Teil 1

3. Messplatzautomatisierung
Virtuelle Instrumente im gesamten Design- und Produktionsprozess
Instrumentierung im Wandel der Zeit
Embedded PCs,
Echtzeit, modulare
Instrumentierung
(VXI, PXI)
Die Software wird
zum
Messinstrument
GPIB
Herkömmliche
Instrumentierung
Messen
Der Sensor erfasst eine physikalische Größe und liefert eine elektrische Größe.
Die Signal-Konditionierung (Signalanpassung) sorgt für geeignete Signaleigenschaften zur Ansteuerung
des Analog-Digital-Umsetzers.
Im ADU (Analog-Digital-Umsetzer, auch ADC: Analog-Digital-Converter) wird eine dem analogen
Spannungswert entsprechende Dualzahl bestimmt.
Das Interface überträgt den digitalen Wert, versehen mit den erforderlichen Steuersignalen zum
Computer.
Signalkonditionierung (1)
Begriff
Beschreibung
Sensoranregung,
Sensorversorgung
Manche Sensoren sind aktiv (Energie aus Messprozess). Passive Sensoren müssen eine
Versorgung in Form einer Gleich- oder Wechselspannung oder eines Stroms erhalten.
Messbrückenvervollständigung
Bei einer Viertel- oder Halbbrücke müssen die Bauteile zur Ergänzung zur Vollbrücke
nicht am Messort platziert sein (weniger Verkabelung und Störeinkopplungen).
Begrenzer
Zu hohe Spannungen oder Ströme können bei Überlastung oder Defekt des Sensors oder
durch fehlerhafte Verschaltung entstehen. Begrenzer-Schaltungen geben nur festgelegte
Maximalwerte ab (clipping) oder schalten bei Überlastung komplett ab (shut down).
Sample and Hold
Æ Abtast-Halte-Schaltung (Schalter-Kondensator-Kombination). Bei mehrkanaliger
Messung über einen Multiplexer kommt es zu einem Zeitversatz für die einzelnen
Kanäle. Ist jedem Kanal ein Sample-and-Hold zugeordnet Æ gleichzeitige Abtastung, die
Digitalisierung erfolgt im Anschluss nacheinander.
Verstärker
Verstärker (AMP: Amplifier) in der Messkette liefern eine Ausgangs-Spannung, die den
gesamten Eingangsbereich des ADU überdeckt. Abschwächer (attenuator): Verstärkung
kleiner als 1 (z.B. mit Spannungsteiler). Bei höheren Frequenzen können deutliche
Verzerrungen des Signals auftreten (Æ Einsatz von Tastköpfen).
Die Signal-Konditionierung (Anpassung, Aufbereitung) beschreibt die Funktionen, die
notwendig sind, um ein Mess-Signal vom ausgewählten Sensor aufzunehmen, störende
Einflüsse zu unterdrücken und die informationstragende Größe im Signal so
aufzubereiten, dass die Eigenschaften des Umsetzers optimal ausgenutzt werden.
Signalkonditionierung (2)
Begriff
Beschreibung
Isolierung
Die Isolierung dient zur Potentialtrennung zwischen Sensorsystem und
Auswerteelektronik bzw. Computer. Sie dient der Vermeidung vom Erd- bzw.
Masseschleifen (Einkopplung von Störungen), der Trennung von statischen Aufladungen
und der Sicherheit des Bedieners. Die Trennung kann induktiv (Transformator), kapazitiv
(Kondensatoren) oder optisch (Optokoppler, meist nur für digitale Signale) erfolgen.
Linearisierung
Bei vielen Sensoren ist der Zusammenhang zwischen Messgröße und Signalgröße
nichtlinear. Mit nichtlinearen Bauteilen (Diode, VDR) in analogen Schaltungen lassen
sich Nichtlinearitäten kompensieren. Statt der Linearisierungsschaltung wird oft eine
höhere ADU-Auflösung und nachfolgende numerische Linearisierung verwendet.
