMP Snooping zapewnia odpowiednie filtrowanie wiadomości multicast, a QoS czuwa nad determinizmem przesyłanych danych. Konfiguracja zarządzalnych switchy nikomu nie powinna nastręczać trudności. Większość przełączników ma bardzo intuicyjną konsolę web, która znacznie ułatwia konfigurację początkującym użytkownikom, szczególnie w małych sieciach. Zaawansowani użytkownicy, zwłaszcza w przypadku sieci rozległych, chętnie korzystają z wiersza poleceń CLI oraz SNMP. Pojęcie switch przemysłowy jest bardzo pojemne. Wspólnym mianownikiem dla tych urządzeń jest podwyższona odporność na trudne warunki zewnętrzne, natomiast funkcjonalność przełączników


jest dobierana w zależności od tego, w jakiej aplikacji zostały zastosowane i jakiego rodzaju dane przesyłają. Switch LNX-1212GN-SFP-T wyróżnia się liczbą dostępnych portów SFP, ponieważ każdy z portów switcha może być uzbrojony w moduł SFP. Wśród zastosowań przemysłowych nie jest to częste rozwiązanie – zwykle tylko porty do tworzenia szkieletu sieci mają taką postać. LNX-1212GNSFP-T wyposażony jest w osiem portów 10/100/1000T/SFP Combo oraz cztery porty 1000BaseX SFP. Jest to bardzo uniwersalny switch, ponieważ w odróżnieniu od switchy modułowych każdy port LNX-1212GN-SFP-T można skonfigurować indywidualnie. Switch EDS-619 to najbardziej rozbudowany model przełącznika z rodziny EDS-600 oferowany przez firmę Elmark Automatyka. Urządzenie zostało wyposażone w cztery sloty przeznaczone do montażu modułów z serii CM-600, co pozwala zainstalować maksymalnie 16 portów Fast Ethernet. Ponadto EDS-619 ma trzy porty gigabitowe combo RJ-45/SFP. Switch EDS-619, podobnie jak pozostałe switche z serii 600, ma nowy zestaw funkcjonalności, m.in. Turbo Chain, PTP, DHCP Option 82, LLDP. Protokoły Turbo Chain oraz Turbo Ring umożliwiają tworzenie redundantnych sieci o czasie rekonfiguracji poniżej 20 ms. EDS-619 został zaprojektowany do pracy w warunkach przemysłowych, ma solidną, metalową obudowę, uchwyt do montażu na szynie DIN i może pracować w szerokim zakresie temperatury. EDS-P510A-8PoE to jeden z najnowszych switchy firmy Moxa z obsługą

Switch FTS 3082 firmy Harting

standardu IEEE 802.3af/at. Przełącznik jest wyposażony w funkcjonalności switcha zarządzalnego, ma dodatkowo osiem portów mogących zasilać urządzenia zgodne ze standardem PoE i PoE+. Dodatkowe dwa gigabitowe porty combo (RJ-45 bądź slot na moduł SFP) umożliwiają komunikację na znaczne odległości. Dzięki zastosowaniu modułów SFP transmisja światłowodowa może odbywać się na odległość nawet do 80 km. Ponadto wykorzystanie światłowodu jako medium transmisyjnego eliminuje wpływ zakłóceń elektromagnetycznych. Switch EDS-P510A-8PoE został wyposażony w szereg mechanizmów usprawniających przesyłanie pakietów w sieci Ethernet – IGMP, VLAN, QoS, RMON, a także w protokół Moxa Turbo Ring, umożliwiający tworzenie redundantnych połączeń w topologii pierścienia. Przełącznik Moxa to urządzenie zaprojektowane do zastosowań przemysłowych w szerokim zakresie temperatury, wyposażone m.in. w uchwyt do montażu na szynie DIN, redundantne wejście zasilania, aluminiową obudowę IP30. ICS-G7848/G8750/G8752 to najnowsza seria switchy corowych, obsługująca przełączenia w warstwie trzeciej. 48 portów gigabitowych (RJ-45 bądź SFP) oraz nawet cztery porty 10 Gb/s sprawiają, że urządzenia te idealnie sprawdzą się w roli przełączników rdzeniowych w rozległych sieciach przemysłowych. ICS-G7848/7850/7852 obsługują zarówno routing statyczny, jak i dynamiczny (RIP, OSPF), a także routing multicastu (DVMRP, PIM-DM). Uzupełnieniem funkcjonalności switchy z tej serii jest cała gama protokołów sieciowych: 802.1Q VLAN, QoS, IGMP Snooping, DHCP, SNMP i wiele innych. Przełączniki z rodziny ICS-G7848/ G4850/G7852 stanowią idealny wybór wszędzie tam, gdzie wymagana jest zarówno wysoka wydajność, jak i niezawodna, bezawaryjna praca. Rozwój technologii sieci przemysłowych Piotr Sabak, Product Manager firmy Elmark Automatyka podkreśla że wraz z rozwojem sieci przemysłowych bazujących na technologii Ethernet pojawia się coraz więcej mechanizmów zapewniających niezawodne przesyłanie danych i odporność sieci na awarie związane z brakiem komunikacji w którymś z segmentów sieciowych. O ile jeszcze kilka lat temu najpopularniejszym rozwiązaniem, zapew-

niającym nadmiarowość połączeń sieciowych, były protokoły bazujące na topologii redundantnego pierścienia, o tyle obecnie gama dostępnych protokołów redundancji jest o wiele szersza – dostępne są zarówno tradycyjne pojedyncze pierścienie, jak i możliwość łączenia większej liczby redundantnych pierścieni w jedną sieć. Pojawiły się też protokoły redundantne w topologii magistrali. Sieć oparta na takim redundantnym łańcuchu przełączników może być wpięta do dowolnego, istniejącego już segmentu infrastruktury. Wciąż popularne są technologie bazujące na protokole drzewa rozpinającego (STP, RSTP, MSTP), których główną zaletą jest duża elastyczność oraz otwarta specyfikacja, pozwalająca na implementację tych rozwiązań w urządzeniach różnych producentów. Zdaniem Piotra Sabaka, ze względu na specyfikę sieci przemysłowych, gdzie niezawodność przesyłania danych między różnymi systemami ma znaczenie krytyczne, należy spodziewać się dalszego rozwoju i ulepszania technologii zapewniających redundancję połączeń. Istotną pozycję na rynku urządzeń do sieci przemysłowych zajmują konwertery sieciowe i karty sieciowe. Szczególnie popularne stają się konwertery sieciowe, które w znaczny sposób przyczyniają się do modernizacji maszyn. Dzięki nim można zapewnić sterowanie maszynami przez sieć Ethernet bez zmiany ich interfejsów. Firma Acte oferuje konwerter RS-232 na Ethernet. Urządzenie jest gotowym rozwiązaniem w formie modemu wyposażonego w port RJ-45 oraz RS-232. Wystarczy podłączyć zasilanie, kabel Ethernet oraz DB9 i układ jest gotowy do pracy. Telecom Design proponuje szeroką gamę produktów Serial to Ethernet umożliwiających szybkie podłączenie urządzeń interfejsem szeregowym do sieci Ethernet. Konfiguracja odbywa się za pomocą komend AT lub programu Device Manager. Urządzenia są przystosowane do pracy w przemysłowych zakresach temperatury (–40… +90) °C. Bardzo ważną rolę w obszarze sieci przemysłowych odgrywają moduły I/O, które umożliwiają podłączanie różnych sygnałów wejściowych – np. z czujników czy włączników – oraz sygnałów wyjściowych do sterowania i kontroli urządzeń. Istotne jest, że dane przekazywane są do systemu za pomocą sieci komunikacyjnych.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

31


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Parametry urządzeń sieciowych Dostawca

Antaira Technologies

Antaira Technologies

ASTOR

Producent

Antaira Technologies

Antaira Technologies

Astraada

Nazwa produktu

LNX-1212GN-SFP-T

STE-501

JET-NET-6524G-DC

Interfejs

Ethernet

Ethernet

Ethernet

Liczba portów miedzianych

12 combo

1

24 × 10/100/1000 TX

Liczba portów światłowodowych

12 combo

0

4 × 1000 FX - moduł SFP (combo)

Liczba portów szeregowych (konsola)

1

1

1 × RS-232

Terminal zasilający

2

1

24 V DC (18...36 V DC)

Przekaźnikowe wyjście alarmujące

1

0

nie

tak

tak

tak

tak

nie

tak

Redundancja połączeń

tak

nie

tak (RSR, VRRP, RSTP)

Funkcja IGMP Snooping

tak

nie

tak

Funkcja VLAN

tak

nie

tak

Funkcja Quality of Service

tak

nie

tak

SNMP V1/V2C/V3

tak

tak

tak

SMTP

tak

tak

tak

tak

nie

tak

nie

nie

aluminiowa

aluminiowa

aluminiowa

IP30

IP30

IP31

96,4 mm × 108,5 mm × 154 mm

65 mm × 80 mm × 28 mm

42,5 mm × 440 mm × 247 mm

–40…+70 °C

0…+60 ° C

–40...+65 °C

5…95 % bez kondensacji

5…95 % bez kondensacji

10....95 %

szyna DIN, panel

szyna DIN, panel

szafa RACK 19"

Funkcje i protokoły Konfiguracja z przeglądarki internetowej Zabezpieczone protokoły: HTTPS, SSH, 802.1x

Syslog (Logowanie alarmów w switchu) Routing (Layer 3)

tak (RIPv1/v2, OSPFv1/v2, PIM-DM, PIM-SM, VRRP)

Parametry mechaniczne Obudowa Stopień ochrony Wymiary Temperatura pracy Wilgotność Montaż

32


bo)

PIM-SM,

m

Balluff

Balluff

Elmark Automatyka

Elmark Automatyka

Balluff

Balluff

MOXA

MOXA

BNI TCP-952-000-E029

BNI EIP- 950-000- Z009

EDS-619

EDS-P510A-8PoE-2GTXSFP-T

Ethernet

Ethernet

Ethernet

Ethernet

8

9

max. 19

8 PoE

0

0

max. 19

2

0

0

1

1

2

nie

2

2

nie

1

2

2

nie

nie

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

brak danych

brak danych

tak

tak

nie

nie

nie

nie

metalowa

metalowa

metalowa

metalowa

IP20

IP67

IP30

IP30

145 mm ×125 mm ×60 mm

224×68×20

–10...+60 °C

–25…+70 °C

0…+60 °C

–40...+75°C

brak danych

brak danych

5…95 %

5… 95 %

szyna DIN

otwory montażowe

szyna DIN

szyna DIN

EDS-616/619 Series: 185 mm × 151 mm × 157,2 mm

79,2 mm × 135 mm × 105 mm

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

33


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Parametry urządzeń sieciowych

Dostawca

Elmark Automatyka

GURU Control Systems

GURU Control Systems

MOXA

ICPDAS

ICPDAS

ICS-G7852-4XG-HV-HV

MSM-508

MSM-508FCS

Interfejs

Ethernet

Ethernet

Ethernet

Liczba portów miedzianych

max. 48

8

6

Liczba portów światłowodowych

max. 48

2

Liczba portów szeregowych (konsola)

1

2

2

Terminal zasilający

2

+12...+48 V DC

+12...+48 V DC

nie

tak

tak

tak

tak

tak

tak

tak

tak

Redundancja połączeń

tak

ICP DAS Cyber-Link

ICP DAS Cyber-Link

Funkcja IGMP Snooping

tak

nie

nie

Funkcja VLAN

tak

tak

tak

Funkcja Quality of Service

tak

tak

tak

SNMP V1/V2C/V3

tak

nie

nie

SMTP

tak

tak

tak

tak

nie

nie

tak

nie

nie

metalowa

metalowa

metalowa

IP30

IP30

IP30

440 mm × 176 mm × 523,8 mm

47 mm × 128 mm × 175

47 mm × 140 mm  × 175 mm

–0…+60 °C

–40… +75 °C

0…+70 °C

Wilgotność

5…95 %

10… 90 %

10…90 %

Montaż

RACK 19

szyna DIN lub ściana

szyna DIN lub ściana

Producent

Nazwa produktu

Przekaźnikowe wyjście alarmujące

Eth

Funkcje i protokoły Konfiguracja z przeglądarki internetowej Zabezpieczone protokoły: HTTPS, SSH, 802.1x

Syslog (Logowanie alarmów w switchu) Routing (Layer 3) Parametry mechaniczne Obudowa Stopień ochrony Wymiary Temperatura pracy

34

46,5


s

m

HARTING

HARTING

SABUR

HARTING

HARTING

Saia-Burgess Controls

eCon 2050-A Ethernet/PROFINET/EtherNet/IP

FTS 3082-ASFP Ethernet/PROFINET/EtherNet/IP/Modbus TCP

Ethernet w sieciach przemysłowych

Q.NET-8TX Ethernet 10/100 Mbps

5

10

8

0

2 (SFP)

nie

0

0

nie

1 × 24 V DC

2 × 24 V DC

brak danych

nie

nie; status LED

nie; status LED

niezarządzalny

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

tak

nie

nie dotyczy

Stosowane są wersje modułowe i kompaktowe. Rozwiązania modułowe składają się z elementu backplane oraz kart we/wy. Na rynku są dostępne moduły czujnikowe, termoparowe, licznikowe. Wersje kompaktowe to moduły o określonej funkcjonalności, które mogą być stosowane samodzielnie i bez możliwości zmiany elementów. Warto podkreślić, że technologia modułów rozwija się bardzo szybko dzięki podwyższaniu ich parametrów.

nie

aluminiowa

aluminiowa

lekka, kompaktowa z tworzywa sztucznego

IP20

IP20

IP30

46,5 mm × 105,4 mm × 25,5 mm

44 mm ×  130 mm × 100 mm

36,4 mm × 114 mm × 79 mm

–10 … +70 °C

0…+70 °C

0…+60 °C

do +95 %

do +95 %

do 95 %

szyna DIN

szyna DIN

szyna DIN

Mimo rosnącej popularności technologii sieciowych stosujących Ethernet, wykorzystanie jej w przemyśle jest nadal mniejsze niż w innych dziedzinach. Jedną z istotnych przyczyn są wymagane w rozwiązaniach przemysłowych krótkie czasy przesyłu danych. Cezary Kalista wyraźnie podkreśla, że Ethernet zdominował sieci przemysłowe zarówno na poziomie informacyjnym, jak i na poziomie urządzeń. Szacuje się, że przez najbliższe pięć lat sprzedaż urządzeń automatyki z portem Ethernet będzie rosła w tempie ponad 50 procent rocznie. Za stosowaniem Ethernetu w przemyśle przemawia popularność, jaką cieszy się ten standard oraz korzystny współczynnik ceny do możliwości. Popularności sieci Ethernet przysporzył fakt, że standard jest powszechnie stosowany w domach i biurach. Trzeba jednak pamiętać, że wymagania stawiane Ethernetowi w wersji przemysłowej są znacząco różne od jego odpowiednika biurowego. Osprzęt sieciowy do zastosowań przemysłowych powinien mieć solidną obudowę odporną na wstrząsy, wibracje i wysoką temperaturę. Przełączniki przemysłowe nie mogą mieć żadnych elementów ruchomych, a podzespoły, z których są wykonane powinny być wysokiej jakości, aby zapewnić odpowiednio wysoki MTBF. Dla osprzętu sieciowego niezawodność to nie tylko solidna obudowa i odporność na ekstremalną temperaturę – niezawodność to przede wszystkim zdolność utrzymania w ruchu sieci, nawet w przypadku wystąpienia kilku awarii jednocześnie. STE – 501C Serwer portu RS-232/422/485 firmy Antaira udostępnia w sieci Ethernet port szeregowy. Pozwala to na dostęp do urządzeń

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

35


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Parametry wybranych przewodów igus CFBUS.PVC.050 Ethernet/CAT6ᴀ

CFBUS.PUR.050 Ethernet/CAT6ᴀ

CFBUS.050 Ethernet/CAT6ᴀ

(4× (2× 0,14) C)C

(4× (2× 0,14) C)C

(4× (2× 0,15) C)C

ok. 12,0

ok. 12,0

ok. 10,5

Index miedziowy w kg/km

77

77

99

Waga przewodu w kg/km

192

182

131

podwójnie ekranowany

podwójnie ekranowany

podwójnie ekranowany

Minimalny promień gięcia w ruchu

12,5× d

12× 5× d

12× 5× d

Minimalny promień gięcia statycznie

7,5× d

7,5× d

5,0× d

UL, CSA, DESINA

UL, CSA, DESINA

UL, CSA, DESINA

–5…+70 °C

–20…+70 °C

–35…+70 °C

Symbol produktu Liczba żył i przekrój nominalny żył w mm²

Średnica zewnętrzna w mm

Ekranowanie

Dopuszczenie norm Zakres temperatury pracy przewodu w ruchu

Przewód Ethernet firmy igus

z interfesem szeregowym z dowolnego miejsca oraz współdzielenie urządzeń w sieci. Dzięki takiemu rozwiązaniu możemy np. odczytywać stan liczników energii z całego kraju w jednej centralnej lokalizacji. Serwer STE-501C można konfigurować na kilka sposobów, zależnie od potrzeb aplikacji. Komunikacja w sieciach ethernetowych jest realizowana za pomocą różnych mediów, w tym kabli.

Na uwagę zasługuje firma igus, która udoskonaliła swój przewód Ethernet CAT6 do aplikacji ruchomych zgodnie ze standardem CAT6A. Nowy przewód skręcany firmy igus, który składa się z licznych cienkich drucików, ekranu w postaci bardzo gęstego miedzianego oplotu oraz płaszcza zewnętrznego wykonanego z niezwykle odpornego na ścieranie materiału TPE, określa „state

of the art“ w technologii przewodów Ethernet. Firma igus ma bogate doświadczenie w produkcji przewodów do połączeń ruchomych. Miliardy cykli testowych w prowadnikach przewodów oraz szereg złożonych testów, trwających często całymi latami, wykonywanych w laboratorium firmy igus w Kolonii, stanowią bazę konstruowania odpornych na ścieranie i bardzo odpornych na zginanie, a tym samym niezwykle trwałych przewodów chainflex. Również CAT6A charakteryzuje się długim okresem użytkowania,

Parametry wybranych przewodów HARTING PROFINET 4TP type B cable (8 żył)

PROFINET type B (4 żyły)

Industrial Ethernet Cat. 7 cable (8 żył)

Industrial Ethernet Cat. 6A cable (8 żył)

4× 2× AWG 23/7

4× 1× AWG 22/7

4× 2× AWG 23/1

4× 2× AWG 26/7

Linka

Linka

Drut

Linka

6A/klasa EA do 500 MHz

5 /klasa D do 100 MHz

7/klasa F do 600 MHz

6A/klasa EA do 500 MHz

10/100 Mbit/s, 1/10 Gbit/s

10/100 Mbit/s

1/10 Gbit/s

10/100 Mbit/s, 1/10 Gbit/s

Ekranowanie przewodu, ekranowanie par

Podwójnie ekranowany

Podwójne ekranowanie, ekranowanie par

Podwójne ekranowanie, ekranowanie par

Zakres temperatury

–40…+80 °C

–40…+70 °C

–40…+70 °C

–20…+80 °C

Izolacja zewnętrzna

zielona, PVC

zielona, PVC lub PUR

żółta, PUR

żółta, PVC

Symbol produktu Liczba żył i przekrój nominalny żył Typ Kategoria Prędkość transmisji Ekranowanie

36


równocześnie ma wszystkie cechy przewodów magistralowych. Przyczyniają się do tego trybologicznie zoptymalizowane materiały. W ofercie firmy Technokabel znajdują się kable FTP-C-11Y kat. 5e 4 × 2 × 0,14c mm2 stosowane jako kable przyłączeniowe. Przeznaczone są one do pracy w sieciach komputerowych multimedialnych (transmisja danych, głosu i obrazu telewizyjnego o wysokiej rozdzielczości – HDTV), z okablowaniem strukturalnym budynków włącznie, a także w sieciach przemysłowych i innych sieciach dedykowanych, wrażliwych na wpływ zaburzeń elektromagnetycznych. Kable te znajdują zastosowanie również w sieciach komputerowych o zwiększonej przepływności binarnej przy jednoczesnej transmisji dwukierunkowej we wszystkich torach symetrycznych kabla 4-parowego (pełny dupleks, technika Gigabit Ethernet). Przedstawione komponenty do sieci przemysłowych, zarówno switche przemysłowe, konwertery sieciowe, jak i przewody oraz moduły I/O (lokalne i zdalne), które służą do zapewnienia bezpiecznej i bezawaryjnej pracy sieci, umożliwiają również wysokiej jakości transmisję danych. Wraz ze wzrostem popularności sieci Ethernet oraz rosnącymi potrzebami przemysłu grupa technologiczna HARTING rozbudowuje portfolio produktów – chcąc zapewnić klientom komponenty najwyższej jakości i rozwiązania do zastosowań w przemyśle – oraz dostarcza urządzenia aktywne (switche, konwertery) i elementy pasywne (okablowanie, gniazda, złącza, patch-cable). Istotne jest, że obecnie integratorzy, producenci maszyn oraz użytkownicy końcowi (działy utrzymania ruchu i inwestorzy) coraz częściej zwracają uwagę na różnice między komponentami przemysłowymi wysokiej jakości (np. okablowanie, gniazda, patch-cable lub wtyczki) a sprzętem typowo biurowego, przywiązując wagę nie tylko do ceny, ale i do bezawaryjnego działania zastosowanego rozwiązania.

IDENTYFIKACJA PRZEMYSŁOWA RFID

Komunikacja bezkontaktowa! RFID firmy Balluff to technologie LF, HF oraz UHF. Nasze systemy RFID wyróżniają się największą różnorodnością komponentów, które mogą być zestawiane w całkowicie dowolny sposób. RFID firmy Balluff gwarantuje śledzenie wszystkich informacji oraz zapewnia największą możliwą przejrzystość procesów. Osiągaj najwyższą efektywność – skorzystaj z 30 lat naszych doświadczeń w systemach RFID.

Profinet Profibus DeviceNet EtherNet/IP EtherNet TCP/IP CC-Link EtherCAT IO-Link USB RS485, RS232

Podsumowanie W ostatnich latach sieć Ethernet stała się bardzo popularna. Przemysłowe sieci Ethernet umożliwiają bezpieczną i szybką komunikację między różnymi urządzeniami sieciowymi i peryferiami, np. między modułami we/wy. Obecnie w automatyce przemysłowej obowiązuje standard Ethernet, dlatego wymagania wobec tej technologii są ciągle podwyższane – komponenty sieciowe stosowane w przemyśle muszą być bezpieczne i odporne na różnego rodzaju wstrząsy i wysoką temperaturę, aby zapewnić jak najbardziej skuteczną pracę sieci przemysłowych.

Kompaktowy QQ QQ QQ

Zintegrowany master IO-Link Cztery niezależne kanały do podłączenia głowic Niewielka obudowa, prosta instalacja

Anna Kropiewnicka-Mielko PAR

REKLAMA

Procesor BIS V do systemów LF oraz HF

Systemy i usługi | Sieci przemysłowe i połączenia | Identyfikacja przemysłowa | Detekcja obiektów | Pomiar drogi i odległości | Pomiar ciśnienia i poziomu | Akcesoria

Telefon +48 71 338 49 29

www.balluff.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

37


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Rodzina switchy ToughNet

Przełączniki przemysłowe firmy MOXA O ile jeszcze kilka lat temu najpopularniejszymi switchami przemysłowymi były modele niezarządzalne, wyposażone z reguły w porty miedziane, o tyle obecnie gama dostępnych rozwiązań jest na tyle szeroka, że wybór odpowiedniego modelu nie sprowadza się

przedstawiono główne grupy przełączników firmy MOXA oraz ich docelowe zastosowania. Oferta switchy przemysłowych firmy MOXA jest obecnie bardzo szeroka. Obejmuje kilkanaście rodzin urządzeń i kilkaset modeli, tak więc wybór optymalnego rozwiązania do projektowanej sieci może stwarzać pewne problemy. Generalnie przełączniki Ethernet można podzielić na dwie główne grupy – zarządzalne i niezarządzalne.

Rozwiązania Ethernetu przemysłowego są dostępne na rynku już od ponad dekady. W tym czasie nastąpiła głęboka ewolucja urządzeń typu rugged. Dziś, stając przed problemem doboru odpowiedniego switcha przemysłowego, należy określić szereg parametrów urządzenia, m.in. liczbę portów, rodzaj portów (miedziane czy światłowodowe), rodzaj złączy (RJ-45, M12, światłowodowe SC, LC, ST), zasilanie PoE, sposób montażu (szyna DIN, szafa RACK), temperaturę pracy, szczelność obudowy i  wiele innych. W  artykule

38

Promocja

Switche niezarządzalne na szynę DIN

Fot. Elmark Automatyka

już tylko do określenia liczby potrzebnych portów.


Switche niezarządzalne

Switche na szynę DIN

Rodzina przełączników niezarządzalnych składa się z kilku serii urządzeń omówionych poniżej.

Przełączniki przeznaczone do montażu na szynę DIN stanowią najliczniejszą grupę switchy przemysłowych dostępnych w ofercie firmy MOXA. Wszystkie urządzenia wyposażone są w  metalową obudowę, redundantne wejścia zasilania oraz przekaźniki alarmowe. Główne grupy to: EDS-400A – switche typu Entry-Level, realizujące najważniejsze funkcje urządzeń zarządzalnych (protokoły redundancji, VLAN, QoS, SNMP, DHCP i  inne). Przedstawicielami tej serii są modele EDS-405A (5 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie 2 porty światłowodowe) oraz EDS-408A (8 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie 2 lub 3 porty światłowodowe). Nowością w ofercie producenta są modele EDS-405A/408A-PN (obsługa ProfiNet) oraz EDS-405A/408A-EIP (obsługa EIP). EDS-500A – bardzo liczna rodzina switchy o pełnej funkcjonalności urządzeń zarządzalnych, obejmująca modele: • EDS-505A – 5 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie 2 porty światłowodowe, • EDS-508A – 8 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie 2 porty światłowodowe, • EDS-516A – 16 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie 2 porty światłowodowe, • EDS-510A – 7 portów 10/100 Mb/s, 3 porty gigabitowe (RJ-45 lub SFP), • EDS-518A – 16 portów 10/100 Mb/s (w tym opcjonalnie 2 światłowodowe), 2 porty gigabitowe combo RJ-45/SFP, • EDS-G509 – 9 portów gigabitowych, z  czego 4 porty RJ-45 oraz 5 portów combo RJ-45/SFP, • EDS-P510A – 7 portów 10/100 Mb/s (w  tym 4 porty PoE), 3 porty gigabitowe combo RJ-45/SFP, • EDS-P506A-4PoE – 6 portów 10/100 Mb/s RJ-45, z czego 4 porty w standardzie PoE+, • EDS-P510A-8PoE – 8 portów 10/100 Mb/s w standardzie PoE+, 2 porty gigabitowe combo RJ-45/SFP. EDS-600 – switche zarządzalne o  budowie modułowej –  porty Fast Ethernet realizowane są w  postaci kart modułowych CM-600, dzięki czemu istnieje możliwość dowolnego doboru rodzajów portów. W  skład tej serii switchy wchodzą cztery modele – EDS-608 (maksymalnie 8 portów 10/100  Mb/s), EDS-611 (3 porty gigabitowe combo oraz maksymalnie 8 portów 10/100 Mb/s), EDS-616 (maksymalnie 16 portów 10/100 Mb/s) oraz EDS-619 (3 porty gigabitowe combo oraz maksymalnie 16 portów 10/100 Mb/s). EDS-728/828 – najbardziej rozbudowane switche modułowe na szynę DIN umożliwiają zamontowanie do 24 portów Fast Ethernet (RJ-45 lub światłowodowe) oraz 4 portów gigabitowych (RJ-45 lub SFP). Dodatkowo model EDS-828

Switche na szynę DIN EDS-200 – przełączniki EDS-205 oraz EDS-208 (opcjonalnie z portem światłowodowym wielomodowym). Urządzenia zamknięte są w plastikowej obudowie oraz mają pojedyncze wejście zasilania. EDS-200A – podstawowym modelem są switche EDS-205A/208A (opcjonalnie z  portami światłowodowymi jedno- i wielomodowymi). Dostępna jest wersja z PoE+, czyli EDS-P206A-4PoE (również opcjonalnie z portami światłowodowymi), wersja gigabitowa – EDS-G205A oraz najnowszy model –   switch gigabitowy PoE – EDS-G205A-4PoE. Switche z  serii EDS-200A mają aluminiową obudowę oraz redundantne wejście zasilania. Wszystkie modele występują również w wersji na rozszerzony zakres temperatury. EDS-300 – urządzenia w  metalowej obudowie, wyposażone w  redundantne wejście zasilania oraz przekaźnik alarmowy. W skład tej serii wchodzą switche EDS-305 (5 portów 10/100  Mb/s, opcjonalnie jeden światłowodowy), EDS-308 (8 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie jeden lub dwa światłowodowe), EDS-309 (6 portów RJ-45, 3 porty światłowodowe wielomodowe), EDS-316 (16 portów 10/100 Mb/s, opcjonalnie jeden lub dwa światłowodowe) oraz switch gigabitowy EDS-G308 i switch PoE – EDS-P308. Wszystkie modele występują w wersjach przeznaczonych do pracy w rozszerzonym zakresie temperatury.

Switche MOXA na szynę DIN

Switche do szafy RACK IKS-6324 – jedyny model switcha niezarządzalnego przeznaczony do montażu w szafie RACK. Urządzenie ma 22 porty RJ-45 oraz jeden slot umożliwiający montaż modułu światłowodowego. Dostępne są wersje z zasilaniem 230 V AC/V DC oraz 12/24/48 V DC.

Rodzina switchy Power Trans

Switche ze złączami M12 TN-5305 – 5-portowy switch Fast Ethernet w obudowie IP68. TN-5308 – 8-portowy switch Fast Ethernet, opcjonalnie w wersji z 4 lub 8  portami PoE.

Fot. Elmark Automatyka

Switche zarządzalne Gama przełączników zarządzalnych jest znacznie szersza i obejmuje switche dedykowane dla różnych segmentów rynku automatyki (energetyka, transport itp.). Urządzenia są klasyfikowane na podstawie różnych kryteriów, dla zachowania spójności przedstawiono podział ze względu na sposób montażu. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

39


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

ma funkcję przełączania w warstwie trzeciej (routing statyczny, RIPv1/v2, OSPF). Switche z tej serii umieszczone są w  plastikowej obudowie i  przeznaczone do pracy w zakresie temperatury od 0 °C do 60 °C. PT-508/510 – przełączniki z  serii PowerTrans dedykowane do pracy w  energetyce (zgodność z  wymaganiami normy IEC 61850). Urządzenia wyposażone są w porty Fast Ethernet.

Switche dla energetyki

Switche do szafy RACK

40

Moxa ICS-G7852

montażu modułu gigabitowego (2 lub 4 porty gigabitowe combo). PT-7710 – switch modułowy, maksymalnie 10 portów, z czego 2 gigabitowe. PT-G7509 – gigabitowy switch dla energetyki, 9 portów gigabitowych combo. PT-7324 – switch typu Entry Level, 22 porty Fast Ethernet RJ-45, możliwy montaż dwóch dodatkowych portów gigabitowych combo.

Switche ze złączami M12 Przełączniki ze złączami M12 są przeznaczone do zastosowań w transporcie, gdzie specyficzne warunki pracy – głównie drgania i  wibracje – powodują konieczność stosowania złączy bardziej niezawodnych niż standardowe RJ-45. Serią dedykowaną do zastosowań w  transporcie jest rodzina switchy ToughNet, w skład której wchodzą modele: TN-5816/5818 – switch warstwy trzeciej, wyposażony w  16 portów Fast Ethernet (w  tym 4 porty z  funkcją Bypass) oraz 2 porty gigabitowe (w modelu TN-5818). TN-5518 – switch warstwy drugiej, 16 portów 10/100  Mb/s, 2 porty gigabitowe.

TN-5516 – 16 portów Fast Ethernet, opcjonalnie 8 portów PoE (w modelu TN-5516-8PoE). TN-5510 – 8 portów Fast Ethernet oraz 2 porty gigabitowe, opcjonalnie światłowodowe ze złączami ODC (model TN-5510-2GLSX-ODC). TN-5508 – najmniejszy model zarządzalny, wyposażony w 8 portów Fast Ethernet M12. Oprócz modeli przełączników sieciowych wymienionych w  powyższym zestawieniu, w ofercie firmy MOXA jest też cała gama akcesoriów, m.in. injectory i splittery PoE, złącza M12, kable sieciowe, uchwyty montażowe i wiele innych. Ponadto samo zestawienie switchy może w krótkim czasie stać się nieaktualne ze względu na dużą liczbę nowych modeli wprowadzanych do oferty przez producenta. Najlepszym i  najbardziej aktualnym źródłem informacji o  ofercie firmy MOXA jest strona internetowa www. moxa.elmark.com.pl. W  razie wszelkich pytań lub wątpliwości dotyczących doboru switchy można także kontaktować się z  firmą pod adresem mailowym: moxa@elmark.com.pl.

ELMARK Automatyka Sp. z o.o.

Fot. Elmark Automatyka

Przełączniki przemysłowe do szafy RACK zostały zaprojektowane z myślą o  stosowaniu w  centralnym miejscu sieci, toteż wyposażone są w  większą liczbę portów niż modele na szynę DIN, a także mają większą wydajność pracy. Główne grupy to: ICS-G7848/G7850/G7852 – wysokowydajne, modułowe przełączniki warstwy trzeciej, wyposażone w 12 slotów przeznaczonych do montażu kart interfejsowych z serii IM-G7000. Karty z serii IM-G7000 mają 4 porty gigabitowe RJ-45 lub SFP, czyli w switchu tej serii można zainstalować maksymalnie 48 portów gigabitowych. Model ICS -G7850 wyposażono w  dwa, a  model ICS-G7852 aż w cztery porty 10 Gb/s. Urządzenie umieszczone jest w obudowie o wysokości 4U. ICS-G7748/G7750/G7752 – switche o  parametrach analogicznych do serii powyżej, nie mogą pracować w  warstwie trzeciej. ICS-G7826/G7828 – switche warstwy trzeciej w obudowie 1U, wyposażone w 24 porty gigabitowe (RJ-45 lub SFP) oraz 2 lub 4 porty 10 Gb/s. ICS-G7526/G7528 – switche warstwy drugiej o zestawie portów analogicznie jak w  przypadku serii ICS-G7826/ G7828. IKS-G6824 – 24-portowy, gigabitowy switch warstwy trzeciej, ma 20 portów gigabitowych RJ-45 lub SFP oraz 4 porty gigabitowe combo. IKS-G6524 – zestaw portów jak wyżej, brak obsługi przełączania w  warstwie trzeciej. IKS-6726/6728 – switch warstwy drugiej, 8 portów 10/100 Mb/s RJ-45, 2 lub 4 porty gigabitowe combo oraz 2  sloty przeznaczone do montażu modułów interfejsowych IM-6700. PT-7728/7828 – switche PowerTrans przeznaczone do zastosowań w energetyce, mają 3 sloty przeznaczone do montażu modułów interfejsowych Fast Ethernet (maksymalnie 24  porty) oraz jeden slot przeznaczony do


WIĘCEJ ZA MNIEJ „ Konkurencyjne ceny na produkty nawijane na szpule „ 50.000 produktów w opakowaniach gotowych do użycia w produkcji „ Śledzenie produktu wg DATY i numeru PARTII dla ponad 60.000 produktów „ Dedykowany Zespół Ekspertów do przygotowywania ofert cenowych SPRAWDŹ OFERTĘ PRODUKTOWĄ I CENY

www.farnell.com/pl

Reel_ad_pl-A4.indd 1

18/09/2013 15:58


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Superszybka sieć 4G Nowa generacja komunikacji

Chociaż dopiero przyzwyczajamy się do komunikacji bezprzewodowej

dotrzeć do tych części świata, w których nie ma jeszcze tradycyjnych, przewodowych sieci szerokopasmowych.

3G i jej zalet, dostępna jest już

Dwa główne standardy

– zależnie od miejsca zamieszkania, pracy oraz zasobności portfela – superszybka sieć 4G.

Mimo że wielu użytkowników korzysta już z sieci za pomocą laptopów z dostępem do 3,5G HSPA (ang. High-Speed Packet Access) lub przez kartę USB, to „czwarta generacja” bezprzewodowych sieci będzie mogła już niedługo zaoferować znacznie większą szybkość niż domowa sieć szerokopasmowa. Nie bez znaczenia jest fakt, iż ta sieć mogłaby

42

Promocja

W ramach technologii 4G istnieją dwa główne, konkurencyjne oraz – zdaniem niektórych – uzupełniające się standardy: LTE (ang. Long-Term Evolution) i WiMAX (ang. Worldwide Interoperability for Microwave Access). Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny ITU (ang. International Telecommunications Union) pierwotnie zdefiniował 4G jako technologię, która oferuje szybkość przesyłania lub poboru danych rzędu 100 Mb/s dla urządzeń mobilnych działających z dużą szybkością (np. w  samochodzie lub pociągu) lub 1 Gb/s dla stałych sieci bezprzewodowych. Są to jednak szybkości transmisji, które mogą zostać osiągnięte w  przyszłych wersjach WiMAX i  LTE (znanych jako WirelessMAN-Advanced

i LTE-Advanced). Pod koniec 2010 r. ITU zdecydował o  rozszerzeniu definicji 4G i  włączył do niej zarówno WiMAX, jak i  LTE oraz HSPA+, gdyż zapewniają one istotną poprawę wydajności 3G, a  być może również dlatego, że wielu operatorów (szczególnie w  Stanach Zjednoczonych) sprzedaje usługi WiMAX i LTE pod nazwą 4G. Sieci WiMAX i  LTE bazują na protokole IP (ang. Internet Protocol) oraz korzystają z  technologii OFDMA (ang. Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), która jest szeroko stosowaną metodą kodowania danych dla wielu częstotliwości. Specyfikacja WiMAX umożliwia transmisję danych z  szybkością do ok. 75 Mb/s, ale pasmo współdzielone jest przez wielu użytkowników, toteż w  praktyce szybkość jest znacznie mniejsza. Specyfikacja LTE umożliwia uzyskanie maksymalnej szybkości w paśmie downlink

Fot. RS Components

bezprzewodowej


do 300 Mb/s, a w  paśmie uplink do 75 Mb/s. Rzeczywiste szybkości oferowane np. w  ramach usługi 4G w  Stanach Zjednoczonych osiągają raczej dwucyfrowe wartości Mb/s, a więc porównywalne ze zwykłą siecią domową lub modemem sieci szerokopasmowej. Jednak w przypadku szybkości pobierania i  wysyłania danych to właśnie LTE odnotowuje przewagę nad WiMAX.

LTE Komunikacja mobilna 3G wykorzystuje obecnie różne technologie, takie jak interfejsy radiowe W-CDMA, CDMA2000 i TD-SCDMA. Przewiduje się, że LTE stanie się pierwszym, prawdziwie globalnym standardem w telefonii komórkowej. Technologia ta obsługuje również przekazywanie połączeń i roaming w  ramach innych sieci 3G. Korzystanie z  sieci innych operatorów przyczynia się do zwiększania zasięgu. Choć LTE wymaga karty SIM, telefonowanie w  roamingu jest łatwiejsze, ponieważ technologia ta korzysta z masztów 3G, a  telefony komórkowe poza zasięgiem mogą przełączyć się na sieci 2,5G lub 3G. LTE stanowi naturalną drogę aktualizacji 4G dla operatorów z istniejącymi sieciami GSM/EDGE i UMTS/HSPA, a  dla operatorów posiadających kompatybilną infrastrukturę aktualizacja sprzętu jest zdecydowanie opłacalną inwestycją.

Fot. RS Components

WiMAX Wydajność sieci WiMAX jest podobna do wydajności sieci Wi-Fi, lecz działa w ramach zasięgu sieci komórkowych. Pierwotnie stosowano WiMAX w  bezprzewodowych sieciach miejskich MAN (ang. Metropolitan Area Networks), a  obecnie rozwiązanie to umożliwia szerokopasmowy, bezprzewodowy dostęp w zasięgu do 50 km w przypadku stacji stałych i  od 5 km do 15 km dla stacji mobilnych. Stosunkowo niskie koszty związane z  uruchomieniem WiMAX czynią tę technologię bardziej ekonomiczną, jeśli chodzi o  dostęp do Internetu w  odległych lokalizacjach dla sieci bezprzewodowej typu backhaul. Sieć WiMAX jest preferowana przez operatorów, którzy koncentrują się na uruchomieniu dostępu do szerokopasmowej sieci bezprzewodowej w  miastach. Jest ona także tańszym rozwiązaniem dla nowicjuszy na rynku. Sieć WiMAX cieszy się wiekszą popularnością na rynkach wschodzących, a szczególnie w krajach bez istniejącej

infrastruktury GSM. W zależności od proponowanego rozwiązania firmy oferujące te usługi różnią się od siebie pod względem modeli biznesu. Operatorzy chcieliby oferować obie sieci, dlatego niemałe wyzwanie stanowi dla nich brak operacyjności między technologiami LTE i  WiMAX. Firmy produkujące półprzewodniki wprowadzają obecnie procesory typu multimode dla stacji przekaźnikowych 4G o intensywnej transmisji danych. Przykładowo platforma Freescale bazująca na wielordzeniowym procesorze QorIQ obsługuje szereg interfejsów radiowych 2G/3G i 4G, włącznie z LTE, W-CDMA (HSPA+), WiMAX, UMTS i CDMA.

Lider w przyszłości? Technologia WiMAX zdobyła przewagę nad LTE dzięki KT Corporation w  Korei w  2006 r. Z  kolei TeliaSonera uruchomiła pierwszą sieć LTE na świecie w  Sztokholmie w  grudniu 2009 r. Czy pomimo to technologia 4G będzie w  przyszłości liderem w  Stanach Zjednoczonych? W Ameryce Sprint uruchomił sieć WiMAX w 2008 r. i zdobył w ten sposób znaczną część rynku 4G. Sprint był również pierwszym amerykańskim operatorem, który zaoferował telefon WiMAX. Konkurencyjne firmy, np. Verizon Wireless, uruchomiły usługę LTE dopiero w  2011 r, a  pod koniec roku Sprint ogłosił, że do 2012 r. sieć LTE zostanie uruchomiona. Już w styczniu, podczas Consumer Electronics Show, pojawiła się jednak informacja o  porzuceniu przez Sprint planów oferowania w  przyszłości telefonów smart phone z WiMAX. W tym samym czasie firma zaprezentowała również pierwsze trzy telefony z LTE. Rosnący zasięg sieci LTE nie ogranicza się tylko do Ameryki i  zyskuje na sile na wielu dojrzałych rynkach z  istniejącą infrastrukturą 3G. LTE jest siecią preferowaną przez wielu wiodących operatorów, dzięki czemu spodziewana jest obniżka cen i  zwiększenie podaży na urządzenia wyposażone w  LTE. Japońska firma NTT DoCoMo uruchomiła swoją pierwszą komercyjną sieć w 2010 r. Usługa Xi pozwala użytkownikom poruszać się poza zasięgiem LTE, co powoduje automatyczny transfer do sieci 3G. Choć początkowo była to tylko usługa w  zakresie przesyłania danych oferowana użytkownikom komputerów, to po dostosowaniu telefonów stała się pełną siecią 4G. Korea Południowa szybko przyjęła sieć 4G LTE i stała się pierwszym krajem, w  którym wszyscy

operatorzy oferują 4G LTE. By osiągnąć konieczną przepustowość danych, wyłączone zostały usługi 2G. Chiny i Indie, jako największe rynki telefonii komórkowej na świecie, także planują uruchomienie sieci LTE, lecz może upłynąć jeszcze wiele lat, gdyż oba kraje dopiero zwiększają dostępność usług 3G. W niektórych krajach uruchomienie sieci LTE napotkało przeszkody z  powodu braku przepustowości. W  Wielkiej Brytanii operatorzy musieli czekać na wyłączenie telewizji analogowej oraz późniejszą sprzedaż licencji 4G. Według brytyjskiego organu kontrolującego rynek mediów i  telekomunikacji OfCom, usługi 4G są absolutnie niezbędne dla rozwoju telekomunikacji mobilnej, gdyż spodziewany jest jej wzrost o 500 procent w kolejnych pięciu latach. Po aukcji licencji 800 MHz planowane jest uruchomienie usług 4G pod koniec 2013 r.

Wielkie nadejście 4G Czy superszybka sieć 4G jest nam potrzebna? Oczywiste zalety dla użytkowników telefonów komórkowych i smart phone to obsługa aplikacji, takich jak: konferencje wideo w  czasie zbliżonym do rzeczywistego, gry on-line, telewizja interaktywna, Voice-over-IP i  wiele innych. Jak to jednak bywa w  przypadku każdej nowej technologii, pierwsi użytkownicy są na ogół mniejszością, a  wielu nie chce płacić wysokiej ceny za umowę na usługi 4G. Ponadto obecnie wybór telefonów 4G jest ograniczony. Samsung i HTC oferują już kilka modeli, a w tym roku spodziewane są też premiery urządzeń Apple, Sony i Nokia. Dla wielu firm telekomunikacyjnych 4G oznacza nie tylko większe szybkości, ale także wzbogacone i interaktywne usługi, co z  kolei przekłada się na wyższe dochody na użytkownika oraz możliwość udostępnienia Internetu szerokopasmowego na obszarach wiejskich i  w  tzw. „not-spots”. To, że doprowadzenie przewodu sieciowego przestanie być opłacalne jest coraz bardziej prawdopodobne, a  bezprzewodowe alternatywy, oferujące szybki dostęp do Internetu, stają się coraz bardziej atrakcyjne. Można wnioskować, iż ci, którzy nadal nie mają dostępu do szerokopasmowej sieci, nie mogą doczekać się nadejścia 4G – obojętnie, w jakiej postaci. 

Eric Lee Technical Marketing Manager RS Components

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

43


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

HARTING RJ Industrial 10G wymuszają wprowadzenie nowych rozwiązań połączeń. Wtyczki HARTING RJ Industrial 10G należą do nowej generacji złączy: gwarantują prędkość przesyłu danych dla sieci Ethernet 10 Gb, umożliwiają łatwy montaż bez użycia zaciskarki oraz charakteryzują się wysoką niezawodnością.

44

Promocja

Szybki i łatwy montaż bez użycia zaciskarki Podłączenie przewodu wymaga tylko kilku prostych czynności. W  dostarczanym zestawie znajduje się rysunek schematyczny ilustrujący sposób podłączenia żył (oznaczenia kolorów). Umożliwia to łatwą identyfikację poprawnej pozycji przewodów podczas wykonywania okablowania. Kolorystyka oznaczeń jest zgodna z  EIA/TIA-568/A, B  oraz z  normami dla 4-żyłowych aplikacji sieci Fast Ethernet. Złącze HARTING RJ Industrial 10G RJ45 charakteryzuje się solidnością wykonania, jednocześnie ma lekką konstrukcję, zoptymalizowaną pod kątem stosowania w gniazdach wieloportowych. Opcjonalnie można używać kolorowych oznaczników montowanych na wtyczkę. Oznacznik może zawierać chip RFID, pozwalający na rejestrację identyfikatorów kabli i  parametrów. Dzięki tak wielu możliwościom użytkownicy uzyskują korzyści wynikające z szybkiego i bezpiecznego montażu w miejscu instalacji – oszczędność czasu wynosi nawet  30  % w  porównaniu ze stosowaniem standardowego złącza.

Fot. Harting

Nowe wymagania technologii Ethernet i duże szybkości transmisji


Elastyczność zastosowania Wtyczki RJ45 Industrial dostępne są w  dwóch wersjach: kątowej oraz tradycyjnej prostej. Modułowa budowa złącza kątowego umożliwia wybór i  montaż strony podejścia w  jednym z  czterech kierunków. Wtyczki te charakteryzują się łatwością stosowania dzięki przemyślanej konstrukcji. Zawierają one trwałe i  dobrze wykonane wypustki mocujące („języczki”), które ułatwiają łączenie wtyczki z  gniazdem oraz zapobiegają problemom spowodowanym wyłamaniem wypustki.

Jakość wykonania

Odpowiednie również do zastosowań zewnętrznych

biurowych i przemysłowych. Integracja złącza RJ45  Industrial z  wszystkimi obudowami od Han 3A do PushPull o  klasie ochrony IP65/67 pozwala na stosowanie ich w wymagających środowiskach przemysłowych i  aplikacjach zewnętrznych.

HARTING Polska Sp. z o.o.

Złącza HARTING RJ Industrial 10G zaprojektowano w  dwóch wykonaniach – dla cztero- i  ośmiożyłowej skrętki Ethernet. Możliwe jest stosowanie przewodów typu linka oraz drut od AWG  27 do AWG  22. Zaciski kablowe gwarantują bezpieczne mocowanie w zakresie od 4,5 mm do 9 mm. Dzięki temu złącze pasuje do prawie wszystkich typów kabli używanych w sieciach

ul. Duńska 9, 54-427 Wrocław tel. 71 352 81 71, fax 71 350 42 13 pl@HARTING.com www.HARTING.pl

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+  App Store | Google Play

Fot. Harting

Wtyczki RJ45 Industrial wykonane są w technice zacisku IDC. Charakteryzują się zaciskiem przewodu realizowanym za pomocą dwóch płaszczyzn styku,

w   przeciwieństwie do powszechnie stosowanych na rynku połączeń nożowych. Dzięki podwójnej płaszczyźnie styku wtyczki HARTING RJ Industrial wykazują wysoką odporność na drgania, a  dodatkowo mają wewnętrzne ekranowanie 360°.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

45


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Otwarta komunikacja w świecie sterowników Saia PCD jest zagwarantowanie kompatybilności i współpracy z urządzeniami i instalacjami automatyki w całym cyklu życia produktu, czyli przez minimum 15 lat. Podstawą udanego współdziałania i współpracy jest sprawna komunikacja, dlatego firma Sabur pokusiła się o analizę tej problematyki w kontekście systemów sterowania Saia PCD.

Czym jest komunikacja? Podobnie jak w życiu codziennym, tak i w automatyce występują obiekty, które mogą pozostawać odosobnione i zarządzane bez interakcji z innymi. Jednak zdecydowana większość obiektów i urządzeń automatyki występuje w grupach czy zespołach. Współpracują one ze sobą, tworząc sieci, aby wspól-

46

Promocja

nie wykonywać powierzone im zadania. Niezbędnym warunkiem współpracy systemów automatyki jest komunikacja między nimi, co oznacza, że systemy te muszą być wyposażone w interfejsy do wymiany informacji oraz umieć interpretować wymieniane informacje. Systemy, które obsługują wiele różnych interfejsów oraz potrafią przetwa-

rzać wiele formatów informacji (języków lub protokołów), mogą być elastycznie stosowane w różnorodnych aplikacjach. Mogą nawet służyć jako „interpretery” innych urządzeń o mniejszych możliwościach komunikacyjnych.

Innowacyjność oznacza także elastyczność komunikacji Jak przystało na produkt rodem ze Szwajcarii, w której obowiązują cztery języki urzędowe, komunikacja była od zawsze mocną stroną sterowników Saia. Już we wczesnych latach 80. XX w., gdy inne sterowniki nie potrafiły jeszcze porozumiewać się ze sobą, wprowadzono na rynek pierwszy sterownik z serii PCA, wyposażony w swobodnie programowalny interfejs szeregowy RS-232, umożliwiający wymianę danych z innymi urządzeniami. Dawało to użytkownikom możliwości wówczas nieosiągalne dla innych produktów.

Fot. Sabur

Najważniejszym celem przy projektowaniu sterowników Saia-Burgess


Elastyczność komunikacji w świecie Saia PCD Sterowniki Saia PCD są wyposażone w wiele rodzajów interfejsów fizycznych w jednym urządzeniu. Ich firmware obsługuje domyślnie dużą liczbę protokołów. Zintegrowanie tych protokołów z systemem operacyjnym Saia COSinus sprawia, że sterowniki są bardzo sku-

Sterowniki rodziny Saia PCD2.M5 można wyposażyć w aż 16 portów komunikacyjnych

Fot. Sabur

Różne języki komunikacji w automatyce Interfejsy fizyczne (przewodowe lub bezprzewodowe) łączą obiekty/urządzenia i umożliwiają im wymianę danych. Protokoły komunikacyjne określają język i zasady, według których informacje są bezpiecznie przesyłane i rozpoznawane przez urządzenia odbiorcze.

teczne w użyciu oraz łatwe do rozbudowy. Wiele z protokołów jest dostępnych bez dodatkowych kosztów i może być stosowanych zgodnie z wymaganiami użytkownika, nawet w tym samym czasie i w różnych rodzajach interfejsów. Jeśli w istniejącym systemie automatyki zajdzie potrzeba użycia innego protokołu, wystarczy go dołączyć do sterownika za pomocą odpowiedniego modułu.

al

T ja

Obecnie nawet najbardziej podstawowe wersje urządzeń Saia (sterowniki i panele operatorskie) są wyposażone w wiele interfejsów komunikacyjnych (USB, Ethernet, RS-232, RS-485), umożliwiających wymianę informacji z innymi systemami automatyki, bez konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów. W zależności od obszaru zastosowania wersja podstawowa urządzeń dostępna jest z różnymi wbudowanymi interfejsami, takimi jak Profibus, CAN lub modemami (PSTN, ISDN, GSM/GPRS) i innymi. Ponadto wszystkie sterowniki Saia są przygotowane do rozbudowy o dodatkowe moduły interfejsów z dużego pakietu opracowanego przez producenta. Modułowa rozbudowa sterownika Saia PCD pozwala wyposażyć jedną jednostkę sterującą o niewielkich wymiarach w aż 16 portów komunikacyjnych – przykładem jest sterownik PCD2.M5xxx.

Inst

ac

Modułowa rozbudowa – do 16 interfejsów w jednym urządzeniu

Podobnie jak ludzi, również automatykę charakteryzuje wielość kultur i środowisk, z których każde ma swoje własne, specyficzne języki i protokoły. Osoby mówiące tylko w jednym języku mają ograniczony zakres działania – mogą rozmawiać i komunikować się tylko z osobami posługującymi się tym samym językiem. To samo dotyczy kompetencji językowych w świecie automatyki. Urządzenia, które obsługują tylko jeden protokół mogą wymieniać dane z urządzeniami posługującymi się tym „językiem”, co oznacza, że mogą być używane tylko i wyłącznie w segmencie zastosowań, do którego zostały przeznaczone na etapie opracowania systemu. Natomiast urządzenia, które obsługują kilka różnych rodzajów protokołów są o wiele bardziej uniwersalne i elastyczne oraz bez porównania bardziej opłacalne w użyciu ze względu na możliwość rozbudowy w przyszłości, wraz ze zmianami wymagań systemu.

ia Saia PC D olog hn ec automatyki

Firma Saia-Burgess stale rozwija możliwości komunikacyjne swoich sterowników. Nowe technologie i standardy, które pojawiają się w automatyce, branży IT i w telekomunikacji (przewodowej i/lub bezprzewodowej) są od samego początku implementowane w urządzeniach przemysłowych producenta.

Produkty Saia PCD są podstawą wielu systemów automatyki przemysłowej i budynkowej już od ponad 30 lat, gwarantują im długi cykl życia, elastyczność i możliwość rozbudowy także w przyszłości

Nie trzeba wymieniać głównego urządzenia ani aktualizować systemu operacyjnego sterownika. Dzięki temu zainstalowany wcześniej sterownik PCD można rozbudować w dowolnym czasie, przykładowo o protokół BACnet i/lub router LON-IP. Większość interfejsów jest ponadto w pełni programowalna przez użytkownika. Co to oznacza? Jeżeli sterownik Saia PCD nie „porozumiewa się” przy użyciu danego języka/protokołu, może zostać „nauczony” przez użytkownika, który sam zaimplementuje protokół w programie użytkownika. Umiejętności językowe sterowników Saia PCD nie są zatem ograniczone przez sztywny interfejs programistyczny. Ponadto ich znajomość języków (czyli protokołów) może być, w zależności od potrzeb, indywidualnie zwiększana przez samego użytkownika. W ten sposób w sterownikach Saia PCD zaimplementowano dotychczas wiele różnych protokołów komunikacyjnych, jak EIB, IEC870-5-104, Modbus i inne. Warto pamiętać o tym, jak ważne są możliwości komunikacyjne urządzeń sterujących podczas wyboru systemu automatyki. Wybierając sterownik Saia PCD, użytkownik uzyskuje maksymalną funkcjonalność, otwartość, elastyczność i niezawodność przy bardzo atrakcyjnej cenie. Poza tym ma pewność, że urządzenie z otwartą komunikacją zapewni mu możliwość swobodnego rozwoju lub modyfikacji systemu w przyszłości. www.sabur.com.pl

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+  App Store | Google Play

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

47


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Sieci bezprzewodowe w przemyśle

Zobacz więcej

Pobierz bezpłatną aplikację PAR+ App Store | Google Play

Projektanci sieci przemysłowych chętnie sięgają po rozwiązania bezprzewodowe, ponieważ taka infrastruktura daje o wiele więcej korzyści niż tylko pozbycie się kabli. Bezprzewodowa łączność umożliwia niezawodną transmisję danych w połączeniu z szybką instalacją.

Zastosowanie technologii bezprzewodowej zapewnia swobodę projektowania systemów automatyki, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów wdrożenia. Trzeba jednak pamiętać, że zaprojektowanie i wdrożenie sieci bezprzewodowej przeznaczonej do pracy w przemyśle wymaga dobrego zrozumienia wymagań tego środowiska. Wydajność łączności bezprzewodowej zależy od wielu czynników, takich jak przeszkody, zakłócenia elektromagnetyczne czy opady atmosferyczne. Na rynku występuje kilka standardów sieci bezprzewodowych. Różne organizacje próbują forsować swoje rozwiąREKLAMA

Kiedy liczy się szybkość...

Przemysłowy punkt dostępowy do 300 Mbps! ► Obsługa standardów IEEE 802.11 a/b/g/n ► Praca jako AP, Client, Bridge, Router i Repeater Mode ► Obsługa protokołu Spanning Tree (STP) ► Zgodny z IEEE 802.1q VLAN Tagging ► Funkcja Watchdog i Auto Reboot ► Redundantne zasilanie 12-48 VDC ► Gwarancja 5 lat

TEL.: +48 22 862 88 81 | E-MAIL: info@antaira.pl

Formerly Aaxeon Technologies www.antaira.pl

zania sieci bezprzewodowych, jednak najpopularniejsze są standardy otwarte, takie jak Wi-Fi, ZigBee oraz Bluetooth. Standard 802.11 stosowany jest głównie w infrastrukturze sieci LAN lub do przesyłu dużej ilości informacji między dwoma systemami. Wi-Fi nie jest optymalnym wyborem dla aplikacji wbudowanych, z uwagi na duży pobór energii oraz wymagany rozmiar kodu. ZigBee i Bluetooth, które rozszerzają możliwości sieci przemysłowych, są dedykowane do bezpośredniej obsługi urządzeń wykonawczych. Bluetooth przeznaczony jest do małych sieci – z maksymalnie siedmioma urządzeniami i szybkościami do 1 Mb/s. Zaletą transmisji Bluetooth jest duża niezawodność uzyskana dzięki technologii FHSS (ang. Frequency Hopping Spread Spectrum, częstotliwość skokowa w widmie rozproszonym). Transmisja odbywa się w całym zakresie pasma 2,4 GHz. Kanały, które są używane przez inne sieci, są automatycznie wykrywane i usuwane z sekwencji skoków, dzięki czemu transmisja danych jest bardziej niezawodna. Ze względu na rodzaje zastosowań istnieje wiele profili sieci Bluetooth. W automatyce najczęściej stosowane są PAN (ang. Personal Area Networking) i SPP (ang. Serial Port Profile). W zależności od zastosowanej anteny urządzenie z interfejsem Bluetooth można oddalić od komputera na odległość od 10 m do 1000 m. Bezprzewodową siecią przemysłową o bardzo dużym potencjale jest ZigBee, która została opracowana właśnie dla aplikacji przemysłowych. Zasięg sieci jest ograniczony do 100 m. ZigBee wykorzystuje standard IEEE 802.15.4, który zapewnia transmisję bezprzewodową w pasmach 868 MHz, 915 MHz lub 2,4 GHz. Wszystkie odmiany ZigBee używają technologii DSSS (ang. Direct-Sequence Spread Spectrum). ZigBee jest technologią PAN, w której automatycznie jest ustanawiane połączenie z najbliższym węzłem. Taka sieć może zostać skonfigurowana w topologii gwiazdy, drzewa lub sieci kratowej. Podstawową jej zaletą jest bardzo niskie zapotrzebowanie na energię i prostota, która znacznie obniża koszty wdrożenia. Stojąc przed wyborem: Wi-Fi, Bluetooth czy ZigBee należy kierować się wielkością aplikacji, stopniem rozproszenia, zapotrzebowaniem na energię oraz ilością i rodzajem przesyłanych danych. W niektórych zastosowaniach wszystkie interfejsy mogą koegzystować wzajemnie się uzupełniając, ponieważ każdy z nich jest adresowany do specyficznych wymagań przemysłu. Cezary Kalista Antaira Technologies Sp. z o.o. www.antaira.pl

48

Promocja


Komunikacja aktywna i pasywna Firma Turck oferuje liczne komponenty, dzięki którym możliwa jest komunikacja zarówno pasywna, oparta na koncentratorach sygnałów, jak i aktywna, z użyciem protokołów sieciowych.

Promocja

zarówno w stopniu ochrony IP20 (seria BL20 przeznaczona do zabudowy w szafkach), jak i IP67 (seria BL67, która nie wymaga dodatkowej zabudowy). Oferowane są również rozwiązania hybrydowe łączące funkcjonalności obu wymienionych urządzeń (seria BL compact). Różnorodność typów spowodowana jest zarówno różnymi wymaganiami aplikacji używanych w wielu gałęziach przemysłu, jak i wieloma protokołami sieciowymi, jakie występują na rynku i są promowane przez producentów automatyki przemysłowej. Wychodząc naprzeciw tym potrzebom, firma Turck przystąpiła do rozszerzenia oferty o wieloprotokołowe moduły sieciowe typu gateway. W ofercie firmy Turck są już pierwsze moduły realizujące zadanie automatycznego rozpoznania i przystosowania pracy do typu wykrytej sieci Ethernet (Ethernet   IP, Modbus TCP lub Profinet). Zupełnie innym typem komunikacji są rozwiązania bezprzewodowe. W zależności od typu mogą one zastąpić zarówno połączenie pasywne, jak i aktywne. Oba te rozwiązania zastosowano w urządzeniach należących do rodziny SureCross. Firma Turck to lider wśród producentów automatyki przemysłowej. Oferta firmy jest niezwykle szeroka, szczególnie w zakresie komunikacji i techniki połączeń – zawiera wszelkie dostępne na rynku rozwiązania, umożliwiając elastyczne podejście w niemal każdej sytuacji, niezależnie od gałęzi przemysłu czy szczególnych wymagań aplikacji. TURCK Sp. z o.o. e-mail: poland@turck.com www.turck.pl

REKLAMA

Najprostszym sposobem połączenia dwóch urządzeń, np. czujnika ze sterownikiem PLC, jest użycie połączenia pasywnego. Rozwiązanie to polega na połączeniu zwykłym miedzianym przewodem wyjścia jednego urządzenia z wejściem innego. W tym zakresie firma Turck oferuje bogaty wybór różnego typu przewodów (np. przewody ze złączami M12 i M8), różniących się typem złącza, otuliny, długością itp. Wraz ze wzrostem stopnia skomplikowania aplikacji wzrasta jednak liczba stosowanych kabli oraz czasochłonność wykonania połączenia, poprowadzenia czy ewentualnego serwisu. Dlatego sporym ułatwieniem są koncentratory pasywne (wykonania w technologii złączy M12 i M8), umożliwiające zebranie nawet 16 sygnałów I/O w jednym punkcie i przesłanie ich dalej jednym wielożyłowym przewodem. Najnowszymi rozwiązaniami w tym zakresie są koncentratory kompatybilne z IO-Link serii TBIL, które umożliwiają komunikację IO-Link, a do połączenia wystarczy jedynie kilkużyłowy wspólny przewód, który jest znacznie tańszy od klasycznych wielożyłowych kabli oraz wygodniejszy do podłączenia w szafie sterującej. W bardziej złożonych aplikacjach, wymagających obsługi wielu urządzeń czy całych linii produkcyjnych, niezbędne stają się rozwiązania oparte na komunikacji sieciowej Profibus-DP, Ethernet IP/Modbus TCP, Profibus-PA, Foundation Fieldbus itd. Dla takich przypadków firma Turck oferuje równie szerokie portfolio produktów – począwszy od rozwiązań kompaktowych, które mogą być instalowane bez konieczności zabudowy w szafkach (np. seria FLDP), a skończywszy na rozproszonych systemach zdalnych I/O, wykonanych

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 9/2013

49


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

Sieciowe moduły pomiarowo-sterujące w ofercie GURU Control Systems Z przemysłowych sieci komputerowych korzystają w tej chwili praktycznie wszystkie zakłady produkcyjne i fabryki. Przez lata wytworzyło się wiele standardów komunikacji sieciowej dla urządzeń przemysłowych,   i cały czas powstają nowe.

CAN Protokół CAN (ang. Controller Area Network) efektywnie obsługuje rozproszone sterowanie w czasie rzeczywistym przy zachowaniu dużego poziomu bezpieczeństwa. Ma on wbudowane mechanizmy obsługi błędów i priorytetu komunikatów, co poprawia niezawodność sieci i wydajność transmisji. W tej grupie są m.in. konwertery USB – CAN, RS-232 – CAN, CAN – światłowód, programowane sterowniki I-7188XBD-CAN i μPAC-7188EXD-CAN, moduły CAN do programowanych sterowników z serii I-8000 i karty z magistralą PCI, PCI Expres i PC-104 do komputerów PC. Nowością jest I-2532 – konwerter interfejsu CAN na światłowód. Od strony interfejsu CAN obsługuje on protokół zgodny ze specyfikacją ISO-11898-2, CAN 2.0A and CAN 2.0B z szybkościami od 10 kb/s do 500 kb/s. Interfejs światłowodowy ma wielomodowe złącze ST. Pracuje na długości fali 850 nm i jest przystosowany do kabla 62,5/125 μm. Konwerter jest zasilany z nieregulowaI-2532 – konwerter nego napięcia stałego od 10 V DC do 30 V DC i może pracować w temperainterfejsu CAN na światłowód turze od –25 °C do +75 °C.

50

Promocja

CANopen CANopen to sieciowy protokół warstwy aplikacji bazujący na magistrali CAN. Ma zastosowanie np. w automatyce budynków, urządzeniach medycznych, laboratoriach. Produkty ICPDAS z interfejsem CANopen to konwertery USB – CANopen master, bramki CANopen slave – Modbus RTU master i Modbus TCP serwer/RTU slave – CANopen master, karty do komCAN-2053C putera PC z tym interfejsem oraz zdalne – 16 izolowanych wejść cyfrowych moduły wejść i wyjść analogowych i cyfrowych z serii CAN-2000C. Przykładowo moduł CANopen slave CAN-2053C ma 16 izolowanych wejść cyfrowych. Obsługuje on protokół CANopen DS-301 v4.02 z ustawianą za pomocą obrotowego przełącznika szybkością z zakresu od 10 kb/s do 1000 kb/s. Zasilany jest nieregulowanym napięciem stałym od 10 V DC do 30 V DC i może pracować w temperaturze od –25 °C do +75 °C.

DeviceNet DeviceNet to elastyczna sieć, bazująca na magistrali CAN, służąca do łączenia różnych urządzeń przemysłowych. ICPDAS oferuje w tej grupie konwertery USB – DeviceNet master, bramki DeviceNet – Modbus, karty do komputera PC i moduły do sterowników I-8000 oraz zdalne moduły wejść i wyjść analogowych i cyfrowych z serii CAN-2000D. I-7565 DNM Ekonomicznym rozwiązaniem przy – konwerter USB – DeviceNet master tworzeniu aplikacji sieci DeviceNet może być moduł I-7565-DNM. Jest to konwerter USB – DeviceNet master. Obsługuje on funkcje Group 2 Server i UCMM w celu komunikacji z urządzeniami slave. Zastosowano w nim kontroler CAN NXP SJA1000T i transceiver NXP 82C250. Umożliwia to realizację funkcji arbitrażu magistrali, wykrywania i automatycznej korekcji błędów i retransmisji. Konwerter obsługuje magistralę DeviceNet przy szybkościach 125, 250 i 500 kb/s. Zasilany jest z magistrali USB 2.0 i może pracować w temperaturze od –25 °C do +75 °C.

Fot. Guru Control Systems, KamLAB

Współpraca z różnymi klientami wymusza na dostawcach przemysłowych rozwiązań sieciowych poznanie większości stosowanych obecnie interfejsów i protokołów. Dzięki temu mogą oni skutecznie doradzać, projektować i wdrażać zaawansowane przemysłowe systemy sieciowe. Dużą część bogatej oferty GURU Control Systems w zakresie sieci przemysłowych stanowią produkty ICPDAS, której firma jest dystrybutorem i partnerem od ponad 20 lat. W artykule przedstawiono najbardziej popularne interfejsy i protokoły sieci przemysłowych. Zaprezentowano także dostępne w GURU Control Systems rodziny modułów pomiarowo-sterujących. Jedne z nich korzystają z interfejsu RS-485, np. I-7000 – z obsługą protokołu DCON czy M-7000 – z obsługą Modbus RTU. Inne są łączone za pomocą interfejsu Ethernet (ET-7000) czy PoE Ethernet (PET-7000) i stosują protokół Modbus/TCP. Sporą grupę stanowią moduły z obsługą protokołów pozwalających na tworzenie przemysłowych sieci rozproszonego sterowania w czasie rzeczywistym.


Karty i systemy pomiarowe, sterujące i wizyjne w standardach PCI, PCIe, cPCI, PXI, sterowanie napędami, Interfejs GPIB J1939

Komputery przemysłowe – panelowe, jednopłytkowe, miniaturowe, PC/104, obudowy i klawiatury oraz wiele innych

J1939 to bazujący na magistrali CAN protokół stosowany do komunikacji i diagnostyki podzespołów pojazdu, opracowany przez przedstawicieli przemysłu samochodowego w USA. Po rozpowszechnieniu został zaakceptowany także w innych gałęziach przemysłu. W ofercie firmy ICPDAS są moduły: GW-7228 – bramka GW-7228 – J1939 na Modbus RTU slave oraz bramka J1939 na Modbus RTU GW-7238D – bramka J1939 na Modbus TCP Server/RTU slave. Bramka GW-7228 zapewnia konwersję protokołów między sieciami J1939 i Modbus RTU. Od strony sieci J1939 obsługuje ona komunikaty PDU1, PDU2, broadcast oraz specyficzne dla odbiornika. Od strony sieci Modbus RTU jest widziana jako urządzenie Modbus RTU slave, które odpowiada na zapytania Modbus RTU master. Bramka jest zasilana z niestabilizowanego napięcia stałego od 10 V DC do 30 V DC i może pracować w temperaturze od –25 °C do +75 °C.

Modułowe systemy pomiarowo-sterujące, systemy zbierania danych, przemysłowe sieci bezprzewodowe i przewodowe, sterowniki przemysłowe. Moduły serii I-7000 oraz I-8000

GPIB w komputerach przenośnych – USB-3488A

I-8000 oraz I-7000

Profibus

Sterowniki PLC o architekturze PC – programowalne w C/C++ oraz językach drabinkowych (jak PLC)

Profibus (ang. Process Field Bus) to zgodny ze standardami IEC 61158 i IEC 61784 otwarty protokół, stosowany w automatyce przemysłowej. Może pracować w szybkich, krytycznych czasowo aplikacjach oraz realizować złożone zadania komunikacyjne. Rodzina produktów z tym interfejsem ma konwertery RS232/422/485 – Profibus, bramki Profibus – Modbus RTU i TCP, zdalne kasety wejść i wyjść z serii PROFI-8000 oraz zdalne moduły wejść i wyjść z serii PROFI-5000. Przykładowy moduł zdalnych wejść PROFI-5017 ma 8 wejść analogowych 16-bitowych. Obsługuje on protokół w wersji DP-V0 PROFI-5017 – moduł slave. Szybkość transmisji jest wy8 wejść analogowych krywana automatycznie w zakre16-bitowych sie od 9,6  kb/s do 12 000 kb/s. z interfejsem Profibus Kontrolerem jest tu układ Siemens SPC3, a transceiverem – ADI ADM2486. Moduł zasilany jest nieregulowanym napięciem stałym od 10 V DC do 40 V DC i może pracować w temperaturze od –25 °C do +75 °C.

Moduły pomiarowo-sterujące do łączenia w sieci (RS-485) – wejść/wyjść cyfrowych i analogowych, radiomodemy, moduły komunikacyjne

Komputery przemys łowe Przemysłowe komputery – panelowe, jednopłytkowe, miniaturowe, PC/104, PXI, cPCI, do zabudowy, energooszczędne, do pracy w trudnych warunkach oraz mobilne komputery przemysłowe

Macierze dyskow e RAID

Profinet to otwarty standard przemysłowej sieci Ethernet opracowany przez Profibus Organization (PI). Umożliwia pracę w czasie rzeczywistym i spełnia wszystkie wymagania automatyki przemysłowej. Protokół Profinet ułatwia integrację istniejących w firmie systemów, np. Profibus DP, Profibus PA, ASInterface, Interbus i DeviceNet, i tym samym wykorzystanie zainstalowanych urządzeń i aplikacji. W przygotowaniu jest cała seria zdalnych modułów wejść i wyjść PFN-2000 z tym interfejsem.

Profesjonalne macierze dyskowe RAID 0, 1 do wszystkich interfejsów (ATA, SATA, e-SATA, USB) wewnętrzne i zewnętrzne, dla dysków 3,5” oraz 2,5” Doskonałe do zabezpieczania cennych danych w zastosowaniach przemysłowych PFN-2042 – moduł 16 izolowanych wyjść cyfrowych z interfejsem Profinet

REKLAMA

Fot. Guru Control Systems, KamLAB

Profinet

TECHNOLOGIE DLA PRZEMYSŁU

www.kamlab.pl

www.gurucs.pl

ul. Warszawska 91, Robotyka  nr 05-092 Łomianki, tel/fax: 22 831 10 42 Pomiary Automatyka 10/2013 51 e-mail: info@guru.com.pl, www.kamlab.pl


Temat numeru      SYSTEMY KOMUNIKACJI

EtherNet/IP

FRnet

EtherNet/IP to nazwa nadana otwartemu protokołowi CIP (ang. Common Industrial Protocol). Korzysta ze wszystkich protokołów transportowych i sterujących standardu Ethernet – włącznie z TCP, USP, IP – oraz protokołów dostępu do mediów i sygnalizacyjnych. Dla tego interfejsu w ofercie firmy ICPDAS można znaleźć bramkę EtherNet/IP – Modbus RTU master GW-7472 oraz całą serię modułów wejść i wyjść EIP-2000. Bramka GW-7472 realizuje wymianę danych między siecią Modbus RTU i EtherNet/IP. Odczytuje dane rejestrów z urządzeń Modbus RTU slave i udostępnia je na wejściu skanera EtherNet/ IP. Dane wyjściowe transmitowane przez GW-7472 skaner są aktualizowane w rejestrach – bramka Modbus RTU na EtherNet/IP urządzeń Modbus RTU slave. Dzięki temu wszystkie urządzenia Modbus slave mogą być traktowane jako jeden adapter EtherNet/IP. Bramka może być zasilana z sieci Ethernet (PoE IEEE 802.3af, Class 1) lub z zasilacza napięcia stałego od 12 V DC do 48 V DC i pracuje w temperaturze z zakresu od –25 °C do +75 °C.

FRnet to innowacyjny protokół synchronicznej transmisji stanu wejść i wyjść cyfrowych, korzystający z dwuprzewodowej komunikacji RS-485. Każdy port FRnet ma 8 węzłów nadawczych i 8 węzłów odbiorczych. Każdy węzeł może obsługiwać 16-bitowe dane i w zależności od typu modułu mogą to być wejścia lub wyjścia cyfrowe. Jeden port może kontrolować do 128 wejść i 128 wyjść cyfrowych. Całkowity czas skanowania wynosi 2,88 ms przy szybkości 250 kb/s lub 0,72 ms przy szybkości 1 Mb/s. Mechanizm komunikacji jest zdominowany przez znajdujący się w porcie FRnet układ zarządzający siecią, generujący ramkę komunikacyjną. Adres nadawcy powinien być unikalny, w celu uniknięcia kolizji. Przyjęcie metody rozgłaszania powoduje, że adresy odbiorcze nie muszą być unikalne. Dzięki temu można łatwo przekazywać 16-bitowe dane z jednego węzła do wielu innych. Protokół ten znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie pozostałe są dla użytkownika zbyt skomplikowane. Urządzenia z tym protokołem mogą być stosowane zarówno w małych systemach I/O, które nie korzystają z procesora, jak i w systemach bazujących na sterownikach PAC, PLC czy komputerze PC. Firma ICPDAS oferuje karty z portami FRnet do komputerów PC, kontrolery I-7188 z tymi portami i moduły FRnet do kontrolerów z serii I-8000, a także moduły wejść i wyjść, zarówno analogowych, jak i cyfrowych. Moduł FR-2017it ma 8 kanałów analogowych wejść różnicowych lub 16 kanałów wejść ze wspólną masą. Wejścia mają zabezpieczenie przepięciowe – odpowiednio 240 Vrms (przy Moduł FR-2017iT – konfiguracji różnicowej) i 150 Vrms. 8 wejść analogowych Izolowany interfejs FRnet pozwala na 16-bitowych z interfejsem FRnet uzyskanie za pomocą skrętki dwuprzewodowej odległości do 400 m przy szybkości 250 kb/s i 100 m przy szybkości 1 Mb/s. Moduł jest zasilany niestabilizowanym napięciem stałym od 10 V DC do 30 V DC i pracuje w temperaturze z zakresu od –25 °C do +75 °C. Z modułami dostarczane są biblioteki i przykładowe programy dla środowisk programistycznych Visual C, Visual Basic, Borland C i Delphi. Dostępne są także sterowniki InduSoft, LabVIEW i DASYLab dla oprogramowania SCADA.

HART HART (ang. Highway Addressable Remote Transducer) to standardowy sposób transmisji cyfrowych informacji po przewodach analogowych między inteligentnymi urządzeniami i systemem sterowania lub monitorowania. Zachowuje on przesyłane sygnały analogowe z zakresu od 4 mA do 20 mA i pozwala na dwukierunkową komunikację cyfrową bez zakłócenia ich integralności. ICPDAS oferuje w tej grupie konwerter USB – HART oraz bramkę Modbus/HART. Konwerter I-7567 został zaprojektowany jako urządzenie master protokołu HART. Umożliwia uzyskanie dostępu za pośrednictwem wirtualnego portu COM do urządzeń HART slave. Dostępne jest oprogramowanie narzędziowe do I-7567 – konwerter USB – HART konfigurowania konwertera.

BACnet BACnet (ang. Building Automation and Control Networking) to protokół automatyki budynkowej, obsługujący systemy ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji itp. Firma ICPDAS oferuje w pełni konfigurowalną bramkę BACnet/IP – Modbus TCP GW-5493. Bramka GW-5493 zawiera serwer sieci BACnet/IP i klienta sieci Modbus TCP. Dzięki temu urządzenia Modbus TCP są dostępne w sieci BACnet. Bramka ma dużo obiektów BACnet (AI, AO, AV, BI, BO, BV, MSI, MSO, MSV), co umożliwia elastyczne mapowanie rejestrów Modbus TCP na dowolną kombinację obiektów BACnet. Wszystkie transfery danych są konfiGW-5493 gurowane za pomocą standardowej – bramka BACnet/IP na Modbus TCP przeglądarki internetowej.

52

Więcej informacji Wszystkie przedstawione rodziny modułów pomiarowo-sterujących dostępne są u polskiego dystrybutora producenta – w firmie GURU Control Systems. Szczegóły techniczne i opisy produktów można znaleźć na stronie www.kamlab. pl. Zapraszamy też do kontaktu mailowego.

GURU Control Systems ul. Warszawska 91 05-092 Łomianki k. Warszawy tel. 22 831 10 42 fax 22 831 10 42 e-mail: info@guru.com.pl www.gurucs.pl


Aplikacje      kontrola jakości

System testowania presostatów do 40 bar i Pomiarów PIAP jest współpraca z podmiotami gospodarczymi, której przykładem mogą być urządzenia opracowane dla polskiego oddziału firmy Danfoss – stanowiska do testowania trwałości presostatów.

Doświadczenie zdobyte przy wdrożeniu zmodernizowanych maszyn do produkcji i kontroli śródoperacyjnej presostatów przyniosło efekt w postaci opracowania systemu do testowania ich trwałości. Laboratorium kontroli jakości zakładu dysponowało już systemem testerów opracowanych w Danii, ale w związku ze wzrostem produkcji pożądane było zwiększenie liczby testowanych wyrobów.

System ten składa się z dwóch stanowisk umożliwiających wykonywanie tzw. testów „self monitoring” i pojedynczej szafy służącej do testów typu „timer”. Każdy z testerów „self monitoring” pozwala na badanie dwóch zestawów presostatów po pięć sztuk (łącznie 20), a obie szafy są obsługiwane przez pojedynczy komputer PC z komercyjnym oprogramowaniem SCADA. Tester typu „timer” umożliwia testowanie trzech

zestawów presostatów po pięć sztuk i obsługiwany jest przez osobny komputer. Od konstrukcji nowych stanowisk, z których każde obsługuje równoczesne testy 15 presostatów oczekiwano połączenia funkcjonalności obu rodzajów testów w jednym urządzeniu, a zespół pięciu szaf, umożliwiający badanie 75 presostatów, miał być sterowany przez pojedynczy komputer klasy PC (fot. 1).

Rodzaje wykonywanych testów Test „self monitoring” odpowiada normalnej pracy presostatu, w której styki kontrolują narastanie i opadanie ciśnienia w instalacji (rys. 1). Przyjmując, że w stanie początkowym jest ona pusta, jej napełnianie powoduje wzrost ciśnienia w mieszku przyłączonego presostatu do wartości jego nastawy górnej (USP – Upper SnapPoint). Z chwilą osiągnięcia tej wartości następuje przełączenie styków presostatu i rozpoczyna się opróżnianie mieszka, a tym samym spadek ciśnienia aż do osiągnięcia wartości nastawy dolnej (LSP – Lower SnapPoint). W tym momencie następuje ponowne przełączenie styków presostatu i proces się powtarza. W trakcie testu, w wybranych interwałach mierzonych liczbą wykonanych cykli pracy presostatu, wykonywane są automatycznie pomiary wartości „punktów przełączania” USP i LSP, a na ich podstawie obliczana jest nastawa różnicowa DIFF. Zakres zmian ciśnienia, poza fazą początkowego napełnienia, odpowiada parametrom presostatu ustawionym w procesie produkcji, a szybkość przełączania – zależnie od wartości nastawy różnicowej – może osiągać 60 cpm (ang. cycles per minute, cykle/min). Podczas wykonywania pomiarów punktów przełączania presostatu szybkość przełączania jest automatycznie zmniejszana do wartości 10 cpm, co ogranicza wpływ szybkości zmian ciśnienia na wynik pomiaru.

Fot. 1. Widok systemu testowania trwałości presostatów o zakresie ciśnienia do 40 bar

54

Promocja Promocja

Fot. PIAP

Istotnym elementem działalności Przemysłowego Instytutu Automatyki


Rys. 1. Test typu „self monitoring”

Drugi test, o nieco mylącej nazwie „timer”, polega na automatycznym wymuszaniu przez układ sterowania piłokształtnego przebiegu ciśnienia w instalacji pneumatycznej w zakresie wykraczającym poza nastawy fabryczne presostatu USP i LSP (rys. 2). Zakres zmian ciśnienia w przedziale od dolnego „lower” do górnego „upper” może wynosić do 32 bar. Test „timer” służy do sprawdzenia trwałości mieszka i może być wykonywany na niekompletnych presostatach, pozbawionych zespołu przełączającego lub aparatu stykowego. Testom takim poddawane są również kompletne wyroby. Ze względu na rozszerzony przedział zmian ciśnienia, wynoszący zazwyczaj 20 bar, szybkość zmian ciśnienia nie przekracza 30 cpm, a w przypadku mieszków lub przyłączy o większej objętości może spadać do 20 cpm.

Fot. PIAP

Węzły presostatów Podstawowym elementem konstrukcyjnym stanowisk jest węzeł pneumatyczny (rys.  3), w skład którego wchodzi presostat (przyłącze), przetwornik do pomiaru ciśnienia S o zakresie 40 bar, połączone przeciwstawnie elektrozawory odcinające P3 i P4, zbiornik buforowy B, zawór iglicowy H z zespołem napędowym M, umożliwiającym zmianę stopnia uchylenia tego zaworu, elektrozawór wlotowy P1 doprowadzający powietrze z kolektora wlotowego instalacji pneumatycznej i elektrozawór wylotowy P2, odprowadzający powietrze z węzła do kolektora wylotowego. Szybkość zmian ciśnienia w instalacji,

Rys. 2. Test typu „timer”

a tym samym szybkość przełączania presostatu, wymuszana jest przez kontrolę przepływu powietrza za pomocą zaworu iglicowego H. Kolektor wlotowy dołączony jest do zbiornika buforowego o dużej objętości, zasilanego z instalacji wysokiego ciśnienia (40 bar). Zadaniem zbiornika buforowego na wlocie jest zmagazynowanie zapasu powietrza chroniącego układ przed krótkotrwałymi spadkami ciśnienia, występującymi w momencie przełączania styków presostatu (elektrozaworów). Kolektor wylotowy jest dołączony do osobnego zbiornika buforowego i przez osobny zespół sterowanego elektrycznie zaworu iglicowego powietrze jest odprowadzane do atmosfery. Zadaniem zbiornika wylotowego jest utrzymanie ciśnienia w kolektorze wylotowym na poziomie nieco niższym od dolnego ciśnienia przełączania presostatu (LSP w teście „self monitoring” albo „lower” w teście „timer”) i ograniczanie udarów występujących w chwili otwarcia zaworu wylotowego węzła.

