Sistema di acquisizione dati

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1 Sistema di acquisizione dati Ci sono innumerevoli ragioni sul perché é necessario acquisire informazioni dal mondo esterno: 1. Il controllo dei processi fisici che interessano la produzione industriale (pressione, temperatura, velocità etc). 2. la necessità raccogliere grandi quantità di dati per studiare fenomeni complessi legati, ad esempio ai cambiamenti climatici o per eseguire previsioni meteorologiche, la necessità di seguire misure di parametri ambientali. 3. Per rispondere alle richieste dell industria e della ricerca, negli ultimi decenni hanno visto sempre più largo impiego i sistemi di controllo e di misura basati sui Personal Computer, sui controllori a logica programmabile (PLC) e sui microcontrollori. Tra i principali vantaggi derivanti dall uso di tali tecnologie si ricordano: la possibilità di collegare in rete più unità di controllo e di elaborare grandi quantità di dati in modo da intervenire in tempo reale sul processo controllato; la possibilità di risolvere problemi complessi con costi ridotti. pag.1

2 mondo fisico analogico sottosistema di misura Convertito re A/D interfaccia Hardware Personal Personal computer o sistema dedicato sistema a microprocessore sottosistema di controllo interfaccia hardware uscite digitali attuatore convertit ore D/A attuatore sottosistema di uscita mondo fisico Lo schema in figura é uno schema di natura generale nel senso che permette di schematizzare tutte le situazioni possibili. Il sottosistema di misura o di acquisizione dati collega il campo reale con il mondo astratto di rappresentazione delle grandezze fisiche rilevate, ciò é realizzato mediante sensori o trasduttori analogici e digitali. Se il segnale é rilevato mediante trasduttori analogici(esempi:termocoppie, termoresistenze, sensori di umidità) é necessario utilizzare un convertitore A/D affinché il segnale possa essere trasformato in un segnale. E chiaro che se il traduttore é (un esempio é l encoder che é un di velocità) non é necessario alcun pag.2

3 dispositivo di trasformazione. Il sottosistema di controllo si occupa invece della memorizzazione ed elaborazione dei dati acquisiti dal sottosistema di misura. Questo sottosistema é in genere un sottosistema programmabile. Il sottosistema di uscita o di distribuzione genera i segnali analogici e/o digitali che controllano tutti i dispositivi di attuazione(motori, relé,,elettrovalvole etc). Le applicazioni sono le più disparate e vanno dal semplice monitoraggio di una grandezza fisica al controllo e monitoraggio di centinaia di segnali nei processi più complessi. Anche il costo dei sistemi di acquisizione dati è notevolmente diversificato in funzione della precisione e dell'affidabilità che si desidera realizzare. La catena che consente l'acquisizione di un segnale viene detta <<canale>>. I sistemi di acquisizione dati possono essere: 1. a singolo canale; 2. multicanale, con trasmissione analogica oppure con trasmissione del segnale. pag.3

4 Sistemi di acquisizione a singolo canale I SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI A SINGOLO CANALE presentano la struttura mostrata in figura seguente: condizionamento: linearizzazione uscita Tranne che per alcuni tipi particolari, come gli encoder, l'uscita dei trasduttori è generalmente un segnale analogico continuo, cioè un segnale che varia con continuità nel proprio range. È il caso, ad esempio, della tensione in uscita ad un di temperatura: essa varia con continuità dal valore minimo al valore massimo, assumendo tutti i valori intermedi. Per completare il percorso e ottenere un segnale, occorre: condizionare il segnale, in modo che le sue caratteristiche siano tali da consentirne la conversione in un codice nelle condizioni migliori di precisione; quindi selezionare un determinato numero di campioni, utilizzando un apposito circuito di campionamento detto di sample and hold (); infine convertire ciascuno dei campioni in un codice e ciò viene realizzato da un apposito dispositivo di conversione, il CONVERTITORE ANALOGICO DIGITALE (Analog to Digital Converter). Nel caso in cui il sistema di acquisizione dei dati preveda la presenza di un PC, condizione normale nelle applicazioni odierne, è la CPU del sistema che gestisce il canale; essa decide i tempi in cui prelevare i campioni, avvia il processo di conversione, aspetta il tempo necessario perché la conversione sia ultimata e acquisisce infine il dato. pag.4