Multiplexer
Oft ist nicht für jedes Eingangssignal ein eigener Umsetzer vorgesehen. Die Signale
werden vom Multiplexer nacheinander zur Umsetzung durchgeschaltet. Daher ist in
diesem Fall keine gleichzeitige Messungen mehrerer Größen möglich. In der
Beschreibung eines Geräts wird oft nur die Summenabtastrate angegeben.
Filter
Ein Filter lässt bestimmte Frequenzbereiche durch und unterdrückt andere Bereiche. Am
häufigsten wird ein Tiefpass als Anti-Aliasing-Filter eingesetzt. Zur Unterdrückung von
Gleichspannungsanteilen wird ein Hochpass eingesetzt. Bei bekannter Signal- oder
Störungsfrequenz kann das Nutzsignal angehoben und Störungen unterdrückt werden.
Grenzwertschalter
Ein Grenzwertschalter auf der analogen Seite kann als Schutzschalter bei Überlastung
oder bei Störfällen verwendet werden, ohne den Rechner zu belasten.
Steuern
Über die Schnittstelle gibt der Computer seine Steuerinformation als digital codierten Befehl bzw. Wert aus.
Im DAU (Digital-Analog-Umsetzer, auch DAC: Digital-Analog-Converter) wird daraus eine elektrische
Spannung gebildet. Mit 8 Bit sind es 2^8=256 mögliche Stufenwerte. Es ergibt sich kein echtes kontinuierliches
Analogsignal, sondern ein diskretes 2^n-stufiges Signal.
Das Tiefpassfilter hat hier die Aufgabe, die bei der Wertänderung auftretenden Sprünge zu glätten. Am Ende
der Kette ergibt sich auf Grund von Trägheiten, Nichtlinearitäten und Lastschwankungen ein echt analoges
Signal.
Mit dem Verstärker wird der standardisierte Spannungsbereich des DAU (z.B. 0 bis 5V) an die Erfordernisse
der nachfolgenden Schaltungsteile angepasst (z.B. -10V bis 10V).
Auch die Steuerkette kann durch einen Multiplexer mehrkanalig betrieben werden. Dazu muss die Kette ab
dem DAU mehrfach vorhanden und jeweils mit einem Speicher versehen sein. Der Speicher hält den digitalen
Wert, während die anderen Kanäle neu eingestellt werden.
Bei der Steuerkette steht neben der Forderung nach einer variablen Spannung häufig auch die Forderung nach
größerer Leistung. Die analoge Spannung wird zur Steuerung einer Leistungsstufe (Leistungsverstärker)
verwendet.
Regeln
In einem System mit Messkette und Steuerkette kann man die Information, die der Sensor liefert, benutzen,
um daraus die Steuergröße bzw. die Steuersignale zu berechnen. Dadurch kann der Aktor den Prozess in
Abhängigkeit vom momentanen Prozesszustand beeinflussen. Diese Änderung wird sofort vom Sensor wieder
registriert und für neue Steuersignale verwendet. Dieser geschlossene Kreis heißt Regelkreis.
Lassen sich die Vorgabegrößen, die Prozessabläufe und das Zusammenwirken der Komponenten des Systems
durch Austausch von Programmteilen und durch die Einwirkung von Bedienpersonal verändern, spricht man
von Leiten.
PPG ...
Prozessperipheriegerät
Gerätekonzept
Um die Prozessperipheriegeräte (PPG) vom Controller (Steuer-Computer) unabhängiger zu machen, wird
zunehmend Intelligenz in das PPG verlegt. Bei Computern mit Standard-Betriebssystemen können Prozesse
nicht präzise zeitlich gesteuert werden. Durch die kürzeren Datenwege und Verwendung spezieller Prozessoren
lässt sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit steigern und eine zusätzliche Autonomie beim Ausfall von
Komponenten erreichen.
Das intelligente PPG enthält einen auf die Gerätefunktionen optimierten Computer. Der Steuer-Computer für
den Gesamt-Prozess, meist mit weiteren PPGs, führt über den Bus dann nur noch die folgenden Funktionen
aus:
• Geräte-Betriebssystem in PPG laden
• Geräte-Parametrierung in PPG laden
• PPG-Zustand abfragen
• Daten abfragen
Der Prozessor im PPG kann die
anfallenden Daten sofort verarbeiten.