Stanowisko pomiarowe Pojedyncze stanowisko zabudowane w szafie przemysłowej o wymiarach 2000 mm ´ 1200 mm ´ 800 mm (wysokość ´ szerokość ´ głębokość) umożliwia równoczesne testowanie 15 presostatów zamontowanych w trzech rzędach po pięć sztuk (fot. 2). Styki presostatów połączone są za pomocą przewodów elektrycznych z gniazdami umieszczonymi u góry szafy, a poprzez nie – z wejściami układu sterowania PLC. Pojedynczy zespół pięciu

presostatów jest badany równocześnie i w nomenklaturze laboratorium nazywany „testem”, pojedynczy węzeł – „unitem”, a szafa pomiarowa – „panelem”. W dalszej części opisu terminy te będą się powtarzać, gdyż wywodzące się z języka angielskiego nazewnictwo na wyraźne życzenie odbiorcy zostało utrzymane w opisach kontrolek pulpitu operatorskiego na ekranie komputera sterującego. U dołu szafy zamontowane zostały ręczne reduktory ciśnienia z manometrami, ograniczające górne ciśnienie w kolektorach wlotowych, osobno w każdym zespole presostatów. Rozwiązanie to wprowadzono, żeby dodatkowo zabezpieczyć badane presostaty przed ustawieniem z pulpitu komputera zbyt wysokiego górnego ciśnienia, niszczącego elementy o niskiej wartości ciśnienia dopuszczalnego. Z prawej strony został umieszczony dodatkowy reduktor ciśnienia referencyjnego ze sterowanym za pomocą elektrozaworu przyłączem pneumatycznym. Obecność ciśnienia referencyjnego jest niezbędna do poprawnej pracy niektórych typów presostatów. Przyłącze to jest również używane do szybkiego sprawdzenia poprawności kalibracji stanowiska. Wszystkie podzespoły poza przyłączami presostatów zostały zamontowane wewnątrz szafy pomiarowej, a znaczną część jej objętości zajmują węzły presostatów. Konstrukcja szafy została wzmocniona klatką z profili aluminiowych, stanowiącą podstawę zabudowy podzespołów. W części centralnej są widoczne oba kolektory górnego zespołu presostatów, a nieco

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

55


Aplikacje      kontrola jakości

Fot. 2. Widok zabudowy presostatów na przyłączach szafy pomiarowej

poniżej silniki do sterowania zaworami iglicowymi (fot. 3). Bezpośrednio pod belką nośną zespołów napędowych zaworów iglicowych, do której przymocowana jest wiązka przewodów elektrycznych, widoczne są zbiorniki buforowe poszczególnych węzłów. Sterownik PLC z elementami wykonawczymi został zabudowany w jedynym wolnym miejscu u góry szafy. W cokole na samym dole szafy umieszczono zbiorniki buforowe, a powyżej nich rozbudowany zespół zasilaczy (fot. 4).

Architektura systemu pomiarowego W skład kompletnego systemu testowania presostatów wchodzi pięć

stanowisk, z których każde umożliwia równoczesne badanie trzech zespołów presostatów. Każda z szaf ma autonomiczny układ sterowania, zrealizowany na bazie sterownika PLC serii S7-300 firmy Siemens. Zespół stanowisk jest obsługiwany przez pojedynczy komputer PC, połączony ze sterownikami przez switch przemysłowy za pomocą sieci Ethernet (fot. 5). W odróżnieniu od typowych rozwiązań stosowanych w systemach wizualizacji układów sterowania maszyn i linii technologicznych wykorzystujących komercyjne systemy SCADA, jak np. InTouch, iFix, WinCC, oprogramowanie komputera operatorskiego zostało opracowane w środowisku

Fot. 3. Fragment zabudowy wnętrza szafy – zespół presostatów i układ sterowania

56

MS Visual Studio C/C++ na platformie Win32API [1]. Do komunikacji komputera ze sterownikami zastosowano serwer OPC Simatic NET, właściwy dla sterowników firmy Siemens.

Graficzny interfejs operatora Obsługę systemu zorganizowano w postaci interfejsu graficznego złożonego z kilku okien. System uruchamia się z otwartym głównym oknem i wyłączoną komunikacją ze sterownikami (fot. 6). W górnej części dostępne są przyciski konfiguracji sieci stanowiska, umożliwiające odłączenie pojedynczych szaf w celach serwisowych i przyciski sterowania połączeniem ze sterownikami.

Fot. 4. Fragment zabudowy wnętrza szafy – zespół zasilania, poniżej zbiorniki buforowe

Fot. PIAP

Rys. 3. Schemat blokowy pojedynczego węzła


Fot. PIAP

Postęp uruchamiania kolejnych grup serwera OPC wyświetlany jest na liście po lewej stronie przycisków i syntetycznie wizualizowany za pomocą wielokolorowej kontrolki „SIMATICNET OPC”. Po prawej stronie wyświetlane są kontrolki konfiguracji interwałów grup OPC, pokazujące częstość odświeżania widoków różnych grup zmiennych. W części centralnej wyświetlana jest makieta synoptyczna systemu z uproszczonym widokiem stanowisk – pojedyncze prostokąty symbolizują presostaty, identyfikowane za pomocą liczb. Makieta w sposób syntetyczny wizualizuje aktualny stan wszystkich testów, a kolory „presostatów” sygnalizują kluczowe fazy (bierny, uruchomiony, wykonywany, zakończony oraz błędy). Istotnym ułatwieniem w obsłudze systemu jest wprowadzenie szybkiego dostępu do okna sterowania przez makietę synoptyczną i uaktywnianie wskaźnika pod kursorem myszy (fot. 6, powiększenie). Ze względu na możliwość utraty orientacji w nawigacji po testach wprowadzono dodatkowy przycisk „units”, przenoszący operatora bezpośrednio do okna ostatnio oglądanego testu. Okno sterowania jest podzielone na pięć pionowych, identycznych paneli, odpowiadających pojedynczym presostatom – „unitom” (fot. 7). Przycisk „start/stop” umożliwia uruchomienie lub zatrzymanie pracy danego presostatu. Pierwsze uruchomienie dowolnego

Fot. 5. Schemat poglądowy architektury systemu pomiarowego

„unitu” aktywuje nowy test – ze stanu bezczynności IDDLE zespół przechodzi do stanu RUNNING (wykonywany). Powyżej umieszczono przycisk włączenia kontroli błędów „failure detection”, ustawiany domyślnie w położenie „włączony” („on”). W kontrolkach „snappoint” wyświetlane są wyniki pomiarów punktów przełączania presostatu (USP, LSP i DIFF), wykonywanych w zaprogramowanych miejscach testu. Wyraźnie sygnalizowana jest faza wykonywania

pomiaru, wymagająca stopniowej redukcji szybkości przełączania. Brak takiej sygnalizacji prowadzi do błędnej oceny zachowania systemu (domniemanie awarii). Usytuowany obok przełącznik „manual” umożliwia ręczne uruchomienie pomiaru punktów przełączania. W kontrolce „leak test” prezentowany jest wynik automatycznego testu szczelności, wykonywanego cyklicznie w zadanych interwałach czasu. Przełącznik „manual” umożliwia ręczne uruchomienie testu szczelności

Fot. 6. Widok głównego okna operatora stanowiska

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

57


Aplikacje      kontrola jakości

Fot. 7. Widok okna sterowania (testu)

Fot. 8. Zróżnicowanie kształtu kontrolek, zależne od ich stanu

w dowolnej chwili. Pole „test cycles to run” określa liczbę cykli testu do wykonania i zazwyczaj ma ono ustawianą taką samą wartość dla wszystkich pięciu presostatów, ale w pewnych sytuacjach liczby te mogą być określane różnie. Powyżej umieszczono zespół kontrolek „test cycles run”, w których wyświetlana jest liczba wykonanych przez dany „unit” cykli i aktualna szybkość przełączania „cpm”. Na dole paneli „unitów” umieszczono przyciski „valve” do ręcznego sterowania uchylaniem zaworów iglicowych węzłów presostatu. Przyciski sterujące wybranymi funkcjami „unitów” są dezaktywowane

58

w wybranych fazach pracy, co jest sygnalizowane wyświetlaniem pustego konturu kontrolki. U dołu ekranu umieszczone zostały kontrolki nastaw wspólnych dla wszystkich „unitów”. W części centralnej operator może zaprogramować miejsca automatycznego wykonania pomiarów punktów przełączania – „snappoint measurement schedule [cycles]”. Sposób funkcjonowania systemu określa przełącznik „snappoint” – w położeniu „off” pomiary automatyczne nie są wykonywane, a jedynie zatrzymywane jest wykonywanie testu. Operator przeprowadza wówczas pomiar ręcznie, po

uprzednim zdławieniu zaworów iglicowych „unitów”. Rozwiązanie to jest przydatne w teście typu „timer”, w którym ustawiono duży przedział zmian ciśnienia (upper-lower) dla presostatu o małej histerezie. Monotonia interfejsu wynikająca ze znacznej liczby podobnych kontrolek sprawia, że pewne stany testu muszą być dodatkowo wyróżnione, gdyż stosunkowo łatwo je przeoczyć, co potwierdził wstępny okres eksploatacji podczas uruchamiania systemu. Był to zasadniczy powód wprowadzenia zmiany kształtu i koloru przycisków oraz ukrywania niektórych elementów


sygnalizacyjnych, zależnie od stanu reprezentowanych przez nie zmiennych obiektowych, dzięki czemu stały się bardziej rozróżnialne (fot. 8).

Interfejs kalibracji Istotnym elementem systemu jest graficzne wsparcie kalibracji torów pomiarowych (fot. 9). W systemie zastosowano 6-punktową korektę charakterystyki przetworników ciśnienia, przy czym użytkownik może zmieniać nastawy jedynie dwóch punktów: „adc_min” i „adc_max”, co upraszcza proces kalibracji. W kolumnie „setpoint” widoku pliku konfiguracyjnego „s7adc config file” wyświetlany jest opis punktu charakterystyki, w kolumnie „p_nom” – nominalna wartość ciśnienia w barach (współrzędna y), a w kolumnie „adc_integer” – wartość uzyskana bezpośrednio z przetwornika ADC modułu analogowo-cyfrowego sterownika PLC (współrzędna x). Obok prezentowane są histogramy wartości ciśnienia p [bar] i odczytów przetwornika „s7adc_INT” sterownika. Histogram wyników pomiarów w jednostkach ciśnienia jest wyświetlany z rozdzielczością 10 mbar. Histogram wartości w jednostkach toru przetwarzania (liczby całkowite) jest wyświetlany z rozdzielczością 10 jednostek. Z prawej strony prezentowany jest oscylogram bufora pomiarowego „p[bar]/s7adc plot”, prezentujący przebieg sygnału toru pomiarowego. Interwał odświeżania kontrolek okna kalibracji wynosi 200 ms, co umożliwia prawie płynną obserwację zmian ciśnienia danego

przetwornika. Użytkownikowi zapewniono również wgląd w szczegółowe statystyki pomiarów toru, wyświetlane w osobnym oknie „statistics”. Poniżej paneli graficznych umieszczono zestaw kontrolek umożliwiających sterowanie kalibracją. Po lewej stronie wyświetlany jest przełącznik wyboru punktu kalibracji, którego opis odpowiada kolejnym punktom charakterystyki. Dodatkowo wprowadzono funkcję śledzenia „trace_adc”, która umożliwia obserwację bieżących zmian ciśnienia nie odniesionych do żadnego z punktów kalibracji, celem oceny stabilności ciśnienia wzorcowego. Po prawej stronie okna znajduje się kontrolka „count” i przełącznik „samples”, określający liczby próbek uśrednianych w procesie odczytu wyniku. Każda zmiana ustawionej liczby próbek powoduje wyzerowanie kontrolki. Wszelkie czynności kalibracyjne powinny być wykonywane dopiero wtedy, gdy liczba próbek zgromadzonych odpowiada liczbie próbek ustawionych za pomocą przełącznika. Kalibracja polega na zadaniu zewnętrznego ciśnienia wzorcowego o wartości odpowiadającej żądanej nastawie punktu charakterystyki i wciśnięciu przycisku „set s7adc INT” w momencie, gdy operator uzna, że pomiary są stabilne. Powoduje to przypisanie uśrednionego odczytu wartości toru pomiarowego w jednostkach przetwornika ADC (liczba całkowita) do danego punktu charakterystyki (np. 0,1 bar). Zmiana punktu charakterystyki jest przenoszona natychmiast do pliku kalibracyjnego i ustawień toru.

Towarzyszy temu wyzerowanie liczby próbek uwzględnianych podczas uśredniania. Ewentualne korekty ciśnienia w jednostkach inżynierskich [bar] wprowadzane są ręcznie, po zatrzymaniu odczytów toru pomiarowego. System testowania presostatów liczy łącznie 110 torów pomiarowych. Nieodzowne było wprowadzenie dodatkowych elementów interfejsu wspierających diagnostykę systemu. Udostępniono dwa rodzaje okien podglądu pracy przetworników ADC sterownika – pojedyncze i grupowe (fot. 10). W pojedynczym oknie można obserwować wybrany tor pomiarowy. W oknie zestawu prezentowane są wartości odczytywane z przetworników zespołu „unitów”, ciśnienie wejściowe „p_in”, górne „upper” i dolne „lower”.

Interfejs serwera OPC Krytycznym elementem systemu całkowicie niewidocznym dla użytkownika jest interfejs programu operatora z serwerem OPC, zapewniającym komunikację ze sterownikami szaf, czyli dostęp do zmiennych procesu sterowania. Podstawowe parametry to m.in.: • 5000 zmiennych PLC (obiektowych), wymienianych z PC, • interwał skanowania OPC – 200 ms, • odświeżanie wszystkich ekranów co 800 ms, • odświeżanie wybranych okien co 200 ms (diagnostyczne, kalibracja), • rejestracja danych pomiarowych w pliku na dysku komputera PC. Do komunikacji z pięcioma sterownikami PLC serii S7-300 firmy

Fot. 9. Widok okna kalibracji

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

59


Aplikacje      kontrola jakości

Fot. 10. Widok okien diagnostyki torów ADC

Fot. 11. Widok okien diagnostyki zmiennych interfejsu serwera OPC

Siemens zastosowano serwer Simatic Net 2008. Użycie interfejsu „Custom” (C/C++) serwera w trybie synchronicznym zapewniło niezbędną wydajność. Doświadczenia ze stosowania platform typu MFC [2] w innych projektach skłoniły do implementacji oprogramowania w środowisku Win32API [1]. Główne cechy opracowanego interfejsu są następujące: • każdy unit to około 120 zmiennych PLC, rozdzielonych między arbitralnie utworzone grupy zmiennych OPC („aktywność”, „sterowanie”, „pomiary” i „wspólne”), • ogółem zaimplementowano 175 grup zmiennych OPC, • zmienne unitów i zmienne wspólne szaf zostały zagregowane w 15 grup testów, • zautomatyzowana generacja zmiennych unitów i grup OPC, • rozdzielenie warstwy wizualizacji od interfejsu OPC,

60

• zautomatyzowana inicjalizacja zmiennych interfejsu, • zautomatyzowana inicjalizacja struktur testów. Rozbudowana struktura programowa została wsparta oknami diagnostycznymi, umożliwiającymi szczegółowy wgląd w zmienne interfejsu serwera OPC (fot. 11), ułatwiającymi identyfikowanie ewentualnych trudności.

Implementacja interfejsu operatora System wizualizacji testów zrealizowano w modelu MVC [3], typowym dla tego typu zastosowań. Oprogramowanie do prezentacji danych zostało w całości opracowane w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Dla ograniczonej liczby sygnałów, wymagających w miarę płynnej aktualizacji, jak diagnostyka torów ADC czy kalibracja, zastosowano interwał 200 ms,

tożsamy z interwałem serwera OPC. Pozostałe zmienne, z których większość ma charakter statyczny, są odświeżane co 800 ms, co zmniejsza obciążenie systemu. We wszystkich elementach graficznych służących do wizualizacji procesu (kontrolki nastaw, oscylogramy) zastosowano podwójne buforowanie, skutecznie eliminując migotanie wyświetlanych wartości podczas odświeżania zawartości. W projekcie wykorzystano część kodu opracowanego uprzednio dla tego samego odbiorcy, poddając jego fragmenty niezbędnej refaktoryzacji [4]. Interfejs operatora ewoluował wielokrotnie w trakcie opracowania i uruchamiania systemu. Początkowo większość kontrolek nastawczych była umieszczona w oknie sterowania „unitów”. Zaletą miała być widoczność istotnych ustawień systemu bez konieczności przeglądania innych okien. Całość, mimo znacznej liczby


kontrolek, sprawiała wrażenie czytelnej. W fazie uruchamiania i testów systemu ujawniały się wcześniej niezdefiniowane przez użytkownika cechy presostatów lub właściwości prób, w związku z czym dodawane były kolejne kontrolki. Pomimo zmniejszenia rozmiarów elementów graficznych interfejs pozostawał pozornie wciąż czytelny, jednak dłuższa obserwacja sposobu obsługi systemu przez operatora wykazała, że wyeksponowanie większości istotnych elementów nastawczych na pojedynczym ekranie rodzi szereg niedogodności, jak wydłużone wyszukiwanie właściwej kontrolki, a tym samym zauważalne spowolnienie czynności zmiany wartości. Ponadto dostępność kontrolek w jednym miejscu ułatwiała operatorowi upraszczanie ustawiania maszyny, umożliwiając pomijanie pewnych wartości, co prowadziło do niepoprawnej pracy stanowisk, gdyż w fazie uruchamiania ograniczenia nastaw były zdjęte. Ta sytuacja wymusiła gruntowną reorganizację interfejsu i przeniesienie newralgicznych oraz rzadko zmienianych nastaw do dodatkowych okien, wywoływanych za pomocą osobnych przycisków oraz uaktywnienie zabezpieczeń zmiennych, zależne od rodzaju wykonywanych testów. System wyposażony jest również w typowy mechanizm obsługi za pomocą menu,

ale duża liczba udostępnionych funkcji czyni je mało intuicyjnym. Do przechowywania danych konfiguracyjnych i wyników testów zastosowano system plików binarnych, pogrupowanych w osobne katalogi. W przypadku utraty plików system uruchamia się z ustawieniami domyślnymi, odtwarzając automatycznie pełną strukturę plików konfiguracyjnych. Udostępnianie wyników testów w środowisku MS Office zapewniono przez mechanizm eksportu plików archiwalnych w formacie CSV.

procesu. Wcześniejsza prezentacja makiet, choć niezbędna i nie można jej zaniechać, jest niewystarczająca. Dopiero użycie konkretnego urządzenia i jego interfejsu w warunkach produkcyjnych ujawnia rozbieżności między intencją odbiorcy wyrażoną w założeniach, jego przyzwyczajeniami wyniesionymi z obsługi podobnych systemów, a rzeczywistymi potrzebami układu sterowania. 

dr inż. Rafał Więcko mgr inż. Bogusław Rybałtowski

Podsumowanie

mgr inż. Paweł Jagiełło

Przedmiotem kompleksowego wdrożenia był zespół pięciu stanowisk, sterowany za pomocą pojedynczego komputera PC. Mimo nieuniknionego zewnętrznego podobieństwa do pierwowzorów, konstrukcja została opracowana od podstaw, choć zachowano pewne sprawdzone w eksploatacji elementy. Jest to specyfika współpracy z partnerami przemysłowymi, którzy dysponując już podobnymi urządzeniami, oczekują przyjęcia jednolitej bazy podzespołów lub rozwiązań uznanych za niezawodne. Z perspektywy wielu opracowań, zrealizowanych w różnych środowiskach programowych, zmiany w interfejsie operatora uznać można za typowy i trwały element projektów obejmujących wizualizację

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Ośrodek Automatyzacji i Systemów Wizyjnych

Bibliografia 1. Ch. Petzold, Programowanie Windows, RM/Microsoft Press 2001. 2. R.C. Leinecker, T. Archer, Visual C++ 6.0 Vademecum profesjonalisty, Helion 2001. 3. E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, J. Vlissides, Wzorce projektowe, Helion 2010. 4. M. Fowler, K. Beck, J. Brant, W. Opdyke, D. Roberts, Refaktoryzacja. Ulepszanie struktury istniejącego kodu, Helion 2011.

REKLAMA

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

61


Aplikacje      LABORATORIUM DYDAKTYCZNE

Fot. 1. Modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej

Modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP oraz PIAP OBRUSN, na zlecenie Instytutu Technologii Mechanicznej Wydziału Budowy Maszyn i Zarządzania Politechniki Poznańskiej, zrealizowali wspólny projekt „Modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej” – stanowisko dydaktyczne w Laboratorium Modelowania Elastycznych   Linii Produkcyjnych.

62

Promocja

Elementy składowe systemu: • moduły ciągów transportowych opartych na systemie TS2 firmy Bosch Rexroth, • system sterowania linii produkcyjnej wykorzystujący komponenty firmy Siemens, • system RFID typu ID 200 firmy Bosch Rexroth do identyfikacji wyrobów i palet,

Charakterystyka modułów transportowych Moduły transportowe oparte na systemie przenośników TS2 firmy Bosch Rexroth zaprojektowano w formie uniwersalnych odcinków linii produkcyjnej o jednolitej strukturze mechatronicznej. Moduły te mogą być zestawiane jeden za drugim prostoliniowo lub pod kątem

Fot. PIAP OBRUSN

Ze względu na dydaktyczne i naukowobadawcze przeznaczenie linii elementy składowe odzwierciedlają aktualny stan techniki i są powszechnie stosowane w przemyśle. Dzięki możliwości elastycznego konfigurowania ciągów transportowych modułowy system zautomatyzowanej linii produkcyjnej umożliwia swobodne modelowanie procesów produkcyjnych.

• aplikacja wolnostojącego robota IRB 140 firmy ABB, obejmującego zasięgiem jedną stację roboczą; robot współpracuje z systemem wizyjnym IVC-2D firmy SICK, • aplikacja robota IRB 140 podwieszonego na portalu, obejmującego zasięgiem cztery stacje robocze; robot współpracuje ze stacją wymiennych chwytaków firmy SCHUNK, • centrum obróbcze FMS – tokarka CNC, frezarka CNC, robot z chwytakiem na torze jezdnym.


prostym. Można więc skonfigurować linię produkcyjną w formie pojedynczego długiego transportera, kilku równoległych transporterów lub jako transportery pracujące w obiegu zamkniętym. System rozprowadzania zasilania elektrycznego i pneumatyki oraz okablowanie magistrali sieciowych w poszczególnych modułach transportowych zostały zaprojektowane tak, aby było możliwe swobodne kształtowanie topologii w układzie kaskadowym. Swobodę konfigurowania linii produkcyjnej uzyskano dzięki rozproszeniu zasobów wejść/wyjść systemu sterującego i rozmieszczeniu ich jako wysp I/O w niewielkich szafkach sterowniczych zamontowanych na poszczególnych modułach transportowych. Rozwiązanie oparto na modułach komunikacyjnych ET 200S firmy Siemens. System połączeń między wyspami I/O obejmuje: • obiektowe zasilanie sieciowe 3 × 400 V + N + PE, • obiektowe zasilanie 24 V DC, • systemowe zasilanie 24 V DC, • pętlę awaryjną, • zasilanie pneumatyki, • magistralę sieciową Profinet, • magistralę sieciową Profibus. Każdy moduł transportowy zawiera następujące elementy automatyki: • sterowanie silnikiem transportera, • sterowanie bramkami stoperów, • sterowanie i kontrolę pozycji siłownika windy, • czujniki indukcyjne kontroli położenia palet, • stację systemu identyfikacji palet – dwie anteny RFID, • rezerwowe zasoby wejść/wyjść dwustanowych 24 V DC. Do obsługi dodatkowych urządzeń pracujących na poszczególnych stanowiskach linii produkcyjnej zaprojektowano cztery mobilne stacje procesowe, w których zastosowano sterowniki PLC klasy S7-1200. Pracują one jako wyspy IWLAN i wykorzystują przemysłowy system komunikacji bezprzewodowej połączony z centralnym systemem sterowania.

Fot. PIAP OBRUSN

Centralny system sterowania linią produkcyjną Sterowaniem wszystkimi procesami na linii produkcyjnej zajmuje się Centralny System Sterowania, który składa się z następujących elementów: • sterownik PLC S7-300 – jednostka centralna CPU 317 2PN/DP IWLAN,

• panel operatorski dotykowy TP1500 Comfort do podstawowej obsługi systemu, • stacja operatorska PC do wizualizacji oraz zaawansowanej obsługi systemu sterowania wraz z oprogramowaniem SCADA. Do komunikacji z rozproszonymi zasobami I/O linii produkcyjnej używane są magistrale Profinet i Profibus oraz przemysłowa sieć bezprzewodowa IWLAN. Centralny System Sterowania umieszczono w szafie sterowniczej (fot. 2) w pobliżu modułu transportowego AS1 stanowiącego umowny początek linii produkcyjnej. Do wizualizacji i obsługi systemu sterowania linii produkcyjnej służy dotykowy panel operatorski zamontowany w szafie sterowniczej. Program sterujący oraz wizualizacja zostały wykonane w środowisku TIA Portal – Totaly Integrated Automation V11. Wszystkie elementy wykonawcze zastosowane w systemie są zaszyte w programie w postaci uniwersalnych i jednolitych bloków funkcyjnych. W ramach tych modułów programowych w uniwersalny sposób rozwiązano sterowanie elementów wykonawczych, diagnostykę stanu pracy, obsługę alarmów oraz logikę sygnałów We/Wy. Dla poszczególnych typów elementów wykonawczych zaprojektowano komponenty do wizualizacji ich stanu pracy. Podobnie zorganizowana została diagnostyka elementów czujnikowych. Odpowiednio zestawione komponenty wizualizacyjne zostały pogrupowane w widoki segmentów transportowych z uwzględnieniem ich topologii. Dzięki temu po zmianie rozmieszczenia mechanicznego segmentów można w prosty sposób zaktualizować zaprojektowany w środowisku TIA Portal – główny ekran wizualizacji.

Programowanie i przebieg modelowania procesu produkcyjnego Palety są załadowywane na linię w module AS1, gdzie zadaniem operatora jest umieszczenie materiałów i podzespołów niezbędnych w procesie wytwarzania danego produktu oraz wprowadzenie do systemu danych o rodzaju produktu i kolejności wykonywania operacji na linii produkcyjnej. Informacje charakteryzujące stan każdej palety są przechowywane w elemencie pamięciowym systemu RFID zamontowanym na każdej z nich. Stan palety może być odczytany, zmieniony

oraz zapisany, gdy element pamięciowy RFID znajdzie się w zasięgu anteny RFID umieszczonej na stanowisku produkcyjnym. Struktura informacji zapisywanej na paletach: • numer identyfikacyjny palety, • numer identyfikacyjny produktu, • harmonogram operacji do wykonania w trakcie procesu produkcyjnego, • aktualny stan wykonania poszczególnych operacji. Po zaprogramowaniu danych na palecie operator zatwierdza START cyklu produkcyjnego. Od tej chwili paleta rozpoczyna wędrówkę na linii produkcyjnej. W zależności od rodzaju produktu paleta jest zatrzymywana na poszczególnych stacjach produkcyjnych, które rozmieszczone są obok transporterów.

Fot. 2. Szafa sterownicza z centralnym systemem sterowania linii produkcyjnej

Stacje produkcyjne mogą być skonfigurowane w jeden z poniższych sposobów: • jako symulacja stanowiska produkcyjnego, • jako stanowisko skojarzone z rzeczywistym urządzeniem pracującym na danej stacji produkcyjnej. Symulacja stanowiska produkcyjnego polega na zatrzymaniu palety na stanowisku, odliczeniu zaprogramowanego czasu operacji, a następnie kontynuacji cyklu produkcyjnego. Na stanowisku produkcyjnym skojarzonym z rzeczywistym urządzeniem realizowany jest system wymiany sygnałów synchronizujących. System transportu palet przesyła do urządzenia na stanowisku sygnał gotowości informujący, że paleta została dostarczona. Urządzenie po odebraniu sygnału

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

63


Aplikacje      LABORATORIUM DYDAKTYCZNE

Fot. 3. Stanowisko produkcyjne z centrum obróbczym FMS

dostarczenia palety wystawia sygnał informujący system transportowy, że operacja jest w trakcie wykonywania. Po zakończeniu operacji urządzenie innym sygnałem potwierdza zakończenie operacji, a następnie po „zabraniu” przez transporter palety wystawia sygnał gotowości do następnego cyklu. W pamięci systemu identyfikacji RFID palety zapisywana jest informacja o wykonaniu operacji na tym stanowisku. Paleta przemieszcza się dalej do następnego stanowiska, gdzie wg harmonogramu wykonana zostanie kolejna operacja. Po wykonaniu wszystkich zaprogramowanych dla danego produktu operacji technologicznych paleta zostaje przekazana do segmentu AS2, stanowiącego w systemie transportu „przystanek końcowy”. W tym miejscu, na kończącej swoją wędrówkę na linii transportowej palecie, znajduje się wyrób gotowy, który należy zabrać. Pusta paleta zostanie automatycznie przekazana na segment AS1, gdzie jest gotowa do ponownego użycia. Operator ponownie „uzbraja” ją w materiały oraz podzespoły niezbędne w procesie wytwarzania danego produktu. Dane o rodzaju produktu i kolejności wykonywania operacji na linii produkcyjnej nie muszą być ponownie wprowadzane do systemu, gdyż nie zostały one zmodyfikowane w czasie poprzedniego cyklu produkcyjnego. Wystarczy skasować informację o wykonaniu operacji i zatwierdzić START kolejnego cyklu produkcyjnego. Jeśli paleta znajduje się w punkcie początkowym transportu

64

AS1, można zmienić na niej rodzaj produktu i zapisać nowe dane do jej pamięci RFID. Trasa poruszania się palety w systemie transportowym wynika z kolejności wykonywania operacji na poszczególnych stacjach roboczych. W punktach węzłowych, gdzie zachodzi możliwość wyboru alternatywnych tras poruszania się palety, optymalna trasa wybierana jest automatycznie przez system bądź wybierany jest określony kierunek transportu predefiniowany przez operatora. System synchronizacji transportu palet jest jednolity dla wszystkich stanowisk produkcyjnych. Dzięki temu zmiana topologii linii produkcyjnej czy też wymiana parku maszynowego nie pociągają za sobą konieczności zmian w strukturze logicznej oprogramowania systemu centralnego.

Stanowiska produkcyjne z robotami przemysłowymi i systemem wizyjnym Aplikacje robotów będące elementami składowymi wdrażanych linii, łącznie z systemem wizyjnym, zostały zrealizowane w PIAP przez Ośrodek Automatyzacji i Systemów Wizyjnych (OAS). Robot przemysłowy IRB 140 współpracuje z systemem wizyjnym IVC-2D firmy SICK za pomocą dwóch rodzajów połączeń: • We/Wy dwustanowych, które służą do synchronizacji operacji wykonywanych przez oprogramowania aplikacyjne systemu wizyjnego i robota,

• sieci przemysłowej Ethernet, za pomocą której system wizyjny przekazuje do robota informację o położeniu analizowanych elementów znajdujących się na palecie. Informacja o położeniu rozpoznanych elementów wykorzystywana jest w systemie sterowania robota do określenia charakterystycznych punktów trajektorii ruchu podczas realizacji zamierzonych operacji technologicznych, takich jak np. chwytanie detali znajdujących się na palecie w zmiennym położeniu lub korekcja trajektorii ruchu w procesie automatycznego montażu produktu. Przykładowa aplikacja zrealizowana w projekcie polega na określeniu położenia wałka oraz tulei znajdujących się na palecie, a następnie wykonaniu operacji umieszczenia wałka w tulei. IRB 140, podwieszony na portalu i obejmujący zasięgiem cztery stacje robocze, współpracuje ze stacją trzech wymiennych chwytaków firmy SCHUNK. Roboty organizacyjnie stanowią jednostki podrzędne w stosunku do systemu transportu palet, z którym wymieniają informacje za pomocą zestawu markerów umieszczonych w obszarze danych transmitowanych za pośrednictwem magistrali Profibus.

Stanowisko produkcyjne z centrum obróbczym FMS Centrum obróbcze FMS składa się z: • tokarki CNC typu MIRAC PC, • frezarki CNC typu TRIAC PC, • robota Movemaster z chwytakiem poruszającego się po torze jezdnym. Robot z chwytakiem pełni rolę łącznika pomiędzy systemem transportowym palet a obrabiarkami CNC. Tor jezdny robota umieszczono wzdłuż transportera palet, co pozwala na pobieranie chwytakiem materiałów wyjściowych z palet i podawanie ich do tokarki lub frezarki w celu obróbki. Po zakończeniu obróbki robot odbiera gotowy detal i odkłada go na paletę w celu przekazania na kolejne stanowisko produkcyjne. Wszystkie procesy na tym stanowisku są w pełni zautomatyzowane i programowane w lokalnych systemach sterowania tokarki, frezarki i robota. Robot jest jednostką nadrzędną w stosunku do frezarki i tokarki, a podrzędną w stosunku do centralnego systemu sterowania linii produkcyjnej.  Bogdan Jarzembski PIAP OBRUSN


Rozmowa PAR      

Pokora znakiem rozpoznawczym uczciwego naukowca zaczęło. A dzisiaj mam już wiele lat. Osiemdziesiątka na karku. Jednak już się z tym pogodziłem. I nie zamierzam z tego powodu iść na emeryturę naukową czy zmieniać profesji.

Wywiad z profesorem Józefem Giergielem o mechatronice, filozofii,

Fot. PIAP OBRUSN, J. Giergiel (archiwum prywatne)

roli nauki, przyszłości i nie tylko.

Jest Pan utalentowanym naukowcem, cenionym autorytetem w dziedzinie mechaniki, ma Pan nieprzeciętne osiągnięcia, zwłaszcza w zakresie dynamiki maszyn, drgań mechanicznych z tarciem, identyfikacji układów mechanicznych, również robotyki, w tym mikro- i nanorobotyki, włączając bionanokomponenty. Co wpłynęło na wybór drogi życiowej? Jest Pani nazbyt łaskawa w ocenie mojej osoby. Jestem zwykłym skromnym człowiekiem, który – cytując jednego z filozofów – „wie, że nic nie wie”. Co do osiągnięć, rzeczywiście udało mi się parę rzeczy w swoim

życiu zrobić w wymienionych przez Panią obszarach nauki. Po studiach podjąłem pracę najpierw w Biurze Konstrukcyjnym Maszyn Drogowych w Krakowie, a następnie w Zakładach Cynkowych w Trzebini. Po dwóch latach pracy dowiedziałem się, że zwolniło się miejsce w Katedrze Mechaniki na AGH. Zgłosiłem się więc do ówczesnego kierownika Katedry Mechaniki. Ten zapytał mnie, po co mi ta zmiana, skoro na uczelni będę zarabiał o jedną trzecią mniej. Odpowiedziałem: „Panie profesorze, ale ja głupieję w tym przemyśle...”. „Jest pan przyjęty” – odrzekł profesor. I tak to się

Czy zawsze chciał Pan być naukowcem? Pana droga zawodowa rozpoczęła się od przemysłu. Czy zawsze chciałem być naukowcem? Kiedyś, w czasach mojej skromnej studenckiej kariery, myślałem całkiem serio o lotnictwie. Ale nie żałuję wyboru. Nigdy się nie zastanawiałem, co by było, gdybym wybrał inną drogę. Przecież to nie ma sensu. Znacznie ciekawiej jest spojrzeć wstecz na swoje życie i zobaczyć, jak na pozór niezwiązane ze sobą sytuacje i decyzje łączą się w logiczny ciąg zdarzeń, które określają ludzkie losy. Sądzę, że dokonałem właściwego wyboru.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

65


Rozmowa PAR      

A inne pasje? Podobno lubi Pan wędkować. Jedna z moich pasji to filozofia, a zwłaszcza historia filozofii. Czytałem o niej i czytam, interesuję się nią. Inna pasja to Kosmos. Proszę sobie wyobrazić, że studenci kierunku Lotnictwo i Kosmonautyka nie mają w programie nic o Kosmosie, mimo nazwy w kierunku. To bardzo smutne. Moją pasją są też koty. Te zwierzęta były zawsze obecne w moim domu. W młodych latach moją pasją było wędkarstwo, jeździłem jednak raczej na ryby niż po ryby. Wyjazdy były dla mnie relaksem, szukałem miejsc odludnych, tam rozkładałem wędkę i odpoczywałem. Większość złapanych ryb wypuszczałem, ale niektóre zabierałem do domu dla kota. Moje wędkarskie rekordy to siedmiokilogramowy szczupak i sześciokilogramowy sum. Dziś relaks przynosi mi działka. Zajmuję się nią, kosząc trawę i przycinając drzewka i krzewy. Pana ostatnie osiągnięcia dotyczą zagadnień modelowania, identyfikacji i sterowania z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji. Jakie problemy rozwiązuje Pan obecnie? Obecnie zajmuję się projektowaniem mechatronicznych robotów inspekcyjnych kołowych i gąsienicowych, pracujących w różnych środowiskach.

66

Fascynuje mnie mechanika w skali nano i związana z nią nanorobotyka. Zjawiska, które mnie fascynują od dawna, odbywają się nie tylko w przestrzennej skali nano, ale i w czasowej skali nano, a może jeszcze mniejszej. Nanonauka, której się oddałem, jest interdyscyplinarna. Teraz, po latach, mógłbym powiedzieć, że bez znaczenia jest, czy interesuje nas nanotechnologia, a więc wykorzystanie nanocząstek, czy makrotechnologia, bazująca na makroobiektach w makroskali czasu. Jedno i drugie wymaga poznania i rozumienia materii. Pomimo fascynującej przygody, jaką przeżyłem, uprawiając naukę, i do pewnego stopnia nadal przeżywam, nie udało mi się osiągnąć (jeszcze?) tego, co zamierzałem. Może dlatego, że dostrzegam już z tej perspektywy, iż piękniejsze jest poszukiwanie niż samo odkrycie, że piękniejsze są pytania niż udzielanie odpowiedzi. Pana prace naukowe były zawsze silnie osadzone w rzeczywistości, często realizowane na zamówienie przemysłu. Tak, cała moja działalność naukowa była poświęcona współpracy z przemysłem. Wychodziłem bowiem z założenia, że – jak zauważył jeden z filozofów – teoria bez praktyki jest martwa, a praktyka bez teorii jest ślepa. Dlatego moje badania naukowe były prowadzone przede wszystkim dla zastosowań, co dawało mi wielką satysfakcję. To praktyka i rozwój techniki wymusiły połączenie kilku dziedzin i powstanie nowej – zauważył Pan sprzężenie zwrotne drgań mechanicznych i elektrycznych. Czy to wówczas narodziła się mechatronika, nauka łącząca wiedzę z zakresu mechaniki, elektrotechniki, elektroniki i informatyki? Takie były początki tak dziś modnej i potrzebnej mechatroniki. Ale twórcą nazwy i dyscypliny był Tesuro Mori, inżynier z firmy Yakasawa Electric, która zarejestrowała nazwę jako chroniony na całym świecie znak towarowy. Mechatronika to całkiem nowy model pracy układu mechanicznego. Istnieje wzajemne oddziaływanie między częścią mechaniczną, elektryczną oraz programami sterującymi. To wzajemne oddziaływanie wpływa na typ rozwiązań w każdej z omawianych dziedzin. Dzisiaj konstrukcje mechatroniczne są modelowane w przestrzeni programu.

Następnie wprowadzane są korekty poszczególnych elementów oraz tworzone są programy sterujące i regulujące ich pracę. Mechatronika została zaakceptowana przez przemysł i naukę i, aby umożliwić jej swobodne stosowanie, Yakasawa Electric zrezygnowała ze swych praw w 1982 r. Od tamtego czasu słowo to nabrało szerszego znaczenia i jest obecne w słownictwie technicznym na całym świecie, bardziej jako określenie pewnej filozofii w technice inżynierskiej niż samej techniki. A jak to się odbyło? Jest druga połowa XX wieku. W jednej z niewielkich japońskich firm powstaje aparat małoobrazkowy o zautomatyzowanych funkcjach ustawiania parametrów ekspozycji zdjęć. Właściwie nic szczególnego, po prostu jeszcze jeden z produktów nowoczesnej techniki – fuzji znanych dziedzin mechaniki precyzyjnej, elektrotechniki i elektroniki oraz programu sterującego automatyką. Kolejny krok to urząd patentowy i zastrzeżenie nazwy nowego typu konstrukcji. W ten sposób zaistniał termin „mechatronika”. Nie tylko zaistniał. Termin ten na trwałe wkroczył do współczesnej techniki. Definicja mechatroniki nie jest wcale tak oczywista. Mówienie o fuzji trzech dziedzin wiedzy jest znacznym uproszczeniem i nie oddaje sensu technicznego oraz zasady działania konstrukcji, których dotyczy. Przyczynił się Pan również do rozwoju kolejnego nowego kierunku – diagnostyki i polskiej szkoły diagnostyki. Nie, to zbyt daleko idąca teza, chociaż przez cały czas działalności naukowej współpracowałem z wieloma zakładami przemysłowymi – głównie hutami, w których pełniłem rolę konsultanta naukowego. Był początek lat 60. ubiegłego wieku, obowiązywał silny trend zwiększania wydajności produkcji. Stąd konieczność zwiększania obciążeń stosowanych tam urządzeń – walcarek, zgniatarek, suwnic. To było nasze zadanie. Podnosiliśmy wydajność owych walcarek i suwnic dzięki analizie drgań i licznym pomiarom. Ta działalność łączyła się z wprowadzeniem tak zwanej bezawaryjnej pracy. To właśnie były początki tak modnej obecnie diagnostyki technicznej w Polsce. Stworzył Pan szkołę, rozumianą jako grupa naukowców i studentów skupionych wokół nauczyciela, który jest ich duchowym przywódcą. Uczyć

Fot. archiwum Akademii Górniczo-Hutniczej

Początki w przemyśle, potem praca naukowa – taki model nie jest dzisiaj popularny. A Pan znajdował jeszcze czas na sport. Uprawiał Pan wiele dyscyplin, w tym boks, często z sukcesem – chylę głowę. Jakie wspólne cechy można znaleźć u naukowca i sportowca? Faktycznie, ten model rozpoczynania działalności naukowej od pracy w przemyśle jest dzisiaj bardzo rzadko spotykany. A szkoda, bo to daje bardzo wiele i jest korzystne zarówno dla pracownika naukowego, jak i dla jego wychowanków. Trudno uczyć o tym, co ma być i co trzeba zmienić w przemyśle, nie znając go z autopsji. Zastanawiałem się często, co dała mi praktykowana kiedyś przeze mnie, choć czasem amatorska, rywalizacja w różnych dyscyplinach sportu? Czas największych przeżyć sportowych był najlepszym czasem nauki dyscypliny, regularności, wysiłku i… akceptowania porażek. Uprawianie sportu nauczyło mnie pokory, wytworzyło postawę dążenia do uczciwej rywalizacji.


powinien „dobry naukowiec”, nieustannie dokształcający się, a proces rozwoju przez uczenie się i nauczanie jest nieskończonym procesem własnego doskonalenia. Jest Pan autorytetem, ale na każdym kroku widać ogromną pokorę. Twierdzę, że uprawianie nauki jest nierozerwalnie związane z okazywaniem pokory. Mój Mistrz – profesor Władysław Bogusz – oryginalny myśliciel, inspirujący nauczyciel i oddany przyjaciel uświadomił mi w początkach mojej kariery, że postawa pokory jest cechą wspólną uczonego, sportowca i człowieka wierzącego. Nasz Papież ujął to w słowach: pokora jest znakiem rozpoznawczym każdego naukowca, który ma uczciwy stosunek do prawdy.

Fot. archiwum Akademii Górniczo-Hutniczej

Jak ważna jest dla Pana filozofia? Co czerpie Pan z nauk filozofów? Myślę, że będzie stosowne przywołać w tym miejscu myśli filozofów, którzy nakreślają pewien katalog wartości istotnych dla naukowca. Filozofowie na pierwszym miejscu wymieniają roztropność jako sprawność moralną i oznakę dojrzałości. Na drugim miejscu – sprawiedliwość, ona bowiem kształtuje postawę prospołeczną. Kolejnymi cnotami są męstwo, odwaga, wytrwałość i wielkoduszność, które czynią człowieka zdolnym do

Prof. zw. dr hab. inż. Józef Giergiel W 1957 r. ukończył ze stopniem naukowym mgr. inż. mechanika hutniczego studia na Wydziale Elektromechanicznym Akademii Górniczo-Hutniczej. Od 1958 r. aż do emerytury był pracownikiem AGH. W tym czasie pełnił funkcje wicedyrektora (kolejno dwóch

przezwyciężania trudności. Posiadanie tych uzdolnień czyni nas bardziej oddanymi w życiu społecznym. Nauka daje ludziom poczucie spełnienia, osiągania znaczących sukcesów i możliwość samorealizacji. Czy współczesna nauka zmierza w dobrym kierunku, czy rozumie potrzeby zmieniającego się świata? Wspomniał Pan o erozji autorytetu nauki i naukowca. Tak, widzę erozję autorytetu nauki i naukowców. Widzę rosnący brak zrozumienia tego, czym jest nauka, jak funkcjonuje i jakie są z niej korzyści. Paradoksalnie, jest to proces dokładnie odwrotny do tego, który powinien mieć miejsce w obliczu błyskawicznego rozwoju technologii, u której podstaw leży przecież nauka. Trzeba zdjąć z nauki szatę magii i zlikwidować barierę, która oddziela naukowców od innych ludzi – zacytowałem tu słowa jednego z uczonych, które bardzo dobrze ujmują to zagadnienie. Każdy powinien rozumieć swoje otoczenie i to, co dzieje się wokół. Każdemu jest potrzebna metoda naukowa i elementarna zdolność myślenia w sposób naukowy. Takie podejście do życia byłoby bardzo pomocne. A na czym ma to polegać? Przede wszystkim nie

instytutów), kierownika katedry, prodziekana i dziekana Wydziału Maszyn Górniczych i Hutniczych, a w latach 1986–1989 prorektora i pierwszego zastępcy rektora AGH. Etapy rozwoju naukowego: doktorat – 1965 r., habilitacja – 1971 r., profesor nadzwyczajny – 1976 r., profesor zwyczajny – 1981 r. Był współtwórcą kierunku kształcenia automatyka i robotyka, stworzył też specjalność robotyka i mechatronika w Katedrze Robotyki i Dynamiki Maszyn, której był twórcą i kierownikiem w latach 1989–2001. Obecnie pracuje na Politechnice Rzeszowskiej. Jest twórcą własnej, oryginalnej szkoły naukowej konstrukcyjnego tłumienia drgań układów mechanicznych, którą utworzył równolegle na AGH i na Politechnice Rzeszowskiej. Do szczególnych sukcesów zaliczyć można odkrycia w zakresie sprzężenia drgań mechanicznych i elektrycznych. Dorobek publikacyjny to blisko 400 pozycji – artykuły naukowe, monografie,

należy przyjmować niczego na wiarę. W nauce każda hipoteza jest sprawdzana za pomocą obserwacji i eksperymentów. Jeśli zda testy, traktujemy ją jako model, który aktualnie najlepiej reprezentuje rzeczywistość. Stosujemy ten model w praktyce, dopóki kolejne sprawdziany nie wymuszą zastąpienia go nowym. Tego powinniśmy być uczeni od dziecka. Nie po to, żeby robić z nas roboty i automaty, ale żebyśmy żyli w sposób bardziej świadomy naszego związku z otoczeniem i umieli przystosować się do niezwykle szybko zmieniającego się świata. Na czym polega rola naukowca, jaka jest jego misja? Misja naukowca i zadania naukowca są ujęte jako zbiór zadań obejmujących kształcenie młodzieży, badania naukowe, promowanie wartości i realizację podejmowanych usług. Wskazane wartości są czynnikiem kierującym wiedzą. Misja ta jest realizowana w określonym kontekście, wynikającym ze stanu otaczającego nas świata, z którym należy się liczyć oraz z zachowaniem określonych zasad. Zasady są w istocie wartościami, których poszanowanie i przyjęcie za swoje powinno cechować tworzących uczelnie techniczne naukowców i studentów. Potrzebne jest

studia i rozprawy, skrypty i podręczniki. Prace były publikowane m.in. w czasopismach PAN, Słowackiej i Czeskiej Akademii Nauk, w materiałach konferencyjnych w kraju i za granicą – w USA, Czechosłowacji, ZSRR, Węgier, NRD, Francji i innych. Józef Giergiel wypromował ponad 250 absolwentów, opracował ponad 300 recenzji rozpraw doktorskich, habilitacyjnych i opinii wniosków profesorskich. Był promotorem 18 prac doktorskich. Pod jego kierownictwem naukowym wykształciło się 5 profesorów tytularnych, 6 profesorów uczelnianych oraz szereg badaczy. Jest Doktorem Honoris Causa Politechniki Łódzkiej, Politechniki Rzeszowskiej i Uniwerytetu Littoral oraz Profesorem Honorowym Politechniki Warszawskiej i Akademii Górniczo-Hutniczej. Jest też Honorowym Przewodniczącym Sekcji Dynamiki Układów Komitetu Mechaniki PAN. Działa od wielu lat w Komitecie Mechaniki, był też członkiem Komitetu Budowy Maszyn i Transportu PAN.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

67


Rozmowa PAR      

więc dążenie do doskonałości, uznanie istnienia jednego źródła prawdy, zachowanie wolności w badaniach naukowych i odpowiedzialność etyczna uczonego, by wymienić te najważniejsze i stojące na pierwszym miejscu. I uwaga końcowa: zadaniem współczesnych uczelni technicznych jest zatem kształcenie takich absolwentów, którzy z jednej strony będą dobrymi specjalistami w swojej dziedzinie wiedzy, a z drugiej strony będą dysponować wykształceniem na tyle uniwersalnym, że będą integralnie rozumieć i postrze-

Przecież dopiero nie tak dawno nasz papież zdjął klątwę z Galileusza, a do dziś obłożony jest nią Giordano Bruno, wielki uczony i myśliciel z nie tak bardzo odległych w końcu czasów. W dzisiejszych czasach osiągnięcia nauki, zwłaszcza w medycynie, są przez pewne środowiska nadal hamowane i zwalczane. A przecież skoro jest Bóg, a ja tak sądzę, to On przewidział takie i inne działania i odkrycia. Więc dlaczego pewne środowiska to negują? Jest to dla mnie niezrozumiałe i nie do przyjęcia.

Piękniejsze jest poszukiwanie niż samo odkrycie; piękniejsze są pytania niż udzielanie odpowiedzi. gać całą rzeczywistość. Oczywiście są optymiści, którzy sądzą, że na przykład znajomość komputerów jest lepsza ­– nie ważniejsza, a właśnie lepsza – od znajomości filozofii, a jeżeli nawet nie, to i tak nic nie poradzi się na bieg wydarzeń, zostawiających filozofię w tyle. Nie chcą oni uznać, że ważne są i komputery, i filozofia i że ta druga jest trwalsza, bo związana z wartościami, a nie tylko z użytecznością. A przecież obecne uczelnie techniczne wypuszczają absolwentów biegle używających komputerów i nie potrafiących się poprawnie wysławiać. Studia kształcące profesjonalistów odpowiadają na pewnego rodzaju zamówienie społeczne. Ma tu miejsce swoisty dualizm: student chce mieć dyplom uprawniający do wykonywania dobrze płatnego i satysfakcjonującego zawodu, a jednocześnie cieszyć się pewnym prestiżem, jaki dają (jeszcze!) ukończone studia wyższe. Czy prawda naukowa jest dzisiaj bezpieczna? Przed wiekami można było stracić życie za głoszenie prawdy naukowej. A dzisiaj? Czym jest magia nauki? Pasja naukowa, fascynacja nauką jest silniejsza niż choroba, komercjalizacja badań czy śmierć. Tak, można powiedzieć, że prawda naukowa, poza kilkoma wyjątkami, jest dzisiaj bezpieczna. Jednak i dzisiaj mamy do czynienia z negowaniem i hamowaniem osiągnięć naukowych.

68

A innowacje? Dzisiaj to bardzo popularne słowo. Czy to moda, czy rzeczywista potrzeba? Może są inne recepty – może wystarczy obserwować otoczenie, rzetelnie zdobywać wiedzę, dokształcać się i realizować pomysły. Czyli – czas na normalność. Właściwie w Pani szerokim pytaniu jest już zawarta odpowiedź. Na pewno czas już na normalność. Niemniej dołożę swoją cegiełkę do tego komentarza. Innowacja w nauce to nowe rozwiązanie naukowe, które może być zastosowane do nowych badań naukowych lub ich kontynuacji, a ponadto ma aspekt techniczny, to znaczy może być stosowane w praktyce. Nowe rozwiązanie nie jest jednak innowacją, dopóki nie ma praktycznego zastosowania. Innowacja może mieć nie tylko charakter techniczny, ale także organizacyjny lub procesowy. Takie innowacyjne rozwiązania są opracowywane najczęściej w ramach różnego rodzaju grantów, chociaż nie tylko. Trzeba przyznać, że wiele opracowań teoretycznych z różnych przyczyn nie znajduje zastosowania z obawy, że nie przyniosą odpowiednich zysków. I to jest pewnym hamulcem w rozwoju badań. Młodzi ludzie są zachęcani do studiów politechnicznych. Obecnie uczelnie rozwijają kierunki zamawiane, jak automatyka i robotyka czy mechatronika. Czy to gwarantuje dobrą

przyszłość absolwentów, gospodarki, cywilizacji? Tu odpowiedź według mnie wydaje się bardzo prosta. Automatyka i robotyka, mechatronika, informatyka czy telekomunikacja to nowoczesne kierunki kształcenia, mające zarówno aspekty naukowe, jak i użytkowe. Na absolwentów tych kierunków wciąż jest duże zapotrzebowanie w gospodarce narodowej, w nauce i szkolnictwie. One są siłą napędową nowoczesnej nauki i nowoczesnego przemysłu. Wielu absolwentów tych kierunków kończy studia doktoranckie i zasilają zarówno ośrodki badawcze, jak i przemysł, co daje wymierne korzyści. Obecnie prowadzi Pan wykłady z kosmologii, mówi Pan o budowie Kosmosu i o jego eksploracji. Czy przynależność Polski do Europejskiej Agencji Kosmicznej zaowocuje konkretnymi efektami? Badania związane z Kosmosem są bardzo ważne – są nowoczesne, bazują na najnowszych osiągnięciach nauki, stymulują jej rozwój. Odcięcie się od tego typu badań byłoby niewyobrażalnym błędem. I pozostawaniem daleko w tyle za nowoczesną technologią oraz innymi ośrodkami naukowymi na świecie. W dzisiejszych czasach, po wieloletnich badaniach i doświadczeniach, mamy wiedzę, którą można wykorzystać do lotów międzyplanetarnych. Po lądowaniu na Księżycu i przełomie, jaki w związku z tym się dokonał, czyli lądowaniu na innym ciele niebieskim, Układ Słoneczny jest ciągle badany i poznawany przez sondy, które krążą i dostarczają licznych danych o innych planetach. Jednak informacje te nie są optymistyczne, gdyż mówią o braku możliwości zasiedlenia sąsiednich ciał niebieskich. Ostatnie badania powierzchni Marsa przez lądownik Pathfinder skłoniły naukowców do podjęcia próby organizacji misji z udziałem człowieka na „czerwoną planetę”. Jednak podczas trzyletniej wyprawy mogą pojawić się problemy, które trudno dzisiaj przewidzieć. Bieżące przesłanki za eksploracją Kosmosu to m.in. postęp naukowy i zapewnienie przetrwania ludzkości. Jestem przekonany, że udział Polski w tych badaniach to konieczność i zapewne przyniesie naszej gospodarce oraz nauce wyłącznie korzyści. Zauważyłam, że nie ma dla Pana tematów tabu, nie boi się Pan nowych wyzwań, jest w Panu tak cenna dla


naukowca ciekawość – nie zamyka się Pan w swojej dziedzinie, wciąż pociągają Pana obszary interdyscyplinarne. Tak, taka jest rola współczesnego naukowca – nieustająca pogoń za tym, co nowe w światowej nauce. A zamykanie się tylko w swojej dziedzinie, jak to Pani określiła, na pewno nie przyniesie postępu w nauce i kształceniu. W nauce i przemyśle dzieje się tak wiele, że trudno za tym nadążyć. Ja staram się jak mogę ogarnąć nowiny z tego obszaru. Informacje o nowościach przekazuję w moich wykładach, które co semestr są modyfikowane i uzupełniane o aktualne osiągnięcia naukowe. Do tego samego zachęcam moich młodszych kolegów, a także studentów. Jeśli tego nie czynimy, to stoimy w miejscu, a nawet cofamy się. Swoją drogą powtarzanie starych, znanych od lat informacji, oględnie

mówiąc, nie przystoi pracownikowi naukowemu. Jedna z ostatnich Pana książek dotyczy wykorzystania Linuxa w robotyce. Ma Pan konto na FB, na bieżąco odbiera Pan pocztę elektroniczną, korzysta z Internetu. Co dalej? Proponuję prowadzenie bloga – ma Pan ogromną wiedzę i mądrość, warto się nimi dzielić. Co prawda nie jest to ostatnia moja książka, po jej wydaniu ukazało się jeszcze kilka, ale nie chodzi tu o ich wymienianie. Dzisiaj nie wyobrażam sobie działalności naukowej bez dostępu do Internetu. Wspominam swoje życie i karierę naukową, pełne trudów, wyrzeczeń i nieprzespanych nocy. Życie bez komputera, Internetu i innych podobnych udogodnień było naprawdę bardzo trudne. Młodzi ludzie tego nie znają.

Gdyby jednak dziś ktoś mnie zapytał, tak jak matka zapytała syna marnotrawnego po powrocie z tułaczki, „Czy warto było synu tak się trudzić, czy warto było?” – odpowiedziałbym: „Tak! Warto było. Warto chociaż dla tych chwil, gdy mogę się spotkać ze swoimi wychowankami, dziś już uznanymi w kraju i za granicą wybitnymi uczonymi i spędzić z nimi parę chwil. Warto było!!!” Co do propozycji prowadzenia własnego bloga, przemyślę ją i zastanowię się. Kto wie, może zdecyduję się jeszcze i na to… Dziękuję bardzo za rozmowę, życzę dalszych sukcesów i kolejnych pasji. 

Rozmawiała Małgorzata Kaliczyńska PAR

Międzynarodowa Konferencja

Mechatronics: Ideas for Industrial Applications 12–14 maja 2014, Łódź

Katedra Automatyki i Biomechaniki Politechniki Łódzkiej oraz Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP zapraszają na międzynarodową konferencję naukową dla mechatroników – pracowników przemysłu oraz studentów, inżynierów, doktorantów i doktorów.

Mechatronika to jedna z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin nauki i techniki. Stanowi połączenie inżynierii mechanicznej, elektrycznej, komputerowej, automatyki i robotyki, służąc projektowaniu i wytwarzaniu nowoczesnych urządzeń. Mechatronika jest „synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego myślenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych”. Wśród tematów konferencji należy wymienić projektowanie i modelowanie, zaawansowane systemy produkcyjne (w tym zastosowania mechatroniki w przemyśle motoryzacyjnym i energetyce), sterowanie inteligentne, integrację systemów, robotykę i platformy mobilne, pojazdy bezzałogowe, mikromechatronikę, wibroakustykę oraz systemy kontroli hałasu, diagnostykę i wykrywanie usterek, systemy HMI oraz edukację w mechatronice.

Konferencję uświetnią wykłady naukowców o znaczącym, światowym dorobku. Zapraszamy do prezentowania nowoczesnych konstrukcji, nowatorskich metod i algorytmów, a także wymiany doświadczeń i twórczej dyskusji. Konferencja odbędzie się w języku angielskim. Szczegółowe informacje, formularz rejestracyjny oraz platforma do przesyłania streszczeń i artykułów będą dostępne na stronie internetowej konferencji http://icm-iia.eu od 1 listopada 2013 r. Na zgłoszenia czekamy do końca stycznia 2014 r.

prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz Sekretariat konferencji ICM-IIA mgr inż. Magdalena Jastrzębska tel. 42 631 22 25 e-mail: k16@info.p.lodz.pl www.icm-iia.eu

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

69


Automatyka      REGULATORY I ALGORYTMY REGULACJI

Sterownik mocy typu Jumo TYA 202 Fot. Jumo

Sterownik mocy typu Jumo TYA 201

Nowe sterowniki mocy Jumo TYA 201 i TYA 202 W rodzinie sterowników mocy produkcji Jumo pojawiły się dwa nowe urządzenia: jednofazowy sterownik Jumo TYA 201 i trójfazowy Jumo TYA 202. Oba urządzenia są sterowane mikroprocesorowo i mają ekrany LCD z podświetleniem tła, na których prezentowane są wszystkie parametry. Obsługa sterowników odbywa się za pomocą czterech przycisków na płytach czołowych.

Tyrystorowe sterowniki mocy mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie występuje konieczność łączenia dużych prądów obciążenia o charakterze rezystancyjno-indukcyjnym, np. w piecach przemysłowych lub w przemyśle tworzyw sztucznych. Sterownik tyrystorowy jest zbudowany z dwóch włączonych antyrównolegle tyrystorów, izolowanego radiatora i układów elektroniki

sterującej. Sterowniki tyrystorowe o obciążalności prądowej do 100 A mogą być mocowane na płycie montażowej lub na szynie DIN. Sterowniki tyrystorowe o obciążalności prądowej powyżej 100 A mogą być mocowane wyłącznie na płycie montażowej. W zależności od konfiguracji wykonanej za pomocą programu Jumo Setup sterowniki tyrystorowe pracują w trybie regulacji kąta fazowego z ograniczeniem prądowym lub w trybie regulacji grupami impulsów. W trybie pracy z regulacją grupowo-impulsową kąt fazowy pierwszej połówki sinusoidy może być przesunięty w celu przystosowania do pracy w układach transformatorowych. W czasie regulacji wahania napięcia sieciowego nie mają wpływu na regulowany układ. Jako algorytmy regulacji stosowane są algorytmy z priorytetem U, U2, I, I2 lub P. Istnieje także możliwość zdefiniowania wartości obciążenia podstawowego. Przy pracy w trybie regulacji kąta fazowego wymagana wartość kąta fazowego przy starcie (przy 180°) osiągana jest stopniowo, w celu uniknięcia wystąpienia dużych prądów rozruchowych (softstart). Tyrystorowe sterowniki mocy spełniają wymagania przepisów VDE 0160 5.5.1.3 (5/88) i VDE 0106 Teil 100 (3/83). Natomiast uziemienia powinny być wykonywane zgodnie z wymogami lokalnych dostawców energii elektrycznej.

T

Bezp Cenią

innow

70

Promocja

www.


Fot. Jumo

Podstawowe cechy sterownika TYA 201: • prosta konfiguracja urządzenia, wyświetlacz z tekstem jawnym, • program Jumo Setup do konfiguracji sterownika TYA 201 przez interfejs USB, • transfer danych konfiguracyjnych do urządzenia możliwy bez podłączenia zasilania (zasilanie przez port USB), • optymalizacja obciążenia sieci zrealizowana przez dualne zarządzanie energią, • interfejs RS-422/485 lub Profibus DP, • praca z regulacją kąta fazowego, grupowo-impulsowa, z wysterowaniem połówek sinusoidy, • funkcja softstartu z ograniczeniem wartości prądu, • monitoring wartości rezystancji w przypadku elementów grzejnych wykonanych z krzemku molibdenu MoSi2, • funkcja samouczenia „Teach-In“ do wykrywania spadków mocy, • zintegrowany system diagnostyczny, np. obecności pola wirowego. Sterownik mocy Jumo TYA 202 należy do tej samej rodziny sterowników mocy co sterownik TYA 201. Umożliwia on regulację mocy obciążeń rezystancyjno-indukcyjnych przy pracy w układzie trójfazowym oszczędnościowym oraz w trójfazowych układach łączonych w gwiazdę lub trójkąt. Sterowany mikroprocesorowo sterownik ma ekran LCD z podświetleniem tła, na którym prezentowane są wszystkie parametry. Obsługa sterownika odbywa się za pomocą czterech przycisków dostępnych od czoła sterownika. Sterowniki tyrystorowe tego typu pracują w trybie sterowania grupami impulsów.

W trybie pracy z regulacją grupowo-impulsową kąt fazowy pierwszej połówki sinusoidy może być przesunięty w celu dostosowania do pracy w układach transformatorowych. W czasie regulacji wahania napięcia sieciowego nie mają wpływu na regulowany układ. Jako algorytmy regulacji stosowane są algorytmy regulacji wewnętrznej z priorytetami U, U2, I, I2 lub P. Istnieje także możliwość zdefiniowania obciążenia podstawowego oraz możliwość ustawienia tzw. softstartu w celu ograniczenia wartości prądów rozruchowych. Przykładowe zastosowania wybranych trybów regulacji: • tryb regulacji U2: regulacja wartości napięcia, • tryb regulacji I2: umożliwia detekcję częściowego zaniku obciążenia, dualne zarządzanie energią i ograniczenie wartości prądu, • tryb regulacji P: umożliwia detekcję częściowego zaniku obciążenia, dualne zarządzanie energią i ograniczenie wartości prądu oraz adaptacyjne przystosowanie do zmian rezystancji (R-Control). Sterowniki mocy do 32 A prądu obciążenia mogą być mocowane zarówno na szynie 35 mm, jak i na płycie montażowej. W przypadku urządzeń o maksymalnym prądzie obciążenia większym niż 32 A możliwy jest wyłącznie montaż na płycie montażowej. Tyrystorowe sterowniki mocy odpowiadają wymaganiom normy EN 50178 i przepisom VDE 0160 5.5.1.3 (5/88) i VDE 0106 Teil 100 (3/83). JUMO Sp. z o.o. ul. Korfantego 28, 53-021 Wrocław tel. 71 339 82 39, www.jumo.com.pl

REKLAMA

Tradycyjnie innowacyjni elastyczny i praktycznie niezależny od miejsca montażu pomiar temperatury i ciśnienia, także na urządzeniach będących w ruchu

niezawodna, odporna na zakłócenia, kodowana transmisja danych zasięg transmisji do 300 m oszczędność kosztów okablowania

00030

szybka i prosta instalacja, maksymalnie 16 nadajników na odbiornik

Bezprzewodowy pomiar temperatury i ciśnienia przetwornikami serii JUMO Wtrans Cenią sobie Państwo wydajność, dokładność i żywotność? Jesteście Państwo świadomi, iż jakość wynika z sumy doświadczeń, innowacyjności i praktyki? W takim razie znaleźliście odpowiedniego Partnera! Witamy w JUMO. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

www.jumo.net, www.Wtrans.jumo.info

71


Automatyka      ZASILANIE

Patent na silne prądy Silnoprądowe, izolowane złącza jednopinowe z serii 21BV z nowym, opatentowanym systemem bagnetowym, zabezpieczającym przed rozłączeniem, to jeden z najnowszych produktów Multi-Contact. Szwajcarska firma od 46 lat dostarcza konstruktorom złącza o doskonałych parametrach elektrycznych w bardzo szerokim zakresie prądów i napięć.

Złącza mogą przenosić prądy do 800 A przy napięciu 1000 V w obszarze III Kategorii Pomiarowej. Izolacja złączy jest odporna na działanie wysokiej temperatury – do 120 °C. W stanie połączenia stopień ochrony obudowy wynosi IP65 lub IP68. Średnica kontaktu jest równa 21 mm. Można do niego podłączyć przewód o przekroju do 400 mm² klasy 5 lub 6 (według normy PN-EN 60228). Sposób podłączenia kabla do wtyku

Rys. 2. System montażu kabli typu AxiClamp

Rys. 3. Multilams w złączach

– AxiClamp (rys. 2) – opatentowany został przez firmę Multi-Contact. W odróżnieniu od złączy zaciskanych złącza typu AxiClamp nie wymagają specjalnych narzędzi, przewód może być odłączony, a złącze użyte ponownie do nowego kabla o innym przekroju, co pozwala zaoszczędzić pieniądze i czas. AxiClamp zapewnia znakomity kontakt elektryczny. Temu samemu celowi służą sprężyste elementy kontaktowe, tzw. Multi Lams (rys. 3 i 4), wypełniające gniazda. Ich rodzaj zależy od wartości natężenia przewodzonego prądu, liczby cykli połączeniowych (standardowo: 1000–5000, a dla złączy stosowanych w robotyce >1 000 000), siły połączenia itp. Dobry kontakt elektryczny to mała rezystancja kontaktu (0,3 mW), brak grzania, zwiększenie czasu użytkowania, bezpieczeństwo przeciwpożarowe i mniejszy koszt konserwacji. Izolowane silnoprądowe złącza firmy Multi-Contact (max. 1000 V, max. 1000 A) mogą być stosowane: • przez producentów mobilnych generatorów sieci zasilającej, • przez producentów systemów zasilania awaryjnego, • w zakładach energetycznych i elektrowniach, • w systemach zasilania na kolei, • przez operatorów systemów telekomunikacyjnych.

Rys. 1. Seria 21 BV – system bagnetowy

Rys. 5. Typowe zastosowanie złączy

Wszystkie elementy połączeniowe produkowane przez firmę MC spełniają wymagania obowiązujących norm jakościowych, bezpieczeństwa i środowiskowych (RoHS, REACH), zapewniając bezpieczeństwo użytkowania. Przytoczone informacje powinny stanowić zachętę do zainteresowania się firmą Multi-Contact, jej produktami oraz możliwościami biura konstrukcyjnego, gotowego rozwiązywać problemy klientów poprzez proponowanie rozwiązań specjalnych. Kompletne dane można znaleźć na stronie internetowej firmy www.multi-contact.com, w katalogach oraz przez bezpośredni kontakt z wyłącznym dystrybutorem MC w Polsce – firmą Semicon z Warszawy.

Alicja Miłosz SEMICON Sp. z o.o. tel. 22 615 64 31 fax 22 651 73 75 e-mail: info@semicon.com.pl Rys. 4. Multilams – sprężyste elementy kontaktowe

72

Promocja

www.semicon.com.pl

Fot. Semicon

ul. Zwoleńska 43/43a, 04-761 Warszawa


sterowniki plc      Automatyka

Nowa seria K5 sterowników PLC Sterowniki programowalne to nieodłączny element systemów kontroli procesu przemysłowego oraz całej maszyny, ważny szczególnie w automatyce produkcyjnej. Firma WObit oferuje sterowniki PLC firmy Kinco, które dzięki swojej funkcjonalności mają zastosowanie Moduł rozszerzeń K523-16DR dla sterownika PLC

Fot. Semicon, PPH WObit E. K. J. Ober

w różnorodnych aplikacjach.

Jednym z podstawowych zadań realizowanych przez sterowniki jest komunikacja z urządzeniami wchodzącymi w skład systemu bądź maszyny. Elementami, które to umożliwiają są przede wszystkim interfejsy komunikacyjne, dlatego nowa seria K5 sterowników programowalnych została przystosowana do komunikacji po protokole CANopen. Protokół ten pozwala na swobodną organizację sieci i łatwe dołączanie do niej urządzeń na zasadzie Plug&Play, np. łatwą komunikację z panelem operatorskim HMI. Moduł rozszerzeń K541, w którym zaimplementowano protokół nadrzędny CANopen charakteryzuje się przepustowością 1 Mbps i może obsługiwać do 72 urządzeń podrzędnych. Poza modułem K541 dla sterowników

z serii K5 dostępne są moduły wejść i wyjść analogowych oraz cyfrowych, a także moduły do pomiaru temperatury o rozdzielczości 16 bitów. Standardowo wszystkie sterowniki PLC Kinco są również wyposażone w funkcję komunikacji szeregowej. Urządzenia w zależności od modelu mają wbudowany jeden port RS-232 oraz do dwóch portów RS-485, które umożliwiają komunikację po protokole Modbus RTU. Każdy z portów obsługuje do 32 urządzeń pracujących w sieci. Port RS-485 pozwala sterownikowi na pracę zarówno w roli urządzenia podrzędnego, jak również jako jednostka nadrzędna. W porównaniu do poprzedniej serii K3 nowa seria została wyposażona w lepszy procesor, dzięki

czemu zapewnia wysoką wydajność pracy oraz zróżnicowaną funkcjonalność. Sterowniki z serii K5 mają wbudowane dwa szybkie liczniki z 12 trybami pracy. Częstotliwość szybkich wejść podczas pracy jednokanałowej wynosi do 60 kHz, natomiast dwukanałowej – do 20 kHz. Każdy z szybkich liczników ma osobne wejście przeznaczone do kontroli kroku, kierunku, startu oraz resetu. Nowa seria K5 ma również wbudowane dwa szybkie wyjścia impulsowe o częstotliwości do 200 kHz ze wsparciem dla PTO lub PWM. Przeznaczone są one głównie do kontroli silników krokowych oraz serwonapędów. Sterowniki pozwalają na kontrolę pozycji absolutnej, pozycji znamionowej oraz bazowanie. Do konfiguracji sterowników i tworzenia programów dostępne jest darmowe oprogramowanie KincoBuilder. Dodatkowo ze strony www.kinco.com.pl można pobrać podręcznik programowania w języku polskim, który wyjaśnia znaczenie poszczególnych komponentów, a także pokazuje, jak – krok po kroku – stworzyć program oraz zaprogramować sterownik. 

PPH WObit E. K. J. Ober s.c. Dęborzyce 16, 62-045 Pniewy tel. 61 22 27 422, fax 61 22 27 439 Sterownik CPU K508-40AR

Promocja

Moduł rozszerzeń K541 dla sterownika PLC

e-mail: wobit@wobit.com.pl www.wobit.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

73


Robotyka      CHWYTAKI

Rozwój systemów automatyzacji produkcji Chwytak PGN-plus firmy SCHUNK z prowadnicami wielozębnymi

Od 30 lat chwytaki SCHUNK ustanawiają standardy w dziedzinie automatyzacji produkcji. W duchu pionierstwa i doskonałości firma podejmuje najbardziej skomplikowane wyzwania i poszukując nowych rozwiązań kreuje przyszłość systemów chwytakowych. Innowacyjne i solidne rozwiązania zapewniają niezawodność systemów i aplikacji.

Na wystawie w Hanowerze w 1983 r. Heinz-Dieter Schunk przedstawił chwytak pneumatyczny PPG – pierwszy standardowy chwytak wykorzystujący sprawdzone rozwiązania kinematyczne, stosowane w technologii mocowań – ustanawiając tym samym nowy standard w historii automatyki. Wprowadzając ideę synergii, SCHUNK zrewolucjonizował automatyzację produkcji i uczynił zdecydowany krok w kierunku bycia liderem kompetencji w technice mocowań i systemów chwytakowych. Rozwój systemów automatyzacji, których zadaniem jest zwiększenie wydajności, niezawodności i żywotności urządzeń, powoduje wzrost wymagań wobec podzespołów stosowanych do ich budowy. W odpowiedzi na rosnące wymagania stawiane chwytakom, odnośnie precyzji chwytania oraz obciążeń, jakim są one poddawane, w 2000  r. firma SCHUNK opracowała i opatentowała nową wersję chwytaka: PGN-plus, która zastąpiła dotychczas produkowany chwytak PGN. Był

74

Promocja

to pierwszy dwupalczasty uniwersalny chwytak pneumatyczny z prowadnicami wielozębnymi. Koncepcja powstania prowadnicy wielozębnej narodziła się z potrzeby eliminacji wad pojawiających się w stosowanych do tej pory klasycznych prowadnicach, w których występował tzw. efekt „szuflady”. Polega on na ugięciu prowadnicy ku dołowi podczas wyciągania. Jest to spowodowane wystąpieniem momentu powstałego w wyniku działania siły obciążenia szuflady, zależnego od ramienia i związanego z jej długością. Przekłada się to na zwiększenie punktowego obciążenia prowadnic szuflady. Ten sam efekt występuje na prowadnicach chwytaka, co wpływa negatywnie na siłę zacisku, precyzję trzymania chwytanego detalu oraz jego żywotność. W nowym chwytaku PGN-plus zastąpiono dotychczasową konstrukcję systemem prowadnic wielozębnych. Siły i momenty działające na prowadnice szczęk bazowych chwytaka rozkładają się na wiele równoległych

1983 r. – PPG, pierwszy standardowy chwytak pneumatyczny

Fot. Schunk

2006 r. – SDH, pierwsza trójpalczasta ręka chwytająca z czujnikami taktylnymi


Fot. Schunk

2000 r. – PGN-plus, pierwszy chwytak pneumatyczny z prowadnicami wielozębnymi

płaszczyzn, stanowiących podpory, co prowadzi do zwiększenia jego sztywności, precyzji chwytania, powtarzalności, stabilności, obciążalności oraz braku spadku siły zacisku. W odpowiedzi na rosnące potrzeby i wymagania rynku zwiększono liczbę produkowanych wersji poszczególnych typów chwytaka. Obecnie firma SCHUNK w standardowej ofercie ma chwytaki w wersjach przeciwpyłowych, odpornych na korozję, wysoką temperaturę i do innych specjalistycznych zastosowań, w wersji Ex, o zwiększonej precyzji oraz ze wzmocnioną siłą zacisku. Chwytak PGN-plus jest produkowany w typoszeregu 40–380 i charakteryzuje się następującymi parametrami: siły zacisku – 123-21150 N, momenty skrętne szczęk bazowych – 10–560 Nm, skok szczęki – 2–45 mm. Rekomendowana waga chwytanych detali – do 80 kg. Standardem firmy SCHUNK jest udzielanie na chwytak PGN-plus 36-miesięcznej gwarancji, w tym 30-letniej gwarancji działania i niezawodności. Uniwersalność i szeroka gama oferowanych modeli umożliwiają stosowanie chwytaków PGN-plus praktycznie w każdej aplikacji przemysłowej i laboratoryjnej. Kolejnym krokiem milowym w historii systemów chwytakowych było wprowadzenie w 2006 r. pierwszej trójpalczastej

ręki chwytającej SDH z czujnikami na palcach. Połączone palce chwytaka kontrolują sposób i siłę chwytania, dostosowując ją do różnych przedmiotów, dzięki czemu chwytaki mogą być stosowane w robotyce serwisowej i serwisowych aplikacjach przemysłowych. Dzięki możliwości zmiany ustawienia dwóch palców SDH gwarantuje dużą elastyczność pod względem kształtu, wielkości i położenia chwytanego przedmiotu. Na konferencji prasowej otwierającej targi w Hanowerze w 2013 r. Henrik A. Schunk zaprezentował innowacyjny, pięciopalczasty chwytak, imitujący ludzką rękę. Dzięki dziewięciu dyskom pięć palców chwytaka może wykonywać różne, skomplikowane operacje chwytania. Ponadto dzięki możliwości zaprogramowania licznych gestów komunikacja wzrokowa pomiędzy człowiekiem a robotem jest ułatwiona, co umożliwia zastosowanie chwytaka w środowisku człowieka. Elektronika w najnowszej wersji chwytaka jest całkowicie zintegrowana w „nadgarstku”, co czyni jego konstrukcję niezwykle kompaktową. Ręka może być połączona za pośrednictwem określonych interfejsów z dowolnymi urządzeniami dostępnymi na rynku. W przypadku aplikacji

mobilnych możliwe jest zasilanie z akumulatora 24 V. W ostatnich 30 latach firma SCHUNK podejmuje wyzwania dotyczące wysoce skomplikowanych wymagań jej klientów. Rozwiązania stanowią innowacyjne, trwałe i niezawodne komponenty, gwarantujące maksimum niezawodności systemów i maszyn na całym świecie.

SCHUNK Intec Sp. z o.o. ul. Puławska 40A, 05-500 Piaseczno tel. 22 726 25 05 www.schunk.com, www.pl.schunk.com

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+  App Store | Google Play

2013 r. – pięciopalczasty chwytak imitujący ludzką rękę

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

75


Pomiary      CZUJNIKI I SYSTEMY POMIAROWE

Mierniki stężenia CO2 Część I „Otwórz okno, trzeba przewietrzyć” – to trywialne na pozór zdanie, przestaje takie być we współczesnych budynkach biurowych, gdzie okna nie mają klamek i taka czynność jest niemożliwa. W takich obiektach szczególnie istotne jest monitorowanie stężenia CO2.

wykonany. Zapewnienie odpowiedniej wentylacji, czyli dostarczenie odpowiedniej liczby metrów sześciennych świeżego powietrza do pomieszczeń, w których pracują ludzie, jest trudną i drogą operacją. Nie dość, że systemy wentylacyjne zużywają sporo energii elektrycznej, to jeszcze w ten sposób bezpowrotnie tracona jest energia poświęcona na ogrzanie zimą lub chłodzenie latem powietrza w pomieszczeniach.

Skazani na wentylację

„Siedzi człowiek przy oknie z pięknym widokiem na sąsiednie biurowce, ptaki latają, drzewa się zielenią, a tu duszno, głowa boli i nic nie możesz zrobić, tylko z nadzieją patrzysz na kratkę wentylacyjną, zastanawiając się, czy ktoś w ogóle panuje nad tą wentylacją?”. To zdanie wypowiedziane przez jednego z pracowników korporacji do kolegi, podsłuchane wieczorem w jednym z pubów, daje wyobrażenie, że zdrowie znacznej części ludności spoczywa w rękach administratorów budynków, którzy często nie zdają sobie sprawy z odpowiedzialności i obowiązku, jaki na nich spoczywa – bujają w obłokach, a ludzie cierpią. Jedynie mechaniczna wentylacja może doprowadzić do wielu biurowych pomieszczeń dostateczną ilość tlenu, by produkcja dokumentów w biurze nie została zanadto spowolniona i plan został

76

Promocja

Stężenie CO2

Wpływ na organizm człowieka

Do 0,06 % (600 ppm)

Akceptowalne warunki świeżości powietrza w pomieszczeniach

Do 0,1 % (1500 ppm)

Górny próg w pomieszczeniach stałego przebywania ludzi wg WHO

Do 1 % (10 000 ppm)

Wzrost częstości oddychania

Do 1,5 % (150 000 ppm)

Maksymalne stężenie w specyficznych warunkach pracy, np. łodzie podwodne

Do 2 % (20 000 ppm)

Pogłębiony i szybki oddech, długie przebywanie powoduje uczucie zatrucia

Do 5 % (50 000 ppm)

Utrudnione, bardzo szybkie oddychanie, wzrost ciśnienia krwi i częstości tętna

Do 10 % (100 000 ppm)

Zaburzenia widzenia, długie przebywanie powoduje utratę przytomności

Powyżej 10 % (100 000 ppm)

Utrata przytomności, długie przebywanie grozi śmiercią

Fot. LAB-EL Elektronika Laboratoryjna

Miernik stężenia CO2 LB-850

Człowiek to delikatny organizm, który dobrze pracuje tylko w odpowiednich warunkach klimatycznych, co oznacza odpowiednią temperaturę, wilgotność i świeże powietrze. Na dodatek sam złośliwie to świeże powietrze psuje, zmieniając tlen w dwutlenek węgla, którym potem sam się truje. Za oknem jest 400 ppm stężenia CO2, czyli 0,04 % zawartości CO2 w powietrzu. I takie stężenie nasz organizm uznaje za odpowiednie. W wydychanym przez nas powietrzu stężenie CO2 może wynosić aż 3 %. Nawet niewielki wzrost naturalnego stężenia CO2 wewnątrz pomieszczenia powoduje powstanie dyskomfortu, a jego dalszy wzrost może prowadzić do przykrych konsekwencji. Jesteśmy więc skazani na wentylację.


Podobne, a nawet większe problemy dotyczą pracowników pracujących w przemyśle, gdzie wysokie stężenie CO2 to nie tylko kwestia samego oddechu, ale również różnych procesów technologicznych, w trakcie których CO2 jest wydzielane lub musi być zapewnione jego wysokie stężenie. Pracownicy ci mają jednak swoje związki zawodowe, które potrafią skutecznie upomnieć się o odpowiednie warunki pracy. Czy ktoś jednak słyszał o związku zawodowym pracowników korporacji? Ja nie. A tak na marginesie: ciekawe, jak długo potencjalny założyciel takiego związku pracowników biurowych miałby szansę korzystania z darmowej kawy, herbaty czy pobierania dotychczasowej comiesięcznej pensji. Czy zatem pracownicy biurowi, w biurowcu z oknami bez klamek, są skazani tylko na dobrą wolę zarządu, który łaskawie ustawi na sterowniku wentylacji wyższy poziom? Nie.

Co na to przepisy? Pracownicy biurowi nie tylko sami tworzą dokumenty, ale i czytają te opracowane przez ich kolegów z innych instytucji. I tak możemy wyczytać, że Ministerstwo Pracy opracowało rozporządzenie, które

wymusza na pracodawcy zapewnienie wszystkim pracownikom odpowiednich warunków pracy, w tym zapewnienie respektowania maksymalnych nieprzekraczalnych stężeń CO2, które mogą występować na ich stanowiskach (Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy Dz.U. 2002 nr 217 poz. 1833). W rozporządzeniu podane są dwa progi dopuszczalnego stężenia: NDS 0,5 % i NDSCh 1,5 % CO2. Podane są także definicje zadeklarowanych progów: • Najwyższe dopuszczalne stężenie NDS – wartość średnia ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w czasie ośmiogodzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, określonego w Kodeksie pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń. • Najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe NDSCh – wartość średnia stężenia, które nie powinno

Czujnik CO2 LB-853

spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia pracownika, jeżeli występuje w środowisku pracy nie dłużej niż 15 minut i nie częściej niż dwa razy w czasie zmiany roboczej, w odstępie czasu nie krótszym niż godzina. W następnym artykule przybliżymy możliwości kontrolowania warunków pracy w zakresie stężenia CO2, a osoby zainteresowane tematyką mierników stężenia CO2 już teraz zapraszamy do zapoznania się z ofertą urządzeń LAB-EL znajdującą się stronie: www.label.pl/po/ix.mgas.html. Dariusz Grobel LAB-EL Elektronika Laboratoryjna

REKLAMA

Urządzenia i systemy do monitorowania parametrów klimatu oraz sterowania procesami przemysłowymi

Fot. LAB-EL Elektronika Laboratoryjna

LAB-EL oferuje: • aparaturę kontrolno-pomiarową do pomiarów, rejestracji, sygnalizacji przekroczeń wartości progowych, sterowania i regulacji: – wilgotności – temperatury – ciśnienia – i innych wielkości fizycznych procesów przemysłowych; • oprogramowanie użytkowe; • serwis, instalacje, szkolenia dotyczące oferowanych przyrządów i systemów; • usługi wzorcowania przyrządów pomiarowych; • usługi badania mikroklimatu pomieszczeń; • doradztwo techniczne i ekspertyzy dotyczące aparatury i oprogramowania; • opracowywanie dokumentacji projektowej i walidacja urządzeń pomiarowych zgodnie z wymaganiami systemów jakości ISO, HACCP, GAMP.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

77


Pomiary      CZUJNIKI I SYSTEMY POMIAROWE

Skanery temperatury Liniowe skanery temperatury to urządzenia pomiarowe, które wypełniają lukę między punktowymi pirometrami stacjonarnymi a kamerami termowizyjnymi. Mogą mierzyć temperaturę kilkuset punktów położonych w jednej linii z częstotliwością do 150 Hz. Skaner temperatury Raytek MP150

Skanery liniowe sprawdzają się szczególnie dobrze podczas wizualizacji rozkładu temperatury na obiektach poruszających się przed obiektywem skanera. Mogą to być zarówno małe obiekty typu szyba piekarnika, jak i duże konstrukcje, takie jak piece obrotowe w cementowniach i zakładach papierniczych. Do typowych aplikacji zaliczają się także pomiary ciągłe materiałów wstęgowych typu papier, tkaniny, szkło float, folie z tworzyw sztucznych oraz dyskretnych typu termoformowanie tworzyw, hartowanie i gięcie szkła, walcowanie metali.

