6.1.5. Устройства сбора данных

Автоматизированные системы сбора данных [Денисенко] в настоящее время являются общедоступным средством получения экспериментальной информации и связано это, в первую очередь, с широким распространением персональных компьютеров. Системы сбора данных находят применение для научных исследований, управления производственными процессами, мониторинга в промышленности, медицине, метеорологии, космонавтике и других областях человеческой деятельности. Автоматизированный сбор данных позволяет получить данные нового качества, которые невозможно получить иными средствами. Это результаты статистической обработки огромного числа измерений, полученных в цифровой форме, возможность регистрации случайно появляющихся событий с недостижимой ранее разрешающей способностью по времени и амплитуде, регистрация быстроизменяющихся процессов. Благодаря резкому удешевлению систем сбора данных по сравнению со стоимостью человеческого труда появилось большое количество областей применения, где ранее использовалась ручная регистрация данных: в теплицах, элеваторах, на метеостанциях, в процессе приемо-сдаточных и сертификационных испытаний продукции, на складах, в промышленных холодильниках, при автоматизации научного эксперимента и т. п.

Основным отличием систем сбора данных от ПЛК является отсутствие в них алгоритма управления, т.е. отсутствие необходимости в мощном контроллере и языке МЭК 61131-3, а также наличие большого объема памяти для ведения архива. Хотя системы сбора данных можно построить на любом ПЛК, но в связи с указанными выше особенностями они занимают отдельный сегмент рынка и их выделяют в отдельную группу средств автоматизации.

Системы сбора данных могут применяться в реальном времени, например, для мониторинга (наблюдения) различных процессов, идентификации аварийных ситуаций в технологических процессах, а также могут применяться для архивирования данных, когда их обработка отделена от процесса сбора неопределенным интервалом времени. В системах реального времени текущие данные сохраняются в течение некоторого заданного времени в кольцевом буфере, откуда устаревшие данные вытесняются вновь поступившими. В архивирующих системах используются накопители информации большой емкости и данные обрабатываются после завершения сбора.

Архивирующие системы сбора данных (логгеры, самописцы) могут быть автономными устройствами, построенными на основе микроконтроллера (например, бортовые самописцы самолетов, электронные счетчики тепла или электроэнергии, портативные электрокардиографы). Данные, собранные логгерами, для обработки переносятся в компьютер с помощью, например, USB флэш-памяти или через последовательный интерфейс.

Системы сбора данных, построенные на основе компьютера, обычно являются стационарными и используют универсальное программное обеспечение, такое как Matlab, LabView, MS Excel [Денисенко], которое позволяет не только собрать данные, но и обработать их.

Для регистрации быстропротекающих процессов (с требуемой частотой отсчетов более 1 МГц) используются системы с параллельной шиной, в том числе платы для шины PCI компьютера. Компьютерные платы имеют ограниченное количество входов, что определяется компьютерным конструктивом, и требуют внешних клеммных блоков для подсоединения источников сигнала, создавая неудобства при монтаже системы.

Для регистрации медленных процессов удобнее внешние устройства, подключаемые к компьютеру через СОМ, USB или Ethernet порт. Внешние устройства отличаются также меньшим уровнем шумов, в то время как платы, вставляемых в компьютер, подвержены влиянию наводок от цифровых цепей компьютера.

Система сбора данных может быть распределенной, когда устройства ввода распределены территориально по объекту сбора данных, а полученные данные сходятся к единому накопителю и обработчику данных с помощью сетевых технологий. Сетевые (распределенные) системы сбора данных имеют свойство практически неограниченной наращиваемости числа каналов, однако имеют ограничение на скорость передачи данных по сети.

Для типовых задач сбора данных промышленностью выпускаются устройства с небольшим количеством входов (от нескольких десятков до нескольких сотен). Для больших систем (от единиц до сотен тысяч входов) разрабатываются специализированные системы. К ним можно, например, отнести систему "Грейн" [Бабенко] для температурного мониторинга элеваторов, которая собирает данные с нескольких тысяч датчиков температуры, или систему "COMPASS" [H. Fischer], собирающую данные с 250 тыс. датчиков в ядерном центре CERN со скоростью 160 Мбит/с.