5 Sistema di acquisizione multicanale con trasmissione analogica del segnale. Nel caso in cui devono essere acquisisti un numero maggiore di segnali sono necessarie STRUTTURE MULTICANALE; la figura seguente mostra la struttura multicanale più comune che utilizza un multiplexer analogico (AMUX). 1 condizionamento :...altri canali multiplexer analogico AMUX logica di controllo uscita... Nell'architettura multicanale il circuito di campionamento () e il convertitore sono comuni a tutti i canali e provvedono quindi alla conversione di tutti i segnali; essi svolgono tale funzione utilizzando, per ciascuno dei segnali da convertire, intervalli di tempo diversi, sotto la supervisione di un'unità di controllo che generalmente è il computer. La funzione di instradamento dei diversi segnali in un unico percorso di conversione è svolta dal multiplexer analogico che è in grado di connettere l'uscita a quel particolare ingresso che risulta selezionato per mezzo di un codice applicato ai suoi ingressi di selezione. I vantaggi presentati da un'architettura di questo tipo derivano essenzialmente dalla presenza di una sola struttura di conversione; ciò consente di limitare i costi del sistema di acquisizione dati in quanto il dispositivo che ha il costo maggiore del sistema è il convertitore analogico/. Si potrebbe pensare, però, che utilizzare un solo implichi necessariamente la scelta di un dispositivo di elevate prestazioni, che deve avere la velocità necessaria a servire più canali. In realtà tale limite non è molto significativo in quanto la maggior parte dei segnali presenti in un processo industriale sono lentamente variabili nel tempo, cioé fanno parte della classe dei segnali in continua(dc class signal). In altri termini lo spettro di tali pag.5

6 segnali é essenzialmente uno spettro che non investe assolutamente le alte frequenze e che parte,in genere, dalla frequenza nulla. II punto debole dell'architettura presentata consiste nel fatto che il segnale è trasmesso in forma analogica. Cerchiamo di capire meglio il problema. In genere il segnale che deve essere acquisito è un indicatore della condizione o stato di un processo industriale o di una condizione ambientale. Tale indicatore deve essere acquisito, in modo da poter essere utilizzato, ad esempio, per realizzare il controllo del processo o per monitorare la situazione dell'ambiente. In genere l'attività di controllo o di monitoraggio non si svolge nello stesso luogo in cui é in cui é in atto il processo, ma é realizzata in un luogo diverso. È necessario allora trasferire, cioè trasmettere, il segnale al sistema di controllo o monitoraggio. Nell architettura presentata chiamata architettura multicanale con trasmissione analogica del segnale la parte del sistema che è in prossimità del luogo in cui è presente la grandezza da acquisire è composta dal e dai circuiti di condizionamento del segnale. Questi ultimi sono infatti dedicati a ciascun segnale e non possono essere comuni. Il problema della trasmissione si aggrava per il fatto che normalmente l'ambiente attraversato dalla linea di trasmissione è un ambiente industriale o comunque un ambiente in cui sono presenti un gran numero di fonti di rumore. In fase di trasmissione il segnale è soggetto a rumore, determinato dall'accoppiamento della linea di trasmissione con i campi elettromagnetici ed elettrostatici esterni. Se l'acquisizione del segnale deve avere un senso è necessario che il rumore non abbia dimensioni tali da inficiare il contenuto informativo del segnale; per questo motivo si devono utilizzare tecniche di isolamento e di filtraggio che rendano la trasmissione immune dal rumore. La realizzazione di tali tecniche rappresenta in genere la parte di costo maggiore del sistema di acquisizione dati. SISTEMA DI ACQUISIZIONE MULTICANALE CON TRASMISSIONE DIGITALE DEL SEGNALE Se si realizza la trasmissione subito in formato rendo il segnale poco immune al rumore. Una trasmissione richiede tuttavia che ciascun segnale analogico sia convertito in un codice e necessita di apparati di trasmissione e di ricezioni appositi, io grado di controllare e sincronizzare la trasmissione; si tratta, cioè, di una tecnica più complessa di quella prevista per la trasmissione analogica. Lo sviluppo della tecnologia di integrazione e l'uso sempre più massiccio di sensori a semiconduttore ha reso possibile l'integrazione in un solo componente. Questo componente é chiamato SMART TRANSDUCER. Nello SMART TRANDUCER é pag.6

7 cablato l elemento sensibile,il circuito di condizionamento e il convertitore analogico rendendo l architettura precedente obsoleta. L architettura é allora questa di pagina seguente. trasducer condizionamento: linearizzazione etc condizionamento: linearizzazione etc trasmett itore trasmett itore ricevi tore ricevi tore c a n 1 c a n 2 multiplexer DMUX uscita altri canali La CPU deve gestire la comunicazione dei vari canali i codici associati ai singoli canali. fornendo al multiplexer Oggi si tende a mettere tutti i sensori in rete semplificando la struttura del canale trasmissivo. Ciascun sensore deve essere però munito di una vera e propria CPU in grado di gestire la comunicazione in rete. La topologia a bus é quella più utilizzata. I trasduttori sono dotati di un microcontrollore dedicato alla elaborazione dei segnali digitali. Tali micro sono chiamati DSP(digital signal processing) in grado di gestire protocolli affidabili e complessi per la connessione in rete. bus communication pag.7