Automatyczna detekcja zerwanego brzegu folii

Osobną grupę stanowią aplikacje specjalne, np. detekcja szkła w procesie produkcji wełny izolacyjnej czy detekcja pożaru w składowiskach paliw alternatywnych. Mimo szerokiej oferty coraz tańszych, stacjonarnych kamer termowizyjnych skanery cieszą się rosnącą popularnością wśród użytkowników. Wynika to głównie ze specyfiki danej aplikacji, ale należy też pamiętać o licznych zaletach skanerów w porównaniu z kamerami. Po pierwsze – oferują większy kąt skanowania, co ułatwia montaż w przypadku ograniczonych

przestrzeni. Po drugie – uzyskiwana jest lepsza jakość obrazowania termicznego dzięki pomiarowi nawet ponad 1000 punktów w linii. Po trzecie – dzięki zastosowaniu jednego, szybkiego detektora zamiast całej matrycy detektorów uzyskuje się wyższą dokładność pomiaru. Standardowo skanery są od razu przystosowane do pracy w trudnych warunkach przemysłowych, np. w temperaturze otoczenia do 180 °C (lub ponad 1000 °C w dodatkowej osłonie) czy w wysokich wibracjach i wstrząsach. Nie bez znaczenia jest też możliwość wyboru zakresu spektralnego skanera zoptymalizowanego do danej aplikacji, np. dla szkła 5 µm, dla metali 1 µm a dla folii 3,43 µm. Jeśli dodać do tego łatwe w obsłudze oprogramowanie oraz szereg możliwości komunikacyjnych i wymiany danych z systemem nadrzędnym otrzymuje się produkt prawie idealny. Jedynym mankamentem jest cena, która oscyluje w granicach od ok. 15 tys. EUR do ponad 50 tys. EUR, w zależności od konfiguracji i zastosowania skanera. Niemniej taka inwestycja może się bardzo szybko zwrócić dzięki zmniejszeniu liczby złych jakościowo produktów czy uniknięciu awarii.

IRtech Beata Kasprzycka ul. Wyżynna 8H, 30-617 Kraków tel. 12 267 37 74 e-mail: info@irtech.pl www.irtech.pl

78

Promocja


Pewny pomiar w trudnych warunkach Guenther od ponad 45 lat specjalizuje się w produkcji czujników temperatury przy zachowaniu najwyższych standardów jakości, a rozwiązania dostarcza do bardzo wielu branż, m.in. hutnictwa szkła i metali, odlewnictwa, obróbki termicznej i tworzyw sztucznych. Istotnym

Firma Guenther oferuje wykonania przeznaczone dla elektrowni, elektrociepłowni i ciepłowni. Wykonania te wyróżniają się specjalną, wzmocnioną konstrukcją, odpornością na drgania i wibracje, odpornością mechaniczną, odpornością na wycieranie i wysoką temperaturę. Są one stosowane w następujących instalacjach: nawęglanie (młyny węglowe, pyłoprzewody), kocioł, rurociągi pary i wody, turbina, turbozespół, kanały spalin, IOS, NOx. W ofercie są zarówno standardowe materiały, takie jak stal kwasoodporna, stal żaroodporna, inconel, jak również materiały specjalne, zapewniające znacznie dłuższą żywotność w trudnych aplikacjach. Są to m.in. hastelloy, kantal, tytan i EKatech. Najpowszechniejszym rozwiązaniem stosowanym w energetyce są czujniki EKatech. Mogą one występować w wersji czujnika rezystancyjnego – Pt 100, Pt 500, Pt 1000, jak i w  wykonaniu termoparowym. Czujniki te charakteryzują się odpornością na wycieranie, wylizywanie, uszkodzenia mechaniczne przy zachowaniu wysokiej przewodności cieplnej. Dodatkowo osłony EKatech mają zwiększoną odporność mechaniczną na szoki termiczne i nie są plastyczne w funkcji temperatury, co zapobiega wyginaniu się termopar pod własnym ciężarem. W zależności od rodzaju zastosowanego materiału mogą one Promocja

pracować nawet w temperaturze do 1800 °C. Wszystkie wyroby charakteryzują się wysoką dokładnością pomiarową, co w znaczny sposób wydłuża żywotność samego czujnika oraz zapewnia odpowiednie sterowanie procesami. Jest to związane z faktem odpowiedniego selekcjonowania materiałów używanych przy produkcji. Wszystkie termopary w naszym wykonaniu mają 1  klasę dokładności. Czujniki reprezentacyjne są produkowane z dokładnością klasy B, A, 1/3B  (AA) oraz 1/10  B (AAA). Zarówno termopary, jak i czujniki rezystancyjne przeznaczone dla elektrowni i elektrociepłowni są wykonywane w technologii płaszczowej. Technologię tę odróżnia od standardowego wykonania czujników znaczna odporność na drgania i wibracje. Dodatkowo wykonania te są elastyczne, co umożliwia odpowiednie uformowanie czujnika w miejscach trudno dostępnych. W ofercie firmy Guenther można znaleźć również szeroką gamę przewodów termoparowych, kompensacyjnych, przetworników temperatury, akcesoriów pomiarowych, gniazd, wtyczek i elementów montażowych.  GUENTHER Polska Sp. z o.o. www.guenther.com.pl

REKLAMA

Fot. IRtech, Guenther

odbiorcą rozwiązań firmy są też elektrownie i elektrociepłownie.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

79


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Identyfikacja radiowa Możliwości i ograniczenia

Identyfikacja w ujęciu technicznym jest procesem rozpoznawania obiektów i potwierdzaniem ich tożsamości na podstawie charakterystycznych cech. W czasach postępującej automatyzacji uznanie znajdują wyłącznie te rozwiązania, które nie wymagają Układ RFID

ingerencji człowieka i nie spowalniają, a wręcz przyspieszają

Fot. rfid-lab.pl

proces identyfikacji.

Coraz bardziej restrykcyjne prawo europejskie w zakresie traceability, czyli śledzenia pochodzenia towarów oraz procesów logistycznych, jakie występują na drodze producent–klient, zmuszają większość przedsiębiorstw do stosowania systemów automatycznej identyfikacji. RFID (ang. Radio Frequency IDentification) jest obecnie jedną z częściej branych pod uwagę technik identyfikacyjnych.

Tab. 1. Zestawienie wybranych znaczników

Producent

Confidex

Glacier

Model

Survivor

Symbol 4T

Wykonanie

w obudowie

etykieta

Zakres częstotliwości

865…869 MHz

860…960 MHz

Chip

NXP U-Code G2XM

brak danych

Możliwość umieszczenia na metalu

tak

nie

Interfejs powietrzny

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

Wymiary (długość ´ szerokość ´ wysokość)

224 mm ´ 24 mm ´ 8 mm

100 mm ´ 100 mm ´ 1 mm

Częstotliwość pracy RFID Zakres częstotliwości fal radiowych, w zależności od źródeł, wynosi od 3 Hz do 3 THz, stąd też głównym kryterium podziału jest częstotliwość pracy układów RFID. Rozróżnia się następujące grupy częstotliwości pracy systemów identyfikacyjnych RFID: • LF (ang. low frequency) – fale długie o zakresie częstotliwości od 30 kHz do 300 kHz. Układy RFID pracują przy częstotliwości 125 kHz i 134,2 kHz. Komunikacja odbywa się w polu bliskim w efekcie działania indukcji magnetycznej. Systemy takie charakteryzują się odległością odczytu do 1 m (determinowaną przez wielkość anteny – im większa antena, tym większa odległość), małą szybkością transmisji oraz możliwością odczytywania znaczników umieszczonych na obiektach metalowych lub wypełnionych cieczą. Rozwiązania LF mają zastosowanie m.in. przy

80

EPC


0-6c

mm

Fot. rfid-lab.pl

3,25 MHz, 4,75 MHz oraz 8,2 MHz, są stosowane w systemach antykradzieżowych EAS. Ich budowa jest prosta, ponieważ jedynym celem działania jest wykazanie obecności. • UHF (ang. ultra high frequency) – fale o częstotliwości od 300 MHz do 3000 MHz. Systemy aktywne pracują w przedziale częstotliwości od 430 MHz do 460 MHz, natomiast zakres od 860 MHz do 960 MHz standaryzowany przez EPCglobal wymaga ustalenia regionu, w którym ta technologia będzie miała zastosowanie, gdyż pasmo to jest używane w różnych krajach również w innych celach, np. telefonia GSM – 900 MHz. Systemy UHF pracują w polu dalekim – zasięg odczytu (znaczników pasywnych) może przekroczyć 10 m – i charakteryzują się dużą szybkością transmisji. Niemożliwe jest jednak odczytanie znaczników umieszczonych na obiektach metalowych lub zawierających ciecze. W tym celu produkowane są specjalne znaczniki dla takich obiektów lub zwykłe znaczniki poddaje się

oznakowywaniu zwierząt, kontroli dostępu oraz w immobilizerach. • HF (ang. high frequency) – fale krótkie o zakresie częstotliwości od 3 MHz do 30 MHz. Typowa częstotliwość pracy układów RFID to 13,56 MHz. Komunikacja, podobnie jak w poprzednim przypadku, odbywa się w polu bliskim w efekcie działania indukcji magnetycznej. Odległość odczytu również nie przekracza 1 m. Szybkość transmisji jest większa niż w przypadku rozwiązań LF, jednak wciąż na tyle mała, że występują problemy z jednoczesnym odczytem kilku znaczników RFID. Problematyczna może okazać się też próba odczytu znaczników umieszczonych na elementach metalowych lub zawierających ciecze. Rozwiązania pracujące przy częstotliwości 13,56 MHz znajdują zastosowanie głównie podczas kontroli dostępu (często w postaci kart inteligentnych), zarządzaniu dokumentami oraz znakowaniu kontenerów i opakowań zwrotnych. Częstotliwości niższe, czyli 1,95 MHz,

odpowiednim modyfikacjom. Te rozwiązania mają coraz szersze zastosowanie w wielu sektorach – od logistyki po sprzedaż detaliczną odzieży. • SHF (ang. super high frequency) – rozwiązania pracujące w paśmie częstotliwości od 3 GHz do 30 GHz, przy czym częstotliwość z górnego pasma UHF, czyli 2,4 GHz została wliczona do grupy systemów mikrofalowych. Coraz powszechniejsze automatyczne systemy zbierania opłat drogowych pracują w paśmie od 5,4 GHz do 5,9 GHz. Zasięg odczytu wynosi ok. 1 m dla znaczników pasywnych i nawet 500 m dla układów aktywnych. Podobnie jak w przypadku rozwiązań UHF, odczyt znaczników umieszczonych na elementach metalowych lub wypełnionych cieczą nie jest możliwy bez specjalnych modyfikacji znacznika.

Czytniki, anteny i znaczniki Z uwagi na niejasności związane z parametrami urządzeń oraz ich ograniczeniami technologicznymi wybór

Impinj

OmniID

UPM Raflatac

Turck

J32

Prox-NG

DogBone

TW865-868-Q14L60-M-B110

etykieta

w obudowie

etykieta

w obudowie

860…960 MHz

860…930 MHz

860…960 MHz

865…868 MHz

Impinj Chip

Alien H3

Impinj Monza

NXP U-Code G2XM

nie

tak

nie

tak

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

15 mm ´ 8 mm ´ 1 mm

37,5 mm ´ 12,5 mm ´ 4,5 mm

93 mm ´ 23 mm ´ 1 mm

60 mm ´ 12 mm ´ 14 mm

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

81


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Tab. 2. Zestawienie wybranych czytników Producent

Alien Technology

Balluff

HARTING

Model

ALR-9900

BIS U-602

RF-R500-p-EU

Częstotliwość pracy

865,7…867,5 MHz

865…868 MHz

865…868 MHz

Liczba anten

4 R-TNC

4 R-TNC

4 SMA

Szerokość kanału

600 kHz

brak danych

brak danych

Wymiary (długość ´ szerokość ´ wysokość)

20,3 cm ´ 17,8 cm ´ 4,1 cm

31,2 cm ´ 10,7 cm ´ 6,0 cm

brak danych

Waga

1,5 kg

2,1 kg

2,0 kg

Temperatura pracy

–20 °C do +55 °C

–20 °C do +55 °C

–20 °C do +55 °C

Zasilanie

100…240 V  AC, 50/60 Hz

24 VDC ± 20 %

24 V  DC

Porty komunikacyjne

RJ-45, RS-232

RS-232, Ethernet

RS-232, RS-485, Ethernet, USB

Software Developement Kit (SDK)

Java, .NET, Ruby APIs

biblioteki DLL

brak danych

Obsługiwane protokoły

Alien Reader Protocol, Low-Level Reader Protocol, firmware upgradable

Control inputs / outputs, Service interface

HARTING Host Mode Buffered Read Mode Scan Mode Notification Mode

Protokoły sieciowe

TCP/IP, NTP, DNS, DHCP, SNMP

Ethernet TCP/IP, Profinet

TCP/IP,

Interfejs powietrzny

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

Zasięg odczytu

brak danych

do 6 m

16 m

Moc transmisji

brak danych

17...33 dBm 2 W (Europa) 17...30 dBm 1 W (USA)

4W

82

EPC


Mode

c

IFM

Motorola

Impinj

Siemens

DTE810

FX 7400

Speedway

RF630R

867…868 MHz

865…868 MHz

865…956 MHz

866…868 MHz

4 R-TNC

2 lub 4 R-TNC

4 R-TNC

2

brak danych

brak danych

brak danych

brak danych

brak danych

19,6 cm ´ 15,0 cm ´ 4,3 cm

227 cm ´ 324 cm ´ 57 cm

19,3 cm ´ 25,2 cm x 5,2 cm

3,03 kg

0,82 kg

2,7 kg

brak danych

–25 °C do +55 °C

–20 °C do +55 °C

–20 °C do + 55 °C

–25 °C do + 55 °C

24 VDC

24 VDC lub PoE (IEEE 802.3af)

brak danych

24 V  DC

brak danych

PoE, RJ-45 Ethernet, USB

RJ-45, RS-232

RS-422

brak danych

.NET, C and Java

brak danych

brak danych

brak danych

RM 1.0.1 (XML over HTTP/HTTPS and SNMP binding); AirBEAM firmware upgrade

EPCglobal Low Level Reader Protocol (LLRP) v 1.0.1, Impinj Mach1 API

brak danych

brak danych

DHCP, HTTPS, FTPS, SSH, HTTP, FTP, Telnet, SNMP, NTP

DHCP, LL A, NTP, HTTP, Telnet, SSH, SNMP, mDNS, DNS-SD

brak danych

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

EPC Class 1 Gen 2, ISO 18000-6c

brak danych

brak danych

brak danych

6m

2W

brak danych

brak danych

0,5 W

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

83


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Tab. 3. Zestawienie wybranych anten

Producent

IFM

Kathrein

Motorola

Model

ANT830

520 10078

AN480

Zakres częstotliwości

865…870 MHz

865…870 MHz

865…956 MHz

Polaryzacja

kołowa

kołowa

kołowa

Zysk

8,5 dBI

8,5 dBI

brak danych

Maksymalna moc wypromieniowana

2W

2W

2W

Impedancja

50 Ω

50 Ω

50 Ω

Połączenie

TNC

TNC

TNC

Waga

2,04 kg

1,70 kg

1,13 kg

odpowiedniej technologii jest dla klientów dużym problemem. Wynika to z faktu, iż na każdy system RFID składa się wiele elementów technicznych, które dopiero jako całość tworzą gotowe rozwiązanie i w zasadzie nigdy nie można ich traktować jako „z półki”. Nie można więc mówić o kompletnych rozwiązaniach charakteryzujących się gorszymi lub lepszymi właściwościami, gdyż każde wdrożenie musi być poprzedzone odpowiednimi analizami, testami oraz doborem komponentów technicznych. Na jakość odczytu w systemach RFID wpływa bardzo wiele czynników, jak geometria i budowa pomieszczenia, miejsce umieszczenia anten czy pozycja znacznika względem anteny. Aby wytłumaczyć dokładnie te aspekty, należy przybliżyć budowę typowego zestawu RFID.

84

„Sercem” układu jest czytnik/programator, czyli urządzenie elektroniczne umożliwiające komunikację między znacznikami a systemami komputerowymi. Jego główną funkcją jest zdalne zasilenie transponderów oraz realizacja procesu komunikacji. Zasadniczo czytniki dzieli się na dwie grupy urządzeń: stacjonarne i przenośne. Urządzenia stacjonarne mają z reguły większą moc nadawczą, co przekłada się na odległość odczytu. Drugim, równie ważnym elementem są anteny. Na rynku dostępne są anteny o polaryzacji liniowej, kołowej lub eliptycznej. W zależności od czytnika, do którego zostaną podłączone anteny spełniają różne funkcje: nadawczą (zasilającą), odbiorczą lub obie te funkcje jednocześnie. Aby zidentyfikować obiekt, należy oznaczyć go znacznikiem RFID (transponderem). Głównym kryterium podziału

znaczników jest sposób ich zasilania, co wpływa na złożoność układu elektronicznego zastosowanego w transponderze. Istnieją rozwiązania pasywne, z reguły o najprostszej budowie, które zasilane są falą elektromagnetyczną wypromieniowaną przez antenę czytnika-programatora, półpasywne, działające analogicznie jak układy pasywne, mające jednak baterię, która zasila ich układ elektroniczny (co pozytywnie przekłada się na odległość odczytu) oraz zasilane w sposób ciągły rozwiązania aktywne, o najbardziej skomplikowanej budowie i charakteryzujące się największą odległością odczytu. Obok klasyfikacji wynikającej ze sposobu zasilania znaczników RFID, ważnym kryterium jest również obszar zastosowania danego układu. Na rynku jest dostępnych wiele transponderów, których budowa wynika z zastosowania, np.


Siemens

A0026

Simatic RF600

820…980 MHz

865…868 MHz

liniowa

kołowa

8,5 dBI

7 dBI

10 W

2W

50 Ω

50 Ω

TNC

TNC

0,47 kg

1,60 kg

Pozycja znacznika

Poynting

znaczniki służące do znakowania obiektów metalowych czy zawierających duże ilości cieczy przewodzących lub znaczniki w specjalizowanych obudowach o podwyższonej odporności na określone warunki środowiskowe (wysoką temperaturę, wilgotność itp.). Praktyka badawcza wykazuje, że parametry podane przez producentów niemal każdego komponentu systemu RFID często nie odpowiadają rzeczywistości. Dzieje się tak z powodu braku danych o przyjętej przez producenta metodyce badawczej oraz dążenia firmy do prezentacji produktu w możliwie najlepszym świetle. Dlatego w Instytucie Logistyki i Magazynowania często przeprowadzane są testy porównujące zachowanie się poszczególnych urządzeń w różnych konfiguracjach sprzętowych. Z racji największej popularności oraz uniwersalności zostały przedstawione rozwiązania w technologii UHF. Ze względu na cenę i brak potrzeby stosowania innych rozwiązań rozpatrywanymi znacznikami są z reguły znaczniki pasywne. Dopiero na etapie projektowania, jeśli wystąpi problem ze znacznikami pasywnymi, rozpatruje się transpondery o specjalnym przeznaczeniu. Na rys. 1 (wszystkie rysunki w artykule powstały na podstawie badań ILiM przeprowadzonych w 2010 i 2011 r.) zaprezentowano przykładowe porównanie trzech znaczników RFID, znacznie różniące się zakresem poprawnej pracy. Warto zwrócić uwagę, iż także orientacja poszczególnych układów względem anteny czytnika-programatora może mieć zasadniczy wpływ na skuteczność odczytu. Zarówno wybór samego transpondera, jak i jego pozycja względem anteny czytnika-programatora mogą więc mieć kluczowe znaczenie na etapie projektowania systemu RFID. Najważniejsze jest sprawdzenie kilku transponderów pod względem ich parametrów katalogowych, gdyż w produkcji znaczników panuje pełna dowolność konstrukcyjna, a co za tym idzie – każdy znacznik będzie charakteryzował się innymi parametrami odczytu. W przypadku transpondera

A

Impinj J32

B

Symbol 4T

C

Confidex Survivor

D E F 0

100

200

300

400

500

600

Średnia odległość odczytu [cm] Rys. 1. Przykładowe porównanie odległości odczytu trzech skrajnie różnych znaczników

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

85


Rys. 2. Położenie znacznika względem anteny przy analizie porównawczej czytników wraz z zaznaczonym kierunkiem obrotu

Confidex Survivor maksymalna odległość odczytu (dla optymalnej orientacji znacznika względem anteny czytnika/programatora) jest dwudziestokrotnie większa od minimalnej wartości (w przypadku najmniejszej zgodności polaryzacyjnej). Oczywiście dostępne są znaczniki, których różnica w zasięgu poprawnej pracy w zależności od orientacji układu nie jest aż tak drastyczna. Obrazuje to przykład transpondera Symbol 4T. Nie jest on już produkowany (jego producent, czyli firma Glacier została przekształcona w UPM Raflatac), jednak w  przeprowadzonych przez ILiM badaniach odegrał istotną rolę. Dla lepszego zobrazowania różnic pokazano również rezultaty badań znacznika Impinj J32, który z racji swoich niewielkich rozmiarów charakteryzuje się niewielkimi odległościami odczytu. Zaprezentowane wyniki pozwalają stwierdzić jednoznacznie, że w zdecydowanej większości przypadków specyfikację znacznika podawaną przez producenta należy traktować jedynie orientacyjnie, a każde wdrożenie systemu RFID powinno zostać poprzedzone gruntownymi badaniami w warunkach i na obiektach jak najbardziej zbliżonych do docelowych, a także przy zastosowaniu docelowego układu czytnik–antena. Obok typu znacznika na skuteczność rozwiązań RFID mają wpływ także konfiguracje układu czytników z antenami. Wśród dostępnych rozwiązań występuje duża rozbieżność parametrów. Różne koncepcje technologiczne wprowadzają różne modele pracy. Dla przykładu czytnik Alien ALR–8800 działa w dualnym układzie antenowym, w którym następuje odseparowanie funkcji zasilających pasywne transpondery RFID od procesów komunikacyjnych. Rozwiązanie tego typu wiąże się z koniecznością zastosowania minimum dwóch anten. W klasycznych rozwiązaniach RFID ta sama antena odpowiada za zasilanie i odczyt znaczników. Przykładem takiego układu jest czytnik Impinj UHF Gen 2 Speedway oraz czytnik Sirit INfinity 510 UHF. Dla zobrazowania różnic między poszczególnymi typami anten, czytnikami-programatorami oraz modelami działania układu czytnik–antena, na wykresach kołowych zasięgu poprawnej pracy umieszczono wyniki przeprowadzonych pomiarów. Badanie zrealizowano dla dwóch typów anten przy użyciu jednego typu znacznika (OmniID Prox) w pełnym spektrum orientacji, czyli od momentu, w którym płaszczyzna znacznika była równoległa do płaszczyzny anteny, przez wszystkie orientacje pośrednie z krokiem co 18°, aż do pełnego obrotu

o 360°. Stąd też przedstawienie wyników w układzie współrzędnych kołowych. Porównując wykresy wewnątrz jednego układu współrzędnych można jednoznacznie stwierdzić, iż czytnik firmy Sirit charakteryzuje się mniejszym zasięgiem odczytu od dwóch pozostałych. Widoczny jest również wpływ rodzaju zastosowanej anteny. Porównując wyniki (rys. 3 i rys. 4) można zauważyć zdecydowaną różnicę w geometrii wykresów, co jest wynikiem zastosowania anten o różnych polaryzacjach: liniowej (Poynting A0026 – rys. 4) oraz kołowej lewoskrętnej (Kathrein 520 10004 – rys. 3). Różnica ta może mieć wpływ na zasięg maksymalny, który w porównywanym przypadku jest korzystniejszy dla anteny spolaryzowanej liniowo. Jest to przewaga tylko w przypadku, jeśli ma się stuprocentową pewność, że znaczniki zawsze będą w jednej pozycji względem anteny, gdyż przy najbardziej niekorzystnym ułożeniu transpondera spolaryzowana liniowo fala elektromagnetyczna uniemożliwi poprawne zasilenie pasywnego układu RFID, co przełoży się na brak odczytu (rys. 4 – wyniki pomiarów dla 0° i 180°). Polaryzacja kołowa eliminuje ten problem (rys. 3).

Fot. Siemens

rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

System RFID SIMATIC RF 600

Rys. 3. Zasięg poprawnej pracy znacznika OmniID Prox w układzie z anteną Kathrein 520 10004 o polaryzacji kołowej

86

GBI_PAR_2


Fot. Siemens

Podsumowanie

Rys. 4. Zasięg poprawnej pracy znacznika OmniID Prox w układzie z anteną Poynting A0026 o polaryzacji liniowej

Istniejące systemy RFID są z reguły indywidualnie zaprojektowanymi rozwiązaniami, które w przypadku wdrożenia w innym miejscu mogą dać zupełnie odmienne wyniki skuteczności pracy. W tabelach zaprezentowano przykładowe rozwiązania dostępne na rynku. Parametry podane przez producentów powinny być traktowane wyłącznie poglądowo, ponieważ układy złożone czytnik–antena–znacznik zawsze wymagają indywidualnego podejścia i dostosowania do potrzeb klienta. Niezastąpiona w tym przypadku jest wiedza i doświadczenie ekspertów w dziedzinie RFID, gdyż każdy z elementów musi być dobrany oddzielnie. Zanim przystąpi się do projektowania systemu identyfikacji, niezbędny jest również rekonesans środowiskowy miejsca docelowej instalacji systemu. Występowanie wszelkiego rodzaju zakłóceń, obecność dużej liczby obiektów wykonanych z metalu itp. mają bowiem istotny wpływ na skuteczność rozwiązania RFID. Finalne wdrożenie powinno być także poprzedzone serią niezbędnych testów, wśród których mogą znaleźć się również te zaprezentowane w artykule. 

Michał Grabia, Adam Maćkowiak, Filip Polak Instytut Logistyki i Magazynowania

REKLAMA

Na tej konferencji nie może Państwa zabraknąć!

XI EDYCJA KONFERENCJI

WORLD CLASS MANUFACTURING – PRODUKCJA KLASY ŚWIATOWEJ 19-20 listopada 2013 r., Wrocław

WARSZTAT DLA MENEDŻERÓW „SKUTECZNE ZARZĄDZANIE ZESPOŁEM PRODUKCYJNYM” 18 listopada 2013 r., Wrocław

WIZYTA W ZAKŁADZIE GE POWER CONTROLS 21 listopada 2013 r., Kłodzko

Zagadnienia omawiane podczas konferencji: • Jak zbudować system zarządzania WCM w polskich realiach • Jak adaptować elementy WCM do obecnie stosowanych systemów w naszej firmie • DNA Dyrektora Produkcji • Adaptacja procesu coachingowego w zespole pracowników produkcji • Eliminacja problemów – narzędzia Focus Improvement • Stały rozwój naszych pracowników – jakie narzędzia i praktyki sprawdzają się w firmach • Inteligentne roboty przemysłowe w World Class Manufacturing • Budowa filaru Cost Deployment w mojej firmie – jak optymalnie redukować koszty • Optymalne zarządzanie projektami według 10 kroków Kobetsu Kaizen oraz w cyklu PDCA Sponsorzy:

Sponsor Koktajlu:

Wystawca:

Patroni medialni: Pomiary Automatyka 10/2013 Osoby zainteresowane udziałem w konferencji prosimy o kontakt: +48 22 458 Robotyka  nr 66 10

GBI_PAR_205x145.indd 1

gbip.com.pl 87

9/17/13 10:32 PM


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Technologie RFID w produkcji i logistyce W nowoczesnych zakładach produkcyjnych oraz w firmach zajmujących się transportem różnych obiektów na większe odległości, odpowiednio zorganizowana logistyka jest konieczna do osiągnięcia sukcesu. Jednym ze sposobów jej organizacji jest zastosowanie znaczników RFID. Magazyn z systemem RFID

elektromagnetycznego generowanego przez czytnik. Podstawową reakcją na próbę odczytu znacznika – tj. wzbudzenie go polem elektromagnetycznym o określonej częstotliwości – jest przesłanie kodu zapisanego w pamięci tagu. Klasyczne znaczniki RFID pracują najczęściej z częstotliwością 125 kHz, ale stosowane są też częstotliwości 13,56 MHz, 868–956 MHz, 2,4 GHz i 5,8 GHz. Zasięg odczytu tagów wynosi od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów, w zależności od standardu. Rozwinięciem standardu RFID jest NFC (ang. Near Field Communication), który umożliwia pracę w dwóch trybach: pasywnym i aktywnym. W pierwszym z nich komunikacja odbywa się na podobnych zasadach, jak w klasycznym RFID. W drugim wariancie komunikujące się urządzenia NFC działają

Wózek widłowy ze zintegrowanym czytnikiem RFID

88

jako czytniki, które wymieniają między sobą informacje. Oba wymagają zasilania i oba mogą wykonywać operacje zgodnie z pozyskanymi danymi. NFC umożliwia jednoczesne przesyłanie i odbieranie danych. Zarówno RFID, jak i NFC są stosowane w przemyśle, jednak ten drugi standard nie jest jeszcze popularny w tego typu aplikacjach i obecnie jest używany w aplikacjach typowo konsumenckich, głównie w telefonach komórkowych.

RFID w produkcji przemysłowej Dobre zarządzanie produkcją, łańcuchem dostaw i magazynem komponentów to kluczowe czynniki dla utrzymania konkurencyjności każdego nowoczesnego przedsiębiorstwa produkcyjnego. Zastosowanie technologii RFID znacząco ułatwia to zadanie. Systemy RFID są coraz częściej używane w przemyśle produkcyjnym. Umożliwiają wydajne nadzorowanie postępów w produkcji, personalizowanie wyrobów i dostarczanie ich do odpowiednich klientów. Ułatwiają synchronizację produkcji wielu komponentów, tak by zajmowały jak najmniejszą powierzchnię magazynową, a jednocześnie, by nigdy ich nie zabrakło, gdy są potrzebne. Mogą też posłużyć jako elementy systemów bezpieczeństwa. RFID ułatwia zarządzanie produkcją i nadzorowanie wszelkich procesów logistycznych. Powstały nawet kompleksowe rozwiązania przemysłowe, przystosowane do realiów panujących w nowoczesnych fabrykach.

Fot. STIL, KION, RFID-GTS

RFID (ang. Radio Frequency IDentification) to technika umożliwiająca bezprzewodową identyfikację różnego rodzaju obiektów za pomocą fal radiowych. Operator (lub maszyna), korzystając z odpowiedniego czytnika, może wykryć i zidentyfikować wszystkie znaczniki RFID znajdujące się w określonej odległości lub kierunku od głowicy czytnika. W zależności od zastosowanego standardu oraz urządzeń możliwe jest zapisanie danych w znaczniku RFID, umieszczonym na identyfikowanym przedmiocie. Znaczniki, nazywane też tagami, to układy elektroniczne z pamięcią o niewielkiej pojemności, anteną oraz ewentualnie – jeśli są to znaczniki aktywne – własnym źródłem zasilania. Znaczniki pasywne energię potrzebną do zasilania wbudowanego układu elektronicznego pobierają z pola


Umożliwiają one śledzenie komponentów, całych produktów lub gotowych partii produkcyjnych od momentu, gdy trafiają na taśmę produkcyjną, aż do ich ukończenia i dostarczenia do magazynu. Na te rozwiązania składają się kompletne zestawy: znaczniki, czytniki, komputery gromadzące dane i oprogramowanie pozwalające na sprawne zarządzanie całym systemem. Rynek zdominowały firmy specjalizujące się dotąd przede wszystkim w czujnikach, co wynika z faktu, że w gruncie rzeczy znaczniki RFID zastępują częściowo inne metody rozpoznawania poszczególnych produktów, co dotąd było realizowane za pomocą różnego rodzaju czujników. RFID umożliwiają też jednoznaczne rozpoznawanie poszczególnych egzemplarzy identycznych produktów, tak jak z użyciem kodów kreskowych. Niewątpliwą zaletą jest możliwość przeprowadzenia zdalnego odczytu znacznika RFID bez konieczności umieszczenia tagu bezpośrednio przed czytnikiem. Znacznik może być ułożony w dowolnej orientacji i przesłonięty innymi obiektami, a czytnik i tak go zidentyfikuje. W wielu systemach jest możliwy praktycznie jednoczesny odczyt wielu znaczników, co pozwala znacznie skrócić czas i nakład pracy potrzebny do zidentyfikowania wielu produktów, w porównaniu z systemami bazującymi na kodach kreskowych lub QR kodach. Oczywiście zapis nowych danych w przypadku kodów kreskowych i 2D wymaga zmiany znaczników, a przy użyciu odpowiedniej odmiany technologii RFID zadanie to jest równie łatwe, jak odczyt. Do głównych dostawców systemów i elementów RFID przeznaczonych dla przemysłu można zaliczyć firmy: Balluff, HARTING, Kathrein, Motorola, Sick i Turck. Na rynku działa też wiele mniejszych firm, które specjalizują się w wybranych rodzajach rozwiązań RFID.

produkcyjnych, dzięki czemu możliwe jest zdalne śledzenie stanu zaawansowania produkcji wybranych podzespołów. Takie centralne zarządzanie fabryką pozwala na wstrzymywanie prac nad pewnymi komponentami i przyspieszanie prac nad innymi, co zapewnia nieprzerwane, optymalne działanie całego zakładu i dostarczanie wszystkich produktów na czas. Znaczniki RFID można też stosować do oznaczania indywidualnych wersji produktów, które z zewnątrz wydają się identyczne. Przykładowo maszyny w takich samych obudowach, ale z silnikami o różnej mocy nie będą rozróżniane za pomocą systemu wizyjnego, ale będą rozpoznawane dzięki numerowi seryjnemu lub oznaczeniu typu zapisanego w tagu RFID. Odczytane wartości mogą wpływać na sposób działania maszyn produkcyjnych. Oczywiście tę samą funkcję można zrealizować za pomocą kodów

kreskowych, ale użycie znaczników znacznie ułatwia rozpoznawanie poszczególnych komponentów lub gotowych urządzeń. Co więcej, w tagach RFID można zapisywać nowe dane, dzięki czemu zarządzanie wytwarzaniem różnych wersji tego samego produktu można zrealizować nawet bez udziału centralnego systemu nadzorującego. System RFID ułatwia też odnajdywanie gotowych produktów na halach magazynowych i dostarczanie ich do nabywców. Kolejną funkcją znaczników RFID może być śledzenie zasobów na terenie hali fabrycznej oraz oznaczanie sprzętu, z którego korzystają pracownicy. Pozwala to monitorować położenie narzędzi i rejestrować, kto i kiedy korzystał ze sprzętu. To bardzo przydatna funkcja, szczególnie w dużych fabrykach, w których liczba dostępnego wyposażenia jest ograniczona i wypożyczana między działami.

Fot. STIL, KION, RFID-GTS

Synchronizacja produkcji Podstawowym zastosowaniem RFID w przemyśle jest synchronizacja produkcji, która nierzadko odbywa się w różnych halach, na wielu liniach produkcyjnych jednocześnie. Tagi umieszczane na montowanych elementach są skanowane przez czytniki zainstalowane w poszczególnych fragmentach linii

Ręczny odczyt RFID w magazynie

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

89


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Problem integracji ze sterownikami przemysłowymi Zaawansowane korzystanie z funkcji systemu RFID na linii produkcyjnej bywa problematyczne. Wynika to z faktu, że integracja czytników RFID z popularnymi sterownikami programowalnymi bywa trudna. Nie wszystkie urządzenia są ze sobą kompatybilne, a tworzenie własnych interfejsów do wymiany danych jest bardzo pracochłonne. Rozwiązaniem tego problemu jest znalezienie uniwersalnej i kompletnej platformy RFID, zawierającej szereg standardowych interfejsów kompatybilnych z większością nowoczesnych sterowników PLC. Ułatwia to znacząco proces integracji. Tego typu platformy są oferowane przez głównych dostawców osprzętu do RFID. Automatyzują wstępne przetwarzanie danych pochodzących z czytników RFID, umożliwiają proste filtrowanie wielokrotnych lub błędnych odczytów i agregację odczytów pochodzących z różnych czytników. Dzięki temu do sterowników przekazywane są przetworzone już rezultaty, co nie tylko zmniejsza obciążenie PLC, ale też redukuje ilość danych transferowanych przez sieć do i ze sterownika.

RFID w systemach bezpieczeństwa Znaczniki RFID mają też zastosowanie w systemach bezpieczeństwa. Są powszechnie stosowane do identyfikacji osób, ale mogą być użyte do rozpoznawania maszyn i ich stanu. Przykładem jest oznakowanie bramek zabezpieczających i instalacja czytników jako czujników bezpieczeństwa na zamkach bramek.

90

Taka konstrukcja jest zupełnie niepodatna na zużywanie, gdyż nie zawiera ocierających się o siebie ani stykających się elementów mechanicznych, a co więcej, jest znacznie bardziej niezawodna niż zabezpieczenia bezkontaktowe. Przykładowo, aby zamknięcie bramki zostało wykryte, nie wystarczy, by w pobliżu sensora znalazł się obiekt o podobnych właściwościach fizycznych lub optycznych, jak bramka. Czujnik zbudowany z czytnika RFID wzbudzi się tylko i wyłącznie wtedy, gdy w jego bezpośrednim otoczeniu znajdzie się transponder z zapisanym ustalonym kodem. Potwierdzeniem niezawodności takiego rozwiązania są liczne produkty do zabezpieczeń, spełniające najwyższe wymagania norm bezpieczeństwa.

RFID w logistyce Stosowanie znaczników RFID w logistyce stało się już niemal standardem. Niewątpliwa przewaga tych układów nad systemem z kodami kreskowymi zachęca do ich używania, a malejące koszty wdrożenia ułatwiają podjęcie decyzji o instalacji osprzętu do RFID. Warto zaznaczyć, że rozgraniczenie zastosowań układów RFID na logistykę i inne przypadki nie jest takie oczywiste. Wynika to z faktu, że w procesie produkcyjnym również ważne jest zapewnienie odpowiedniej logistyki, sprowadzającej się do nadzoru nad partiami produkcyjnymi i zasobami magazynowymi lub do monitorowania sprzętu. Ten obszar, dla rozróżnienia, coraz częściej określa się mianem intralogistyki. Do śledzenia obiektów w logistyce najczęściej stosuje się znaczniki

Przemysłowy system RFID

Te same znaczniki są używane podczas ładowania paczek do ciężarówek, którymi są przewożone do odbiorców lub innych centrów logistycznych. Osoba zajmująca się przewozem korzysta z odpowiedniego skanera, by zarejestrować podjęcie paczki. Możliwy jest też montaż czytnika w pojeździe, dzięki czemu w każdej chwili można dokonać pełnej inwentaryzacji zawartości pojazdu. W identyczny sposób wykonuje się inwentaryzację magazynów, w których stosuje się znaczniki RFID. Jeśli system w magazynie jest odpowiednio zaawansowany i rozbudowany, możliwe będzie też zlokalizowanie dowolnego, otagowanego przedmiotu na terenie całej hali. Znacząco ułatwia to poszukiwanie wszelkich oznakowanych obiektów, nawet jeśli trafiły przez pomyłkę do innej sekcji magazynu

Fot. Balluff, Turck, Siemens, Bernstein

Urządzenie umożliwiające podłączenie wielu głowic czytników RFID, z których informacje trafiają bezpośrednio do sieci ethernetowej

pasywne, pracujące w paśmie UHF. Niestety, mogą one powodować zakłócenia pracy innych maszyn i niekiedy zawodzą, gdy są używane w otoczeniu metali. Wzorcowym zastosowaniem RFID w logistyce jest użycie znaczników do śledzenia paczek przewożonych przez firmy transportowe. Nadawanie każdej paczce oddzielnego tagu lub przypisywanie tagów do grup paczek zebranych do pojemników zbiorczych pozwala w zautomatyzowany sposób śledzić ich położenie. Paczki lub pojemniki są oznaczane w chwili przyjęcia ich do centrum logistycznego, a następnie przesuwają się na taśmociągu do odpowiednich stref hal centrum. Nad poszczególnymi fragmentami taśmociągów zamontowane są bramki z czytnikami RFID, które rejestrują przejście danego tagu (a więc i paczki) do określonego miejsca hali. Pozwala to łatwo zlokalizować poszukiwaną paczkę.


Sposób działania RFID

niż powinny. Wystarczy tylko wpisać sygnaturę tagu do komputera, a ten wskaże regał, na którym znajduje się poszukiwany obiekt. Jeśli na regale jest wiele podobnych obiektów, warto skorzystać z czytnika ręcznego o mniejszym zasięgu, który będzie w czasie rzeczywistym identyfikował wskazane obiekty. Ze względu na brak konieczności umieszczenia znacznika w polu widzenia czytnika, jest to znacznie szybsza metoda niż korzystanie z drukowanych kodów kreskowych i dwuwymiarowych.

Fot. Balluff, Turck, Siemens, Bernstein

Inne zastosowania RFID Technologie RFID są wykorzystywane także poza klasyczną logistyką czy produkcją przemysłową, np. w systemach zbliżeniowych kart płatniczych, biletach komunikacji miejskiej i kartach identyfikacyjnych umożliwiających wstęp do różnych stref budynków. Czytniki RFID są stosowane w zamkach szafek osobistych na dworcach i w salonach fitness, w bramkach wejściowych do różnych obiektów turystycznych, w bibliotekach, a nawet do znakowania zwierząt. Ich użycie pozwala przede wszystkim

Simatic RF200 RFID

zaoszczędzić czas potrzebny na identyfikację i weryfikację wszelkich obiektów. Znaczniki RFID można też zamontować w pojazdach. To jeden z najtańszych sposobów realizacji zautomatyzowanego systemu rozpoznawania pojazdów, zarówno w centrach logistycznych, jak i na drogach. Za granicą, m.in. w USA, czytniki RFID od wielu lat są stosowane na autostradach w ramach systemu poboru opłat. Przejeżdżając przez bramkę pojazd wzbudza pętlę umieszczoną w asfalcie, co generuje impuls uruchamiający czytnik. Ten natomiast dokonuje próby zeskanowania znacznika, wzbudzając go polem elektromagnetycznym i oczekując na odpowiedź. Jeśli jej nie otrzyma, kamera fotografuje przejeżdżający pojazd, co pozwala następnie na wystawienie mandatu. Rozwiązanie to różni się nieco od stosowanego w Polsce systemu viaTOLL, który nie korzysta z technologii RFID, tylko z aktywnych, wymagających zasilania, nadajników. Jednym z popularniejszych obecnie zastosowań systemów RFID jest monitorowanie pojemników używanych do zbierania odpadów komunalnych. Wymogi nowej Ustawy o Gospodarowaniu Odpadami Komunalnymi nakładają konieczność jednoznacznej identyfikacji pojemników na śmieci oraz rejestracji tras przejazdu śmieciarek. Z tego względu niektórzy producenci przygotowali specjalne, nowe rodziny znaczników, zoptymalizowane do montażu na pojemnikach na śmieci. Tagi te pozwalają operatorom m.in. monitorować jakość sortowania śmieci w poszczególnych pojemnikach i śledzić ich obieg. Ułatwiają też rozliczenia za wykonywane usługi. O ile RFID w zarządzaniu odpadami komunalnymi stało się popularne dopiero ostatnio, to w zastosowaniu do kontroli dostępu i czasu pracy pracowników cieszy się niesłabnącą popularnością od dawna. Wyposażenie pracowników w identyfikatory z wbudowanymi znacznikami RFID to uznane na świecie i powszechnie stosowane zabezpieczenie. Są one na tyle skuteczne i bezpieczne, że są stosowane nawet na lotniskach. Każdy pracownik otrzymuje identyfikator w postaci karty, na której dodatkowo mogą być nadrukowane informacje o nim, w tym jego zdjęcie. Każda karta ma zaszyty unikalny znacznik RFID, który jednoznacznie

identyfikuje pracownika. Czytniki instalowane są przy drzwiach do poszczególnych korytarzy, pomieszczeń, czy całych budynków i połączone z zamkami. W zależności od stopnia złożoności systemu, czytniki mogą być niezależnymi urządzeniami lub spięte w sieć. To pierwsze rozwiązanie stosuje się praktycznie tylko wtedy, gdy liczba pracowników wyposażonych w identyfikatory RFID jest nieduża. Każdy z takich czytników ma pewną pamięć, w której można mu zapisać określoną liczbę znaczników – mają one skutkować otwarciem zamka sprzężonego z czytnikiem. W najbardziej zaawansowanych systemach, gdzie czytniki połączone są ze sobą w sieć, autoryzacja pracownika prowadzona jest centralnie. Każdy z zeskanowanych znaczników sprawdzany jest na serwerze, w którym określone są prawa dostępu poszczególnych osób. Na tej podstawie podejmowana jest decyzja o zwolnieniu

Czujniki bezpieczeństwa z RFID

zamka. Ułatwia to zarządzanie dużym zespołem pracowników lub zespołem, w którym występuje duża rotacja osób. Zaawansowany system pozwala też śledzić pracownika i rejestrować, które pomieszczenia odwiedzał, co dodatkowo zwiększa poziom bezpieczeństwa. Rejestracja umożliwia także rozliczanie czasu pracy. Podsumowując, trzeba stwierdzić, że technologia RFID stała się już wszechobecna, nawet w Polsce, a liczba jej zastosowań wciąż rośnie.

Andrzej Bartycki AutomatykaOnLine.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

91


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Technologia RFID stwarza nieznane wcześniej możliwości ulepszeń w procesach logistycznych wewnątrz organizacji i we współpracy w ramach łańcucha dostaw. Wzrost zainteresowania systemami RFID rodzi coraz więcej pytań dotyczących bezpieczeństwa stosowania tych systemów.

RFID a zdrowie i bezpieczeństwo

Możliwości niemal nieograniczone Nieodzownym warunkiem przetrwania firm na rynkach silnie konkurencyjnych jest umiejętność sprawnego reagowania na zmiany zachodzące w ich otoczeniu. Pomocne w tym względzie są nowoczesne narzędzia technologii informacyjnej wykorzystywane do efektywnego i skutecznego zarządzania procesami logistycznymi. Obecny postęp technologiczny w projektowaniu, budowie i  eksploatacji systemów informatycznych zarządzania jest podstawowym warunkiem rozwoju logistyki. Przepływ informacji w jak najkrótszym czasie i w odpowiedniej formie służy osiąganiu celów zarówno decyzyjnych, jak i  wykonawczych. Nie ulega wątpliwości, że podstawą każdego sprawnego systemu logistycznego jest szybka i dokładna informacja. W  celu usprawnienia i  wzrostu wydajności systemów logistycznych organizacje sięgają po nowoczesne rozwiązania, obejmujące technologie automatycznej identyfikacji obiektów połączone z systemami ERP. RFID jest jedną z najprężniej rozwijających się metod automatycznej identyfikacji obiektów. W  technologii tej wykorzystywane są sygnały radiowe do bezprzewodowej wymiany danych między znacznikiem/tagiem a  głowicą RFID. Dzięki temu nie jest wymagany kontakt wizyjny tych dwóch obiektów, co jest niezbędnym warunkiem w przypadku identyfikacji z wykorzystaniem np. kodów kreskowych. Kontrolę nad obiektami realizują tagi RFID – miniaturowe układy scalone umieszczane w  formie znaczników na

92

produktach, opakowaniach czy urządzeniach, które mają być identyfikowane. Tagi zawierają dane niezbędne do jednoznacznego zidentyfikowania oznaczonego obiektu. Technologia RFID umożliwia śledzenie obiektu przez cały czas jego „życia”. Koszty znaczników RFID zwracają się bardzo szybko w przypadku stosowania tych elementów w „obiegu zamkniętym”. Dostępne dziś rozwiązania technologiczne pozwalają praktycznie nieograniczoną liczbę razy zmieniać dane przechowywane na znacznikach RFID. Technologia RFID wykorzystuje sygnały radiowe niskiej mocy do bezprzewodowej wymiany danych między etykietą RFID (znacznikiem) a czytnikiem (głowicą RFID). Czytniki RFID mogą jednocześnie odczytywać i przetwarzać dane z kilkudziesięciu/kilkuset znaczników RFID znajdujących się w ich zasięgu. Obecnie dostępne rozwiązania umożliwiają jednoczesną identyfikację do 300 tagów RFID w czasie około 3– 4 sekund. Etykieta RFID składa się z elektronicznego chipu z pamięcią i anteny. Dane zapisywane są w pamięci i transmitowane za pomocą anteny. Szybkość transmisji i zasięg zależą od stosowanej częstotliwości, wielkości anteny, mocy promieniowania i stopnia zakłóceń sygnału. Poza tagami na infrastrukturę RFID składają się urządzenia odczytujące i zapisujące dane do znaczników oraz rozwiązania informatyczne odbierające i przetwarzające dane.

Fot. Siemens AG

Czy rozwiązania RFID są bezpieczne dla życia i zdrowia? Czy przebywanie w  polu elektromagnetycznym wytwarzanym przez anteny RFID wiąże się z negatywnym wpływem na stan zdrowia? Jaki wpływ na organizm operatora wózka widłowego może mieć system RFID zastosowany w bramie załadunkowej centrum dystrybucyjnego? Czy anteny RFID zamontowane na maszynie produkcyjnej są bezpieczne dla operatora maszyny? Czy stosowanie technologii RFID UHF do identyfikacji żywności jest na pewno bezpieczne? To tylko kilka przykładów pytań związanych z bezpieczeństwem, zadawanych przez potencjalnych użytkowników tych rozwiązań.


Moce wyjściowe głowic RFID oraz częstotliwości ich pracy Dyrektywa Komisji Europejskiej z  dnia 23 listopada 2006 r. w sprawie harmonizacji spektrum radiowego dla potrzeb urządzeń identyfikacji radiowej (RFID) działających w paśmie UHF (2006/804/EC) obliguje państwa członkowskie UE do przestrzegania specyfikacji ETSI 302-208 oraz ETSI 300-220 (przydzielenie pasma 865,6–867,6 MHz oraz 869,4–869,65 MHz). Zgodnie z tą specyfikacją (ETSI) maksymalna moc wyjściowa głowicy RFID wykorzystywanej w krajach Unii Europejskiej to 2 W ERP (ang. Effective Radiated Power, Efektywna Moc Wypromieniowana). Dla porównania specyfikacja FCC obowiązująca w USA, Kanadzie i Meksyku ogranicza maksymalną moc głowicy na poziomie 4 W EIRP (ang. Effective Isotropical Radiated Power). W strefach, w których człowiek ciągle lub przez długi czas przebywa w  obszarze działania pola elektromagnetycznego wytworzonego przez anteny systemu RFID należy zachować minimalne odległości między człowiekiem a pracującą anteną. Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej ICRP (ang. International Commission of Radiological Protection) wyznaczyła graniczne bezpieczne wartości narażenia człowieka na pole wysokiej częstotliwości. Wartości te są również rekomendowane przez ICNIRP (ang. International Commission of Non Ionizing Radiological Protection).

Częstotliwość f [MHz]

Natężenie pola elektrycznego E [V/m]

Natężenie pola magnetycznego H [A/m]

10–400

27,5

0,073

400–2 000

Fot. Siemens AG

2 000–300 000

1,375´ f

1/2

61

0,0037´ f1/2 0,16

Wartości graniczne dla 900 MHz: • natężenie pola elektrycznego: E = 41,25 V/m, • natężenie pola magnetycznego: H = 0,111 A/m, • gęstość mocy HF: E´H = 4,57 W/m2.

Minimalna odległość od anteny zgodnie ze specyfikacją ETSI (EU, EFTA, Turcja) Przy częstotliwości transmisji 900 MHz długość fali elektromagnetycznej l wynosi około 0,34 m. Dla odległości mniejszej niż 1l w polu bliskim natężenie pola elektrycznego (1/r) maleje wykładniczo do potęgi trzeciej w  funkcji odległości, a dla odległości większych niż 1l maleje wykładniczo do kwadratu w funkcji odległości. Natężenie pola elektrycznego w funkcji odległości od anteny dla P = 2 W ERP 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Odległość [ m ]

Natężenie pola [ V/m]

Technologia RFID oferuje znacznie większe możliwości niż kody kreskowe, dlatego też staje się coraz bardziej popularna. Przede wszystkim istotna jest możliwość oznakowania indywidualnym numerem każdego egzemplarza produktu, a nie jak to było do tej pory – np. w systemie EAN – każdego typu produktu. W  ramach EAN wykształciła się komórka, której zadaniem było ustanowienie nowego standardu oznakowania, jakim jest EPC (ang. Electronic Produkt Code) nazywany „radiowym kodem kreskowym”. Standard EPC opracowany przez EPCglobal określa protokół kodowania i przesyłania informacji oraz strukturę danych dla oznakowania pojedynczych produktów w  procesach produkcyjnych oraz logistycznych. Ideą EPC jest oznakowanie każdego egzemplarza produktu numerem unikalnym w skali światowej. Zalety systemów RFID uwydatniają się szczególnie w procesach i aplikacjach, w których występują: duża różnorodność produktów/asortymentu, co niesie za sobą dużą liczbę indeksów materiałowych, duże powierzchnie magazynowe, rozproszone lokalizacje współpracujących podmiotów, częste ruchy magazynowe. Zastosowanie odpowiednich systemów RFID może także znacznie skrócić i uprościć procesy inwentaryzacji. Systemy te upraszczają obsługę produktów z dodatkowymi wymaganiami, np. tam, gdzie istotny jest termin przydatności do spożycia lub ścisła identyfikacja partii surowców w farmacji.

Żółta linia na poziomie 41,25 V/m wyznacza wartość odległości bezpiecznej. Dla maksymalnej dozwolonej mocy transmisji, zgodnie ze specyfikacją ETSI (2 W ERP), odległość bezpieczna d = 0,24 m. Oznacza to, że personel nie powinien znajdować się w odległości mniejszej niż 24 cm od anteny przez długi czas (więcej niż kilka godzin beż żadnej przerwy). Obecnie uważa się, że krótkotrwałe, nawet powtarzające się przebywanie w pobliżu anteny w odległości mniejszej niż 24 cm nie jest szkodliwe dla zdrowia. Odległość do emitującej anteny [m]

Natężenie pola [V/m]

% wartości granicznej

1

10

24

5

2

5

Jeśli moc emitowana przez antenę jest niższa od maksymalnej dozwolonej wartości 2 W ERP, wówczas odległość bezpieczna jest także odpowiednio mniejsza.

Emitowana moc ERP [W]

Bezpieczna odległość od pracującej anteny [m]

2,0

0,24

1,0

0,17

0,5

0,12

Zgodnie z najnowszym stanem wiedzy odpowiedź na pytania zadane na początku artykułu brzmi „TAK”. Nie jest znany negatywny wpływ systemów RFID pracujących na częstotliwościach około 900 MHz na życie i zdrowie człowieka. Wiedza ta nie zwalnia nikogo z obowiązku zachowania minimalnych bezpiecznych odległości od pracujących anten.

Dariusz Błoński PAR

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

93


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

RFID BIS U: odczyt z dużej odległości Systemy automatycznej identyfikacji są idealnym rozwiązaniem w aplikacjach, w których operacje logistyczne muszą być bezbłędnie kontrolowane i monitorowane w wielopoziomowym łańcuchu procesu w środowiskach przemysłowych.  

Etykiety z kodami kreskowymi, kodowanie mechaniczne, systemy mikrofalowe oraz indukcyjne systemy identyfikacji są stosowane w codziennej pracy. Zaletą technologii RFID jest działanie bezkontaktowe – elementy nie ulegają zużyciu – oraz praca na duże odległości. Nowy system RFID BIS U firmy Balluff, wiodącego dostawcy rozwiązań z zakresu czujników oraz systemów połączeń, powiększa szeroką i sprawdzoną ofertę indukcyjnych systemów identyfikacji RFID (BIS C, BIS L, BIS M) o zasięgach do 400 mm o nowe rozwiązanie UHF (868– 870 MHz), zwiększając zasięg aż do 6 m. Głównymi elementami systemu identyfikacji RFID BIS U są: procesor, anteny kierunkowe UHF o polaryzacji kołowej (maksymalnie cztery), nośniki danych do identyfikacji obiektów oraz system nadrzędny, np. sterownik PLC lub komputer PC z oprogramowaniem do parametryzacji BIS UHF-Manager. System UHF bazuje na technologii wstecznego odbicia (ang. backscattering), a nośniki danych – na międzynarodowym standardzie EPC Gen2. Pamięć w technologii EEPROM zapewnia elastyczną i szybką komunikację nawet w bardzo dynamicznych aplikacjach. Główne zastosowania obejmują systemy transportu i logistyki wewnętrznej, przemysł motoryzacyjny i ich dostawców. Co odróżnia systemy RFID UHF od innych rozwiązań? Przy dużych szybkościach i w trybie dynamicznym informacje umieszczone na nośnikach mogą być odczytywane indywidualnie lub grupowo, niezależnie od ich orientacji przestrzennej, co gwarantuje kołowa polaryzacja anten. To jednak nie wszystko

94

Promocja

– w przeciwieństwie do etykiet z kodami kreskowymi nie jest wymagane, aby nośnik RFID znajdował się w polu widzenia czytnika. Umożliwia to zabudowywanie nośników danych w obiektach w taki sposób, że nie są one na zewnątrz, co pozwala na stosowanie ich w ekstremalnych warunkach, w środowisku zanieczyszczonym lub w skrajnie wysokiej bądź niskiej temperaturze.

Standardowe nośniki danych z elektronicznym kodem produktu EPC Dostępne etykiety są tak różne, jak aplikacje. Jak wspomniano, mogą być stosowane wszystkie transpondery wykonane zgodnie ze standardem EPC Gen2 (V1.2.0 ) oraz ISO/IEC 18000-6C. Użytkownik może wybierać od niedrogich

nośników w formie etykiet jednorazowego użytku aż do wykonań specjalnych nośników w obudowach o wysokim stopniu ochrony IP do długotrwałego użytkowania w aplikacjach o obiegach zamkniętych, jak podstawy transportowe do produktów i palety. Nośniki w formie etykiet są dostępne w wielu wersjach, również jako etykiety z nadrukiem. Należy zwrócić uwagę, że nośniki UHF różnią się między sobą pod względem czułości, zasięgu i zakresu roboczego. Prawdziwymi specjalistami do pracy w trudnych warunkach, ze względu na odporność na duże wstrząsy i drgania, jakie spotykane są w logistyce i produkcji przemysłowej, są nośniki BIS U-100 w wytrzymałej obudowie o stopniu ochrony IP67, oferowane przez firmę Balluff. Zaprojektowane do pracy w temperaturze od –40 °C do +85 °C mogą być montowane za pomocą odpowiednich podstawek dystansowych lub magnetycznych stopek bezpośrednio na metalu. Sercem każdego nośnika BIS U jest elektroniczny kod produktu, w skrócie: EPC. Dzięki użyciu tego jednokrotnie przypisanego numeru identyfikacyjnego wszystkie obiekty, takie jak produkty oraz jednostki logistyczne, mogą zostać zidentyfikowane w ramach łańcucha dostaw w dowolnym miejscu na świecie i w każdej chwili. Przypisanie odbywa się za pośrednictwem nadrzędnej bazy danych i działa nawet poza granicami firmy.

Fot. PPH WObit E. K. J. Ober

Nową propozycją firmy Balluff w tej dziedzinie jest system RFID BIS U.


Fot. PPH WObit E. K. J. Ober

Autonomiczne i niewymagające zasilania

Procedura antykolizyjna do szybkiej identyfikacji

Pasywne nośniki danych nie wymagają własnego zasilania. Energię potrzebną do pracy uzyskują z pola elektromagnetycznego. Największa część energii skierowanej na nośnik jest jednak odbijana. Kontrolowana w czasie zmiana w zachowaniu odbicia anteny dipolowej skutkuje w odbitej fali modulacją amplitudy fali elektromagnetycznej. Jest to wykrywane przez antenę oraz demodulowane przez procesor. Tę formę wymiany danych określa się mianem „backscattering”. W warunkach idealnych, bez żadnych przeszkód, natężenie pola elektrycznego spada proporcjonalnie do odległości. W warunkach rzeczywistych sytuacja jest całkowicie odmienna. Fale elektromagnetyczne wysyłane przez czytnik są nie tylko odbijane przez nośniki RFID, ale także przez wszelkie inne obiekty w okolicy, jak ściany, podłogi oraz kontenery transportowe. Odbite fale nakładają się na falę podstawową emitowaną przez czytnik i dochodzi do zjawiska interferencji fal, co skutkuje lokalnym tłumieniem, a nawet całkowitym wygaszeniem lub wzmocnieniem fali. To zachowanie fal elektromagnetycznych powoduje, że zasięg działania można przewidzieć tylko warunkowo. Poprzez zastosowanie wielu anten, niestandardowe ustawienia mocy anteny i ruch obiektów w trybie skanowania w polu elektromagnetycznym, trudności te mogą być wyeliminowane i system może zostać idealnie dopasowany do specyficznych warunków.

Szczególnie skuteczną i oszczędną procedurą jest wykrywanie wielu nośników bez wyróżniania obiektów, które mają być wykrywane. Przykładowo, można przejechać przez pole generowane przez antenę, np. czytnik bramowy, paletą z pudełkami, do których są mocowane nośniki i odczytać wszystkie nośniki danych równocześnie z dużej odległości bez względu na ich orientację. Stanowi to szczególne wyzwanie. System UHF rejestruje obecność nośnika, ale tylko wtedy, gdy interferencje, efekt ekranowania lub niewłaściwej orientacji anteny nie uniemożliwiają jego wykrycia. Kolizja danych może wystąpić również w momencie, gdy wiele znaczników odpowiada w tym samym czasie. Rozwiązaniem tego problemu jest ALOHA – specjalna procedura detekcji partii i protokół antykolizyjny, który jest używany do sekwencyjnego przepływu danych z tagów. Pozwala uniknąć kolizji, ponieważ wszystkie nośniki są niezawodnie wykrywane na małej przestrzeni. Teoretycznie w ciągu sekundy może być wykrytych do ok. 250 nośników. Jak to działa? Wszystkie nośniki generują losowe liczby z zakresu od 0 do n, tworząc w ten sposób kolejkę hierarchii. Ogólnie liczba n odpowiada liczbie oczekujących transponderów (n = 2Q). Wyłącznie nośnik, który wygenerował liczbę 0 jest dopuszczony do odpowiedzi przez wysłanie kodu EPC, natomiast pozostałe nośniki muszą czekać na kolejne

polecenia. Czytnik otrzymuje odpowiedź od nośnika, a następnie wysyła do wszystkich pozostałych nośników polecenie dekrementacji wygenerowanych liczb losowych. Wyłącznie nośnik, który odpowiedział „0” jest dopuszczony do odpowiedzi poprzez wysłanie kodu EPC, natomiast pozostałe znowu muszą czekać na kolejne polecenia. Jeśli dwa nośniki odpowiadają w tym samym czasie, powtórzenie rozpoczyna się z różnym współczynnikiem Q. Jeśli jednak procesor nie otrzyma odpowiedzi pomimo wielu prób, ponieważ wybrany został zbyt wysoki współczynnik Q, powtórzenie jest rozpoczynane również ze zmienionym współczynnikiem Q. Kiedy procedura rekurencji dla liczb losowych jest zakończona bez kolizji danych, można założyć, że wszystkie transpondery w zakresie działania anteny zostały odczytane.

Bezpieczeństwo pracy Stosując taki system, należy założyć, że ludzie znajdą się w zasięgu wiązki przez dłuższy lub krótszy okres czasu. System spełnia jednak limity określone przez Międzynarodową Komisję Ochrony Radiologicznej dla pól elektromagnetycznych, toteż może być bezpiecznie eksploatowany praktycznie w każdym miejscu. BALLUFF Sp. z o.o. ul. Muchoborska 16, 54-424 Wrocław tel. 71 338 49 29 e-mail: balluff@balluff.pl www.balluff.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

95


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

RFID we współczesnych komponentach bezpieczeństwa Nowa generacja czujników bezpieczeństwa wykorzystuje technologię RFID w celu zapewnienia wysokiego stopnia ochrony przed nieautoryzowanymi manipulacjami oraz oferuje konstruktorom funkcjonalne i redukujące koszty rozwiązanie w zakresie bezkontaktowej ochrony osłon bezpieczeństwa. Możliwe są także różne warianty kodowania.

Wiele opracowań i wyników badań opublikowanych przez niezależne instytucje wskazuje, że manipulacje (tampering – w znaczeniu obchodzenia urządzeń bezpieczeństwa mającego na celu pracę przy otwartej osłonie bezpieczeństwa) stanowią częstą przyczynę wypadków przy maszynach. Szacuje się, że w  około 30 proc. wszystkich zakładów urządzenia bezpieczeństwa stosowane na stanowiskach pracy są trwale lub chwilowo wyłączone. Przydatnym środkiem utrudniającym wszelkie manipulacje są wyłączniki elektromechaniczne z  kodowanym aktywatorem (fot. 1). „Kodowanie” oznacza tu, podobnie jak w zamku patentowym, że wyłącznik bezpieczeństwa działa wyłącznie z odpowiednim aktywatorem. W ten sposób omijanie zabezpieczeń przy użyciu „codziennych” narzędzi, takich jak klucz, wkrętak itp., jest niemożliwe.

W przypadkach wysokiego ryzyka omijania   – kodowanie indywidualne W  aplikacjach szczególnie narażonych na manipulacje, np. w przypadku często powtarzanej i długotrwałej czynności otwierania i zamykania osłony, można stosować osprzęt bezpieczeństwa z  indywidualnym kodowaniem jako dodatkowy środek ochronny. Takie urządzenia działają tylko z  jednym, konkretnym aktywatorem, dzięki czemu wykluczone jest użycie „aktywatora zamiennego” odkręconego np. z innej osłony. Jeśli konstruktor maszyny chce monitorować położenie osłony bezpieczeństwa w technologii bezdotykowej może też wybrać – oprócz kodowanych i  niekodowanych czujników bezpieczeństwa – urządzenia z kodowaniem indywidualnym, w  których aktywator komunikuje się wyłącznie z  odpowiednim czujnikiem (fot. 2). Tak jak w  przypadku wyłączników elektromechanicznych, także tutaj dostępne są różne warianty kodowania.

Fot. 2. BNS 36 – kodowane magnetyczne czujniki bezpieczeństwa są także popularne od wielu lat

Fot. 1. Dostępne są kodowane warianty popularnej serii wyłączników bezpieczeństwa, np. AZ 16 z indywidualnie kodowanym aktywatorem

96

Promocja

Ze względu na rosnące zainteresowanie bezdotykowym monitorowaniem osłon bezpieczeństwa kilka lat temu opracowana została nowa zasada działania czujników bezpieczeństwa. Oferuje ona istotne zalety dla konstrukcji maszyn i dla praktycznego podejścia do ich bezpieczeństwa, dzięki czemu jest alternatywą dla dobrze znanych już w owym czasie czujników magnetycznych. Przy użyciu technologii Kodowanych Czujników Bezpieczeństwa CSS (ang. Coded Safety Sensor) czujnik oraz aktywator komunikują się między sobą na zasadzie „impuls–echo”. W ten sposób zbierane są dodatkowe informacje skutkujące zwiększeniem wydajności i  dyspozycyjności fabryki (zakładając, że zbyt duże przesunięcie aktywatora względem czujnika jest wykrywane i komunikowane

Fot. Schmersal-Polska

Alternatywa dla magnetycznych czujników bezpieczeństwa


www.schmersal.pl

operatorowi, zanim wzrośnie do poziomu, kiedy czujnik przestanie „widzieć” aktywator). Nowa zasada działania tych elektronicznych czujników pozwala również na osiągnięcie większych odległości wykrywania. Z punktu widzenia przetwarzania sygnału czujniki te zapewniają znaczące usprawnienia: konstruktor może zestawiać szeregowe połączenia nawet 31 czujników, nie tracąc kategorii bezpieczeństwa 4  PLe (ang. Performance Level) wg PN-EN ISO 13849-1. Oznacza to, że oddzielny przekaźnik bezpieczeństwa dla każdego czujnika/osłony nie jest już potrzebny, co sprzyja redukcji kosztów oraz oszczędza miejsce w szafie sterowniczej.

NOWOŚĆ

Czujniki bezpieczeństwa CSS z indywidualnym kodowaniem Technologia CSS umożliwia uzyskanie dodatkowych informacji, np. przydatnych do usprawnienia diagnostyki i sygnalizacji. Zwiększa się wydajność, czyniąc omijanie urządzeń bezpieczeństwa mniej „kuszącym”. W  zbieraniu i  komunikacji sygnałów diagnostycznych pomaga specjalna bramka, za pomocą której można zrealizować podłączenie do różnych systemów magistralowych. Jednocześnie powstał nowy wariant czujników bezpieczeństwa gwarantujący jeszcze wyższy poziom zabezpieczenia przed omijaniem. Czujniki o  oznaczeniu CSP 34 (fot. 3) można parować z jednym z aktywatorów.

Ochrona przed niebezpiecznym ruchem maszyn Blokada elektromagnetyczna AZM 300 n nastawiana siła przytrzymania aktywatora n może służyć jako ogranicznik ruchu osłony n indywidualne kodowanie aktywatora, z użyciem technologii RFID n wysoka tolerancja niedopasowania osłon n konstrukcja odpowiednia dla aplikacji higienicznych: odporność na działanie środków czyszczących n stopień ochrony IP69K

Fot. 3. Czujniki bezpieczeństwa CSS są dostępne z możliwością parowania

Parowanie zapobiega aktywacji jednego czujnika aktywatorem od innego czujnika CSS. Z technicznego punktu widzenia jest to bardziej skomplikowane niż w  przypadku konwencjonalnych czujników magnetycznych, jeśli weźmie się pod uwagę, że technologia CSS wymaga dwukierunkowej komunikacji między

REKLAMA

Fot. Schmersal-Polska

„RFID inside”: od CSS do RSS

SCHMERSAL_PAR_105_295_MM_02_2013.indd 1

2013-02-21 15:14:37


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

czujnikiem i aktywatorem. Projektanci wpadli jednak na pomysł, jak poradzić sobie z tym problemem. Kierując się chęcią dalszej poprawy technologii bezdotykowej zaprojektowano nową serię czujników bezpieczeństwa, o podobnej do czujników CSS elastyczności, ale bardziej ekonomicznych oraz z różnymi wariantami kodowania dla lepszej ochrony przed manipulacjami. W czujnikach tych zastosowano sprawdzoną w przemyśle technologię RFID, ale w wariancie zoptymalizowanym dla celów bezpieczeństwa.

Różne możliwości kodowania

Fot. 4. RSS 36: nowa generacja czujników bezpieczeństwa z technologią RFID – trzy warianty kodowania

Dodatkowo nowy typoszereg czujników charakteryzuje się łatwym i uniwersalnym montażem. Duża odległość zadziałania zwiększa swobodę przy projektowaniu i  montażu osłon. Opcjonalnie dostępny jest zatrzask magnetyczny, który umożliwia stosowanie czujnika w charakterze zderzaka krańcowego w mniejszych osłonach bezpieczeństwa.

Doskonały dla zastosowań spożywczych Czujnik oraz aktywator serii RSS 36 mają budowę kompaktową i są uniwersalne w montażu. Obudowy wykonane są z materiałów zgodnych z  dyrektywą Ecolab, które są odporne na działanie agresywnych środków myjących. Dzięki wysokiemu stopniowi ochrony IP69K czujniki te można z powodzeniem stosować m.in. w przemyśle spożywczym, gdzie używane są parowe i  wysokociśnieniowe urządzenia myjące. Zwłaszcza w  takich aplikacjach przydaje się uszczelniony, a  co za tym idzie odporny na korozję, zatrzask magnetyczny, w porównaniu do powszechnie używanych rozwiązań zewnętrznych.

RFID nie tylko dla czujników Czujniki RSS 36 są coraz bardziej popularne na rynku, a projektanci komponentów bezpieczeństwa wciąż projektują nowe rozwiązania. Tutaj opisano tylko rozwiązania służące do zatrzymania maszyny w chwili otwarcia osłony bezpieczeństwa. Ale czas dobiegu maszyny często jest na tyle długi, że samo

98

Fot. 5. AZM 300: innowacyjna blokada elektromagnetyczna – wszystkie zalety czujników RFID oraz funkcja ryglowania osłon

wykrywanie otwarcia nie wystarczy do zabezpieczenia operatora. W takich przypadkach należy stosować tzw. blokady elektromagnetyczne, które ryglują osłonę do czasu zatrzymania niebezpiecznego ruchu. Dlaczego zatem nie wykorzystać wymienionych zalet technologii RFID także w  blokadach? Efektem rozważań jest nowatorska blokada elektromagnetyczna AZM 300 (fot. 5). Ma ona wszystkie zalety czujników CSS i  RSS – dużą tolerancję niedopasowania osłon, możliwość łączenia szeregowego (wraz z  czujnikami CSS i  RSS) do 31 urządzeń bez obniżenia poziomu bezpieczeństwa, trzy warianty kodowania aktywatora, wysoki stopień ochrony i odpowiednią dla zastosowań spożywczych konstrukcję, a także wytrzymałą obudowę, która może służyć jako zderzak krańcowy dla niewielkich osłon.

Manipulacja i kodowanie w normach Nie tylko producenci osprzętu bezpieczeństwa, ale także jednostki normalizacyjne zareagowały na publikowane wyniki badań, zwiększając nacisk na ochronę przeciw manipulacjom przy pracy. W ten sposób w normie zastępującej dotychczasową EN 1088 (Bezpieczeństwo maszyn – Urządzenia blokujące sprzężone z  osłonami – Zasady projektowania i  doboru), tzn. EN ISO 14119 znalazły się zapisy dotyczące tego problemu. Norma EN ISO 14119, obecnie poddana dyskusji w Komitetach Technicznych, zawiera wskazówki, które powinien stosować projektant, by zapobiec możliwym do przewidzenia przypadkom manipulacji. Norma obejmuje m.in. podstawowe środki, takie jak bezpieczny montaż i ochrona przed przypadkowym obluzowaniem wyłączników, krzywek oraz aktywatorów. Co więcej, wraz z normą opublikowana została lista kontrolna, pomagająca zidentyfikować sytuacje zachęcające do manipulacji – z punktu widzenia operatora. Projekt nowej normy pokazuje, że jednostki normalizacyjne uważają kodowane czujniki bezpieczeństwa za dobry środek ograniczający ryzyko manipulacji oraz zapewniający dalsze polepszenie bezpieczeństwa maszyn. Konstruktorzy mają do dyspozycji wiele różnorodnych rozwiązań, z których niektóre zostały opisane.

SCHMERSAL-POLSKA sp. j. www.schmersal.pl

Fot. Schmersal-Polska

W wersji podstawowej czujnik RSS 36 (fot. 4) współpracuje z każdym aktywatorem z tej serii. Druga wersja akceptuje jedynie aktywator, który został sparowany z czujnikiem podczas pierwszego uruchomienia systemu. W  trzecim wariancie proces parowania może być powtarzany dowolnie wiele razy. Użytkownik może wybrać opcję najlepiej dopasowaną do swoich wymagań. Jednocześnie określony zostaje stopień odporności na manipulacje przez pracowników próbujących obejść system bezpieczeństwa. Wszystko to dzięki zastosowaniu technologii RFID w czujnikach bezpieczeństwa.


szkolenia      rynek i technologie

TRIZ przepisem na sukces Wywiad z Łukaszem Syską, dyrektorem do spraw projektów krajowych w Świętokrzyskim Centrum Innowacji i Transferu Technologii Sp. z o.o.   – Liderem projektu „Akademia TRIZ dla biznesu”.

Świętokrzyskie Centrum Innowacji i Transferu Technologii Sp. z o.o. wraz z Urzędem Marszałkowskim Województwa Świętokrzyskiego oraz Centrum Transferu Technologii Politechniki Krakowskiej realizuje od stycznia bieżącego roku projekt „Akademia TRIZ dla biznesu”. Na czym dokładnie polega Teoria Rozwiązywania Innowacyjnych Zadań? Metoda ta jest określana jako empiryczna metoda wynalazcza, która opiera się na

Fot. Schmersal-Polska

Magdalena Dziubek, kierownik lokalny projektu z Centrum Transferu Technologii Politechniki Krakowskiej na temat przystąpienia do projektu „Akademia TRIZ dla biznesu”: Jesteśmy przekonani, iż metoda ta pozwoli na zwiększenie konkurencyjności firm. Każde przedsiębiorstwo powinno mieć grupę pracowników wyszkolonych w TRIZ, zajmujących się kreowaniem nowego produktu, usługi, technologii i organizacji pracy, a także analizą rynku, m.in. na podstawie krzywej S-kształtnej. Pozwala to optymalizować koszty, poprawiać jakość produktów i wydajność procesów technologicznych. W metodyce TRIZ liczba prób ogranicza się do kilkunastu, a czas nie przekracza kilku tygodni, nawet przy najtrudniejszych problemach. Schematyczne podejście do problemów może dać sukces tam, gdzie wymagana jest wprawa i doświadczenie oraz gdy chodzi o nowy produkt, usługę, technologię. TRIZ to bezinwestycyjny duży „skok” w kreatywność i „kopalnia pomysłów”.

analizie tysięcy przypadków uzyskanych patentów. Została zaprojektowana tak, aby pokonać barierę psychiczną tkwiącą w ludzkich przyzwyczajeniach, wynikającą z kanonów edukacji czy powszechnych paradygmatów. TRIZ to metoda szeroko rozpowszechniona i doceniana na świecie. To standard obowiązujący w wiodących przedsiębiorstwach, takich jak: Samsung, Toyota, Pratt & Whitney, Boening, Hewlett Packard, IBM, Motorola, Xerox. Zalety tej metodologii są niezaprzeczalne: nie generuje niepotrzebnych kosztów, oferuje prostotę uzyskiwanych rozwiązań, inspiruje innowacyjność, ułatwia wdrażanie nowych technologii i wręcz rewolucyjnie poprawia funkcjonowanie firm. Zakładacie, że w Waszym projekcie weźmie udział minimum 80 przedsiębiorców. Czy ofertę kierujecie zarówno do dużych, jak i małych przedsiębiorstw? W czym projekt ma im pomóc? Projektem mogą zostać objęci wszyscy przedsiębiorcy, niezależnie od wielkości firmy i rodzaju prowadzonej działalności. Metodę TRIZ zastosowano już w tysiącach przedsiębiorstw na całym świecie. Dzięki niej przedsiębiorstwom łatwiej się rozwijać i osiągać sukces. Dlaczego warto wdrożyć TRIZ do swojego biznesu? Czy ta metoda daje gotowe rozwiązania i gotowy przepis na sukces? Metodyka TRIZ eliminuje etapy prób i błędów, prowadzące do zbyt dużej liczby poszukiwań i kosztownych eksperymentów poprzedzających wdrożenie nowego produktu.

Kazimierz Kotowski, członek Zarządu Województwa Świętokrzyskiego o tym, dlaczego Urząd Marszałkowski dołączył do realizacji projektu: Samorząd Województwa Świętokrzyskiego zawsze chętnie uczestniczy w różnego rodzaju przedsięwzięciach mających na celu czynne i efektywne wspieranie rozwoju przedsiębiorczości w regionie, czy to w formie bezpośredniej czy też pośredniej. To, co przesądziło o przystąpieniu samorządu do współrealizacji tego projektu, to unikalny na skalę kraju, a jednocześnie nowatorski i praktyczny wymiar tego przedsięwzięcia. Należy podkreślić, że metodyka TRIZ cieszy się wielkim uznaniem wśród inżynierów, konstruktorów i menedżerów na całym świecie, a jej skuteczność została potwierdzona przez wiele firm, które używają jej na co dzień w prowadzonej działalności odnosząc coraz większe sukcesy. Obok takich argumentów nie można przejść obojętnie.

Jednym z istotnych skutków wdrożenia metodyki TRIZ jest znaczna redukcja czasu i kosztów realizacji nowych wdrożeń. Krótko mówiąc – metoda TRIZ nie jest panaceum na każdy problem przedsiębiorstwa, ale dzięki prostocie pozwala w efektywny i, co najważniejsze, w tani sposób rozwiązać wiele problemów organizacyjnych, technicznych itp. w firmie. Planujecie zorganizować szereg spotkań dla przedstawicieli przedsiębiorstw. W jaki sposób chcecie im przekazać metodę TRIZ? TRIZ dopiero dociera do Polski. Czy macie wykwalifikowanych doradców? ŚCITT od wielu lat współpracuje z Janem Boratyńskim, ekspertem mającym, jako jedyny w Polsce, III stopień certyfikacji TRIZ nadawany przez MATRIZ (Międzynarodową Asocjację TRIZ). Jednocześnie projekt umożliwił wyszkolenie kolejnych specjalistów TRIZ w kraju. W szkoleniu na I stopień certyfikacji wzięło udział ponad 25 osób, a na II stopień – 15 osób. Ponadto mamy w planach powołanie fundacji TRIZ, która pozwoli na udział Polski w strukturach międzynarodowych. Liczymy, że działania te pozwolą na dynamiczny rozwój i popularyzację metody TRIZ w naszym kraju.  W kolejnych czterech wywiadach zostaną przybliżone praktyczne aspekty zastosowania TRIZ w biznesie.

„Akademia TRIZ dla biznesu” Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej wramach Europejskiego Funduszu Społecznego Poddziałanie 2.2.1 „Poprawa jakości usług świadczonych przez instytucje wspierające rozwój przedsiębiorczości iinnowacyjności” Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

Promocja

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

99


rynek i technologie      SYSTEMY ZDALNEGO ODCZYTU I KONTROLI

Symulacja wykonana dla karoserii. Zielona kropka symbolizuje głowicę zapisująco-odczytującą. Pomarańczowe i czerwone pola pokazują optymalne położenie nośnika danych

Firma Turck opracowała oprogramowanie symulacyjne umożliwiające kompleksowe planowanie instalacji RFID UHF, w którym zastosowano algorytm wizualizacji pól.

Jednym z największych wyzwań w procesie planowania i  instalacji rozwiązań RFID pracujących w  paśmie UHF (860–960 MHz) jest wybranie idealnej lokalizacji i  optymalnych parametrów pracy dla głowic zapisująco-odczytujących. Ze względu na fakt, że zasięg jest znacznie większy niż w paśmie HF, wszelkie źródła zakłóceń znajdujące się w pobliżu mogą mieć wpływ na niepoprawny odczyt nośników danych. Zasięg głowic zapisująco-odczytujących UHF w  danej aplikacji może znacznie różnić się od wartości uzyskiwanych w warunkach laboratoryjnych. W  rzeczywistości propagacja fal radiowych zależy od ustawienia ścian, sufitów i  innych obiektów, które mogą tłumić lub odbijać fale. Dla przykładu szczególnie dobrze odbijają je obiekty metalowe, co może w  szczególnych przypadkach prowadzić do powstawania nakładających się fal (interferencji). Te z  kolei mogą mieć pozytywny lub negatywny wpływ na dostępność nośników danych. Warunki otoczenia mogą mieć kluczowy wpływ na osiągi systemu RFID. W rezultacie nośniki danych mogą być niedostępne w sposób ciągły

100

Promocja

lub okresowy, zależnie od zróżnicowanego w czasie wzmocnienia zakłóceń. W  przypadku, gdy w  jednej aplikacji UHF zastosuje się kilka głowic zapisująco-odczytujących, prawdopodobieństwo wystąpienia interferencji zwiększa się ze względu na niezsynchronizowaną, równoległą pracę urządzeń będących źródłem transmisji. Ponadto większość aplikacji przemysłowych jest na tyle skomplikowana, że nie sposób precyzyjnie przewidzieć, w którym momencie nośnik danych UHF będzie adresowany w trybie odczytu lub zapisu. Określanie optymalnego miejsca montażu systemu RFID UHF bazuje jak dotychczas na oszacowaniach, wartościach empirycznych oraz – w pewnym zakresie – intuicji. Osoby planujące instalację UHF są zmuszone testować zaplanowany układ systemu w określonych warunkach. W  tym celu wymagane jest wykonanie kompletnej instalacji, co zabiera czas i generuje koszty. W  przypadku uzyskania niezadowalających wyników cały proces należy powtarzać w celu określenia odpowiedniej pozycji poszczególnych komponentów systemu.

