Kvalita IPS a MČ (PCS) metrologické a prevádzkové vlastnosti

1. Kvalita IPS a MČ (PCS)metrologické a prevádzkové vlastnosti PRS 1 23.8.2014

2. Kvalita IPS a MČ • Kvalita objektu (prvku, systému) súhrn vlastností, na základe ktorých je objekt vzhľadom k predpokladanému spôsobu a podmienkam použitia, spôsobilý vykonávať požadovanú funkciu. Najvýznamnejšie vlastností určujúce kvalitu objektu: technické a funkčné vlastnosti objektu, spoľahlivá činnosť, materiálová a energetická náročnosť, technologičnosť, estetické, ergonomické a ekologické vlastnosti, atď. • Kvalita IPS - súhrn vlastností, na základe ktorých je IPS, vzhľadom k spôsobu a podmienkam použitia, spôsobilý vykonávať funkciu, na ktorú je určený • Najvýznamnejšie skupiny vlastností MČ určujúce jeho kvalitu možno usporiadať podľa ich významu • technické a funkčné vlastnosti (metrologické a funkčné vlastnosti) • spoľahlivosť činnosti (prevádzkové vlastnosti) (spoľahlivosť -vykonávanie funkcií za daných podmienok a počas stanovenej doby) PRS 2 23.8.2014

3. 1. Snímače a prevodníkypožiadavky (klasické a IMČ) • Metrologické • presnosť od 0,5 % do 0,1 %, rýchla reakčná doba (RT) • linearizácia, teplotná kompenzácia a výstupný prúdový (napäťový) unifikovaný signál, • veľmi presný merací prevodník (jednoúčelový, programovateľný) • prestaviteľnosť rozpätia základného rozsahu (hardware, software) • primárne spracovanie signálov v blízkosti miesta merania 3 23.8.2014

4. Prevádzkové • „bezúdržbové“ meracie členy (MTBF – meantime between failure), prevádzková stabilita niekoľko rokov, napr. 0,05%/rok • diaľková diagnostika, štatistické monitorovanie meracieho procesu • výstup: 4-20mA a číslicové spracovanie a číslicová komunikácia (ISS) • jednoduché a rýchle zmeny vlastností a nastavovanie parametrov (IMČ=ISS) • EMC (elektromagnetická kompatibilita - electromagnetic compatibility), IP (ochrana krytím – international protection), EEx (prostredia s nebezpečím výbuchu – explosionproof, ATEX) * podrobnejšie v príslušnej časti 4 23.8.2014

5. Ekonomické • priaznivý pomer ceny k výkonu pri zachovaní vysokej kvality a spoľahlivosti prvkov • testované a kalibrované prístroje vo výrobnom závode • expertné software - podpora prevádzky a údržby • Mechanická konštrukcia • minimalizované rozmery, uzavretá a stavebnicová konštrukcia, nenáročná inštalácia • hermeticky uzavretá konštrukcia: snímačová jednotka, elektronika a pripájacia svorkovnica Inteligentné senzorové systémy 5 23.8.2014

6. Inteligentné senzorové systémy 6 23.8.2014

7. Metrologické vlastnosti meracích členov • statické a dynamické vlastnosti(základné informácie o MČ, ktoré sú dostupné v katalógoch) • ovplyvňuje ich hlavne snímač(chyby spôsobené snímačom sú v zásade neodstrániteľné), tj. snímače sú najdôležitejšie prvky meracích reťazcov; náklady na ich výskum, vývoj a výrobu sú podstatne väčšie ako náklady na všetky ostatné prvky celého reťazca • metódy hodnotenia meracích členov (prevodníkov) pre automatizáciu sú uvedené v norme STN EN 60 770(Ing. Drahoš) PRS 7 23.8.2014

8. Statické vlastnosti MČ • charakterizujú jeho chovanie v časovo ustálených stavoch (sú dané statickými vlastnosťami jednotlivých prvkov MČ) • statická prevodová charakteristika – vzťah medzi vstupnou a výstupnou závisle premennou veličinou prvku v časovo ustálených stavoch y = f(x)

