Sistemi di Acquisizione Dati

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1 Sistemi di Acquisizione Dati Acquisizione dati Elaborazione dati Misure Processo pag. 1

2 Sistemi di telemisura e telecontrollo Si tratta di portare il segnale elettrico, che rappresenta la misura, dal sensore alla sala controllo. Problemi: Tipo di trasmissione: Analogica o Digitale? Massimo numero di sensori collegabili Identificazione dei singoli sensori data-base realtime dei sensori Quantità di dati da trasmettere e velocità di trasmissione Protezione da disturbi durante la trasmissione Conversione della misura da segnale elettrico in unità ingegneristiche Sensori intelligenti (Smart Sensors) pag. 2

3 Perché un sistema di acquisizione dati? Le misure dal processo devono essere raccolte in modo automatico: Senza lettura manuale In continuo In formato digitale, tali da poter essere direttamente utilizzate dal sistema di supervisione e controllo Uso delle misure Memorizzazione nell archivio storico dati, allarmi, interventi, etc. Elaborazione off-line presentazione grafica, medie, tendenze, etc. Elaborazione on-line gestione dell impianto in tempo reale Sistemi di elaborazione SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Sistema di controllo di processo evoluti pag. 3

4 Perché acquisire dati? Si vuole leggere la misura attraverso un PC per successive elaborazioni o controllo Lo strumento ha un uscita elettrica da cui prelevare la misura Si possono avere tre casi: Uscita analogica in tensione Uscita analogica in corrente (Loop 4-20 ma) Uscita digitale con protocollo seriale RS tradizionale RS più avanzato Nel primo caso si utilizza una conversione analogico-digitale locale Nel secondo caso si utilizza una conversione analogico-digitale remota Nel terzo caso si deve conoscere il protocollo di comunicazione ed attivare la porta seriale del PC compatibile con il protocollo (di serie c era solo la RS 232 ora sostituita dalla porta USB.). pag. 4

5 Acquisizione e trasmissione dati SENSORE Uscita analogica Uscita digitale Uscita in tensione Uscita in loop di corrente Linea seriale RS 232/USB Linea seriale RS Sistemi di Acquisizione dati DAQ Porta seriale standard Porta seriale specifica Bus di campo Porta seriale specifica Ethernet TCP/IP pag. 5

6 Sistema di acquisizione dati Conversione: fa corrispondere ad una tensione analogica in un 1 2 codice digitale con un numero finito di bit V = b 2 + b bit bit 12 bit Quantizzazione: gli infiniti valori di tensione analogica vengono rappresentati con un numero finito di codici digitali Livelli di quantizzazione: la tensione analogica viene quantizzata in 2 n valori Risoluzione: la più piccola differenza di tensione che produce n due codici digitali diversi nell ultimo bit R = V an n n bn 2 0 Tensione analogica DAQ Codici digitali pag. 6

7 Conversione Analogico/Digitale Segnale digitale ricostruito 111 Codici digitali Arrotondamento 1 LSB LSB Gradinata di quantizzazione Troncamento Quantizzazione: suddivisione del campo di tensione analogica in fasce, ciascuna corrispondente in un codice digitale tempo Risoluzione: ampiezza di ciascuna fascia R = 1 LSB = Range analogico numero di livelli ΔV = n tempo Tensioni analogiche Segnale analogico da campionare numero di bit necessari per ottenere la risoluzione R n = ln ( ΔV ) ln( R) ln( 2 ) pag. 7

8 Quantizzazione e risoluzione 4 1 n = 4 bit numero livelli = 2 = 16 R = 4 2 = V Tensione analogica Livelli digitali con 4 bit si possono risolvere 16 livelli di tensione diversi pag. 8

9 Sistemi di trasmissione dati Loop di corrente 4-20 ma Sistema analogico molto antiquato solo connessione punto - punto Linea seriale RS La più usata stessi limiti del loop di corrente: punto - punto Linea seriale RS Molto più potente della RS Alta velocità di trasmissione Connessioni multi-drop (una linea - molti sensori) Bus di campo Estensione della comunicazione ad interi sistemi Multi - punto Protocolli complessi Scalabilità e Interoperabilità pag. 9