Входы систем сбора данных могут быть универсальными (потенциальными и токовыми), или специализированными (например, для термопар, для термопреобразователей сопротивления или для тензодатчиков). Системы со специализированными входами экономически более эффективны для потребителя. Универсальные входы используются совместно с измерительными преобразователями физических величин в ток или напряжение. Существуют также системы с гибридными входами, например, когда несколько входов принимают сигналы термопар, другие входы - сигналы тензодатчиков, третьи - сигналы термометров сопротивления и т. д.

Входы могут быть дифференциальными, одиночными, цифровыми или дискретными (двоичными). Дифференциальные входы позволяют более эффективно подавлять внешние помехи, наводимые на кабель, передающий сигнал от датчика к модулю ввода [Денисенко]. Для передачи сигнала чаще всего используется напряжение в диапазоне 0...±5 В., 0...±10 В или ток 0...20 мА, 4...20 мА. Сигналы напряжения вырабатываются источниками напряжения и имеют высокую помехоустойчивость к емкостным наводкам, сигналы тока вырабатываются источниками тока и устойчивы к индуктивным наводкам [Денисенко]. Дискретные входы принимают логические сигналы ("0" или "1"), которые поступают от концевых выключателей, датчиков охранной или пожарной сигнализации, электромагнитных реле, датчиков наличия напряжения и т. п. Цифровые входы принимают сигналы от устройств с цифровым выходом, например, от цифровых датчиков температуры.

Основными параметрами систем сбора данных являются количество каналов, погрешность, динамическая погрешность, время установления или полоса пропускания, разрешающая способность, эффективное число разрядов, частота дискретизации, наличие гальванической изоляции входов и интерфейса, наличие защит от небрежного использования, перегрузок и перегрева.

Системы сбора данных обычно имеют 4, 8, 16, 32, 64 ... входа, которые опрашиваются по очереди или одновременно. Системы с одновременным опросом состоят из идентичных каналов, которые выполняют аналого-цифровое преобразование входной величины параллельно, т.е одновременно для всех каналов. Такие системы встречаются редко по причине высокой стоимости. Обычно опрос входов выполняется по очереди, с помощью коммутатора. Поэтому данные разных каналов оказываются сдвинутыми по времени на некоторую задержку, равную отношению периода опроса к количеству каналов.

Примером системы сбора данных может служить серия систем сбора данных RealLab! [Денисенко] построенная по модульному принципу, т.е. систему с необходимым количеством входов можно собрать из модулей - отдельных строительных блоков. Модули соединяются между собой с помощью промышленного интерфейса RS-485 и располагаются либо в общем монтажном шкафу, либо распределены по объекту сбора данных таким образом, чтобы уменьшить длину кабеля от датчика к модулю. Собранные данные в цифровой форме передаются по промышленной сети в центральный компьютер или контроллер. Модули RealLab! могут работать в стандартных сетях Modbus RTU или в стандартной де-факто сети DCON, имеют открытый протокол обмена. Каждый модуль в сети имеет свой адрес, поэтому для опроса модулей компьютер посылает им команду, содержащую адрес и код операции, которую необходимо выполнить.

Приближение модулей ввода к датчикам имеет несколько преимуществ. Во-первых, сокращается количество проводов, поскольку цифровой интерфейс RS-485 имеет только два провода, а передает данные от большого количества модулей. Это удобно при сборе данных с территориально распределенных объектов, например, при сборе данных о температуре и влажности в теплице, которая имеет площадь 10 Га, в многоэтажном здании или на элеваторе. Во-вторых, снижается мощность наведенных помех благодаря сокращению длины проводов с аналоговыми сигналами, упрощается техническое обслуживание и диагностика системы.

Благодаря применению стандартного протокола обмена в систему сбора данных на модулях RealLab! могут быть включены устройства ввода других производителей, например, вольтметр фирмы Hewlett-Packard или кассовый аппарат, счетчик электроэнергии или метеостанция.