Poboljšanje sustava s otvorenom petljom

U otvorenom sustavu izmjerene veličine na neki način se prikazuju čovjeku (analogno, brojčano ...). Takva mjerenja mogu dati zadovoljavajuće rezultate i bez uporabe računala. No digitalno računalo ukomponirano u mjerni sustav na različite načine može poboljšati takvu vrstu mjerenja. Naravno radi se o mikroračunalu i mjeri se uglavnom samo jedna mjerna veličina, te se u suštini radi o mjerenju u najužem smislu, a ne o praćenju procesa.

Primjer III

Mjerenje toplinske energije uz uporabu digitalnog računala glede poboljšanja točnosti mjerenja.

Sklopovski dio mjerača toplinske energije sadrži uglavnom sve elemente prikazane na slici 7.3.1, uz dodatne sklopove koji omogućavaju uklanjanje greške mjerenja temperature koje nastaju zbog promjene nultočke pojačala i pojačanja ugrađenih pojačala. Mogu se uporabiti dva senzora kako bi se usporedbom njihovih odstupanja kod očitavanja podataka moglo zaključiti postoje li velika odstupanja očitanog koja bi onda ukazala na neispravnosti jednog od njih.

Uporaba računala kod mjerača koncipiranog na navedeni način omogućava:

• Linearizaciju karakteristika senzora
• Kompenzaciju utjecaja okoline
• Samokalibriranje
• Provjeru razumnosti ulaznih podataka
• Samodijagnosticiranje

Poboljšanja se mogu zahvaliti velikoj moći obrade podataka i brzini rada računala. Neka se radi o mjerilu prenesene toplinske energije tekućim medijem, kao na primjer sustav centralnog grijanja. U takvom sustavu mjeri se temperatura dolazne vode na ulazu i povratne na izlazu u sustavu kroz koji voda protječe. Temperatura se mjeri toplinskim senzorom kao na primjer termo-električnim elementima, a protok se može mjeriti magnetsko-induktivnim senzorom ili mjerenjem položaja nekog plovka ili lopatice. Sama vrsta senzora za analizu u ovom primjeru nije od značaja. Iz poznatih vrijednosti temperatura i protoka može se izračunati toplinska snaga prema izrazu:

Gdje je:

q - protok medija

t_d , t_p - temperatura vode u dolaznom i povratnom vodu

k ( t_d, t_p ) - toplinski koeficijent svojstava medija

Tako se izmjeri toplinska snaga, a toplinska energija dobiva se integriranjem toplinske snage. Mjerenje ima sistematsku mjernu grešku jer se ne može uzimati u obzir točna vrijednost toplinskog koeficijenta kojim se izražava promjena svojstva medija s temperaturom. Osim toga mjerenje protoka ovisi o temperaturi, odnosno o gustoći medija koji se mjeri.

Mjerač toplinske energije realiziran uz računalo kompenzira nelinearnost termo-elementa, zatim nelinearnu ovisnost protoka o diferencijalnom tlaku, a uzima u obzir i promjenu k-faktora i protoka s temperaturom u dolaznom i povratnom vodu. Uz uklanjanje promjene nultočke pojačala i promjene pojačanja pojačala, u svrhu smanjenja greške prilikom mjerenja u sustav mjerenja spajaju su još dva etalonska otpora uz svaki senzor (vrlo kvalitetni otpori koji gotovo da ne mijenjaju vrijednost u ovisnosti vanjskim faktorima). Očitavanjem vrijednosti dvaju senzora i četiri etalonska otpora u svakom mjernom ciklusu vrši se potom linearna interpolacija očitanih vrijednosti te se tako postiže samobaždarenje temperaturnih ulaza. Tako se bitno smanjuje pogreška uređaja nastala zbog promjene temperature okoliša i starenja komponenti. Ako uz to A/D pretvornik radi sa sukcesivnom aproksimacijom pogreška je još manja. Sklop sadrži i D/A pretvornik u svrhu dijagnostike, a njegov analogni izlaz može se uporabiti i za nešto drugo.

Osim toga u mjerač su ugrađeni dijagnostički elementi koji omogućavaju otkrivanje smetnji pri A/D pretvorbi. U tu svrhu koristi se poseban dijagnostički kanal koji izlazni analogni podatak dobiven iz D/A pretvornika vraća na ulaz A/D pretvornika kako bi se opet dobio binarni broj. Programski se može odrediti razlika koja se može tolerirati između originalnog ulaznog broja i broja dobivenog vraćanjem s izlaza. Da bi se sve navedene funkcije mogle realizirati, postoje različiti programi koji se moraju izvršiti u određenom vremenu i to:

Uzimanje uzoraka temperatura Uzimanje uzoraka etalonskog otpora Uzimanje uzoraka diferencijalnog tlaka Provjera D/A i A/D pretvorbe dijagnostičkim kanalom Provjera razumnosti izmjerenih vrijednosti Proračun svih izlaznih veličina Ažuriranje prikaza podataka Indikacija minimuma i maksimuma Ažuriranje totala u EPROM-u Ažuriranje analognih izlaza Ažuriranje digitalnih izlaza Indikacije smetnji rada

Dakle, dosta različitih programa a sve u svrhu ispravnog mjerenja i samostalne kontrole i korekcije. U memoriji računala upisuju se i čuvaju izmjerene vrijednosti koje se koriste upravo za korekciju sistemskih pogreški.