10 Acquisizione locale dati in tensione Uscita analogica 0 1 V Scheda di conversione analogico/digitale PC-BUS Cavo schermato Sonda Strumento L acquisizione di un segnale di uscita analogico in tensione richiede una scheda di conversione analogico/digitale e DEVE essere effettuata localmente perché tale uscita è molto vulnerabile al rumore pag. 10

11 Acquisizione dati in loop di corrente Uscita analogica in loop di corrente 4-20 ma Scheda di conversione analogico/digitale Sonda 6.83 Strumento + Resistenza di terminazione - PC-BUS 6.83 Mediante il loop di corrente il segnale di uscita analogico in corrente ha maggiore immunità ai disturbi e può essere trasportato a notevoli distanze (centinaia di metri). Si può utilizzare la stessa scheda di acquisizione analogico/digitale e del caso precedente. Lo standard è 4-20 ma, con 4 ma che rappresentano lo zero analogico di misura. pag. 11

12 Loop di corrente 4-20 ma Sensore Trasmettitore Ricevitore Loop 4-20 ma Il loop di corrente è il più vecchio standard ANALOGICO di comunicazione di processo Indicatore La trasmissione in corrente è preferita a quella in tensione per: la bassa impedenza di linea minori disturbi la possibilità di inserire altri dispositivi aprendo il loop Il loop è generalmente 4 20 ma dove 4 ma 0 logico o zero analogico 20 ma 1 logico o fondo scala analogico 0 = mancanza di corrente viene interpretata come interruzione di linea Questo approccio è applicabile solamente a collegamenti PUNTO - PUNTO. Perciò non è idoneo per connettere molti sensori ad uno stesso sistema di controllo. pag. 12

13 Relazione fra misura e valore acquisito Strumento 6.83 Lettura in unità ingegneristiche Campo: ΔU i U i misura Si suppone che fra la misura ed il valore acquisito ci sia una relazione lineare Ui = m Ic + b corrente convertita Sonda Loop di corrente (analogico) DAQ Corrente convertita Campo: ΔI c I c pag. 13

14 Riscalamento del segnale Lo strumento produce una misura in tensione o in corrente (I c ) (Loop 4-20 ma), mentre vogliamo la lettura direttamente in unità ingegneristiche (U i ) Supponendo un legame lineare Ui = m Ic + Ottenute due condizioni di misura U i (1) e U i (2) a cui corrispondono le correnti I c (1) e I c (2) si ricavano i parametri (a,b) della retta m U i( 2 ) U i(1) = I ( 2 ) I (1) c c b b = U (1) mi i Unità ingegneristiche c U i (2) U i (1) I c (1) (1) = U ( 2 ) mi i c I c (2) Uscita del convertitore ( 2 ) pag. 14

15 Riscalamento del segnale con più misure Se invece di due sole misure, si dispone di un insieme di dati (rumorosi) si può effettuare una taratura a minimi quadrati, cercando la retta di regressione per l'insieme delle misure p=polyfit(ic,ui,1); Ui_LS=p(1).*Ic+p(2); 2.5 U i I c pag. 15

16 Esempio di riscalamento di un segnale Calibrazione sonda DO Vasca DO = Ic R = DO (mg/l) Ic (ma) pag. 16

17 Riscalamento di un attuatore (Turbina) Soglia di funzionamento a 1300 giri giri = ma Giri (rpm) Ic (ma) 17.5 pag. 17

18 Sonda Risoluzione in unità ingegneristiche Si considera la regressione segnale/corrente DO b ΔDO Rs Ic = RI = ΔIc = = R m m m 16 n 16 3 RI = 2 = = 10 n Strumento Risoluzione 0.01 mg/l R s = / 20 n? DAQ DO (mg/l) 10 0 DO n = 3 ln(10 ) ln( 2 ) 4 20 I DO = m Ic + b 0.01 = = DO = m = I c (ma) = m I c + b ma 10 Per mantenere la risoluzione dello strumento è necessario un convertitore ad almeno 10 bit b = 2.5 pag. 18

19 Acquisizione dati in protocollo seriale Porta seriale RS dello strumento Porta seriale RS del PC Linea seriale RS Mediante la linea seriale, la misura parte già in formato digitale e permette collegamenti a lunga distanza fra strumento e PC Sonda Strumento Lo strumento provvede a: rappresentare il dato in forma digitale compatibilmente con il protocollo concordato inviarlo sulla linea seriale con il protocollo concordato Il PC provvede a: inviare la richiesta di acquisizione e trasmissione del dato ricevere e decodificare il dato ricevuto pag. 19