Typische Bauformen von
Prozessperipheriegeräten sind:
• Computer-Erweiterungskarte
• Modulares System im Labor-Gehäuse
• Labor-Gerät
PC als Mess-Station
Virtuelle Instrumentierung
Schnittstellen
Typ
Bedeutung
Verbreitung
DAQ Einsteckkarten
Analog I/O, Digital I/O
groß
Schnittstelle an vielen
Messgeräten
groß
Einfache Schnittstelle an vielen
Messgeräten
groß
Digital I/O
gering
(ISA, PCI, PCMCIA)
IEEE 488 (GPIB)
(Standard Messtechnik-Bus)
RS-232
(z.B. COM1, serielle PC-Schnittstelle)
Parallele PC-Schnittstelle
(z.B. LPT1)
VXI, PXI, SCXI, CAN, etc.
Industriell groß
Speziellere Schnittstellen mit
höherem Durchsatz und zum
Einsatz unter rauen Bedingungen
Bussysteme
Bus
Bezeichnung
Beispiel
Reichweite
Parallel
Rechnerbusse
ISA, PCI, VXI
<1m
Nahbusse
IEEE 488
< 20 m
Feldbusse
CAN
< 1000 m
Fernbusse
LAN, WAN
< (>) 1000 m
Seriell
Technische Eigenschaften:
Busausführung
Parallel
Seriell
Leitungen
n (je nach Busbreiten)
1,2 oder 4
Leitungsart
Signal- häufig mit
Masseleitung verdrillt
Verdrillte Leitungen, Koax,
LWL (Lichtwellenleiter)
Datenübertragung
Bitparallel, wortseriell
Bitseriell, wortseriell
Datensicherung
Zusatzleitungen oder -worte Zusatzinformationen
Ausdehnung
< 20 m
> 20 m
Buskosten / m
Hoch
Gering
Topografien
RS 232
IEEE 488
DAQ Einsteckkarten
Ausprägung:
• ISA
• PCI
• PCMCIA
Kenngrößen:
•
•
•
•
•
•
•
•
Anzahl der Kanäle
(Summen-)Abtastrate
Auflösung (12 oder 16 Bit)
Trigger (digital, analog)
Sigle-ended (Eingänge gegen Masse)
Differential (Signal- und Bezugsleitung werden gemultiplext)
Verstärkung & Signalbereiche
DMA
Vorteile:
• Hohe Flexibilität
• Analog I/O
• Digital I/O
• Zähler, Zeitgeber
• Hoher Datendurchsatz
• A/D & D/A „im PC“
• Anbindung an schnellen Bus
(z.B. PCI) mit DMA
Nachteile:
• Treiberabhängigkeit
• Kurze Entfernungen
RS 232
S: Sender
E: Empfänger
Übertragungsparameter:
RS 232C zählt zu den ältesten und populärsten
Schnittstellenstandards (V24) . Die Datenübertragung erfolgt mit
Massebezug und setzt gleiche Potentiale am Sende- und
Empfangsschaltkreis voraus. Dies ist häufig technisch nicht gegeben.
Datenübertragung:
Logisch "1":
Logisch "0":
Leitungslänge:
Datenrate:
Teilnehmer:
mit "Handshake" asynchron, bit- und
byteseriell, unsymmetrisch mit Massebezug
-3 ... -27 V (-12 V)
+3 ... +27 V (+12 V)
bis 15 m
bis 115200 Baud
2
•
•
•
•
•
Baudrate (z.B. 9600 Baud)
Wortlänge (z.B. 7 oder 8 Bit)
Parität (Fehlererkennung)
Stopbits
Startbit
Vorteile:
• Viele Geräte verfügbar
• Relative große
Entfernungen
Nachteile:
• Langsam
• Nur ein Gerät anschließbar
RS 232 Kommunikation
RS 232 mit Hardware-Protokoll (Freikennung,
Handshake, Fehlererkennung, Beenden, etc.).
Bei Einsatz von Software-Protokoll werden nur
TD, RD und Masse benötigt.