Temeljem navedenog može se zaključiti da je mjerenje ove vrste moguće raditi i bez uporabe računala, ali je neosporno da uporaba računala donosi niz poboljšanja, uz povećanje točnosti mjerenja i eliminiranja utjecaja okoliša te nudi i mogućnost obavljanja nekih drugih pomoćnih poslova. Neosporno je i to da računalo poskupljuje proces mjerenja, ali uz pad cijena mikrokontrolera te pojavu vrlo jeftinih univerzalnih instrumenata koji u sebi imaju A/D pretvornike i malo računalo i ovakva mjerenja su sve prisutnija.

Mali izlet u prošlost može nas podsjetiti kako se je nekad mjerilo na nekoj lokaciji u zadaći izrade nekakve karte ili trase pomoću mjerne letve i skupih optičkih instrumenata. Danas postoje ručni lokatori pozicije koji su u stanju za vrlo male pare, zahvaljujući razvoju tehnologije mikroračunala i senzora, prikazati poziciju gdje se nalaze 'u metar'.

Poboljšanje sustava sa zatvorenom petljom

U zatvorenoj petlji teži se da neka veličina bude što bliže željenoj ili postavljenoj veličini u automatskom procesu podešavanja (regulacija). Dakle, neki parametar želi se zadržati što bliže željenoj vrijednosti, odnosno regulirati što se najčešće realizira tako zvanim PID-algoritmom (Proporcionalni Integracijski i Derivacijski regulator). Nekad pneumatski i elektronički-analogni uređaji danas su u tu svrhu zamijenjeni digitalnim računalom, odnosno odgovarajućom programskom potporom. Takvi PID regulatori već postoje u standardnim mikroprocesorskim izvedbama.

Da bi se mogao prilagoditi konkretnim zahtjevima regulator se pri izgradnji najprije STRUKTURIRA što znači da mu se definira način rada za konkretno radno mjesto i odabir način rada bilo kao regulatora fiksne vrijednosti, regulatora omjera dvaju ulaznih analognih signala ili nešto drugo. Strukturiranjem se odabire vrsta regulacije PI ili PID, načina rada (normalan ili reverzan), područje regulirane veličine (na primjer od 10 V do 10'000 V), vrsta ulaznih signala, vrsta vanjske namještene vrijednosti, početni način rad i drugo.

Univerzalni regulatori rade tako da na primjer svakih 100 ms izvode po jedan osnovni ciklus regulacije. Programska potpora koja se nalazi u regulatoru omogućava realizaciju niza potrebnih funkcija kao što su:

Prikupljanje ulaznih signala Slanje izlaznih signala Izračunavanje regulacionog algoritma Komunikacija sa sklopom inteligentne upravljačke ploče Spremanje podataka u času nestanka napajanja Proračun potrebnih veličina pri odabiru struktura Podešavanje parametara struktura Niz samo-dijagnostičkih funkcija za otkrivanje greška Provjera stanja alarma Slanje upozorenja o greškama Komunikacija s koordinacijskim računalom

Sve navedene i još poneke poslove obavlja računalo u regulatoru, dok je inteligentna upravljačka ploča povezan s posebnim mikroprocesorom koji serijski komunicira s glavnim regulatorom za vrijeme svakog osnovnog ciklusa regulatora. Pored toga upravljačka ploča sadrži niz elemenata za prikazivanje i služi za postupak strukturiranja i parametriranja. Po obavljanju tog posla može se upravljačka ploča zamijeniti 'slijepom pločom', koja neće imati gotovo niti jedan element podešavanja i samo osnovne prikaze. Osim navedenog mora se omogućiti i ručno vođenje izvršnog uređaja u slučaju ispada regulatora iz rada.

Posebna prednost ovih univerzalnih regulatora je mogućnost da se oni na standardan način povezuju s različitim drugim elementima u cjelovite decentralizirane sustave za praćenje i vođenje složenih procesa, kojima je osobina da mikrokontroleri više ili manje autonomno obavljaju lokalne funkcije unutar cijelog složenog sustava. Stupanj povezanosti između pojedinih mikrokontrolera do potpune samostalnosti pa do neprekidne povezanosti s računalom u višem nivou. Svi zajedno tvore globalni sustav kao jedinstvenu cjelinu.