20 Architettura di un semplice sistema di controllo sonde centraline Loop di corrente 4 20 ma attuatori Sistema intelligente di acquisizione e controllo LabView 8.0 Real-Time Collegamento Ethernet TCP/IP PC di supervisione WWW pag. 20

21 Scelte di collegamento complessità crescente Connessione diretta al bus del PC Questa scelta è valida per piccole installazioni (es. processi da banco, laboratori, etc.) quando la distanza fra elaboratore e sensori non è superiore a ~ 1m Connessione remota punto - punto via seriale (RS - 232) Quando il punto di misura è unico, non è troppo distante dal PC (diecine di metri) e non necessita di grande velocità di servizio Connessione multi-drop seriale (RS - 485) Quando i punti di misura sono molti, lontani fra loro e/o dal PC e si vuole ottenere un sistema espandibile, ma economico Connessioni via Bus di Campo Quando i punto sono molti, distribuiti, e necessitano di un protocollo di comunicazione complesso e veloce per ottenere un sistema ad alte prestazioni. pag. 21

22 Trasmissione seriale dei dati Trasmissione digitale di dati lungo una linea di trasmissione (coppia di fili) Seriale perché i vari bit vengono trasmessi uno dopo l altro sulla medesima linea Vantaggi rispetto alla comunicazione analogica Immunità ai disturbi Quantità di dati trasmissibili illimitata (con i dispositivi adatti..) Distanza di trasmissione illimitata (con i dispositivi adatti..) Alta velocità di trasmissione (dipendente dalle caratteristiche di linea ) La comunicazione seriale deve essere concordata fra trasmettitore e ricevitore. Questo accordo rappresenta il protocollo di trasmissione, che comprende: Formato del messaggio Velocità di trasmissione pag. 22

23 Protocollo di comunicazione seriale Il protocollo consiste in un accordo fra trasmettitore e ricevitore riguardante: Il formato del messaggio La velocità di trasmissione Il sincronismo fra trasmettitore e ricevitore (handshake) Il messaggio in genere è una stringa di caratteri ASCII comprendente: Header di inizio messaggio Identificativo del dispositivo Dati Terminatore di messaggio Linea seriale # \r Strumentazione remota ind Inizio messaggio Indirizzo del dispositivo Valore (Dati) Terminatore pag. 23

24 Standard RS e suoi limiti Lo standard RS è molto diffuso perché ogni PC dispone di una porta seriale (connettore maschio a 9 poli). 1 = 9 = GND 2 = RX 3 = TX Esso è limitato a comunicazioni punto - punto a distanza ravvicinata con inversione dei terminali 2 e 3 (null modem), a meno che non si impieghi un MODEM ed una linea telefonica o un collegamento a radiofrequenza. Modo di operazione: sbilanciato (riferito a massa) Numero trasmettitori: 1 Numero ricevitori: 1 Max. lunghezza del cavo: ~ 20 m TX Velocità massima di trasmissione: ~ 56 Kbaud? RX1 RX2 pag. 24

25 Standard RS Il protocollo RS è attualmente lo standard seriale più avanzato, consentendo comunicazioni verso molti punti di misura su grandi distanze Differenza con RS-232: Ricevitore e trasmettitore separati e indipendenti Consente la connessione di più dispositivi in parallelo sulla stessa linea (multi drop). Modo di operazione: bilanciato (non riferito a massa) Numero trasmettitori: 32 Numero ricevitori: 32 Max. lunghezza del cavo: oltre 5 km Velocità massima di trasmissione: 10 MBaud alimentatore ground shield TX RX Linea principale RS sensore TX RX sensore TX RX sensore terminazione di linea Dispositivi collegati in multi-drop pag. 25

26 Differenze fra i protocolli RS-232 e RS-485 RS-232: 15 m Collegamento punto - punto distanza limitata (15 metri max.) banda limitata (115.2 kbaud max.) TX RS-232 TD RD RTS GND RX RS-485: Collegamento multi-point mediante R multi-drop L distanza notevole (4 km ed oltre) RX/TX larga banda (10 Mbaud ed oltre) RS km RX/TX + - COM RX/TX R L pag. 26