9. Charakteristika snímača • jednoznačnosť – žiadna hodnota výstupného signálu nezodpovedá viac ako jednej hodnote vstupného signálu • hladkosť– definovaná deriváciou, ktorá je spojitá na def. intervale • monotónnosť – rastúca alebo klesajúca v celom rozsahu meranej fyzikálnej veličiny • strmosť – sklon prevodovej char.  vhodné ak je podobná v rôznych častiach meracieho rozsahu • plytkosť – gradient charakteristiky v jej lokálnych častiach nesmie byť zásadne menší ako citlivosť systému

10. Presnosť meracieho člena • schopnosť udávať na výstupe pravé hodnoty signálu • je daná jeho celkovou chybou, tj. súčtom základnej a vedľajšej chyby (katalógové údaje) • základná chyba(accuracy) – člena je udávaná výrobcom a je určená pri definovaných, referenčných podmienkach (napr.: teplota okolia, barometrický tlak, vlhkosť vzduchu, frekvencia napájacieho zdroja a pod.) • vedľajšie (dodatkové, prídavné)chyby sú spôsobené inými ako referenčnými podmienkami pri meraní (napr. poloha, teplota, ktoré sú mimo hodnôt udávaných výrobcom, katalógové údaje  vplyv teploty prostredia na meranie)

11. Delenie chýb Podľa spôsobu vyjadrenia sa chyby delia na absolútne  a relatívne (pomerné) . Platí: kde yNje nameraná hodnota výstupnej veličiny ySkonvenčne pravá hodnota výstupnej veličiny (určená na základekonvencie, napr. etalón, štatistické spracovanie) yMmerací rozsah výstupnej veličiny, tj. ymax – ymin yabsolútna chyba merania Tnajväčšia možná absolútna chyba, napr. MČ yrelatívna chyba merania (vztiahnutá na údajyN; rozsahyM) Tnajväčšia možná relatívna chyba, napr. MČ

12. Aditívne a multiplikatívne chyby (systematické a náhodné chyby) Teoretické rozdelenie - dané závislosťou (multiplikatívnej) alebo nezávislosťou (aditívnej) chyby merania y na hodnote meranej veličiny x • ideálna (menovitá) charakteristika definovaná konštantou prenosovej funkcie K • nemá rovnaký sklon ako ideálna (zmena citlivosti alebo zosilnenia meracieho prvku) tj. multiplikatívna chyba(závisí od x) • vytvorená posunom od menovitej, lineárnej charakteristiky, tj. aditívnou chybou(nezávislou od x), trieda presnosti • reprezentuje všeobecnú prevodovú charakteristiku snímača alebo meracieho člena

13. ADC  kvantovacia chyba Aditívna kvantovacia chyba pri číslicovom výstupe MČ

14. Kvantovacia chyba prevodníka AD Ideálna kvantovacia prevodová charakteristika je ohraničená teoretickou maximálnou hodnotou kvantovacej chyby kde q=1/2n.yroz je tzv. šírka pásma ayroz=ymax-ymin je merací rozsah. Pre maximálnu relatívnu kvantovaciu chybu MČ s číslicovým výstupom platí rčje rozlišovacia schopnosť ADC. Chyby MČ s číslicovým výstupom sa často vyjadrujú v celých násobkoch 1/2LSB (Least Significant Bit)

15. Vyjadrenie chýb Pri klasických, analógových MČ, výrobca v katalógových listoch udáva triedu presnosti alebo len presnosť(accuracy)– maximálna relatívna chyba vztiahnutá na rozsah prístroja Pre precízne MČ Na vyjadrenie hraníc chýb zaručovaných výrobcom sa používa tzv. dvojčlenný vzorec (elektronické MČ) kde T,m a T,a sú maximálne absolútne multiplikatívne a aditívne chyby MČ

16. Dynamické vlastnosti a parametre MČ • V mnohých technologických a výrobných procesoch nestačí pri sledovaní procesnej veličiny požadovať len spoľahlivosť a staticky stanovenú presnosť meracieho reťazca • Najmä meracie členy indikujúce medzné stavy procesu musia sledovať vstupný signál x(t) s minimálnym skreslením (alarmy, blokovania) • Dynamické vlastnosti meracích členov sú dôležité pre analýzu a syntézu regulačných obvodov, dynamická chyba pri „rýchlych“ regulačných obvodoch (polohovanie v robotike, v stroj. výrobe)

