بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این پژوهش، دستیابی به یک سامانه جمعآوری داده مناسب برای کاربردهای صنعتی و به طور خاص یک سامانه جمعآوری داده برای استفاده در سامانه کنترل تحریک نیروگاه میباشد. سامانه های جمع آوری داده، به عنوان پل ارتباطی دنیای واقعی کمیتهای آنالوگ و دنیای پردازش دیجیتال بوده و در اغلب صنایع کاربرد وسیعی دارند. این سامانهها با نمونهبرداری از سیگنال آنالوگ، اطلاعات آن را به دادههای دیجیتال تبدیل و برای پردازشهای بعدی آماده می-نمایند و از این رو نقشی کلیدی در نتیجهی پردازش دارند. این سامانهها کاربردهای متفاوتی داشته و در هر کاربردی نیز به ویژگیهای متفاوتی نیاز دارند.
در این مقاله، سامانههای جمعآوری داده، ویژگیهای مهم و ساختارهای پیادهسازی آن بررسی شده و در پایان نیز یک سامانه جمعآوری داده متناسب با نیاز کاربردهای صنعتی و اتوماسیون پیشنهاد میگردد. سامانه پیشنهادی دارای 16 کانال آنالوگ ورودی با رنج مجاز ورودی قابل تنظیم در دو حالت ±5v و ±10v بوده که میتواند از هر کانال با دقت 16 بیت و سرعت 200ksps نمونهبرداری نماید. در سامانه پیشنهادی از پردازنده سیگنال دیجیتال TMS320F2812 استفاده شده که توان پردازشی آن 150MIPS بوده و میتواند پردازشهای معمول مورد نیاز در در اغلب کاربردهای صنعتی را با سرعت خوبی انجام دهد. همچنین سامانه پیشنهادی دارای مدارهای آمادهسازی سیگنال و ایزولاسیون سیگنال دیجیتال نیز می-باشد.
مقدمه
سامانههای کنترلی on-off - سامانههای رلهای - اولین سامانههای کنترلی مورد استفاده بودند که در صنایع به کار گرفته شدند. اولین سامانه کنترل کامپیوتری در سال 1959 جهت کنترل پالایشگاه به کار گرفته شد اما به دلیل عدم اعتماد به سامانههای کامپیوتری، از این سامانهها فقظ به صورت Set Point یا Supervisor استفاده میشد. از سال 1962 سامانههای کامپیوتری مستقیما در صنایع شیمیایی استفاده شدند و در پی پیشرفتهای بزرگ در صنایع نیمههادی و میکروالکترونیک، پردازندههای قابل اعتمادی تولید شدند که علاوه بر بهبود کارآیی، از قیمت مناسبتری نیز برخوردار بودند . - Uchida, 1990 -
این عوامل موجب رشد به کارگیری سامانههای کامپیوتری در صنعت گردید. امروزه با رشد انکارناپذیر صنعت نیمههادی و علم الکترونیک همچنین مزایای بسیار زیاد سامانههای دیجیتال و کامپیوتری، تنها گزینه مطرح جهت پیادهسازی سامانههای کنترلی در صنایع مختلف محسوب میشوند. کمیتهای فیزیکی موجود در صنایع مختلف ماهیت آنالوگ دارند و توسط مبدل ها و سنسورها به سیگنالهای الکتریکی آنالوگ تبدیل میشوند که جهت استفاده در سامانههای کنترل کامپیوتری بایستی به سیگنالهای دیجیتال تبدیل شوند.
فرآیند نمونهبرداری از سیگنالهای آنالوگ و تبدیل آن به دادههای دیجیتال را جمعآوری داده میگویند و سختافزاری که این وظیفه را بر انجام میدهد سامانهی جمعآوری داده یا به اختصار DAQ یا DAS نامیده میشود که نقش مهمی در کارآیی دیگر سامانهها دارد. در برخی کاربردها نیز این سامانهها، علاوه بر جمعآوری داده اقدام به پردازش آنها نیز مینمایند، در چنین کاربردهایی آنها را DAQP نیز مینامند - . - Abdallah et al, 2011
کاربرد سامانههای جمعآوری داده گسترهی وسیع و متفاوتی را در بر میگیرد که شامل مخابرات دیجیتال ، آزمایشهای فیزیک هستهای - - Toledo et al, 2003، کاربردهای پزشکی - . - Zhang et al, 2012، اتوماسیون صنعتی - Luan et al, 2012 - و غیره میشود و هر یک از این کاربردها، نیازهای متفاوت و خاص خود را دارد و برای هر کاربردی سامانه DAQ متناسب با نیازهایش طراحی و ساخته میشود. در ادامه ابتدا ویژگیهای مهم سامانههای DAQ در کاربردهای مختلف و ویژگیهای مطلوب DAQ برای کاربردهای صنعتی بررسی شده و پس از بررسی ساختارهای معمول پیادهسازی سامانههای DAQ، سامانهای متناسب با نیازهای DAQ در کاربردهای صنعتی پیشنهاد میگردد.