27 . Coesistenza di protocolli RS-485 e RS-232 Sistema remotabile di acquisizione dati con uscita seriale RS-485 Linea RS-485 Il protocollo RS-485 permette il collegamento "multi-drop dei sensori sensori dal campo: mv, V, ma Termocoppie Ripetitore RS-485 sensori dal campo: mv, V, ma Termocoppie Il protocollo RS-232 è il più usato per il collegamento al PC, ma non permette di coprire lunghe distanze convertitore isolato da RS-485 a RS-232 Computer di processo Lunghezza massima di collegamento RS circa 15 m relay Digital a contatti I/O Per lunghezze superiori è necessario inserire un ripetitore sensori dal campo: mv, V, ma Termocoppie Lunghezza massima di collegamento RS circa 1 km pag. 27

28 Tipico modulo remoto di acquisizione dati Segnale analogico dal sensore Alimentazione Linea RS-485 pag. 28

29 Convertitori di protocollo RS-485/RS-232 Sistema di acquisizione dati con uscita in RS Convertitore di protocollo Linea RS-485 (doppino avvolto) Linea RS-232 (connettore a 9 poli) pag. 29

30 USB: Universal Serial Bus Erede attuale del vecchio standard seriale RS 232 Impressionante aumento di velocità: fino a 12 Mb/s (USB2) Il sistema USB è asimmetrico, consiste in un singolo gestore e molte periferiche collegate da una struttura simile ad un albero attraverso dei dispositivi chiamati hub (concentratori). La lunghezza massima di cavo è di 5m; oltre questo limite è necessario ricorrere ad uno o più hub attivi che amplifichino il segnale. Si possono alimentare direttamente le periferiche a basso consumo. Le periferiche che hanno richieste energetiche elevate vanno alimentate a parte. pag. 30

31 Sistema di acquisizione dati via USB pag. 31

32 Acqusizione dati remota più complessa Se i sensori remoti sono molti e le operazioni da compiere complesse, il sistema seriale necessita di maggiore intelligenza Ciascun blocco di sensori o punti di controllo viene servito da un sistema dotato di notevole capacità di acquisizione e controllo Control Panel Flow STOP Pressure Alarm Conditions Temperature Il sistema Field Point di National Instruments Industrial Network N N N N N N N N N pag. 32

33 Modularità del sistema Field-Point Il sistema Field-Point è composto da vari moduli che possono essere assemblati su una barra DIN a secondo delle necessità I/O Modules Terminal Bases Network Modules pag. 33

34 Field Point come acquisizione remota Temperature Pressure Alarm Conditions Flow STOP Control Panel RS-232 RS-485 Ethernet Temperature Flow Control Panel Pressure Alarm Conditions STOP Field Point Segnali dal campo Processo Dispositivo remotabile verso il punto di misura In grado di effettuare sia acquisizione che controllo La comunicazione con il PC avviene attraverso una linea seriale Il dispositivo può accogliere molti segnali dal campo, purché i collegamenti analogici non siano troppo lunghi pag. 34

35 Connettività su rete Ethernet Modulo di collegamento su rete Ethernet: FP-1600 Compatibile con il protocollo TCP/IP 10 Mbps e 100 Mbps Event-driven communications Instant data connectivity to network, intranet, and Internet 10Base-T or 100Base-TX pag. 35

36 Compact Field Point Versione aggiornata Real-Time Possibilità di operare in Real- Time Funzionamento intelligente autonomo dopo aver scaricato a bordo il software di controllo Il sistema viene visto come periferica ethernet contrassegnata da un indirizzo IP Può essere interrogata mediante ftp con un normale browser internet (es. MS Explorer) Configurabile Possibili moduli: I/O analogici (corrente e tensione), Termocoppie, PWM, visione, controllo assi, etc. LabView 8.0 Real-Time Moduli I/O CPU pag. 36

37 Il Bus di Campo: quando la seriale non basta I sensori sono molti e complessi Ciascuno di essi ha un proprio standard elettrico di segnale e diverse unità ingegneristiche E necessario unificare la comunicazione fra unità diverse per caratteristiche e fabbricazione La rete di processo deve essere affidabile, facilmente visibile dal sistema di processo, espandibile e modificabile Ogni sensore deve essere identificabile nel data base del sistema di processo Esso accede alla rete tramite un dispositivo che realizza il protocollo di comunicazione della rete. pag. 37