„odd parity“ ... ungerade Zahl von Einsen
Bei RS 232 werden die Daten in so genannten
Rahmen übertragen, bestehend aus Start-Bit,
Daten-Bits, Paritäts-Bit und Stop-Bit(s).
Æ Rechnernetzwerke (serielle Kommunikation)
IEEE 488 (GPIB)
Standard Messtechnik Bus
Der IEEE-488-Bus wird zur Vernetzung und Steuerung von Messgeräten im
Laborbereich eingesetzt. Für ihn existieren unterschiedliche, von
verschiedenen Normungsinstitutionen und Herstellern vergebene Namen
(GPIB, HP-IB, IEEE-488).
Vorteile:
Informationen auf 16 Signalleitungen:
• Tausende Geräte
8 x Datenleitung, jeweils mit Masseleitung verdrillt (twisted pair)
• Spezialinstrumente
3 x Handshakeleitungen
• Sehr stabil durch 3
5 x Kontrollleitungen
Daten werden 8-bitparallel und byteseriell übertragen
Draht Handshake
Angeschlossene Gerät können die Funktionen Talker, Listener oder
• Relativ schnell
Controller haben.
• Bis zu 30 Geräte am
Der Controller diktiert die Funktion angeschlossener Geräte
Es können stets mehrere Listener, aber nur ein Talker aktiv sein.
Datenübertragung:
Logisch "1":
Logisch "0":
Leitungslänge:
Datenrate:
Teilnehmer:
Handshake, asynchron, bitparallel, byteseriell,
unsymmetrisch, mit Massebezug
TTL-Pegel
+3,5 ... 5 V
TTL-Pegel
0 ... + 0,5 V
bis 20 m
bis 1Mbyte/s
15
Nachteile:
• ?
Bus
IEEE 488 Bus
IEEE 488 Kommunikation
SCPI: Standard Commands für Programmable Instruments
Kommando
Beschreibung
Schicht
*IDN?
Identifizierung, Initialisierung
IEEE488.2
*TST?
Selbsttest
IEEE488.2
*TRG
Triggerung
IEEE488.2
:CONFigure?
Konfiguration
SCPI
:MEASure?
Abrufen des Messwertes
SCPI
Virtuelles Instrument
Teilaufgaben beim Messen (1)
Aufgabe
Beschreibung
Details
Instrumentieren
Unter "Instrumentieren" sollen alle die
Arbeitsschritte verstanden werden, die notwendig
sind, um die Gerätekomponenten zu einer
computergesteuerten Messeinrichtung
zusammenzufassen.
Einstellung von Übertragungsparametern
Aufbau der Kommunikationswege
Vergabe von Adressen
Abfrage von Identifikationsinformationen
Abfrage von Statusnachrichten
Rücksetzen von Gerätezuständen
Laden von Betriebssoftware in die Geräte
Laden von Bedienungssoftware
Parametrieren
Beim "Parametrieren" werden die erforderlichen
Geräteeinstellungen vorgenommen. Dazu gehören
z.B.:
Messfunktion, Messbereich, Auflösung
Triggerbedingungen, Taktrate
Strombegrenzung
Erfassen
Das "Erfassen" stellt den eigentlichen Messvorgang
dar. Aus den Einzelmessungen lassen sich
kompliziertere Verfahren bilden.
Auslösen und Messwert übernehmen
Ablauf- und Wiederholungsstrukturen
Fortschaltbedingungen
Sequenzen
Sichern
Operationen, die die erfassten Daten auf ein
nichtflüchtiges Speichermedium übertragen, so dass
die Daten auch nach Abbruch oder Beendigung des
Programms, bei Störungen, Stromausfall oder
Systemabsturz noch verfügbar sind.
Dateiausgabe
Parameter der Versuchsapparatur speichern
Datenbank (SQL, XML)
Internet (Web Service)
Teilaufgaben beim Messen (2)
Aufgabe
Beschreibung
Details
Verarbeiten
Beim "Verarbeiten" werden aus den erfassten Daten
neue Daten gewonnen.