ویژگیهای سامانههای جمعآوری داده و ساختارهای پیادهسازی
سامانههای DAQ در حوزههای گوناگونی کاربرد دارند و در هر کاربردی نیز به ویژگیهای خاص خود را داشته و ساختاری متناسب با آن را خواهد داشت. گام اول در طراحی و ساخت سامانه DAQ، شناسایی ویژگیهای مهم و اصلی این سامانهها میباشد. در ادامه به بررسی مهمترین ویژگیهای DAQ که در کاربردهای مختلف میتوانند متفاوت باشند، پرداخته خواهد شد.
سرعت یا فرکانس نمونه برداری مطلوب، در کاربردهای مختلف، متفاوت است. در نگاه اول، سرعت بالا ویژگی مطلوبی برای سامانههای DAQ محسوب میشود اما در برخی کاربردها، به نمونه برداری با سرعت بالا نیازی نبوده و فقط بر پیچیدگی سامانه می افزاید. هر یک از اجزای DAQ اعم از مبدل های آنالوگ به دیجیتال - ADCs - ، حافظهها، واسط- های انتقال داده می تواند سرعت DAQ را محدود نماید بنابراین دستیابی به یک سامانه جمع آوری داده سریع مستلزم آن است که تمام اجزای سامانه سرعت بالایی داشته باشند.
درجه تفکیک بالا بیانگر دقت بالای اطلاعات دریافتی می باشد اما درجه تفکیک بیش از نیاز کاربرد مورد نظر نیز موجب افزایش حجم اطلاعات بی فایده خواهد بود ضمن اینکه با افزایش دقت مستلزم افزایش قیمت سامانه خواهد بود. درجه تفکیک داده ها در یک DAQ توسط ADCهای به کار رفته تعیین می شود. البته سایر اجزاء و ساختار سامانه نیز بایستی به گونه ای باشد که دقتی کمتر از دقت ADC نداشته باشد و باعث کاهش دقت سامانه نشود.
در بسیاری از کاربردها به نمونه برداری و جمع آوری داده مستمر نیازی نمی باشد بلکه فقط نمونه برداری از تغییرات سیگنال ورودی و ذخیرهسازی آن مدنظر می باشد یا اینکه در صورت مشاهده وضعیت خاصی اجرای یک وظیفهی کنترلی یا حفاظتی مورد نظر است. طبیعتا در چنین کاربردهایی نمونه برداری و ذخیره مداوم داده ها موجب نیاز به حجم بالای حافظه و همین طور فراهم آمدن حجم بالای داده های بلااستفاده و بلکه مزاحم خواهد بود. درچنین کاربردهایی، قابلیت نمونهبرداری هوشمند، از ذخیره داده های غیرضروری جلوگیری میکند.
در واقع الگوریتمهای نمونهبرداری هوشمند، یک فشرده سازی زمان واقعی1 را پیاده سازی می نماید - . - Angrisani et al, 2012 چگونگی انتقال داده یکی از ویژگی های اصلی DAQ به شمار می رود که از عوامل تعیین کننده سرعت DAQ و همچنین یکی از ویژگی های مورد توجه در انتخاب یک DAQ به شمار می رود. بستر انتقال داده مورد استفاده برای DAQ منحصر به فرد نبوده و با توجه سرعت و مسافت مورد نیاز برای انتقال داده تعیین می شود.
در گذشته از باس های استاندارد VME Bus و CAMAC استفاده می شد - - Ribas, 2002 اما امروزه استفاده از انواع باس PCI، ارتباط USB و یا استفاده از شبکه های کامپیوتری اترنت، معمول است که در این بین ارتباط USB و اترنت به دلیل قابلیت جابجایی DAQ و انعطاف پذیری بالاتر در ارتباط و انتقال داده از محبوبیت بیشتری برخوردار هستند - Abdallah et .al, 2011 - با استفاده از ارتباط اترنت، امکان ارتباط با فواصل طولانی و مانیتور و کنترل کردن یک سامانه از طریق اینترنت نیز امکان پذیر می شود.
البته با توجه به کاربرد مورد نیاز، ممکن است استفاده از بسترهای انتقال داده بی سیم رادیویی و GPRS نیز مفید باشد - . - Benghanem, 2010 در اغلب کاربردها، به دریافت و بررسی دادههای چندین سیگنال نیاز است بنابراین افزایش تعداد کانال های ورودی علاوه بر یکپارچه سازی تجهیزات، کاهش هزینه را نیز به دنبال خواهد داشت. علاوه بر این در برخی کاربردها نمونه-برداری همزمان2 از کانالهای ورودی نیز نیاز میباشد.
در برخی کاربردها ممکن است نیاز باشد در مواقع گوناگون مشخصات سامانه DAQ و معماری آن تغییر یابد در این مواقع اگر DAQ مورد استفاده قابلیت تغییر مشخصات را داشته باشد می توان با اندک تغییراتی در آن به مشخصات مطلوب دست یافت در غیر این صورت بایستی با یک DAQ جدید جایگزین شود. این ویژگی به عنوان قابلیت پیکره-بندی مجدد شناخته شده و میتوان آن را قابلیت ارتقاء DAQ و عدم وابستگی DAQ به سخت افزار آن در نظر گرفت.