38 Cosa è un Bus di Campo Un sistema di comunicazione seriale standardizzato per scambiare dati fra dispositivi di processo e controllori ad ogni livello Vantaggi rispetto alla connessione seriale semplice: Risparmi sui costi di cablaggio e manutenzione Connessioni più semplici: il mezzo fisico di trasmissione può essere una normale linea seriale (es. RS-485) con connettori standard e inserzioni multi-drop Standardizazione: i protocolli di comunicazione sono vendorindependent, in tal modo il bus è aperto a qualsiasi interconnessione. Modularità: è la conseguenza dell utilizzo del modello OSI (Open System Interconnection) per progettare l architettura di rete e dei protocolli. pag. 38

39 Prima e dopo il Bus di Campo Prima: Collegamenti punto-punto con drivers specifici Dopo: Collegamenti standardizzati attraverso bus di campo Application X... Application Y Application X Bus Interface... Application Y Bus Interface Bus di campo PLC DCS CONTROLLER OGNI APPLICAZIONE RICHIEDE UN PROPRIO DRIVER COSTOSO INEFFICIENTE RISCHIOSO PLC DCS CONTROLLER STESSA INTERFACCIA PER OGNI APPLICAZIONE DRIVERS STANDARDIZZATI ARCHITETTURA CLIENT/SERVER AUMENTA LA SICUREZZA pag. 39

40 Architettura di un Bus di Campo Inventory Production Management Quality Distribution Protocolli general purpose Ethernet TCP/IP Windows Ethernet TCP/IP Windows Production Control HMI/SCADA Protocolli proprietari ModBus PROFIBUS N N N Distributed I/O Data Acquisition N N PLC N Smart Instrumentation pag. 40

41 Sistemi Bus di Campo dedicati Sistemi concepiti espressamente per collegare periferiche di misura per impianti di depurazione Rappresentano l interfaccia indispensabile fra il sensore ed il sistema di elaborazione dati Vantaggi Semplificano la costruzione di un sistema di misura integrato Compatibilità con protocolli standard (ModBus, Profibus) Svantaggi Protocolli interni proprietari Costo Prodotti commerciali proprietari SC-100/SC-1000 (Hach Lange) IQ Sensor Net (WTW) pag. 41

42 IQ- Sensornet (WTW) The IQ SENSOR NET is a modular measuring system for online analysis. Modular means that the essential functional units of the measuring system are distributed in components that can be individually compiled for special applications. The essential functional units of the IQ SENSOR NET system 2020 XT include: Terminal/controller IQ sensors Inputs (current inputs) Outputs (relay contacts, current outputs, valve outputs) Additional terminals (mobile terminals, software terminal) Help functions (e.g. power supply unit). The functional units are connected with one another via a common line The line consists of two wires and a shield. It transports digital information between the controller and the other modules. At the same time, the line is used to supply all modules with electrical voltage from a power supply unit. The power supply unit is only required for the power supply and is not used in the system communication. pag. 42

43 Unità funzionali di IQ - Sensornet pag. 43

44 Esempio di configurazione di rete IQ-Sensornet Unità di visualizzazione (opzionale e mobile) Centraline di gestione del sensore e di comunicazione attraverso la rete Sensori pag. 44

45 Estensione Wireless pag. 45

46 Sistema SC-100/SC-1000 (Hach Lange) SC stands for Standard Controller, i.e. a modular Controller Platform, offering a consistent and extendable platform for Single Sensor Operation Multiple Sensor Multiple Parameter Operation Comprehensive Network solutions for Multiple Measuring Points enabling the Integration of External analogue Sensors pag. 46

47 Componenti principali The SC platform consists of two Standard Controller SC100 Designed for Stand alone solutions for up to two parameters SC1000 Designed for Stand alone solutions for up to eight parameters Network solutions based on the sc1000 Bus pag. 47