TURCK Sp. z o.o. tel. 77 443 48 00 e-mail: poland@turck.com www.turck.pl

Fot. Turck

Bezbłędne RFID

Dzięki zastosowaniu oprogramowania firmy Turck można skrócić cały proces i zmniejszyć nakład czasu oraz środków poświęcanych na określenie optymalnej pozycji systemu. Oprogramowanie realizuje kalkulację propagacji fal radiowych UHF, kompleksowo uwzględniając warunki otoczenia. W obliczeniach jest stosowany specjalny algorytm, umożliwiający graficzną wizualizację poziomu energii elektromagnetycznej docierającej do pasywnych nośników danych RFID. Dzięki temu software, uwzględniając warunki aplikacji, dostarcza m.in. odpowiedzi na pytania: gdzie w danym pomieszczeniu znajduje się optymalne miejsce na instalację głowicy zapisująco-odczytującej, jak zapobiegać niechcianym odczytom nośników danych z innych obszarów oraz jak wpływają na aplikację poruszające się w okolicy obiekty/pojazdy. Odpowiedzi na postawione pytania można szybciej uzyskać za pomocą nowego oprogramowania niż w drodze wykonywania pracochłonnych testów praktycznych. To główna korzyść, jaką niesie ze sobą software firmy Turck dla aplikacji RFID w  paśmie UHF. W ten sposób zwiększa się bezpieczeństwo planowania w  zakresie oceny systemu i  analizy wykonalności. Jest to szczególnie istotne dla złożonych aplikacji RFID UHF. Bezspornie nowe oprogramowanie gwarantuje znaczne oszczędności w  planowaniu i testowaniu systemów RFID.


Modułowy systeM RFId

www.turck.com

 Prosty w użyciu, dzięki budowie modułowej

oraz zoptymalizowanym głowicom zapisującoodczytującym

 Możliwość połączenia technologii UHF i HF w jednej stacji

 Różne wersje nośników danych EEPROM/FRAM, o wysokiej żywotności, również dla aplikacji specjalnych

 Gateway’e i moduły I/O dla różnych protokołów sieciowych - dostępne również w wersjach programowalnych

Sense it! Connect it! Bus it! Solve it!

Turck sp. z o.o. ul. Wrocławska 115 45-836 Opole Tel. +48 77 443 48 00, Fax 01 E-mail: poland@turck.com www.turck.pl


Nowości      wyposażenie

Nowe zamki szybkiego montażu CQT.FM Firma Elesa+Ganter oferuje trzy nowe typy zamków szybkiego montażu. Ich niekwestionowaną zaletą jest konstrukcja, która pozwala na instalację bez użycia dodatkowych narzędzi. Umożliwiają to specjalne zatrzaski, które po przejściu przez otwór blokują się na jego wewnętrznej krawędzi. Zamki tego typu mają w standardzie silikonową uszczelkę gwarantującą stopień ochrony IP65.

Sposób instalacji zamków szybkiego montażu

konieczności montowania dodatkowych części. Podobnie jak poprzednik występuje w dwóch odmianach – z kluczem dwuskrzydłowym oraz kluczem trójkątnym. Trzeci z nowych typów zamków to CSL.FM, wyróżniający się zamkiem na klucz płaski, który dostępny jest w dwóch wersjach: • CSL – zamki z 400 różnymi kombinacjami klucza, Zamek CQTF.FM-AE-V0

Kolejny model zamków szybkiego montażu to CQTL.FM. Ze względu na materiały, z jakich został wykonany – technopolimer na bazie poliamidu oraz nierdzewna rozeta – ma zastosowanie w miejscach narażonych na korozję. Dodatkowo płyta przednia wyposażona jest w uchwyt, który pozwala na otwarcie drzwi lub osłony bez

102

Promocja

• CLSU – zamki o tym samym numerze klucza (wszystkie zamki mogą być otwarte tym samym kluczem). Zamek CSL.FM został wykonany z następujących materiałów: korpus to wzmocniony włóknem szklanym technopolimer na bazie poliamidu, nierdzewna przednia płyta, stalowe, ocynkowane pierścień rozprężny i dźwignia zamykająca oraz pozostałe stalowe elementy chromowane. Tak samo, jak opisany wcześniej zamek CQTL.FM ma uchwyt umożliwiający otwarcie drzwi, bez konieczności instalowania innych elementów.

ELESA+GANTER Polska Sp. z o.o. tel. 22 737-70-47 fax 22 737-70-48 e-mail: egp@elesa-ganter.com.pl www.elesa-ganter.pl Zamek CQTL.FM

www.elesa-ganter.info.pl

Fot. Elesa + Ganter

Pierwszy z nowych produktów to CQTF. FM-AE-V0 z charakterystyczną, prostokątną płytą przednią. Jego konstrukcja (z wyłączeniem pierścienia rozprężnego ze stali nierdzewnej) wykonana jest z samogasnącego technopolimeru na bazie poliamidu, zgodnego z certyfikatem UL-94 V0. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie tego modelu w miejscach użyteczności publicznej. Jest on dostępny z kluczem o profilu dwuskrzydłowym lub trójkątnym.

Zamek CSL.FM


MHz

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 7–8/2013

103


Wydarzenia      zapowiedzi

Seminaria naukowe PIAP Semestr XLI „Jesień 2013” Nowości w dziedzinie automatyki, robotyki i przemysłowej techniki pomiarowej 15 października 2013 r. (wtorek) godz. 1100 „Metody metaheurystyczne: czym są i jak je porównywać” – prof. dr hab. inż. Jarosław Arabas, Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska W referacie zostaną scharakteryzowane cechy, jakie przejawiają metody metaheurystyczne w zależności od sposobu realizacji modułów selekcji i generacji oraz od rodzaju użytego modelu. Zostaną przedstawione przykłady opisu niektórych popularnych metaheurystyk (np. algorytmów ewolucyjnych lub memetycznych) w przedstawionej ogólnej strukturze metaheurystyki. Będzie również poruszone zagadnienie konstrukcji złożonych metaheurystyk poprzez łączenie elementów wywiedzionych z różnych od siebie technik.

22 października 2013 r. (wtorek) godz. 1100 „Zastosowanie sprzężonych sensorów ruchu typu MEMS do konstrukcji zadajnika ruchu robota ROCH-1” – dr inż. Ryszard Leniowski, Katedra Informatyki i Automatyki, Politechnika Rzeszowska Praca prezentuje alternatywne podejście do konstrukcji zadajnika trajektorii robota chirurgicznego, polegające na wykorzystaniu sprzężonych sensorów ruchu typu MEMS: kompasu, żyroskopu, akcelerometru. Zadajnik tego typu jest bardzo mały i łatwy do zastosowania w systemie mobilnym (karetka pogotowia, polowy ambulans wojskowy).

5 listopada 2013 r. (wtorek) godz. 1100 „Specjalizowane manipulatory FESTO” – dr inż. Zbigniew Chudzik, firma FESTO Nowa generacja specjalizowanych manipulatorów typu Portal-H, Portal-T oraz Tripod uzupełnia możliwości stan-

104

dardowych manipulatorów kartezjańskich oraz zapewnienia znaczący wzrost wydajności. Dzięki optymalizacji konstrukcji mechanicznej i zaawansowanym algorytmom sterowania manipulatory te pozwalają uzyskać najkrótsze czasy cyklu przy jednoczesnym zapewnieniu łatwego i przejrzystego interfejsu konfiguracji i uruchomienia.

19 listopada 2013 r. (wtorek) godz. 1100 „Kierunki rozwoju robotów inżynieryjnych – prace Katedry Budowy Maszyn WAT” – prof. dr hab. inż. Lucjan Śnieżek, dr inż. Marian Janusz Łopatka, Katedra Budowy Maszyn, Wojskowa Akademia Techniczna W wystąpieniu przedstawione zostaną główne kierunki badań naukowych oraz prac badawczo-rozwojowych realizowanych w Katedrze Budowy Maszyn WAT w zakresie robotyzacji Wojsk Inżynieryjnych. Ponadto będą zaprezentowane zbudowane w WAT platformy bezzałogowe – demonstratory technologii – oraz wskazane zostaną przyszłe obszary rozwoju robotów i platform inżynieryjnych.

3 grudnia 2013 r. (wtorek) godz. 1100 Wybrane przykłady wdrożeń przemysłowych PIAP „Struktury kinematyczne stołu do pionizacji pacjentów z funkcjami rehabilitacji kończyn dolnych” – mgr inż. Dariusz Grabowski, mgr inż. Wojciech Klimasara, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Zostaną zaprezentowane modele struktur kinematycznych stołu do pionizacji pacjentów, z funkcją rehabilitacji kończyn dolnych. Przedstawione zostaną przykłady dostępnych na rynku i w placówkach medycznych rozwiązań stołów

do pionizacji. Krótka analiza wariantów rozwiązań poszczególnych struktur kinematycznych wykaże ich wpływ na funkcjonowanie i budowę stołu oraz bezpieczeństwo pacjenta i fizjoterapeuty. „Wielofunkcyjny, zrobotyzowany system paletyzacji opakowań szklanych” – mgr inż. Łukasz Araszkiewicz, mgr inż. Ignacy Bojanek, mgr inż. Dariusz Grabowski, mgr inż. Piotr Kostrzewa, mgr inż. Arkadiusz Myśliwiec, mgr inż. Robert Matejek, mgr inż. Lech Nowakowski, mgr inż. Marek Pachuta, Tomisław Joniuk, Tomasz Koźbiał, Michał Zychowicz, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Zostanie przedstawiony zrobotyzowany, wielofunkcyjny system automatycznej paletyzacji pojedynczej i paletyzacji w zgrzewkach opakowań szklanych o skomplikowanych kształtach, który specjaliści PIAP zaprojektowali, wykonali i zainstalowali w zakładach produkujących opakowania szklane.

17 grudnia 2013 r. (wtorek) godz. 1100 „Elegancja językowa” – prof. Małgorzata Marcjanik, kierownik Zakładu Retoryki Dziennikarskiej Instytutu Dziennikarstwa, Uniwersytet Warszawski Przedmiotem referatu będzie grzeczność językowa, będąca składnikiem kompetencji komunikacyjnej (kulturowej) użytkowników języka polskiego. Omówione zostaną zwłaszcza te współczesne zachowania grzecznościowe, z którymi Polacy mają kłopoty wynikające ze zmian obyczajowych po 1989 r. Celem referatu jest przedstawienie sposobów kształtowania wizerunku eleganckiego językowo człowieka.


7 stycznia 2014 r. (wtorek) godz. 1100 „Potencjał algorytmów regulacji predykcyjnej” – dr hab. inż. Maciej Ławryńczuk, Instytut Automatyki i Informatyki Stosowanej, Politechnika Warszawska W prezentacji omówiona zostanie ogólna zasada działania algorytmów regulacji predykcyjnej, krótko scharakteryzowane będą ich główne odmiany, w tym algorytmy bazujące na modelach liniowych oraz nieliniowych, a ponadto zostaną przedstawione szerokie możliwości ich praktycznego zastosowania. W szczególności omówione będą doświadczenia Instytutu Automatyki i Informatyki Stosowanej zdobyte podczas prac badawczo-rozwojowych, polegających na projektowaniu algorytmów regulacji predykcyjnej procesów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji.

14 stycznia 2014 r. (wtorek) godz. 1100 Sesja dotycząca problematyki robotowej, organizowana wspólnie przez Komitet Robotyki Polskiego Stowarzyszenia Pomiarów, Automatyki i Robotyki POLSPAR i PIAP „Badania mobilnego systemu wspomagąjącego projektowanie przestrzenne” – dr inż. Janusz Będkowski, Instytut Maszyn Matematycznych

Tematem wystąpienia będą badania Mobilnego Systemu wyposażonego w laserowy system pomiarowy 3D i realizującego zadanie wspomagania projektowania przestrzennego. Badania o charakterze podstawowym są realizowane w ramach projektu NCN „Metodyka tworzenia modeli semantycznych na podstawie obserwacji robota mobilnego” 2012–2015, natomiast wdrożenie kilku metod nastąpi w ramach projektu NCBiR LIDER 4 „Badania Mobilnego Systemu Wspomagającego Projektowanie Przestrzenne” 2013–2016.

robota. Będą też zaprezentowane podsystemy robota i wybrane rozwiązania techniczne zastosowane w konstrukcji. „Robot mobilny o zwiększonej funkcjonalności (RMF) – duży robot w systemie PROTEUS” – mgr inż. Sebastian Pawłowski, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Na seminarium zostanie przedstawiona budowa robota o roboczej nazwie „Robot Mobilny o Zwiększonej Funkcjonalności – RMF”. Przedstawione zostaną podstawowe dane techniczne i funkcjonalne. Omówione będzie również wyposażenie dodatkowe dedykowane do tego robota.

„Robot mobilny interwencyjny – średni robot systemu PROTEUS” – mgr inż. Tomasz Krakówka, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP W wystąpieniu zostanie opisana konstrukcja nowego robota o roboczej nazwie „Robot Mobilny Interwencyjny”. Zostaną przedstawione podstawowe funkcje, parametry techniczne oraz unikalne cechy

dr inż. Jadwiga Konopa Sekretarz naukowy seminariów Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP tel. 22 874 02 05 e-mail: jkonopa@piap.pl

Seminaria odbywają się w Centrum Konferencyjnym Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie, Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa. Kontakt: sekretarz naukowy seminariów – dr inż. Jadwiga Konopa: tel. 87 40 205, e-mail: jkonopa@piap.pl. Sekretariat seminariów: tel. 87 40 066. Streszczenia referatów znajdują się na stronie www.piap.pl -> działalność naukowa -> seminaria

REKLAMA

Młodzi Innowacyjni na start!

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP ogłasza konkurs na najlepsze rozprawy doktorskie oraz prace dyplomowe magisterskie i inżynierskie z dziedziny automatyki, robotyki i pomiarów

Młodzi Innowacyjni 2014 To już szósta edycja tego cieszącego się ogromnym zainteresowaniem środowiska akademickiego konkursu, który w poprzednich latach zgromadził dużą liczbę uczestników.

Finał obecnej edycji konkursu odbędzie się 26 marca 2014 r., podczas XVIII Konferencji Naukowo-Technicznej AUTOMATION 2014.

W pierwszej edycji konkursu Młodzi Innowacyjni 2009 komisja konkursowa, złożona z autorytetów naukowych, zakwalifikowała 52 prace magisterskie i inżynierskie, rok później do konkursu Młodzi Innowacyjni 2010 dopuszczono 62 prace, w tym 12 prac doktorskich oraz 50 prac inżynierskich i magisterskich. Trzecia edycja konkursu Młodzi Innowacyjni 2011 zgromadziła 52 prace, w tym 7 prac doktorskich. W czwartej edycji oceniono 44 prace, w tym 15 prac doktorskich, 17 prac magisterskich oraz 12 prac inżynierskich. Do zeszłorocznej edycji konkursu Młodzi Innowacyjni 2013 zgłoszono rekordową liczbę 116 prac – 17 prac doktorskich, 42 prace magisterskie i 57 prac inżynierskich. W tym czasie zaprezentowane zostały prace z 28 polskich uczelni.

Termin nadsyłania prac upływa 23 lutego 2014 r.

Wyniki konkursu pokazały, że możemy spokojnie patrzeć w przyszłość – polska nauka, polscy inżynierowie mają dobry warsztat, znakomite podstawy teoretyczne i ambicje, by rozwijać innowacyjne technologie w wielu dziedzinach, bez kompleksów konkurując z kolegami z krajów Europy Zachodniej i Stanów Zjednoczonych.

Na konkurs można zgłaszać prace obronione po 1 stycznia 2012 r. Formularze zgłoszeniowe znajdują się na stronie www.piap.pl. Wszelkie pytania prosimy kierować na adres e-mail: konkurs@piap.pl. Patronem medialnym konkursu jest miesięcznik naukowo-techniczny Pomiary Automatyka Robotyka PAR.

Organizator i sponsor Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, utworzony w 1965 r., opracowywał i wdrażał nowe technologie, systemy automatyki, urządzenia produkcyjne i specjalistycznej aparatury kontrolno-pomiarowej. Obecnie realizuje transfer nowoczesnych opracowań własnych oraz współpracujących ośrodków naukowo-technicznych – krajowych i zagranicznych.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

105


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Odbiorniki GNSS w praktyce inżynierskiej Wpływ typu anteny na jakość pomiarów GNSS Arkadiusz Perski*, Artur Wieczyński*, Maria Baczyńska* Konrad Bożek**, Sławomir Kapelko**, Sebastian Pawłowski** *Ośrodek Systemów Bezpieczeństwa, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP **Ośrodek Systemów Mobilnych, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W trzecim z serii artykułów przedstawiono wyniki badań stacjonarnych sześciu jednakowych odbiorników odbierających w tym samym czasie sygnały GNSS za pomocą anten różnych typów. Badania wykonano z wykorzystaniem płyt ewaluacyjnych wyposażonych w nowoczesne, jednoczęstotliwościowe odbiorniki GNSS skonfigurowane do pracy w trybie „wyłącznie GPS”. W trakcie badań wykonano trzy sesje pomiarowe w środowiskach o zróżnicowanym stopniu utrudnienia odbioru sygnałów GNSS. Uzyskane wyniki wskazują, że w aplikacjach przeznaczonych na rynek masowy wykorzystujących tanie odbiorniki GNSS właściwy dobór anteny może istotnie poprawić jakość i funkcjonalność produktu. Słowa kluczowe: GPS, GNSS, antena, zakłócenia wielodrogowości sygnału, patch, choke ring, stealth, badania stacjonarne, błąd wyznaczania pozycji 2DRMS

arunki pracy odbiornika sygnału radiowego w znacznym stopniu zależą od parametrów anteny (charakterystyka promieniowania, dopasowanie impedancyjne) oraz jakości elementów składających się na pozostałą część toru antenowego. Dotyczy to również odbiorników GNSS, gdzie właściwie dopasowana do wymagań aplikacji antena jest bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na uzyskiwane wskazania rozwiązania nawigacyjnego, a ściślej definiując, na pozycję geograficzną centrum fazowego podłączonej do odbiornika anteny. Oprócz aspektów wynikających z czysto elektromagnetycznych parametrów anten (tj. kształt charakterystyk promieniowania, zysk energetyczny, dopasowanie polaryzacyjne), projektant aplikacji wykorzystujących odbiorniki GNSS musi uwzględnić również szereg innych czynników, przede wszystkim tych specyficznych dla systemów nawigacji satelitarnej (m.in. zapewnienie antenie dobrej widoczności nieboskłonu) równie istotnie wpływających na jakość pracy całego urządzenia. W typowych zastosowaniach mobilnych należy sobie odpowiedzieć na trzy pytania: –– w jakim położeniu będzie najczęściej znajdowała się antena (np. czy będzie umiejscowiona w określonej konfiguracji, np. na relatywnie dużej, metalowej powierzchni,

106

skierowana ku górze, czy też jej orientacja w przestrzeni może być zupełnie dowolna), –– w jakich warunkach będzie pracować (np. spodziewane maksymalne prędkości i dynamika ich zmian) oraz jakie są związane z nimi ograniczenia determinujące jej kształt (np. dobra opływowość strug powietrza), –– wymiary fizyczne, odporność na warunki środowiskowe (praca w szerokim zakresie temperatur, przy dużej wilgotności, w środowisku agresywnym, przy narażeniu na promieniowanie UV, co określa wymagania odnoszące się do obudowy anteny, a także jej szczelności), szczególnie istotne dla anten np. do zastosowań w lotnictwie czy w żegludze morskiej. W najbardziej wymagających aplikacjach stacjonarnych, jakimi są stacje referencyjne (do zastosowań geodezji satelitarnej, stacje precyzyjnego pomiaru czasu) szczególnie istotne wydają się być zupełnie inne aspekty: –– stabilność centrum fazowego anteny, –– stopień eliminacji zakłóceń związanych z wielodrogowością sygnału, –– wpływ długości toru antenowego (przy ultraprecyzyjnych pomiarach czasu wykorzystywanych do synchronizacji systemów).

1. Podstawowy podział anten GNSS 1.1. Podział ze względu na rodzaj charakterystyki promieniowania

Jak każda antena, anteny stosowane w systemach GNSS mają określone charakterystyki promieniowania (zdolność do odbierania sygnałów z różnym skutkiem, w zależności od kierunku, z którego nadchodzi fala elektromagnetyczna). Charakterystyka promieniowania anteny jest polem skalarnym w przestrzeni dwuwymiarowej (argumenty j – kąt azymutu, q – kąt elewacji). Ma postać zamkniętej powierzchni w układzie współrzędnych, w którego środku znajduje się antena, określoną równaniem we współrzędnych sferycznych j, q, r. W tej reprezentacji j i q są zmiennymi niezależnymi, natomiast r określona jest przez wartość charakterystyki promieniowania tejże anteny dla danych j i q. W praktyce inżynierskiej rzadko podaje się charakterystyki w przedstawionej formie (wyjątkiem są dane w postaci


numerycznej znajdujące się w opracowanych dla konkretnego modelu anteny plikach komputerowych) ze względu na brak możliwości ich graficznego przedstawienia na płaszczyźnie dwuwymiarowej z dostateczną dokładnością i w sposób jednoznaczny. Z tego powodu w dokumentacji podaje się zazwyczaj przekroje charakterystyk promieniowania w dwóch ortogonalnych względem siebie płaszczyznach. W przypadku anten o liniowej polaryzacji charakterystyki określa się zazwyczaj w płaszczyznach pola elektrycznego E (płaszczyźnie, w której „zamykają się” linie pola elektrycznego) oraz pola magnetycznego H (płaszczyźnie, w której „zamykają się” linie pola magnetycznego) określane jako płaszczyzny pola magnetycznego H. Płaszczyzny te są wzajemnie ortogonalne. Ze względu na przyjętą w systemach GNSS kołową polaryzację anten, nie można określić płaszczyzn promieniowania jako E i H. Mimo to również w odniesieniu do tego typu anten ich charakterystyki prezentuje się jako dwuwymiarowe przekroje. Zazwyczaj przyjmuje się płaszczyzny, na których przecięciu znajduje się maksimum promieniowania anteny (wszak w większości zastosowań kierunek ten interesuje nas najbardziej). W antenach systemów GNSS, w kontekście możliwych zakłóceń powstałych w wyniku zjawiska wielodrogowości sygnału radiowego, należy zwrócić uwagę na charakterystykę anteny dla kierunków, z których nie nadchodzi do anteny fala bezpośrednio z satelity, lecz po uprzednim odbiciu od okolicznych przeszkód. Ten niuans jest wyznacznikiem jakości anteny. Projektując antenę przeznaczoną do odbiorników GNSS, nie maksymalizuje się jej zysku (do czego jedyna drogą prowadzi poprzez zawężenie charakterystyki promieniowania), lecz stara się, aby charakterystyka dla kątów elewacji powyżej określonej wartości (np. 5°) była możliwie równomierna, natomiast poniżej tego kąta, możliwie szybko jej wartość malała. Wobec powyższego, według podziału anten GNSS ze względu na charakterystykę promieniowania wyróżniamy proste i tanie anteny stosowane w urządzeniach przenośnych, oraz anteny stacjonarne, w których poza elementem czynnym (promiennikiem) znajduje się struktura współosiowych cylindrycznych dławików ćwierćfalowych (tzw. choke rings) zapewniających duże tłumienie sygnałów nadchodzących do anteny z kierunków leżących poniżej granicznego kąta elewacji.

1.2. Podział ze względu na konstrukcję mechaniczną

W niektórych rodzajach aplikacji projektantowi zależy przede wszystkim na tym, aby odebrać sygnały GNSS i tym samym wyznaczyć pozycję nawet z relatywnie dużym błędem, nie dbając o jakość sygnału. Taka sytuacja ma miejsce w nawigacji samochodowej, gdzie wykorzystując potencjalnie duże możliwości obliczeniowe procesora nawigacji pozwalające na zastosowanie odpowiedniego algorytmu filtrowania oraz dostępność dobrej jakości podkładu mapowego, można pozycję „przykleić” (ang. map matching) do mapy, dając użytkownikowi złudzenie precyzyjnego wskazania. Tutaj system antenowy jest prostszy i wykorzystuje się zwykłe anteny typu „patch” (określane

jako anteny mikropaskowe, tj. zbudowane w technologii linii mikropaskowych) wlutowane bezpośrednio w płytę PCB blisko chipsetu GNSS. Swoim rozmiarem i kształtem przypominają znaczek pocztowy. Koszt takich anten oscyluje w granicach kilkunastu PLN. Przeciwieństwem podanego przykładu są stacje referencyjne, w których odbiornik GNSS znajduje się w pomieszczeniach o ustabilizowanych warunkach środowiskowych, i zazwyczaj oddalony jest o wiele metrów od anteny. Antenę łączy się z odbiornikiem za pomocą kabla współosiowego, wnoszącego stałe opóźnienie sygnału w zmieniających się warunkach środowiskowych oraz charakteryzującego się brakiem dyspersji. W celu poprawy odstępu sygnału do szumu stosuje się wzmacniacze niskoszumne umiejscawiane przy antenie, co do jakości których również stawiane są restrykcyjne wymagania. Tor antenowy musi być bardzo dobrze dopasowany impedancyjnie, aby powstające w nim odbicia nie zdegradowały jakości odebranego sygnału. Spełnienie powyższych kryteriów wiąże się zazwyczaj z koniecznością stosowania bardzo drogich i zaawansowanych technicznie rozwiązań, w których same anteny mają z reguły stosunkowo duże gabaryty (masa rzędu 8 kg), a ich koszt zaczyna się od kilkunastu tysięcy PLN za sztukę. Rozwiązaniem pośrednim są anteny dedykowane do precyzyjnych, ale nie tak wymagających jak stacje referencyjne zastosowań, np. do prac terenowych wykorzystujących geodezję satelitarną. Cechują się relatywnie dobrymi parametrami, dużą odpornością na czynniki atmosferyczne i mechaniczne, a ich wymiary pozwalają na swobodne montowanie na zestawach przenoszonych przez jednego człowieka. Osobną kategorię stanowią anteny do zastosowań specjalnych, np. w lotnictwie, służbie morskiej czy wojsku. Są to anteny o przeciętnych parametrach i wymiarach. Ich wysoka cena związana jest z koniecznością uzyskania przez producenta stosownych certyfikatów pozwalających na stosowanie ich w rozwiązaniach specjalnych, oraz ze specyficznej budowy pozwalającej na ich montaż np. na samolotach. Anteny tego typu mają specjalnie uszczelnioną konstrukcję i największą odporność na niekorzystne warunki środowiskowe. Aplikacje stacjonarne, np. stacje referencyjne, wykorzystują anteny GNSS umocowane z reguły na dachach budynków. Powoduje to, że anteny narażane są na istotne wahania temperatury otoczenia, szczególnie w okresie letnim, gdzie intensywne promieniowanie słoneczne powoduje znaczne podwyższenie temperatury otoczenia. Z drugiej strony, w okresie jesienno-zimowym, anteny muszą być zabezpieczone przed opadami deszczu i zaleganiem śniegu. Wymusza to stosowanie kopuł ochronnych (ang. radome – połączenie słów radar i dome) wykonanych z materiałów minimalnie tłumiących promieniowanie mikrofalowe. W aplikacjach mobilnych najważniejsza jest wytrzymałość mechaniczna na drgania oraz upadki. Profesjonalni producenci anten podają odpowiednie parametry i normy, wymagania których spełniają ich produkty w zakresie odporności na wibracje, szok mechaniczny itp. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

107


Nauka     

1.3. Podział ze względu na przenoszone pasma częstotliwości

Globalne Systemy Nawigacji Satelitarnej (GNSS) działają w paśmie L, zdefiniowanym przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny ITU (International Telecommunication Union) jako zakres promieniowania mikrofalowego o częstotliwościach od 1 GHz do 2 GHz (długość fali 30–15 cm).

Rys. 1. Pasma częstotliwości wykorzystywane przez GNSS [9] Fig. 1. Frequency bands used by GNSS [9]

Producenci anten oferują modele jedno- i wielopasmowe, ale podstawowym pasmem wykorzystywanym przez niemal wszystkie odbiorniki GNSS jest pasmo L1. Jest to pasmo częstotliwości wykorzystywane do transmisji m.in. cywilnego kodu C/A systemu GPS, dlatego każdy odbiornik GNSS powinien być wyposażony w antenę umożliwiającą poprawny odbiór sygnałów GNSS co najmniej w tym paśmie. Drugim co do popularności pasmem używanym przez bardziej zaawansowane odbiorniki GPS jest pasmo L2. Transmitowany jest nim kod wojskowy, jednak wiele cywilnych, wieloczęstotliwościowych odbiorników wykorzystuje pewną specyficzną właściwość [2] propagacji sygnału przez atmosferę, która daje znaczącą poprawę jakości wskazań uzyskiwanych z odbiornika wykorzystującego sygnały GNSS odbierane również z tego pasma. Najnowsze generacje satelitów GPS, dopiero co wprowadzanych na orbitę, wykorzystują również trzecie pasmo L5, traktowane jako pasmo do wykorzystania w aplikacjach „Safety of Life”. Odbiorniki systemów GALILEO oraz GLONASS wykorzystują bardzo zbliżone pasma częstotliwości do systemu GPS. Najbardziej popularne typy anten mają na tyle szerokie pasmo 3 dB (tj. pasmo wokół danej częstotliwości środkowej, w obrębie którego zysk anteny nie spada bardziej niż o 3 dB), że można je stosować do odbioru dowolnego systemu GNSS bez zauważalnej różnicy w mocy odbieranego sygnału. Uzyskuje się wtedy możliwość pełnego wykorzystania odbiorników wielosystemowych, znacząco poprawiając jakość ich wskazań nawet w trudnych warunkach odbioru sygnałów GNSS.

108

1.4. Podział ze względu na sposób zasilania

Dostępne na rynku anteny GNSS to w większości anteny aktywne – anteny z wbudowanym niskoszumnym wzmacniaczem w.cz. kompensującym straty sygnału w trakcie przesyłania kablem antenowym. Anteny tego typu wymagają zasilania za pomocą podłączonej żyły gorącej kabla antenowego do źródła prądu DC (o napięciu rzędu kilku, maksymalnie kilkunastu voltów) z użyciem odpowiedniego separatora sygnału w.cz./DC. Dla aplikacji, w których antenę można instalować bezpośrednio przy chipsecie GNSS, stosuje się najczęściej pasywne anteny typu patch, nie wymagające zasilania. Przeznaczenie aplikacji tego typu zawęża się jednak tylko do rozwiązań typu „handheld”, a więc telefonów komórkowych, nawigacji turystycznych czy samochodowych, i nie jest stosowane w aplikacjach profesjonalnych.

2. Kluczowe parametry anten przeznaczonych do aplikacji precyzyjnych Omówione dalej aspekty dotyczą aplikacji wymagających najbardziej precyzyjnych wskazań pozycji i czasu, w których stosowane są zaawansowane odbiorniki wieloczęstotliwościowe. W badaniach opisanych w artykule użyto tanich odbiorników jednoczęstotliwościowych (w paśmie L1), które są przeznaczone do wykorzystania raczej na rynku masowym niż w aplikacjach profesjonalnych. Jednak wspólnym problemem dla odbiorników z obydwu obszarów rynku, istotnym z punktu widzenia warunków ich pracy, jest niekorzystne zjawisko wielodrogowości sygnału, jakie szczególnie obserwuje się w miejscach silnie zurbanizowanych. Jego wpływ może zostać ograniczony poprzez użycie anten o specyficznej konstrukcji.

Rys. 2. Powstawanie zjawiska wielodrogowości odbieranego sygnału GNSS [7] Fig. 2. Multipath effect in GNSS signals reception [7]


2.1. Techniki ograniczające wpływ zakłóceń związanych z wielodrogowością sygnału GNSS

Najczęstszym mechanizmem powodującym zakłócenia, wpływającym na jakość określania pozycji, jest zjawisko wielodrogowości sygnału GNSS, jaki dociera do anteny. Idealne warunki pracy odbiornika są wówczas, gdy sygnały odbierane przez jego antenę dochodzą bezpośrednio z satelitów GNSS. Jest to sytuacja wyidealizowana, gdyż w naturalnym środowisku do anten docierają również sygnały odbite. Z uwagi na fakt, że pomiar GNSS to pomiar stadiometryczny [2], każdy sygnał przychodzący do anteny niebezpośrednio od satelity powoduje istotne zwiększenie błędu określenia pozycji.

Rys. 3. Eliminacja niepożądanych sygnałów w antenie typu Choke Ring [7] Fig. 3. Elimination of undesirable signals in Choke Ring type antenna [7]

Rys. 4. Pochłanianie niepożądanych sygnałów w antenie wykorzystującej technologię „stealth” [7] Fig. 4. Consumption of undesirable signals in “stealth” type antenna [7]

W odbiornikach, szczególnie najbardziej zaawansowanych, stosowane są liczne techniki wykrywania i eliminowania sygnałów zakłócających (np. uwzględnianie tylko sygnału, który został odebrany najwcześniej), jednak kluczowym czynnikiem poprawiającym jakość sygnału jest odpowiednia charakterystyka anteny GNSS ograniczająca zjawisko wielodrogowości sygnału (ang. mitigation of multipath effect), uzyskana dzięki jej specyficznej konstrukcji oraz zastosowaniu odpowiednich materiałów. Anteny tego typu są jednak bardzo drogie i mają relatywnie spore gabaryty, stąd też stosowane są w zasadzie tylko i wyłącznie do aplikacji wymagających ultraprecyzyjnych pomiarów (np. stacje referencyjne GNSS).

W przeprowadzonych badaniach wykorzystano dwie profesjonalne anteny o specyficznej konstrukcji osłabiającej wpływ zjawiska wielodrogowości sygnału: –– Leica AR25, –– Trimble Zephyr Geodetic, w których stosowane są dwie różne techniki osłabiania wpływu wielodrogowości sygnału, odpowiednio: –– Choke Ring z elementami Dorne-Margolin, –– bazujące na technologii materiałów typu „stealth”. Konstrukcja tych anten, z poglądowym zaznaczeniem użytych technik mitygacji sygnałów odbitych, została przedstawiona na rys. 3 i 4. 2.1.1. Technika mitygacji sygnałów odbitych w antenach typu choke-ring W antenie typu choke-ring do ukształtowania charakterystyki, która cechuje się dużym tłumieniem sygnałów dochodzących do niej pod małymi a także ujemnymi kątami elewacji stosuje się dławiki ćwierćfalowe zrealizowane w postaci wydrążonych w metalowym korpusie współosiowych pierścieni, o głębokości równej ¼ długości fali odpowiadającej częstotliwości pracy anteny. Dławiki tej konstrukcji uniemożliwiają przepływ prądu w.cz. w poprzek ich grzbietów (zwarcie na dnie transformowane jest na rozwarcie na wysokości grzbietów), dzięki czemu element czynny anteny jest „odizolowany” od reszty konstrukcji, w szczególności od ścianek bocznych i spodu anteny na których to indukują się prądy pochodzące od fali elektromagnetycznej dochodzącej do anteny pod małymi, a także ujemnymi kątami elewacji. 2.1.2. Technika mitygacji sygnałów odbitych w antenach stosujących technologię materiałów pochłaniających energię w.cz. („stealth technology”) W antenie tego typu tłumienie sygnałów nadchodzących do anteny pod małymi oraz ujemnymi kątami elewacji uzyskano dzięki zastosowaniu jako płaszczyzny masy materiału, którego rezystancja powierzchniowa rośnie wraz z odległością od środka anteny, w którym umieszczony jest element aktywny. Dzięki temu energia związana z prądem zaindukowanym w płaszczyźnie masy (szczególnie na jej spodniej części pochodząca od fali odbitej od ziemi) zostaje pochłonięta. Na rys. 5 przedstawiono wykres zależności rezystancji powierzchniowej płaszczyzny masy anteny w funkcji odległości od jej środka. Taki rozkład optymalizuje właściwości anteny ze względu na tłumienie sygnałów odbitych od umiejscowionych nisko względem miejsca zamontowania anteny przeszkód mających wpływ na powstawanie zjawiska wielodrogowości sygnału GNSS. 2.1.3. Centrum fazowe anteny i jego stabilność Aktualnie dostępne techniki wyznaczania pozycji przy pomocy odbiorników GNSS dają na tyle dużą dokładność (rzędu milimetrów), że bardzo istotna dla poprawności wykonania pomiaru jest znajomość położenia centrum fazowego anteny względem jej konstrukcji mechanicznej. Centrum fazowe anteny to miejsce (punkt), względem którego wypromieniowana przez antenę fala elektromaPomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

109


Nauka     

Rys. 6. Niestabilność centrum fazowego anteny GNSS [8] Fig. 6. Phase Center Variation (PCV) of GNSS antenna [8]

Drugim z czynników zakłócających pomiary w aplikacjach wymagających najwyższych precyzji jest zmienność położenia centrum fazowego anteny w zależności od długości padającej na nią fali. Jest to istotne w przypadku wykorzystania odbiorników wieloczęstotliwościowych, niebędących jednak przedmiotem niniejszych badań. Rys. 5. Wykres zmian rezystywności w funkcji odległości od środka anteny [6] Fig. 5. Chart presenting resistivity as a function of a radial line from antenna element [6]

gnetyczna propaguje sferycznie. Mimo że definicja dotyczy przypadku, w którym antena wypromieniowuje falę elektromagnetyczną, pojęcie centrum fazowego najczęściej utożsamiane jest z antenami odbiorczymi systemów GNSS. Centrum fazowe anteny jest więc punktem, dla którego faktycznie wyznaczana jest pozycja geograficzna. Z uwagi na fakt, że punkt centrum fazowego anteny zwykle nie pokrywa się z jej centrum mechanicznym, użytkownik zamierzający bardzo dokładnie wyznaczyć pozycję musi uwzględnić w pomiarach odpowiednie przesunięcie. Wartości definiujące to przesunięcie można odczytać w notach katalogowych anten.

Znaczny wpływ na dokładność pomiarów w aplikacjach wymagających największej precyzji mają dwa czynniki: –– stabilność centrum fazowego w zależności od kąta padania fali elektromagnetycznej na antenę (rys. 6), –– przesunięcie centrów fazowych dla różnych pasm odbieranych częstotliwości L1/L2/L5. Pierwszy czynnik wynika z faktu, że w przypadku wypromieniowania fali elektromagnetycznej przez taką antenę, płaszczyzna stałej fazy nie tworzyłaby sfery, której środek określałby jednoznacznie centrum fazowe anteny. W tej sytuacji każdy wycinek płaszczyzny stałej fazy posiada określony środek krzywizny, który znajduje się w różnych punktach dla różnych kątów azymutu i elewacji. Wobec tego położenie centrum fazowego anteny jest funkcją kątów j i q. Anteny profesjonalne mają specjalnie zaprojektowaną konstrukcję minimalizującą tę zmienność.

110

2.2. Zmienny czas propagacji sygnału dla różnych pasm GNSS

W profesjonalnych systemach synchronizacji czasu wykorzystujących odbiorniki GNSS istotne są nawet najmniejsze fluktuacje czasu propagacji sygnału na różnych pasmach. Wynikają one z różnych prędkości propagacji fali elektromagnetycznej przechodzącej przez atmosferę (szczególnie przez jej górną i najgrubszą warstwę – jonosferę) oraz z uwarunkowań związanych z samym torem antenowym. O ile pierwszy czynnik jest zjawiskiem możliwym do automatycznego skompensowania (wyliczane są tzw. poprawki jonosferyczne umożliwiające wyeliminowanie z pomiaru jednego z głównych czynników wpływających na błąd określania pozycji), o tyle drugi ma charakter lokalny, wynikający z jakości urządzeń. Niektórzy producenci anten podają parametr L1–L2 Differential Propagation Delay, zdefiniowany jako różnica czasu propagacji sygnału odbieranego na różnych pasmach GNSS. Może on osiągać wartości rzędu pojedynczych ns, co może mieć zauważalny wpływ na pracę odbiorników wieloczęstotliwościowych, dla specyficznych aplikacji związanych z synchronizacją czasową systemów.

2.3. Tłumienie przód-tył

Jest to parametr określany jako Front-Back Ratio i jest wyrażany zazwyczaj w dB. Określany jest jako różnica (w skali decybelowej) zysku energetycznego dla sygnału odbieranego z kierunku maksimum charakterystyki znajdującego się zazwyczaj w zenicie względem anteny (kąt elewacji +90°) do zysku energetycznego dla kierunku przeciwnego (zazwyczaj kąt elewacji –90°). Parametr Front-Back Ratio określa stopień odporności anteny na sygnały odbite od powierzchni poniżej anteny. Podczas projektowania anteny producenci dążą do jego maksymalizacji.


Rys. 7. Układ pomiarowy zastosowany w przeprowadzonych badaniach Fig. 7. Measuring system used in performed researches

Tłumieniu sygnału odbitego od powierzchni w sąsiedztwie anteny sprzyja również odwrócenie polaryzacji fali podczas odbicia. Sygnały przychodzące bezpośrednio od satelitów GNSS mają polaryzację kołową prawoskrętną (RHCP). Po jednokrotnym odbiciu polaryzacja fali elektromagnetycznej się odwraca (na LHCP).

3. Układ pomiarowy Badania przeprowadzono z wykorzystaniem opracowanych w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP dwóch płyt testowych, zawierających po trzy sztuki jednakowych jednoczęstotliwościowych odbiorników GNSS przedstawionych na rys. 8. Jako odbiorniki wykorzystano chipsety GNSS firmy NVS GNSS, model NV08C-CSM z najnowszym dostępnym w czasie badań firmwarem, tj. w wersji 0206. Konstrukcja płyty testowej została opracowana specjalnie z myślą o zapewnieniu możliwie jednakowych warunków dla wszystkich osadzonych na nich chipsetów GNSS: –– użyto jednakowych odbiorników GNSS, pochodzących z tej samej serii produkcyjnej, –– projekt PCB zawiera identyczną, powieloną topologię ścieżek dla każdego z odbiorników, –– wszystkie zastosowane pomocnicze elementy pasywne pochodzą z serii o podwyższonych parametrach tolerancji ich wykonania, dzięki czemu zapewniono porównywalne warunki pracy dla każdego z układów. Przeprowadzone wcześniej testy „zerowe”, to jest odbiór rzeczywistych sygnałów GNSS z użyciem splittera antenowego i porównanie wskazywanych pozycji wykazały, że wzajemna niesymetryczność wskazań odbiorników, jaka mimo to istnieje, jest w stosunku do uzyskiwanych dokładności pomiarów niska i może zostać na potrzeby niniejszych badań pominięta. W trakcie każdej z trzech sesji badań zapewniono dla wszystkich odbiorników identyczny moment załączenia zasilania, dodatkowo każdorazowo odczekano z rozpoczęciem zapisu wyników pomiarów około 20 min na

pełną inicjalizację odbiorników, dając tym samym porównywalne szanse na odbiór pełnej informacji o efemerydach satelitów. Biorąc pod uwagę fakt, że obecnie najpopularniejszymi z półki produktów „low-cost”, jednoczęstotliwościowymi odbiornikami GNSS wciąż pozostają odbiorniki „tylko GPS”, zdecydowano się na programowe ograniczenie funkcjonalności użytych odbiorników do odbioru sygnałów tylko z tej konstelacji. Istotnie wpłynęło to na jakość określania pozycji, szczególnie w sytuacji trudnego dla odbioru sygnałów GNSS środowiska, w jakim został posadowiony układ pomiarowy, powodując zmniejszenie ilości odbieranych sygnałów, a przez to degradację wskazań w tych warunkach. Do układu pomiarowego przedstawionego na rys. 7 zostały dołączone anteny: –– ANTCOM Arinc 743 GNSS – antena stosowana w lotnictwie, –– SARANTEL SL1206 – antena stosowana w niektórych modelach nawigacji turystycznych, –– NovAtel GPS-703-GGG – antena stosowana w terenowych pracach geodezyjnych, –– antena typu „Patch” – popularny model taniej anteny ogólnego przeznaczenia, stosowanej szeroko na rynku urządzeń „low-cost”, –– Trimble Zephyr Geodetic – antena do zastosowań w precyzyjnych pracach geodezyjnych, –– Leica AR25 – antena do zastosowań w stacjach referencyjnych, będące na wyposażeniu Laboratorium Technik Satelitarnych PIAP. Pierwsze pięć z nich zostało regularnie rozmieszczonych na specjalnie zaprojektowanym statywie, umieszczonym na trójnogu pomiarowym. Antena Leica AR25, ze względu na swoje wymiary i ciężar, została zamocowana na osobnym statywie fotograficznym i była każdorazowo odpowiednio rozlokowywana, pracując w porównywalnych warunkach. Na szczególną uwagę zasługuje popularna, aktywna, prosta antena typu „patch”, najczęściej sprzedawana jako opcja poprawiająca dostępność sygnałów GNSS i będąca alternatywą do wbudowanych w samochodowe nawiga-

Rys. 8. Zdjęcie płyt testowych z odbiornikami GNSS zastosowanych w przeprowadzonych badaniach Fig. 8. Picture of evaluation boards equipped with GNSS receivers used in performed researches

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

111


Nauka     

Rys. 9. Zdjęcie układu pomiarowego z zestawem anten w czasie sesji pomiarowej nr I Fig. 9. Picture of measuring system connected to the set of antennas during measuring session no. I

dzono trzy sesje pomiarowe, każdorazowo zestaw pomiarowy został ulokowany w miejscu o zróżnicowanym stopniu trudności odbioru sygnałów GNSS: –– średnio trudne – sesja nr I – na trawniku po środku placu między trójkondygnacyjnymi budynkami, oddalonymi od siebie o około 30 m. Od strony północnej, jak i południowej, nieboskłon był przysłonięty w różnym stopniu łącznikiem między budynkami oraz wysokimi drzewami i budynkiem marketu budowlanego, –– bardzo trudne – sesja nr II – sytuacja jw., ale zestaw pomiarowy został dosunięty do ściany budynku, –– doskonałe – sesja nr III – zestaw został wyniesiony na dach budynku, co zapewniło nieograniczoną widoczność nieboskłonu. Na rys. 10 przedstawiono zdjęcie satelitarne fragmentu siedziby Instytutu z zaznaczonymi stanowiskami pomiarowymi.

cje anten. Antena oznaczona jest jako GPS MA-GPS06, niemniej jest to oznaczenie brandowane dla polskiego importera anten tego typu i o podobnych parametrach można znaleźć na rynku bardzo dużo. Antena była najtańszą z anten użytych w badaniach, jako jedyna była wyposażona w niedemontowalny, około 4 m kabel w.cz. klasy RG174 o wyraźnie słabszych parametrach elektrycznych niż kable użyte do podłączenia pozostałych anten do odbiorników. W związku z tym testowany odbiornik mógł spodziewać się wyraźnie najsłabszego sygnału GNSS.

4. Oprogramowanie Do opracowania wyników badań zastosowano przygotowane w Laboratorium Technik Satelitarnych PIAP dedykowane oprogramowanie w środowisku MATLAB, dzięki czemu zautomatyzowano żmudne prace nad surowymi danymi. Zrealizowano trzy sesje pomiarowe trwające łącznie trzy pełne doby gwiazdowe, każda po ponad 86 000 s. Wybrany okres trwania pomiarów umożliwił sprawdzenie jakości pracy odbiorników w trakcie kompletnego obrotu konstelacji GPS na niebie, pozwalając na uniezależnienie wyników pomiarów od wpływu aktualnej geometrii satelitów GPS na pracę odbiorników. Przyjęto częstotliwość raportowania odbiorników GNSS równą 1 s, do dalszej analizy zebrano łącznie około 14 mln ramek NMEA zajmujących blisko 770 MB przestrzeni na dysku. W wyniku analizy zebranych danych pozyskano ponad 1 550 000 rekordów zawierających pełną informację z każdego z odbiorników, które w dalszej kolejności zostały zaimportowane i przetworzone w drodze postprocessingu w środowisku MATLAB.

5. Stanowiska pomiarowe

W celu przekrojowego zilustrowania wpływu rodzaju anteny na jakość pracy odbiornika GNSS przeprowa-

112

Rys. 10. Położenie stanowisk pomiarowych na terenie PIAP Fig. 10. Locations of measuring system in PIAP

6. Wyniki pomiarów 6.1. Dostępność sygnału GNSS

Kluczowym czynnikiem wpływającym na jakość wskazywanych przez odbiorniki pozycji geograficznych jest dostępność sygnałów nadawanych przez satelity GNSS. O ile zwiększanie liczby dostępnych sygnałów ponad określony próg nie wnosi wiele dla poprawy wskazań, o tyle spadek liczby odbieranych sygnałów poniżej 4 sprawia, że odbiornik jest zmuszany do przyjęcia określonych założeń związanych z aktualnym jego położeniem, istotnie wpływających na jakość jego pracy. Opisana sytuacja może być szczególnie widoczna w aplikacjach mobilnych. Jeszcze większy spadek liczby odbieranych sygnałów GNSS sprawia, że wypada on z trybu określania pozycji na podstawie rzeczywistych pomiarów pseudoodległości i przechodzi w tryb dead-reckoning. W tab. 1 zestawiono liczby dostępnych sygnałów GNSS w trakcie wykonanych sesji pomiarowych.


6.1.1. Sesja pomiarowa nr I i nr II Szczególnie trudne warunki do odbioru sygnałów GNSS zostały zadane w trakcie drugiej sesji pomiarowej, gdzie stanowisko pomiarowe zostało praktycznie dosunięte do wysokiej ściany jednego z budynków Instytutu. Ściana ta przesłaniała nieboskłon od strony południowo-wschodniej. Sygnały były też odbijane przez ścianę sąsiedniego budynku po przeciwnej stronie placu, znajdującego się około 30 m od stanowiska pomiarowego, co dodatkowo powodowało powstanie zjawiska wielodrogowości. Sytuacja ta została zilustrowana na rys. 11. Liczba odbieranych sygnałów satelitarnych dla odbiornika z anteną SARANTEL SL1206 w sesji nr I (na środku placu) oraz w sesji nr II (przy ścianie) spadała do 3, co powodowało wyraźnie zauważalną degradację jakości jego

Rys. 11. Stanowisko pomiarowe w trakcie sesji II Fig. 11. Measuring system during session no. II

Tab. 1. Tabela prezentująca dostępność sygnałów GNSS Tab. 1. Table showing GNSS signal availability

Antena

Minimalna liczba Maksymalna liczba Średnia liczba dostępnych satelitów dostępnych satelitów dostępnych satelitów

Odchylenie standardowe liczby satelitów

Stanowisko pomiędzy budynkami ANTCOM Arinc 743 GNSS

5

14

8,83

1,66

SARANTEL SL1206

3

12

7,80

1,55

NovAtel GPS-703-GGG

4

14

8,56

1,60

Patch

5

14

8,93

1,64

Trimble Zephyr Geodetic

5

13

8,72

1,58

Leica AR25

4

14

8,69

1,67

ANTCOM Arinc 743 GNSS

4

13

8,58

1,74

SARANTEL SL1206

3

11

5,96

1,42

NovAtel GPS-703-GGG

4

12

8,33

1,64

Patch

4

14

8,83

1,77

Trimble Zephyr Geodetic

3

13

8,43

1,67

Leica AR25

4

13

8,60

1,66

ANTCOM Arinc 743 GNSS

7

14

10,23

1,72

SARANTEL SL1206

6

14

10,10

1,69

NovAtel GPS-703-GGG

7

14

10,23

1,71

Patch

7

14

10,24

1,73

Trimble Zephyr Geodetic

7

14

10,22

1,71

Leica AR25

7

14

10,23

1,72

Stanowisko blisko ściany budynku

Stanowisko na dachu budynku

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

113


Nauka     

w takiej sytuacji w odbiornikach przeznaczonych nawet na rynek masowy liczba śledzonych satelitów w małym stopniu zależy od rodzaju i konstrukcji anteny. Stanowisko pomiarowe zostało rozlokowane na dachu budynku (rys. 12). Nieograniczona przeszkodami widoczność nieboskłonu sprawiła, że odbiorniki bez większych przeszkód miały dostęp do wystarczającej liczby sygnałów z satelitów GNSS (min. 6, max. 14). Zgodnie z oczekiwaniami pozwoliło to na osiągnięcie bardzo dobrej jakości wskazań.

6.2. Ważność ramek NMEA w sesjach pomiarowych

Dostępność sygnału GNSS zasadniczo wpływa na jakość wskazywanych pozycji. Często zdarza się, że odbiornik GNSS, mimo braku widoczności wystarczającej liczby satelitów, oblicza i wystawia dla użytkownika współ-

Rys. 12. Stanowisko pomiarowe w trakcie sesji III Fig. 12. Measuring system during session no. III

wskazań, skutkującą powstawaniem „skoków” pozycji nawet o setki metrów. Po opracowaniu wyników badań, na uzyskanym wykresie można zauważyć, że w określonych chwilach czasowych wskazywane przez jeden z odbiorników pozycje geograficzne miały tendencje do ustabilizowanego ruchu w wybranym kierunku. W rzeczywistości wszystkie badania były badaniami stacjonarnymi, a opisane powyżej zachowanie się odbiornika wynikało z utrudnionej dostępności sygnałów GNSS. Podobnie, maksymalna liczba jednocześnie odbieranych sygnałów GNSS była w tym odbiorniku o co najmniej 1 mniejsza niż dla odbiorników podłączonych do pozostałych anten. Przełożyło się to na wyraźnie mniejszą średnią liczbę śledzonych satelitów. Odbiorniki podłączone do pozostałych anten, zarówno w pierwszej, jak i w drugiej sesji pomiarowej, wskazywały zbliżone liczby śledzonych satelitów GNSS. Ich liczba w trakcie sesji pomiarowej oscylowała w granicach 4–14. 6.1.2. Sesja pomiarowa nr III Ostatnia sesja pomiarowa – wykonana w doskonałych dla odbioru sygnałów GNSS warunkach potwierdziła, że

$GPGGA,161633.00,5211.6235,N,02055.2746,E,1,14,00.6, 117.0,M,39.1,M,,*53 $GPRMC,161633.00,A,5211.6235,N,02055.2746,E,00.00, 359.4,050913,,,A*5B $GPGSV,5,1,18,01,12,274,44,03,60,198,52,06,49,169,51,11, 31,283,50*7A $GPGSV,5,2,18,14,23,137,46,15,07,027,44,16,06,200,36,18, 34,059,49*7B $GPGSV,5,3,18,19,70,269,50,21,11,092,41,22,66,086,50,27, 61,175,51*72 $GPGSV,5,4,18,28,10,335,44,32,05,219,35,33,21,223,00,37, 30,179,00*7F $GPGSV,5,5,18,39,30,174,00,40,22,139,00*74 $GLGSV,1,1,00*65 $GPGSA,A,3,27,16,06,18,11,15,01,28,32,03,19, 21,01.0,00.6,00.8*06 $PORZD,A,001.0*3D Lst. 1. Przykładowy zbiór ramek NMEA Lst. 1. Example set of the NMEA frames

Tab. 2. Tabela prezentująca udział ważnych ramek NMEA Tab. 2. Table showing share of valid NMEA frames Antena

Procentowy udział ważnych ramek NMEA spośród wszystkich dostępnych, na stanowisku: Środek placu

Blisko ściany

Dach budynku

ANTCOM Arinc 743 GNSS

99,98

99,78

100,00

SARANTEL SL1206

99,96

79,63

99,98

NovAtel GPS-703-GGG

99,90

99,76

100,00

Patch

99,85

99,82

100,00

Trimble Zephyr Geodetic

99,97

99,76

100,00

Leica AR25

99,92

99,49

100,00

114


rzędne pozycji. Nie powinny być one brane pod uwagę, gdy zależy nam na dokładności pomiaru. W przeciwnym razie użytkownik musi pogodzić się z pewnymi ograniczeniami. Po przeprowadzeniu badań, ze zgromadzonych logów NMEA wybrano do dalszych analiz rekordy danych zgodnie z założeniem, że czas trwania każdej sesji należy ograniczyć do doby gwiazdowej. Sprawdzono również, czy w zgromadzonych logach NMEA liczba wpisów odpowiada czasowi trwania pomiaru. W przyjętym scenariuszu badań (1  pełna ramka NMEA co 1 sekundę), liczba wpisów powinna równać się długości czasu trwania sesji pomiarowej, wyrażonemu w sekundach. W ten sposób określono, że każdy z odbiorników w trakcie wszystkich sesji pomiarowych generował poprawnie ramki NMEA i żadna z nich nie została utracona, bądź pominięta w dalszych analizach, oraz że nie wystąpiły w tym czasie przerwy w zasilaniu. Sprawdzono również status każdego rozwiązania nawigacyjnego przez weryfikację pola Fix Status w ramce GGA. Pole to zaznaczone zostało w listingu kolorem czerwonym. Z dalszych analiz odrzucono wszystkie ramki ze statusem równym 0 (wskazania w danej sekundzie należy traktować jako nieważne) oraz ze statusem równym 6 (tryb dead reckoning wskazujący na estymację niektórych parametrów na skutek braku odbioru rzeczywistego sygnału GNSS). Do dalszych analiz pozostawiono ramki ze statusem równym 1, co oznacza ważność zawartych w nich danych. Wyniki weryfikacji przedstawiono w tab. 2. Należy zwrócić uwagę, że dla wszystkich sesji p omiarowych uzyskano prawie 100 % ważność generowanych przez odbiorniki danych NMEA, z wyjątkiem odbiornika z anteną SARANTEL SL1206, który w najtrudniejszych warunkach osiągnął bardzo niski udział ramek ważnych w stosunku do długości trwania całej sesji pomiarowej. Wyniósł on tylko około 80 %. Oznacza to, że łącznie przez blisko 5 h w ciągu doby wskazania z tego odbiornika powinny zostać przez aplikację użytkową odrzucane.

6.3. Błędy pomiarowe pozycji na płaszczyźnie

W tab. 3 zestawiono opracowane wyniki pomiarów dla wszystkich sesji pomiarowych. 6.3.1. Analiza wyników sesji pomiarowej nr I Warunki do odbioru sygnałów GNSS podczas tej sesji były średnio trudne. Stanowisko pomiarowe rozmieszczone na środku placu o wymiarach 55 m × 30 m otoczone było ze wszystkich stron budynkami. Taka lokalizacja stanowiska pomiarowego spowodowała, że bezpośredni, niezakłócony odbiór sygnałów bezpośrednio z satelitów GNSS był możliwy tylko w centralnym wycinku nieboskłonu. Korelacja liczby oraz lokalizacji na nieboskłonie (kąt azymutu i elewacji z logów

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

115


Nauka     

NMEA) satelitów GNSS użytych do rozwiązania nawigacyjnego z układem budynków w miejscu pomiaru świadczy o tym, że niektóre sygnały GNSS dochodziły również na skutek odbić od sąsiadujących obiektów (m.in. były odbierane sygnały z satelitów znajdujących się również „za budynkami”, co nie byłoby możliwe bez refrakcji i odbić fali elektromagnetycznej). Wartości odchylenia standardowego dla składowej (komponentu) Easting oscylowały od poniżej 3 m do blisko 5 m. Dla składowej Northing, wahały się w granicach od 3,8 m do 7,8 m, a dla składowej Up odpowiednio od 7 m do 12 m. Najsłabsze wyniki, wyraźnie różniące się od pozostałych anten odnotował odbiornik z anteną SARANTEL SL1206, a najlepsze odbiornik z anteną Trimble Zephyr Geodetic. Zawężając analizę błędów wyliczonych dla kompletu wskazań w ramach sesji pomiarowej nr I tylko do błędu 2DRMS (jako najbardziej reprezentatywnego do oceny odbiornika w typowych zastosowaniach inżynierskich), wszystkie mierzone odbiorniki wskazywały pozycję na płaszczyźnie z tym błędem na poziomie 9–12 m za wyjątkiem odbiornika podłączonego do anteny SARANTEL SL1206, gdzie wyliczony błąd 2DRMS był na poziomie ponad 18 m. W tej klasie odbiorników jest to mimo wszystko błąd wskazań na całkowicie akceptowalnym poziomie. Położenie obliczonych przez każdy odbiornik pozycji zostało przedstawione na wykresach na poprzedniej stronie. 6.3.2. Analiza wyników sesji pomiarowej nr II Sesja pomiarowa nr II była realizowana w szczególnie trudnych warunkach, w których blisko połowa nieboskłonu od strony południowowschodniej była całkowicie przysłonięta przez ścianę budynku trójkondygnacyjnego, a po przeciwnej stronie trawnika, w odległości około 30 m znajdowała się taka sama ściana sąsiedniego budynku. Dodatkowe zakłócenia odbioru powodowały znajdujące się w bezpośredniej bliskości stanowiska pomiarowego metalowe elementy okratowania okien na parterze budynku (rys. 11).

116

Skutkiem opisanego usytuowania anten jest drastyczne, wielokrotne pogorszenie wyników uzyskiwanych przez wszystkie odbiorniki. Pomimo relatywnie niewielkiego przesunięcia stanowiska pomiarowego (tylko ok. 13 m przy zachowaniu tej samej wysokości) względem lokalizacji wybranej dla sesji pomiarowej nr I, widać znaczący wzrost wartości odchylenia standardowego dla każdej ze składowych błędu:

–– Easting: od 6,6 m do 20,4 m, –– Northing: od 9,2 m do 18,4 m, –– Up: od 8,4 m do 18,6 m. Wyraźnie najsłabiej wypada w tym zestawieniu ponownie odbiornik z anteną SARANTEL SL1206. Należy zauważyć, że odbiornik z najtańszą z użytych w przeprowadzanych badaniach anteną typu „patch” dał wyraźnie lepsze wyniki dla odchylenia standardowego składowych


Northing i Up niż pozostałe odbiorniki. Przełożyło się to bezpośrednio na błędy pomiaru wyliczone dla całej sesji pomiarowej. Błąd 2DRMS zawierał się w granicach 23,7 m (odbiornik z anteną typu „patch”) do 54,9 m (odbiornik z anteną SARANTEL SL1206). Maksymalny rozrzut chwilowych wskazań odbiorników względem ich wartości średniej może przyjmować wartości od kilkunastu do 300–400 m. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku niewystarczającej liczby sygnałów pochodzących od różnych satelitów GNSS, gdzie odbiornik przechodzi w tryb „dead reckoning”, a wskazania pogarszają się z każdą sekundą od momentu przejścia w ten tryb. Najgorsze rezultaty w tej serii pomiarowej odnotowano dla odbiornika z anteną SARANTEL SL1206, a najlepsze z anteną Leica AR25. Wykresy obok prezentują zarejestrowane pozycje dla każdego z odbiorników w serii pomiarowej nr II.

kich 5 odbiorników poniżej 2 m. Dla odbiornika z anteną SARANTEL SL1206, wyniósł on 4,4 m. Wskazywane przez odbiorniki pozycje podczas całej sesji pomiarowej były zbliżone do siebie i bardzo skupione wokół wartości średniej. Dla najbardziej zaawansowanych technologicznie anten (Leica, Trimble, NovAtel) można zaobserwować jednorodność wskazań.

Gdyby nie incydentalne pogorszenia jakości ich wskazań, uzyskane wyniki byłyby obarczone jeszcze mniejszym błędem. Zarejestrowane przez każdy z odbiorników w trakcie trwania tej sesji pomiarowej pozycje zostały przedstawione na kolejnych wykresach. Wyniki badań sesji pomiarowej nr III są bardzo zbieżne do wyników badań jednego z odbiorników [3].

Uwaga 1: Nastąpiła zmiana skali wykresów prezentujących wyniki sesji pomiarowej nr II względem sesji pomiarowej nr I.

Uwaga 2: Naniesienie pełnego wykresu dla odbiornika z anteną SARANTEL SL1206 zmniejszało czytelność wykresów dla pozostałych odbiorników. Zakres osi został celowo ograniczony do 200 m w każdym kierunku.

6.3.3. Analiza wyników sesji pomiarowej nr  III W doskonałych warunkach dla odbioru sygnałów GNSS, jakie miały miejsce w trakcie sesji pomiarowej nr III, zaobserwowano bardzo dobre wyniki pracy wszystkich odbiorników, chociaż również tutaj najsłabiej wypadł ten współpracujący z anteną SARANTEL SL1206. Wszystkie pozostałe odbiorniki wskazywały swoje pozycje w obszarze, dla którego odchylenie standardowe dla dowolnego z komponentów było poniżej 1,1 m. Analogiczna sytuacja ma miejsce przy analizie błędów wskazań, np. błąd 2DRMS wypadł dla wszystPomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

117


Nauka     

Tab. 3. Tabela z wynikami obliczeń błędów Tab. 3. Table showing errors calculation

Antena

Odchylenie standardowe dla składowej: [m]

Wartość błędu wyliczonego dla całej serii pomiarowej: [m]

Easting

Northing

Up

RMS

2DRMS

CEP

SEP

M

ANTCOM Arinc 743 GNSS

2,76

5,13

8,92

5,83

11,66

4,58

8,77

–1

SARANTEL SL1206

4,84

7,79

11,92

9,17

18,34

7,36

12,71

–2

NovAtel GPS–703–GGG

2,28

4,04

6,95

4,64

9,28

3,67

6,90

–9

Patch

2,87

5,03

10,12

5,79

11,57

4,59

9,38

–1

Trimble Zephyr Geodetic

2,07

3,82

7,38

4,34

8,69

3,42

6,92

–7

Leica AR25

2,39

4,96

9,69

5,50

11,01

4,26

8,95

–8

ANTCOM Arinc 743 GNSS

7,87

11,81

11,67

14,20

28,39

11,48

16,17

–2

SARANTEL SL1206

20,36

18,42

18,56

27,46

54,91

22,77

29,49

–15

NovAtel GPS–703–GGG

8,27

13,39

12,24

15,74

31,48

12,61

17,50

–2

Patch

7,46

9,17

8,38

11,82

23,65

9,74

12,87

–1

Trimble Zephyr Geodetic

7,77

11,88

11,95

14,20

28,40

11,46

16,31

–2

Leica AR25

6,55

10,45

9,57

12,33

24,66

9,90

13,71

–1

ANTCOM Arinc 743 GNSS

0,66

0,68

1,00

0,94

1,88

0,78

1,20

–1

SARANTEL SL1206

1,39

1,70

2,42

2,19

4,39

1,81

2,83

–4

NovAtel GPS–703–GGG

0,67

0,75

1,00

1,00

2,00

0,83

1,24

–2

Patch

0,62

0,76

1,09

0,98

1,97

0,81

1,27

–1

Trimble Zephyr Geodetic

0,64

0,66

1,08

0,92

1,83

0,76

1,22

–1

Leica AR25

0,67

0,71

1,00

0,98

1,96

0,81

1,23

–1

Stanowisko pomiędzy budynkami

Stanowisko blisko ściany budynku

Stanowisko na dachu budynku

7.1. Przyczyny niskiej jakość pracy odbiornika z anteną SARANTEL SL1206

We wszystkich sesjach pomiarowych najsłabiej wypadł odbiornik podłączony do anteny SARANTEL SL1206. Wynika to zapewne z kształtu charakterystyki promieniowania tej anteny, która w określonych warunkach pracy może jej dać znaczną przewagę, ale w tym badaniu była dla niej obciążeniem. Antena ta, jako jedyna wśród badanych, jest anteną o konstrukcji helikalnej, jej budowa została przedstawiona na rys. 13. Dla porównania konstrukcji (rys. 14) zaprezentowano wygląd typowej anteny typu „patch”. Antena SARANTEL SL1206 w typowej dla zastosowań w systemach GNSS orientacji w przestrzeni (tj. antena skierowana określoną przez producenta powierzchnią pionowo „do góry”) ma relatywnie słabe parametry użytkowe.

118

Rys. 13. Zdjęcie anteny helikalnej SARANTEL SL1206 (zdjęcie ze zdjętą pokrywą ochronną) Fig. 13. Picture of helix antenna SARANTEL SL1206 (without radome)

Fot. Sarantel Ltd., Round Solutions GmbH & Co KG

7. Wnioski


Minimalne i maksymalne zarejestrowane odległości obliczonej pozycji od jej wartości średniej, odpowiednio dla składowej:

[m]

Easting [m]

Northing [m]

Up [m]

P

Min.

Max.

Max. rozpiętość

Min.

Max.

Max. rozpiętość

Min.

Max.

Max. rozpiętość

7

–13,8

7,7

21,4

–12,9

18,6

31,5

–13,1

24,9

38,0

71

–22,2

13,4

35,6

–24,5

36,0

60,5

–26,9

39,7

66,6

0

–9,3

9,9

19,3

–14,1

14,6

28,7

–18,7

20,7

39,3

8

–10,3

7,1

17,4

–11,7

18,3

30,0

–16,3

36,6

52,9

2

–7,6

7,1

14,7

–11,7

16,5

28,2

–11,6

24,2

35,8

5

–8,4

8,0

16,4

–17,1

20,9

38,0

–14,1

31,3

45,4

17

–20,9

25,9

46,7

–27,5

259,2

286,7

–84,4

42,2

126,5

49

–152,6

224,5

377,0

–222,7

358,7

581,4

–59,6

47,0

106,6

50

–23,4

48,7

72,1

–32,4

96,6

129,1

–50,1

64,5

114,6

87

–19,6

31,7

51,3

–73,1

45,6

118,7

–23,8

27,8

51,6

31

–23,6

26,0

49,6

–38,5

45,5

84,0

–22,6

42,9

65,5

71

–16,7

15,8

32,5

–18,7

32,5

51,2

–26,7

29,4

56,1

0

–1,9

1,2

3,1

–1,4

2,1

3,5

–1,8

2,8

4,6

3

–4,3

9,6

13,9

–30,3

4,2

34,5

–5,0

9,0

14,0

4

–2,3

1,3

3,6

–1,8

1,9

3,7

–2,3

3,4

5,7

7

–1,9

1,1

3,1

–1,6

2,5

4,1

–2,0

5,3

7,3

2

–1,9

1,1

3,0

–1,3

2,0

3,3

–1,6

3,3

4,9

3

–1,9

1,1

3,1

–1,6

2,0

3,5

–1,7

4,5

6,2

Fot. Sarantel Ltd., Round Solutions GmbH & Co KG

Nie jest wykluczone, że w innych orientacjach (np. antena skierowana „w bok”), co często ma miejsce podczas eksploatacji nawigacji mobilnych, anteny tego typu będą pracowały lepiej od anten wykonanych w innej technologii.

7.2. Wielkość maksymalnego rozrzutu wskazywanych pozycji wokół wartości średniej Rys. 14. Zdjęcie przykładowej pasywnej ceramicznej anteny GPS typu „patch” (zdjęcie bez pokrywy ochronnej) Fig. 14. Picture of typical passive ceramic GPS patch antenna (without radome)

Ciekawe obserwacje daje analiza maksymalnego rozrzutu (odległości) zmierzonej pozycji od jej wartości średniej. Wynika on bardziej z chwilowej, pewnej niestabilności w pracy odbiornika na skutek np. zmiany konstelacji śledzonych satelitów, a nawet niezamierzonej reinicjalizacji odbiornika, niż z ogólnej wydajności zestawu antena–odbiornik. Sytuacja znacznej rozbieżności następujących po sobie wskazań może wynikać ze zmiany położenia (wstąpienia lub zstąpienia) satelity poniżej minimalnego kąta elewacji przy którym odbiornik uwzględnia lub też tego nie robi sygnały od konkretnego satelity. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

119


Nauka     

Rys. 15. Wykres zależności wartości parametru PDOP od liczby dostępnych sygnałów GNSS Fig. 15. PDOP value dependency of GNSS signal availability

Sytuację taką można wykryć, analizując wykres zmian jednego z parametrów NMEA przekazywanego w ramkach: GGA i GSA – parametru DOP (ang. Dilution of Precision) [2] określającego zjawisko rozmycia precyzji pomiaru oraz jak bardzo korzystnie ze względu na warunki pomiaru są rozmieszczone satelity na niebie. W celu przeprowadzenia dokładniejszej analizy należy zwrócić uwagę na trzy składowe parametru DOP: PDOP, HDOP i VDOP, informujące o jakości układu satelitów dla określenia odpowiednio: pozycji 3D, pozycji na płaszczyźnie, wysokości w miejscu pomiaru. Zostały one zaznaczone na listingu z przykładowym zbiorem ramek kolorem zielonym. Ponieważ parametr DOP jest ściśle związany z aktualną konfiguracją geometryczną satelitów GNSS na nieboskłonie względem położenia odbiornika, każda

jego zmiana wpływa pośrednio na dokładność mierzonej pozycji. Obowiązuje zasada, że im mniejsza wartość tego parametru, tym lepiej (za dobry przyjmuje się poziom < 5). Każda skokowa zmiana o znacznej wartości dowolnego parametru może świadczyć o wybraniu innego zestawu satelitów, na podstawie których zostało określone rozwiązanie nawigacyjne.

Na rys. 15 przedstawiono dwa wykresy w jednakowej skali czasu, które ilustrują wartość zmian parametru PDOP dla odbiornika z anteną SARANTEL SL1206 w funkcji czasu trwania sesji pomiarowej dla stanowiska pomiarowego w miejscu szczególnie trudnym – przy ścianie budynku.

Rys. 16. Zależność wartości parametru PDOP od liczby dostępnych sygnałów GNSS Fig. 16. PDOP value dependency of GNSS signal availability

120


W praktyce wartości PDOP > 5 występują, gdy odbiornik wyznacza pozycję na podstawie bardzo niskiej liczby sygnałów od satelitów GNSS, a wyniki jego pracy są obarczone znacznymi błędami wzrastającymi wraz z rosnącym parametrem PDOP. Na górnym wykresie zaznaczono czerwoną linią wartość PDOP = 5, na dolnym wykresie wszystkie punkty poniżej czerwonej linii dotyczą sytuacji, gdy odbiornik pracuje z 4 lub 3 satelitami. Można zaobserwować korelację parametru PDOP z liczbą dostępnych satelitów GNSS. Należy również nadmienić, że w zależności od konfiguracji odbiorników GNSS liczba obserwowanych satelitów nie jest jednoznaczna z liczbą satelitów, od których sygnały będą brane pod uwagę do wyznaczenia rozwiązania nawigacyjnego. Informację na ten temat można uzyskać z porównania stosownych pól w ramkach GGA, GSA i GSV.

7.3. Pomiar wysokości elipsoidalnej

Określenie wysokości elipsoidalnej (odległości mierzonego punktu od elipsoidy odniesienia WGS84, używanej przez GPS) jest obarczone większym błędem, niż ma to miejsce dla współrzędnych geograficznych na płaszczyźnie. Wynika to ze złego uwarunkowania numerycznego formuły określającej wysokość elipsoidalną na podstawie pseudoodległości od satelitów (gdyby istniała możliwość odbioru sygnałów GNSS od satelitów znajdujących się również na drugiej półkuli, wynik byłby o wiele dokładniejszy). Na rys. 16 przedstawiono wykres wskazywanej wysokości w czasie najtrudniejszej sesji pomiarowej dla odbiornika z anteną SARANTEL SL1206. Można zaobserwować bardzo duże fluktuacje wskazywanej wysokości, co związane jest z ubogim zestawem dostępnych sygnałów GNSS. Na górnym wykresie (rys. 16) czerwoną linią zaznaczono rzeczywistą wysokość stanowiska pomiarowego w tej sesji pomiarowej. Uwidacznia się na nim korelacja pomiędzy błędem wyznaczania wysokości elipsoidalnej i dostępnością satelitów GNSS.

wie odebranych sygnałów GNSS bez wsparcia metodami różnicowymi DGPS. Wybór ten podyktowany był faktem, że odbiorniki te stanowią największy segment rynku i są najczęściej stosowane w popularnych aplikacjach. Jednoczęstotliwościowa praca odbiorników, w dodatku bez stosowania poprawek różnicowych powoduje, że osiągane dokładności (a precyzyjniej – błędy pomiarowe) są na tyle wysokie (rzędu pojedynczych metrów), że nawet zastosowanie najtańszej anteny w badanym zestawie nie spowodowało znaczącego spadku jakości pomiarów. Zastosowanie anten o zaawansowanej konstrukcji i bardzo dobrych parametrach jest ekonomicznie uzasadnione w aplikacjach z odbiornikami wieloczęstotliwościowymi i wielosystemowymi, umożliwiając w sprzyjających warunkach uzyskanie dokładności submetrowych, bez zaangażowania techniki DGPS. Korzystając z dostępu do poprawek różnicowych w tego typu odbiornikach możliwe jest uzyskanie dokładności milimetrowych (on-line) lub jeszcze lepszych (w dłuższym czasie i przy zastosowaniu postprocessingu). Wówczas takie aspekty, jak stabilność centrum fazowego czy odporność na zakłócenia związane z wielodrogowością sygnału wydają się uzasadniać wielokrotnie wyższe nakłady, jakie należy ponieść na zakup zaawansowanej anteny. Stosując do badań proste odbiorniki GNSS, specyficzne cechy tego typu anten nie mają szansy być w pełni wykorzystane, ale dzięki temu uzyskano interesujące dane porównawcze. Warto zauważyć, jak wielki wpływ na dokładność wskazań odbiorników ma lokalizacja anteny względem przeszkód terenowych. Relatywnie niewielkie przesunięcie zestawu pomiarowego w kierunku ściany budynku spowodowało niewspółmierny wzrost błędów pomiarowych, niezależnie od rodzaju użytej anteny. Wymusza to na projektancie systemu odpowiednią lokalizację anteny, zapewniającą jej jak największą widoczność otwartego nieboskłonu. Zastosowanie anteny o nieoptymalnie dobranej do warunków pracy charakterystyce lub niewłaściwych parametrach będzie istotnie degradowało jakość generowanych

8. Podsumowanie W badaniach zastosowano odbiorniki podłączone do zestawu anten o zróżnicowanej konstrukcji i wielkości, różnym przeznaczeniu oraz znacząco różniących się cenami. W celu przekrojowego sprawdzenia wpływu rodzaju i konstrukcji anteny na jakość określania pozycji, przyjęto konfiguracje pomiarowe, które w normalnych aplikacjach są rzadko spotykane, ze względu na cenę anteny czy jej gabaryty. Uzyskano dzięki temu praktyczną wiedzę oraz porównanie dające inżynierom pogląd, jak rodzaj anteny wpływa na dokładność pomiaru w typowej aplikacji urządzeń GNSS. Najtańszą z badanych antenę typu patch można kupić już za kilkadziesiąt PLN. Najdroższa Leica AR25 to koszt rzędu 25  000 PLN.

Przygotowany układ pomiarowy bazował na tanich (poniżej 100 PLN/szt.) odbiornikach jednoczęstotliwościowych, o intencjonalnie ograniczonej funkcjonalności. Odbiorniki pracowały w trybie „stand-alone”, co oznacza, że rozwiązania nawigacyjne były wyznaczane wyłącznie na podsta-

Rys. 17. Porównanie otrzymanych pozycji geograficznych dla odbiorników z anteną SARANTEL SL1206 (kolor czerwony) i anteną typu „patch” (kolor żółty) Fig. 17. Comparison of geographical positions conducted by receiver connected to: SARANTEL SL1206 (marked red) and patch (marked yellow) antennas Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

121


Nauka     

wyników rozwiązania nawigacyjnego. Czytelną wizualizacją istoty przedstawionego problemu jest wykres zarejestrowanych pozycji odbiorników z anteną SARANTEL SL1206 (kolor czerwony) oraz z anteną typu „patch” (kolor żółty) z drugiej sesji pomiarowej, nałożonych na zdjęcie satelitarne (Google Map) przy użyciu programu RTKLIB (autor Tomoji Takasu). Pozycje (rys. 17) zostały zarejestrowane podczas tej samej sesji pomiarowej w tej samej lokalizacji.

Bibliografia 1. Seeber G., Satellite geodesy: foundations, methods and applications, Walter de Gruyter, Berlin, New York 2003. 2. Perski A., Wieczyński A., Bożek K, Kapelko S., Pawłowski S., Odbiorniki GNSS w praktyce inżynierskiej. Wprowadzenie do systemów GNSS, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 3/2013, 103–111. 3. Perski A., Wieczyński A., Baczyńska M., Bożek K, Kapelko S., Pawłowski S., Odbiorniki GNSS w praktyce inżynierskiej. Badania stacjonarne, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 4/2013, 64–77. 4. Inside GNSS, Gibbons Media and Research, LLC. 5. GPS World, North Coast Media LLC. 6. Krantz E., Riley S., GPS Antenna Design and Performance Advancements: The Trimble Zephyr, Trimble GPS Engineering and Construction Group, Sunnyvale, California, USA, P. Large, Trimble Integrated Surveying Group, Westminster, Colorado, USA. 7.  GNSS geodetic antennas, Trimble Navigation Ltd, 2008. 8. Hofmann-Wallenhof B., Lichtenegger H., Wasle E., GNSS – Global Navigation Satellite Systems, SpringerVerlag Wien PCO, 2008. 9. ESA navipedia.

GNSS receivers in engineering practice Impact of antenna type on quality of GNSS measurements Abstract: In the third article of a series we present the results of our researches performed in stationary conditions. We also give some explanations and guidelines about the most important features, classification and parameters of GNSS antennas and its influence on GNSS receiver’s performance. Phase Center Variation (PCV) and multipath effect mitigation techniques are briefly described. In performed researches, six exactly the same models of GNSS receivers worked at the same time with different models of antennas. The study was performed with the use of specially prepared evaluation boards, which were equipped with modern single frequency GNSS receivers configured to operate as a GPS only mode. Three test sessions, each in different environments of varying difficulty for receiving GNSS signals were carried out. The results show that also for applications using cheap GNSS receivers and aimed to the mass market, the proper selection of antennas can significantly improve the quality and functionality of the products. Keywords: GPS, GNSS, multipath error, measuring error 2DRMS, patch, choke-ring, antenna, stationary test, position scatter Artykuł recenzowany, nadesłany 09.09.2013, przyjęty do druku 01.10.2013.

122

mgr inż. Arkadiusz Perski W Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP od 2001 r. Zajmuje się realizacją międzynarodowych projektów badawczych w obszarach nawigacji oraz komunikacji satelitarnej. Swoje zainteresowania naukowe koncentruje wokół tematyki Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej oraz ich zastosowań w wybranych obszarach techniki. e-mail: ArkadiuszPerski@piap.pl dr inż. Artur Wieczyński Kierownik Laboratorium Technik Satelitarnych PIAP, koordynator i uczestnik wielu międzynarodowych projektów badawczych w dziedzinie komunikacji satelitarnej, sterowania, monitorowania i nawigacji. Autor i współautor wielu aplikacji systemów satelitarnych w zakresie monitorowania i wspomagania transportu, ochrony granic, działań antyterrorystycznych. e-mail: ArturWieczynski@piap.pl Maria Baczyńska Studiowała informatykę oraz robotykę na Politechnice Warszawskiej. Obecnie jest zatrudniona w Laboratorium Technik Satelitarnych w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP. Jej naukowe i zawodowe zainteresowania obejmują nawigację w systemach mobilnych, zagadnienia komunikacji satelitarnej oraz metody kryptograficzne. e-mail: MariaBaczynska@piap.pl mgr inż. Konrad Bożek Absolwent Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej w specjalności Radiokomunikacja i Radiolokacja. Od 2003 r. pracownik PIAP, twórca wielu rozwiązań z obszaru radiokomunikacji i techniki antenowej implementowanych w systemach mobilnych. e-mail: KonradBozek@piap.pl mgr inż. Sławomir Kapelko Ukończył Wydział Elektroniki Politechniki Warszawskiej, w PIAP zatrudniony od 2003 r. Elektronik, programista, projektant systemów wbudowanych. Jego zainteresowania to szeroko pojęta robotyka. Autor wielu opracowań platform mobilnych do zastosowań cywilnych i specjalnych, wykorzystywanych m.in. w badaniach GNSS. e-mail: SlawomirKapelko@piap.pl mgr inż. Sebastian Pawłowski Pracownik PIAP od 2001 r. Od wielu lat prowadzi i uczestniczy w projektach związanych z robotyką mobilną do zastosowań antyterrorystycznych i militarnych. Swoje zainteresowania skupia miedzy innymi wokół budowy platform badawczych dla systemów GNSS. e-mail: SebastianPawlowski@piap.pl


Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Piezoelectric generators: materials and structures Dariusz Grzybek AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics

Keywords: piezoelectric materials, energy harvesting, piezoelectric generator, wireless sensors

centres, there is a research being conducted concerning appliances that generate electric energy from mechanical vibrations in a place where a sensor is installed. A promising line of research in this field is employing the natural properties of some materials to generate electric energy. Among these materials one can single out piezoelectric materials that enable conversion of mechanical energy to electric (direct piezoelectric effect) and from electric to mechanical (converse piezoelectric effect). A source of mechanical energy can be vibrations that are often generated in monitored processes and are usually adverse. Piezoelectric materials are the basis of construction of generator prototypes, whose target can be powering of sensors in wireless monitoring nets. The increasing of efficiency of generators designed so that more electric power can be generated, which is achieved by application of more and more advanced piezoelectric materials and by different generator designs. In this article, an attempt is made of the systematized presentation of piezoelectric generators referring to applied materials, design, and application.

1. Introduction

2. Piezoelectric materials in the energy harvesting process

Abstract: The article presents piezoelectric generators, which can solve the problem of power supply of wireless sensors nets in the monitoring systems of the structure parameters. The operating principle of these appliances is based on the conversion of mechanical energy, e.g. vibration to electric energy in piezoelectric materials. In the first part of this article, the basic groups of piezoelectric materials: ceramics, composites, polymers and monocrystals were discussed in the field of its application in generators. It focused on material constants, which have the biggest effect on energy conversion. In the second part, structures of generators, which are the most often presented in the literature were discussed. The article focused on the structure consisting of piezoelectric actuators connected with the cantilever beam as well as other structures containing piezoelectric actuators, which have different shapes. In the last part, the efficiency of energy conversion was discussed. It focused on the range of values of the obtained electric power from generators.