17. Dynamická chyba • Dynamická chyba(∆D, δD )je stanovená pri referenčných podmienkach a je definovaná v Laplaceovej transformácii ako odchýlka medzi skutočným (reálnym) prenosom meracieho člena F(s) a ideálnym prenosom K • Je závislá aj od priebehu vstupného signálu,tj. na jej určenie treba poznať časový priebeh meranej veličiny X(s)

18. Prevádzkové vlastnosti a zabezpečenie činnosti IPS a MČ PSI a MČ zabezpečenie napájania a ochrany meracích kanálov, identifikácia a vyhodnocovanie porúch IPS, vetvenie informačných signálov, primárne spracovanie informácií (PSI) napájanie stabilita, zaťažiteľnosť, rozvody energie musia predstavovať spoľahlivý prenosový prostriedok ochrana a kontrola stavutj. skratu alebo prerušenia obvodu v niektorom meracom kanále s nasledujúcim odpojením sa od napájacieho rozvodu, vzájomné neovplyvňovanie, INFO-velín vetvenie informačných signálov dôležité z hľadiska ich ďalšieho spracovania alebo využitia na viacerých miestach RS(indikácia, registrácia, riadenie, IT)

19. galvanické oddelenie obvodov v IPS, MČ značka - galvanické odd. napájanie/vstup/výstup oddelenie analógového signálu oddelenie impulzného (čísl.) signálu primárne spracovanie informácií Predspracovanie informácií v klasickom (analógovom) IPS a) kontrola hraničných hodnôt b) linearizácia prevodovej charakteristiky MČ pripojením analógového člena s približne inverznou charakteristikou

20. Požiadavky na prevádzkové vlastnosti MČ (doplnok) • „bezúdržbové“ meracie členy: elektronické komponenty integrované na jednom plošnom spoji, napr. technológia ASIC (Application Specific Integrated Circuit), galvanické oddelenie vstupných a výstupných obvodov - prevádzková stabilita niekoľko rokov • diaľková diagnostika, štatistické monitorovanie meracieho procesu (trendy, histórie, vyhľadanie porúch, počet zbytočných zásahov) • výstup: 4-20mA, Hart, Profibus, rýchlostný Fondation Fieldbus, atď. • jednoduché a rýchle zmeny vlastností a nastavovanie parametrov v prevádzke pomocou nastavovacej jednotky alebo počítača • EEx, EMC (prepäťové ochrany), IP (až 65) 20 23.8.2014

21. INTELIGENTNÉ PREVODNÍKY FYZIKÁLNYCH VELIČÍN V TECHNICKEJ PRAXIKľúčové slová: riadiace systémy technologických procesov, inteligentné systémy, inteligentné prevodníky FV KZ SR 21 23.8.2014

22. Prvky procesnej automatizácie • Inteligentné zariadenia a prvky procesnej úrovne - inteligentná automatizácia • prvky, komponenty a celky umožňujúce vytvárať zostavy s distribuovanou inteligenciou, tj. s číslicovým spracovaním údajov, autodiagnostikou, obojsmernou číslicovou komunikáciou, a pod. • kompletné riešenia pre automatizáciu, tj. moduly pokrývajúce oblasti komunikácie, systémy I/O pre priemyselné prostredie, riadiace jednotky spolu so softwarovými nástrojmi, prístroje na obsluhu a monitorovanie, ale najmä inteligentné meracie (IPFV) a akčné členy • technika vstavaných systémov (embedded systems), to znamená, že zariadenia obsahujú mikropočítač AT&P 17. a 18. októbra 2006Vysoké Tatry 22 23.8.2014

23. Výhody IPFV vyššia kvalita (metrologické a prevádzkové vlastnosti) voči „KMČ“, „čistá informácia“ Problémy IPFV - práca v RTvýpočtová výkonnosťPSI, diagnostika - autokalibrácia, komunikácia (obojsmerná) • Požiadavky na presnosť • klasické MČ (do 1990) Tp okolo 1%, • IPFV0,5% až 0,1% AT&P 17. a 18. októbra 2006Vysoké Tatry 23 23.8.2014

24. Inteligentné MČ (ISS) podstatne širšie spektrum úloh primárneho spracovania informácií(sensor signal processing), kvalitatívne vyššie účinky,využitie mikropočítačovej techniky priamo v štruktúre MČ • Požiadavky kladené na IPS zvýšenie úrovne a kvality podsystému IPS, tj. : • pomocou zvýšenia kvality jeho prvkov • rozšírením jeho štruktúry o prvky umožňujúce číslicové spracovanie informácií:primárne spracovanie informácií (linearizácia, filtrácia, korekcia na porucuvé veličiny, štatistika,... ),autodiagnostika(bezdemotážna a nedeštruktívna činnosť), autokalibrácia (referenčný zdroj, generovanie definovaného priebehu meranej veličiny),komunikácia (analógová, číslicová), a pod.