48 SC-1000 Operates up to eight SC-sensors Dissolved oxygen, Susp. Solids, Nutrients,... Integration of external signals Analogue and / or Digital Extended mathematical functions Control functions, Power, Root, Logarithm, Timer Data Transmission, Remote Control, Event Message GSM Module optional Intuitive operation Display with touchscreen Extendable Ability to build up sc1000 Network Bus proprietario SC-1000 pag. 48

49 SC-1000 Bus pag. 49

50 Interfacciamento fra bus diversi pag. 50

51 Architettura di un sistema di processo MANAGEMENT LEVEL PLANT-WIDE CONTROL ETHERNET WWW GATEWAY ACCESSO CASUALE FACTORY LEVEL SINGLE SYSTEM CONTROL GATEWAY BUS DI CAMPO SOFTWARE INTERRUPT TIMING FIELD LEVEL SINGLE-LOOP CONTROL HARDWARE INTERRUPT pag. 51

52 Controllo distribuito di un depuratore I sistemi di acquisizione dati comunicano con il PC di processo attraverso una rete digitale (bus di campo) inviando i dati dai sensori e ricevendo comandi per gli attuatori Bus di campo PC di processo N N N Sistemi di acquisizione dati Sensori Fisher Processo pag. 52

53 Flow Possibile architettura di controllo Temperature Libreria Regolatori Libreria Modelli Control Panel STOP Pressure Alarm Conditions Sistema SCADA ed elaborazione di processo Bus di campo N N N N N N N N N N N N F NO 3-, ORP, ph ph, DO, NH 4+, SS SBH pag. 53

54 Impianto Pilota di San Giusto Piccolo processo strutturato come il depuratore principale di San Colombano: Pre-Denitro + Ossidazione Utilizzato per lo studio della gestione dell impianto principale Soggetti coinvolti: Il pilota è stato fornito da ENEA, La strumentazione dal Comune di Firenze (ora PubliAcque) Il Software di controllo è stato sviluppato dal Dipartimento di Sistemi e Informatica (tesi di laurea dell Ing. Riccardo Testi) pag. 54

55 Configurazione dell impianto pilota pag. 55

56 Misure di processo pag. 56

57 San Giusto Strumentazione Quadro indicatori delle principali misure Pompe peristaltiche (Alimentazione e ricircolo) pag. 57

58 Rete di processo del pilota di San Giusto sensori Control Panel Temperature Flow segnali Temperature Pressure Alarm Conditions Flow Control Panel PC Pressure Alarm Conditions STOP STOP DAQ PLC cavo seriale processo Nel caso di sensori concentrati, anche un PLC può fungere da front-end, provvedendo a Conversione segnali dai sensori Gestione bus di campo costituito da una semplice linea seriale Il PLC ha i seguenti vantaggi alta autonomia di controllo (è possibile trasferire sul PLC programmi di controllo anche di notevole complessità, che girano anche senza la supervisione del PC) alta velocità di reazione (fino all ordine dei μs) pag. 58

59 Il Processo Pilota di San Giusto Necessaria per la gestione della comunicazione fra PLC e PC Rappresenta il front-end dei vari sensori pag. 59

60 Esempio di PLC come rete di processo Convertitori Analogico - Digitali dai sensori PLC Siemens S7-300 Cavo di comunicazione seriale verso il PC pag. 60

61 Pannelli del programma di supervisione Pannello principale: è quello fondamentale, da cui si accede a tutti gli altri e che va inizializzato per primo Pannello parametri: necessario per la taratura e riscalatura dei sensori utilizzati; Pannello aerobica: riporta l andamento di temperatura (TEMP), ossigeno disciolto (DO), potenziale di ossidoriduzione (ORP) e ph della vasca aerobica; Pannello anossica: riporta l andamento di temperatura (TEMP), ossigeno disciolto (DO), potenziale di ossidoriduzione (ORP) e ph della vasca anossica; Pannello misuratori di portata: riporta l andamento temporale delle portate; Pannello inverter: riporta l andamento della frequenza dell inverter mono che comanda la portata di ricircolo dal sedimentatore; Pannello fanghi: permette la temporizzazione della pompa per lo spurgo dei fanghi di supero; Pannello dosaggio acetato: permette la temporizzazione della pompa che fornisce l acido acetico in vasca anossica; Pannello allarmi: visualizza i casi di allarmi che occorrono durante il processo; pag. 61

62 Programma di supervisione pag. 62