In many technology branches the parameters monitoring of structures, applications or environment, in which an appliance operates is necessary in correct operating of technical objects. Monitoring system contains often tens or hundreds of sensors. Heating, ventilation and air condition systems applied in buildings can be examples. Correct functioning of these systems is possible thanks to temperature monitoring in the particular places. In the case of big, multi-storey buildings, such monitoring is performed by installing a considerable number of sensors that must be powered. The application of conventional powering of these sensors requires the use of either kilometres of wire or hundreds of batteries. In the case of powering with batteries, there is a necessity to replace these batteries, which increases operating costs of monitoring system and makes the whole system non eco-friendly [25]. Among these types of applications, the most beneficial solution would be generating electric energy in a place where a sensor has been installed. In different scientific

2.1. Piezoelectric materials applied in generators For energy conversion in generators one can apply materials from every four basic piezoelectric groups. In most experimental research introduced in literature it is ceramics that have found a use, followed by composites, polymers and monocrystals. Ceramic materials are most frequently used in piezoelectric generators design, as presented in the literature. First of all, PZT ceramal are used in generators. PZT is a mixed crystal of titanate and lead zirconate with the general formula: (x)PbTiO3-(1-x)PbZrO3 [10]. One can manipulate with properties of piezoelectric ceramics PZT by modification of the percentage content of particular compounds comprising mixed crystal, x = (0 – 1). It enables production of ceramics PZT with different sets of material constants. There is no single ceramic PZTt dedicated to generators design. Many PZT variations are used in generators as presented in literature, e.g. PZT-5H Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

123


Nauka     

[21], PZT-5A [25], PZT-PIC255 [16], PZT-APC 841[12], PZT-APC 850 [12], PZT-PPK11 [8]. Composites are materials composed of piezoelectric materials of different shapes, layers of adhesive, polymer film and appropriately formed electrodes. On bolt-on parts of these composite layers there are properly fitted electrodes. One can single out two types of composites, which can be applied in generators design: PFC (Piezoelectric Fiber Composite) and MFC (Macro-Fiber Composite). PCF comprises the circular piezoceramic fibers placed in the layer of adhesive and on bolt-on parts the polyimide film and electrodes (fig. 1a). MFC manufactured by Smart Materials Corp. are made of rectangular piezoceramic bars, separated by adhesive layers and the polyimide film and an electrode on the bolt-on part (fig. 1b). Generator using PFC is presented in [27], and MFC in [29]. Polymers are chemical substances consisting of multiple constituent parts: mers. Among polymers, the most significant is polyvinylidene fluoride – PVDF. PVDF is a semicristal, consisting of a maximum of 50 – 60 % of the crystal phase [17]. In the 60s. of the XX century, piezoelectric properties of PVDF were discovered. PVDF is usually applied as a foil so that it can be freely shaped, in contrary to ceramics.

where S is the mechanical strain vector (–), s(E) is the flexibility matrix determined for constant value of the electric field (m2/N), T is the stress vector (N/m2), d is the matrix of the piezoelectric constants (C/N), E is the electric field intensity vector (V/m), D is the dielectric displacement vector (C/m2), e(T) is the matrix of the material permittivity constants determined for constant values of stresses (F/m). The second equation in (1) can be expressed in the expanded form:

(2)

D is a vector with three components and T is a vector with six components. Based on (2) it may be noticed that: –– constant d33 joins third component of the electric induction (in direction of 3 axis) with third components of stress (in direction of 3 axis) – both components are parallel (fig. 2a), –– constant d31 joins third component of the electric induction (in direction of 3 axis) with first components of stress (in direction of 1 axis) – both components are perpendicular (fig. 2b).

Fig. 1. Schema of PFC and MFC structures [13] Rys. 1. Schemat budowy PFC i MFC [13]

Application of this polymer to powering a damage sensor is presented in [6], and energy harvesting from an acoustic resonator with beams made, e.g., from PVDF, in [15]. Monocrystals, devised a few years ago, are currently the most promising piezoelectric materials in the generators field of research, as they are very effective when it comes to energy conversion. One can single out two types of monocrystals that can be applied for generators: PZN-PT (Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3) and PMN-PT ((Mg1/3 Nb2/3)O3-PbTiO3). Use of PZN-PT-8% is presented in [16] and PMN-PT-33% in [18].

2.2. Material constants affecting energy conversion

The phenomenon of conversion of mechanic energy to electric one and from electric to mechanical one can be presented with the help of essential equations. These equations in the matrix notation are as follows [4]:

124

Sp = s(E) pq Tq + d kp E k

Di = d iq Tq + e E k (T) ik

(1)

Fig. 2. Piezoelectric material action modes [1] Rys. 2. Warianty działania materiału piezoelektrycznego [1]

The bigger values of the piezoelectric constant d are, the bigger efficiency of conversion from mechanical energy to electric will be. The exemplary matrix d for piezoceramic PZT-5H is as follows:

0 0  d=0 0 d 31 d 32

0 0 d 33

0 d 24 0

d15 0 0

0  0  0 

(3)

The shape of matrix d (3) is the most often used for description of the piezoelectric materials, e.g. monocrystal PMN-PT-33% has the same matrix d [26]. Matrix d for composites is the same as matrix of the piezoceramic fibers [24]. The shape of matrix d determines the efficiency of the energy conversion in the piezoelectric materials for the multiaxial stresses.


The influence of the piezoelectric constant values d on the efficiency of energy conversion is visible in the values of the electromechanical coupling coefficient k [20]:

(4)

In tab 1. there is a comparison of the energy conversion efficiency for the above mentioned piezoelectric materials. Based on data presented in tab. 1 one can note that PZN-PT and PMN-PT monocrystals have the highest efficiency when it comes to energy conversion. Due to the fact that these monocrystals have been devised not long ago, composites or PVDF polymer are used in most research projects on generators ceramics. Ceramic materials are very effective when it comes to energy conversion, which is reflected with the high rates of electromechanical coupling coefficient. However, they are more fragile and more vulnerable to be worn out e.g. as a result of fatigue in comparizon to composites and polymers [1].

3. Structures of generators 3.1. Structures with actuators connected with the cantilever beam The most often tested piezoelectric generator structures are designs, in which the basic element, apart from the piezoelectric actuator, is the cantilever beam. One can single out a few possibilities of the connection of piezoelectric materials to the beam: –– beam made of the base material, with no piezoelectric properties, on which there is one (unimorph) or two piezoelectric material layers (bimorph). Generator with two plates of PZT ceramics (bimorph) is presented in fig. 3a,

Tab. 1. Material constants of selected piezoelectric materials [2, 8, 11, 30–33] Tab. 1. Stałe materiałowe wybranych piezoelektryków [2, 8, 11, 30–33] Piezoelectric material

Constant d33  [C/N]

d31 [C/N]

k33 [–]

k31 [–]

PZT-5H2

593·10–12

–274·10–12

0,75

0,39

PZT-5A4

460·10–12

–195·10–12

0,72

0,37

PZT-PIC255

400·10–12

–180·10–12

0,69

0,35

PZT-APC 841

300·10–12

–109·10–12

0,68

0,33

PZT-APC 850

400·10–12

–175·10–12

0,72

0,36

PZT-PPK11

680·10–12

–350·10–12

0,74

0,41

PFC

65–75  % of values for piezoceramics

MFC (Smart Mat.)

460·10–12

–210·10–12

PVDF

–33·10–12

23·10–12

0,15

0,12

PZN-8%PT

2900·10–12 –1450·10–12

0,94

0,6

PMN-33%PT

2820·10–12 –1334·10–12

0,92

0,6

–– beam with an additional element influencing the increase of stresses in the piezoelectric material layers. An example of generator with one piezoelectric layer and an additional element is presented in fig. 3b, –– beam without piezoelectric material layers with the additional setup containing a piezoelectric material.

Fig. 3. Cantilever beam as the structure base of the piezoelectric generator Rys. 3. Belka wspornikowa jako podstawa budowy generatora piezoelektrycznego Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

125


Nauka     

An example of a generator of this type is presented in fig. 3c, –– beam with an additional element [7], making it possible to install more piezoelectric layers (fig. 3d). During beam bending, stresses appear in the piezoelectric material, on which electric charge builds up. An additional mass M installed at the end of the beam to increase stresses in the piezoelectric layers. Taking into consideration the fact that generators can power wireless sensors, generator structures should be small: about 1 cm3. It is to

Fig. 5. Piezoelectric stack in generator [3] Rys. 5. Stos piezoelektryczny w generatorze [3]

Fig. 4. Cross-sections of the beam in generators [5] Rys. 4. Przekroje belki w generatorach [5]

be noted that in generator structures based on cantilever beams and the PZT plates, the direction of external forces action is perpendicular to the direction of polarization. Hence, the piezoelectric coupling is indicated by the coefficient k31. The increase of stresses in the piezoelectric element can be acquired by various beam shapes: most often a rectangle, but also a triangle [8], as well as by various geometry solutions of beam fixing to the object which is a source of vibration (fig. 4).

3.2. Structures with piezoelectric actuator of another shape

Energy conversion from mechanic to electric one is also made without using structures with the beam, only with the piezoelectric actuators. Stresses must be induced in a piezoelectric material to generate electric energy by an actuator, hence many structures have been designed that make it possible to generate these stresses. Actuator is presented in fig. 5a, made in the form of a piezoelectric stack. An example of such generator structure that extracts energy from the pressure pulsation in the hydraulic conduit is shown in fig. 5b. Increase of pressure causes bending of the membrane and induces stresses in the piezoelectric stack. The direction of the load from pressure is parallel to the direction of the piezoelectric polarization, hence the electromechanical coupling is defined by the coefficient k33. Actuators in generators can also have other structures than a piezoelectric stack, e.g., in [22] there is a generator

126

built in the form of a ring made from aluminium, inside of which there is a membrane from PZT 5H ceramics in the form of a circle. Deformation of the piezoelectric plate and generating the electric energy is a result of load applied to the bottom surface of the elastic membrane.

Fig. 6. Generators made from PZT plates [23] Rys. 6. Generatory wykonane z płytek PZT [23]

In [23] there is a generator made of a cube made of the plate from PZT ceramic (fig. 6b). There is a ball inside this cube that hits the faces from PZT when activated by vibrations. As a result, stresses are generated in the walls which results with generation of the electric energy.

3.3. Electric systems of energy transfer

Three basic types of the electric systems can be singled out, which can be applied in generators: –– system consisting of the voltage AC/DC converter only, –– system consisting of two subsystems: AC/DC converter and the subsystem of voltage optimization for the receiver supplied, –– system consisting of two subsystems mentioned above and the electric power amplifier [14]. Relationships among these subsystems are presented in fig. 7.


Fig. 7. Subsystems in energy harvesting systems [9] Rys. 7. Podukłady w układach odzyskiwania energii [9]

An example of the energy harvesting system containing all three subsystems is presented in fig. 8.

–– power of the energy storage system, –– energy storage, –– power of the receiver, e.g. wireless sensor. The influence of the generator size, especially made from a piezoelectric material on energy extraction efficiency is presented in fig. 9. On the whole, one can notice that the bigger are the generator sizes the more power one can generate. The excessively small sizes may result in the lack of electric energy to power the system of the control and storage of energy.

4.2. Amount of the electric power generated

The field of potential applications of piezoelectric generators in engineering is marked by the amount of the electric power that can be generated with these generators. In tab. 2, the maximum electric power amount is shown generated with generators along with the generator structure and size of the piezoelectric materials.

Fig. 8. Exemplary electric system of a generator [14] Rys. 8. Przykładowy układ elektryczny generatora [14]

4. Applications of generators 4.1. Efficiency of electric energy generation The effective electric energy generation depends on the following factors: piezoelectric material used, generator structure, electronic system of the control and storage of energy, and the generator size. Influence of a piezoelectric material is reflected by material constants (d), mentioned above. Generator mechanical structure affects also the efficiency of energy generation in the case of the beam structure: –– most electric power is generated when generator has a resonant frequency nearing to the driving frequency of the object being the vibration source, –– amount of electric power generated is proportional to the additional mass M installed on a beam. However, increase of this mass is restricted by a necessity to keep the appropriate resonant frequency and the beam strength, –– amount of the electric power generated is inversely proportional to the value of driving frequency of the object being the vibration source, and to the resonant frequency of the generator [21]. The influence of the system of control and storage of energy bespeaks of the appropriate energy flow in three paths:

Fig. 9. Relationship between power and generator sizes [19] Rys. 9. Zależność między mocą a rozmiarami generatora [19]

Based on data from tab. 2 one can state that the demand for power in potential applications cannot exceed several dozen mW, where one must take into consideration that the amount of the generated electric power depends on the vibration frequency of an object from which electric energy is extracted. The relatively insignificant amount of power restricts considerably the field of potential applications to powering of the miniaturized electronic devices with low power supply demand. The goal may be monitoring of the structure or industrial processes in hardly accessible places or/and in systems requiring the use of a big number of sensors. It will make cutting the operating costs possible and allow to create the eco-friendly technology (no waste discharged batteries). A wireless system for temperature measurement of the electric motor was proposed in [28]. A piezoelectric generator built of 3 PZT-PKG 11 discs was used for providing power to sensor. The generator used made it possible to Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

127


Nauka     

Tab. 2. Values of the electric power for selected piezoelectric materials [21, 16, 12, 27, 29] Tab. 2. Wartości mocy uzyskane dla wybranych piezoelektryków [21, 16, 12, 27, 29] Generator structure

Type of piezoelectric material

Piezoelectric dimensions [mm]

Beam

PZT-5H

6.5 × 3.2

Beam

PZT-PIC255

55 × 15 × 0,1

Beam

PZN-8%PT

55 × 15 × 0,1

Beam

PZT-APC 841

Beam

PFC z 250 μm PZT

1405 × 15 5 × 0.00032

Beam

MFC

265 × 145 × 0.25

Beam

PVDF

1715 × 22 × 0.00004

reach 12 mW. A commercial NTC sensor with low power demand (1.25 mW) was chosen for temperature measurement. For encoding and data transmission the M-RT4-433 RF radio module (Solutions Inc.) requiring powering of 6  mW was used. The control and storage of energy module required 2.5 mW at the time of activation. The system schema is shown in fig. 10.

Fig. 10. Wireless system of temperature measurement [28] Rys. 10. Bezprzewodowy system pomiaru temperatury [28]

5. Summary Not every type of piezoelectric generators was presented in this article, because it is currently a rapidly developing branch of science. A considerable number of scientific articles prove it, particularly in the past few years. One can notice three basic directions of generator development in the field of increasing the amount of the generated electric energy:

128

–– in materials science, it is a development of new materials developed either as a synergic connection of Generated power the applied piezoelectric, e. g. PFC [mW] or FMC or by devising new materials, e.g. PZT-PT or PMN-PT, 19 –– in mechanics, it is a search for 30 more efficient structure solutions, e.g., beam structure with additio40 nal elements, 52 –– in electronics, it is an optimization of the electric system to 0.11 achieve a more effective transfer and storage of the generated elec6.6 tric energy. The study is completed under 0.03 the AGH-UST’s research program No 11.11.130.560 sponsored through statutory research funds. AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Process Control.

Bibliography 1. Anton S. R., Sodano H. A., A review of Power harvesting using piezoelectric materials (2003–2006), “Smart Materials and Structures” 16/2007, 57–63. 2. Beeby S., Tudor M., White N., Energy harvesting vibration sources for microsystems applications, “Measurement Science and Technology” 17/2006, 175–185. 3. Cunefare K., Skow E., Erturk A., Savor J., Verma N., Cacan N., Energy harvesting from hydraulic pressure fluctuations, “Smart Materials and Structures” 22/2013. 4. Cupiał P., Coupled electromechanical vibration problems for piezoelectric distributed-parameter systems, Politechnika Krakowska – seria Mechanika, Kraków 2008. 5. Defosseux M., Allain M., Basrour S., Comparison of different beam shapes for piezoelectric vibration energy harvesting, Proceedings of PowerMEMS 2010. 6. Elvin N., Elvin A., Choi D.H., A self-powered damage detection sensor, “The Journal of Strain Analysis for Engineering Design” 2/2003, 115–124. 7. Erturk A., Renno J., Inman D., Modeling of piezoelectric energy harvesting from an L-shaped beam-mass structure with an application to UAVs, “Journal of Intelligent Material Systems and Structures” 20/2009, 529–544. 8. Goldschmidtboeing F., Woias P., Characterization of different beam shapes for piezoelectric energy harvesting, “Journal of Micromechanics and Microengineering” 18/2008. 9. Grzybek D., Wykorzystanie mechanizmu przetwarzania energii w materiałach piezoelektrycznych do sterowania drganiami, „Czasopismo techniczne” 2011, 51–59.


10. Ilczuk J., Zarycka A., Czerwiec M., Synteza i właściwości i piezoelektryczne ceramiki typu PZT otrzymywanej metodą zolowo-żelową, „Ceramics” 89/2005, 115–121. 11. Jiang W., Zhang R., Jiang B., Cao W., Characterization of piezoelectric materials with large piezoelectric and electromechanical coupling coefficients, “Ultrasonics” 41/2003, 55–63. 12. Kim H. W., Priya S., Muchino K., Newnham R.E., Piezoelectric energy harvesting under high pre-stressed cyclic vibrations, “Journal of Electroceramics” 15/2005, 27–34. 13. Konka H., Wahab M., Lian K., The effects of embedded piezoelectric fiber composite sensors on the structural integrity of glass-fiber–epoxy composite laminate, “Smart Materials and Structures” 21/2012. 14. Lefeuvre E., Sebald G., Guyomar D., Lallart M., Richard C., Materials, structures and power interfaces for efficient piezoelectric energy harvesting, “Journal of Electroceramics” 22/2009, 171–179. 15. Li B., Laviage A., You J., Kim Y., Harvesting low-frequency acoustic energy using multiple PVDF beam arrays in quarter-wavelength acoustic resonator, “Applied Acoustic” 74/2013, 1271–1278. 16. Lu F., Lee H. P., Lim S. P., Modeling and analysis of micro piezoelectric power generators for micro-electromechanical systems applications, “Smart Materials and Structures” 13/2004, 57–63. 17. Malinowski M., Interkalowany nanokompozyt pvdf: synteza, właściwości, zastosowania, „Prace Instytutu Elektrotechniki” 243/2009, 101–113. 18. Mathers A., Moon K., Yi J., A Vibration-Based PMN -PT Energy Harvester, “IEEE Sensor Journal” 7/2009, 731–739. 19. Rodig T., Schonecker A., A Survey on Piezoelectric Ceramics for Generator Applications, “Journal of American Ceramic Society” 93/2010, 901–912. 20. Roundy S., On the Effectiveness of Vibration-based Energy Harvesting, “Journal of Intelligent Material Systems and Structures” 16/2005, 809–823. 21. Roundy S., Wright P. K., A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics, “Smart Materials and Structures” 13/2004, 1131–1142. 22. Rupp C., Evgrafov A., Maute K., Dunn M., Design of Piezoelectric Energy Harvesting Systems: A Topology Optimization Approach Based on Multilayer Plates and Shells, “Journal of Intelligent Material Systems and Structures” 20/2009, 1923–1938. 23. Simon E., Hamate Y., Nagasawa S., Kuwano H., 3D Vibration harvesting using free moving ball in PZT microbox, “Proceedings of PowerMEMS” 2010. 24. Sester M., Poizat Ch., E, Effective properties of composites with embedded piezoelectric fibres, “Computational Materials Science” 16/1999, 89–97. 25. Soobum L., Byeng D. Y., Byung C. J. Robust segmenttype energy harvester and its application to a wireless sensor. “Smart Materials and Structures” 18/2009. 26. Sun E., Cao W., Han P., Complete set of material properties of [011]c poled 0.24Pb(In1/2Nb1/2)O3–0.46Pb (Mg1/3Nb2/3)O3–0.30PbTiO3 single crystal, “Materials Letters” 65/2011, 2855–2857.

27. Swallow L., Luo J., Siores E., Patel I., Dodds D., A piezoelectric fibre composite based energy harvesting device for potential wearable applications, “Smart Materials and Structures” 17/2008. 28. Woias P., Wischke M., Eichorn Ch., Fuchs B., An energy-autonomous wireless temperature monitoring system powered by piezoelectric energy harvesting, Proceedings of PowerMEMS 2009, 209–212. 29. Yang Y., Tang L., Li H., Vibration energy harvesting using macro-fiber composites, “Smart Materials and Structures” 18/2009”. 30. [www.americanpiezo.com] – Piezoelectric Product | Piezo Products & Ceramic Materials Supplier | APC International. 31. [www.morgantechnicalceramics.com] – Technical Ceramics | Advanced Ceramics | Morgan Ceramics. 32. [www.piceramic.com] – PI Ceramic: Piezo Ceramics, Custom Piezo Assemblies, Piezo Technology, Piezoelectrics Actuator, PZT Transducers. 33. [www.smart-material.com] – Smart Material Corp.

Generatory piezoelektryczne: materiały i konstrukcje Streszczenie: W artykule przedstawiono generatory piezoelektryczne, które mogą stanowić rozwiązanie problemu zasilania bezprzewodowych sieci czujników w systemach monitorowania parametrów konstrukcji. Zasada działania tych urządzeń opiera się na konwersji energii mechanicznej (np. drgań) na energię elektryczną w materiałach piezoelektrycznych. W pierwszej części artykułu omówiono podstawowe grupy materiałów piezoelektrycznych: ceramiki, kompozyty, polimery i monokryształy w zakresie ich zastosowania w generatorach. Zwrócono uwagę na stałe materiałowe, które mają największy wpływ na konwersję energii. W drugiej części artykułu przedstawiono konstrukcje generatorów, najczęściej spotkane w literaturze. Omówiono konstrukcje z piezoelektrycznymi aktywatorami połączonymi z belką wspornikową jak również inne konstrukcje z piezoelektrycznymi aktywatorami o różnych kształtach. W ostatniej części zwrócono uwagę na efektywność przetwarzania energii w zakresie uzyskiwanych wartości mocy elektrycznej. Słowa kluczowe: materiały piezoelektryczne, pozyskiwanie energii, generator piezoelektryczny, czujniki bezprzewodowe Artykuł recenzowany, nadesłany 30.07.2013, przyjęty do druku 27.08.2013.

Dariusz Grzybek, PhD Dariusz Grzybek works in AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Process Control. He deals with control of MIMO systems and application of smart materials in processes control. e-mail: dariusz.grzybek@agh.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

129


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Proste metody sprawdzania dokładności precyzyjnych mostków termometrycznych (2) Pomiary nieliniowości całkowitej metodą dychotomii Aleksander A. Mikhal*, Zygmunt L. Warsza** *Instytut Elektrodynamiki Narodowej Akademii Nauk Ukrainy, Kijów **Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: W części pierwszej artykułu omówiono działanie i podstawowe parametry mostków AC z dzielnikiem indukcyjnym stosowanych do pomiarów temperatur wzorcowych. Zaproponowano prostą metodę kontroli ich wskazań dla rezystancji mierzonej równej zeru. W części drugiej omówiono zasady pomiaru temperatury wzorcowej precyzyjnymi mostkami prądu przemiennego (AC) oraz podano sposób kontroli liniowości mostków nazwany metodą dychotomii. Algorytm tej metody zakłada wykonanie pomiarów dla połowy zakresu i dla kolejnych jego części otrzymywanych po dzieleniu na połowę. Do realizacji służy zestaw kilku podwójnych rezystorów wzorcowych. Mostkiem podlegającym sprawdzaniu mierzy się każdą z dwu jednakowych 4-zaciskowych rezystancji wzorcowych oraz ich fizyczne szeregowe połączenie. Podano wyrażenia analityczne dla błędu liniowości mostka z uwzględnieniem oszacowania niedokładności takiego fizycznego sumowania rezystancji. Z przeprowadzonej analizy wynika, że metodą dychotomii (kolejnych podziałów zakresu na połowę), można wyznaczać błąd liniowości mostka nawet poniżej 0,1 ppm. Zbadano obiema zaproponowanymi metodami 7-cyfrowy mostek AC własnej konstrukcji. Błąd zera był poniżej 0,5 LSB, a błąd liniowości zawierał się w zakresie (0,5–2,1)·10–7. Metoda dychotomii jest dość prosta i można ją stosować w każdym laboratorium metrologicznym oraz wykorzystać do automatyzacji procesu kalibracji. Słowa kluczowe: precyzyjny temperaturowy mostek AC, błąd liniowości, metoda dychotomii, wzorzec podwójnej rezystancji

1. Zasada pomiaru temperatury mostkami AC Na rys. 1 podano uproszczony schemat typowego układu pomiarowego n-dekadowego transformatorowego mostka AC stosowanego do precyzyjnych pomiarów temperatury. Zastosowano w nim dwustopniowe transformatorowe dzielniki napięcia z silnym sprzężeniem magnetycznym. W układzie tym transformatory T1, T2, ..., Tn są połączone posobnie – kaskadowo. Dzięki temu uzyskuje się sumowanie napięć nastawionych na wszystkich dekadach.

130

Rys.1. Uproszczony schemat układu pomiarowego n-dekadowego mostka transformatorowego prądu przemiennego AC Fig. 1. Simplified measurement circuit of the n-decade transformer AC bridge

Równowagę mostka, tj. równość napięcia wyjściowego dzielnika i spadku napięcia na badanej rezystancji Rt, uzyskuje się regulując kolejne dekady dzielnika począwszy od najwyższej, aż dla regulacji najniższą dekadą detektor D wskaże zero przy maksymalnej czułości. Z równowagi wynika podstawowe równanie pomiaru:

y  =  f(x)

(1)

gdzie: y – uzyskana nastawa współczynnika przetwarzania dzielnika, x = Rt/R0 – względna wartość rezystancji mierzonej Rt odniesiona do rezystancji wzorcowej R0 w obwodzie prądowym mostka. W przypadku idealnym otrzymuje się

yId  =  x

(2)

gdzie: yId º m1/m0 – wypadkowy stosunek liczb zwojów cewek dzielnika dla x = Rt/R0. Idealna charakterystyka mostka (2) jest linią prostą o nachyleniu równym 1. Rzeczywista charakterystyka y  =  f(x) jest funkcją nieznacznie nieliniową. Można ją rozwinąć w szereg potęgowy. Biorąc odpowiednie jego wyrazy ai, otrzymuje się


y=

n

∑a x i =0

i

i

(3)

lub też w innej postaci

y = x (1 + δ m )(1 + δ l ) + ∆a

(4)

gdzie: y – rzeczywiste nastawy dzielnika; Δa = a0 – składowa addytywna (błąd zera mostka) i δm =a1 – 1 – składowa multiplikatywna błędu mostka; δl – błąd liniowości

δl =

1 n ∑ ai x i −1 a1 i = 2

– błąd Δa jest mniejszy niż 0,5 najmniejszej cyfry (LSB) wskazywanej przez mostek i można go pominąć, – należy go wyznaczyć i uwzględnić w wynikach pomiaru. Wystarczy wówczas ograniczyć się do dwu pierwszych wyrazów rozwinięcia w szereg funkcji W. Ze wzoru (5) otrzymuje się

y x (1 + δ m )(1 + δ l ) + ∆a x (1 + δ l ) ∆a = 0 W ≡ =   → yV xV (1 + δ m )(1 + δ lV ) + ∆a xV (1 + δ lV ) (5) gdzie: y, yV – wskazania mostka przy pomiarze czujnikiem platynowym w temperaturze badanej i temperaturze odniesienia, x, xV – stosunek – względne wartości rezystancji mierzonej Rt w obu temperaturach, δl i δlV – błędy liniowości dla pomiarów tych temperatur. Z wyrażenia (5) wynika, że parametr W nie zależy od składowej multiplikatywnej δm systematycznego błędu mostka tylko wtedy, gdy składowa addytywna tego błędu Δa jest równa zeru. Są więc dwie możliwości:

x (1 + δ l ) x ≈ (1 + δl − δ lV ) xV (1 + δ lV ) xV

(5a)

Graniczna wartość różnicy błędów mostka

Współczynniki ai tego szeregu są złożonymi i zwykle nieznanymi funkcjami o składowych deterministycznych i losowych. Jest to skutek występowania takich czynników wpływających, jak: – pola rozproszenia obwodów sygnału, transformatorów sieciowych i pomiarowych we wnętrzu mostka, – niedokładna wartość rezystancji wzorcowej R0 oraz jej bocznikowanie impedancją wejściową transformatora T (rys. 1), – nieidealne parametry rdzenia, – wpływ impedancji wyjściowej zasilacza i rezystancji obciążenia. Dalsze rozważania będą dotyczyć tylko składowych deterministycznych, czyli błędów systematycznych mostka o składowych: addytywnej (błąd zera) i multiplikatywnej oraz błędu liniowości. Wyniki pomiarów rezystancji mostkiem obarczone są błędem o znakach przeciwnych niż błędy mostka. Wśród danych technicznych precyzyjnych mostków termometrycznych zwykle nie podaje się błędu multiplikatywnego. Wynika to z algorytmu stosowanego do obliczeń temperatury mierzonej wg skali ITS 90. Temperaturę tę wyznacza się z wartości parametru względnego W. Jest on stosunkiem rezystancji wzorcowego czujnika Pt w temperaturze mierzonej i temperaturze odniesienia, np. w punkcie potrójnym wody. Dzięki temu uzyskuje się większą dokładność pomiaru. Uwzględniając wyrażenie (4), z pomiarów obu wartości rezystancji czujnika otrzymuje się następujący stosunek wskazań mostka

W =

|δl – δlV | £ | δl max|

(6)

gdzie: |δl max| – błąd liniowości mostka. Maksymalna wartość tego błędu jest podstawowym parametrem metrologicznym, który określa niedokładność pomiarów temperatury precyzyjnym mostkiem termometrycznym. W danych technicznych takich mostków producenci podają błąd liniowości jako główny i często jako jedyny ich parametr metrologiczny. Przyczyny powstawania błędu addytywnego rozpatrzono w części pierwszej artykułu [12] i nieco bardziej szczegółowo w [7], a w [8] – przyczyny błędu liniowości oraz stosowane dotychczas metody i urządzenia do ich pomiarów. Dokładność pomiarów temperatur wzorcowych [3, 4] w dużym stopniu zależy od metody kalibracji mostków. Opracowano specjalne układy do ich kalibracji [5]. Obecnie oferowane są nawet zautomatyzowane kalibratory [6]. Są one jednak dość kosztowne. Samodzielne ich powielanie jest ograniczone przez zastrzeżenia know-how i wymaga zakupu licencji. Zaproponowano do sprawdzania precyzyjnych mostków temperaturowych dwie proste metody. Metodę pomiaru błędu zera przedstawiono w części 1. Dalej omówiono oryginalną metodę badania liniowości mostków temperaturowych, nazwaną metodą dychotomii (w matematyce tak nazywa się metoda podziału na połowy kolejno otrzymywanych odcinków [1]). Nie jest ona zbyt trudna w realizacji i powinna zainteresować metrologów pracujących w dziedzinie dokładnej termometrii, gdyż może okazać się przydatna w bieżącej praktyce laboratoryjnej.

2. Wyznaczanie liniowości całkowitej mostka metodą dychotomii Podobnie jak inne przetworniki analogowo-cyfrowe, dzielniki mostków transformatorowych mają też dwa rodzaje błędów liniowości ich charakterystyki przetwarzania, tj. błąd liniowości całkowitej (ang. integral), czyli dla całej charakterystyki i błąd liniowości różnicowej opisujący nierównomierność jej kwantów1.

W polskiej literaturze o przetwornikach AC od lat pokutują od lat błędnie przetłumaczone terminy: nieliniowość całkowa i nieliniowość różniczkowa. Poprawne definicje obu błędów liniowości podaje i wyjaśnia T. Sidor [9].

1

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

131


Nauka     

Przyczyną błędu liniowości pierwszego rodzaju jest zmiana współczynnika przetwarzania dzielnika wskutek obciążanie się współpracujących ze sobą dekad. Na rdzenie dzielników transformatorowych stosuje się nowoczesne materiały o względnej przenikalności magnetycznej (1–2)∙105. Indukcyjności rozproszenia dzielnika są wówczas pomijalne, ale rezystancje mają wartości skończone. Impedancję wejściową Rin uzwojenia opisuje wzór

Rin ≈ ( j ω L)2 / R

(7)

gdzie: R – rezystancja uzwojenia pierwotnego dla prądu stałego (DC), L – indukcyjność cewki, ω – pulsacja prądu przemiennego. Rezystancja Rin osiąga (10–20) MΩ, a rout nie przekracza (3–4) Ω. Wskutek różnych od zera rezystancji wyjściowych rout oraz skończonych wartości rezystancji obciążenia Rin dekad połączonych kaskadowo, przy przełączaniu uzwojeń głównie najstarszych dekad, następuje zmiana współczynnika przetwarzania dzielnika. Ilustruje to rys. 2. Zagadnienie zostało omówione bardziej szczegółowo w [8].

Rys. 2. Przyczyna nieliniowości całkowitej mostka Fig. 2. Source of the bridge integral nonlinearity

Uśredniona funkcja przetwarzania mostka y = f (x) jest zwykle monotoniczna i wypukła. Błąd powstający wskutek nieliniowości całkowitej tej funkcji definiuje się np. jako jej odległość do prostej przechodzącej przez punkty krańcowe zakresu (rys. 3). Dla podanych powyżej wejściowych i wyjściowych rezystancji dzielnika błędy jego liniowości są niewielkie i osiągają najwyżej wartości (0,1–0,2) ppm. Pomiar tej nieliniowości jest jednak niezbędny przy wzorcowaniu i sprawdzaniu mostków AC stosowanych w precyzyjnych pomiarach temperatury. Do sprawdzania błędu liniowości całkowitej mostków AC o najwyższej rozdzielczości 7–8 cyfr brakuje dokładnych rezystancji wzorcowych, w tym o wartościach innych niż 10n Ω. Trudność tę omija się przy pomiarach temperatur wzorcowych opartych na wyznaczaniu współczynnika W jako stosunku rezystancji czujnika Pt w dwu temperaturach. Do wyznaczenia całkowitej nieliniowości charakterystyki y = f(x) mostka wykorzystuje wówczas jedynie sprawdzanie, czy spełnia ona zasadę addytywności

f (x1 ) + f (x 2 ) = f (x 1 + x 2 )

(8)

Jeżeli funkcja przetwarzania f(x) jest nieliniowa, to zależność (8) nie zachodzi, a różnica między prawą i lewą stroną tego równania jest błędem liniowości. Dla funkcji monotonicznych, czyli bez przegięć, uzyskuje się wynik jednoznaczny.

132

Rys. 3. Ilustracja wyznaczenia całkowitej nieliniowości indukyjnego dzielnika napięcia metodą dychotomii Fig. 3. Illustration of application of the dichotomy method to find the integral nonlinearity of the inductive voltage divider

Poznanie algorytmu proponowanej tu metody dychotomii ułatwi rys. 3. Przedstawia on monotoniczną funkcję przetwarzania mostka y = f(x) z nieliniowością całkowitą celowo wyolbrzymioną dla celów poglądowej analizy zagadnienia. Względne wartości x rezystancji mierzonej są na osi odciętych x, zaś wyniki pomiarów – na osi rzędnych y. Na krzywej y = f(x) leżą punkty 0, f1, f2, …, fm. Do badań błędu liniowości, jako charakterystykę odniesienia należy przyjąć idealnie liniową funkcję przetwarzania mostka (bez uwzględnienia addytywnej i multiplikatywnej składowych błędu). Najłatwiej jest wyznaczyć prostą łączącą punkty końcowe zakresu 0 oraz fm. Na tej wirtualnej prostej leżą punkty 0, O1, O2, …, fm. Badanie nieliniowości polega na wyznaczeniu różnic między odpowiednimi wartościami współrzędnych y punktów krzywej y = f(x) i punktów o takiej samej rzędnej x na prostej przechodzącej przez początek i koniec charakterystyki mostka. Stosowanie dla mostków precyzyjnych innej idealnej charakterystyki jako odniesienia, np. optymalnej prostej o nachyleniu obliczonym wg kryterium minimum kwadratów błędów lub kryterium Czebyszewa, jest trudne w praktyce. Miałaby ona indywidualny charakter dla każdego egzemplarza mostka. A i tak wymagałaby to najpierw wyznaczenia punktów rzeczywistej krzywoliniowej charakterystyki. Ponadto, dla mostków wysokoprecyzyjnych nie ma rezystancji wzorcowych o wystarczającej dokładności i trzeba by użyć jednej z kłopotliwych w użyciu metod metrologii kwantowej. Dokładność wyznaczania wartości błędu liniowości nie musi być duża (1 lub 2 cyfry). Można więc założyć, że do tego celu przebieg nieliniowej charakterystyki mostka w rozpatrywanym zakresie wystarczająco przybliża fragment paraboli. Wówczas największy błąd liniowości występuje w środku tego przedziału. Metoda wykorzystująca badanie addytywności wskazań mostka upraszcza się, gdy wystarczy wyznaczyć błąd liniowości w środku badanego zakresu pomiarowego, tj. dla punktu xm/2. Wykorzystuje się wówczas dwa sparowane ze sobą rezystory, tj o dokładnie jednakowych, ale nie ko-


niecznie bardzo dokładnie znanych wartościach rezystancji znamionowych R11 i R12. Wyniki pomiaru mostkiem obu tych rezystancji powinny być identyczne i takie jak rzędna punktu f3. Dąży się też do realizacji takiego fizycznego połączenia obu rezystorów w ten sposób, że, by wartości ich rezystancji wraz z doprowadzeniami sumowały się idealnie (powody nieidealnego sumowania rozpatrzono dalej w tekście). Przy zachowaniu addytywności wg wyrażenia (8) wynik pomiaru mostkiem sumy R11+R12 º R1C będzie rzędną punktu Am leżącego na prostej przechodzącej przez punkty 0, f3. Z podobieństwa trójkątów 0Amfm i 0f3O3 wynika, że długość odcinka f3O3 odpowiada liczbowo nieliniowości charakterystyki przetwarzania i stanowi połowę długości odcinka Amfm. W punkcie odpowiadającym połowie zakresu, wartość błędu liniowości, odniesioną do zakresu pomiarowego Rmax, opisuje wyrażenie

δ1 =

R1C − (R11 + R12 ) 2 × Rmax

nio do zacisków I1, U1, I2, U2. Dodatkowe wyprowadzenia r15, r25 łączą się z wewnętrznymi zaciskami napięciowymi oznaczonymi jako U12 i U21. Zaciski te są zwarte zworą sumarycznej rezystancji r1+ r2. W przybliżeniu w połowie tej zwory wykonano wyprowadzenie (o rezystancji r3) do zewnętrznego zacisku U3. Rezystancja przewodu od zacisku U12 do początku dolnego wyprowadzenia napięciowego na rezystorze R01 wynosi r14+ r15. Również w połowie tego przewodu wykonano wyprowadzenie o rezystancji r4, które dołączono do zacisku I13. Podobnie postępuje się z   wyprowadzeniem napięciowym u góry rezystora R02 o sumarycznej rezystancji r24+ r25.

(9)

gdzie: R1C – rezystancja rezystora podwójnego.

RiC − (Ri 1 + Ri 2 ) ∑ 2k −i +1 i =1 k

(10)

Przedstawiony algorytm określenia błędu liniowości całkowitej mostka związany jest z podziałem całego zakresu pomiaru i otrzymywanych kolejno jego przedziałów na pół. Dlatego posługiwanie się tym algorytmem nazwano metodą dychotomii [1].

3. Wzorzec podwójnej rezystancji do realizacji metody dychotomii Do realizacji metody dychotomii w praktyce pomiarowej trzeba stworzyć zestaw wzorców o zdublowanych rezystancjach. Rezystancja każdej pary powinna być bardzo dokładną ich sumą. Podstawę do budowy takich wzorców stanowią układy omówione w [2]. Strukturalnie, każdy zestaw składa się z dwu, o jednakowych wartościach, 4-zaciskowych rezystorów wzorcowych połączonych fizycznie ze sobą szeregowo. Schemat układu rezystancji występujących w takim wzorcu podano na rys. 4. Przedstawiono na nim rzeczywiste rezystancje wzorców R01 i R02 wraz z ich doprowadzeniami r11– r15 i r21– r25. Ekwipotencjalne wyprowadzenia prądowe r11 i napięciowe r12 oraz r21 i r22 tych rezystorów są dołączone odpowied-

Zaciski prądowe I1, I13, I23, I2 i napięciowe U1, U2, U3 rezystora podwójnego dołącza się odpowiednio do zacisków mostka IH, IL, UH, UL w sposób standardowy (rys. 1), zależnie od tego którą rezystancję wzorca podwójnego będzie się mierzyć. Dwa warianty połączeń podano w tab. 1.

Tab. 1. Sposoby połączeń zacisków podwójnego rezystora i mostka Tab. 1. Method of connections of double resistor and bridge terminals Zaciski mostka Mierzona rezystancja

IH

IL

UH

UL

Zaciski rezystorów wzorcowych wariant 1

1 δk = Rmax

Rys. 4. Schemat rezystancji w połączeniu dwu rezystorów wzorcowych Fig. 4. Circuit of resistances existing in connection of two standard resistors

wariant 2

Podobnie błąd liniowości w punkcie Xm/4 odpowiadającym 0,25 zakresu, jest liczbowo równy długości odcinka f2O2, składającego się z odcinków f2A2 i A2O2. Na podstawie podobieństwa odpowiednich trójkątów, odcinki te są równe połowie odcinków B3f3 i f3O3. Ponieważ rzędną punktu f2 wyznaczają rezystancje R21, R22, a rzędną punktu B3 – ich suma, to błąd w punkcie Xm/4 jest sumą dwu odcinków. Dla Xm/8 będzie to suma trzech odcinków. Można wykazać, że w przypadku ogólnym przy k-krotnym podziale zakresu, dla końca (1/k)-tej jego części błąd liniowości ma postać:

Ri1

I1

I23

U1

U3

Ri2

I13

I2

U3

U2

RiC

I1

I2

U1

U2

U1

U3

U3

U2

U1

U2

Ri1 Ri2 RiC

I1

I2

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

133


Nauka     

Wariant 1, o 7 zaciskach, jest dokładniejszy. Korzysta się w nim z dodatkowych zacisków prądowych I13 lub I23. Przy pomiarze jednej z rezystancji, do wejściowego obwodu różnicowego wzmacniacza detektora nie wprowadza się spadku napięcia na drugim rezystorze jako dodatkowego napięcia wspólnego. Następuje to w wariancie 2 z pięcioma zaciskami. Prąd płynie przez szeregowo połączone obie rezystancje. Można go stosować, gdy współczynnik tłumienia sygnału wspólnego jest odpowiednio duży. Wyniki pomiaru pojedynczych rezystancji R11, R12 zależą nie tylko od wartości R01 i R02 , ale i od rezystancji doprowadzeń r14 , r15 , r24 , r25 i rezystancji zwory r1, r2, tj.

R 11 = R01 + r14 + r15 + r 1

(11a)

R 12 = R02 + r24 + r25 + r 2

(11b)

Zaś wynik pomiaru rezystancji podwójnej R1C

R 1C = R01 + R02 + r14 + r15 + r24 + r25 + r1 + r2

(12)

Z porównania sum (11a,b) i (12) wynika, że metoda oparta na założeniu addytywności funkcji liniowej (7) sprawdza się w pełni dla podwójnej rezystancji wzorcowej. Dokładność rezystancji R1C rezystora podwójnego jako fizycznej realizacji sumowania wartości R11+ R12 obu rezystancji wzorcowych zależy od stałości wszystkich rezystancji zawartych w równaniu (12). Jest ona określona przez wpływ kilku czynników: – skończone wymiary punktów połączeń (oznaczone na rys. 3 jako a, b, c) i niejednorodność pola elektrycznego w tych połączeniach, – niestabilność w czasie rezystancji wzorcowych R01 i R02, – niestabilność temperaturowa rezystancji uczestniczących w wyniku pomiaru. Wpływy te omówiono szczegółowo w kolejnych akapitach. Ścisły opis wartości rezystancji punktów połączeń wynika z rozwiązania rozkładu pola elektrycznego opisanego równaniami Maxwella. Z doświadczenia zdobytego przy konstrukcji wynika, że w pomiarach rezystancji R01, R02, R1C, przebieg pola elektrycznego w punktach połączeń nie zmienia się, jeśli długości przewodów rezystancji r15, r25, r1, r2  są znacznie większe niż ich średnice. Stabilność każdego rezystora w czasie jest różna i zależy od technologii jego wykonania. Do najlepszych stosowanych na Ukrainie należą rezystory typu MR3000 wykonywane przez rosyjski zakład produkcji przyrządów pomiarowych ZIP Krasnodar o bogatym doświadczeniu. W danych technicznych tych rezystorów podaje się roczną zmienność rezystancji 5×10–6. Badania wykazały, że ich dobowa zmienność jest o dwa rzędy wielkości mniejsza niż w ciągu roku. Dlatego przy sprawdzaniu błędu liniowości mostka omawianą metodą (w tym z uśrednianiem wyników) niestabilność czasowa była poniżej progu czułości mostka. Alternatywą dla rezystancji wzorcowych MR3000 są rezystory firm: Vishay (S102C, VHP 4, VPR 247) oraz Powertron (UNR4-T220, USR4-3425).

134

Zwora i przewody doprowadzające są wykonywane z drutu miedzianego o temperaturowym współczynniku rezystancji α r ≈ 4 ⋅ 10−3 . Z łącznego wpływu współczynników temperaturowych rezystancji wzorcowej i zwory wynika dopuszczalna maksymalna wartość rezystancji zwory:

r1 + r2 ≤ R01 × (α R α r )

(13)

Na przykład dla rezystancji wzorcowej 10 Ω z zależności (13) otrzymuje się maksymalną rezystancję zwory 2,5 mΩ. Aby w zadowalającym stopniu wyeliminować wpływ niestabilności termicznej, wystarczy umieścić wzorzec o podwójnej rezystancji w pasywnym termostacie powietrznym. Natomiast przez zastosowanie termostatu aktywnego z regulacją temperatury w granicach ±0,01 °C uzyskuje się wpływ niestabilności poniżej progu czułości mostka AC o najwyższej rozdzielczości. Metoda dychotomii nie obejmuje punktów górnej połówki zakresu mostka i każdego z kolejnych podzakresów. W większości przypadków wystarczy wyznaczenie maksymalnych błędów liniowości występujących w ich środkach. Jedynie w niektórych najbardziej dokładnych pomiarach temperatury trzeba by znać je też w innych punktach, by uwzględniać poprawki. Autorzy opracowali zasady pomiaru błędu liniowości mostka AC w całym zakresie pomiarowym. Jest to rozwinięcie metody dychotomii na pomiary w górnej połówce zakresu i jego podzakresów. Omówienie wykracza poza ramy tej publikacji.

4. Nieliniowość różnicowa dzielnika AC Nieliniowość różnicowa DLN (ang. Differential Non-Linearity) występuje w mostkach transformatorowych wskutek niejednakowych sił elektromotorycznych indukujących się w poszczególnych zwojach regulowanego uzwojenia dzielnika indukcyjnego. Przejawia się ona jako nierównomierność kwantowania. Opis nieliniowości różnicowej występującej w wielouzwojeniowym dzielniku indukcyjnym jest zbliżony, ale nie taki sam jak dla scalonych przetworników AC. Nieliniowość różnicową dzielnika obserwuje się na przykład przy zastępowaniu wszystkich nastawionych zwojów dekady niższego rzędu jednym zwojem starszej dekady (zamiana dekad). Przykłady takiej nieliniowości różnicowej dla binarnego dzielnika indukcyjnego podano na rys. 5a. W szczególności największy wpływ mają takie różnice w dekadach starszych. Drugi rodzaj nieliniowości różnicowej przejawia się w niejednakowych napięciach sekcji uzwojeń jednej dekady (rys. 5b). Nieliniowość różnicowa powstaje głównie wskutek niejednorodności parametrów magnetycznych rdzeni i innych niedoskonałości konstrukcyjnych. Sprawdza się ją w procesie technologicznym produkcji dzielników indukcyjnych za pomocą uzwojenia wzorcowego lub dzielnika wzorcowego


Rys. 6. Uproszczony schemat układu pomiarowego mostka transformatorowego CA 300 Fig. 6. Simplified measurement circuit of the transformer bridge CA 300

a)

b)

Rys. 5. Przykłady nieliniowości różniczkowej dzielnika binarnego: a) dy1≠ dy2 – przy zamianie nastaw dekad (8FF→9FF); b) zmiany dyi wywołane nierównością wspólczynników wagi uzwojeń pojedynczego bitu, np. najstarszego (od 9FF do FFF) tego dzielnika Fig. 5. Examples of differential nonlinearities of binary transformer divider: a) dy1≠ dy2 – from exchange of decades (8FF→9FF) during regulation: b) varable dyi – from difference of weight coefficients of the steps of single bit, e.g. of older one (9FF to FFF) of divider above

[2]. Procedura ta zwykle nie jest dostępna dla użytkowników mostka. Nieliniowość różnicowa mostków CA 300, w tym egzemplarza podlegającego opisywanym dalej badaniom nie przekraczała 0,25 LSB (jednostki najmniejszej dekady). Natomiast nieliniowość całkowita tego mostka była o rząd wielkości większa.

5. Przykład kontroli nieliniowości całkowitej precyzyjnego mostka AC metodą dychotomii Automatyczne mostki termometryczne CA 300 o różnych częstotliwościach roboczych układu pomiarowego opracowano na Ukrainie pod kierunkiem A. Mikhala i do 2006 r. produkowała je jednostkowo firma Specavtomatika Kijów

do 2006 r. Przydatność metody dychotomii w kontroli integralnej nieliniowości precyzyjnych mostków AC sprawdzono eksperymentalnie. Obiektem badań był mostek CA 300 o zakresie pomiarowym 0–125 Ω, rozdzielczości LSB 10-5 Ω i szerokości pasma szumu dla pojedynczego pomiaru 1  Hz. Inne parametry metrologiczne były podobne jak wcześniejszej wersji precyzyjnego mostka AC F18 firmy ASL. Wygląd mostka CA 300 przedstawiono na rys. 4 w części 1, a uproszczony schemat układu pomiarowego podaje rys. 6 [10]. Układ ma dwa tory regulacji: podstawowy i pomocniczy. Umożliwia czterozaciskowe podłączenie zarówno platynowego czujnika temperatury Rt, jak i wewnętrznego rezystora wzorcowego R0. Ma także skuteczne ekranowanie od wpływów zakłóceń elektrostatycznych i elektromagnetycznych. Dzielnik indukcyjny T1 służy do utworzenia na uzwojeniu m11 napięcia ustawianego kodem sterującym i proporcjonalnego do spadku napięcia na rezystancji wzorcowej R0. Dzięki ścisłemu sprzężeniu indukcyjnemu napięcie to może być przetworzone liniowo w stosunku liczb zwojów m10/m11. Dzielnik indukcyjny składa się z binarnych triad. Kod sterowania ich ustawieniem generuje mikrokontroler. Dzielnik indukcyjny T2 umożliwia realizację kilku zadań: 1) Bardziej skuteczne dołączenie 4-końcówkowego rezystora R0 do mostka. Uzwojenia wtórne m23 i m24 dzielnika indukcyjnego T2 mają taką samą liczbę zwojów i są dołączone do toru głównego i pomocniczego układu mostka. W torze podstawowym porównuje się napięcie na obiekcie pomiarowym z napięciem uzwojenia m23 transformatora T2 i tworzy sygnał nierównowagi na wejściu wzmacniacza pomocniczego A2, który dążąc do zera kompensuje spadki napięcia na rezystancjach doprowadzeń r2+r4. 2) Ekwipotencjalna ochrona obwodu prądowego i napięciowego. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

135


Nauka     

W stanie równowagi mostka nie płynie prąd w obwodzie napięciowym i nie będzie spadku napięcia na rezystancjach doprowadzeń r1, r3. Spadek napięcia na rezystancji doprowadzenia r4 wystąpi na wejściu wtórnika A3 i pojawi się na końcu o niskim potencjale ekranu uzwojenia m24. Uzwojenia wtórne m23 i m24 dzielnika T2 są wykonane kablem ekranowanym. Ekran tego przewodu jest wewnętrznym ekranem potrójnej wewnętrznej linii łączącej. Drugi zewnętrzny ekran tej linii przewodzi prądy powrotne sygnałów. W taki sposób został zrealizowany trójprzewodowy obwód pomiarowy. Ogólne zasady jego budowy podano w [11]. 3) Ustawianie żądanego zakres pomiarowego Rt  max/R0. przez zmianę przekładni dzielnika T2. Różna od zera rezystancja przewodów łączących i błąd wzmacniacza A2 powoduje powstanie multiplikatywnej składowej błędu pomiaru. Przy zastosowaniu nowoczesnych układów scalonych, w zakresie częstotliwości pracy mostka błąd A2 jest zwykle rzędu 10–5–10–6. Dla stosowanych w układzie rezystorów wzorcowych (»100  Ω) względna wartość rezystancji doprowadzeń δR∑ jest zazwyczaj w przedziale (1–0,01) Ω. Spowoduje to powstanie multiplikatywnego błędu pomiaru rzędu 10–7–10–9. Jest on do zaakceptowania w tego typu pomiarach.

Rys. 7. Płyta zaciskowa podwójnego rezystora wzorcowego Fig. 7. Terminal plate of the standard double resistor

Pomiary mostkiem CA 300 przeprowadza się z włączonym trybem uśredniania. Próbce o minimum 10 pomiarach odpowiada pasmo szumu o szerokości 0,1  Hz. Metodą przedstawioną w części 1 tej pracy zbadano najpierw składową addytywną błędu mostka CA  300, czyli jego zero. We wszystkich mostka nie przekraczała on 0,5  LSB na każdym zakresie. Mostki CA 300 mają wystarczająco duże tłumienie sygnału wspólnego i do badań liniowości metodą dychotomii można było zastosować rezystory wzorcowe o pięciu wyprowadzeniach. Dla zakresu pomiarowego 0–125 Ω wystarczyło wykonać tylko trzy wzorce podwójne o re-

136

zystancjach (62+62) Ω, (31+31) Ω, (15,5+15,5) Ω. Na rys. 7 przedstawiono widok z góry płyty czołowej jednego z tych podwójnych rezystorów wzorcowych. Jego zaciski miały specjalne pokrycie powierzchni dla minimalizacji rezystancji styku. Metodą dychotomii zbadano kilka egzemplarzy mostków AC typu CA 300 o rozdzielczości poniżej 6,2×10–8. Odnoszone do końca podzakresów pomiarowych błędy liniowości mieściły się w przedziale (0,5–2,1)·10–7 z odchyleniem standardowym nie przekraczającym 3×10–8 w paśmie szumu 0,05 Hz. Wartości błędów otrzymane eksperymentalne niemal całkowicie pokrywały się z oszacowanymi dokonanymi na podstawie parametrów metrologicznych zawartych w danych technicznych. Otrzymane w pomiarach kontrolnych wartości stałych błędów systematycznych danego egzemplarza mostka można eliminować przez poprawki. Wyznaczanie niepewności typu B dla pomiarów mostkiem transformatorowym o oszacowanych, lecz nieusuniętych błędach systematycznych omówiono w [4]. Zależy ona od znajomości i stabilności warunków pracy mostka przy przeprowadzaniu pomiarów kontrolnych i od właściwości samego obiektu mierzonego.

6. Podsumowanie i wnioski 1. W części 1 przedstawiono oryginalną metodę pomiaru addytywnej składowej błędu mostka, czyli badanie jego zera. W części 2 podano i omówiono sposób pomiaru jego całkowitej nieliniowości (ang. integral nonlinearity) nazwaną metodą dychotomii. Metoda ta wykorzystuje sprawdzanie addytywności wskazań mostka. 2. Potwierdzono eksperymentalnie, że zaproponowaną metodą pomiaru nieliniowości całkowitej można sprawdzać bardzo małe błędy liniowości precyzyjnych mostków prądu przemiennego, tj. o poziomie 0,1 ppm i poniżej. 3. Omówione w częściach 1 i 2 tej pracy metody – kontroli zera i liniowości są proste. Może je nawet zrealizować we własnym zakresie niemal w każdym laboratorium metrologicznym. 4. Obie metody można z powodzeniem stosować w termometrii o najwyższej dokładności. 5. Metody te, podobnie jak bardziej rozbudowany układ rezystancyjny pomysłu D. R. White’a [5, 6], również nadają się do automatyzacji procesu kalibracji mostka.

Bibliografia 1.  Dichotomy Method: www.encyclopediaofmath.org. 2. Avramov S., Oldham N., Gammon R., Inductive voltage divider calibration for a NASA flight experiment, NCSL Workshop & Symposium, Session 3C, 1993, 225–232. 3. Riley J.C., The accuracy of series and parallel connections of four-terminal resistors. “IEEE Trans. Instrum. and Measurement”, vol. IM-16, 1967, no. 3, 258–268. 4. White D.R. et al., Uncertainties in the realization of the SPRT subranges of the ITS-90. CCT-WG3 on Uncertainties in Contact Thermometry. CCT/08-19/rev.


5. White D.R., Jones K., Williams J.M., Ramsey I.E., A simple resistance network for calibrating resistance bridges, “IEEE Trans. Instrum. Meas.”, Vol. 46, 1997, 1068–1074. 6. Walker R., Automatic linearity calibration in a resistance thermometry bridge, TEMPMEKO & ISHM 2010 Book of Abstracts, 217. 7. Mikhal A.A., Warsza Z.L: Metody wykrywania addytywnej błędu w precyzyjnych mostkach termometrycznych, „Pomiary Automatyka Kontrola”, 12/2012, 1033–1036. 8. Mikhal A.A., Warsza Z.L., Niekonwencjonalna metoda wyznaczania nieliniowości całkowitej precyzyjnych mostków termometrycznych, „Pomiary Automatyka Kontrola”, 1/2013. 9. Sidor T., O pewnym nieporozumieniu terminologicznym, „Pomiary Automatyka Kontrola”, 11/2006 Informacje, 29. 10. Mikhal A.A., Meleshchuk D.V., Dushko A.A.,  Koмбинированный метод измерения импеданса в термометрических мостах с вариационным уравновешиванием (Combined method of impedance measuring in thermometric bridges with variation balancing) „Tehnichna elektrodynamika”, no. 4, 2013, 88–92. [www.techned. org.ua] 11. Awan S., Kibble B., Schurr J., Coaxial Electrical Circuits for Interference-free Measurements. The Institution of Engineering and Technology, London, 2011, 321–350. 12. Mikhal A.A., Warsza Z.L: Proste metody sprawdzania dokładności precyzyjnych mostków termometrycznych (1), Rys historyczny, zasada działania i parametry mostków AC, niekonwencjonalna metoda kontroli zera mostka, „Pomiary Automatyka Robotyka” 9/2013, 92–96.

Simply calibration methods of the precise AC thermometric bridges (2) Measurement of integral nonlinearity by the dichotomy method Abstract: In part 1 backgrounds of operation and basic parameters of the high precision thermometric AC bridges with inductive dividers are described. The simply method of control their indication for measured resistance equal to zero is given and used for control zero of the home made bridge. In the following part 2, after short introduction the conditions of standard temperature measurements under which remains, only the linearity bridge errors are formulated. An unconventional method of measure and of estimating the bridge linearity error named as dichotomy method is proposed. Its algorithm is based on the division of the measurement range and then obtained subsequent intervals in half. Graphical interpretation and the analytical expression of the bridge linearity error are given. As reference for experimental use the set of standard resistors of paired four-terminal resistances are proposed. Each of two resistances and the given serial physical connection of them both have to be measured by tested bridge. The reasons affec-

ting the accuracy of the physical realization of resistance summation is discussed. Through analysis and experimental verification is find that in measurements of the bridge linearity by dichotomy method (division into halves) the error of 0.1 ppm or less can be discovered. The 7-digit own design AC bridge was tested by both proposed methods. The zero error was less than 0.5 LSB, and the linearity error was in the range (0.5–2.1)·10–7. Presented dichotomy method is quite simple and. It can be easily implemented in any metrology lab and be applied in the automatic calibration. Keywords: precision AC thermometric bridge, integral and differential linearity errors, dichotomy method, double resistance standard

Artykuł recenzowany, nadesłany 04.04.2013, przyjęty do druku 19.08.2013.

doc. dr inż. Zygmunt Lech Warsza Ukończył specjalność Miernictwo Elektryczne na wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej w 1959 r., doktorat w 1967  r., docent od 1970  r. Praca: Instytut Elektrotechniki 1958 –63 i 1994 –95. Politechnika Warszawska 1960 –1970, Politechnika Świętokrzyska 1970 –1978 (dziekan – organizator Wydziału Transportu), zorganizował też i kierował Ośrodkiem Aparatury Pomiarowej IMGW 1978 –82 oraz Zakładem Automatyzacji i Pomiarów Instytutu Chemii Przemysłowej 1983 –1992. Doradca Ministra Edukacji Narodowej 1992 –1994, Politechnika Radomska 1983 –2002, obecnie – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP. Autor lub współautor ok.  160 publikacji, 4 monografii, kilkudziesięciu prac konstrukcyjnych i badawczych, 11 patentów oraz promotor 2 prac doktorskich. e-mail: zlw@op.pl doc. dr inż. Aleksander A. Mikhal W 1981 r. Ukończył Politechnikę Kijowską w dziedzinie radiotechniki. Stopień kandydata nauki uzyskał w 1991 r. W 2000 r. został powołany na stanowisko docenta. Obecnie kieruje Zakładem Pomiarów Elektrycznych i Magnetycznych w Instytucie Elektrodynamiki Ukraińskiej Akademii Nauk w Kijowie. Główne osiągnięcia: opracował i wdrożył wysoko precyzyjny mostek AC do pomiarów temperatury z niepewnością 0,00001  °C i stanowisko wzorca Ukrainy dla elektrolitycznej przewodności cieczy. Autor ponad 90 publikacji oraz 22 patentów. e-mail: a_mikhal@ukr.net

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

137


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Nowy układ elektroniczny cyfrowej symulacji rezystancyjnych czujników temperatury Jacek Korytkowski Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Streszczenie: Omówiono opracowany przez autora oryginalny układ cyfrowej syntezy rezystancji złożony ze wzmacniaczy monolitycznych oraz zawierający cyfrowo sterowany monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy. Podano opis matematyczny charakterystyki symulowanej rezystancji w funkcji sterującego sygnału cyfrowego. Przedstawiono wyniki badań dokładności modelowego układu symulatora rezystancji czujników Pt 100 w przedziale zmian od 0 Ω do 400 Ω. Opracowany nowy układ elektroniczny umożliwia symulowanie charakterystyki rezystancji z dużą dokładnością, z błędami liniowości poniżej 0,01 % (100 ppm). Słowa kluczowe: wzmacniacz monolityczny, monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy, czujnik rezystancyjny temperatury, symulacja rezystancji

1. Wstęp Symulatory rezystancji są niezbędne we współczesnych komputerowych i mikroprocesorowych technikach kontroli właściwości metrologicznych sprzętu automatyki i sprzętu pomiarowego przeznaczonego do współpracy z czujnikami rezystancyjnymi temperatury Pt 100. Symulatory te stanowią wyposażenie komputerowych stanowisk pomiarowych oraz mikroprocesorowych przenośnych testerów przeznaczonych zarówno dla producentów sprzętu, jak i dla ich użytkowników. Rozwiązania układów tych symulatorów rezystancji były opisywane w polskiej literaturze technicznej [1–8]. Zasadę działania różnych sterowanych cyfrowo symulatorów rezystancji opisano szczegółowo w numerze 5/2013 miesięcznika PAR [8]. Nieznany dotychczas, obecnie opracowany autorski, oryginalny układ symulatora rezystancji zostanie opisany w niniejszym artykule. Układ ten zaliczyć należy do grupy układów nazywanych syntezatorami rezystancji (ang. resistance synthesizers), są to układy syntezy rezystancji wykorzystujące monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy oraz monolityczne wzmacniacze. Syntezator rezystancji umożliwia wytwarzanie cyfrowo sterowanej rezystancji, bazując na wartości odniesienia rezystancji rezystora dokładnego i na wartości odpowiednio cyfrowo sterowanego wzmocnienia lub tłumienia sygnału

138

napięciowego lub prądowego w układzie elektronicznym z przetwornikiem cyfrowo-analogowym. Opisany poprzednio [8] dokładny syntezator rezystancji realizuje swoją funkcję przez odwrotnie proporcjonalne sterowanie sygnałem cyfrowym współczynnika wzmocnienia prądu, który jest proporcjonalny do napięcia na zaciskach wyjściowych syntezatora, a prąd jest wymuszany między dwoma zaciskami wyjściowymi syntezatora. To powoduje, że wartość symulowanej rezystancji jest proporcjonalna do wartości cyfrowego sterującego sygnału wejściowego. Układ ten charakteryzuje duża dokładność odtwarzanej charakterystyki (nieliniowość lepsza od 0,01 %), a architektura układu wymaga zastosowania pięciu wzmacniaczy monolitycznych i przetwornika cyfrowo-analogowego. Należy zwrócić uwagę, że symulator rezystancji o charakterystyce proporcjonalnej od sygnału cyfrowego w zakresie pracy swoich bitów powtarza dokładność zastosowanego przetwornika cyfrowo-analogowego [9]. Nowy układ syntezatora rezystancji będący przedmiotem niniejszego artykułu stosuje ten sam typ przetwornika cyfrowo-analogowego [9], więc zapewnia też dużą dokładność odtwarzanej charakterystyki (nieliniowość lepsza od 0,01 %), a schemat nowego układu wymaga zastosowania tylko trzech wzmacniaczy monolitycznych i przetwornika cyfrowo-analogowego. Nowy układ realizuje swoją funkcję przez proporcjonalne sterowanie sygnałem cyfrowym współczynnika wzmocnienia napięcia, które jest proporcjonalne do wartości prądu na zaciskach wyjściowych symulatora, a napięcie to jest wymuszane między dwoma zaciskami wyjściowymi syntezatora. To powoduje, że wartość symulowanej rezystancji jest proporcjonalna do wartości cyfrowego sterującego sygnału wejściowego. Nowy układ syntezatora, tak jak i układ opisany poprzednio [8], mają wspólny punkt sygnałowy napięciowego poziomu odniesienia („zero zasilania 0 V”) połączony z jednym z dwu zacisków wyjściowych syntezatora łączonych bezpośrednio z układem pomiaru rezystancji, dla którego realizowana jest symulacja. Dzięki temu układ współpracy syntezatora z układem pomiaru rezystancji jest odporny na zakłócenia, a w szczególności na zakłócające prądy pojemnościowe o częstotliwości 50 Hz sieci zasilającej. Opisane wcześniej układy symulatorów [3, 4] nie mają tej zalety,


nie mają wspólnego punktu sygnałowego („0 V”) dołączonego do żadnego z dwu zacisków wyjściowych symulatora, toteż układy tych symulatorów nie są odporne na zakłócające prądy pojemnościowe o częstotliwości 50 Hz sieci zasilającej.

2. Syntezator rezystancji z przetwornikiem CA o układzie z sygnałem napięciowym wymuszanym na swoich zaciskach wyjściowych Uproszczony schemat syntezatora rezystancji o układzie z sygnałem napięciowym wymuszanym na swoich zaciskach wyjściowych został podany na rys. 1. Elektroniczny układ syntezatora o tej zasadzie działania został opracowany w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie i został oznaczony symbolem ZR213AI400W. Zakres zmian rezystancji do 400 W umożliwia symulowanie rezystancyjnych czujników temperatury Pt 100 w pełnym zakresie zmian temperatury od –200 °C do 850 °C zgodnie z wymaganiami obowiązującej w Polsce normy [10]. Układ syntezatora jest układem aktywnym, który wymusza napięcia US na zaciskach wyjściowych „1” i „2”. Napięcie to ma wartość proporcjonalną do wartości prądu IS między zaciskami wyjściowymi, identyfikowanego przy zacisku 1 oraz proporcjonalną do cyfrowego sygnału sterującego XC. Jak to powiedziano wyżej, opisywany syntezator symuluje wartość rezystancji między zaciskami wyjściowymi 1 i 2 formując wartość napięcia US proporcjonalną do wartości prądu IS oraz proporcjonalną do cyfrowego sygnału sterującego XC według wzoru:

R2

1

US

IS

R1

R2

_ W1 +

–R1IS

W2

_

CA

+

U1= U3–R1IS

R2

U2

UREF= –R1IS

_ +

R2

W3

(1)

U3=+R1ISXC

3 U3

gdzie K1 jest współczynnikiem proporcjonalności o wymiarze rezystancji. 2

AGND

XC= a12-1+a22-2+a32-3+ ….+ an2-n

Do formowania sygnału napięcia US służy przetwornik CA ze wzmacniaczem W3 oraz odpowiednie sterowanie wzmacniacza W1. Wzmacniacz W1 przetwarza prąd IS pobierany z zacisku wyjściowego syntezatora 1 na ujemny sygnał napięcia –R1 IS względem punktu 3 na schemacie (rys. 1), o napięciu U3 względem wspólnego punktu sygnałowego AGND. Napięcie U3 jest napięciem ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza W1. Wzmacniacz W1 charakteryzuje się bardzo dużą wartością wzmocnienia napięciowego (106 V/V), pomijalnym wejściowym napięciem niezrównoważenia (2 μV) i pomijalną konduktancją wejściową wzmacniacza. Takie właściwości wzmacniacza decydują o tym, że wartość napięcia na jego końcówkach wejściowych („–”, „+”) jest praktycznie pomijalna, toteż można przyjąć, iż napięcie U3 jest praktycznie równe napięciu na zaciskach 1, 2 symulatora według wzoru:

U3 = US.

(2)

Sygnał napięciowy o wartości –R1 IS proporcjonalny do wartości prądu IS pobieranego z zacisku 1 syntezatora jest formowany przez układ inwersyjny wzmacniacza W1 względem punktu oznaczonego na schemacie symbolem 3. Sumaryczny sygnał napięcia wyjściowego wzmacniacza W1 względem wspólnego punktu sygnałowego AGND jest równy U1 = U3 – R1IS. W celu usunięcia z sygnału U1 składnika U3 zastosowano układ prostego wzmacniacza różnicowego ze wzmacniaczem W2 o wzmocnieniu równym jedności, co zapewniają dwie pary rezystorów – każdy z rezystorów o wartości R2. Na wejście nieinwersyjne („+”) wzmacniacza różnicowego podawane jest napięcie U1, a na wejście inwersyjne („–”) podawane jest napięcie U3. Sygnał napięcia wyjściowego U2 określony jest wzorem:

U2 = U3 – R1IS – U3 = –R1IS.

(3)

Napięcie wyjściowe wzmacniacza W2 podawane jest na wejście napięcia referencyjnego przetwornika cyfrowo-analogowego [11] CA, więc

U2 = UREF.

(4)

Zastosowany w układzie syntezatora typ przetwornika CA [9] wymaga stosowania na swoim wyjściu wzmacniacza inwersyjnego W3. Wzmacniacz W3 równoważy prądy formowane w przetworniku CA, według sygnału cyfrowego sterującego XC, z prądem swojego ujemnego sprzężenia zwrotnego przez rezystor zawarty wewnątrz przetwornika CA. Trzeba zauważyć, że rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego inwersyjnego wzmacniacza W3 zawarty w scalonym przetworniku CA, ma takie same współczynniki temperaturowe zmian rezystancji od temperatury jak i pozostałe rezystory wewnętrzne tego przetwornika. Ogranicza to do minimum wpływ zmian temperatury nagrzewania własnego i zmian temperatury otoczenia na sygnał wyjściowy napięciowy U3. Przetwornik CA ze wzmacniaczem inwersyjnym W3 formuje sygnał według wzoru:

U3 = –UREF XC = –(–R1 IS)XC = R1 IS XC.

(5)

Zgodnie ze wzorem (2) można napisać:

US = U3 = R1ISXC.

(6)

Rezystancja symulowana jest opisana wzorem:

. (7)

Jest to wzór opisujący charakterystykę syntezatora rezystancji, przy czym współczynnik R1 stanowi wartość rezystancji rezystora ujemnego sprzężenia zwrotnego układu wzmacniacza inwersyjnego W1 podanego na schemacie z rys. 1. Jak wynika ze schematu podanego na rys. 1, ważną zaletą układu jest bezpośrednie połączenie wyjściowego

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

139


Nauka     

R2

1 US

IS

R1

R2

_ W1 +

–R1IS

_

W2 CA

+

U1= U3–R1IS

R2

U2

UREF= –R1IS

_ +

R2

W3 U3=+R1ISXC

3 U3

2

AGND

Rys. 1. Schemat uproszczony syntezatora rezystancji z cyfrowo sterowanym sygnałem napięciowym wymuszanym na zaciskach wyjściowych 1 i 2 Fig. 1. The simple circuits diagram of resistance synthesizer with digital control voltage signal applied at output points 1 and 2

zacisku 2 syntezatora i wspólnego punktu sygnałowego układu („0 V”) nazwanego AGND całego układu elektronicznego syntezatora. Pełny schemat układu syntezatora rezystancji o oznaczeniu ZR213AI400W dla wykonania o zakresie 400 W został podany na rys. 2. Syntezator ten ma wyjście o połączeniu czteroprzewodowym zwanym też połączeniem Kelvina [12] przystosowanym do bardzo dokładnej symulacji i bardzo dokładnych pomiarów rezystancji. Zaciski prądowe oznaczono Hinput, Linput, a napięciowe S„+”, S„−” zgodnie z oznaczeniem tych zacisków w zastosowanym do pomiarów multimetrze typu 2002 firmy Keithley, o bardzo dobrej dokładności, o spodziewanej względnej niedokładności jednorocznej ok. 10 ppm na zakresie 2 kΩ. W celu uzyskania lepszej przejrzystości na schemacie (rys. 2) nie umieszczono zastosowanych kondensatorów odprzęgających o pojemności 680 nF dołączonych między wspólny punkt AGND do końcówek 7 poszczególnych wzmacniaczy W1, W2, W3 dla dodatnich napięć zasilających +Uz oraz między wspólny punkt AGND do końcówek 4 tych wzmacniaczy dla ujemnych napięć zasilających – Uz. Przetwornik CA typu AD7545A [9] ma doprowadzone tylko dodatnie napięcie zasilające +Uz na końcówkę 18. Dla tego przetwornika zastosowano dwa kondensatory odprzęgające o pojemności 680 nF między końcówką 18, a AGND oraz między końcówką 18, a DGND stanowiącym wspólny punkt zasilania dla sygnałów cyfrowych. Dla sygnałów cyfrowych przetwornika AD7545A zastosowano osobny wspólny punkt zasilania nazwany DGND, zasilany z dodatkowego napięcia ujemnego o wartości –0,5 V, a uzyskanego z odpowiednio zasilanej ujemnym napięciem diody krzemowej D4. Zapewniło to brak zakłócającego działania sygnałów cyfrowych na obwód syntezatora rezystancji.

140

XC= a12-1+a22-2+a32-3+ ….+ an2-n

W skład układu syntezatora rezystancji (rys. 2) wchodzi układ inwersyjnego wzmacniacza W1 stanowiącego przetwornik prąd/napięcie [7]. Układ przetwornika oraz pozostałe układy syntezatora zostały zrealizowane na wzmacniaczach monolitycznych typu OPA277P (Burr-Brown) [13]. Wzmacniacz typu OPA277P jest tanim układem monolitycznym (cena znacznie poniżej 10 dolarów), a charakteryzują go bardzo dobre właściwości takie jak: typowa wartość wejściowego napięcia niezrównoważania tylko 10 µV z możliwością zerowania, typowa wartość dryftu temperaturowego napięcia niezrównoważenia 0,1 µV/°C, typowa wartość dryftu długoterminowego napięcia niezrównoważenia to 0,1 µV w okresie czasu jednego miesiąca, typowa wartość prądu polaryzacji wejścia 0,5 nA oraz bardzo duża wartość współczynnika wzmocnienia napięciowego wynosząca więcej niż 2×106 V/V. Przetwornik prąd/napięcie o układzie inwersyjnego wzmacniacza W1 dokładnie formuje sygnał inwersyjny napięciowy proporcjonalny do wartości prądu IS na wejściu syntezatora, gdyż wzmacniacz zawiera w układzie potencjometr P11 umożliwiający dokładne wyzerowanie wejściowego napięcia niezrównoważenia wzmacniacza. Ten sygnał napięciowy jest równy –R1IS względem końcówki dodatniej „+” wzmacniacza W1 oznaczonej na schemacie cyfrą 3, końcówka „+” ma napięcie +U3 względem wspólnego punktu AGND. Toteż sumaryczny sygnał wyjściowy wzmacniacza W1 jest równy: U1 = U3 – R1IS względem wspólnego punktu AGND. Od tego sygnału U1 należy odjąć składnik U3, aby wysterować przetwornik cyfrowo-analogowy sygnałem proporcjonalnym do prądu IS. W tym celu w układzie syntezatora jest użyty prosty, ale dokładny wzmacniacz różnicowy sygnałów napięciowych [7] ze wzmacniaczem W2 też typu OPA277P. Wejściowe napięcie niezrównoważenia tego wzmacniacza podlega wyzerowaniu potencjometrem P21. Wzmacniacz różnicowy sygnałów napięciowych W2 zapewnia dokładne wzmocnienie równe jedności różnicy tych sygnałów wejściowych jeżeli jego rezystory spełniają dokładnie następujący warunek:


Hinput Hinput IS

IS

S„+” S„+” 1 1 US

US

S„−” 2 2 S„−”

Nastawy Nastawy wieloobrotowych wieloobrotowych potencjometrów potencjometrów strojeniowych strojeniowych P11 jest P11strojony jest strojony aby napięcie aby napięcie niezrównoważenia niezrównoważenia W1 nie Wprzekroczyło ± 2 µV. ± 2 µV. 1 nie przekroczyło P21 jest P21strojony jest strojony aby napięcie aby napięcie niezrównoważenia niezrównoważenia W2 nie Wprzekroczyło ± 2 µV. ± 2 µV. 2 nie przekroczyło P23= P23= P22 jest P22strojony jest strojony aby spełnić aby spełnić warunek warunek R21=RR2221+P =R2222z+P niedokładnością ±10 ppm. ±10 ppm. 22 z niedokładnością 10Ω 10Ω R1=400Ω±0,1% R1=400Ω±0,1% P23 jest P23strojony jest strojony aby spełnić aby spełnić warunek warunek R23=RR2423+P =R2324z+P niedokładnością ±10 ppm. ±10 ppm. 23 z niedokładnością Przy Przy nastawie nastawie P24 wPśrodkowym położeniu położeniu P1 i PP2 1sąi Pstrojone tak, aby tak, aby 24 w środkowym 2 są strojone C11=10 C11nF =10 nF R24 R24 C21=33 C21pF =33 pFmaksymalna maksymalna wartość wartość symulowanej symulowanej rezystancji rezystancji wynosiła wynosiła 399,90 399,90 Ω ±10 ΩmΩ, ±10 mΩ, 5,05kΩ 5,05kΩ a następnie a następnie P24 jest P24strojony jest strojony dla uzyskania dla uzyskania maksymalnej maksymalnej wartości wartości zakresu zakresu ±0,1% ±0,1% symulacji rezystancji rezystancji 399,902 399,902 Ω z niedokładnością Ω z niedokładnością ±10 ppm. ±10 ppm. +Uz +U -Uzz -Uz symulacji 5,05kΩ -Uz -U5,05kΩ +Uz +U z _ _ 0,1%0,1% W2 W2U = ̶UR =I ̶ R I 470Ω470Ω 5% 5% 2 21 S 1 S+U +U W1 WR z z 1 21 R21 + + P2=200Ω P2=200ΩP1=100Ω P1=100Ω + + _ _ 20kΩ20kΩ20kΩ20kΩ 20kΩ20kΩ 18 18 20 20 C41=33pF C41=33pF 20kΩ20kΩ 5% 5% R23 R23 5% 5% 5% 5% +Uz=+15 +Uz=+15 V V 19 19 1 1 W 5% 5% _3 W3 AD7545A AD7545A 5,05kΩ 5,05kΩ D1 D1 _ P21= P21= P24= P24= CA CA U1 ±0,1% U1 ±0,1% 2 2 20kΩ20kΩ20Ω 20Ω P11= P11= 3 3 + + 20kΩ20kΩ D3 D3 D2 D2 U3=kUR31=k IS R X1CIS XC R22 R22 UREF=UREF= +Uz +Uz +Uz +Uz ̶k R1 I̶kS R1 IS 5,05kΩ 5,05kΩ +Uz -U +U z z -Uz ±0,1% ±0,1% DGND DGNDAGND AGND 0V 0V C22= C22= 33pF 33pF R25 R25 P22= P22= 100kΩ 100kΩ 10Ω 10Ω 5% 5% D4 D4 3 3 DGND= DGND= – 0,5 –V0,5 V 2 kΩ 2 kΩ -Uz=-15V -Uz=-15V

AGND AGND

Linput Linput (0 V) (0 V)

-1 -1 -2 -2 -3 -3 -n -n XC=aX12C=a +a +a +…+a 1222+a 2232+a 32 +…+a n2 n2

Rys. 2. Schemat syntezatora rezystancji ZR213AI400Ω Rys. 2. Schemat syntezatora rezystancji ZR213AI400Ω Rys. 2. Schemat syntezatora rezystancji ZR213AI400Ω 2. schematic of ZR213AI400Ω resistance synthesizer 2.schematic The schematic of ZR213AI400Ω resistance synthesizer Fig.Fig. 2. Fig. TheThe of ZR213AI400Ω resistance synthesizer

Syntezator Syntezator ma ma zakres zakres rezystancji rezystancji od od 399,902 399,902 Ω dla Ω dla pełnego pełnego wysterowania, wysterowania, do do 0,0977 0,0977 Ω dla Ω dla najmniej najmniej znaczącego znaczącego 12 bitu 12 bitu zwanego zwanego LSB. LSB. JakoJako rezystory R1, R R R121 , +, RPR , , RR , , RR , Rdecydujące o wzmocnieniu o wzmocnieniu wzmacniacza wzmacniacza inwersyjnego inwersyjnego i wzmacniacza i wzmacniacza 2122 2223 2324 24 decydujące Rrezystory 22 + P22 23 = 24 = 1. (8) U3 = k R1 IS XC, (11) różnicowego różnicowego zastosowano rezystory rezystory dokładne dokładne RM67Z, RM67Z, oraz oraz RM43B RM43B o różnicach o różnicach współczynników współczynników temperaturowych temperaturowych R21zastosowano R 23 rezystancji rezystancji poszczególnych poszczególnych par par rezystorów rezystorów nie nie przekraczających przekraczających 3 ppm/°C, 3 ppm/°C, odpowiednio odpowiednio wyselekcjonowane wyselekcjonowane i oi o gdzie iloczyn k R1 jest równy: wartości wartości tolerancji tolerancji rezystancji rezystancji 0,1 %. 0,1 Wieloobrotowe %. Wieloobrotowe potencjometry potencjometry strojeniowe strojeniowe typutypu helitrim helitrim P11, PP1121,, PP2122,, P P22, P231, P1, 23, P Dysponując dwoma parami dokładnych rezystorów oraz P do do odpowiedniego odpowiedniego wyzerowania wyzerowania napięcia napięcia niezrównoważenia niezrównoważenia wzmacniaczy, wzmacniaczy, zestrojenia zestrojenia P 2 P 2 oraz 24 Psłużyły 24 służyły o wartościach 5,05 kΩ ±0,1 %, można ten warunek bez (12) k R1 = 400,000 Ω. rezystorów rezystorów wzmacniacza wzmacniacza różnicowego różnicowego oraz oraz zestrojenia zestrojeniazakresu zakresusymulowanej symulowanejrezystancji rezystancjisyntezatora. syntezatora. trudu spełnić dobierając dwie pary: R   <  R oraz R   <  R 22 21 24 23 Współczynniki Współczynniki temperaturowe temperaturowe rezystancji rezystancji potencjometrów potencjometrów strojeniowych strojeniowych nie są większe nie (7) większe od 100 od 100 ppm/°C. ppm/°C. Pozostałe Pozostałe i odpowiednio dobierając nastawy wieloobrotowych potenZgodnie ze są wzorem charakterystyka syntezatora rezystory, rezystory, które które nie decydują nie odecydują bezpośrednio bezpośrednio o dokładności, o dokładności, są rezystorami są rezystorami o tolerancji o tolerancji 5 %.5 %. cjometrów strojeniowych rezystancji nominalnej 10 Ω, opisana jest równaniem: Monolityczne Monolityczne wzmacniacze scalone scalone OPA277P OPA277P miały miały sprawdzone sprawdzone lub lub zestrojone zestrojone niewielkie niewielkie wartości wartości (±2(±2 μV)μV) aby zostały spełnionewzmacniacze następujące równości: -1 wyjściowych -2 -3 przetwornika -12 CA, napięć napięć niezrównoważenia. niezrównoważenia. W celu W celu zabezpieczenia zabezpieczenia przed przed przepięciami obwodów obwodów wyjściowych przetwornika CA, Rprzepięciami  = 400,000 ( a 2 + a 2 + a 2 + … + a 2 ). (na 13) na wy 1 2 3 12 + P  = R oraz R + P  = R . (9) jegojego R końcówkach 1,21 21,oraz 2 oraz 3 23zastosowano, jakojako diody diody ograniczające ograniczające napięcia napięcia D1, D D12,, D D23,, D złącza kolektor-baza kolektor-baza 3, złącza 22 końcówkach 22 243 zastosowano, 23 Syntezator mamV), zakres rezystancji od dla tranzystorów tranzystorów BC107 BC107 o dość o dość wysokim wysokim napięciu napięciu ograniczenia ograniczenia (ok.(ok. 680 680 mV), znacznie znacznie wyższym wyższym od 399,902 Ω dodatkowego od dodatkowego Po zestrojeniu wartości rezystorów z dokładnością pełnego wysterowania, do 0,0977 Ω dla najmniej znacząujemnego ujemnego napięcia napięcia zasilania zasilania (–0,5 (–0,5 V) DGND. V) DGND. cego 12objętych bituobjętych zwanego LSB. sprzężeniami 10 ppm uzyskuje się bardzostabilnej dokładne wzmocnienie według Dla Dla zapewnienia zapewnienia stabilnej pracy pracy układu układu wzmacniaczy wzmacniaczy ujemnymi ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi, zwrotnymi, wzoru (8). Wzmacniacz różnicowy W formuje sygnał Jako rezystory R , R ,pFRlub R R 24 decydujące 2 1 pF 22 zastosowano zastosowano jakojako ujemne ujemne sprzężenie sprzężenie dynamiczne dynamiczne kondensatory kondensatory o pojemnościach o pojemnościach 33 3321lub 10, nF. 1023,nF. wyjściowy U2 = U3 –R1 IS –U3 = –R1 IS według (3). o wzmocnieniu wzmacniacza inwersyjnego i wzmacniaSygnał napięciowy U2 nieco zmniejszony o ok. 100 ppm cza różnicowego zastosowano rezystory dokładne RM67Z, 5 RM43B o różnicach współczynników temperaturona potencjometrze P24 zostaje podany jako napięcie referen- 5 oraz cyjne UREF do przetwornika cyfrowo-analogowego CA, który wych rezystancji poszczególnych par rezystorów nie przeformuje sygnał z inwersją. Napięcia to opiszemy wzorem: kraczających 3 ppm/°C, odpowiednio wyselekcjonowane i o wartości tolerancji rezystancji 0,1 %. Wieloobrotowe (10) potencjometry strojeniowe typu helitrim P11, P21, P22, P23, UREF  = –k U2, P1, P2 oraz P24 służyły do odpowiedniego wyzerowania gdzie k współczynnik strojony nieco mniejszy od jednonapięcia niezrównoważenia wzmacniaczy, zestrojenia rezyści. Potencjometrami wieloobrotowymi strojeniowymi P1, storów wzmacniacza różnicowego oraz zestrojenia zakresu P2 dokonuje się nastawy wstępnej charakterystyki syntesymulowanej rezystancji syntezatora. Współczynniki zatora, a potencjometrem wieloobrotowym P24 dokonuje temperaturowe rezystancji potencjometrów strojeniowych się strojenia końcowego, aby uzyskać dokładną zależność: są nie większe od 100 ppm/°C. Pozostałe rezystory, które Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

141


Nauka     

Tab. 1. Zmierzone wartości błędów względnych nieliniowości charakterystyki syntezatora ZR213AI1400Ω odniesionych do zakresu 400 Ω Tab. 1. Measured values of relative errors nonlinearity characteristics of sustained synthesizer ZR213AI400Ω, range to 400 Ω Rid Ω

399,902

350,000

300,000

250,000

200,000

150,000

100,000

50,000

25,000

Rwy Ω

399,898

349,995

299,999

249,992

199,995

149,999

100,002

49,996

24,998

dRwy wy „−”

–10 ppm

–13 ppm

–3 ppm

–20 ppm

–13 ppm

–3 ppm

+5 ppm

–10 ppm

–5 ppm

Rwy Ω

399,907

350,005

300,005

250,0005

199,998

150,013

100,011

50,007

25,013

dRwy wy „+”

+13 ppm

+13 ppm

+13 ppm

+1 ppm

–5 ppm

+33 ppm

+28 ppm

+18 ppm

+33 ppm

Rid Ω

12,500

6,250

3,125

1,5625

0,7813

0,3906

0,1953

0,0977

0,0000

Rwy Ω

12,497

6,245

3,115

1,557

0,770

0,384

0,182

0,089

–0,004

dRwy wy „−”

–8 ppm

–13 ppm

–25 ppm

–14 ppm

–28 ppm

–17 ppm

–34 ppm

–22 ppm

–10 ppm

Rwy Ω

12,512

6,262

3,129

1,570

0,789

0,403

0,205

0,107

+0,003

dRwy wy „+”

+30 ppm

+30 ppm

+10 ppm

+19 ppm

+19 ppm

+31 ppm

+24 ppm

+23 ppm

+8 ppm

nie decydują bezpośrednio o dokładności, są rezystorami o tolerancji 5 %. Monolityczne wzmacniacze scalone OPA277P miały sprawdzone lub zestrojone niewielkie wartości (±2 µV) napięć niezrównoważenia. W celu zabezpieczenia przed przepięciami obwodów wyjściowych przetwornika CA, na jego końcówkach 1, 2 oraz 3 zastosowano, jako diody ograniczające napięcia D1, D2, D3, złącza kolektor-baza tranzystorów BC107 o dość wysokim napięciu ograniczenia (ok. 680 mV), znacznie wyższym od dodatkowego ujemnego napięcia zasilania (–0,5 V) DGND. Dla zapewnienia stabilnej pracy układu wzmacniaczy objętych ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi, zastosowano jako ujemne sprzężenie dynamiczne kondensatory o pojemnościach 33 pF lub 10 nF. Po uruchomieniu układów dokonano sprawdzenia charakterystyk stosując multimetr cyfrowy typ 2002 firmy Keithley. Wyniki badania charakterystyki układu syntezatora ZR213AI400Ω przeznaczonego do symulacji rezystancji o zakresie zmian od 399,902 Ω do 0,0977 Ω podano w tab. 1. Są to dwie charakterystyki dla ujemnych oraz dla dodatnich napięć wyjściowych między zaciskami 1 oraz 2. Dla ujemnych napięć wyjściowych wyniki oznaczono wy „−”, a dla dodatnich napięć wyjściowych wyniki oznaczono wy „+”. Symbolem Rid oznaczono idealną wartość zadawanej rezystancji sygnałem cyfrowym. Największy błąd nieliniowości charakterystyki nie przekracza 34 ppm. Błąd przy zerowej wartości sygnału cyfrowego to 10 ppm. Celem badań eksperymentalnych, w których wykorzystano 12 bitowy tani przetwornik CA [9] było sprawdzenie

142

charakterystyki całego układu syntezatora. Uzyskano błąd nieliniowości mniejszy niż graniczny błąd nieliniowości (relative accuracy [9]) przetwornika CA, który w najgorszym przypadku może wynosić ±1/2 LSB (120 ppm). W praktyce obserwujemy, że producenci dostarczają układy scalone o znacznie lepszej dokładności niż dokładność gwarantowana danymi technicznymi tego układu. Najniższy punkt pomiarowy odpowiadający sygnałowi cyfrowemu o wadze najmniej znaczącego bitu (LSB) a12 = 1 dotyczy wartości rezystancji Rid = 0,0977 Ω. W zastosowaniach praktycznych, dla osiągnięcia pomijalnego błędu rozdzielczości nastawy, należy stosować przetwornik cyfrowo-analogowy o większej rozdzielczości, na przykład 16-bitowy LTC1597A [14], co zapewni błąd rozdzielczości nastawy nie większy od 16 ppm.