25. Výhody ISS  vyššia kvalita (metrologické a prevádzkové vlastnosti) voči „KMČ“, „čistá informácia“ Problémy ISS - práca v RT výpočtová výkonnosťPSI, diagnostika - autokalibrácia, komunikácia (obojsmerná) Inteligentné senzorové systémy • Funkcie PSI (vybrané) • linearizácia prevodových charakteristík, • selektívny výber frekvencie meraného signálu, filtrácia, • redukcie nameraných údajov, • korekcie vzhľadom na poruchové veličiny, • korekcie dynamických chýb, • nepriame meranie, výpočty a prepočty, ISS 25 23.8.2014

26. Príklad linearizácie senzorovej prevodovej charakteristiky Inteligentné senzorové systémy • Požiadavky na presnosť • klasické MČ (do 1990) Tp okolo 1%, • ISS0,5% až 0,1% 26 23.8.2014

27. Diagnostické funkcie(vybrané)úloha TD  určiť poruchu, druh poruchy, jej lokalizáciu (nedeštruktívne a bez demontáže)Vnútorná (prevádzková) diagnostikatzv. Watch dog, inicializačná, prevádzková, …Vonkajšia (servisná) diagnostika prídavné zariadenieAutokalibrácia-meranie ovplyvňujúcej veličiny a jej kompenzácia, - autokalibrácia pomocou pripojenia referenčného signálu, - autokalibrácia cestou podporného signálu generovaného v samotnom diagnostikovanom prvku pomocou generátora poruchy GP AT&P 17. a 18. októbra 2006Vysoké Tatry 27 23.8.2014

28. Inteligentný senzorový systém – bloková schéma PRS 28 23.8.2014

29. Bloková schéma ISS tlaku a tlakovej diferencie, Smart Transmitter 3051 CG firmy ROSEMOUNT PRS Snímače a prevodníky - IPS 29 23.8.2014

30. Inteligentný prevodník hmotnostného prietoku s kompenzáciou s komunikáciou Foundation Fieldbus a funkciou výpočtu kompenzovaného hmotnostného prietoku (meria teplotu a tlak tekutiny) Inteligentné prevodníky tlaku s integrovanou diagnostickou funkciou, HART alebo PROFIBUS PA komunikáciou KZ SR 17. a 18. októbra 2006Vysoké Tatry 30 23.8.2014

31. Inteligentný prevodník teploty montáž do hlavice výstup z prevodníka je (4 až 20) mA, (4 až 20) mA s HART alebo PROFIBUS PA Inteligentný indukčný prietokomer s komunikáciou Profibus a funkciou výpočtu kompenzovaného hmotnostného prietoku KZ SR 17. a 18. októbra 2006Vysoké Tatry 31 23.8.2014

33. Inteligentné prevodníky fyzikálnych veličín IPFV • primárne spracovanie informácií (PSI), diagnostické a autokalibračné funkcie, riadenie komunikácie prvku ISS s okolím • „čistá” informácia o stave riadeného procesu, zrýchlenie vykonávania riadiaceho algoritmu • združovanie funkcií: riadiacich, bezpečnostných,... PSI: linearizácia prevodových charakteristík, selektívny výber frekvencie meraného signálu, filtrácia, korekcie vzhľadom na ovplyvňujúce veličiny, redukcie nameraných údajov, nepriame meranie, výpočty a prepočty, atď. Vlastnosti IPFV: špičkové metrologické vlastnosti, napr. presnosť lepšia ako 0,1 %, úspora procesných prvkov pre predspracovanie signálov, integrovaná forma – EEx, EMC, IP 65, flexibilita procesných veličín, parametrov - projektovanie riadiacich systémov, zásadná úspora káblov, atď. 17. a 18. októbra 2006Vysoké Tatry 33 23.8.2014

34. Rozsah (Range),Rozpätie (Span) 34 23.8.2014