4. Podsumowanie W opisanym układzie 12-bitowego syntezatora ZR213AI400Ω uzyskano błędy względne charakterystyki, które nie przekraczają 34 ppm (0,004 %), odniesione do zakresu 400 Ω wartości rezystancji. Błąd zera charakterystyki nie przekracza 10 ppm (0,001 %). Tak małe wartości błędu nieliniowości charakterystyki przy symulacji rezystancji mogą zostać zilustrowane przykładowym zastosowaniem symulowania temperatury czujników rezystancyjnych Pt 100. Przy stosowaniu opisanego układu syntezatora, o maksymalnym błędzie nieliniowości 34 ppm, do symulacji czujnika rezystancyjnego Pt 100 w zakresie od –200 °C do +850 °C, błąd nieliniowości symulowanej charakterystyki nie przekroczy 0,05 °C.


A to dla zakresu pomiarowego od –200 °C do +850 °C (1050 °C) oznacza błąd względny nieliniowości nieprzekraczający wartości 50 ppm (0,005 %). Wynika to z tego, że charakterystyka temperatura/rezystancja czujnika Pt 100 jest nieliniowa i w okolicy ok. 800 °C stromość jej znacząco się zmniejsza. Zaletą opisanego syntezatora rezystancji jest wspólny punkt sygnałowy AGND jego układu elektronicznego z wyjściem syntezatora oznaczonym S „–” (2), co zapewnia odporność na działania przez pojemności zakłócających źródeł prądowych o częstotliwości 50 Hz z sieci zasilającej. Stosując inne wartości rezystora dokładnego R1 = 2000 Ω ±0,1 % można zrealizować syntezator rezystancji czujników Pt 500, a przy R1 = 4000 Ω ±0,1 % można zrealizować syntezator rezystancji czujników Pt 1000.

Bibliografia 1. Bartoszewski J., Sterowany symulator czujników termorezystancyjnych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003. 2. Korytkowski J., Układy przetworników cyfrowo-analogowych napięcia, prądu i rezystancji oraz metoda ich analizy, Wyd. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów, Warszawa 2004. 3. Szmytkiewicz J., Elektroniczny symulator rezystancji, II Konferencja Naukowa KNWS’05 „Informatyka – sztuka czy rzemiosło”, Złotniki Lubańskie 2005. 4. Szmytkiewicz J., Adjustacja kalibratorów rezystancji, „Pomiary Automatyka Kontrola”, nr 6 bis/2006. 5. Bartoszewski J., Dusza D., Sterowany cyfrowo symulator czujników termorezystancyjnych. „Pomiary Automatyka Robotyka”, nr 2/2008, 14–18. 6. Korytkowski J., Cyfrowo sterowane symulatory rezystancji i konduktancji – przegląd, opisy działania, przykłady rozwiązań, „Pomiary Automatyka Robotyka”, nr 2/2008, 6–13. 7. Korytkowski J., Liniowe i nieliniowe układy ze wzmacniaczami monolitycznymi w urządzeniach pomiarowych, Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 2011. 8. Korytkowski J., Układ elektroniczny cyfrowej syntezy rezystancji do dokładnej symulacji rezystancyjnych czujników temperatury, „Pomiary Automatyka Robotyka”, nr 5/2013, 86–92. 9. Analog Devices, CMOS 12-Bit Buffered Multiplying DAC AD7545A, Analog Devices Inc.2000 rev.C [www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ AD7545A.pdf]. 10. IEC INTERNATIONAL STANDARD. IEC 60751. Edition 2.0 2008-07: Industrial platinum resistance thermometers and platinum temperature sensors, 2008. 11. Korytkowski J., Układy przetwarzania cyfrowo-analogowego oraz właściwości scalonych przetworników CA, Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 2012.

12. Pease R. A., Projektowanie układów analogowych. Poradnik praktyczny, Wydawnictwo BTC, Legionowo 2005. 13. Burr-Brown Products from Texas Instruments: OPA277, OPA2277, OPA4277. 2005, [http://pdf1. alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/196569/BURRBROWN/OPA277_05.html]. 14. Linear Technology: LTC1591/LTC1597 14-Bit and 16-Bit Parallel Low Glitch Multiplying DACs with 4-Quadrant Resistors. 15917fa. LT 0507. REV A. Linear Technology Corporation 1998. [http://cds. linear.com/docs/en/datasheet/15917fa.pdf].

The new electronic circuit for digital controlled simulation of resistance temperature sensors Abstract: The paper describes the new electronic circuit for digital controlled resistance synthesis including monolithic amplifies and monolithic digital-analogue converter. On fig. 2 it is shown the electronic schematic of this digital controlled resistance synthesizer. It was formulated equation as the characteristic description of this resistance synthesizer. The experimental examination results of synthesizer model for resistance sensors at the range from 0 Ω to 400 Ω are described. The elaborated electronic circuit of resistance synthesizer have very good qualities of resistance characteristic accuracy, the nonlinearity is better than 0,01 % (100 ppm). Keywords: monolithic amplifier, monolithic digital-analogue converter, resistance sensor, resistance simulation

Artykuł recenzowany, nadesłany 02.09.2013, przyjęty do druku 24.09.2013.

dr inż. Jacek Korytkowski, prof. PIAP Ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej w 1956 r., doktorat 1972, docent 1978, prof. nzw. 2010. Kierownik Pracowni w Instytucie Elektrotechniki 1962–1970. Kierownik Zespołu w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów w latach 1970–2007 i prof. nzw. od 2010 r. W okresie 1973–1982 starszy wykładowca i docent w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Wydziału Elektrycznego Politechniki Warszawskiej. Jest laureatem kilkunastu nagród za wdrożenia przemysłowe, w tym Zespołowej Nagrody Państwowej drugiego stopnia w 1976 r. Ma w swoim dorobku jako autor, współautor lub tłumacz: 8 wydawnictw książkowych, jest autorem lub współautorem 61 publikacji oraz 14 patentów polskich. Jest specjalistą w dziedzinie elektroniki przemysłowej. e-mail: jkorytkowski@piap.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

143


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Kierunki zmian we współczesnej metrologii naukowej Wojciech T. Chyla RADWAG Wagi Elektroniczne, Radom

Streszczenie: W artykule przedyskutowano zmiany zachodzące w metrologii naukowej, wynikające zarówno z szybkiego rozwoju nauki (np. wykorzystanie zjawisk kwantowych do odtwarzania jednostek miar), jak i rosnących wymagań co do dokładności pomiarów (np. pomiar czasu w systemach nawigacji satelitarnej GNSS). W wielu dziedzinach nauki (np. w chemii, biologii, farmacji i medycynie) wprowadzane są metody wykonywania pomiarów i sposoby opracowania wyników pomiarów wywodzące się z metrologii (np. zmiana współczynnika rozszerzenia stosowanego w farmacji z k = 3 na k = 2). Współczesne trendy rozwojowe w metrologii naukowej, a w szczególności zbliżająca się reforma międzynarodowego układu jednostek miar SI, implikują zmianę priorytetów zapisanych w Konwencji Metrycznej i wpływają na rolę, jaką BIPM pełni w światowej infrastrukturze metrologicznej. Słowa kluczowe: metrologia, wzorce kwantowe, reforma układu  SI, Nowy SI, Konwencja Metryczna, BIPM

1. Wstęp Szybki postęp w nauce i technologii, zapoczątkowany epokowymi odkryciami przełomu XIX i XX wieku, trwa do dziś. Obecne zmiany w metrologii naukowej odzwierciedlają rozwój nauk ścisłych, bowiem współczesna metrologia czerpie coraz szerzej z osiągnięć fizyki atomowej i kwantowej. Nowe wyzwania w metrologii obiektów w skali nano zacierają różnice między metrologią postrzeganą jako wiedza o charakterze utylitarnym a nauką czystą. Badania zjawisk fizycznych na poziomie kwantowym zmieniły charakter metrologii, która stała się samodzielną dyscypliną akademicką. Metrologia, jako nauka o pomiarach i ich zastosowaniach, integruje praktycznie wszystkie nauki doświadczalne. Ze względu na swój interdyscyplinarny charakter, znajduje ona zastosowanie w coraz szerszych obszarach wiedzy. Wypracowane w metrologii metody wykonywania pomiarów i sposoby opracowania wyników badań są coraz powszechniej stosowane w naukach przyrodniczych i medycynie. Tak znaczne zmiany zachodzące w ostatnich latach w metrologii naukowej oraz nadchodząca reforma międzynarodowego układu jednostek miar sprawiają, iż zmienia się nie tylko profil naukowy metrologii, ale również zadania Międzynarodowego Biura Miar przewidziane w Konwencji Metrycznej. W niniejszym artykule omawiane są zmiany zachodzące we współczesnej metrologii, widziane jako kon-

144

tynuacja tendencji już wcześniej zarysowujących się w tej dziedzinie wiedzy.

2. Akademicki aspekt współczesnych badań metrologicznych Narodziny metrologii jako autonomicznej gałęzi nauki integrującej wiedzę na temat pomiarów można wiązać z podpisaniem Konwencji Metrycznej w 1875 r., w której przewidziano konieczność badań nad jednostkami układu metrycznego i ich wzorcami. W tym celu powołano Międzynarodowe Biuro Miar, BIPM (fr. Bureau International des Poids et Mesures) [1]. Aż do początku lat 60. XX wieku metrologia miała charakter nauki inżynierskiej, zajmującej się przede wszystkim wdrożeniami osiągnięć nauk podstawowych w praktyce metrologicznej oraz rozwiązywaniem problemów pomiarowych na najwyższym poziomie metrologicznym. Badania podstawowe znalazły się w kręgu zainteresowań metrologów we wczesnych latach 70., gdy stwierdzono, iż kwantowy efekt Josephsona, odkryty kilka lat wcześniej, a polegający na tunelowaniu elektronów nadprzewodnika przez barierę potencjału, może zostać wykorzystany do zbudowania niezwykle dokładnego i stabilnego wzorca napięcia elektrycznego [2, 3]. Odkrycie kwantowego efektu Halla (QHE) przez Klausa von Klitzinga w 1980 r. pozwoliło skonstruować równie dokładny i stabilny kwantowy wzorzec rezystancji (wymagający także temperatur kriogenicznych), co ugruntowało przekonanie o ścisłym związku badań podstawowych z praktyką metrologiczną na najwyższym poziomie [4, 5]. Dziś otrzymujemy dalsze dowody takich związków, ponieważ badania grafenu dają podstawy do przypuszczenia, iż ułamkowy QHE [6] w tej nanostrukturze pozwoli skonstruować równie dokładny i stabilny wzorzec rezystancji działający w temperaturach pokojowych [7–9]. Współczesne badania właściwości nanostruktur są źródłem nowych wyzwań w metrologii, ale dają też uzasadnioną nadzieję na znaczny postęp w przemyśle wysokich technologii w przyszłości. Badania właściwości spektralnych gazów atomowych są również inspirowane potrzebami zaawansowanej metrologii. Układy takie wykorzystywane są do konstrukcji coraz doskonalszych wzorców czasu (fontanny atomowe), niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania wielu kluczowych gałęzi gospodarki, takich jak telekomunikacja, technologie radarowe, lidar, a nawet transakcje giełdowe i GPS. Ten ostatni przykład jest szczególnie wymowny jako egzempli-


fikacja ścisłego związku między nauką czystą a metrologią, bowiem najdokładniejsze algorytmy pozycjonowania satelitarnego muszą uwzględniać efekty relatywistyczne, takie jak dylatacja czasu i przesunięcie częstotliwości wynikające z ruchu względnego satelity i obserwatora oraz wpływu pola grawitacyjnego Ziemi na propagację sygnału GPS. Rozwój wzorców i metod pomiaru czasu stanowi jeden z ważnych obszarów badawczych europejskiego programu GNSS Galileo. Technologia pomiaru czasu rozwijana na potrzeby nawigacji satelitarnej jest obecnie przedmiotem wdrożeń w przemyśle, stanowiąc jeden z priorytetowych tematów badań w ramach Europejskiego Programu Badań w Metrologii, EMRP (ang. European Metrology Research Programme) [10]. Tematyka ta będzie kontynuowana w kolejnym europejskim programie badań w metrologii EMPIR oraz w europejskim programie ramowym FP8, HORIZON 2020. Wraz z postępem naukowym i technologicznym wzrastają potrzeby zarówno w tradycyjnych, jak i w nowych dziedzinach pomiarowych (np. pomiary właściwości nanostruktur), rosną wymagania co do szybkości pomiarów (np. konieczność wykonywania ultraszybkich pomiarów stanów przejściowych w badaniach mechanizmów reakcji chemicznych), dokładności pomiarów (czego wynikiem jest m.in. szybki rozwój teorii niepewności pomiarów) oraz możliwości pomiarowych w ekstremalnych warunkach (np. pomiary parametrów plazmy w badawczych reaktorach termojądrowych lub właściwości gazów atomowych w bardzo niskich temperaturach). W tej sytuacji sam pomiar stał się przedmiotem intensywnych badań podstawowych, a w konsekwencji zmieniła się też pozycja metrologii wśród nauk doświadczalnych. Metrologia jest w dalszym ciągu nauką o pomiarach i ich zastosowaniach, odpowiadającą na praktyczne potrzeby przemysłu, handlu i oczekiwania społeczne, ale stała się też samodzielną dyscypliną akademicką, ściśle powiązaną z badaniami fundamentalnymi.

3. Rozszerzanie zakresu odpowiedzialności metrologii na nowe dziedziny pomiarowe W pierwszych latach działalności BIPM kompetencje instytucjonalnej metrologii ograniczały się do pomiarów masy i długości, zgodnie z literą Konwencji Metrycznej, która czyniła Biuro depozytariuszem pierwotnych wzorców kilograma i metra w postaci platynowo-irydowych artefaktów. Ze względu na znaczny wpływ temperatury na wyniki pomiarów długości i masy o najwyższym stopniu dokładności w BIPM podjęto również prace nad wzorcami i przyrządami do pomiaru temperatury, co było zresztą przewidziane już w Konwencji Metrycznej. Dokładny pomiar czasu leżał wówczas w gestii astronomów i dopiero 11. Generalna Konferencja Miar, CGPM (ang. General Conference on Weights and Measures) w 1960 r. przejęła kontrolę instytucjonalną nad pomiarem czasu astronomicznego, a następnie 13. konferencja CGPM w latach 1967–68 przyjęła atomową definicję jednostki czasu, odnosząc sekundę do częstotliwości jednej z linii widmowych atomu cezu.

Jednostki wielkości elektrycznych i magnetycznych były początkowo traktowane jako niezależne od jednostek mechanicznych. Dopiero w 1901 r. Giorgi przedstawił propozycję powiązania jednostek mechanicznych i elektrycznych przez rozszerzenie układu jednostek podstawowych układu metrycznego o jedną jednostkę elektryczną. Idea ta została ostatecznie zaaprobowana przez 9. Generalną Konferencję Miar w 1948 r., gdy amper został włączony do systemu jednostek metrycznych. Na tej samej konferencji dodano jednostkę światłości (kandelę) do systemu metrycznego. Chociaż pomiary temperatury i prace nad wzorcami temperatury były prowadzone w BIPM od czasu założenia instytutu, to kelwin uznano formalnie za jednostkę podstawową międzynarodowego układu jednostek miar dopiero na 10. konferencji CGPM w 1954 r. Proces wprowadzania nowych jednostek podstawowych SI zakończył się na 14. konferencji CGPM w 1971 r., gdy bardzo ważna dla chemików jednostka liczności materii, mol, została uznana za jednostkę podstawową SI [11]. Proces rozszerzania zakresu odpowiedzialności metrologii na pomiary w kolejnych dziedzinach wiedzy nie jest zakończony. W zależności od potrzeb pomiarowych, do układu SI włączane są jednostki pochodne utworzone z wcześniej zdefiniowanych jednostek podstawowych, np. katal (jednostka aktywności enzymatycznej, kat = mol·s-1) lub gray (jednostka dawki pochłoniętej promieniowania jonizującego, Gy = m2·s–2). Niektóre z nowych jednostek nie mają jeszcze swej własnej nazwy, np. gęstość aktywności katalitycznej (kat·m–3). Podporządkowanie pomiarów w różnych dziedzinach wiedzy rygorom obowiązującym w metrologii jest procesem długofalowym. Najwcześniej włączono chemię do głównego nurtu metrologii; ze względu na jej wielkie zróżnicowanie, proces ten długo jeszcze nie zostanie zakończony. Pomiary wielkości fizykochemicznych (np. badania spektrometryczne, chromatograficzne, konduktometryczne, pomiary lepkości i kwasowości) są już od wielu lat uznane za gałąź metrologii. Zakres pomiarów w chemii nieorganicznej, do których stosuje się rygory metrologii systematycznie rośnie [12]. Ten rodzaj pomiarów jest szczególnie ważny w ochronie środowiska, gdzie wiarygodny pomiar stężenia składników gazowych atmosfery (ozonu, gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń gazowych pochodzenia przemysłowego) oraz zanieczyszczeń wód powierzchniowych (np. nawozami sztucznymi i metalami ciężkimi) musi być wolny od presji grup interesów, nie tylko przemysłowców, ale również nawiedzonych ekologów oraz związanych z nimi polityków. Metrologia w chemii wkracza obecnie w nową fazę: od kilku lat BIPM i wiodące krajowe instytuty metrologiczne NMI (ang. National Metrology Institute) organizują porównania pomiarów w chemii organicznej, a w szczególności oznaczanie hormonów, białek i środków ochrony roślin (pestycydów). Wprowadzenie zasad metrologii do chemii organicznej jest trudne, ponieważ z milionów związków organicznych trzeba wybrać niewielki, ale reprezentatywny zestaw substancji testowych, a obecność związków o podobnej budowie chemicznej może zakłócać pomiary. Oznaczanie substancji chemicznych jest utrudnione także Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

145


Nauka     

przez istnienie różnych form izomerycznych, konfiguracyjnych i konformacyjnych badanych molekuł. Od metrologii chemicznej już tylko krok do metrologii w biologii i medycynie [13, 14]. To zadanie jest jeszcze trudniejsze, ponieważ próbki biologiczne są bardzo czułe na warunki środowiskowe i upływ czasu. Oznaczanie składników krwi lub osocza, badanie na obecność metabolitów lub substancji toksycznych w tkankach odbywa się w próbkach, których skład nie może być znormalizowany, ponieważ zależy od indywidualnego organizmu; poza tym niektóre leki wpływają maskująco na analit. Przygotowanie próbek do badań medycznych wymaga stosowania specjalnych metod, ponieważ preparaty takie są nietrwałe i mogą zmienić swe właściwości w trakcie przygotowania materiału do badań. Problem zgodności (a raczej rozbieżności) wyników laboratoryjnych badań medycznych prowadzonych różnymi metodami, różnymi aparatami i w różnych ośrodkach diagnostycznych został rozpoznany już dawno. Ocenia się, że nawet w krajach najwyżej rozwiniętych technologicznie błędami diagnostycznymi obarczonych jest ok. 20 % badań. Zastosowanie do laboratoryjnej diagnostyki medycznej wymogów wypracowanych w metrologii jest ideą długofalową, trudną i kosztowną, ale niezbędną z punktu widzenia dobra pacjentów, czyli nas wszystkich. W dalszej perspektywie jest to proces bardzo opłacalny nie tylko społecznie, ale i materialnie – oczywiście dla wszystkich z wyjątkiem prawników specjalizujących się w uzyskiwaniu odszkodowań za błędy medyczne. Akcent, jaki nauka kładzie obecnie na metrologię wielkocząsteczkowych związków organicznych o znaczeniu biologicznym należy rozumieć jako pierwszy krok w tym kierunku. Z metrologią medyczną ściśle wiąże się metrologia w farmacji. W tej dziedzinie ostry reżim badawczy, produkcyjny i handlowy wprowadzono już wcześniej, niezależnie od postępów w metrologii naukowej, ponieważ dobre imię i krociowe zyski wielkich firm farmaceutycznych nie mogły być narażone na szwank wskutek błędnych pomiarów na etapie badań, wdrożeń czy produkcji. Wpływ współczesnej metrologii ogólnej na pomiary w farmacji widać wyraźnie w sposobie określenia minimalnej odważki zdefiniowanej w United States Pharmacopeia (USP), do której stosują się również firmy farmaceutyczne w innych krajach [15]. Otóż w farmacji do niedawna obowiązywała zasada, iż współczynnik rozszerzenia przy obliczaniu niepewności pomiaru wynosił k = 3, a tolerancja ważenia małych próbek przyjmowała wartość t = 0,1 % (tzn. oceniając błąd pomiaru zaokrąglaliśmy obliczenia do pierwszej cyfry znaczącej). Ponieważ jednak w metrologii naukowej rutynowo przyjmuje się wartość k = 2, a niepewność pomiaru zaokrągla się do 2 cyfr znaczących, więc i w farmacji przyjęto ten sam standard (k = 2, t = 0,10  %); jednoczesna zmiana obu tych parametrów gwarantuje, że dokładność ważenia w farmacji zostaje praktycznie taka sama. Nowe wytyczne USP zalecają także uwzględnienie odczytowości (ang. readability) podczas obliczania niepewności pomiaru masy małych próbek (niepewność pomiaru nie może być mniejsza niż 0,41 działki elementarnej); w farmacji jest to zalecenie nowe, ale podstawy teoretyczne tej zmiany były już wcześniej opracowane przez metrologów.

146

W fizyce jądrowej i fizyce cząstek elementarnych nie korzysta się jeszcze z osiągnięć metrologii; są to szczególne obszary nauki, które stosują swe własne, autonomiczne metody opracowania wyników. Jednak podstawy matematyczne analizy danych w fizyce jądrowej i metrologii są analogiczne i ujednolicenie metod analizy pomiarów również w tych dziedzinach jest tylko kwestią czasu. W pokrewnej dziedzinie akceleratorów do zastosowań medycznych proces ten jest już dalece zaawansowany, a BIPM planuje uruchomienie własnego akceleratora badawczego. Fakt, iż metrologia obejmuje coraz szerszy zakres dziedzin pomiarowych należy rozumieć jako przejaw naturalnej tendencji do ujednolicania metod badawczych w różnych dyscyplinach wiedzy i wyraz uniwersalnego charakteru badań naukowych.

4. Reforma międzynarodowego układu jednostek miar Definicyjne wzorce kilograma i metra, przyjęte na pierwszej konferencji CGPM w 1889 r., mają postać platynowo-irydowych artefaktów. Wzorce te dobrze spełniały swe zadanie przez wiele dziesięcioleci, ale nie są wolne od pewnych niedoskonałości: były wybrane arbitralnie, podlegają drobnym, ale istotnym zmianom w czasie (dryft), nie są dostępne powszechnie, a w przypadku ich zniszczenia lub uszkodzenia nie można byłoby ich dokładnie odtworzyć. Od czasu pierwszej konferencji CGPM wypróbowano wiele sposobów definiowania jednostek miar i obecnie każda z 7 jednostek podstawowych SI jest zdefiniowana inaczej: kilogram pozostaje zdefiniowany za pomocą artefaktu, metr jest zdefiniowany przez ustalenie wartości fundamentalnej stałej fizycznej (szybkości światła w próżni), definicja ampera powołuje się na klasyczne zjawisko fizyczne (siłę elektrodynamiczną), definicja kandeli odwołuje się do kwantowego prawa fizycznego (promieniowania ciała doskonale czarnego), mol związany jest z masą atomową izotopu węgla, kelwin jest zdefiniowany w oparciu o właściwości termodynamiczne wody, a definicja sekundy odwołuje się do spektralnych właściwości wzorca atomowego [11]. Obecna struktura układu SI jest doskonałym przykładem idei e pluribus unum, ale w przypadku jednostek miar można mieć poważne wątpliwości co do zalet takiej różnorodności. Aż do połowy XX wieku definicje wielkości fizycznych i ich jednostek miały charakter operacyjny, tzn. podawały sposób pomiaru danej wielkości. W sposób oczywisty dotyczy to definicji jednostek masy i długości przyjętych na pierwszej konferencji CGPM w 1889 r. – pomiar polega na wykonaniu bezpośredniego lub pośredniego porównania z definicyjnym wzorcem pierwotnym. Definiowanie jednostek fizycznych za pomocą właściwości atomów, postulowane przez Maxwella [16] jeszcze przed podpisaniem Konwencji Metrycznej, również ma charakter operacyjny. Pomiar polega na porównaniu wielkości mierzonej z odpowiadającą jej wielkością atomową, np. masą atomu, długością emitowanej fali elektromagnetycznej lub jej częstotliwością. Idea definicyjnych wzorców atomowych została zrealizowana dopiero w 1960 r.,


gdy metr zdefiniowano jako wielokrotność długości fali jednej z linii widmowych atomu kadmu. Naturalną konsekwencją takiej definicji była realizacja metra metodą interferencyjną. Warto dodać, iż atomowy wzorzec metra i pomiar długości tą metodą opracował Michelson już w latach 1892–1893. Jednostka czasu również została zdefiniowana za pomocą wzorca atomowego: w latach 1967–1968 Generalna Konferencja Miar podjęła rezolucję, by sekundę związać z częstotliwością promieniowania emitowanego przez atomy cezu. Definicyjny wzorzec cezowy jest do dziś pierwotną realizacją jednostki czasu. W 1980 r. nastąpił przełom w podejściu do definiowania jednostek podstawowych międzynarodowego układu jednostek miar, wynikający ze spostrzeżenia, że jednostka może być jednoznacznie określona przez ustalenie wartości liczbowej stałej fizycznej. Pierwszą jednostką zdefiniowaną w ten sposób był metr związany z wartością liczbową szybkości światła w próżni c, której nadano wartość c = 299 792 458 m/s (dokładnie): skoro c jest wielkością stałą, to ustalając wartość liczbową tej wielkości, tzn. {c} = 299  792  458, ustalamy jednoznacznie wartość jednostki [c] = m/s. Ponieważ sekunda była już wcześniej zdefiniowana, to tym samym jednoznacznie określona jest też jednostka długości, metr. Zastosowanie takiego sposobu rozumowania do innych jednostek podstawowych układu SI leży u podstaw nadchodzącej reformy międzynarodowego układu jednostek miar, określanego często jako Nowy SI (New SI [1]). I tak np., ustalając wartość liczbową stałej Plancka (ostatnie cyfry znaczące nie są jeszcze uzgodnione) h = 6,62606957 × 10 –34 kg·m 2·s -1, jednoznacznie definiujemy masę kilograma: skoro h = {h} [h] jest wielkością stałą, to ustalając wartość liczbową {h} = 6,62606957 × 10–34, jednoznacznie ustalamy wartość jednostki [h] = kg·m2·s–1. Ponieważ metr i sekunda zostały już wcześniej zdefiniowane, to ustalenie wartości h jednoznacznie określa wartość kilograma. Takie podejście można rozszerzyć na pozostałe jednostki podstawowe SI. W Nowym SI będą zredefiniowane cztery jednostki podstawowe SI: (1) jednostka masy, kilogram, będzie zdefiniowana przez ustalenie wartości liczbowej stałej Plancka h; (2) jednostka temperatury termodynamicznej, kelwin, będzie zdefiniowana przez ustalenie wartości liczbowej stałej Boltzmanna kB; (3) jednostka liczności materii, mol, będzie zdefiniowana przez ustalenie wartości liczbowej stałej Avogadro NA; (4) jednostka natężenia prądu elektrycznego, amper, będzie zdefiniowana przez ustalenie wartości liczbowej ładunku elementarnego e0. Definicje pozostałych trzech jednostek podstawowych układu SI będą jedynie przeformułowane tak, by struktura wszystkich siedmiu definicji była taka sama [17, 18]. Definiowanie jednostek miar przez ustalenie wartości liczbowych stałych fizycznych ma charakter wybitnie abstrakcyjny i wymaga podania konkretnego sposobu realizacji (fr. mise en pratique) tych jednostek. Oczywiście może istnieć więcej niż jedna taka metoda; już dziś realizacja sekundy dopuszcza wykorzystanie kilku linii widmo-

wych i nie ogranicza się tylko do przejścia nadsubtelnego w atomie cezu. Reforma układu jednostek miar, znana jako Nowy SI, była już dwukrotnie odkładana. Inicjatorzy tego przedsięwzięcia, związani głównie z BIPM, NIST i NPL, początkowo zakładali przeforsowanie tej idei na 23. konferencji CGPM w 2007 r., ale na przeszkodzie stanęły wówczas względy techniczne, przede wszystkim zaś rozbieżność wyników uzyskiwanych w projekcie Avogadro i w projekcie wagi Watta (niezgodność wartości NA i h, które są ze sobą powiązane [19]). Podczas 24. konferencji CGPM w 2011 r. podjęto Rezolucję 1, która określa warunki i sposób wprowadzenia tej reformy, ale milczy na temat terminu jej wprowadzenia i ewentualnego vacatio legis [20]. Względy techniczne pozostają nadal ważną przeszkodą w szybkim wprowadzeniu tej reformy, ponieważ do jej urzeczywistnienia konieczne jest osiągnięcie zakładanej dokładności pierwotnej realizacji redefiniowanych jednostek (np. ~2  ×  10–8 w przypadku kilograma), uzyskanie zgodności pomiarów prowadzonych różnymi metodami oraz wykazanie kompetencji w zakresie pierwotnej realizacji tych jednostek w różnych ośrodkach badawczych, tak aby możliwa była niezależna weryfikacja pomiarów (w przypadku realizacji kilograma za pomocą wagi Watta na razie tylko NIST legitymuje się zadowalającymi wynikami). Wraz z upływem czasu zaczynają jednak wchodzić w grę również inne, nietechniczne, a wręcz ambicjonalne czynniki, których znaczenia nie można lekceważyć. Z nieoficjalnych informacji wynika, że przeforsowanie tej reformy na następnej konferencji CGPM jest również zagrożone. Metrolodzy są środowiskiem dość konserwatywnym i taki stan rzeczy nie powinien dziwić. Dłuższy czas pracy nad reformą może być nawet korzystny ze względu na lepsze jej przygotowanie, ale ważne jest, by ewentualne modyfikacje tej reformy nie wypaczyły jej sensu. Planowana reforma międzynarodowego układu jednostek miar nie rozwiązuje wszystkich problemów związanych z SI [21], a są one rozliczne, poczynając od terminologii (nazwa jednostki masy błędnie sugeruje, że jednostką podstawową jest gram, a kilogram to jej wielokrotność), przez wybór wielkości podstawowych i ich jednostek (z fizycznego punktu widzenia, naturalnym i logicznym wyborem jednostki elektrycznej byłby kulomb, a nie amper), do zależności większości jednostek podstawowych od sekundy, która jest i na razie pozostanie zdefiniowana operacyjnie z wykorzystaniem referencyjnego wzorca atomowego (gdy w przyszłości definicja jednostki czasu będzie zmieniona, to wpłynie to na wartości definicyjne innych jednostek, w tym metra, kilograma i kelwina). Ponadto definicje jednostek podstawowych Nowego SI wymagają dopracowania [22, 23].

5. Reorientacja misji BIPM po reformie układu jednostek miar SI Od chwili rozpoczęcia działalności BIPM, i jeszcze długo potem, instytut ten był postrzegany przede wszystkim jako depozytariusz i strażnik jedynych na świecie pierwotnych wzorców jednostek masy i długości; wobec tak wielkiej odpowiedzialności bladły wszystkie inne jego zadania. Gdy Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

147


Nauka     

na 11. konferencji CGPM w 1960 r. podjęto decyzję redefinicji metra za pomocą długości fali jednej z linii widmowych emitowanych przez lampę kryptonową, pod kuratelą BIPM pozostał już tylko pierwotny wzorzec kilograma. Wprowadzenie reformy międzynarodowego układu jednostek miar i redefinicja kilograma pozbawi BIPM i tego atutu. Od owej chwili na pierwszy plan wysunie się praca badawcza, a przede wszystkim praca organizacyjna instytutu. Wiele mniejszych krajów, których nie stać na utrzymywanie wszystkich potrzebnych wzorców pierwotnych, uzyskuje swą spójność pomiarową dzięki wzorcowaniom w BIPM. Instytucja ta jest wolna od kontrowersji politycznych, wykonując wzorcowania dla wszystkich krajów na tych samych zasadach. Neutralność ideologiczna i polityczna BIPM wywodzi się z zasady dążenia do prawdy obiektywnej w nauce, której nawet relatywizm XX wieku nie zdołał podważyć. Duże znaczenie dla zachowania autorytetu BIPM ma też przejrzysty mechanizm jej finansowania, dzięki któremu jest ona odporna na naciski grup interesów. Przykładowo BIPM od lat propaguje prowadzenie niezależnych badań zmian klimatycznych, co jest niezwykle ważne w dobie badań sponsorowanych przez przemysł i środowiska zawodowych działaczy ekologicznych, tych samych, którzy w ścisłej współpracy z firmą oświetleniową wymusili na krajach Unii Europejskiej zastąpienie żarówek świetlówkami zawierającymi rtęć. Jako pierwszy w historii międzynarodowy instytut badawczy, BIPM stał się archetypem zarówno międzynarodowych (np. CERN), jak i państwowych instytutów naukowych. Na przełomie XIX i XX wieku na wzór BIPM powstały krajowe instytuty metrologiczne (NMI) w Niemczech, Wielkiej Brytanii i USA, finansowane z budżetu państwa, chociaż były i są to kraje o wybitnie wolnorynkowej gospodarce. Model państwowego instytutu badawczego sprawdził się tak dobrze, że w USA został on powielony w postaci sieci Laboratoriów Narodowych finansowanych przez rząd federalny, a nadzorowanych merytorycznie przez kompetentne ciała doradcze. BIPM stanowi światowe centrum metrologiczne, które posiada bogaty zasób wiedzy eksperckiej i chętnie dzieli się nim z zainteresowanymi stronami. Biuro organizuje szkolenia teoretyczne i warsztaty praktyczne w nowych dziedzinach pomiarowych, a także konferencje poświęcone aktualnym zagadnieniom w metrologii. Najbardziej prestiżowe czasopismo w tej dziedzinie, Metrologia, jest wydawane właśnie przez BIPM (z brytyjską pomocą organizacyjną i techniczną). Wielką rolę odgrywają organizowane tu posiedzenia Komitetów Doradczych CIPM, które grupują wybitnych specjalistów we wszystkich praktycznie dziedzinach pomiarowych, komitety te stanowią bowiem forum, gdzie wypracowywane są kierunki zmian w metrologii. To tu narodziła się koncepcja reformy układu jednostek miar (Nowy SI), tu zawarto międzynarodowy układ CIPM MRA o kluczowym znaczeniu dla handlu, tu utrzymywane są bazy danych (KCDB) umożliwiające sprawne funkcjonowanie tego układu. W efekcie, chociaż kilka krajowych NMI (NIST, PTB, NPL) ma kilkakrotnie wyższy budżet i większe osiągnięcia naukowe niż BIPM, to właśnie ta instytucja jest predestynowana do pełnienia funkcji

148

centrum organizacyjnego w metrologii światowej. Z chwilą redefinicji kilograma zmieni się formalny zakres odpowiedzialności tej instytucji, ale już teraz jest ona dobrze przygotowana na nadchodzące zmiany.

6. Podsumowanie Rozwój współczesnej nauki powoduje zacieranie granic między różnymi, niegdyś autonomicznymi dziedzinami wiedzy. Badania na pograniczu różnych obszarów wiedzy stały się najbardziej efektywną metodą dochodzenia do nowych idei i znajdowania praktycznych zastosowań odkryć naukowych. Współczesny postęp w nauce i technologii jest efektem przede wszystkim prac dużych zespołów naukowych, gdzie ramię w ramię współpracują specjaliści z różnych dziedzin. Metrologia ma taki właśnie integracyjny charakter. Współczesne problemy metrologiczne są rozwiązywane przez zespoły badawcze składające się z fizyków, chemików, inżynierów, matematyków, informatyków, astronomów, biologów i lekarzy, współczesna nauka wymaga bowiem nie tylko aparatury badawczej na najwyższym światowym poziomie, ale również wszechstronnej wiedzy, oryginalnych pomysłów i zróżnicowanego doświadczenia. Międzynarodowe Biuro Miar (BIPM) oraz współczesne krajowe instytuty metrologiczne (NMI) mają taki właśnie uniwersalny charakter. W instytutach tych, pod jednym dachem, pracują przedstawiciele wszystkich nauk matematyczno-przyrodniczych, zajmując się zarówno badaniami fundamentalnymi, problemami o znaczeniu technologicznym, jak i rozwiązywaniem praktycznych zagadnień pomiarowych w przemyśle. Polska nauka, a w szczególności metrologia, powinna czerpać z doświadczeń i wzorów organizacyjnych wypróbowanych w wysoko rozwiniętych krajach uprzemysłowionych. Naukę należy postrzegać jako całość, a nie zbiór autonomicznych dyscyplin akademickich; co więcej, nauka czysta i stosowana są od siebie ściśle uzależnione. Nie ma bowiem przemysłu zaawansowanych technologii bez solidnych podstaw naukowych i na odwrót, nie ma kraju o wysokim poziomie nauki, który nie wyróżniałby się wysoko rozwiniętym przemysłem wysokich technologii. Metrologia jest tą dziedziną wiedzy, w której najlepiej widać bezpośredni związek nauki z przemysłem. Na relację między nauką i jej praktycznymi zastosowaniami trzeba patrzeć z długofalowego punktu widzenia. Odkrycia naukowe są jak nowo narodzone dziecko: na początku nie ma z nich pożytku, a powodują jedynie wydatki; ich walory objawiają się dopiero wtedy, gdy dorosną. Dlatego, mimo poważnych trudności gospodarczych i finansowych państwa, nie wolno podejmować strategicznie błędnych decyzji argumentując, iż wskutek kryzysu nie stać nas ani na dzieci, ani na inwestowanie w naukę; decyzje w tych sprawach przesądzą o przyszłości narodu i państwa.

Bibliografia 1. Quinn T., From artefacts to atoms. The BIPM and the search for ultimate measurement standards, Oxford University Press, Oxford 2012.


2. Benz S.P., Hamilton C. A., Application of the Josephson effect to voltage metrology, “Proc. IEEE” vol. 92, 2004, 1617–1629. 3. Jeanneret B., Benz S.P., Application of the Josephson effect in electrical metrology, “Eur. Phys. J. – Special Topics” vol. 172, 2009, 181–206. 4. Klitzing K., 25 Years of Quantum Hall Effect (QHE). A personal view on the discovery, Physics and Applications of this Quantum Effect, “Séminaire Poincaré” vol. 2, 2004, 1–16. 5. Jeckelmann B., Jeanneret B., Quantum Hall Effect as an Electrical Resistance Standard, “Séminaire Poincaré” vol. 2, 2004, 39–51. 6. Störmer H. L., The fractional quantum Hall effect, “Rev. Modern Phys.” vol. 71, 1999, 875–889. 7. Novoselov K.S., Jiang Z., Zhang Y., Morozov S.V., Stormer H.L., Zeitler U., Maan J.C., Boebinger G.S., Kim P., Geim A.K., Room-temperature quantum Hall effect in graphene, „Science“ vol. 315, no. 5817, March 9, 2007, str. 1379. 8. Tzalenchuk A., Lara-Avila S., Kalaboukhov A., Paolillo S., Syväjärvi M., Yakimova R., Kazakova O., Janssen T.J.B.M., Falko V., Kubatkin S., Towards a quantum resistance standard based on epitaxial graphene, “Nature Nanotechnology”, vol. 5, 2010, 186–189. 9. EMRP Call 2012, Quantum resistance metrology based on graphene, EMRP website, 2012. 10. EMRP Call 2012, Compact microwave clocks for industrial applications, EMRP website, 2012. 11.  The International System of Units (SI), wyd. 8, BIPM, Sèvres, 2006. 12. Kaarls R., Metrology in Chemistry, CCQM presentation at 24th meeting of the CGPM, 17–21 October 2011, Sèvres, BIPM website, 2011. 13. JCTLM report, Scope of activity for JCTLM review teams, BIPM website, 2010. 14.  Report of the 11th meeting of the JCTLM executive committee, 6–7 December, 2012, BIPM, Sèvres, BIPM website, 2012. 15.  United States Pharmacopeia and National Formularly, US Pharmacopeial Convention, Rockville, MD, 2013. 16. Maxwell J.C., Address to the Mathematical and Physical Sections of the British Association, Liverpool, Sept. 15, 1870; przedruk w Maxwell on Molecules and Gases, wyd. E. Garber, S.G. Brush, C.W.F. Everitt, MIT, Cambridge 1986, 89–104. 17. CIPM Recommendation 1 (CI-2005). Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants, BIPM, Sèvres, 2005. 18. Mills I. M., Mohr P.J., Quinn T.J., Taylor B. N., Williams E.R., Redefinition of the kilogram, ampere, kelvin and mole: a proposed approach to implementing CIPM recommendation 1 (CI-2005), “Metrologia” vol. 43, no. 3, 2006, 227–246. 19. Chyla W. T., Projekt Avogadro (IAC) i redefinicja jednostki liczności materii, „Wiadomości Chemiczne” vol. 66, no. 7–8, 2012, 767–787.

20. Resolution 1 of the 24th meeting of the CGPM (2011), On the possible future revision of the International System of Units, the SI, BIPM website, 2011. 21. Chyla W. T., Evolution of the international metric system of units SI, “Acta Physica Polonica A” vol. 120, no. 6, 2011, 998–1011. 22. Chyla W. T., On the structure of the New SI definitions of base units, “Metrologia” vol. 49, no. 4, 2012, L17–L19. 23. Chyla W. T., On the proposed redefinition of the mole, “Metrologia” vol. 49, no. 3, 2012, L11–L13.

Developments in the contemporary scientific metrology Abstract: The article presents evolution of scientific metrology that results both from the fast progress of science (e.g., the use of quantum standards) and the increasing demand for measurements at the highest metrological level (e.g., measurements of time in the global navigation satellite systems, GNSS). The measurement methods and general procedures for processing raw experimental data, which were developed in metrology, are being employed in the ever increasing number of fields (e.g., in chemistry, biology, pharmacology and medicine). The contemporary trends in scientific metrology, and particularly the forthcoming reform of the international system of units SI, imply a change of priorities stated in the Metric Convention and affect the role, which the BIPM plays in the global metrological infrastructure. Keywords: metrology, quantum standards, reform of the SI, New SI, Metric Convention, BIPM

Artykuł recenzowany, nadesłany 21.08.2013, przyjęty do druku 02.09.2013.

Wojciech T. Chyla, PhD Ukończył magisterskie studia chemiczne na Uniwersytecie Warszawskim (chemia kwantowa), a studia fizyczne na University of Southern California, Los Angeles (Master of Arts in Physics). Stopień Philosophy Doctor uzyskał na University of North Texas, Denton (fizyka teoretyczna i fizyka ciała stałego). Studia podyplomowe odbył w United States Particle Accelerator School (Harvard 1990, University of Illinois at Urbana-Champaign 1991, Stanford 1992, Harvard 1993). Pracował m.in. w Instytucie Fizyki PAN jako asystent, w University of Southern California jako asystent (teaching assistant), w University of North Texas jako asystent i wykładowca (instructor), w Wyższej Szkole Pedagogicznej (obecnie Uniwersytet Warmińsko-Mazurski) jako adiunkt, w Głównym Urzędzie Miar jako główny specjalista oraz kilkanaście lat w sektorze prywatnym. Publikacje z zakresu fizyki teoretycznej, fizyki półprzewodników, optyki, elektrodynamiki kwantowej, oddziaływań kwarków, szczególnej i ogólnej teorii względności oraz metrologii. e-mail: chylawt@wp.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

149


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Korekcja błędów obróbki złożonych powierzchni kształtowych na frezarskich centrach obróbkowych Andrzej Werner Zakład Inżynierii Produkcji, Wydział Mechaniczny, Politechnika Białostocka

Streszczenie: Artykuł poświęcony jest tematyce związanej z korekcją błędów obróbkowych powierzchni krzywoliniowych wytwarzanych na frezarkach CNC. Korekcja ta wykonywana jest obecnie dwiema metodami. Pierwsza z nich, zwana on-line, wymaga stałego korygowania toru narzędzia w trakcie obróbki. Podejście takie wymaga stosowania rozbudowanych układów sterowania adaptacyjnego. Druga metoda – off-line polega na korygowaniu programu sterującego obróbką poza obrabiarką (na podstawie wyników pomiarów kontrolnych). W artykule przedstawiona została propozycja metodyki korekcji błędów obróbki powierzchni techniką off-line (bez stałego bezpośredniego połączenia z obrabiarką CNC). Metoda ta bazuje na wykorzystaniu systemów CAD/CAM, frezarek sterowanych numerycznie oraz współrzędnościowych maszyn pomiarowych. Proponowany w artykule sposób postępowania zweryfikowany został na przykładzie powierzchni krzywoliniowej opisanej techniką NURBS. Realizacja proponowanej metodyki korekcji błędów obróbkowych wykazała istotną poprawę dokładności wytworzonej powierzchni kształtowej. Słowa kluczowe: obróbka, korekcja błędów, pomiary współrzędnościowe, CAD/CAM

1. Wprowadzenie Do najważniejszych błędów występujących podczas procesu skrawania na obrabiarkach ze sterowaniem numerycznym zaliczamy błędy związane ze: sposobem odwzorowania przedmiotu obrabianego, ustaleniem i zamocowaniem przedmiotu obrabianego, rozszerzalnością termiczną materiałów konstrukcyjnych oraz sztywnością układu OUPN (obrabiarka–uchwyt–przedmiot–narzędzie) [1]. Tak duża ilość występujących błędów systematycznych i przypadkowych spowodowała rozwój badań mających na celu eliminację części składowych błędów i otrzymanie obróbki przedmiotu o wysokiej dokładności. Rezultatem było opracowanie dwóch metod korekcji błędów obróbki przedmiotów na obrabiarkach sterowanych numerycznie. Pierwsza z nich (metoda off-

150

line) polega na pośredniej korekcji programu obróbkowego. Druga – metoda kompensacji błędów obróbkowych – to metoda on-line, charakteryzująca się bezpośrednią realizacją korekcji podczas obróbki przedmiotu. Analiza literatury związanej z korekcją błędów obróbkowych wskazuje, że opracowano wiele sposobów umożliwiających zwiększenie dokładności wytwarzania. Jednym z nich jest projektowanie procesu obróbki, w którym kontrolowane są siły skrawania przez dostosowywanie takich parametrów, jak posuw lub szerokość warstwy skrawanej. Skutkuje to tym, że narzędzie nie ugina się poza określony, dopuszczalny limit [2]. Rozwijane jest adaptacyjne podejście kontrolne on-line korygujące położenie narzędzia w czasie rzeczywistym. Podejście to wymaga uzbrojenia obrabiarki w sensory do kontroli parametrów mających wpływ na dokładność obróbki (np. ugięcie narzędzia, błąd przemieszczenia zespołu wykonawczego obrabiarki itp.) [3]. Szeroko stosowane są metody off-line obejmujące aktualizację ścieżki narzędzia na podstawie znanego rozkładu błędów obróbkowych. Wymaga ona przeprowadzenia serii testów obróbkowych i pomiarów kontrolnych mających na celu wyznaczenie zmodyfikowanej ścieżki narzędzia [4, 5]. Osobnym zagadnieniem w procesie kompensacji błędów obróbki jest odtworzenie pomiarowego układu współrzędnych po przeniesieniu przedmiotu z obrabiarki CNC na współrzędnościową maszynę pomiarową. Często dochodzi w tym przypadku do zniekształcenia wyników pomiarów. Próbą rozwiązania tego problemu jest propozycja wykonywania pomiarów współrzędnościowych bezpośrednio na obrabiarce po zakończeniu procesu obróbki [6]. Zwiększenie dokładności pomiarów wymaga tym przypadku wyznaczenia parametrów określających dokładność geometryczno-ruchową obrabiarki celem wyznaczenia macierzy kompensacji. Konieczne jest również wyposażenie obrabiarki w specjalistyczny system umożliwiający wykonanie bardziej złożonych pomiarów współrzędnościowych. Metoda ta jest efektywna w przypadku obróbki profili 2D z wykorzystaniem freza walcowo-czołowego.


Innym podejściem jest metodyka modyfikacji ścieżki narzędzia na podstawie wyliczonego ugięcia narzędzia. Ugięcie jest wyznaczane przez przetwarzanie opracowanych modeli symulacyjnych procesu [7]. Modele te uwzględniają przy kompensacji ścieżki narzędzia deformacje narzędzia, oprawki narzędziowej i wrzeciona na skutek działania sił skrawania. Aplikacja strategii kompensacji ścieżki narzędzia rozwinięta została w redukcji błędów wytwarzanej powierzchni podczas obróbki kieszeni [8]. Wykazano, że niejednostajne zmiany błędów obrabianej powierzchni w obróbce kieszeni prostokątnej mogą być efektywnie zmniejszone przy użyciu proponowanej metodyki kompensacji uwzględniającej właściwy rozkład naddatków obróbkowych. Osobnym zagadnieniem jest redukcja błędów obróbki elementów cienkościennych. Prace skupiają się głównie na redukcji ugięcia przedmiotu obrabianego [9]. Jednym z rozwiązań tego problemu jest propozycja wieloetapowego frezowania obiektów cienkościennych. Ograniczenie błędów obróbkowych osiągane jest przez odpowiednie usunięcie naddatku obróbkowego wieloma przejściami narzędzia [10]. Odbywa się to jednak kosztem znacznego wydłużenia czasu obróbki. Analiza dostępnej literatury dotyczącej prezentowanej w artykule tematyki wskazuje, że stosunkowo często opisywane metody kompensacji błędów wywarzania dotyczą przedmiotów o prostej geometrii. W związku z tym, w pracy przedstawiony został sposób postępowania przy korekcji błędów obróbki metodą off-line w zastosowaniu do obiektów opisanych przy pomocy powierzchni swobodnych o skomplikowanych kształtach przestrzennych obrabianymi frezami z kulistą końcówką.

stępuje się do korekcji błędów obróbkowych. Korekcja ta wymaga przebudowy nominalnego modelu geometrycznego na model korygujący występujące błędy obróbkowe, powtórnego utworzenia programów sterujących obróbką i powtórzenia obróbki. W przebudowie modelu geometrycznego wykorzystuje się dane zawarte w programie pomiarowym części, sterującym współrzędnościową maszyną pomiarową. W programie tym zawarte są informacje o punktach nominalnych znajdujących się na modelu geometrycznym części oraz o korespondujących z nimi punktami zaobserwowanymi. Na podstawie tych informacji wyznaczane są składowe odchyłek zaobserwowanych w osiach X, Y i Z. Składowe te wykorzystywane są w przebudowie modelu geometrycznego obiektu. Sposób wyznaczania składowych odchyłek i przebudowa modelu geometrycznego opisany został w dalszej części artykułu. Skorygowany model geometryczny obiektu wykorzystuje się do powtórnego utworzenia programów obróbkowych. Po ich uzyskaniu powtarza się obróbkę części i współrzędnościowe pomiary kontrolne. Jeżeli po powtórzeniu obróbki uzyskana dokładność jest nadal niezadowalająca, proces korekcji można powtórzyć ponownie. Należy zwrócić uwagę, że w kontrolnych pomiarach współrzędnościowych odchyłki obróbkowe określane są zawsze w odniesieniu do początkowego – nominalnego modelu geometrycznego obiektu.

2. Korekcja błędów obróbki złożonych powierzchni kształtowych 2.1. Metoda korekcji błędów obróbkowych

Proponowana w artykule metoda korekcji błędów obróbkowych (rys. 1) jest metodą off-line. W metodzie tej w pierwszej kolejności tworzony jest model geometryczny wytwarzanego obiektu. Jest to model nominalny, dokładnie odwzorowujący kształt i wymiary przedmiotu. Model ten jest podstawą do utworzenia w systemie CAD/CAM programów sterujących obróbką na centrum frezarskim. W dalszej kolejności, po odpowiednim uzbrojeniu obrabiarki, realizowana jest obróbka części. Po wykonaniu obróbki przeprowadza się współrzędnościowe pomiary kontrolne wytworzonego obiektu. Na podstawie wyników pomiarów kontrolnych określane są odchyłki zaobserwowane celem wyznaczenia dokładności obróbki. W dalszej kolejności porównywane są zaobserwowane odchyłki z wymaganą dokładnością wykonania. Jeżeli dokładność obróbki spełnia oczekiwania – proces wytwarzania jest zakończony. W przypadku kiedy uzyskana dokładność nie jest zadowalająca, przy-

Rys. 1. Metoda off-line korekcji błędów obróbkowych Fig. 1. Method of off-line of machining error correction

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

151


Nauka     

2.2. Wyznaczanie odchyłek obróbkowych i przebudowa modelu geometrycznego

Kontrolne pomiary współrzędnościowe płata powierzchni swobodnej o obrysie prostokątnym przeprowadzić można przy równomiernym rozkładzie punktów pomiarowych. Uzyskuje się w ten sposób siatkę n × m punktów zaobserwowanych. Wykorzystać można w tym celu procedury skanowania powierzchni typu UVScan lub Grid (system PC-DMIS). Liczba punktów pomiarowych dopasowywana jest do stopnia skomplikowania kształtu przedmiotu. W celu oszacowania dokładności wykonania powierzchni swobodnej opisującej wytwarzany obiekt należy wyznaczyć odchyłki obróbkowe w punktach pomiarowych. Miarą wyznaczanych odchyłek są odległości między punktami znajdującymi się na powierzchni modelu CAD (powierzchnia nominalna) a odpowiadają-

cymi im punktami zaobserwowanymi w wyniku pomiarów kontrolnych na maszynie współrzędnościowej. Odchyłki wyznaczane są w kierunku normalnym do obrabianej powierzchni (rys. 2). Danymi wyjściowymi do określenia tych odległości oraz ich składowych są informacje zawarte w programie sterującym maszyną pomiarową. Po przeprowadzeniu pomiarów program zawiera informacje o współrzędnych punktów nominalnych i zaobserwowanych w trakcie pomiaru oraz o zaobserwowanych odchyłkach obróbkowych (rys. 3). Dysponując tymi informacjami, przystępuje się do realizacji korekcji płata powierzchni opisującego kształt obiektu. W pierwszej kolejności wyznacza się w poszczególnych osiach układu współrzędnych składowe zaobserwowanych odchyłek obróbkowych. Do obliczeń wykorzystuje się następujące zależności: ∆x ij = x ijp − x ijn

∆yij = yijp − yijn ∆z ij = z − z p ij

(1)

n ij

gdzie: x ijp , yijp , z ijp

– współrzędne kolejnych punktów zaobserwowanych, x ijn , yijn , z ijn – współrzędne punktów na powierzchni nominalnej, ∆x ij , ∆yij , ∆z ij – składowe odchyłek obróbkowych, i, j – współczynniki opisujące położenie punktu zaobserwowanego. Rys. 2. Graficzna reprezentacja odchyłki obróbkowej Fig. 2. Graphical representation of the machining deviation

Dysponując wyznaczonymi składowymi przystępuje się do tworzenia nowego modelu geometrycznego obiektu. W pierwszej kolejności wyznaczone zostały nowe skorygowane wsp ółrzędne punktów wg zależności:

Rys. 3. Fragment programu sterującego współrzędnościową maszyną pomiarową (PC-DMIS) Fig. 3. A part of the CMM control program (PC-DMIS)

Rys. 4. Budowa płata powierzchni: a) siatka punktów, b) seria krzywych, c) płat powierzchni Fig. 4. Construction of the surface patch: a) grid points, b) a series of curves, c) surface patch

152

x ijkor = x ijn − ∆x ij yijkor = yijn − ∆yij

(2)

z ijkor = z ijn − ∆z ij

Wyznaczone nowe współrzędne punktów posłużą do utworzenia skorygowanego płata powierzchni. Zawiera on informacje o występujących błędach wytwarzania. W tworzeniu płata powierzchni wykorzystuje się techniki interpolacji. W pierwszej kolejności tworzona jest siatka punktów skorygowanych n × m (rys. 4a). Następnie na siatce tej tworzy się serię krzywych (rys.  4 b), na których w dalszej kolejności rozpinany jest płat powierzchni (rys. 4c).


3. Praktyczna realizacja korekcji błędów obróbki złożonych powierzchni kształtowych Metodyka korekcji błędów obróbkowych obiektu przestrzennego zrealizowana została dla części opisanej przy pomocy płata powierzchni swobodnej (rys. 5). Praktyczna realizacja procesu korekcji błędów wymagała zastosowania stanowiska, w skład którego wchodziły: –– centrum frezarskie OMIS 1020 z układem sterowania iTNC530 HEIDENHAIN, –– współrzędnościowa maszyna pomiarowa Global Performence (Hexagon Metrology) z oprogramowaniem PC-DMIS, –– system CAD/CAM – Mastercam. W pierwszej kolejności sporządzono model geometryczny wytwarzanego obiektu w systemie CAD/CAM (rys. 5). Model ten był podstawą do przygotowania programów sterujących obróbką części oraz programów pomiarowych służących do kontroli dokładności wykonania. Program sterujący centrum frezarskim obejmował obróbkę zgrubną, kształtującą i wykańczającą. Po obróbce kształtującej na powierzchni obrabianej pozostawiony został naddatek o grubości 0,3 mm. Do usunięcia tego naddatku wykorzystany został frez kulisty o średnicy 6 mm wykonany z węglika spiekanego pokrytego powłoką TiAlN. Zaprogramowane zostały równoległe przejścia narzędzia z odstępem 0,2 mm. Obróbka wykańczająca

Rys. 7. Rozkład punktów pomiarowych Fig. 7. Distribution of measuring points

Rys. 8. Rozkład odchyłek zaobserwowanych po obróbce Fig. 8. Distribution of the observed deviations after machining

Rys. 5. Model powierzchniowy opisujący wytwarzany obiekt Fig. 5. Surface model of the produced object

Rys. 6. Wytworzony obiekt Fig. 6. The produced object

zrealizowana została przy obrotach wrzeciona równych 7500 obr/min oraz posuwie 300 mm/min. Przedmiot wytworzony został z aluminium PA6 (rys. 6). Wytworzona powierzchnia zawierała się wewnątrz kwadratu o długości boków 50 mm. Po zakończeniu etapu wytwarzania badany obiekt poddany został pomiarom kontrolnym. Zastosowana została w tym celu współrzędnościowa maszyna pomiarowa Global Performence firmy Hexagon Metrology. Urządzenie uzbrojone zostało w sondę pomiarową SP25M z trzpieniem pomiarowym z kulistą końcówką o średnicy 4 mm. Z uwagi na to, że kształt wytwarzanego przedmiotu opisany został płatem powierzchni NURBS stopnia trzeciego, wytworzona powierzchnia nie wykazywała gwałtownych zmian kształtu. Pozwoliło to na wykorzystanie jednej z procedur automatycznego skanowania powierzchni dostępnych w systemie PC-DMIS. Procedura ta, zwana Grid, umożliwia uzyskanie równomiernego rozkładu punktów pomiarowych. Ostatecznie pomiary kontrolne zaprogramowane zostały dla siatki 25 × 25 punktów pomiarowych. Rozkład punktów pomiarowych na mierzonej powierzchni przedstawiony został na rys. 7. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

153


Nauka     

Rys. 9. Tworzenie skorygowanego modelu geometrycznego obiektu: a) punkty skorygowane i seria krzywych, b) płat powierzchni skorygowanej Fig. 9. Creating of the corrected geometric model of the object: a) the adjusted points and a series of curves, b) surface patch

W wyniku przeprowadzonych pomiarów uzyskano informacje dotyczące 625 zaobserwowanych odchyłek, których rozkład został przedstawiony na rys. 8. Wszystkie wyznaczone odchyłki zawierały się w przedziale (–0,13; 0,0756)  mm. Uwzględniając uzyskane wartości odchyłek obróbkowych, podjęto decyzję o przeprowadzeniu procesu korekcji błędów obróbkowych. Zgodnie z procedurą opisaną w poprzednim punkcie artykułu, przystąpiono do budowy skorygowanego modelu geometrycznego części. W pierwszej kolejności z programu pomiarowego wydzielono współrzędne nominalne oraz współrzędne zaobserwowane 625 punktów pomiarowych. Posługując się równaniami (1) i (2) dla każdego punktu wyznaczono współrzędne skorygowane. Na ich podstawie w systemie MASTERCAM utworzony został skorygowany model geometryczny wytwarzanej powierzchni. Na wstępie na siatce punktów utworzono serię 25 krzywych interpolujących (rys. 9a). W kolejnym kroku na serii otrzymanych krzywych utworzony został płat powierzchni (rys. 9b). Bazując na skorygowanym modelu geometrycznym części, powtórnie utworzono programy sterujące wytwarzaniem. Zastosowano tu te same narzędzia i wartości parametrów, jakie przyjęto podczas poprzedniej obróbki obiektu. Wygenerowane poprawione programy obrób-

Rys. 10. Rozkład odchyłek zaobserwowanych po realizacji procesu korekcji błędów obróbkowych Fig. 10. Distribution of the observed deviations after the process of machining error correctio

154

kowe posłużyły do wykonania nowego obiektu. Obiekt ten poddany został pomiarom kontrolnym. Posłużono się przy tym utworzonym wcześniej programem pomiarowym. Wykres prezentujący wyniki pomiarów przedstawiony został na rys. 10. W pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na jego bardziej „spłaszczoną” charakterystykę w porównaniu z wykresem z rys. 8. Po analizie uzyskanych wyników pomiarów kontrolnych okazało się, że odchyłki zaobserwowane po przeprowadzeniu korekcji błędów obróbkowych zawierały się w przedziale (–0,0872; 0,0021) mm. W porównaniu z poprzednio uzyskanymi wynikami nastąpił znaczny wzrost dokładności wytworzenia obiektu.

4. Podsumowanie Realizacja zaprezentowanej w artykule metody korekcji błędów obróbkowych umożliwiła znaczące podniesienie dokładności wykonania obiektu, którego kształt opisany został płatem powierzchni swobodnej. W tab. 1 przedstawione zostały odchyłki obróbkowe wyznaczone przed i po przeprowadzeniu procesu korekcji błędów. Tab. 1. Zaobserwowane odchyłki obróbkowe Tab. 1. The observed machining deviations Odchyłki zaobserwowane

Przed korekcją

Po korekcji

Max. ujemna

–0,13

–0,0872

Max. dodatnia

0,0756

0,0021

Średnia bezwzględnych wartości odchyłek dla 625 punktów pomiarowych

0,04923

0,03619

Prezentowane wyniki wykazują wyraźny spadek maksymalnych zaobserwowanych odchyłek obróbkowych. Średnie bezwzględne wartości odchyłek obróbkowych wyznaczone dla wszystkich punktów pomiarowych przed i po korekcją wyraźnie zmniejszyły swoje wartości. Dodatkowym efektem przeprowadzonej korekcji błędów obróbkowych widocznym po porównaniu wykresów (rys. 8 i 10) jest „spłaszczenie” rozkładu zaobserwowanych odchyłek. Uzyskany został w ten sposób mniejszy rozrzut występujących błędów obróbkowych. Realizacja prezentowanej metodyki korekcji błędów wytwarzania jest stosunkowo prosta. Nie wymaga dodatkowych inwestycji, ponieważ bazuje na typowym wyposażeniu działów produkcyjnych firm (systemy CAD/CAM, obrabiarki CNC, współrzędnościowe maszyny pomiarowe).


Dodatkową zaletą jest tu fakt, że nowoczesne systemy CAD/CAM wiążą parametrycznie generowaną ścieżkę narzędzia z geometrią wytwarzanego obiektu. Oznacza to, że raz opracowane dane technologiczne nie wymagają powtórnego wprowadzania do systemu. W konsekwencji, po przebudowie modelu geometrycznego przedmiotu następuje automatyczna przebudowa ścieżki narzędzia. Nadmienić należy, że w przypadku przeprowadzania całego procesu korekcji błędów obróbkowych na tym samym przedmiocie, konieczne jest przeprowadzenie dokładnej obróbki wstępnej (przed korekcją) z zachowaniem równomiernie rozłożonego naddatku obróbkowego. Naddatek ten umożliwia kontynuowanie korekcji błędów obróbkowych w przypadku, gdy podczas obróbki wstępnej usunięta zostanie zbyt duża ilość materiału. W prezentowanym artykule analizie poddane zostały sumaryczne błędy obróbkowe. Opisywana metoda zweryfikowana została na pięciu różnych płatach powierzchni. We wszystkich przypadkach osiągnięto poprawę dokładności wytwarzania. W dalszych badaniach zaproponowane zostaną metody analizy umożliwiającej podział odchyłek zaobserwowanych na odchyłki zdeterminowane i losowe. Badania wykonywane będą z wykorzystaniem analizy statystycznej błędów obróbki dla co najmniej pięciu powtórzonych zabiegach obróbkowych. Pozwoli to na podniesienie efektywności realizacji procesu korekcji błędów wytwarzania.

Bibliografia 1. Raksiri C., Parnichkun M., Geometric and force errors compensation in a 3-axis CNC mil ling machine, “International Journal of Machine Tools & Manufacture”, 44/2004, 1283–1291. 2. Ryu S.H., Chu C.N., The form error reduction in side wall machining using successive down and up milling, “International Journal of Machine Tools & Manufacture”, 45/2005, 1523–1530. 3. Yang M.Y., Choi J.G., A tool deflection compensation system for end milling accuracy improvement, “ASME J. Manuf. Sci. Eng.”, 120/1998, 222–229. 4. Lechniak Z., Werner A., Skalski K., Kędzior K., Methodology of the Off-line Software Compensation for Errors in the Machining Process on the CNC Machine Tool, “Journal of Material Processing Technology”, 73/1998, 42–48. 5. Lo C.C., Hsiao C.Y., A method of tool path compensation for repeated machining process, “International Journal of Machine Tools & Manufacture”, 38/1998, 205–213. 6. Cho M.W., Kim G.H., Seo T., Hong Y.C., Cheng H.H., Integrated machining error compensation method using OMM data and modified PNN algorithm, “International Journal of Machine Tools & Manufacture”, 46/2006, 1417–1427. 7. Landon Y., Segonds S., Mousseigne M., Lagarrigue P., Correction of milling tool paths by tool posi-

tioning defect compensation, “Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: “Journal of Engineering Manufacture”, 217/2003, 1063–1073. 8. Law K.M.Y., Geddam A., Error compensation in the end milling of pockets: a methodology, „J. Mater. Process. Technol.” 139/2003, 21–27. 9. Ratchev S., Liu S., Becker A.A., Error compensation strategy in milling flexible thin walled parts, „J. Mater. Process. Technol.” 162–163/2005, 673–681. 10. Chen W., Xue J., Tang D., Chen H., Qu S., Deformation prediction and error compensation in multilayer milling processes for thin-walled parts, “International Journal of Machine Tools & Manufacture”, 49/2009, 859–864.

Error correction in processing complex-shape surfaces on machining centres Abstract: The present paper is devoted to the issues connected with correcting errors in processing curvilinear surfaces produced with the use of CNC milling machines. At present, such a correction is performed with two methods. The first of them, called an on-line method, requires constant correcting of the tool path during processing. In this approach, it is necessary to apply sophisticated adaptive control systems. In the second, off-line method, correcting the programme which controls the processing is performed outside the machine tool (on the basis of the control measurement results). The paper presents a suggestion of a methodology for correcting surface processing errors using the off-line technique (without a constant direct connection to a CNC milling machine). The suggested methodology is based on using CAD/CAM systems, numerically controlled milling machines, and coordinate measuring machines. The suggested procedure was verified on the example of a curvilinear surface described with the NURBS method. Implementing the suggested methodology of correcting processing errors resulted in a significant improvement in the accuracy of the produced shape surface. Keywords: processing, error correction, coordinate measurement, CAD/CAM

Artykuł recenzowany, nadesłany 19.06.2013, przyjęty do druku 23.07.2013.

dr inż. Andrzej Werner Zatrudniony jest na stanowisku adiunkta w Zakładzie Inżynierii Produkcji na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej. Zajmuje się problematyką związaną z: obrabiarkami sterowanymi numerycznie, inżynierią odwrotną, szybkim prototypowaniem oraz korekcją błędów wytwarzania obiektów opisanych powierzchniami swobodnymi. e-mail: a.werner@pb.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

155


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Adaptacja regulatora PI za pomocą reguł logicznych Tadeusz Hoczek Wydział Automatyki Elektroniki i Informatyki, Politechnika Śląska

Streszczenie: We współczesnej literaturze wiele uwagi poświęca się zagadnieniom pomiaru jakości układów regulacji. Jednym z najważniejszych wskaźników poprawnego działania regulatora jest przebieg odpowiedzi układu sterowania na działające na niego zakłócenie. W niniejszym artykule zaproponowano metodę adaptacji parametrów regulatora PI opartą na regułach logicznych. Pokazano, iż sposób powrotu systemu do stanu ustalonego daje wskazówki, które można wykorzystać do optymalizacji parametrów regulatora PI. Jednocześnie metoda ta jest na tyle prosta, iż implementacja jej w sterowniku PLC nie będzie stanowić trudności. Zbadano również zapas stabilności ,jaki zapewnia procedura adaptacyjna dla procesów o różnych parametrach. Słowa kluczowe: regulator PI, adaptacja, logika, regulacja

1. Wprowadzenie Częstym tematem artykułów naukowych jest jakość układów sterowania. Najważniejszym wnioskiem z przeprowadzanych badań jest stwierdzenie, że wiele regulatorów w przemyśle nie jest odpowiednio dostrojonych [5, 6, 8, 11]. W kontrolowanym procesie pojawiają się oscylacje, które są elementem niepożądanym. Oscylacje powodują zwiększenie kosztów produkcji proporcjonalnie do amplitudy oscylacji [4]. Źle dostrojone regulatory mogą również powodować opóźnienia w osiągnięciu wartości zadanej, wprowadzając tym samym duże perturbacje do układu regulowanego. Wiele prac poświęcono detekcji regulatorów powodujących zakłócenia w procesie, tzn. takich, których odpowiedź na zakłócenie jest oscylacyjna lub takich, które nie odpowiadają wystarczająco szybko na zakłócenie [8, 11]. Nie podano jednak rozwiązania problemu – co robić, gdy taka pętla zostanie zidentyfikowana i pozostawiają opracowanie procedury strojenia regulatora inżynierom. W niniejszym artykule podjęto się próby wypełnienia tej luki. Obserwując, w jaki sposób układ reaguje na działające na niego zakłócenia można zaproponować wykonanie procedury adaptacji regulatora podczas jego pracy. Zaprezentowana w artykule metoda umożliwia dostrojenie parametrów regulatora PI – wzmocnienia kp, oraz czasu zdwojenia Ti tak, aby odpowiedź układu sterowania

156

na zakłócenie nie zawierała oscylacji oraz była szybka. Dodatkowo zbadano zapas stabilności, jaki zapewnia procedura oraz obliczono „Idle Index” [8] dla tak dostrojonego regulatora, aby sprawdzić jego jakość.

2. Ocena pętli regulacyjnych Artykuł Hagglunda [8] poświęcony jest „konserwatywnie” dostrajanym pętlom regulacyjnym. Autor zauważył, że dobrze dostrojone pętle regulacyjne charakteryzują się specyficznym przebiegiem sygnału wyjściowego regulatora w odpowiedzi na zakłócenie. W pierwszej fazie wartość sygnału wyjściowego rośnie, a następnie wartość ta zmniejsza się. W zbyt zachowawczo dostrojonych pętlach nie występuje druga faza odpowiedzi regulatora. Sygnał wyjściowy regulatora podąża zawsze w jednym kierunku. Do określenia jakości pętli regulacyjnej Hagglund [8] zdefiniował „Idle Index” – współczynnik określający szybkość działania układu sterowania w odpowiedzi na zakłócenie. Współczynnik ten wyznacza się, zliczając odcinki czasu, w których wyjście regulatora jest narastające oraz opadające:

(1)

by na tej podstawie obliczyć „Idle Index” z równania:

Ii =

tpos − tneg

tpos + tneg

(2)

Wartości indeksu zawarte są pomiędzy [–1, 1]. Współczynnik Ii bliski wartości 1 oznacza, że pętla jest źle dostrojona, ponieważ odpowiedź regulatora jest zbyt wolna. Ujemny współczynnik bliski –1 oznacza kontroler szybko odpowiadający na zakłócenia, jednak duże wartości ujemne pojawiają się przy pętlach oscylacyjnych. Można więc uznać, że współczynnik bliski 0 oznacza dobrze dostrojoną pętlę regulacyjną [8]. W przypadku identyfikacji niepoprawnie działającego regulatora, zastosowanie klasycznych


metod strojenia w celu poprawienia jego działania często jest niemożliwe. Identyfikacja parametrów obiektu za pomocą skoku jednostkowego lub metody przekaźnikowej wprowadziłyby zbyt duże zakłócenia do kontrolowanego procesu. Osobie odpowiedzialnej za strojenie regulatora pozostaje jedynie metoda prób i błędów, jednak prowadzi ona często do wątpliwych efektów. W takich wypadkach dostęp do prostego łatwego w implementacji układu automatycznego strojenia byłby nieoceniony. Jeżeli sposób, w jaki układ odpowiada na działające na niego zakłócenia niesie ze sobą informację o jakości układu regulacji, to można go użyć do strojenia regulatora. Na jednym końcu „skali” znajdują się układy, których odpowiedzi na sygnały zakłóceń nie powodują oscylacji – takie regulatory należy przyspieszyć oraz zwiększyć ich wzmocnienie. Na drugim końcu „skali” znajdują się układy, które w momencie oddziaływania na nie zakłócenia oscylują. W takim przypadku wzmocnienie regulatora należy zmniejszyć i/lub zwiększyć czas zdwojenia.

3. Proponowana metoda Większość obiektów sterowania w przemyśle to obiekty statyczne, tzn. takie, które po podaniu na wejście dowolnego ograniczonego wymuszenia osiągają same stan równowagi dynamicznej. W takich procesach pętla regulacji ma postać jak na rys. 1, gdzie: „w” jest wartością zadaną, „e” – błędem regulacji, „u” to sygnał sterujący, a „y” jest wartością wyjściową. Sygnały „d” oraz „n” są zakłóceniami działającymi na układ w różnych miejscach.

Algorytm adaptacyjny opiera się na regułach klasycznej logiki. Wzorowany jest jednak na systemach Tagaki-Sugeno, w których część warunkowa przybiera formę lingwistyczną, a wniosek określony jest funkcją matematyczną. Wnioskowanie podzielone jest między dwie funkcje: aktywacyjną oraz dopasowania. Funkcja aktywacyjna określa, czy układ znajduje się w stanie, w którym jest możliwe wnioskowanie. Jeżeli można go wykonać, następuje uruchomienie procedury dopasowania. Funkcja aktywacyjna oblicza procentowy uchyb sterowania w stosunku do zakresu pomiarowego procesu.

Pe =

e × 100% w max − w min

(5)

Wartości wmax oraz wmin to odpowiednio górny oraz dolny zakres pomiarowy, natomiast e jest uchybem regulacji. Funkcja ta pozwala określić siłę, z jaką zakłócenia działają na układ, jednocześnie eliminując przypadkową aktywację algorytmu przez szumy pomiarowe. Sposób dalszego postępowania określony jest przez dwie funkcje przynależności. Jeżeli uchyb regulacji jest na tyle duży, że wartość Pe przekroczy zadany próg aktywacji, zostanie uruchomiona procedura dopasowania. Dopóki wartość Pe jest mniejsza od zadanego progu aktywacji, regulator pracuje na dotychczasowych parametrach. Zadaniem procedury dopasowania jest w pierwszej fazie obserwacja układu i zbieranie niezbędnych danych, na podstawie których będzie wykonane dalsze wnioskowanie. Funkcja ta zlicza liczbę przejść uchybu regulacji przez zero, czyli liczbę oscylacji w odpowiedzi układu. Zliczanie rozpoczyna się w chwili aktywacji procedury dopasowania i trwa do momentu, w którym wartość Pe przez czas 3·Ti nie przekroczy wartości progu aktywacji. Kolejno określany jest kierunek dopasowania. Sposób adaptacji regulatora PI jest uwarunkowany przez trzy funkcje (rys‍‍‍‍‍‍‍‍. 2).

Rys. 1. Pętla regulacji Fig. 1. Control loop

Sterowanie regulatora proporcjonalno-całkującego PI zdefiniowane jest jako:

t

u(t ) = Kp e(t ) + Ki ∫ e(t )dt

(3)

0

lub w postaci transmitancji

C (s) = kp(1 +

1 Ti s

)

(4)

Algorytm adaptacyjny oparty jest na pomiarze uchybu regulacji. Aktywacja procedury dopasowania parametrów regulatora zostanie wykonana po wykryciu błędu sterowania większego niż dopuszczalny. Następnie algorytm przechodzi do fazy obserwacji, gdzie są zliczane przejścia przez zero uchybu regulacji. Koniec obserwacji układu oraz wdrożenie reguł dopasowania wykonywane jest, gdy układ wraca do dopuszczalnego zakresu i pozostaje w nim przez zadany czas.

Rys. 2. Zakresy funkcji dopasowania Fig. 2. Distribution of adaptation function membership

Jeżeli w określonym czasie nie wystąpiło przejście przez zero uchybu regulacji N = 0, wtedy aktywowana zostaje funkcja nr 1, która ma za zadanie przyspieszyć odpowiedź układu, aktualizując wartości regulatora wg równań 6 i 7. m kp kp = kp + (6) 100 m Ti (7) Ti = Ti − 100 Jeśli liczba przejść przez zero N = 1, aktywowana zostaje funkcja nr 2, a parametr Ti regulatora zostanie zmodyfikowany wg wzoru 8. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

157


Nauka     

Rys. 3. Przebieg zmian parametrów regulatora w trakcie adaptacji Fig. 3. Regulator parameter change during adaptation

Ti = Ti +

m × Ti 100

(8)

Jeżeli liczba przejść N ≥ 2, zostanie aktywowana funkcja nr 3, a parametr kp zostanie zmodyfikowany wg wzoru 9. m × kp (9) kp = kp − 100 Występujący w powyższych równaniach parametr m jest współczynnikiem adaptacji. Określa on prędkość możliwych zmian wartości parametrów regulatora.

4. Wyniki symulacji Warunkiem przeprowadzenia opisanej adaptacji jest stabilność układu w momencie jej włączenia. Aby procedura mogła wprowadzić zmiany w parametrach konieczny jest powrót układu do stanu „ustalonego”. Na rys. 3 przedstawiono przebieg adaptacji regulatora oraz towarzyszące jej zmiany parametrów dla obiektu o parametrach:

G(s) =

1.6 e −3s 4s 3 + 2s 2 + 5s + 1

(10)

Zaprezentowane przebiegi (rys. 4, 5) są odpowiedzią na kwadratowy sygnał podany jako zakłócenie „d” wg schematu na rys. 1.

Rys. 4. Odpowiedź układu na zakłócenie przed adaptacją Fig. 4. Process answer for disturbance before adaptation

158

Rys. 5. Odpowiedź procesu na zakłócenie po adaptacji Fig. 5. Process answer for disturbance after adaptation

Algorytm działa również w przypadku zakłóceń oddziaływujących na układ przez sygnał „n”, jak i zmian wartości zadanej. Można zauważyć, że w wyniku adaptacji regulatora praktycznie całkowicie udało się wyeliminować przeregulowanie, dzięki czemu czas regulacji znacznie się skrócił. Wartość maksymalnego przeregulowania również została zmniejszona. „Idle Index” obliczony dla tego układu wynosił –0,14, co pozwala uznać pętlę, wg kryteriów opisanych w [8], za dobrze dostrojoną. Aby zbadać zapas stabilności systemu sterowania nastrojonego przy pomocy zaproponowanej metody, przeprowadzono szereg symulacji dla procesów o różnych parametrach. Do tego celu wykorzystano obiekt pierwszego rzędu z opóźnieniem:

P(s) =

K e −sTo Ts + 1

(11)

Tab. 1. Wyniki symulacji Tab. 1. Simulations results Model

Regulator

K

T

To

kp

Ti

Gm

Pm

0,7

4

1

2,6

3,3

10

58

1,6

4

1

1,1

3,3

10

59

0,7

4

3

1

4,9

10

69

1,6

4

3

0,4

4,8

11

70

0,7

4

6

0,8

7,1

8

72

1,6

4

6

0,3

6,5

9

72

0,7

10

5

1,6

11

10

68

1,6

10

5

0,6

11

10

62

0,7

10

3

2,7

9

9

53

1,6

10

3

0,9

9,2

10

60

0,7

14

3

3,8

10

8

49

1,6

14

3

1,5

10

9

53


W tab. 1 zestawiono wyniki przeprowadzonych eksperymentów: parametry modelu obiektu regulacji, parametry regulatora PI po ustaleniu się jego wartości oraz obliczone wartości zapasu wzmocnienia Gm i fazy Pm. Z przeprowadzonych symulacji wynika, że uzyskane zapasy wzmocnienia i fazy odpowiadają regulatorowi o dość dużym marginesie bezpieczeństwa odpowiednio Gm ~10 i Pm ~60. Punktem początkowym każdej symulacji był regulator o parametrach kp = 1 oraz stałej czasowej Ti = 6. Parametry regulatora zostały dobrane metodą prób i  błędów, jak często stosuje się w rzeczywistych układach. Podczas eksperymentów progowa wartość funkcji aktywacji wynosiła 1. Przyjęto zakres pomiarowy 0–50, a współczynnik adaptacji m = 0,1.

5. Wnioski Zaproponowana metoda adaptacji regulatora PI umożliwia dostrojenie regulatora do obiektu. Dopasowanie jego parametrów następuje w odpowiedzi na działające na obiekt zakłócenia lub zmiany wartości zadanej. Zastosowanie prostego narzędzia, jakim są reguły logiczne daje możliwość implementacji ich w sterowniku programowalnym. Połączenie proponowanego algorytmu z wbudowanym w PLC regulatorem PI ułatwi zastosowanie go w już istniejących aplikacjach. Dodatkowo metodę tę można w pewnych warunkach zastosować jako ciągły adaptator regulatora do zmieniających się parametrów obiektu. Opisana metoda jest szczególnie przydatna dla procesów cyklicznych, gdzie regularnie występują „zakłócenia” o dużej amplitudzie lub zmiany wartości zadanej, np. nagrzewnice indukcyjne, kontrola prędkości czy procesy wsadowe. Niewielka prędkość dopasowania ogranicza jednak zastosowanie procedury do wolno zmieniających się procesów. Niemniej, pozwala ona na takie dopasowanie regulatora do obiektu, które wyeliminuje oscylacje pojawiające się w układzie, ograniczając również wartość przeregulowania występującego podczas oddziaływań zakłóceń i zmian wartości zadanej. Zapasy stabilności uzyskane podczas badań symulacyjnych utrzymywane są na dość dużych wartościach, co umożliwia bezpieczne sterowanie obiektem. Natomiast współczynnik jakości pętli regulacyjnej pozwala uznać wyniki za zadowalające.

Bibliografia 1. Ziegler J.G., Nichols N.B., Optimum settings for automatic controllers, “Transactions of the ASME” 64/1942, 759–768. 2. Astrom K.J., Eyekohoff P., System Identification – A Survey, “Automatica”, no. 7, 1971, 123–162. 3. Sundaresan K.R., Krishnawamy P.R., Estimation of time delay, time constant parameters in time, frequency and Laplace domains, “The Canadian Journal of Chemical Engineering”, no. 56, 1978, 257–262. 4. Shinskey F.G., How Good Are Our Controllers in Absolute Performance and Robustness, “Measurement & Control”, no. 23, 1990, 114–120.

5. Bialkowski W.L, Dream vs. Reality: A View from Both Sides of the Gap, Control System ’92 Conference. 6. Ender D., Process Control Performance: Not as Good as You Think, “Control Eng.”, vol. 40, no. 9, 1993, 180–190. 7. Astrom K.J., Hagglund T., PID Controllers: Theory, Design and Tuning, 2nd Edition, Instrument Society of America, 1995. 8. Hagglund T., Automatic detection of sluggish control loops, “Control Engineering Practice”, no. 7, 1999, 1505–1511. 9. Kealy T., O’Dwyer A., Comparison of open and closed loop process identification techniques in the time domain, “Proceedings of the 3rd Wismarer Automatisierungssymposium”, no. 1, 2001, 3–4. 10. Chainho J., Pereira P., A Simple PID Controller with Adaptive Parameter in a dsPIC; Case of Study, Congresso Hispano Luso de Engenharia Electrotécnica, 2005. 11. Hugglund T., Industrial implementation of on-line performance monitoring tools, “Control Engineering Practice”, no. 13, 2005, 1383–1390. 12. Huang S.-J., Lo Y.-H., Metal Chamber Temperature control by Using Fuzzy PID Gain Auto-tuning strategy, “WSEAS Transaction on Systems and Control”, no. 4, 2009, 1–10.

Adaptation of PI controller by means of logic rules Abstract: In the article a new method of PI controller adaptation was introduced. It was shown that way how controlled process is returning to its set value, after set point change or disturbance, can give guidelines for PI regulator tuning. Moreover, the proposed method is very simple and can be implemented in every PLC controller. The inference part of the solution can be implemented separately and allows tuning of the PLC build in PI controllers. The proposed method dump oscillations and limits overshoots, which appears in the process output. It was shown that obtained gain and phase margins are enough big to be safe. Keywords: PI, adaptation, logic, control Artykuł recenzowany, nadesłany 25.06.2013, przyjęty do druku 09.08.2013.

mgr inż. Tadeusz Hoczek Doktorant wydziału Automatyki Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej. Główny kierunek badań to modelowanie, identyfikacja systemów oraz wykorzystanie algorytmów sztucznej inteligencji w sterowaniu procesów przemysłowych. Zawodowo zajmuje się zagadnieniami sterowania procesów ciągłych w przemyśle. e-mail: thoczek@gmail.com

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

159


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Metodyka pomiarów ultradźwiękowych oscylacji narzędzi obróbkowych urządzeniem LDV Piotr Nazarko*, Roman Wdowik**, Janusz Porzycki** *Katedra Mechaniki Konstrukcji, Politechnika Rzeszowska **Katedra Technik Wytwarzania i Automatyzacji, Politechnika Rzeszowska

Streszczenie: W artykule przedstawiono metodykę wyznaczania widma częstotliwości ultradźwiękowych oscylacji narzędzi obróbkowych stosowanych w hybrydowych procesach obróbki ubytkowej. W celu określenia widma częstotliwości zastosowano laserowy wibrometr skanujący LDV (ang. Laser Doppler Vibrometer). Słowa kluczowe: obróbka ze wspomaganiem ultradźwiękowym, obróbka ubytkowa, wibrometr laserowy, widmo częstotliwości

1. Wprowadzenie Hybrydyzacja konwencjonalnych technologii jest drogą osiągania nowych możliwości technologicznych w systemach produkcyjnych. Procesy hybrydowe mogą ulepszyć procesy produkcyjne w odniesieniu do skracania łańcucha operacji technologicznych lub wykonywania zabiegów, które nie mogą zostać wykonane w procesach konwencjonalnych [3]. Do hybrydowych technologii wytwarzania należą hybrydowe procesy obróbki ubytkowej, w tym procesy obróbkowe ze wspomaganiem drganiami (oscylacjami) ultradźwiękowymi. Można wskazać ich zastosowanie między innymi w procesach frezowania, toczenia, wiercenia i szlifowania [1]. Gdy częstotliwość drgań jest większa od 16 kHz, to taki proces określany jest jako „obróbka ze wspomaganiem ultradźwiękowym” (ang. Ultrasonic Assisted Machining). Składają się na nią procesy, w których wymuszony ruch oscylacyjny przedmiotu lub narzędzia o częstotliwości ultradźwiękowej stanowi czynnik wspomagający usuwanie naddatku obróbkowego. Przykładami tych procesów są: frezowanie ze wspomaganiem ultradźwiękowym (ang. Ultrasonic Assisted Milling), toczenie ze wspomaganiem ultradźwiękowym (ang. Ultrasonic Assisted Turning), wiercenie ze wspomaganiem ultradźwiękowym (ang. Ultrasonic Assisted Drilling), szlifowanie ze wspomaganiem ultradźwiękowym (ang. Ultrasonic Assisted Grinding). Drgania ultradźwiękowe wytwarzane są przez zamianę energii elektrycznej w piezo-przetwornikach lub magnetoprzetwornikach. Obecnie najczęściej energia elektryczna jest przetwarzana na drgania mechaniczne przez wykorzystanie odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego [3, 5]. W przypadku prowadzenia procesu obróbki ze wspomaganiem oscylacjami narzędzia lub przedmiotu, konieczne

160

jest określenie wartości parametrów nastawnych generatora ultradźwięków, zapewniających uzyskanie wymaganych wartości parametrów ruchu oscylacyjnego, do których należy zaliczyć amplitudę i częstotliwość oscylacji. Pomiar oraz rejestrowanie drgań ultradźwiękowych ma istotne znaczenie w analizie procesu obróbki. W tym celu stosować można mikroskopię optyczną, czujniki indukcyjne, pojemnościowe czy też kamery do rejestrowania procesów szybkozmiennych [6]. Jedną z technik pomiarowych umożliwiających rejestrowanie i analizę drgań wybranych elementów maszyn, narzędzi, a także gabarytowo dużych konstrukcji, jest wibrometria laserowa [5, 6]. W literaturze brakuje wyraźnie określonej metodyki oraz opisu warunków i ograniczeń pomiarów oscylacji dla potrzeb realizacji procesów obróbki ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Pojawiają się informacje mówiące o testowaniu wibrometrów [6] lub też stwierdzenia o braku możliwości dokonywania pomiarów podczas realizacji procesu obróbki, z uwagi na zakłócenia spowodowane cieczą chłodząco-smarującą [2]. Obecnie brakuje także możliwości kontrolowania wartości amplitudy oscylacji przez operatora obrabiarki. W celu znalezienia częstotliwości prądu generatora ultradźwięków, dla której amplituda oscylacji narzędzia osiągnie wartość wymaganą przez technologa (np. dobierana będzie jako największa dla dostępnego zakresu częstotliwości operacyjnych) można przeprowadzić analizę widma częstotliwości oscylacji narzędzia. Do analizy ruchu oscylacyjnego, opisanego w niniejszej pracy, zastosowano laserowy wibrometr skanujący Polytec PSV-400. Pomimo istniejących ograniczeń spowodowanych zasadą działania wibrometru, jego zastosowanie w zakresie pomiaru amplitudy oraz częstotliwości oscylacji narzędzi jako parametrów nastawnych procesów obróbki ze wspomaganiem ultradźwiękowym jest celowe i bardzo interesujące. Wynika to z możliwości analizy drgań ultradźwiękowych w wielu kierunkach oraz w odniesieniu do wybranych punktów na powierzchni narzędzia. Dzięki temu uzupełniona może być wiedza o funkcjonowaniu układu wzbudzania oscylacji na obrabiarce sterowanej numerycznie, pozyskana na podstawie zastosowania alternatywnych metod pomiarowych.


2. Stanowisko badawcze 2.1. Zastosowanie wibrometrii laserowej Podczas pomiaru wibrometrem laserowym LDV wykorzystywany jest efekt Dopplera, który polega na powstawaniu różnicy częstotliwości fali wysyłanej przez jej źródło (głowicę laserową) oraz fali odbitej od obserwowanego obiektu, poruszającego się względem źródła fali [5]. Jeżeli zatem punkt pomiarowy drga, a jednocześnie odbita wiązka lasera trafiająca do fotodetektora ma wystarczającą moc, możliwe jest wyznaczenie prędkości drgań w założonych węzłach siatki punktów pomiarowych (jednym lub wielu). Ogromną zaletą wibrometrii laserowej jest możliwość prowadzenia pomiarów bezstykowych. Jest to bardzo istotne zwłaszcza w odniesieniu do elementów małych lub bardzo wiotkich. Eliminuje to konieczność lokowania na badanym obiekcie czujników drgań oraz związanej z tym infrastruktury pomiarowej. Wadą jest brak możliwości przeprowadzenia pomiaru w punktach, które są niedostępne dla wiązki lasera – zarówno w przypadku fizycznego braku dostępu do obiektu, jak i słabej zdolności skanowanej powierzchni do odbijania światła lasera. Jak wspomniano, problem ten występuje np. w odniesieniu do pomiaru drgań w trakcie procesu obróbki z doprowadzeniem cieczy chłodzącosmarującej. W zależności od analizowanego zagadnienia możemy mieć do czynienia z wibrometrami jednopunktowymi lub skanującymi, rejestrującymi prędkości drgań lub przemieszczenia. W odniesieniu do pomiarów drgań wibrometry skanujące (zarówno 2D, jak i 3D) okazują się wyjątkowo przydatne, ponieważ pozwalają rejestrować ruch całej skanowanej powierzchni (zdefiniowanej poprzez siatkę punktów pomiarowych), co umożliwia wizualizację drgań badanego obiektu, a tym samym lepsze zrozumienie zachodzących zjawisk. Na obecną chwilę oprogramowanie wibrometru Polytec PSV-400 pozwala na przeprowadzenie analizy drgań w dość ograniczonym zakresie, dostarczając jedynie kilka podstawowych narzędzi. Praca urządzenia możliwa jest w dwóch podstawowych trybach: rejestrowanie przebiegów czasowych prędkości drgań (Time) lub wyznaczanie widma częstotliwości drgań (FFT, FastScan) na podstawie zmierzonego sygnału – jednego lub kilku uśrednionych. Uśrednianie sygnałów możliwe jest w kilku trybach, np. widmo częstotliwości obliczane jest na podstawie średniej z zadanej liczby pomiarów (Averaged) lub wyznaczane są maksymalne wartości widma na podstawie zadanej liczby pomiarów (Peak hold). Pomiar za pomocą wibrometru laserowego jest możliwy po zaakceptowaniu kilku ograniczeń wynikających ze specyfiki prowadzenia pomiaru: – pomiar oscylacji może być przeprowadzony w osi narzędzia lub w kierunku prostopadłym do osi (jedną głowicą możliwy jest pomiar w jednym kierunku), – stosując wibrometr laserowy możliwy jest pomiar drgań na powierzchni czołowej narzędzia, jak i utworzenie profilu wzdłuż osi narzędzia, – pomiar drgań osiowych możliwy jest przy zastosowaniu wibrometru 3D lub wibrometru 1D (jeśli wymiary głowicy lasera uniemożliwiają ustawienie jej w osi możliwy jest pomiar w poziomie i odbicie wiązki lasera za pomocą lustra ustawionego pod odpowiednim kątem),

– w trakcie pomiaru należy zadbać o dobrą jakość wiązki lasera wracającej (odbitej) do fotodetektora, np. zostawiając otwarte drzwi kabiny obrabiarki, – precyzyjne wyznaczenie częstotliwości rezonansowych narzędzi zamocowanych w oprawce ze wzbudnikiem oscylacji ultradźwiękowych jest możliwe przez ograniczenie zakłóceń (np. zjawisk cieplnych zachodzących dla sonotrody), – możliwy jest precyzyjny pomiar amplitudy oscylacji (przemieszczeń) przy zadaniu określonej wartości częstotliwości prądu i włączeniu generatora. Jednym z ograniczeń przeprowadzenia pomiaru i analizy drgań na obrabiarce Ultrasonic jest także brak bezpośredniej możliwości synchronizacji generatora oscylacji z wibrometrem przez użytkownika. Z tego faktu wynika kolejne utrudnienie – sterowanie częstotliwością generatora z poziomu interfejsu układu Sinumerik możliwe jest tylko w sposób skokowy (co 1, 10, 100, 1000 Hz) w zakresie od 20 000 Hz do 30 499 Hz. Dodatkowo czasy trwania poszczególnych fragmentów sygnału zmierzone wibrometrem dla automatycznej, skokowej zmiany częstotliwości nie są jednakowe.

2.2. Konfiguracja obrabiarki i wibrometru

W celu wyznaczenia widma częstotliwości oscylacji narzędzia zamocowanego w oprawce ze wzbudnikiem oscylacji ultradźwiękowych (rys. 1), przeznaczonej dla hybrydowej obrabiarki CNC Ultrasonic 20 linear z układem Sinumerik 840D sl, zastosowano laserowy wibrometr skanujący Polytec PSV-400 w konfiguracji przedstawionej na rys. 2. W celu pomiaru oscylacji w osi narzędzia i z uwagi na ograniczoną dostępność wiązka laserowa skierowana jest na lustro, następnie odbita w kierunku osi narzędzia obróbkowego, tak aby padała na jego powierzchnię czołową. Dzięki temu możliwy jest pomiar oscylacji w kierunku zgodnym z osią narzędzia. W nakładce interfejsu układu Sinumerik dokonuje się nastaw generatora ultradźwięków, uwzględniając moc, amplitudę oraz częstotliwość prądu generatora. Częstotliwość prądu generatora zainstalowanego dla obrabiarki Ultrasonic 20 linear może być zmieniana w zakresie od 20 000 Hz do 30 499 Hz. Wynika z tego konieczność znalezienia częstotliwości operacyjnej dla określonego narzędzia. Podczas obróbki (wykonywania programu sterującego w trybie pracy automatycznej) generator pracuje z ustaloną przez technologa wartością częstotliwości prądu. W  czasie stro jenia Rys. 1. Oprawka z zamocowanym zestawu oprawka–narzęnarzędziem dzie (przed obróbką) Fig. 1. Ultrasonic actor with the możliwa jest zmiana clamped tool Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

161


Nauka     

Procedura 1 1. Skokowa, automatyczna zmiana częstotliwości co 1000 Hz w zakresie granicznych częstotliwości operacyjnych (dla obrabiarki Ultrasonic między 20 000 Hz i 30 499 Hz) w czasie około 8 s, który zapewnia zmianę częstotliwości w całym zakresie. 2. Zawężanie pasma częstotliwości wokół największej amplitudy widma odczytanej z oprogramowania wibrometru i pomiar ze skokiem 100 Hz (np. od 24 000 Hz); w czasie bliskim 16 s można zeskanować pasmo około 3000 Hz. 3. Jeśli istnieje potrzeba bardziej precyzyjnej analizy, można dalej zawężać pasmo i przeprowadzać pomiar ze skokiem 10 Hz; w czasie 16 s pomiaru można zeskanować pasmo około 300 Hz. 4. Wybór częstotliwości, dla której uzyskuje się wymaganą amplitudę mocy widma (np. maksymalne przemieszczenie) i pomiar przemieszczeń dla zadanej częstotliwości.

Rys. 2. Konfiguracja obrabiarki i wibrometru dla potrzeb badań Fig. 2. Machine-vibrometer setup for investigations

częstotliwości prądu wyłącznie o 1, 10, 100 lub 1000 Hz. Częstotliwość może być zmieniana automatycznie lub ręcznie przez operatora, z zadaną wartością skoku. W czasie automatycznej, skokowej zmiany częstotliwości generator może pozostawać włączony około 20 s. Po tym czasie wyłącza się on samoczynnie. Wznowienie pracy generatora jest możliwe przez wciśnięcie odpowiedniego przycisku programowalnego znajdującego się na pulpicie operatora. Kierunek wiązki lasera, po jej odbiciu od powierzchni lustra, należy ustawić poprzez zmianę położenia głowicy laserowej oraz lustra. Przykładowo, wiązka lasera ustawiona jest poziomo, lustro pod kątem 45°. Położenie lustra może być zmieniane w efekcie zmiany położenia maszynowych osi obrotowych A oraz C obrabiarki (stołu obrotowo-uchylnego).

3. Widmo częstotliwości i wyznaczanie parametrów ruchu oscylacyjnego W celu przeprowadzania pomiarów parametrów ruchu oscylacyjnego opracowano cztery procedury wyznaczania widma częstotliwości oscylacji. Różnią się one sposobem zmiany częstotliwości prądu generatora. Procedura 1 polega na automatycznej (skokowej) zmianie częstotliwości prądu generatora z największym możliwym skokiem, zawężaniu analizowanego pasma częstotliwości i ponownym skanowaniu z mniejszym skokiem. W Procedurze 2 częstotliwość zmieniana jest ręcznie przez operatora w całym zakresie częstotliwości operacyjnych. Procedura 3 zakłada ręczną i automatyczną zmianę częstotliwości. Procedura 4, podobnie jak Procedura 1 polega na automatycznej (skokowej) zmianie częstotliwości. Pomiar odbywa się jednak z mniejszym od maksymalnego skokiem (tzn. 1, 10 lub 100 Hz) oraz dodatkowo przesuwany jest punkt startu skanowania określający częstotliwość operacyjną, od której rozpoczyna się skanowanie.

162

Procedura 2 Dokonuje się pomiaru amplitudy po ręcznym wybraniu określonej częstotliwości prądu generatora w całym zakresie częstotliwości operacyjnych. Zmianę częstotliwości na przykład o 100 Hz w całym paśmie częstotliwości (od 20 000 Hz do 30 000 Hz) realizuje się poprzez wybór konkretnej wartości częstotliwości i włączenie generatora ultradźwięków przez operatora. Procedura 3 1. Skokowa, automatyczna zmiana częstotliwości co 1000 Hz w zakresie granicznych częstotliwości operacyjnych (między 20 000 Hz i 30 499 Hz) w czasie około 8 s. 2. Zawężanie pasma częstotliwości wokół największej amplitudy widma i pomiar ze skokiem 100 Hz (np. od 24 000 Hz), w czasie 16 s pomiaru można zeskanować pasmo około 3000 Hz. 3. Dalsze zawężanie pasma i pomiar amplitudy ze skokiem 1 Hz lub 10 Hz po ręcznej zmianie częstotliwości prądu generatora w całym zakresie zawężonego pasma. Procedura 4 1. Ustawienie częstotliwości początku pierwszego skanowania (np. 20 000 Hz). 2. Skokowa, automatyczna zmiana częstotliwości o 1, 10, lub 100 Hz od częstotliwości ustawionej zgodnie z wytycznymi w pkt. 1. 3. Ustawienie częstotliwości kolejnego skanowania (częstotliwość końca pierwszego skanowania lub częstotliwość znajdująca się „wewnątrz” poprzednio skanowanego zakresu częstotliwości operacyjnych, np. 22 500 Hz). 4. Powtarzanie pkt. 3 do czasu przeskanowania całego zakresu częstotliwości operacyjnych. Należy dodać, że skokowa lub ręczna zmiana częstotliwości może odbywać się „na  +  ” lub „na  –  ”, tzn. podczas zmiany częstotliwości jej wartości mogą rosnąć lub maleć. Należy również zaznaczyć, że za pomocą oprogramowa-


nia wibrometru nie jest możliwe bezpośrednie wyznaczenie rzeczywistej amplitudy drgań jeśli wymuszenie nie jest harmoniczne. Bezpośredni odczyt amplitudy drgań możliwy jest wyłącznie dla wymuszenia o stałej częstotliwości (np. 25 000 Hz).

3.1. Analiza oscylacji narzędzia przy skokowej zmianie częstotliwości 3.1.1. Analiza wyników uzyskanych w oprogramowaniu wibrometru laserowego Przykładowe sygnały czasowe zarejestrowane podczas pomiaru drgań powierzchni czołowej diamentowej ściernicy trzpieniowej o średnicy zewnętrznej 6 mm z otworem drążonym przedstawione zostały na rys. 3, 4 i 5. Sygnały zostały zarejestrowane dla trzech różnych wartości skoku częstotliwości (1000, 100, 10 Hz). Na podstawie sygnałów czasowych w oprogramowaniu wibrometru tworzone są widma częstotliwości sygnału. Na rys. 6 przedstawiono widma częstotliwości dla skanowania podczas automatycznej zmiany częstotliwości zgodnie z Procedurą 1. Zauważyć tam można występowanie pików, których wysokość jest mniejsza od wysokości pików sąsiednich. Przyczyną tego jest wspomniany, zmienny czas przełączania się generatora podczas skokowej zmiany częstotliwości prądu, co ma wpływ na odebraną przez wibrometr energię sygnału. Częstotliwość rezonansowa może być wyznaczona przez uwzględnienie trendu zmiany wartości FFT oraz odrzuce-

Rys. 5. Czasowy sygnał zarejestrowany przy skokowej (10 Hz) zmianie częstotliwości oscylacji Fig. 5. Time signal measured for discrete changes of the oscillation frequency (10 Hz)

Rys. 6. Widma częstotliwości sygnałów z rys. 3, 4 i 5. Skanowanie ze skokową zmianą częstotliwości prądu generatora: a) 1000 Hz, b) 100 Hz, c) 10 Hz Fig. 6. Frequency spectrums of time signals presented in fig. 1, 2 and 3. Scans with the discrete change of hf-generator current: a) 1000 Hz, b) 100 Hz, c) 10 Hz

Rys. 3. Sygnał czasowy zarejestrowany przy skokowej (1000 Hz) zmianie częstotliwości oscylacji f w zakresie od 20 000 Hz do 30 499 Hz Fig. 3. Time signal measured for discrete changes of the oscillation frequency (1000 Hz) f from 20 000 Hz to 30 499 Hz

nie pików granicznych (początek i koniec skanowania), dla których czas sygnału dla jednej częstotliwości operacyjnej był wyraźnie dłuższy (np. dalsza rejestracja sygnału po osiągnięciu wartości granicznej częstotliwości 30 499 Hz). Na podstawie analizy widma częstotliwości, dla wybranej częstotliwości operacyjnej może być dokonany pomiar amplitudy oscylacji ultradźwiękowych narzędzia (rys. 7), która dla przedstawionego przykładu wynosiła około 3 μm. Podczas pomiaru amplitudy zauważono, że na jej wartość wpływa jakość sygnału czasowego, którego kontrola jest niezbędna do otrzymania powtarzalnych wyników pomiaru.

3.1.2. Analiza sygnałów pomiarowych w programie MATLAB

Rys. 4 Czasowy sygnał zarejestrowany przy skokowej (100 Hz) zmianie częstotliwości oscylacji Fig. 4. Time signal measured for discrete changes of the oscillation frequency (100 Hz)

Podobne wyniki w odniesieniu do widma częstotliwości można uzyskać na podstawie analizy sygnału czasowego przeprowadzanej na przykład w programie MATLAB (rys. 8). Można także utworzyć widmo częstotliwości dla przebiegu czasowego na podstawie okien o stałej podstawie czasu (rys. 9, 10). Widmo to składa się z pików, których wysokość rośnie od częstotliwości prądu generatora, dla której rozpoczęto skanowanie do częstotliwości rezonansoPomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

163


Nauka     

Rys. 7. Widmo amplitudy przemieszczeń dla zadanej częstotliwości operacyjnej prądu generatora

Rys. 10. Widmo częstotliwości sygnału przy skokowej zmianie częstotliwości oscylacji (100 Hz)

Fig. 7. Frequency spectrum for selected current frequency of hf-generator

Fig. 10. Frequency spectrum of the signal measured for discretechanges of the oscillation frequency (100 Hz)

Rys. 8. Widmo częstotliwości sygnału przy skokowej zmianie częstotliwości oscylacji (1000 Hz) Fig. 8. Frequency spectrum of the signal measured for discretechanges of the oscillation frequency (1000 Hz)

Rys. 9. Widmo częstotliwości sygnału przy skokowej zmianie częstotliwości oscylacji (1000 Hz) i stałej podstawie czasu Fig. 9. Frequency spectrum of the signal measured for discrete changes of the oscillation frequency (1000  Hz) and a constant time base

wej, a następnie wysokość pików ma coraz mniejszą wartość, aż do częstotliwości, dla której zakończono skanowanie. W ten sposób wyeliminować można efekt zmiennego czasu przełączania przy skokowym generowaniu częstotliwości. Dla sygnałów czasowych o stałej podstawie czasu utworzone mogą być widma częstotliwości w odniesieniu do wyznaczonych amplitud przemieszczenia. Z tak przetworzonych danych pomiarowych można wprost odczytać amplitudy przemieszczeń. Przykład takiego widma pokazano na rys. 11. Widmo zostało utworzone dla skanowania co 100 Hz (por. rys. 10).

164

Rys. 11. Widmo częstotliwości sygnału w odniesieniu do wyznaczonych amplitud przemieszczenia Fig. 11. Frequency spectrum of the signal with regard to computed displacement amplitudes

Rys. 12. Przemieszczenia uzyskane podczas pomiaru zgodnie z Procedurą 2 (ręczna zmiana częstotliwości prądu generatora o 100 Hz). Fig. 12. Displacements measured according to Procedure 2 (manual change (100 Hz) of high-frequency generator current)

3.3. Pomiar amplitudy przemieszczeń w zadanym paśmie częstotliwości W celach poznawczych oraz z uwagi na lepszą jakość odbitej wiązki lasera pomiar amplitudy odbywał się zgodnie z Procedurą 2 (co 100 Hz od 20 000 Hz do 30 499 Hz). Dla każdej ustawionej częstotliwości włączano generator i dokonywano pomiaru w celu wyznaczenia amplitudy oscylacji. Uzyskane wyniki przedstawiono na rys. 12. Procedura 3 prowadzi do wyznaczania widm podobnie jak w Procedurze 1, dodatkowo uzyskiwane są widma dla konkretnych częstotliwości operacyjnych analogicznie do Procedury 2. Procedura 4 prowadzi do wyznaczania widm takich jak uzyskiwane w Procedurze 1 (por. rys. 10).


Podsumowując, na podstawie pomiarów mogą być mierzone przemieszczenia i określana wymagana do obróbki częstotliwość prądu generatora.

4. Wnioski Pomiary wibrometrem laserowym uwidoczniły jego przydatność dla badań hybrydowych procesów obróbkowych ze wspomaganiem ultradźwiękowym. Znaczący wpływ na wyniki pomiaru ma właściwa konfiguracja wibrometru. W szczególności istotne jest uzyskanie dobrej jakości sygnału obrazującego zmiany prędkości w czasie. Zaobserwowano również wpływ temperatury układu sonotroda– –narzędzie na zmiany prędkości ruchu oscylacyjnego, co ma wpływ na wyznaczane spektrum częstotliwości. Korzystne warunki pomiaru występują jeśli zmiany temperatury są nieznaczne lub nie występują. Wyznaczanie spektrum częstotliwości w oprogramowaniu wibrometru na podstawie sygnału czasowego charakteryzuje się dobrą powtarzalnością pomiarów, dla jednakowych warunków pomiaru. Główną wadą tej metody jest konieczność szczegółowego skanowania w wielu zakresach częstotliwości z małym skokiem częstotliwości w obszarze wielu obserwowanych pików obrazujących przemieszczenie. Tylko wtedy można precyzyjnie wyznaczyć częstotliwość rezonansową. Analiza sygnałów czasowych w programie MATLAB, dzięki wyodrębnieniu identycznych okien czasowych, prowadzi do wyeliminowania efektu różnego czasu generowania sygnałów przy skokowej zmianie częstotliwości. Wyznaczanie amplitudy dla częstotliwości w zakresie od 20 000 Hz do 30 499 Hz przez skanowanie w określonych częstotliwościach operacyjnych co 100 Hz charakteryzuje się dużą czasochłonnością, jednak może doprowadzić do precyzyjnego określenia amplitudy dla poszczególnych wartości częstotliwości oraz może doprowadzić do ustalenia największej wartości amplitudy i odpowiadającej jej częstotliwości (zwłaszcza jeśli nie planuje się przetwarzania sygnałów czasowych na przykład w środowisku obliczeniowym MATLAB). Możliwym rozwiązaniem byłoby sprzężenie generatora ultradźwięków z wibrometrem laserowym w celu wymuszania zadanych częstotliwości prądu i jednoczesnego pomiaru amplitudy, co wymaga ingerencji w generator. Do badań wykorzystano aparaturę zakupioną w projekcie nr POPW.01.03.00-18-012/09 z Funduszy Strukturalnych w ramach Programu Operacyjnego Rozwój Polski Wschodniej współfinansowanego przez Unię Europejska ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

3. Marinescu I.D., Hitchiner M., Uhlmann E., Rowe W.B., Inasaki I.: Handbook of Machining with Grinding Wheels, CRC Press, Taylor and Francis Group, 2007. 4. Nau B., Roderburg A., Klocke F., Ramp-up of hybrid manufacturing technologies, “CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology” 4/2011, 313–316. 5. Nazarko P., Ocena stanu konstrukcji. Detekcja uszkodzeń z zastosowaniem sztucznych sieci neuronowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej 2010. 6. Ultrasonic Assisted Grinding of brittle hard materials, final technical report, CORNET project, Austria, April 2010.

Methodology of measuring ultrasonic oscillations of tools using LDV Abstract: The methodology of ultrasonic oscillation spectrum determination for tools applied in hybrid machining processes is presented. The laser scanning vibrometer is applied in order to determine frequency spectrum. Keywords: ultrasonic assisted machining, machining, laser vibrometer, frequency spectrum

Artykuł recenzowany, nadesłany 30.05.2013, przyjęty do druku 09.09.2013.

dr hab. inż. Janusz Porzycki, prof. PRz Profesor nadzwyczajny na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. Specjalizuje się w zagadnieniach budowy i eksploatacji maszyn. e-mail: jpor@prz.edu.pl

dr inż. Piotr Nazarko Adiunkt na Wydziale Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Rzeszowskiej. Zajmuje się nieniszczącymi technikami wykrywania i oceny uszkodzeń oraz zastosowaniem metod sztucznej inteligencji. e-mail: pnazarko@prz.edu.pl

Bibliografia 1. Brehl D.E., Dow T.A., Review of vibration-assisted machining, “Precision Engineering” 32/2008, 153–172. 2. Cong W.L., Pei Z.J., Mohanty N., Van Vleet E., Treadwell C., Vibration Amplitude in Rotary Ultrasonic Machining: A Novel Measurment Method and Effects of Process Variables, “Journal of Manufacturing Science and Engineering”, June 2011, Vol. 133.

mgr inż. Roman Wdowik Asystent na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej. Zajmuje się hybrydowymi procesami obróbki ubytkowej oraz zagadnieniami eksploatacji maszyn CNC. e-mail: e-mail: rwdowik@prz.edu.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

165


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Implementacja systemu zarządzania procesem produkcji Wiesław Tarczyński, Ryszard Kopka Instytut Automatyki i Informatyki, Politechnika Opolska

Streszczenie: W artykule przedstawiono przykład warstwowego systemu zarządzania i kontroli procesu produkcyjnego zaimplementowanego w zakładzie produkującym wyroby metalowe. System łączy nowoczesne rozwiązania branży informatycznej, automatyki i metrologii. Procedury pomiarowe, wymagane na poszczególnych stanowiskach produkcyjnych, wykonywane są zgodnie z pobranym z serwera algorytmem danego fragmentu procesu technologicznego, a wyniki pomiarów, wykonywanych przy pomocy cyfrowych przyrządów pomiarowych, przez łącza komunikacyjne przesyłane są do sterownika PLC. Bazując na serwerach OPC są następnie przesyłane i gromadzone w systemach baz danych na komputerach klasy PC. Takie rozwiązanie pozwala na elastyczne zarządzanie, sterowanie i prowadzenie kontroli nad procesem produkcji, szybką implementację zmian procesu oraz automatyczną i ciągłą kontrolę jakości produktu. W artykule opisano zastosowane sposoby wymiany danych sterujących i pomiarowych, strukturę logiczną opartą o serwery OPC, protokoły komunikacyjne poszczególnych warstw oraz zastosowane rozwiązania sprzętowe i programowe systemu. Słowa kluczowe: zarządzanie procesem produkcji, kontrola produkcji, systemy sterowania, systemy pomiarowe

1. Wprowadzenie Ogromny rozwój technologiczny w zakresie programowalnych układów sterowania oraz rozwiązań informatycznych dedykowanych procesom przemysłowym, pozwala na implementację zaawansowanych procedur sterowania jak i zarządzania produkcją we współczesnych zakładach. Zaawansowane systemy informatyczne oparte na dedykowanych bazach danych oraz wykorzystujące własności transmisyjne sieci Ethernet, pozwalają na budowę inteligentnych systemów zarządzania i sterowania procesem produkcji, zapewniając przy tym jednocześnie jego ciągłą kontrolę. Właściwości rozwiązań sieciowych, stanowiących podstawę funkcjonowania takiego systemu, dopasowane są do żądań stawianych poszczególnym warstwom systemu, zarówno w zakresie ilości przesyłanych danych, jak i szybkości reakcji na występujące zdarzenia [2, 7].

166

2. Organizacja procesu produkcji Produkcja różnego rodzaju wyrobów przemysłowych związana jest z wykonywaniem na materiale wejściowym pewnych czynności. Każda taka czynność, wykonywana na oddzielnym stanowisku produkcyjnym, wymaga z kolei prowadzenia pewnych działań kontrolujących poprawność jej wykonania. W przypadku produkcji wyrobów metalowych na automatach tokarskich lub obrabiarkach CNC, kontrola związana jest głównie z prowadzeniem pomiarów przy pomocy różnych przyrządów pomiarowych, jak suwmiarki, wysokościomierze, średnicówki itp. Każda czynność wymaga prowadzenia innych działań technologicznych, prowadzenia innych pomiarów kontrolnych przy pomocy różnych narzędzi pomiarowych i innej ich liczby, również z różną częstotliwością. Przygotowanie procesu produkcji jednego wyrobu wymaga od działu technologii, opracowania szczegółowej dokumentacji technicznej, dla każdej występującej w procesie produkcji czynności i dla każdego stanowiska pracy, zawierającej potrzebne przyrządy pomiarowe, algorytmy prowadzenia pomiarów, dokumentacji, rysunków technicznych wraz z naniesionymi wartościami nominalnymi i tolerancją. Wszystko to, w wersji papierowej, trafia na stanowisko produkcyjne, a pracownik w czasie produkcji, zapisuje otrzymane wyniki i na ich podstawie kontroluje poprawność procesu. Oddzielnym zadaniem jest przygotowanie dokumentacji dla wyrobu gotowego. Do działu kontroli trafia już gotowy wyrób i tu po raz kolejny sprawdzane są i mierzone wybrane wymiary, określone w dokumentacji zamawiającego, na losowo przygotowanej próbce wyrobów. Schemat organizacji procesu produkcji w przykładowym zakładzie przemysłowym przedstawiono na rys. 1. Dotychczasowe rozwiązania stosowane w zakładach pracy polegają głównie na zapisywaniu przez pracowników uzyskanych wyników na papierowych kartach kontrolnych. Metoda ta absorbuje bardzo dużo czasu pracownika, często wyniki są błędnie odczytywane i zapisywane, często niewłaściwie zaokrąglane, a otrzymywane na ich podstawie statystyki nieprawdziwe. Prowadzenie zapisów papierowych utrudniają również warunki produkcji. W przemyśle metalowym do chłodzenia procesów wiercenia, cięcia czy


matyzacji przedsiębiorstwa [2, 5]. W modelu tym, decyzje ogólne dotyczące wyboru wytwarzanego produktu, jego ilości oraz jakości podejmowane są na poziomie warstwy zarządzania. Decyzje te, w kolejnych niższych warstwach: warstwie sterowania i warstwie procesu produkcji, przetwarzane są na decyzje wyroby gotowe szczegółowe organizujące podjęcie i utrzymanie produkcji. Przykładową budowę takiego modelu przedstawiono na rys. 2. W związku z różnymi funkcjami, jakie pełnią poszczególne warstwy w modelu zarządzania, również rozwiązania sieciowe występujące na ich poziomach muszą spełniać odpowiednie wymagania transmisyjne [7, 12]. W warstwie najwyższej zarządzania przesyłana jest stosunkowo duża liczba danych związanych z organizacją, archiwizacją oraz wizualizacją procesu. Transmisja takich danych wymaga łączy o dużych przepustowościach, ale dane te nie wymagają spełnienia warunków czasowych. Odmienne wymagania stawia się własnościom sieci wykorzystywanych w warstwie najniższej – warstwie procesu produkcyjnego. Tutaj ilość przesyłanych danych jest niewielka, często są to pojedyncze bity lub bajty, ale ich transmisja musi być realizowane w bardzo krytycznych warunkach czasowych. Ostatnia warstwa – warstwa sterowania – musi charakteryzować się własnościami pośrednimi pomiędzy warstwą zarządzania, a warstwą procesu technologicznego. Protokoły tej warstwy przenoszą mniejszą liczbę danych niż protokoły warstwy najwyższej, ale muszą charakteryzować się determinizmem czasowym [3, 12]. Istotną role we współczesnych sieciowych strukturach zarządzania i sterowania pełnią serwery oraz instalowane na nich systemy baz danych. Praktycznie wszystkie języki programowania aplikacji SCADA oraz paneli operatorskich posiadają funkcje bezpośredniego dostępu do baz danych [8]. Mechanizmy te pozwalają zarówno na swobodny dostęp do danych przez wszystkich użytkowników systemu, jak również na gromadzenie i archiwizację parametrów procesu, wartości zmiennych procesowych, podejmowanych decyzji przez operatorów czy generowanych alarmów. Wykorzystując te dane, można wyraźnie usprawnić funkcjonowanie, jak i metody zarządzania procesów produkcyjnych. Zbudowany system zarządzania procesem produkcji wykorzystuje oprogramowanie InTouch firmy Wonderware oraz panele operatorskie i sterowniki firmy GEFanuc. Struktura systemu, przedstawiona jest na rys. 3. Składa się ona z komputerów klasy PC oraz specjalnie zaprojektowanych stanowisk wyposażonych w panele operatorskie i sterowniki PLC [11]. Każde tak zbudowane stanowisko, może być z kolei wyposażone w maksymalnie 16 narzędzi pomiarowych,

dział technologii

produkcja

kontrola

materiał czynność 1

czynność 2

czynność n

wyrób gotowy - algorytm prowadzenia pomiarów podczas procesu produkcji i kontroli - karta kontrolna - dla procesu produkcji oraz karta wyrobu gotowego - dla działu kontroli

Rys. 1. Schemat organizacji procesu produkcji Fig. 1. Diagram of the organization of the production process

toczenia używane są różnego rodzaju ciekłe chłodziwa, co powoduje, że wyroby są mokre, tłuste, często oklejone opiłkami metalu. Pomimo osuszania i wycierania, zabrudzenia te przenoszone są na papierowe karty kontrolne, czyniąc je mało czytelnymi lub je uszkadzając. Rozwiązaniem tych problemów mogą być systemy wykorzystujące nowoczesne narzędzia informatyczne oraz zaawansowane rozwiązania sprzętowe. Pozwalają one na całkowite wyeliminowanie z procesu produkcji papierowej dokumentacji technicznej oraz konieczności odczytywania przez pracowników wyników pomiarów i prowadzenia obliczeń wartości wskaźników kontroli jakości procesu. Wszystkie wymagane przez pracownika informacje mogą być wyświetlana na monitorze na stanowisku pracy, a uzyskiwane pomiary automatycznie odczytywane i archiwizowane w systemach baz danych. Na ich podstawie mogą być prowadzone obliczenia wskaźników jakości, a wyniki wyświetlane na ekranie pozwolą na ciągłą obserwację i kontrolę procesu produkcji.

3. Budowa systemu zarządzania Współczesne systemy zarządzania procesem produkcji realizowane są w oparciu o tzw. model warstwowy auto-

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

167


Nauka     

warstwa zarządzania

warstwa sterowania

warstwa procesu produkcji

Rys. 2. Model warstwowy automatyzacji przedsiębiorstwa Fig. 2. Layers model of company automation

takich jak: suwmiarki, wysokościomierze, śruby mikrometryczne czy średnicówki. Rola sterownika PLC w tak zorganizowanym systemie ogranicza się praktycznie do realizacji komunikacji z przyrządami pomiarowymi oraz konwersji odczytanego z przyrządów wyniku na postać zmiennoprzecinkową. Dodatkowo sterownik steruje pracą multipleksera, który pozwala do jednego portu RS-232 sterownika podpiąć do 16 narzędzi pomiarowych. Sterowanie multipleksera realizowane jest z wyjść cyfrowych sterownika. Warstwa zarządzająca, łącząca komputery oraz panele operatorskie, oparta jest o sieć Ethernet wykorzystującą protokół TCP/IP. Wymiana danych pomiędzy panelami, a sterownikami PLC zrealizowana jest z wykorzystaniem protokołu SNP łączem RS-485 z szybkością 19 200 b/s. Pojedyncze narzędzia pomiarowe komunikują się ze sterownikami PLC przy pomocy własnego protokołu, zrealizowanego łączem RS-232 z szybkością 300 b/s. Aby możliwe było podłączenie kilkunastu narzędzi pomiarowych do jednego gniazda sterownika PLC z wykorzystaniem łącza RS-232, konieczne było zbudowanie specjalnego multipleksera. Układ multipleksera realizuje dwukierunkowe, szeregowe połączenie w danej chwili tylko jednego narzędzia z portem sterownika PLC. Sterowanie samym multiplekserem jest wykonywane z wyjść cyfrowych sterownika zgodnie z posiadanym na danym stanowisku algorytmem pomiarowym.

168

Strukturę logiczną systemu zarządzania i gromadzenia wyników pomiarów wraz z zastosowanymi protokołami wymiany danych przedstawiono na rys. 4. Wymiana danych w warstwie zarządzania oparta jest o typowe rozwiązania informatyczne. Realizowana jest zarówno wymiana plików, poprzez udostępnianie w sieci zasobów dyskowych komputerów, jak i samych danych poprzez sieciowy dostęp do baz danych. Na najniższym poziomie, wyniki wykonanych przez pracowników pomiarów można odczytać z przyrządów pomiarowych dwoma sposobami. Pierwszy związany jest z zainicjowaniem transmisji ze strony przyrządu przez pracownika. W przypadku, gdy pomiar jest gotowy, pracownik naciska przycisk transmisji umieszczony na obudowie przyrządu i aktualna wartość wskazywana na przyrządzie zostaje przesłana do sterownika PLC. Drugi sposób polega na cyklicznym odpytywaniu przyrządu pomiarowego przez sterownik PLC. Na każde zapytanie przyrząd generuje odpowiedź zawierającą aktualne wskazanie. Takie rozwiązanie jest bardzo wygodne dla pracownika, ponieważ nie musi sam inicjować startu transmisji wyniku pomiaru. Tryb ten wymaga jednak

warstwa zarządzania Ethernet

warstwa sterowania

warstwa procesu produkcji

Rys. 3. Schemat systemu zarządzania i kontroli procesu produkcyjnego Fig. 3. The scheme of management and control of the production process


bardzo zaawansowanych algorytmów ze strony sterownika PLC związanych z podjęciem decyzji, kiedy odczytany wynik można uznać już za poprawny. Sterownik pobiera z narzędzia aktualne wskazanie co określony czas, np. co 0,5 s, i na podstawie obserwacji zmian tego wskazania i wartości nominalnej oraz tolerancji, podejmuje decyzję, kiedy proces pomiaru prowadzony przez pracownika jest już zakończony, a tym samym jaką przyjąć wartość końcową wyniku. Ograniczeniem dla algorytmu jest czas na podjęcia decyzji. System nie może zbyt długo obserwować procesu pomiarowego, jednak musi „zauważyć” zakończenie procedury pomiarowej i odczytać wynik końcowy pomiaru. Algorytmy Serwer takie zostały opracowane i zaimplementowane w kodzie sterownika PLC [1, 4, 6]. Ich parametry w zakresie częstości odczytywania wyniku, szerokości przedziału akceptacji wyniku, liczby wymaganych odczytów spełniających przyjęte kryterium i innych, można w szerokim zakresie konfigurować indywidualnie dla potrzeb każdego stanowiska czy pracownika z poziomu panelu operatorskiego na pojedynczym stanowisku [11]. Transmisja realizowana jest z wykorzystaniem własnego protokołu komunikacyjnego narzędzi pomiarowych. Szybkość transmisji, mimo że jest bardzo mała, całkowicie wystarcza do przesłania niewielkiej liczby danych, a dzięki małej szybkości jest bardzo odporna na zakłócenia. Sama transmisja odbywa się w trybie znakowym z wykorzystaniem kodów ASCII. Odczytane z portu sterownika dane są konwertowane do formatu zmiennoprzecinkowego, a następnie przesyłane do panelu operatorskiego. Transmisja jest realizowana poprzez łącze RS-485 z wykorzystaniem protokołu SNP. Jest to wewnętrzny protokół komunikacyjny używany przez urządzenia firmy GE. Wartości przekazywane są poprzez zmienne, zdefiniowane w środowisku GE, a ich odczyt następuje w momencie potwierdzenia przez sterownik PLC poprawności przeprowadzonej konwersji do postaci zmiennoprzecinkowej [9]. Odczytane wartości są opisywane w panelu operatorskim, tj. przypisuje się im identyfikator wymiaru, numer stanowiska, datę i godzinę, a następnie są gromadzone w pliku i zapisywane na karcie pamięci CF zabudowanej w panelu. Po zakończeniu całej procedury pomiarowej, wszystkie wyniki pomiarów wraz z ich opisem, zostają przesłane w postaci pliku, łączem ethernetowym do serwera. Po ich poprawnym skopiowaniu, wyniki pomiarów zostają zapisane w systemie baz danych SQL.

4. Generowanie i transmisja informacji sterujących systemu zarządzania Realizacja danego procesu produkcyjnego związana jest bezpośrednio ze specyfiką produkcji danego zakładu produkcyjnego. W przypadku zakładów przemysłu metalo-

Panel Operatorski

SNP RS-485 PLC Ethernet MUX Protokół własny RS-232

Opracowanie Technologii

Rys. 4. Struktura logiczna systemu zarządzania procesem produkcji i gromadzenia pomiarów Fig. 4. The logical structure of the production management system and measurements acquisition

wego produkującego specjalizowane wyroby metalowe na automatach tokarskich lub maszynach CNC, rola pracownika związana jest głównie z kontrolą wymiarów wytwarzanego wyrobu. Na podstawie przygotowanego przez technologa planu, co określoną liczbę elementów lub co określony czas, prowadzony jest pomiar kontrolny wybranych wymiarów związanych z wykonywaną czynnością technologiczną. Jego celem jest kontrola poprawności procesu. Uzyskiwane wyniki, zapisywane przez pracownika na specjalnych kartach, stanowią fragment dokumentacji danego wyrobu. Poza podstawowymi pomiarami wykonywanymi dla potrzeb kontroli, prowadzone są również pomiary oceniające jakość procesu produkcji. W tym celu prowadzone są karty kontrolne procesu np. karty X-R oraz wyznaczane na ich podstawie wskaźniki jakości Cp i Cpk [10]. Dodatkowo, poza pomiarami wynikającymi z poszczególnych etapów procesu produkcji, wykonywane są pomiary kontrolne wyrobu gotowego. Tego typu pomiary, prowadzone są przez dział kontroli tylko dla wybranych wymiarów i najczęściej wymagają innych narzędzi pomiarowych. Pomiary takie prowadzone są w innych warunkach i według oddzielnych procedur. Duży asortyment produkowanych wyrobów, duża liczba czynności technologicznych związanych z jednym wyrobem oraz częste zmiany w zakresie produkcji wymagają ciągłych zmian algorytmu prowadzenia pomiarów, liczby wykonywanych pomiarów oraz częstości ich powtarzania. Dotychczasowa organizacja procesu pomiarowego wymagała przygotowania odpowiedniej dokumentacji w formie papierowej dla każdej wprowadzanej zmiany. Opracowany i wdrożony system zarządzania pozwala w łatwy sposób dostosować się do zmiany procedury pomiarowej w dowolnej chwili na dowolnym stanowisku produkcyjnym.

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

169


Nauka     

Serwer

Opracowanie Technologii Ethernet

Produkcja

Kontrola

Oznaczenia: Algorytm procedury pomiarowej dla potrzeb produkcji oraz dla działu kontroli Wyniki przeprowadzonej procedury pomiarowej podczas produkcji i w dziale kontroli Raporty opracowane na podstawie wyników pomiarów uzyskanych w czasie produkcji i w czasie kontroli

sce wykonania pomiaru. Po wykonaniu każdego pomiaru, system sprawdza poprawność wyniku i w przypadku przekroczenia granic tolerancji sygnalizuje to odpowiednim komunikatem. Wszystkie uzyskane wyniki gromadzone są lokalnie jako dane na karcie pamięci CF stanowiska pomiarowego, a po zakończeniu procedury pomiarowej są przesyłane i archiwizowane na serwerze w bazie danych (oznaczone ). Na podstawie zgromadzonych danych generowane są raporty dotyczące zarówno samego procesu produkcyjnego, jak i kart odbioru wyrobów gotowych (oznaczone ). Zaimplementowane rozwiązania sterowania procesem produkcji i kontroli jakości pozwalają na znaczne zaoszczędzenie czasu potrzebnego na uruchomienie produkcji nowego wyrobu lub zmianę dotychczasowej produkcji. Dodatkowo pracownik zwolniony jest z konieczności ręcznego zapisywania wyników pomiarów oraz prowadzenia obliczeń wartości wskaźników jakości produkcji, gdyż informacje te wyświetlane są automatycznie na stanowisku po zakończeniu każdej procedury pomiarowej.

5. Podsumowanie Rys. 5. Struktura układu generacji i transmisji algorytmów pracy i wyników pomiarów Fig. 5. The structure of the generation and transmission of work algorithms and measurements data

Schemat struktury logicznej generacji i przesyłania algorytmów pracy oraz wyników pomiarów został przedstawiony na rys. 5. Procedury pomiarowe i kontrolne dla wszystkich produkowanych wyrobów przygotowywane są w dziale technologicznym zakładu. Dla każdego wyrobu opracowywane są oddzielnie procedury produkcyjne, związane z każdą czynnością technologiczną wykonywaną w czasie produkcji wyrobu oraz jedna procedura kontrolna dla wyrobu gotowego (na rys. oznaczona ). Wszystkie opracowane procedury są gromadzone na serwerze. Pracownik, podczas procesu produkcji lub procesu kontroli, pobiera odpowiednią procedurę i zgodnie z jej zapisem realizuje procedurę pomiarową oznaczoną jako  lub . Każda procedura pomiarowa, oprócz podstawowych danych dotyczących identyfikacji wyrobu i danej czynności, zawiera informacje na temat liczby wymaganych pomiarów, liczby wymaganych wyrobów, które będą mierzone, rodzaju wymaganych narzędzi pomiarowych oraz częstości ich powtarzania. Dodatkowo na panelu wyświetlany jest fragment rysunku technologicznego pokazującego miej-

170

Dzięki dedykowanym rozwiązaniom informatycznym oraz nowoczesnym narzędziom pomiarowym możliwa jest implementacja zaawansowanych algorytmów zarządzania i kontroli procesu produkcyjnego niemal w każdym zakładzie produkcyjnym. Opracowany i wdrożony warstwowy system zarządzania pozwala w znaczący sposób poprawić elastyczność procesu produkcji, usprawnić prowadzenie oraz kontrolować jego jakość. Organizacja wdrożonego systemu pozwala na dalszą rozbudowę jego funkcjonalności. Po wdrożeniu modułu prowadzenia produkcji oraz modułu kontroli pojawiło się zainteresowanie ze strony użytkownika dotyczące wprowadzenia modułu zawierającego historię kalibracji i użytkowania narzędzi pomiarowych wykorzystywanych podczas procesu produkcyjnego. Wdrożony system pozwala na całkowite wyeliminowanie dotychczasowych rozwiązań opartych o papierowe formy zapisywania wyników pomiarowych. Dotyczy to zarówno etapu przygotowania produkcji, prowadzenia jego kontroli przez pracownika na stanowisku, jak i kontroli wyrobu gotowego. Forma i sposób gromadzenia danych w opracowanych i wdrożonych już modułach systemu pozwalają wykorzystać te informacje również w innych elementach nowoczesnych systemów zarządzania produkcją. Mogą być


one użyte np. w systemach MES (ang. Manufacturing Execution System), ERP (ang. Enterprise Resource Planning), MRP (ang. Material Requirements Planning), CRP (ang. Capacity Requirements Planning) i wielu innych. Poza bieżącą reakcją na nieprawidłowości pojawiające się w czasie produkcji, co już jest realizowane, można na ich podstawie szacować wskaźniki wydajności procesu produkcji, optymalizować oraz planować wykorzystanie zasobów przedsiębiorstwa czy planować zapotrzebowanie oraz zdolność produkcyjną. Otwarty charakter danych oraz wykorzystane systemy bazodanowe pozwalają wykorzystywać i przetwarzać gromadzone informacje w bardzo szerokim zakresie.

factory. It combines modern information technology, control and metrology solutions. Measurement procedures, required for each production stages, are performed in accordance with the algorithms taken from the server. The measurements, performed by digital measuring instruments, are sent to the PLC through a serial interfaces. Next, based on the OPC server are transmitted and stored in database systems on PC. Such solution allows to manage, control and maintain control of the production process, quickly implement changes to the process and automatic monitoring the product quality. Paper describes the mechanisms used to exchange controls and measurement data, logical structure of management system based on OPC servers, communication protocols of each layer and used hardware and software.

Bibliografia

Keywords: management of production process, production control, control systems, measuring systems

1. Dzierżek K., Programowanie sterowników GE Fanuc, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 2007. 2. Fowler M., Architektura systemów zarządzania przedsiębiorstwem. Wzorce projektowe, Helion, Gliwice 2005. 3. Grandek K., Kaliczyńska M., Rojek R., Rozproszony system automatyki na bazie sterowników PLC, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 3/2000, 22–25. 4. Kasprzyk J., Programowanie sterowników przemysłowych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2010. 5. Klonowski J.Z., Systemy informatyczne zarządzania przedsiębiorstwem. Modele rozwoju i właściwości funkcjonalne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004. 6. Kwaśniewski J., Sterowniki PLC w praktyce inżynierskiej, Wydawnictwo btc, Legionowo 2008. 7. Kwiecień R., Komputerowe systemy automatyki przemysłowej, Helion, Gliwice 2012. 8. Łebkowski A., Aplikacje w systemach SCADA. Wydawnictwo Akademii Morskiej, Gdynia 2010. 9.  Proficy Machine Edition View. Programowanie paneli operatorskich Quickpanel CE. Pierwsze kroki. Materiały szkoleniowe firmy Astor. 10. Tarczyński W., Kopka R., Control measurements at the manufacturing of metallic products, “Solid State Phenomena” (Vol. 180), Trans Tech Publications Ltd, Switzerland 2012, 232–237. 11. Tarczyński W., Kopka R., System zbierania i archiwizowania danych pomiarowych ze stanowisk produkcyjnych, „Pomiary Automatyka Robotyka”, 10/2011, 77–83. 12. Solnik W., Zajda Z., Sieci przemysłowe Profibus DP i MPI w automatyce, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2010.

Implementation of manufacturing process management Abstract: The paper presents the layered system management and control of the production process implemented in manu-

Artykuł recenzowany, nadesłany 03.09.2013, przyjęty do druku 26.09.2013.

dr hab. inż. Wiesław Tarczyński Ukończył studia na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej w 1974 r. Stopień doktora uzyskał w Instytucie Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej, a stopień doktora habilitowanego na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. W pracy naukowej specjalizuje się w zastosowaniach elektroniki w diagnostyce układów i systemów elektroenergetycznych, a szczególnie w lokalizacji uszkodzeń w liniach elektroenergetycznych i telekomunikacyjnych. e-mail: w.tarczyński@po.opole.pl dr inż. Ryszard Kopka Absolwent Wydziału Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej. Studia o specjalności Automatyka i Metrologia ukończył w 1995 r. Tytuł doktora uzyskał w 2004 r. Obecnie jest adiunktem w Instytucie Automatyki i Informatyki Politechniki Opolskiej, gdzie prowadzi zajęcia z programowania sterowników PLC, sieci przemysłowych oraz wizualizacji procesów. Prowadzone przez autora prace naukowe dotyczą możliwości wykorzystania informacji o postępujących procesach degradacyjnych do oceny i szacowania funkcji niezawodności obiektów technicznych. e-mail: r.kopka@po.opole.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

171


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Sterowanie procesem destylacji z wykorzystaniem regulatorów rozmytych Aleksandra Grzelak, Mateusz Konkel, Robert Piotrowski Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska

Streszczenie: Proces destylacji jest popularnym przemysłowym sposobem rozdziału ciekłych mieszanin wieloskładnikowych. W artykule rozważana jest mieszanina etanol–woda, będąca powszechnie destylowanym produktem. Celem artykułu jest omówienie procesu projektowania i symulacyjnej analizy działania trzech układów sterowania kolumną rektyfikacyjną z wykorzystaniem rozmytych regulatorów: P, PD i PI.

2. Obiekt sterowania i jego modelowanie 2.1. Opis kolumny rektyfikacyjnej

Obiektem sterowania jest ciągła kolumna rektyfikacyjna dla mieszaniny woda–etanol (patrz rys. 1, tab. 1).

Słowa kluczowe: modelowanie matematyczne, system nieliniowy, sterowanie rozmyte, kolumna destylacyjna

1. Wprowadzenie Ciekłe mieszaniny wieloskładnikowe są otrzymywane w trakcie przebiegu procesów przemysłowych, np. w przemyśle spożywczym, chemicznym, farmaceutycznym. Proces destylacji polega na wyodrębnieniu z mieszaniny jej poszczególnych składników, przy wykorzystaniu różnicy w ich temperaturze wrzenia. Mieszanina, tzw. surówka, doprowadzana jest do temperatury wrzenia składnika bardziej lotnego i częściowo zamieniana w parę, która po skropleniu utworzy destylat o innej zawartości procentowej niż mieszanina wyjściowa. Destylacja jednokrotna jest mało efektywna, gdyż nie pozwala uzyskać założonego stężenia produktu, dlatego w przemyśle zastosowanie znalazła destylacja wielokrotna, zwana rektyfikacją. Umożliwia ona uzyskanie praktycznie dowolnego stopnia rozdziału mieszaniny. Rektyfikacja prowadzona jest w kolumnach rektyfikacyjnych, które dzielą się na kolumny o działaniu okresowym (laboratoria) i ciągłym (przemysł). Proces ten jest dokładnie poznany i opisany [1–3]. W artykule rozważana jest rektyfikacja mieszaniny wody i etanolu. Proces rektyfikacji jest kosztowny, dlatego szuka się metod redukujących koszty, również przez opracowywanie i testowanie nowych algorytmów sterowania. Prace z tego obszaru trwają od wielu lat [2–7]. W artykule wykorzystano powszechnie stosowany model matematyczny procesów zachodzących w kolumnie rektyfikacyjnej [2] i zaimplementowano go w środowisku MATLAB/Simulink. Następnie zaprojektowano i symulacyjnie zbadano trzy układy sterowania, w których zastosowano regulatory rozmyte: P, PD i PI.

172

Rys. 1. Schemat kolumny rektyfikacyjnej [7] Fig. 1. Scheme of distillation column [7]

Stężenia molowe cieczy wyczerpanej i destylatu wyrażone w ułamku molowym etanolu, ze względów praktycznych zostały przeliczone na stężenia procentowe. Destylacja możliwa jest wyłącznie w przypadku, gdy temperatura wrzenia oddzielanych substancji jest różna. Ciecz, która ma ulec rozdziałowi (tzw. surówka) zostaje podgrzana i doprowadzona na jedną z półek kolumny rektyfikacyjnej (tzw. półkę zasilającą). Wytworzona z niej para kierowana jest w górę kolumny. Na każdej z n półek następuje destylacja produktu pochodzącego z półki znajdującej się poniżej. Liczba półek jest obliczana w zależności od pożądanego stężenia destylatu. Ostatnia półka połączona jest ze skraplaczem, w którym zachodzi zamiana pary w ciecz. Część skroplin zostaje wyprowadzona na zewnątrz kolumny, a pozostała część jest zawracana do wnętrza kolumny. Spływający w dół kolumny strumień powrotu (tzw. refluks) miesza się na każdej


Tab. 1. Oznaczenia i parametry kolumny rektyfikacyjnej Tab. 1. Notations and parameters of distillation column Oznaczenia F [kmol/min]

Strumień cieczy zasilającej (surówki)

xF [ułamek molowy etanolu]

Stężenie molowe cieczy zasilającej kolumnę

B, D [kmol/min]

Strumienie cieczy wyczerpanej i destylatu

xB, xD [ułamek molowy etanolu]

Stężenia molowe cieczy wyczerpanej i destylatu

MB, MD [kmol]

Zatrzymanie cieczy w zbiorniku cieczy wyczerpanej i powrotu

R, V [kmol/min]

Strumienie refluksu i pary

Mi [kmol]

Zatrzymanie cieczy na półce o numerze i

Li, Vi [kmol/min]

Strumienie cieczy spływającej i pary odpływającej z półki o numerze i

xi, yi [ułamek molowy etanolu]

Stężenia molowe cieczy i pary na półce o numerze i

xiS, yiS [ułamek molowy etanolu]

Stężenia molowe cieczy i pary na półce, do której dopływa surówka, półka o numerze iS Parametry

Mi0 = 5 kmol

Nominalna wartość zatrzymania cieczy na półce o numerze i

Li0 = 1 kmol/ min

Nominalny przepływ cieczy na półce o numerze i

β = 0,006 min

Stała reprezentująca warunki hydrauliczne

N = 31

Liczba półek teoretycznych kolumny

(c) w kolumnie panuje stałe ciśnienie, (d) ciecz na półkach oraz w zbiornikach powrotu i cieczy wyczerpanej jest idealnie wymieszana, a jej skład na półce o numerze n wynosi xn, (e) zatrzymanie strumienia pary na poszczególnych półkach jest pomijalne, (f) produkt górny jest całkowicie skraplany w skraplaczu, (g) dynamika cieczy jest liniowa, (h) pojemność cieplna kolumny jest pomijana, (i) dynamika wyparki i skraplacza jest pomijalnie mała, gdyż ich odpowiedź jest dużo szybsza niż kolumny, (j) w kolumnie nie zachodzą reakcje chemiczne, (k) strumień zasilający jest cieczą o temperaturze wrzenia składnika bardziej lotnego, (l) sprawność półek wynosi 100 %, (m) stężenie produktu końcowego powinno mieścić się w granicach od 92 % do 95 % przy stężeniu cieczy wyczerpanej nie większym niż 0,1 %. Liczba półek potrzebnych do uzyskania założonego stężenia produktu wyliczana jest na podstawie zależności między składnikami mieszaniny w układzie ciecz–para [8]. W przypadku rozważanego obiektu obliczono, że potrzeba 31 półek.

2.3. Model kolumny rektyfikacyjnej

Proces destylacji określany jest zależnościami matematycznymi opisującymi prawa zachowania. Bazują one na zmianach objętości cieczy oraz stężenia destylatu na każdej z półek, w zbiorniku powrotu i zbiorniku destylatu. Model obiektu składa się z 64 równań różniczkowych. Z założeń, że ciecze na półkach, w wyparce i skraplaczu są idealnie wymieszane, a zatrzymanie fazy gazowej jest wzdłuż całej kolumny pomijalnie małe można wywnioskować, że w kolumnie o teoretycznej liczbie półek równej N, natężenie przepływającej pary jest jednakowe na każdej z półek. Stąd:

V = V1 = V2 = ... = VN

(1)

z półek ze strumieniem pary. W ten sposób z pary wykrapla się składnik o mniejszej lotności, a z cieczy odparowuje mieszanina bogatsza w składnik o większej lotności. Pierwsza półka połączona jest natomiast ze zbiornikiem cieczy wyczerpanej, z którego część produktu trafia do wyparki, gdzie następuje ponowna zamiana cieczy w parę, wprowadzaną ponownie do pierwszej półki kolumny. Pozostała ciecz (tzw. ciecz wyczerpana) jest odprowadzana na zewnątrz kolumny jako produkt nieprzydatny do dalszej destylacji.

biekt sterowania można podzielić na kilka fragmentów O (rys. 1), dla których zapisano po dwa równania różniczkowe: ogólne równanie ciągłości oraz równanie ciągłości dla etanolu, który jest składnikiem bardziej lotnym rozpatrywanej mieszaniny.

2.2. Założenia projektowe

Model kolumny rektyfikacyjnej, który służył do zaprojektowania układu sterowania został zaczerpnięty z pracy [2]. Przyjęto następujące założenia: (a) w kolumnie rozdzielana jest dwuskładnikowa mieszanina etanol-woda, (b) kolumna jest obiektem adiabatycznym (brak strat ciepła do otoczenia),

a) skraplacz i zbiornik powrotu

dM D =V − R − D dt

dM x D D =V − (R + D)x y D dt N

(2)

(3)

Równanie (2) opisuje zależność zmiany zatrzymania cieczy w zbiorniku destylatu. Strumieniem cieczy wpływającej do zbiornika jest strumień pary, a strumieniami wypływającymi są strumienie refleksu i destylatu. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

173


Nauka     

f) wyparka i zbiornik cieczy wyczerpanej

b) ostatnia półka kolumny (tu półka nr 31)

dM

N = R−L N dt

dM N x N = Rx D − LN x N + V (yN −1 − yN ) dt

(4)

dM B = L1 − V − B dt

(12)

(5)

dM B x B = L1x1 − VyB − Bx B dt

(13)

Ze względu na założenie opisane równaniem (1), zależność (4) uwzględnia jedynie różnicę strumienia refluksu i strumienia, który spływa w dół kolumny. Jednak ma ona znaczenie przy wyznaczaniu równania na zatrzymanie składnika bardziej lotnego (5), na które składają się dopływające strumienie refluksu i pary dopływającej z półki poniżej oraz cieczy i pary odpływających ku dolnym półkom. c) pozostałe półki (półki o numerach: 2, 3, 5–30)

dM

i =L −L i +1 i dt

(6)

dM i x i = Li +1x i +1 − Li x i + V (yi −1 − yi ) dt

(7)

Li =

Mi − M 0

β

+ L0

(14)

Ponadto występuje silnie nieliniowa zależność między składem fazy ciekłej a składem fazy parowej na tej samej półce. Została ona wyliczona na podstawie krzywej równowagi rozważanej mieszaniny [8] i wynosi: yi ≅ −1828,94 x i 10 + 9888,24 x i 9 −

Równania (6)–(7) są analogiczne do zależności (4)–(5), z tą różnicą, że zamiast strumienia refluksu występuje strumień cieczy spływający z półki powyżej. d) półka zasilająca (tu półka numer 4)

−3190,93 x i 8 + 30 927, 46 x i 7 − 25 831,8 x i 6 +

+14 032,17 x i 5 − 4988,07 x i 4 + 1140,71 x i 3 −

(15)

−161,25 x i + 13, 41 x i 2

2.4. Model zaworu stałoprocentowego

dM iS = LiS +1 − LiS + F dt

(8)

dM iS x iS = LiS +1x iS +1 − dt −LiS x iS + V (yiS −1 − yiS ) + Fx F

(9)

Dodatkowo, w stosunku do równań (6)–(7) występuje strumień dopływającej surówki (cieczy ulegającej rozdziałowi na składniki) o odpowiednim stężeniu. e) pierwsza półka kolumny

dM 1 = L2 − L1 dt

(10)

dM 1x 1 = L2x 2 − L1x 1 + V (yB − y1 ) dt

(11)

W równaniu (11) uwzględniono różnicę stężenia molowego pary wyprodukowanej w wyparce i natężenia pary przepływającej w kolumnie.

174

Zmiana strumienia i stężenia molowego cieczy w dolnej części kolumny zależy od cieczy doprowadzanej z pierwszej półki kolumny oraz od odprowadzanej pary i cieczy wyczerpanej. Dodatkowo występuje ścisła zależność między cieczą pozostałą na danej półce a natężeniem cieczy wypływającej w postaci:

Model kolumny rozszerzono dodatkowo o model dwóch nieliniowych zaworów stałoprocentowych (rys. 1) do sterowania przepływem, opisanych zależnością:

K N = K Nmα xw −1 i xw =

x x max

(16)

gdzie: x – przesunięcie trzpienia zaworu, xmax – maksymalne przesunięcie trzpienia przy otwartym zaworze, KN – parametr zaworu nazywany współczynnikiem normalnym, KNm – wartość KN przy otwartym zaworze, α – parametr zależny od wymiarów zwężki i warunków przepływu medium. Na podstawie zależności (16) wykreślono charakterystykę zaworu (rys. 2). Zawory są urządzeniami wykonawczymi przetwarzającymi informację wypracowaną przez regulator w rzeczywistą wielkość fizyczną, w tym przypadku strumień pary V i refluksu R. Rozszerzony o zawory model obiektu sterowania jest: –– dynamiczny (opis w postaci równań różniczkowych), –– nieliniowy (nieliniowe równania algebraiczne),


Tab. 2. Wartości xD i xB w zależności od wartości V i R Tab. 2. Values of xD and xB depending of V and R

Rys. 2. Charakterystyka zaworu Fig. 2. Valve characteristic

–– wielowymiarowy (cztery wejścia, z czego dwa są sterujące (V, R) i dwa zakłócające (F, xF) oraz dwa wyjścia sterowane: xB, xD).

3. Algorytmy sterowania Wspomniane wcześniej cechy obiektu sterowania praktycznie wykluczają projektowanie klasycznego układu regulacji z powodu konieczności zmiany wartości wzmocnień regulatorów. Model obiektu opisano 64 równaniami różniczkowymi i trzema nieliniowymi równaniami algebraicznymi. Próba syntezy układu regulacji opisanego tak dużą liczbą zależności jest niezmiernie trudna. W związku z tym zdecydowano się na zaprojektowanie trzech algorytmów regulacji z wykorzystaniem regulatorów rozmytych (ang. fuzzy logic controller) [9, 10]. Mają one wiele zalet, np. ich parametrów są dostosowywane do aktualnego punktu pracy, działanie realizowane jest na podstawie obserwacji zachowania się obiektu.

3.1. Badanie modelu obiektu sterowania

Zaprojektowanie algorytmu sterowania na bazie logiki rozmytej wymaga dobrej znajomości zachowania się obiektu. Analizę taką dla zmiennych wymuszenia wykonano w środowisku MATLAB/Simulink. W efekcie zbudowano odpowiednie relacje wiążące sygnały wejściowe z sygnałami wyjściowymi. Zebrane spostrzeżenia pozwoliły określić zbiory rozmyte i bazy reguł potrzebne do syntezy algorytmu sterowania z regulatorem rozmytym. Zmiennymi sterującymi w rozważanym obiekcie są strumienie refluksu R i pary V. W celu zbadania przebiegu stężenia destylatu xD oraz stężenia cieczy wyczerpanej xB, obserwowano reakcję tych sygnałów na zmianę wielkości sterujących. Sygnały zakłócające przyjęto na poziomie: strumień surówki F = 15 kmol/min oraz stężenie cieczy (etanolu – składnika bardziej lotnego) w surówce xF = 0,051 co odpowiada stężeniu procentowemu 12 %. Dodatkowo przyjęto stałe wartości parametrów: Mi0, Li0 i β (tab. 1). Początkowe stężenie destylatu xD wynosiło 90 %. Sterując stopniem otwarcia zaworów należy, oprócz jakości mieszaniny końcowej, brać pod uwagę maksymalne ich wykorzystanie, tj. aby natężenie przepływu

Wartości V i R

Wartości xD i xB

V = 13 kmol/min; R = 13 kmol/min

xD = 95,5 %; xB = 12 %

V = 15 kmol/min; R = 15 kmol/min

xD = 95,5 %; xB = 12 %

V = 15 kmol/min; R = 13 kmol/min

xD = 62 %; xB = 0,0004 %

V = 13 kmol/min; R = 15 kmol/min

xD = 95,5%; xB = 30 %

V = 14,5 kmol/min; R= 13,5 kmol/min

xD = 89 %; xB = 0,0005 %

V = 13,5 kmol/min; R = 14,5 kmol/min

xD­= 95,5 %; xB = 0,0005 %

medium było jak największe. Wówczas otrzymana zostanie największa ilość produktu końcowego. Ze względu na nieliniowe charakterystyki zaworów założono, że będą one pracować w przedziale od 90 % do 100 % maksymalnego otwarcia, co odpowiada wartościom natężenia pary V i refluksu R z przedziału 10–15 kmol/min. Zaobserwowane wartości xD i xB dla określonych wartości strumieni V i R przytoczono w tab. 2. Zauważono, że wzrost stężenia produktu następował przy mniejszej wartości natężenia strumienia pary w porównaniu do natężenia strumienia refluksu – im większa różnica między wartościami tych wielkości, tym szybsza zmiana stężenia destylatu. Natomiast w sytuacji odwrotnej, tj. przy mniejszej wartości natężenia strumienia refluksu w porównaniu do natężenia strumienia pary, stężenie destylatu malało – szybkość zmian również zależała od różnicy tych wartości. Jednocześnie zbyt mała oraz zbyt duża różnica między wartością natężenia strumienia pary i refluksu powodowały znaczny wzrost stężenia cieczy wyczerpanej.

3.2. Regulator rozmyty typu P

Regulator charakteryzuje się tym, że jedyną zmienną wejściową jest uchyb regulacji stężenia destylatu. Ze względu na fakt, że w układzie występują dwie zmienne sterujące, zaimplementowano dwa osobne regulatory. Działanie każdego z nich jest opisane tymi samymi zbiorami przynależności wielkości wejściowych oraz wyjściowych lecz różnymi bazami reguł. Rozwiązanie takie przyjęto po analizie odpowiedzi modelu obiektu na zadane wartości wejściowe. Podczas syntezy algorytmu uwzględniono następujące zmienne lingwistyczne: –– uchyb stężenia destylatu w skraplaczu, będący zmienną wejściową regulatora, wyrażony w kmol/min,

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

175


Nauka     

–– dwie zmienne wyjściowe (po jednej dla każdego regulatora): para i refluks, odpowiadające stopniowi otwarcia zaworów, wyrażonemu w procentach. Oba regulatory jako identyczne co do wartości lingwistycznych, funkcji przynależności, metod fuzyfikacji i defuzyfikacji, umieszczono w bloku przed zaworem. Założenie, że zawory będą pracować w przedziale 90–100 % maksymalnego otwarcia, zrealizowano dobierając wyjścia rozmyte regulatorów w taki sposób, aby wypracować sygnały z tego przedziału. Założono zakres zmiennej wejściowej uchybu z przedziału <–100; 100>. Funkcje przynależności wejść i wyjść rozmytych podano w tab. 3 i 4. Zastosowano implikację inżynierską Mamdaniego opisaną wzorem (17) oraz metodę agregacji reguł za pomocą metody MAX zgodnie z zależnością (18).

Opracowano następujące reguły wnioskowania rozmytego: a) dla zmiennej lingwistycznej para: –– JEŚLI uchyb u-duzy TO para duza –– JEŚLI uchyb u-maly TO para srednia –– JEŚLI uchyb d-maly TO para mala –– JEŚLI uchyb d-sredni TO para mala –– JEŚLI uchyb d-duzy TO para mala b) dla zmiennej lingwistycznej refluks: –– JEŚLI uchyb u-duzy TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-sredni TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-maly TO refluks maly –– JEŚLI uchyb d-maly TO refluks sredni –– JEŚLI uchyb d-duzy TO refluks duzy

µA →B (x , y ) = MIN (µA (x ), µB (y ))

(17)

Jako metodę defuzyfikacji (wyostrzania) przyjęto metodę środka ciężkości.

µA ∪B (x ) = MAX (µA (x ), µB (x ))

(18)

3.3. Regulator rozmyty typu PD

Tab. 3. Wartości lingwistyczne i funkcje przynależności – uchyb Tab. 3. Linguistic values and membership functions – error Zmienna lingwistyczna – uchyb Lp.

Wartość lingwistyczna

Funkcja przynależ.

Punkty charakterystyczne

1.

ujemny duży

u-duzy

sigmoidalna

[–4 –2]

2.

ujemny średni

u-sredni

trójkątna

[–4 –2,5 –1,25]

3.

ujemny mały

u-maly

trójkątna symetr.

[–2 –1 0]

4.

dodatni mały

d-maly

trójkątna symetr.

[0 1 2]

5.

dodatni średni

d-sredni

trójkątna

[1,25 2,5 4]

6.

dodatni duży

d-duzy

sigmoidalna

[2 4]

Tab. 4. Wartości lingwistyczne i funkcje przynależności – para/ refluks Tab. 4. Linguistic values and membership functions – vapour/ reflux Zmienna lingwistyczna – para/refluks Lp.

Wartość lingwistyczna

Funkcja przynależ.

Punkty charakterystyczne

1.

mała wartość

maly

gaussa

[1 92]

2.

średnia wartość

sredni

gaussa

[2 95]

3.

duża wartość

duzy

sigmoidalna

[95 100]

176

Regulator rozmyty typu P rozszerzono o dodatkowy składnik, obliczany na podstawie sygnału wypracowanego przez wyjście. Sygnałem tym jest wzmocniona wartość pochodnej uchybu. Celem tej operacji jest osiągnięcie wartości zadanej oraz skrócenie czasu regulacji, czego nie udało się uzyskać w przypadku samego członu proporcjonalnego. Wartość wzmocnienia pochodnej uchybu KD dobrano eksperymentalnie i ustawiono KD = 10. Wartości lingwistyczne i funkcje przynależności dla wejścia i wyjścia pozostały niezmienione (tab. 3 i 4). Zmieniono wartości punktów charakterystycznych – wynoszą one odpowiednio, dla wejścia: [–4 –2], [–3 –2 –1], [–2 –1 0], [0 1 2], [1 2 3] i [2 4] oraz dla wyjścia: [1 95], [1 98] i [99 100]. Metody implikacji, agregacji i defuzyfikacji zbiorów rozmytych oraz baza reguł pozostały niezmienione.

3.4. Regulator rozmyty typu PI

Ostatnim zaprojektowanym regulatorem był regulator PI. W tym celu wcześniej zaprojektowany człon proporcjonalny rozszerzono o kolejne wejście, do którego dochodziła suma sygnałów uchybów w chwili obecnej i chwilach wcześniejszych. W celu poprawy jakości sterowania zmieniono położenie funkcji przynależności zmiennych wejściowych i wyjściowych (tab. 5 i 6). Metody implikacji, agregacji i defuzyfikacji zbiorów rozmytych pozostały niezmienione, natomiast baza reguł uległa zmianie i wygląda następująco: a) dla zmiennej lingwistycznej para: –– JEŚLI uchyb u-duzy LUB całka uchybu u-duza TO para duza –– JEŚLI uchyb u-duzy LUB całka uchybu u-srednia TO para duza –– JEŚLI uchyb u-duzy LUB całka uchybu u-mala TO para duza –– JEŚLI uchyb u-maly LUB całka uchybu u-srednia TO para srednia –– JEŚLI uchyb u-maly LUB całka uchybu u-mala TO para srednia –– JEŚLI uchyb zero LUB całka uchybu zero TO para zero


Tab. 5. Wartości lingwistyczne i funkcje przynależności – uchyb/ całka uchybu Tab. 5. Linguistic values and membership functions – error/integral error Zmienna lingwistyczna – uchyb/całka uchybu Lp.

Wartość lingwistyczna

Funkcja przynależ.

Punkty charakterystyczne

1.

ujemny duży

u-duzy

sigmoidalna

[–3 –2]

2.

ujemny średni

u-sredni

trójkątna symetryczna

[–3 –2 –1]

3.

ujemny mały

u-maly

trójkątna symetryczna

[–2 –1 0]

4.

zero

zero

trójkątna symetryczna

[–1 0 1]

5.

dodatni mały

d-maly

trójkątna symetryczna

[0 1 2]

6.

dodatni średni

d-sredni

trójkątna symetryczna

[1 2 3]

7.

dodatni duży

d-duzy

sigmoidalna

[2 3]

Tab. 6. Wartości lingwistyczne i funkcje przynależności – para/ refluks Tab. 6. Linguistic values and membership functions – vapour/ reflux

b) dla zmiennej lingwistycznej refluks: –– JEŚLI uchyb u-duzy LUB całka uchybu u-duza TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-duzy LUB całka uchybu u-srednia TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-duzy LUB całka uchybu u-mala TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-sredni LUB całka uchybu d-mala TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-sredni LUB całka uchybu zero TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-maly LUB całka uchybu d-duza TO refluks maly –– JEŚLI uchyb u-maly LUB całka uchybu d-srednia TO refluks maly –– JEŚLI uchyb zero LUB całka uchybu zero TO refluks duzy –– JEŚLI uchyb d-maly LUB całka uchybu d-srednia TO refluks sredni –– JEŚLI uchyb d-maly LUB całka uchybu d-mala TO refluks sredni –– JEŚLI uchyb d-duzy LUB całka uchybu d-duza TO refluks duzy –– JEŚLI uchyb d-duzy LUB całka uchybu d-srednia TO refluks duzy –– JEŚLI uchyb d-duzy LUB całka uchybu d-mala TO refluks duzy Prawidłowe zaprojektowanie regulatora typu PI wymaga ograniczenia sygnału z bloku całkującego. W rozważanym układzie przyjęto, iż nasycenie członu całkującego następuje dla wartości –5 oraz 5.

Zmienna lingwistyczna – para/refluks Lp. 1. 2. 3.

Funkcja przynależ.

Punkty charakterystyczne

maly

trójkątna symetryczna

[94 96 98]

średnia wartość sredni

trójkątna symetryczna

[96 98 100]

sigmoidalna

[99 100]

Wartość lingwistyczna mała wartość

duża wartość

duzy

–– JEŚLI uchyb d-maly LUB całka uchybu d-mala TO para mala –– JEŚLI uchyb d-maly LUB całka uchybu d-srednia TO para mala –– JEŚLI uchyb d-sredni LUB całka uchybu d-mala TO para mala –– JEŚLI uchyb d-sredni LUB całka uchybu zero TO para mala –– JEŚLI uchyb d-duzy LUB całka uchybu d-duza TO para mala –– JEŚLI uchyb d-duzy LUB całka uchybu d-srednia TO para mala –– JEŚLI uchyb d-duzy LUB całka uchybu d-mala TO para mala

4. Testy symulacyjne i analiza wyników Zaprojektowane układy regulacji zaimplementowano i przetestowano symulacyjnie w środowisku obliczeniowym MATLAB/Simulink, uwzględniając wpływ zmiennych w czasie zakłóceń: F (rys. 3) oraz xF (rys. 4). Zgodnie z założeniami projektowymi, jedyną wielkością sterowaną,

Rys. 3. Zakłócenie – strumień surówki F Fig. 3. Disturbance – feed rate F

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

177


Nauka     

Rys. 4. Zakłócenie – stężenie surówki xF Fig. 4. Disturbance – feed concentration xF

Rys. 7. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PD – xD i xDzad Fig. 7. Control system with fuzzy controller type PD – xD and xDzad

Rys. 5. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu P – xD i xDzad Fig. 5. Control system with fuzzy controller type P – xD and xDzad

Rys. 8. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PD – V i R Fig. 8. Control system with fuzzy controller type PD – V and R

Rys. 6. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu P – V i R Fig. 6. Control system with fuzzy controller type P – V and R

Rys. 9. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PI – xD i xDzad Fig. 9. Control system with fuzzy controller type PI – xD and xDzad

178


Rys. 10. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PI – V i R Fig. 10. Control system with fuzzy controller type PI – V and R

Rys. 13. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PD – xD i xDzad Fig. 13. Control system with fuzzy controller type PD – xD and xDzad

Rys. 11. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu P – xD i xDzad Fig. 11. Control system with fuzzy controller type P – xD and xDzad

Rys. 14. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PD – V i R Fig. 14. Control system with fuzzy controller type PD – V and R

Rys. 12. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu P – V i R Fig. 12. Control system with fuzzy controller type P – V and R

na którą można wpływać jest stężenie destylatu xD. Jednak przy projektowaniu układu regulacji założono również, że stężenie cieczy wyczerpanej xB nie może przekroczyć 0,01 %. Początkowe stężenie destylatu w kolumnie ustawiono na 90 %. Na rys. 5–10 przedstawiono wyniki testów trzech układów regulacji dla wartości zadanej xDzad = 95 %. Porównano zmienną sterowaną xD z zadaną xDzad oraz zilustrowano przebiegi zmiennych sterujących (V, R). Na rys. 11–16 pokazano wyniki symulacji trzech układów regulacji dla innej wartości zadanej xDzad = 92 %. Analizując zachowanie układu regulacji z rozmytym regulatorem typu P, można stwierdzić, że daje on zadowalające wyniki (rys. 5 i 11). Stężenie destylatu, w obu przypadkach, praktycznie ustala się na wartości zadanej. Stężenie procentowe cieczy wyczerpanej w stanie ustalonym nie przekroczyło założonej dopuszczalnej wartoPomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

179


Nauka     

Rys. 15. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PI – xD i xDzad Fig. 15. Control system with fuzzy controller type PI – xD and xDzad

Rys. 16. Układ regulacji z rozmytym regulatorem typu PI – V i R Fig. 16. Control system with fuzzy controller type PI – V and R

ści. Wartość strumienia pary jest mniejsza od strumienia refluksu dla dodatnich uchybów i większa dla ujemnych uchybów, a w stanie ustalonym obie wielkości ustalają się na stałym poziomie (rys. 6 i 12). Dla regulatora rozmytego PD uzyskano lepsze przebiegi wartości stężenia destylatu (rys. 7 i 13) oraz właściwy poziom stężenia procentowego cieczy wyczerpanej. Przebiegi strumieni pary i refluksu (rys. 8 i 14) zmieniają się z dużą częstotliwością. W praktyce przemysłowej może to powodować problemy z wygenerowaniem tak szybkich zmian położenia trzpieni zaworów. Aby zrealizować tę trajektorię w rzeczywistości, należy „wygładzić” charakterystykę sterowania zaworem, uśredniając wartości w obszarze oscylacji. Dzięki temu, że ich amplituda jest podobna, zastosowane przybliżenie nie wpłynie znacząco na średnią wartość przepływu medium przez zawór, a tym samym na jakość regulacji.

180

W przypadku układu z rozmytym regulatorem PI, stężenie produktu (rys. 9 i 15) oraz strumienie pary i refluksu (rys. 10 i 16) oscylują w nieznacznym stopniu. Pomimo niezerowej wartości uchybu w stanie ustalonym, można uznać, że jest to wynik w pełni zadowalający. Powyższa sytuacja wynika z tego, że wartość średnia zmieniającego się okresowo sygnału uchybu jest w przybliżeniu równa zeru, dlatego wynikowy produkt procesu rektyfikacji (destylat) będzie miał po jego wymieszaniu stężenie bardzo bliskie do zadanego. W tab. 7 porównano wybrane wskaźniki jakości sterowania dla zaprojektowanych układów regulacji. Jako wskaźniki regulacji przyjęto: Mp – maksymalne przeregulowanie, tn – czas narastania, tr – czas regulacji, ISE (ang. Integral of Squared Error) – całka uchybu kwadratowego. W celu zapewnienia porównywalności kryterium ISE liczba próbek odpowiedzi wziętych do obliczenia tego kryterium była identyczna i odpowiadała 300 min symulacji. Dla różnych wartości zadanych i wskaźników regulacji, jakość sterowania była odmienna. W przypadku maksymalnego przeregulowania Mp, najlepszym okazał się układ z regulatorem rozmytym typu PD. Najszybszym układem sterowania (ze względu na tn) był układ z regulatorem rozmytym typu P. Rozmyty układ regulacji typu PD charakteryzował się najkrótszym czasem regulacji (tr). Ze względu na ostatni wskaźnik jakości sterowania (ISE) najmniejszy błąd, w zależności od wartości zadanej, miał odpowiednio rozmyty układ regulacji typu P i PD.

Tab. 7. Porównanie wskaźników jakości sterowania Tab. 7. Comparison of indicators of the quality control Wskaźniki jakości sterowania Mp [%]

tn [min]

tr [min]

ISE

Układ z P (xDzad=95 %)

102,59

53

180

0,8716

Układ z PD (xDzad=95 %)

100,48

58

100

0,956

Układ z PI (xDzad=95 %)

105,35

58

286

1,1205

Układ z P (xDzad=92 %)

172,73

14

108

0,3721

Układ z PD (xDzad=92 %)

110,34

20

40

0,1041

Układ z PI (xDzad=92 %)

181,166

15

107

0,4364


5. Zakończenie W artykule zaprojektowano i przeprowadzono analizę symulacyjną działania trzech układów sterowania kolumną rektyfikacyjną, zawierającą mieszaninę wody i etanolu. Dowiedziono efektywności sterowania z wykorzystaniem regulatorów rozmytych. Ponadto potwierdzono uniwersalność tych algorytmów, polegającą na dostosowaniu wzmocnień regulatorów w zależności od różnych punktów pracy. W porównaniu do klasycznych metod, gdzie wartość wzmocnień ustawiona jest na stałą wartość, stosowanie logiki rozmytej do sterowania wielowymiarowym, nieliniowym i dynamicznym obiektem, odznacza się większą skutecznością i efektywnością. Należy również podkreślić możliwość łatwej implementacji opracowanych algorytmów sterowania w urządzeniach stosowanych w praktyce przemysłowej, np. w sterownikach programowalnych, komputerach przemysłowych.

Control of distillation process using fuzzy controllers Abstract: Distillation is the most common unit operations in different branches of industry. In the paper a two product distillation process is considered (ethanol-water). The paper presents mathematical model of distillation column. Next, the three fuzzy controllers (P, PD, PI) are designed and implemented in MATLAB/Simulink environment. Finally, the results of simulation and a critical analysis are presented. Keywords: mathematical modeling, nonlinear systems, fuzzy control systems, distillation column

Artykuł recenzowany, nadesłany 09.08.2013, przyjęty do druku 12.09.2013.

Bibliografia 1. Błasiński H., Młodziński B., Aparatura przemysłu chemicznego, WNT, Warszawa 1983. 2. Luyben W.L., Process Modeling Simulation and Control for Chemical Engineers, Second Edition. McGraw-Hill, New York 1990. 3. Skogestad S., Dynamics and control of distil lation columns – a critical survey, “Modeling, Identification and Control”, Vol. 18 (1997), No. 3, 177–217. 4. Ławryńczuk M., Marusak P., Tatjewski P., Bieżąca optymalizacja punktu pracy procesów regulowanych algorytmem predykcyjnym, Materiały konferencyjne XV Krajowej Konferencji Automatyki, Warszawa 27–30 czerwca 2005. 5. Castellanos-Sahagun E., Alvarez-Ramirez J., Alvarez J., Two-point composition temperature control of binary distillation columns, “Industrial and Engineering Chemistry Research”, 45 (2006) 9010–9013. 6. Kumar M.V.P., Kaistha N., Decentralized control of a kinetical ly control led ideal reactive distil lation column, “Chemical Engineering Science”, 63 (2008) 228–243. 7. Łapiński M., Piotrowski R., Sterowanie kolumną rektyfikacyjną z wykorzystaniem nieliniowego algorytmu predykcyjnego, „Pomiary Automatyka Kontrola”, Vol. 58 (2012), Nr 8, 745–749. 8. Praca zbiorowa (red. Zarzycki R.), Zadania rachunkowe z inżynierii chemicznej, PWN, Warszawa 1980. 9. Piegat A., Modelowanie i sterowanie rozmyte, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 1999. 10. Jantzen J., Foundations of Fuzzy Control, John Wiley & Sons, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex 2007.

mgr inż. Aleksandra Grzelak Absolwentka studiów I stopnia na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki (kierunek: Automatyka i Robotyka) oraz jednolitych studiów magisterskich na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej (kierunek: Fizyka i Technika Konwersji Energii). Zainteresowania: układy regulacji w procesach przemysłowych. e-mail: aleksandra_grzelak@o2.pl

inż. Mateusz Konkel Student studiów II stopnia na Wydziale Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej (kierunek: Automatyka i Robotyka). Zainteresowania: systemy sterowania, nowe technologie. e-mail: mateusz_konkel@o2.pl

dr inż. Robert Piotrowski Absolwent Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej (kierunek: Automatyka i Robotyka) (2001 r.). W 2005 r. uzyskał stopień doktora (Automatyka i Robotyka). Obecnie adiunkt w Katedrze Inżynierii Systemów Sterowania. Zainteresowania naukowe dotyczą modelowania i zaawansowanych metod sterowania procesami przemysłowymi. e-mail: r.piotrowski@eia.pg.gda.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

181


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Koncepcja metody bezpiecznej transmisji danych w sieci KNX na potrzeby systemu zdalnego nadzoru Michał Porzeziński Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska

Streszczenie: W pracy omówiono wymagania stawiane kanałom komunikacyjnym wykorzystywanym do realizacji funkcji związanych z bezpieczeństwem oraz zaproponowano metodę bezpiecznej transmisji danych w sieci KNX opracowaną na potrzeby systemu zdalnego nadzoru. Metoda definiuje dodatkową warstwę stosu protokołu komunikacyjnego KNX umożliwiającą spełnienie wymagań dotyczących niezawodność i bezpieczeństwa transmisji danych bez konieczności wprowadzania zmian w istniejącym systemie KNX. Słowa kluczowe: system KXN, bezpieczeństwo funkcjonalne, bezpieczeństwo transmisji danych

1. Wprowadzenie Na przestrzeni ostatnich lat można zaobserwować gwałtowny rozwój systemów automatyki budynków. Znajdują one zastosowanie zarówno w dużych budynkach użyteczności publicznej, jak i w małych hotelach, domach jednorodzinnych, czy nawet mieszkaniach. Systemy te umożliwiają sterowanie i monitorowanie stanu wybranych urządzeń i wielkości fizycznych przyczyniając się do wzrostu bezpieczeństwa, obniżenia kosztów eksploatacji i zwiększenia komfortu użytkowania obiektów. Obecnie stosowane

Rys. 1. Idea rozproszonego systemu automatyki budynków na przykładzie systemu KNX Fig. 1. The idea of a distributed building automation system shown on the example of the KNX system

182

rozwiązania są przeważnie systemami rozproszonymi, w których brak jest centralnego sterownika, a każdy z elementów systemu komunikuje się z pozostałymi za pomocą specjalnej magistrali komunikacyjnej (rys. 1). W niektórych rozwiązaniach sieć przewodowa może być zastąpiona transmisją radiową lub komunikacją polegającą na przesyłaniu odpowiedniego sygnału za pomocą istniejącej instalacji elektrycznej 230 V. Spośród wielu systemów automatyki budynków szczególnie dużą popularnością cieszą się systemy bazujące na standardach otwartych, takich jak: KNX [1], LonWorks [2] oraz BACnet [3]. Podstawowe funkcje realizowane przez te systemy to sterowanie ogrzewaniem i klimatyzacją, sterowanie oświetleniem, sterowanie żaluzjami i roletami oraz centralne monitorowanie i zarządzanie tymi zasobami [4]. Systemy te są z powodzeniem stosowane od wielu lat. Jak wynika z doświadczeń tysięcy użytkowników, wystarczająco niezawodnie pełnią swoje funkcje. Znacznie większe wymagania stawiane są systemom realizującym funkcje związane z bezpieczeństwem, takim jak: System Sygnalizacji Pożaru (SSP), System Sygnalizacji Włamania i Napadu (SSWiN), System Kontroli Dostępu (SKD). Muszą być one odporne nie tylko na przypadkowe zakłócenia, ale również na celowe działania osób trzecich, chcących zakłócić ich działanie. Obecnie większość systemów bezpieczeństwa realizowana jest jako obwody autonomiczne, niezintegrowane z pozostałymi systemami automatyki. Pociąga to za sobą duże koszty inwestycyjne wynikające z konieczności budowy niezależnej infrastruktury sieciowej dla każdego z tych systemów. W związku z tym uzasadnione jest poszukiwanie rozwiązań umożliwiających bezpieczne współdzielenie infrastruktury sieciowej zarówno przez urządzenia związane z bezpieczeństwem, jak i typowe urządzenia automatyki. Rozwiązania tego typu są dopuszczalne i coraz częściej spotykane w systemach automatyki przemysłowej. Takie podejście wymusza jednak szereg dodatkowych wymagań, które muszą spełniać urządzenia związane z bezpieczeństwem w zakresie niezawodności i bezpieczeństwa transmisji danych. W przypadku rozproszonych systemów automatyki budynków szczególnego znaczenia nabiera problem zapewnienia bezpieczeństwa transmitowanych danych. Wynika to z faktu, że sieci tego typu, z powodu ich rozległości, trudno


jest ochronić przed fizycznym dostępem osób niepowołanych. Analiza istniejących rozwiązań pokazuje, że spośród trzech najważniejszych standardów otwartych systemów automatyki budynków jedynie system BACnet udostępnia w miarę skuteczne mechanizmy bezpieczeństwa, podczas gdy system KNX nie ma ich praktycznie wcale [5]. Skłania to do poszukiwania rozwiązań, które potrafią tę lukę uzupełnić. W dalszej części artykułu przedstawiono wymagania stawiane systemom związanym z bezpieczeństwem oraz zaproponowano prostą metodę bezpiecznej transmisji danych w systemie KNX, która może być wykorzystana do monitorowania stanu obiektów i urządzeń krytycznych z punktu widzenia bezpieczeństwa budynku.

2. Wymagania dotyczące kanałów komunikacyjnych związanych z bezpieczeństwem Wymagania dotyczące bezpieczeństwa funkcjonalnego domowych i budynkowych systemów elektronicznych określa norma PN-ISO/IEC 14762:2010 [6]. Przedstawiono w niej m.in. wymagania dotyczące: zachowania się urządzeń po zaniku i wznowieniu zasilania, metod konfiguracji i ładowania programów aplikacyjnych oraz odporności urządzeń na warunki środowiskowe. Wymagania dotyczące sposobu komunikowania się urządzeń są przedstawione bardzo ogólnie. Dotyczą m.in. problemów: ograniczania obciążenia sieci komunikacyjnej wprowadzanego przez poszczególne urządzenia, unikania hazardów podczas odbioru wiadomości z wielu źródeł oraz odporności na zakłócenia transmisji. Bardziej szczegółowe wymagania dotyczące kanałów komunikacyjnych wykorzystywanych do realizacji funkcji związanych z bezpieczeństwem można znaleźć w literaturze i dokumentach normatywnych dotyczących bezpieczeństwa funkcjonalnego systemów automatyki przemysłowej. W efekcie analizy można sformułować dwie podstawowe klasy wymagań: wymagania dotyczące niezawodności przesyłu danych oraz wymagania dotyczące bezpieczeństwa transmitowanych danych.

2.1. Wymagania dotyczące niezawodności

Pod pojęciem zapewnienia niezawodności przesyłu danych należy rozumieć zagwarantowanie, że dane nadane przez nadawcę zostaną w zadanym czasie z odpowiednio wysokim prawdopodobieństwem poprawnie przesłane do odbiorcy, pomimo działania różnego rodzaju przypadkowych zakłóceń oraz obecności w oprogramowaniu błędów systematycznych, które mogą się ujawniać w szczególnych warunkach pracy systemu. W przypadku projektowania systemów realizujących funkcje związane z bezpieczeństwem najczęściej stosowane jest podejście przedstawione w normie PN-EN 61508-1 [7]. Norma ta operuje pojęciem poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa SIL (ang. Safety Integrity Level) określanym dla danej funkcji bezpieczeństwa na podstawie analizy ryzyka i zagrożeń dla danego obiektu/systemu. Każdy z czterech poziomów SIL determinuje m.in. architekturę systemu bezpieczeństwa, sposób projektowania oprogramowania oraz maksymalne dopuszczalne prawdo-

podobieństwo niewypełnienia danej funkcji bezpieczeństwa (tab. 1). Dodatkowo wymagania normy PN-EN 61784-3 [9] dotyczącej magistral komunikacyjnych bezpiecznych funkcjonalnie zakładają, aby dla danego poziomu SIL prawdopodobieństwo wystąpienia niebezpiecznego błędu transmisji stanowiło nie więcej niż 1 % dopuszczalnego prawdopodobieństwa niewypełnienia danej funkcji bezpieczeństwa, określonego w tab. 1. Na niezawodność mają również wpływ błędy systematyczne, które mogły zostać wprowadzone na etapie projektowania i konfigurowania systemów, a nie zostały wykryte w fazie testowania. Aby minimalizować liczbę tych błędów, wymaga się m.in., żeby oprogramowanie poszczególnych warstw protokołu zostało zaprojektowane i wykonane zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 61508-3 [8] dla zakładanego poziomu nienaruszalności bezpieczeństwa. Tak zaprojektowany kanał komunikacyjny nazywany jest kanałem „białym” i można go bezpośrednio zastosować do realizacji funkcji związanych z bezpieczeństwem. Tab. 1. Dopuszczalne prawdopodobieństwo niewypełnienia funkcji bezpieczeństwa dla określonych poziomów nienaruszalności bezpieczeństwa SIL Tab. 1. The acceptable probability of failure of the safety function for certain levels of SIL

SIL

Prawdopodobieństwo niezadziałania na przywołanie (tryb rzadkiego przywołania)

Prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia niebezpiecznego na 1 h (tryb częstego przywołania lub pracy ciągłej)

1

≥ 10-2 ÷ < 10-1

≥ 10-6 ÷ < 10-5

2

≥ 10-3 ÷ < 10-2

≥ 10-7 ÷ < 10-6

3

≥ 10-4 ÷ < 10-3

≥ 10-8 ÷ < 10-7

4

≥ 10-5 ÷ < 10-4

≥ 10-9 ÷ < 10-8

Dopuszcza się również wykorzystanie protokołów komunikacyjnych, które nie zostały opracowane zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 61508-3, lub których szczegóły realizacji po prostu nie są znane [9]. Kanał tego typu określany jest jako kanał „czarny” i wymaga dodania na górze istniejącego stosu protokołu dodatkowej warstwy nazywanej warstwą bezpieczeństwa (rys. 2). Warstwa bezpieczeństwa korzysta z interfejsu udostępnianego przez warstwę aplikacji wprowadzając własne, niezależne od pozostałych warstw, mechanizmy kontroli poprawności przesyłanych danych. Oprogramowanie obsługujące tą warstwę musi być ponadto zaprojektowane, wykonane i przetestowane zgodnie z wymaganiami stawianymi w normie PN-EN 61508-3 dla obowiązującego poziomu SIL.

2.2. Wymagania dotyczące bezpieczeństwa

Pod pojęciem zapewnienia bezpieczeństwa przesyłu danych należy rozumieć zapewnienie odporności systemu na celowe działania osób nieuprawnionych. Sprowadza się to do następujących wymagań: poufności danych, aktualności danych Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

183


Nauka     

Rys. 2. Model stosu protokołów komunikacyjnych z dodaną warstwą bezpieczeństwa: a) model OSI, b) model uproszczony wg PN-EN 61784-3 [9] Fig. 2. The model of the communication protocol stack with the additional security layer: a) the OSI model, b) a simplified PN-EN 61784-3 model [9]

oraz wymagania integralności danych wiązanego często z wymaganiem autentyczności danych [10]. Zapewnienie poufności danych jest istotne w sieciach, których nie można zabezpieczyć przed fizycznym dostępem osób nieuprawnionych. W sieciach przemysłowych i sieciach automatyki budynków, w których przesyłanymi danymi są zwykle dane z czujników pomiarowych i polecenia sterujące, zapewnienie poufności wydaje się zbyt daleko posuniętą ostrożnością. Szyfrowanie może być jednak potrzebne do zapewnienia pozostałych wymagań bezpieczeństwa, takich jak: integralność, aktualność czy autentyczność danych. Poufność można zapewnić przez szyfrowanie przesyłanych danych z użyciem tajnych kluczy za pomocą powszechnie znanych i sprawdzonych w działaniu algorytmów kryptograficznych. Warunek integralności danych wymaga, aby nie było możliwe zmodyfikowanie przesyłanych danych, bez zauważenia tego przez odbiorcę. Najpopularniejszym rozwiązaniem pozwalającym na wykrycie zmiany danych jest stosowanie tzw. funkcji skrótu. Umożliwiają one wygenerowanie swoistego podpisu w postaci sekwencji bitów dołączanej do wysyłanej wiadomości, zależnej od liczby i wartości wysyłanych bajtów danych. Znajomość algorytmu wyliczania skrótu umożliwia jednak osobie nieuprawnionej zmodyfikowanie i ponowne podpisanie zmodyfikowanych danych, dlatego w celu zapewnienia ich autentyczności podczas wyliczania funkcji skrótu często uwzględniany jest dodatkowy ciąg danych, znany tylko uprawnionym stronom, lub dane wraz ze skrótem się dodatkowo szyfruje. W sieciach przemysłowych szczególnie istotnym wymaganiem jest zapewnienie aktualności przesyłanych danych. Weryfikacja aktualności danych zapobiega możliwości wykorzystania przez osobę nieuprawnioną do sterowania wcześniej „podsłuchanych” i zapamiętanych sekwencji danych, nadawanych przez inne uprawnione węzły. Samo

184

szyfrowanie danych nie rozwiązuje tego problemu. Konieczne są dodatkowe mechanizmy polegające na użyciu tzw. stempla czasu lub odpowiedniej sekwencji numeracji wiadomości. Omawiając wymagania dotyczące bezpieczeństwa transmisji danych, warto wspomnieć o dokumentach normatywnych dotyczących bezpieczeństwa systemów informatycznych. Obecnie dostępne są dwie rodziny norm: normy z rodziny ISO/IEC 27000 oraz normy z rodziny ISO/IEC 15408. Obie grupy norm traktują zagadnienia bezpieczeństwa na bardzo dużym poziomie ogólności. Normy z rodziny ISO/IEC 27000 zawierają wymagania dotyczące systemów zarządzania bezpieczeństwem informacji w przedsiębiorstwach oraz zbiór dobrych praktyk, porad i zaleceń dotyczących projektowania takich systemów. Z kolei grupa norm z rodziny ISO/IEC 15408 opisuje sposób oceny bezpieczeństwa systemów informatycznych bazujący na metodyce CC (ang. Common Criteria). Pozwala on w obiektywny sposób, za pomocą poziomów EAL (ang. Evaluation Assurance Level) oceniać poziom zaufania do zadeklarowanych zabezpieczeń. Posiadanie certyfikatu CC nie gwarantuje jednak, że produkt jest bezpieczny pod każdym względem, zapewnia jedynie o poprawnym działaniu wszystkich zadeklarowanych przez producenta zabezpieczeń określonych w tzw. profilu ochrony.

3. Koncepcja metody bezpiecznej transmisji danych 3.1. Założenia systemu nadzoru Opracowana metoda bezpiecznej transmisji danych w systemie KNX ma służyć bezpiecznemu i niezawodnemu przekazywaniu danych na potrzeby systemu nadzoru. Idea tego systemu została pokazana na rys. 3. Składa się on ze stacji monitorującej dołączonej do istniejącej sieci KNX za pomocą odpowiedniego interfejsu oraz szeregu „inteligentnych” czujników przesyłających za pośrednictwem tej sieci informacje o stanie nadzorowanego obiektu. Mogą to być urządzenia pełniące rolę czujników wykorzystywanych w systemach sygnalizacji włamania i napadu, czujników sys-

Rys. 3. Idea systemu nadzoru Fig. 3. The idea of the supervisory system


temów przeciwpożarowych, czy też urządzenia do pomiaru i rozliczania zużycia mediów energetycznych. Rolą stacji monitorującej jest rejestrowanie otrzymanych od czujników informacji oraz sygnalizowanie operatorowi stanów nieprawidłowych. W większych systemach zamiast stacji monitorującej może zostać użyty odpowiedni agent nadzoru przekazujący informacje do centralnego serwera alarmów, z którego danych może korzystać wiele stacji operatorskich [11]. Przyjęto ponadto, że system zdalnego nadzoru powinien spełniać następujące dodatkowe wymagania: –– Urządzenia nadzoru powinny współdzielić magistralę KNX z innymi urządzeniami automatyki budynku i być pełnoprawnymi węzłami tego systemu, tzn. powinny być widziane i obsługiwane przez standardowe narzędzia KNX, takie jak program ETS służący do konfiguracji i diagnostyki tego systemu. –– Zastosowana metoda transmisji powinna zapewnić: integralność, autentyczność, aktualność i poufność przesyłanych danych dotyczących stanu urządzenia oraz zapewnić odporność na zakłócenia przypadkowe. –– Synchronizacja stanów odbiorcy i nadawcy informacji powinna odbywać się przy założeniu jednokierunkowej transmisji danych na poziomie warstwy aplikacji (od urządzenia do stacji monitorującej). –– Stan danego urządzenia będzie wyrażony za pomocą maksymalnie 32 bitów informacji przekazywanej do stacji nadzoru. –– W jednym systemie może pracować maksymalnie 65 535 nadzorowanych urządzeń. –– Urządzenia będą przekazywać swój stan cyklicznie, nie częściej jednak, niż co 1 s. –– Zostaną wykorzystane standardowe metody kryptograficzne, które są dostępne w postaci bloków sprzętowych wybranych mikrokontrolerów.

3.2. Koncepcja warstwy bezpieczeństwa

Standard KNX wprowadza szereg typów danych, które mogą zostać wykorzystane do przekazywania stanu pomiędzy czujnikami a stacją monitorującą za pomocą tzw. telegramów. W protokole KNX istnieją już mechanizmy zwiększające niezawodność transmisji danych. Są to procedury kontroli integralności przesyłanych danych opierające się na zastosowaniu bitu parzystości w każdym z przesyłanych bajtów oraz dodatkowej ośmiobitowej sumy kontrolnej [1]. Wysoką niezawodność transmisji zapewnia również używany na poziomie warstwy łącza danych mechanizm potwierdzania odebrania danych wraz z ewentualną retransmisją, odbywającą się w przypadku braku potwierdzenia. Z punktu widzenia normy PN-EN 61784-3, kanał komunikacyjny wykorzystujący stos protokołów KNX należy jednak do kategorii kanałów „czarnych”, tym samym nie może być bezpośrednio użyty do realizacji funkcji bezpieczeństwa. Standard KNX nie oferuje ponadto żadnych mechanizmów zapewniających poufność, autentyczność ani aktualność danych [5]. Problem bezpieczeństwa sytemu KNX został już wcześniej zauważony, czego efektem jest opracowanie kompleksowych mechanizmów bezpieczeństwa w postaci protokołu

Rys. 4. Proces przetwarzania danych po stronie nadawcy Fig. 4. The process of data conversion at the sender side

EIBsec [10]. Metoda ta wymaga jednak zastosowania dodatkowych urządzeń pełniących w systemie KNX rolę zaufanego centrum dystrybucji kluczy. W metodzie tej szyfrowane są nie tylko dane użytkowe, lecz również pola ramki związane z warstwą aplikacji i warstwą transportową protokołu, co po części wymuszone jest 16-bitowym rozmiarem bloku danych w użytym do szyfrowania algorytmie AES (a maksymalna długość pola danych w telegramach KNX wynosi 14 bajtów). Przez to nie jest możliwe wykorzystanie dostępnych na rynku standardowych komponentów KNX. Uniemożliwia to również wykorzystanie standardowych narzędzi konfiguracyjnych i diagnostycznych. Ograniczeniem jest również znaczący wzrost obciążenia sieci wykorzystującej protokół EIBsec, wynikający z konieczności przesyłania dodatkowych informacji potrzebnych do wymiany kluczy i synchronizacji urządzeń [12]. W związku z powyższym zaproponowano alternatywną metodę bezpiecznej transmisji danych, która jest wystarczająca na potrzeby przedstawionego systemu nadzoru, zapewniając jednocześnie poufność, integralność i aktualność przesyłanych danych. Metoda zakłada wykorzystanie: funkcji skrótu CRC-32 w celu weryfikacji integralności danych, numerowania wiadomości w celu zapewnienia ich aktualności oraz popularnego algorytmu szyfrowania symetrycznego 3DES, który pozwala na szyfrowanie bloków o długości 8 bajtów. Mechanizmy te są obsługiwane przez dodatkową warstwę bezpieczeństwa umieszczoną nad warstwą aplikacji zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 61784-3. Proces przetwarzania danych przez czujnik podczas wysyłania wiadomości do stacji monitorującej został pokazany na rys. 4. Wiadomość związana z warstwą bezpieczeństwa ma długość 14 bajtów, co odpowiada w systemie KNX obiektowi typu DPT16 (łańcuch znaków) i stanowi najdłuższą możliwą wiadomość, jaka może zostać przesłana w pojedynczym telegramie KNX. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

185


Nauka     

Rys. 5. Proces przetwarzania danych po stronie odbiorcy Fig. 5. The process of data conversion at the receiver side

Wiadomość rozpoczyna się od 16-bitowego pola Typ, w którym może być zakodowany format wiadomości oraz format danych pola Stan, które może być np. 32-bitową liczbą zmiennoprzecinkową określającą wartość mierzonej wielkości fizycznej lub zestawem bitów sygnalizujących stany alarmowe urządzenia. Kolejnym polem jest 32-bitowy identyfikator czujnika, który pozwala na jego jednoznaczne zidentyfikowanie. Może to być np. numer seryjny lub inny unikalny adres, niezależny od adresu fizycznego w sieci KNX. Identyfikator ten, przekazywany w formie jawnej, umożliwia po stronie stacji monitorującej wybranie skojarzonego z czujnikiem klucza szyfrującego w celu odszyfrowania dalszej części wiadomości. Kolejne 32-bitowe pole zawiera stan czujnika przekazywany do stacji monitorującej. Razem z wcześniejszymi polami jest ono uwzględniane podczas wyliczania 32-bitowej wartości CRC32. Algorytm CRC-32 cechuje się bardzo wysoką skutecznością wykrywania przekłamań dla krótkich wiadomości. Dla wiadomości o długości 10 bajtów pozwala wykryć wszystkie przekłamania o maksymalnym odstępie Hamminga równym aż 15 (zostaną wykryte wszystkie wiadomości, w których nastąpiło mniej niż 15 przekłamań dowolnych bitów) [13]. Ostatnim polem jest wartość 32-bitowego licznika, indywidualnego dla każdego z czujników, którego stan jest zwiększany o jeden po każdej wysłanej wiadomości. Licznik ten jest wykorzystywany do zapewnienia aktualności danych i jego wartość nigdy nie może się powtórzyć. Mając na uwadze, że wiadomości są wysyłane nie częściej niż co 1 s, licznik przepełni się najwcześniej za 136 lat, co w praktyce wydaje sie być wystarczające. Podczas wysyłania danych warstwa bezpieczeństwa zastępuje wartość pola Licznik różnicą symetryczną (funkcja XOR) wartości CRC32 oraz wartości licznika. Następnie szyfruje algorytmem 3DES to pole wraz z polem stanu

186

i całość wiadomości jest wysyłana do stacji monitorującej jako ciąg znaków (typ DPT16 w standardzie KNX). Stacja monitorująca będąca odbiorcą wiadomości dokonuje procesu odwrotnego (rys. 5). Na podstawie pola Typ oraz unikalnego identyfikatora czujnika odszukuje właściwy klucz kryptograficzny i dokonuje odszyfrowania zaszyfrowanego bloku danych. Następnie oblicza CRC32, co pozwala uzyskać pierwotną wartość licznika na podstawie symetrycznej różnicy wartości CRC32 i ostatniego 32-bitowego pola wiadomości. Wartość pola Licznik porównywana jest z analogicznym licznikiem przechowywanym dla każdego czujnika po stronie stacji monitorującej. Akceptowane są tylko te wiadomości, dla których wartości obu liczników zgadzają się. Zapewnia to spełnienie warunku aktualność danych, gdyż próba wykorzystania wcześniej podsłuchanych i zarejestrowanych wiadomości spowoduje ich odrzucenie. Jednocześnie weryfikowana jest integralność pozostałych danych, gdyż uzyskanie poprawnej wartości licznika wymaga uzyskania tej samej wartości CRC32, która była wyliczona podczas procesu wysyłania danych. Kolejnym ważnym mechanizmem jest mechanizm synchronizacji liczników nadawcy i odbiorcy wiadomości. Licznik odbiorcy jest inkrementowany po każdej poprawnie odebranej wiadomości. Jeżeli jednak któraś z kolejnych wiadomości nie dotrze do odbiorcy, nastąpi rozsynchronizowanie się liczników. Mając na względzie jednokierunkowy charakter transmisji wiadomości oraz jej cykliczność, przyjęto, że do ponownego zsynchronizowania liczników można wykorzystać odebranie dwóch kolejnych wiadomości, spełniających kryterium niepowtarzalności wartości liczników. W celu ograniczenia częstości zdarzeń polegających na rozsynchronizowaniu się liczników na skutek utraty pojedynczej wiadomości spowodowanej zakłóceniami lub chwilową utratą łączności proponuje się ponadto akceptowanie wiadomości, których liczniki mieszczą się w pewnym przedziale wartości od n do n + m, gdzie n jest stanem licznika po stronie stacji monitorującej, a m odpowiada liczbie kolejnych wiadomości, które mogą zostać „zgubione”, nie powodując utraty synchronizacji. Ostatnim niezbędnym mechanizmem jest mechanizm przeterminowania, który pozwala wykryć utratę łączności pomiędzy czujnikiem a stacją monitorującą. Polega on na zastosowaniu po stronie stacji monitorującej okna czasowego o ustalonej szerokości, rozpoczynającego się w chwili odebrania ostatniej poprawnej wiadomości od danego czujnika. Jeżeli kolejna wiadomość nie nadejdzie w zadanym czasie, uruchamiany jest odpowiedni alarm.

4. Podsumowanie Zaproponowana metoda bezpiecznej transmisji danych ma na celu umożliwienie wykorzystania infrastruktury systemu KNX do monitorowania urządzeń/czujników związanych z bezpieczeństwem budynków. Uzupełnia ona standardowy protokół transmisji wykorzystywany w systemie KNX o dodatkową warstwę zapewniającą poufność przesyłanych danych oraz kontrolującą ich aktualność i integralność. Warstwa ta, po uwzględnieniu dodatkowych wymagań doty-


czących projektowania oprogramowania pozwala również spełnić wymagania normy PN-EN 61508 w zakresie niezawodności kanału komunikacyjnego. W odróżnieniu od innych opracowanych rozwiązań metoda ta nie wymaga żadnych dodatkowych urządzeń, zachowuje zgodność z istniejącymi narzędziami konfiguracyjnymi KNX i pozwala wykorzystać istniejące standardowe komponenty systemu. Pozwala to na znaczne obniżenie kosztów ewentualnej certyfikacji na zgodność urządzeń ze standardem KNX oraz kosztów wykonania i uruchomienia systemu. Na ukończeniu są prace nad budową prototypu. Po stronie stacji monitorującej wykorzystano dostarczaną bezpłatnie przez organizację KNX bibliotekę Falcon zapewniającą aplikacjom pracującym pod systemem operacyjnym Windows dostęp do danych przesyłanych poprzez magistralę KNX. Do budowy prototypu czujników wykorzystano moduły SIM-KNX współpracujące z komputerami PC za pośrednictwem interfejsu RS-232 lub USB. Docelowo zostaną one zastąpione mikrokontrolerami z obsługą stosu KNX. Prototyp umożliwi oszacowanie zapotrzebowania na zasoby mikrokontrolera (wielkość pamięci, moc obliczeniowa) oraz pozwoli na ostateczną weryfikację koncepcji w praktyce. Planuje się również opracowanie modelu niezawodnościowego systemu wykorzystującego zaproponowaną metodę, który pozwoliłby na ilościowe oszacowanie prawdopodobieństwa wystąpienia niewykrywalnego błędu transmisji przy zastosowaniu przedstawionej metody. W szczególnie wymagających zastosowaniach pożądane może być również przeprowadzenie formalnego dowodu odporności metody na kryptoanalizę. Co prawda sam algorytm szyfrowania jest dobrze znany i jak dotąd uważany za bezpieczny, nie mniej znajomość struktury szyfrowanych danych oraz charakteru zmienności niektórych pól może siłę tego algorytmu obniżać.

Bibliografia 1. Miller F.P., Vandome A.F., McBrewster J., KNX (standard), Alphascript Publishing, Aurora, IL, USA 2010. 2. Loy D., Dietrich D., Schweinzer H.-J., Open Control LonWorks/EIA 709 Technology, Kluwer Academic Publishers, 2001. 3. BACnet – A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks, ANSI/ ASHRAE Standard 135, 2010. 4. Porzeziński M., Inteligentny budynek – obecne technologie i kierunki rozwoju, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, nr 29, 49–52, Gdańsk 2011. 5. Granzer W., Kastner W., Security Analysis of Open Building Automation Systems, Proc. 29th International Conference on Computer Safety, Reliability and Security (SAFECOMP ‘10), 2010, 303–316. 6. PN-ISO/IEC 14762: Technika informatyczna – Wymagania bezpieczeństwa funkcjonalnego dla domowych i budynkowych systemów elektronicznych (HBES), PKN 2010.

7. PN-EN 61508-1: Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów związanych z bezpieczeństwem – Część 1: Wymagania ogólne, PKN 2010. 8. PN-EN 61508-3: Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych/elektronicznych/programowalnych elektronicznych systemów związanych z bezpieczeństwem – Część 3: Wymagania dotyczące oprogramowania, PKN 2010. 9. PN-EN 61784-3: Przemysłowe sieci komunikacyjne – Profile – Część 3: Magistrale miejscowe bezpieczne funkcjonalnie – Ogólne zasady i definicje profili, PKN 2010. 10. Granzer W., Kastner W., Neugschwandtner G., Praus F., Security in Networked Building Automation Systems, 6th IEEE International Workshop on Factory Communication Systems, 2006, 283–292. 11. Mazur L., Porzeziński M., Rozproszony system zdalnego nadzoru urządzeń telekomunikacyjnych, „Pomiary Automatyka Kontrola”, 7/2011, 806–809. 12. Kohler W., Simulation of a KNX network with EIBsec protocol extensions, VDM Verlag Dr. Müller, 2010. 13. Koopman P., 32-bit cyclic redundancy codes for internet applications, Int. Conf. Dependable Systems and Networks (DSN), Washington DC, 2002, 459–468.

The conception of secure data transmission method in the KNX network for remote supervision system Abstract: The paper presents the requirements for communication channels used for implement safety-related functions and proposes a method of secure data transmission in the KNX system. The method was developed for the remote supervision system and does not require any changes to existing KNX protocol. It involves the use of an additional layer over the KNX protocol stack to enable compliance with the requirements of data transmission safety and security. Keywords: KNX system, functional safety, data transmission security

Artykuł recenzowany, nadesłany 24.06.2013, przyjęty do druku 17.09.2013.

dr inż. Michał Porzeziński Adiunkt w Katedrze Automatyki Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej. Jego zainteresowania naukowe dotyczą zagadnień związanych z projektowaniem komputerowych systemów pomiarowo-sterujących oraz rozproszonych systemów automatyki budynków ze szczególnym uwzględnieniem problemów niezawodności i bezpieczeństwa. e-mail: mporz@ely.pg.gda.pl

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

187


Nauka     

Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0

Weryfikowanie specyfikacji wymagań sterownika logicznego za pomocą diagramów aktywności UML, logiki temporalnej LTL i środowiska NuSMV Iwona Grobelna*, Michał Grobelny** *Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski **Katedra Mediów i Technologii Informacyjnych, Uniwersytet Zielonogórski

Streszczenie: W artykule przedstawiono ideę zastosowania diagramów aktywności UML do specyfikacji wymagań dotyczących zachowania sterownika logicznego. Lista wymagań podlegających weryfikacji zwykle definiowana jest bezpośrednio za pomocą formuł logiki temporalnej. Użycie przyjaznych dla użytkownika, powszechnie znanych i wykorzystywanych diagramów pozwala na prostsze i bardziej intuicyjne zapisanie wymagań. Diagramy są następnie formalnie przekształcane do formuł liniowej logiki temporalnej (LTL). Słowa kluczowe: diagramy aktywności UML, specyfikacja, model logiczny, weryfikacja modelowa, logika temporalna

ęzyk UML (ang. Unifed Modelling Language) [1–5] jest technologią do specyfikowania, wizualizowania i dokumentowania systemów informatycznych z uwzględnieniem wsparcia skalowalności, bezpieczeństwa i zapewnienia wysokiej jakości produktów finalnych. Behawioralny projekt systemu wbudowanego można sporządzić stosując wybrane diagramy UML, takie jak diagramy aktywności, maszyny stanów czy też diagramy sekwencji, jak również za pomocą interpretowanych sieci Petriego sterowania. Następnie specyfikacja wymagań może zostać poddana analizie, animacji, bądź formalnej weryfikacji. W artykule rozpatrywana jest weryfikacja modelowa specyfikacji [6, 7]. Sieć Petriego [8] zapisywana jest w postaci abstrakcyjnego regułowego modelu logicznego, dogodnego zarówno do formalnej weryfikacji modelowej, jak również do syntezy logicznej w strukturach FPGA [9, 10]. Istnieją także metody umożliwiające przekształcanie diagramów aktywności języka UML do sieci Petriego opisujących procesy sterowania [11]. Lista wymagań podlegających sprawdzeniu definiowana jest za pomocą formuł logiki temporalnej [12].

1. Wprowadzenie W artykule zaproponowano zastosowanie diagramów aktywności języka UML do specyfikacji wymagań beha-

188

wioralnych dotyczących działania projektowanego sterownika logicznego. Użycie przyjaznych dla użytkownika, powszechnie znanych i wykorzystywanych diagramów pozwala na prostsze i bardziej intuicyjne zapisanie wymagań. Notacja ta jest formalnie przekształcana do formuł liniowej logiki temporalnej. W punkcie 2 przedstawiono zagadnienia związane ze specyfikacją sterownika logicznego oraz jej formalną weryfikacją. Omówiono też diagramy aktywności języka UML jako behawioralny opis działania sterownika logicznego, a także formalną weryfikację specyfikacji pod kątem stawianych jej wymagań z wykorzystaniem techniki weryfikacji modelowej. W punkcie 3 zaproponowano wykorzystanie diagramów aktywności do definicji globalnych wymagań, wraz z ich interpretacją z wykorzystaniem logiki temporalnej. Artykuł zakończono podsumowaniem oraz wnioskami.

2. Specyfikacja sterownika logicznego i jej weryfikacja Etap specyfikacji urządzeń czy procesów w zastosowaniach przemysłowych jest bardzo ważnym, a nawet krytycznym elementem całego cyklu projektowania. Jest on jednym z pierwszych i kluczowych elementów procesu projektowego. Na tym etapie szczególnie istotne jest, aby specyfikacja spełniała wymagania i założenia określone przez projektanta, jak również klienta. Specyfikacja może zostać sformalizowana na kilka sposobów [13]. Przykładowymi technologiami specyfikacji behawioralnej sterowników logicznych są sieci Petriego, algorytmiczne maszyny stanów ASM, maszyny stanów czy diagramy aktywności języka UML.

2.1. Diagramy aktywności języka UML Diagramy aktywności graficznie przedstawiają sekwencyjne i (lub) współbieżne przepływy sterowania oraz danych pomiędzy uporządkowanymi ciągami aktywności, akcji i obiektów [5]. Diagramy aktywności [1–5] charakteryzują się rozbudowaną składnią i funkcjonalnością umożliwiającą szerokie spektrum zastosowań. Stosując tę


technikę specyfikacji można formalizować behawioralne aspekty złożonych systemów informatycznych, procesów biznesowych czy precyzyjnie definiować algorytmy przetwarzania. Za pomocą diagramów aktywności można sporządzić specyfikację projektowanego sterownika logicznego [11]. Możliwa jest także ich późniejsza transformacja do interpretowanych sieci Petriego sterowania [8], które z kolei mogą zostać poddane animacji, analizie czy weryfikacji. W dalszej części artykułu zaproponowano wykorzystanie diagramów aktywności do definiowania wymagań, które będą następnie weryfikowane. Podstawowymi elementami diagramów, które znajdują tu zastosowanie są: węzeł początkowy i końcowy, akcja oraz przepływ. Właściwości wyspecyfikowane za pomocą diagramów aktywności są następnie zapisywane w postaci formuł liniowej logiki temporalnej.

2.2. Weryfikacja specyfikacji pod kątem stawianych jej wymagań

Technika weryfikacji modelowej (ang. model checking) [6, 7] umożliwia wykrywanie błędów w specyfikacji behawioralnej procesu sterowania. Właściwości systemu definiowane są użyciu postaci formuł logiki temporalnej i jej podstawowych operatorów. Zastosowanie metod weryfikacji modelowej pozwala na wczesne wykrycie niezauważalnych rozbieżności wynikających z niepełnego zrozumienia specyfikacji. Jest to jedna z możliwych metod formalnej weryfikacji specyfikacji sterownika logicznego pod kątem behawioralnym. Innym przykładem formalnej weryfikacji może być automatyczne dowodzenie twierdzeń (ang. theorem proving). Weryfikacja formalna jest alternatywą dla interpreterów czy maszyn wirtualnych, służących także do sprawdzania poprawności modeli behawioralnych. Specyfikacja sterownika logicznego może zostać poddana weryfikacji modelowej, przykładowo z wykorzystaniem autorskiego regułowego modelu logicznego [9]. Regułowy model logiczny jest formatem pośrednim między pierwotną specyfikacją, modelem podlegającym formalnej weryfikacji oraz modelem poddawanym syntezie logicznej. Dzięki temu otrzymuje się syntezowalny model całkowicie spójny z modelem zweryfikowanym. Do przeprowadzenia procesu weryfikacji modelowej, oprócz opisu modelu, potrzebna jest także lista stawianych mu wymagań. Zwykle definiowane są one z użyciem logiki temporalnej – liniowej (LTL) lub rozgałęzionej (CTL). W artykule zaproponowano zapis wybranych diagramów aktywności języka UML w postaci formuł liniowej logiki temporalnej (ang. Linear Time Logic). Logika ta opisuje zależności w systemie przedstawiając sekwencję stanów. Jej podstawowymi operatorami są: G (zawsze), F (czasami) i X (następnie). Logika LTL porównywana jest do testowania black-box [14], gdzie użytkownik otrzymuje „zamknięty w pudełku” system i może jedynie sprawdzić wartości sygnałów wejściowych oraz odpowiednie reakcje na nie sygnałów wyjściowych, bez znajomości procesów wewnętrznych.

Trafny dobór właściwości podlegających weryfikacji jest zadaniem trudnym i wymaga dużej uwagi ze strony projektanta lub inżyniera. Nie jest możliwe sprawdzenie wszystkich potencjalnie możliwych właściwości systemu, sprawdzane są tylko te cechy, które zostaną zdefiniowane. Osoba weryfikująca powinna więc dobrać takie właściwości, które są istotne z punktu widzenia działania systemu [15]. Jednak w przypadku złożonych systemów nigdy nie ma pewności, czy wyspecyfikowano wszystkie ważne wymagania, czy też pewne z nich pominięto. Minimalny zbiór podlegający weryfikacji opisuje właściwości krytyczne decydujące o zdrowiu czy nawet życiu osób, których los zależy od zaprojektowanego systemu (przemysł lotniczy, samochodowy, energetyczny, medyczny itp.). Weryfikacja modelowa przeprowadzana jest z użyciem odpowiednich narzędzi komputerowych, przykładowo NuSMV [16].

3. Definicja globalnych wymagań za pomocą diagramów aktywności Właściwości podlegające weryfikacji [14] określają zarówno wymagania dotyczące bezpieczeństwa (sytuacje, które nie mogą mieć miejsca; ang. something bad will never happen), jak i wymagania dotyczące żywotności (sytuacje, które muszą się zdarzyć; ang. something good will eventually happen). Wymagania dotyczące bezpieczeństwa i żywotności są najczęściej specyfikowanymi wymaganiami podlegającymi weryfikacji.

3.1. Formuły z operatorem X

Stosując liniową logikę temporalną (LTL) można określić sekwencję sytuacji, które mają zawsze miejsce, na przykład następstwa stanów systemu. Diagramy aktywności języka UML w opisywanym przypadku mają częściowo charakter stanowy i w ten sposób nawiązują do maszyn stanów UML. Dzięki temu zdefiniowane wymagania bardziej odpowiadają specyfikacji behawioralnej systemu wysokiego poziomu. Wówczas możliwe jest zastosowanie diagramów aktywności zarówno do specyfikacji zachowania projektowanego sterownika logicznego [11], jak również do definicji wymagań. Weryfikacja modelowa może być przeprowadzona narzędzia środowisku NuSMV [16]. W artykule zaproponowano autorski schemat tworzenia globalnych diagramów aktywności, a więc diagramów, które definiują właściwości zawsze spełnione w projektowanym systemie. Dla operatora logiki temporalnej X (następny stan) diagram taki zawiera następujące po sobie akcje zawierające przypisania wartości do zmiennych. Należy tutaj podkreślić, że nazwy zmiennych odpowiadają tym zdefiniowanym wcześniej w behawioralnej specyfikacji. W szczególności diagramy określające wymagania mogą być wycinkiem diagramów specyfikacyjnych, większy sens mają jednak te, które przedstawiają pewien uproszczony wycinek systemu. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

189


Nauka     

PrzykĹ&#x201A;adowy globalny diagram aktywnoĹ&#x203A;ci dla operatora X przedstawiono na rys. 1. OkreĹ&#x203A;la on jednÄ&#x2026; posion := a wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; systemu (jeden gĹ&#x201A;Ăłwny przebieg, jeden wÄ&#x2122;zeĹ&#x201A; poczÄ&#x2026;tkowy oraz move_le := 0 koĹ&#x201E;cowy) â&#x20AC;&#x201C; zawsze, gdy zmienna position przyjmie wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; a, to nastÄ&#x2122;pnie zmienna move_left przyjmie wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; 0. Zmienna Rys. 1. Globalny diagram aktywnoĹ&#x203A;ci dla operatora position jest tutaj sygnaĹ&#x201A;em wejĹ&#x203A;ciowym sterownika (X) Fig. 1. A global activity diagram logicznego, a w rzeczyfor the operator (X) wistym systemie jej wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; generowana jest przez zewnÄ&#x2122;trzny czujnik. Zmienna move_left jest sygnaĹ&#x201A;em wyjĹ&#x203A;ciowym sterownika logicznego i decyduje o ruchu w lewÄ&#x2026; stronÄ&#x2122;. Wymaganie zdefiniowane przy uĹźyciu diagramu aktywnoĹ&#x203A;ci (rys. 1) moĹźna zapisaÄ&#x2021; w liniowej logice temporalnej jak pokazano na Lst. 1 (format wymagaĹ&#x201E; narzÄ&#x2122;dzia weryfikacji modelowej NuSMV [16]). Znaki przypisania z rys. 1 zamieniane sÄ&#x2026; tutaj na znaki rĂłwnoĹ&#x203A;ci. Wymaganie to moĹźe zostaÄ&#x2021; zinterpretowane w rzeczywistym systemie tak, Ĺźe zawsze gdy pojazd osiÄ&#x2026;gnie pewien punkt (w tym przypadku punkt a), to nastÄ&#x2122;pnie sygnaĹ&#x201A; wyjĹ&#x203A;ciowy sterujÄ&#x2026;cy ruchem w lewÄ&#x2026; stronÄ&#x2122; przyjmie wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; 0, a wiÄ&#x2122;c pojazd przerwie swojÄ&#x2026; jazdÄ&#x2122; i zatrzyma siÄ&#x2122;.

tion oznacza dowolnÄ&#x2026; lub dowolne (wiele) operacje. Jest to analogia do fluid_level := full wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cej w specyfikowaniu i implementacji systemĂłw informatyczany opera on nych notacji nop (ang. no operation) oznaczajÄ&#x2026;cej stan bezczynnoĹ&#x203A;ci. Akcja any operation moĹźe byÄ&#x2021; emptying := true akcjÄ&#x2026; prostÄ&#x2026; lub zĹ&#x201A;oĹźonÄ&#x2026; i okreĹ&#x203A;la jedynie, Ĺźe miÄ&#x2122;dzy dwiema konkretnie podanymi akcjami Rys. 2. Globalny diagram aktyw- moĹźe wystÄ&#x2026;piÄ&#x2021; wiele innych. noĹ&#x203A;ci dla operatora (F) Wymaganie zdefiFig. 2. A global activity diagram for the operator (F) niowane przy uĹźyciu diagramu aktywnoĹ&#x203A;ci na rys. 2 moĹźna zapisaÄ&#x2021; w logice LTL jak pokazano na Lst. 2 (format wymagaĹ&#x201E; narzÄ&#x2122;dzia weryfikacji modelowej NuSMV [16]). Znaki przypisania z rys. 2 zamieniane sÄ&#x2026; na znaki rĂłwnoĹ&#x203A;ci. Wymaganie to moĹźe zostaÄ&#x2021; zinterpretowane w rzeczywistym systemie tak, Ĺźe zawsze gdy zbiornik bÄ&#x2122;dzie peĹ&#x201A;ny, to w koĹ&#x201E;cu zostanie on opróşniony.

LTLSPEC G (position = a -> X (move_left = 0))

3.3. KontrprzykĹ&#x201A;ady

Lst. 1. Wymaganie okreĹ&#x203A;lone za pomocÄ&#x2026; logiki LTL dla operatora (X) Lst. 1. Property expressed with LTL logic for the operator (X)

MajÄ&#x2026;c dany opis modelu (dostarczony poczÄ&#x2026;tkowo chociaĹźby w postaci diagramu aktywnoĹ&#x203A;ci jÄ&#x2122;zyka UML [11]) oraz listÄ&#x2122; stawianych mu wymagaĹ&#x201E; (opisanych za pomocÄ&#x2026; proponowanych globalnych diagramĂłw aktywnoĹ&#x203A;ci) moĹźna przeprowadziÄ&#x2021; proces weryfikacji modelowej. JeĹźeli ktĂłreĹ&#x203A; z wymagaĹ&#x201E; nie moĹźe byÄ&#x2021; speĹ&#x201A;nione, narzÄ&#x2122;dzie weryfikujÄ&#x2026;ce (w tym przypadku NuSMV) wygeneruje odpowiednie kontrprzym kĹ&#x201A;ady, ktĂłre pozwolÄ&#x2026; zlokalizowaÄ&#x2021; miejsce bĹ&#x201A;Ä&#x2122;du. Przy weryfikacji modeany operaon lowej wykorzystywane sÄ&#x2026; mechanizmy zaproponowane w [9]. Opis modelu green := on & red := on bazuje tutaj na interpretowanej sieci Petriego sterowania (utworzonej np. na podstawie diagramu aktywnoĹ&#x203A;ci UML), stÄ&#x2026;d Rys. 3. Globalny diagram aktywnoĹ&#x203A;ci dla kontrprzykĹ&#x201A;adu teĹź kontrprzykĹ&#x201A;ad operuje Fig. 3. A global activity diagram na dostÄ&#x2122;pnej przestrzeni stanĂłw globalnych sieci. for the counterexample

Prosta interpretacja takich diagramĂłw umoĹźliwia automatyczne zapisywanie z wykorzystaniem formuĹ&#x201A; logiki LTL.

3.2. FormuĹ&#x201A;y z operatorem F Analogicznie moĹźna przedstawiÄ&#x2021; na diagramie aktywnoĹ&#x203A;ci formuĹ&#x201A;Ä&#x2122; z operatorem F. PrzykĹ&#x201A;adowy globalny diagram aktywnoĹ&#x203A;ci dla operatora F przedstawiono na rys. 2. RĂłwnieĹź okreĹ&#x203A;la on jednÄ&#x2026; wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; systemu (jeden gĹ&#x201A;Ăłwny przebieg, jeden wÄ&#x2122;zeĹ&#x201A; poczÄ&#x2026;tkowy oraz koĹ&#x201E;cowy) â&#x20AC;&#x201C; zawsze, gdy zmienna fluid_level przyjmie wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; full, to w koĹ&#x201E;cu zmienna emptying przyjmie wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; true (w  miÄ&#x2122;dzyczasie mogÄ&#x2026; wystÄ&#x2026;piÄ&#x2021; dowolne operacje). Zmienna fluid_level jest tutaj sygnaĹ&#x201A;em wejĹ&#x203A;ciowym sterownika logicznego, a w rzeczywistym systemie jej wartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; generowana jest przez zewnÄ&#x2122;trzny czujnik okreĹ&#x203A;lajÄ&#x2026;cy poziom cieczy w zbiorniku. Zmienna emptying jest sygnaĹ&#x201A;em wyjĹ&#x203A;ciowym sterownika logicznego i steruje opróşnianiem zbiornika (np. otwierajÄ&#x2026;c odpowiednie zawory). WystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;ca pomiÄ&#x2122;dzy nimi akcja any opera-

190

LTLSPEC G (fluid_level = full -> F (emptying = true)) Lst. 2. Globalny diagram aktywnoĹ&#x203A;ci dla operatora (F) Lst. 2. A global activity diagram for the operator (F)


Kontrprzykład dla niespełnionego globalnego wymagania (przedstawionego na diagramie aktywności na rys. 3 i zapisanego w logice temporalnej jak na Lst.  3) zamieszczono na Lst. 4. Sygnał wejściowy do sterownika logicznego m decyduje o zmianie świateł – po jego naciśnięciu zapala się zielone światło, które następnie gaśnie i zapala się czerwone światło. Sprawdzana jest właściwość, czy kiedykolwiek po naciśnięciu przycisku zapalone będzie zarówno światło zielone, jak i czerwone (odpowiedni diagram aktywności na rys.  3). Wymaganie to formalnie zapisano z wykorzystaniem logiki LTL (Lst. 3). LTLSPEC G (m -> F (green = on & red = on)); Lst. 3. Wymaganie określone za pomocą logiki LTL dla kontrprzykładu Lst. 3. Property expressed with LTL logic for the counterexample

-- specification red = on))

G (m ->

jednak wymagania definiowane są w taki sposób, żeby były domyślnie spełnione – kontrprzykłady jawnie wskazują wtedy na potencjalne błędy w specyfikacji systemu bądź też w liście stawianych mu wymagań.

4. Podsumowanie i wnioski W artykule zaproponowano wykorzystanie diagramów aktywności języka UML do specyfikacji wymagań projektowanego sterownika logicznego. Idea ta doskonale wpisuje się w schemat formalnej weryfikacji specyfikacji systemu wbudowanego (rys. 4) w oparciu o technikę weryfikacji modelowej [9, 10]. Sprawdzane jest wtedy, czy zdefiniowane wymagania są spełnione w opisie modelu, a weryfikacja przeprowadzana jest z użyciem narzędzia NuSMV. Diagramy aktywności wykorzystywane są tutaj zarówno do specyfikacji zachowania sterownika logicznego, jak również do definiowania wymagań. Specyfikacja zapisywana jest ostatecznie w postaci autorskiego regułowego

F (green = on &

is false

-- as demonstrated by the following execution sequence Trace Description: LTL Counterexample Trace Type: Counterexample -- Loop starts here -> State: 1.1 <green = off red = off m = FALSE -> State: 1.2 <-

Rys. 4. Schemat proponowanej idei Fig. 4. Schema of the proposed idea

m = TRUE -> State: 1.3 <green = on m = FALSE -> State: 1.4 <green = off red = on -> State: 1.5 <red = off Lst. 4. Kontrprzykład Lst. 4. The counterexample

Po przeprowadzonej weryfikacji modelowej użytkownik otrzymuje wygenerowany kontrprzykład (Lst. 4). Pokazuje on, że sytuacja, w której jednocześnie zapalone jest światło zielone i czerwone nie jest możliwa do osiągnięcia. W tym przypadku kontrprzykład potwierdza poprawne zaprojektowanie sterownika logicznego, zwykle

modelu logicznego, który z jednej strony podlega weryfikacji, a z drugiej – syntezie logicznej. Wymagania zapisywane są formalnie za pomocą formuł logiki temporalnej (konkretnie logiki LTL) bazujących na poszczególnych diagramach aktywności. Diagramy aktywności definiujące globalne wymagania stawiane projektowanemu sterownikowi logicznemu mogą być w szczególności pewnym fragmentem źródłowej specyfikacji. Mogą one jednak określać inne pożądane zachowania systemu. Należy bowiem mieć na uwadze fakt, że tylko wyspecyfikowane właściwości zostaną sprawdzone. Użycie diagramów aktywności języka UML zarówno do specyfikacji sterownika logicznego, jak i do definicji wymagań ułatwia proces projektowania i weryfikacji sterownika logicznego. Inne formaty, dogodne do formalnej weryfikacji modelowej lub syntezy logicznej, otrzymywane są na podstawie danych diagramów według ściśle określonych reguł. Zespół analityków i projektantów może zaś pracować z przystępną, znaną i przejrzystą techniką modelowania, pośrednio wykorzystując zalety także innych formalnych technik. Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

191


Nauka     

Bibliografia 1.

2.

3. 4. 5.

6. 7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

OMG Unified Modeling LanguageTM (OMG UML) Superstructure Version 2.4.1 – [www.omg.org/spec/ UML/2.4.1/Superstructure/PDF] Graessle P., Baumann H., Baumann P., UML 2.x w akcji. Przewodnik oparty na projektach, Wydawnictwo Helion, 2006. Miles R., Hamilton K., UML 2.0. Wprowadzenie, Wydawnictwo Helion, 2007. Pender T., UML Bible, Wiley Publishing, Inc., 2003. Wrycza S., Marcinkowski B., Maślankowski J., UML 2.0 w modelowaniu systemów informatycznych, Wydawnictwo Helion, 2005. Clarke E.M., Grumberg O., Peled D.A., Model Checking, The MIT Press, 1999. Emerson E.A., The Beginning of Model Checking: A Personal Perspective [w:] Grumberg O., Veith H. (ed.), 25 Years of Model Checking, vol. 5000 of Lecture Notes in Computer Science, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2008, 27–45. David R., Alla H., Discrete, Continuous, and Hybrid Petri Nets, 2nd ed., Springer Publishing Company, Incorporated, 2010. Grobelna I., Weryfikacja modelowa specyfikacji sterowników logicznych, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2012. Grobelna I., Formal verification of embedded logic controller specification with computer deduction in temporal logic, „Przegląd Elektrotechniczny”, nr 12a, 2011, 40–43. Grobelny M., Grobelna I., Diagramy aktywności UML w projektowaniu rekonfigurowalnych sterowników logicznych, „Pomiary Automatyka Kontrola”, vol. 58, nr 7, 2012, 596–598. Ben-Ari M., Logika matematyczna w informatyce. Klasyka informatyki, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2005. Gomes L., Barros J., Costa A., Modeling Formalisms for Embedded System Design, Embedded Systems Handbook, Taylor and Francis Group, LLC, 2006. Kropf T., Introduction to Formal Hardware Verification: Methods and Tools for Designing Correct Circuits and Systems, 1st ed., Secaucus, NJ, USA: Springer-Verlag New York, Inc., 1999. Huth M., Ryan M., Logic in Computer Science: Modelling and Reasoning about Systems, New York, USA: Cambridge University Press, 2004. NuSMV: a new symbolic model checker, NuSMV home page, [http://nusmv.fbk.eu/].

Verification of logic controller requirements specification by means of UML activity diagrams, LTL temporal logic and NuSMV tool Abstract: The article introduces an idea to use UML activity diagrams [1–5] for specification of requirements regarding logic

192

controller behavior. Requirements list to be verified [14] (using model checking technique [6, 7]) is usually directly defined using temporal logic formulas [12, 15]. Using user-friendly, commonly known and practiced diagrams allows to easier and more intuitively write down the requirements easier and more intuitively. Activity diagrams are then formally transformed into linear temporal logic (LTL) formulas. In this paper some sample UML activity diagrams which specify global properties are presented, together with their interpretation using LTL logic. To perform model checking process, model description (based i.e. on a control interpreted Petri net [8] or indirectly on an UML activity diagram [11]), and requirements list are needed. Afterwards it is checked, whether defined properties are satisfied in specified model description. If a requirement cannot be fulfilled, appropriate counterexample is generated allowing to localize error source. The article is structured as follows. Section 1 is an introduction. Background of a logic controller specification and its verification is presented in section 2. A novel approach to logic controller requirements definition using activity diagrams is shown in section 3. The paper ends with a short summary. Keywords: UML activity diagrams, specification, logical model, model checking, temporal logic

Artykuł recenzowany, nadesłany 15.06.2013, przyjęty do druku 26.08.2013.

dr inż. Iwona Grobelna Absolwentka Wydziału Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytetu Zielonogórskiego oraz Fachhochschule Giessen-Friedberg (Niemcy). Obecnie zatrudniona na stanowisku adiunkta w Instytucie Informatyki i Elektroniki Uniwersytetu Zielonogórskiego. e-mail: I.Grobelna@iie.uz.zgora.pl

mgr inż. Michał Grobelny* Absolwent Wydziału Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytetu Zielonogórskiego oraz Fachhochschule Giessen-Friedberg (Niemcy). Obecnie zatrudniony na stanowisku asystenta w Katedrze Mediów i Technologii Informacyjnych Uniwersytetu Zielonogórskiego. e-mail: M.Grobelny@kmti.uz.zgora.pl

*Autor jest stypendystą w ramach Poddziałania 8.2.2 „Regionalne Strategie Innowacji”, Działania 8.2 „Transfer wiedzy”, Priorytetu VIII „Regionalne Kadry Gospodarki” Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Unii Europejskiej i z budżetu państwa.


KONKURSY      Forum młodych

Projekty ESA szansą dla studentów Uzyskanie przez Polskę jesienią 2012 r. statusu 20. państwa członkowskiego ESA zwiększyło możliwości polskich przedsiębiorstw, a programy edukacyjne ESA zachęcają polskich studentów do współpracy. Warto wykorzystać taką okazję i wziąć udział w projektach organizowanych przez Europejską Agencję Kosmiczną – teraz ESA pokrywa koszty związane z wyjazdami studentów na warsztaty oraz pobytem podczas realizacji projektów badawczych.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) jest organizacją międzyrządową założoną w 1975 r., której zadaniem jest kształtowanie rozwoju europejskich zdolności kosmicznych oraz zapewnienie, że inwestycje w przestrzeń kosmiczną przyniosą korzyści obywatelom Europy oraz świata. Dzięki możliwości uczestniczenia w projektach ESA studenci i ich opiekunowie z ramienia uczelni, zwolnieni z działań związanych z poszukiwaniem sponsorów, mogą efektywnie wykorzystać czas i energię na opracowanie konkursowego wniosku (od projektu i wykonania aż do testów). Znając zapał i umiejętności polskich studentów należy się spodziewać, że i tutaj zaznaczą swoją obecność.

Fot. ESA, ESA/ATG Medialab

Sentinel-1 Student Transponders

Projekt jest adresowany do studentów z Polski, Czech i Rumunii. Celem jest przeprojektowanie układów elektronicznych dwóch naziemnych transponderów satelitarnych ESA (np. modyfikacji częstotliwości radiowej, RF i innych korekt) do komunikacji z satelitami. Transpondery te zostały opracowane na potrzeby misji satelity Envisat/ASAR w ramach projektu Copernicus. Składają się z jednostki centralnej oraz dwóch anten – do wysyłania i odbioru danych. Studenci powinni

Naziemny transponder satelitarny Sentinel-1

zagwarantować kompatybilność transponderów oraz anteny systemu SAR (ang. Synthetic Aperture Radar) na satelicie, który pracuje na częstotliwości 5,405 GHz (C-Band). Transpondery – bardzo stabilnie zamontowane na platformie o całkowitych wymiarach około 1,20 m × 1,20 m – będą stosowane do radiometrycznej kalibracji sygnału SAR. Technika SAR umożliwia uzyskanie obrazów nieruchomych obiektów Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

193


Forum młodych      KONKURSY

Holandia Północna widziana przez Envisat

o wysokiej rozróżnialności. Zasada działania SAR polega na wykorzystaniu wzajemnego ruchu anteny radaru i obserwowanego obiektu. Satelity, które będą brały udział w misji Sentinel-1, zostaną wystrzelone za pomocą rakiety Sojuz z Gujany Francuskiej na początku 2014 r. W drugiej fazie studenci będą mogli wykorzystać zmodyfikowane transpondery współpracujące z satelitami misji Sentinel-1 znajdującymi się na orbicie – realizować rzeczywiste pomiary, przetwarzać dane i analizować je. W tym celu oba transpondery będą dostarczone przez ESA wybranym zespołom studenckim na ich macierzystych uczelniach. Wraz z transponderem zespoły te otrzymają wszystkie niezbędne dokumenty – parametry techniczne misji Sentinel-1, opis transpondera i instrukcje obsługi. W ramach projektu na wybranych uczelniach będą organizowane przez ESA wykłady, poświęcone pokrewnym tematom. ESA będzie sponsorować udział wybranych zespołów w warsztatach w obiektach ESA, gdzie każdy zespół przedstawi swoje prace, wykonane prace będą recenzowane, a studenci będą współpracować z ekspertami ESA. Będą też mieli wsparcie techniczne przez cały czas trwania projektu. Szczegółowe dane o projekcie – założenia, harmonogram, warunki udziału i sposób składania aplikacji dostępne są na stronie internetowej www.esa.int/Education/Sentinel-1_Student_Transponders.

Spin Your Thesis! Program Spin Your Thesis! daje studentom i doktorom możliwość przeprowadzenia badań naukowych lub technologicznych w warunkach hipergrawitacji. Badania mogą dotyczyć wielu dziedzin, jak biologia, biochemia, mikrobiologia, optyka, fizyka, inżynieria materiałowa, dynamika płynów, geologia, fizyka plazmy i innych. Warunki hipergrawitacji można uzyskać za pomocą opracowanej niedawno przez ESA wirówki o dużej średnicy LDC (ang. Large Diameter Centrifuge). Eksperymenty można prowadzić przy przyśpieszeniach, które wahają się od 1 g do 20 g. Wirówka LDC (o średnicy 8 m) ma cztery ramiona, z których każde może obsługiwać dwie gondole, każda o maksymalnej ładowności 80 kg. W praktyce może być jednocześnie dostępnych sześć gondol plus jedna gondola w centrum wirówki – do kontroli lub realizacji eksperymentów odniesienia. Obrót wirówki LDC tworzy pole hipergrawitacji w miejscu eksperymentu wewnątrz każdej gondoli. LDC jest elastyczny pod względem scenariusza eksperymentu, czasu trwania oraz możliwości wymaganego sprzętu. Oznacza to, że system może wykonywać i zarządzać eksperymentami, które trwają od jednej minuty do sześciu miesięcy, bez zatrzymywania się.

194

Urządzenia, tzw. eksperymentu umieszczonego w LDC, mogą mieć wymiary około 50 cm × 50 cm × 75 cm i wagę do 80 kg. W gondoli eksperymentu dostępne są też liczne udogodnienia, jak energia elektryczna, woda i wyloty gazu. Doświadczenia wymagające wysokich temperatur, otwartego ognia lub podobnych warunków nie mogą być przeprowadzone w gondoli LDC. Wyjątki mogą być jednak dyskutowane. Eksperyment nie może stanowić zagrożenia ani dla personelu, ani dla gondoli LDC. W gondolach LDC nie przewidziano aktywnego chłodzenia. Dostępne zasilanie w każdej gondoli jest ograniczone do 1,3 kW.

Eksperymenty mogą być kontrolowane i monitorowane przez użytkowników za pośrednictwem stacji roboczych z zainstalowanym specjalistycznym oprogramowaniem do akwizycji i przetwarzania danych, np. programem LabVIEW. Program Spin Your Thesis!, prowadzony przez ESA od 2010 r., umożliwia studentom realizację badań eksperymentalnych w warunkach zwykle dla nich niedostępnych. Obecnie ESA zachęca studentów oraz pracowników uczelni do przesyłania propozycji eksperymentów w LDC. Zaplanowane doświadczenia mogą obejmować różne obszary nauki. Eksperci ESA wybiorą maksymalnie cztery

Large Diameter Centrifuge (LDC) w European Space Research and Technology Centre (ESTEC), Noordwijk, Holandia

Fot. ZARM – Center of Applied Space Technology and Microgravity, ESA, ZARM – FAB, Drop Tower Operation and Service Company

Termin zgłaszania aplikacji upływa 15 listopada 2013 r.


zespoły, z których każdy będzie miał możliwość korzystania z LDC przez dwa i pół dnia. Zespół składa się zwykle z 2–4 studentów. Prace nad przygotowaniem eksperymentu przez wyselekcjonowane zespoły trwają około sześciu miesięcy. Po zakończeniu eksperymentu ich wyniki muszą być przetworzone, poddane analizie i udokumentowane w ciągu czterech miesięcy. Szczegółowe informacje o projekcie – założenia, harmonogram, warunki udziału i sposób składania aplikacji, a także opis wcześniej realizowanych eksperymentów są dostępne na stronie internetowej www.esa.int/Education/Spin_Your_Thesis!_programme. LDC at ESTEC – eksperyment umieszczony w gondoli

Fot. ZARM – Center of Applied Space Technology and Microgravity, ESA, ZARM – FAB, Drop Tower Operation and Service Company

Drop Your Thesis! Program Drop Your Thesis! umożliwia studentom i doktorantom przeprowadzenie badań naukowych lub technologicznych w warunkach mikrograwitacji, zbliżonych do osiąganych podczas eksperymentów w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Warunki mikrograwitacji, uzyskiwane w ZARM Drop Tower, osiągają wartość 10–6 g i są utrzymywane przez 5–10 s podczas spadania. Grawitacja odgrywa ważną rolę w wielu zjawiskach naturalnych i procesach technologicznych, jak rozwój człowieka, reakcje chemiczne i biologiczne, aspekty mechaniczne związane z rozmieszczeniem anten na statku kosmicznym. Badania niskich poziomów grawitacji prowadzą do lepszego zrozumienia wielu zjawisk naturalnych oraz przyczyniają się do opracowania licznych ulepszeń technologicznych. ESA umożliwia prowadzenie badań na kilku platformach niskich poziomów grawitacyjnych. Jedną z tych platform jest ZARM Drop Tower na Uniwersytecie w Bremie. ZARM (ang. Center of Applied Space Technology and Microgravity) to – oprócz wieży zrzutowej – również centrum kontroli umożliwiające śledzenie eksperymentów. Wieża pozwala uzyskać najlepsze warunki mikrograwitacji dla systemów naziemnych, a dodatkową zaletą jest stosunkowo szybka realizacja. To sprawia, że prowadzenie eksperymentów jest stosunkowo łatwe. ZARM Drop Tower ma wysokość 146 m. Kapsuła, w której znajduje się eksperyment może być umieszczona w rurze próżniowej i zrzucona z wysokości 120 m, które zapewniają stan mikrograwitacji przez około 4,74 s. Począwszy od 2007 r. dostępny jest też tryb katapulty, w którym kapsuła rozpoczyna eksperyment z dna rury próżniowej. W ten sposób podwojono czas stanu mikrograwitacji do 9,3 s. W przeciwieństwie do trybu swobodnego spadania, kapsuła i aparatura w niej zamknięta podlegają przyśpieszeniu do 35 g przed rozpoczęciem eksperymentu. Program Drop Your Thesis! pozwala studentom realizować badania eksperymentalne w warunkach zwykle dla nich niedostępnych. Raz w roku prowadzony jest nabór wniosków. Obecnie ESA zaprasza studentów oraz pracowników uczelni do przesyłania propozycji eksperymentów w ZARM Drop Tower. Zaplanowane doświadczenia mogą obejmować różne obszary nauki. Eksperci ESA wybiorą zespół, który będzie miał możliwość prowadzenia eksperymentów przez dwa tygodnie. Zespół składa się zwykle 2–4 studentów. Prace nad przygotowaniem eksperymentu trwają około sześciu miesięcy, a po

Termin zgłaszania propozycji eksperymentu upływa 9 grudnia 2013 r.

zakończeniu eksperymentu, ich wyniki muszą być przetworzone, poddane analizie i udokumentowane w postaci raportu w ciągu czterech miesięcy. Szczegółowe informacje o projekcie – założenia, harmonogram, warunki udziału i sposób składania aplikacji, a także opis wcześniej realizowanych eksperymentów dostępne są na stronie internetowej www.esa.int/Education/About_Drop_Your_Thesis. Termin zgłaszania propozycji eksperymentu upływa 19 stycznia 2014 r.

ZARM drop tower

Kapsuła

Wnętrze wieży zrzutowej

Udział w projektach ESA wymaga spełnienia kilku warunków – trzeba mieć pomysł, zdefiniować problem, opisać go, zaprojektować rozwiązanie, zbudować i przetestować, przeprowadzić eksperyment, przeanalizować dane, zaprezentować wyniki. Bezpośrednim rezultatem badań przeprowadzonych w ramach programów Spin Your Thesis! oraz Drop Your Thesis! jest przedstawienie wyników prac przez zespoły studenckie, udział w konferencjach międzynarodowych oraz publikacja prac w renomowanych czasopismach naukowych. Małgorzata Kaliczyńska PAR Oprac. na podst. mat. ESA

Zobacz więcej Pobierz bezpłatną aplikację PAR+  App Store | Google Play

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

195


Indeks firm      zestawienie reklam i materiałów promocyjnych

Antaira Technologies Sp. z o.o.

tel. 22 862 88 81 www.antaira.pl

48

Automatyka-Pomiary-Sterowanie SA

tel. 85 74 83 400, 85 74 83 403 www.aps.pl

61

Balluff Sp. z o.o.

tel. 71 787 68 30 www.balluff.pl, www.leuze.pl

PPUH Eldar

196

tel. 77 442 04 04 www.eldar.biz

37, 94–95

15

Elesa+Ganter Polska Sp. z o.o.

tel. 22 737 70 47 www.elesa-ganter.pl

15, 102

Elmark Automatyka Sp. z o.o.

tel. 22 541 84 65 www.elmark.com.pl

1, 15, 38–40

Farnell element14

tel. 00 800 121 29 68 www.farnell.com/pl

41

GBI Partners Sp. z o.o.

tel. 22 458 66 10 www.gbi.com.pl

87

Guenther Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 70 70 www.guenther.com.pl

79

GURU Control Systems

tel. 22 8311042 www.kamlab.pl

HARTING Polska Sp. z o.o.

tel. 71 352 81 71 www.HARTING.pl

14, 44–45

IRtech Beata Kasprzycka

tel. 12 267 37 74 www.irtech.pl

78

Jumo Sp. z o.o.

tel. 71 339 82 39 www.jumo.com.pl

70–71

LAB-EL Elektronika Laboratoryjna s.j.

tel. 22 753 61 30 www.label.pl

76–77

MVM Sp. z o.o.

tel. 22 87 40 230

17

50–52


o2 Sp. z o. o.

tel. 22 398 88 88 www.poczta.o2.pl

103

OPTOSOFT Sp. z o.o.

tel. 71 369 99 50 http://optosoft.pl

11

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

tel. 22 874 00 00 www.piap.pl

53, 54–61, 105

Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Oddział Badawczo-Rozwojowy Urządzeń Sterowania Napędów PIAP-OBRUSN

tel. 56 623 40 22 www.obrusn.pl

62–64

PPH WObit E.K.J. Ober s.c.

tel. 61 835 08 00 www.wobit.com.pl

13, 73

Radwag Wagi Elektroniczne

tel. 48 384 88 00 www.radwag.pl

199

RS Components GmbH

tel. +49 (0) 610 540 18 03 www.rs-components.com

SABUR Sp. z o.o.

tel. 22 549 43 53 www.sabur.com.pl

46–47

Schmersal-Polska sp. j. E. Nowicka, M. Nowicki

tel. 22 816 85 78 www.schmersal.pl

96–98

SCHUNK Intec Sp. z o.o.

tel. 22 726 25 00 www.schunk.com

2, 74–75

SEMICON Sp. z o.o.

tel. 22 615 73 71 www.semicon.com.pl

72

Świętokrzyskie Centrum Innowacji i Transferu Technologii Sp. z o.o.

tel. 41 34 32 910 www.it.kielce.pl

99

TERMO-PRECYZJA sp. j.

tel. 71 782 72 00 www.termo-precyzja.com.pl

14

Turck Sp. z o.o.

tel. 77 443 48 00 www.turck.pl

9, 42–43

14, 49, 100, 101

Pomiary Automatyka Robotyka  nr 10/2013

197


REDAKCJA      

PRENUMERATA miesięcznika „Pomiary Automatyka Robotyka” Rok 17 (2013) nr 10 (200) ISSN 1427-9126, Indeks 339512 Redakcja Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 00 66, 22 874 02 02, 22 874 01 91 fax 22 874 02 02 e-mail: redakcja@par.pl www.par.pl

Prenumeratę można zamówić pod następującymi adresami: Redakcja PAR Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa tel. 22 874 03 51

Rada programowa dr inż. Mariusz Andrzejczak, Bumar Sp. z o.o. prof. dr hab. inż. Jan Awrejcewicz, Katedra Automatyki i Biomechaniki, Politechnika Łódzka dr inż. Janusz Berdowski, Polskie Centrum Badań i Certyfikacji SA prof. dr hab. inż. Tadeusz Glinka, Instytut Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Śląska dr inż. Stanisław Kaczanowski, prof. PIAP, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP dr Aleksandra Kolano-Burian, Instytut Metali Nieżelaznych prof. dr hab. inż. Andrzej Masłowski, Instytut Automatyki i Robotyki, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Tadeusz Missala, Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP prof. dr hab. inż. Zdzisław Mrugalski, Instytut Mikromechaniki i Fotoniki, Politechnika Warszawska prof. dr inż. Eugeniusz Ratajczyk, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska dr hab. inż. Waldemar Skomudek, prof. PO, Wydział Inżynierii Produkcji i Logistyki, Politechnika Opolska dr hab. inż. Roman Szewczyk, prof. PW, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska dr hab. inż. Andrzej Szosland, prof. PŁ, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, Politechnika Łódzka prof. dr hab. inż. Eugeniusz Świtoński, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska prof. dr hab. inż. Krzysztof Tchoń, Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki, Politechnika Wrocławska doc. dr inż. Jan Tomasik, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Warszawska

fax 22 874 02 02

Redaktor naczelny dr inż. Jan Jabłkowski

Oddział Krajowej Dystrybucji Prasy

Zastępca redaktora naczelnego mgr Seweryn Ścibior, sscibior@par.pl

infolinia: 801 443 122

Sekretarz redakcji mgr Urszula Chojnacka Zespół redakcyjny dr inż. Jan Barczyk – robotyka mgr Sylwia Batorska dr inż. Jerzy Borzymiński prof. dr hab inż. Wojciech Grega – automatyka prof. dr hab. inż. Krzysztof Janiszowski dr inż. Małgorzata Kaliczyńska – redaktor merytoryczny/statystyczny mgr Anna Ładan – redaktor językowy prof. nzw. dr hab. inż. Mateusz Turkowski – metrologia mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek mgr inż. Elżbieta Walczak Marketing mgr inż. Jolanta Górska-Szkaradek, jgorska@par.pl mgr Sylwia Batorska, sbatorska@par.pl Skład i redakcja techniczna Ewa Markowska, emarkowska@par.pl EDIT Sp. z o.o. Wydawca Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP Al. Jerozolimskie 202, 02-486 Warszawa Miesięcznik PAR jest indeksowany w bazach BAZTECH oraz INDEX COPERNICUS (4,02). Punktacja MNiSW za publikacje naukowe w miesięczniku PAR wynosi 5 pkt (poz. 1027). Wersją pierwotną (referencyjną) jest wersja papierowa. Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za treść publikacji o charakterze reklamowym oraz zastrzega sobie prawo skracania i adiustacji tekstów. © Wszelkie prawa zastrzeżone

198

na stronie www.par.pl/prenumerata Koszt prenumeraty STANDARD (dla firm, instytucji i osób fizycznych): yy roczna – 99,00 zł, yy dwuletnia – 176,00 zł. Koszt prenumeraty EDU (dla uczniów, studentów, nauczycieli i pracowników naukowych): yy roczna – 69,99 zł, yy dwuletnia – 120,00 zł. Prenumeratę pod ww. adresami rozpocząć można od dowolnego numeru, na dowolny okres. Koszt przesyłki pokrywa dostawca. Prenumeratę można także zamówić u następujących kolporterów: Zakład Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT ul. Ku Wiśle, 00-707 Warszawa tel. 22 840 30 86 lub 22 840 35 89 kolportaz@sigma-not.pl www.sigma-not.pl RUCH SA ul. Annopol 17a, 03-236 Warszawa prenumerata@ruch.com.pl www.prenumerata.ruch.com.pl KOLPORTER Spółka z o.o. S.K.A. Centralny Dział Prenumeraty ul. Bakaliowa 3, 05-080 Izabelin-Mościska infolinia: 801 404 044 prenumerata.warszawa@kolporter.com.pl GARMOND PRESS SA ul. Nakielska 3, 01-106 Warszawa tel./fax 22 817 20 12 prenumerata.warszawa@garmondpress.pl www.garmondpress.pl Ceny prenumeraty przyjmowanej przez kolporterów wynoszą: yy roczna – 99,00 zł, yy I półrocze – 54,00 zł, II półrocze – 45,00 zł, yy I, II i IV kwartał – 27,00 zł, III kwartał – 18,00 zł. Uwaga: Garmond Press SA przyjmuje prenumeratę tylko na okres roczny lub półroczny. Wszystkie ceny są kwotami brutto.


Pomiary Automatyka Robotyka  nr 7–8/2013

199


Pewne rozwiązanie dla Ethernetu i Twojego sukcesu Porty combo Gigabit Ethernet SFP/RJ45

Efektywna konstrukcja bez radiatora

Wysoka elastyczność poprzez oprogramowane zarządzające

Zoptymalizowany montaż na szynie DIN

Przycisk funkcyjny oraz karta SD dla przyspieszonej obsługi

Jeszcze większa niezawodność dzięki redundantnemu zasilaniu

Innowacyjny switch dla Ethernetu przemysłowego HARTING Ha-VIS mCon 3000 to efektywne rozwiązanie dla Ethernetu przemysłowego w wymagających aplikacjach. Poza rozszerzonym zakresem temperaturowym, solidną konstrukcją, inteligentną transmisją danych, oprogramowaniem zarządzającym gwarantuje maksymalną niezawodność pracy – nawet w ciężkich warunkach środowiska przemysłowego. Szybka i prosta konfiguracja obiektowa pozwala zaoszczędzić czas i ograniczyć koszty. W przypadku pytań prosimy o kontakt: (71) 352 81 71 lub pl@HARTING.com

PAR 10 2013  

Miesięcznik naukowo-techniczny "Pomiary Automatyka Robotyka", nr 10/2013

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you