Numerische Operationen
Logische Operationen ("gut-schlecht"Auslese)
Zeichenketten-Operationen (Datenformat)
Datenreduktion
Darstellen
Beim "Darstellen" geht es um die Weitergabe von
Information an den Benutzer oder Betreiber der
Einrichtung. Die Darstellung soll dabei meist parallel
zum Messprozess oder direkt nach dessen Abschluss
zur Verfügung stehen.
Wertanzeige, Tabellen-Ausgabe
Balken-Anzeige
Schleppzeiger für Minimum und Maximum
Diagramme verschiedener Art
Block- und Fliessbilder, Filmsequenz
Dokumentieren
Das automatische "Dokumentieren" spielt besonders
dort eine Rolle, wo standardisierte Versuchsabläufe
mit hohem Durchsatz gefahren werden (zu jeder Probe
ein Dokument mit Probenkennzeichen,
Versuchsbedingungen und Versuchsergebnissen).
Texte, Tabellen
Diagramme
Bilder
Logging
Abfahren
Maßnahmen, die notwendig sind, um die gesamte
Versuchseinrichtung in einen Zustand zu bringen, in
dem keine Schäden auftreten können. Zustand
anzustreben, aus dem heraus die nächste
Versuchsdurchführung mit möglichst wenig
Vorbereitung erfolgen kann. Bei "Off Line-Prozessen"
findet das Abfahren direkt nach dem Erfassen statt.
Bedienungselemente deaktivieren
Bewegliche Teile arretieren
Betriebsmittel entfernen
Reinigen
Zeitbezug
Der Zeitbezug beschreibt den absoluten Zeitplan oder das zeitliche Verhältnis der Teilaufgaben
des Messprozesses zueinander.
1. Off Line
Ein Messprozess läuft Off Line, wenn zwischen der Aufnahme der Messdaten (Erfassung) und dem Abschluss
der Nachbereitung entweder erhebliche zeitliche Unterbrechungen vorhanden sind, oder wenn Daten nicht über
Leitungen (oder Funk, Licht), sondern durch den Transport von Datenträgern übertragen werden.
2. On Line
Ein Prozess läuft On Line, wenn alle Daten unmittelbar nach ihrer Verfügbarkeit zur weiteren Verarbeitung
weitergegeben werden. Die Weitergabe muss automatisch erfolgen, als Information, ohne Transport von
Hardware. Eine ständig geschaltete Leitung ist nicht erforderlich.
3. Echtzeit (Real Time)
"Echtzeit" oder "schritthaltende Verarbeitung" fordert, dass auf jedes Ereignis, das eine Reaktion (Bearbeitung)
erfordert, die Reaktion innerhalb einer vorher festgelegten Zeitspanne einsetzt. Dadurch werden unkalkulierbare
Wartezeiten ausgeschlossen. Geht man einen Schritt weiter, dann wird man fordern, dass auch die Reaktionen
innerhalb festgelegter Zeitspannen abgeschlossen sein müssen.
Ablauf und Wiederholung
Sind mehrere Messungen erforderlich, dann stehen diese in einer bestimmten zeitlichen
Reihefolge. Außerdem können zwischen den Messungen Steueraktionen erforderlich sein.
Typ
Beschreibung
Beispiel
Einfache
Einzelmessung
Die Triggerquelle kann der Bediener der
Messeinrichtung, ein Computer oder ein externes
Signal sein.
Durch einen Mausklick wird eine
Temperaturmessung ausgelöst und der Messwert
in den Computer übernommen.
Geführte
Einzelmessung
Das System muss zuvor in einen festgelegten
Zustand geführt werden. Dabei sind
Steueraktionen notwendig oder es müssen
Wartezeiten eingehalten werden.
Nach dem Schließen des Türkontaktes eines
Klimaschrankes wird für 90s die Heizung
eingeschaltet und nach weiteren 30s die
Luftfeuchte gemessen.
Messfolge
Eine Messfolge liefert mehrere Messwerte, die
jeweils durch Einzelmessungen gewonnen und
durch separate Triggersignale gestartet wurden.
An einem Maschinenteil werden bei
mechanischer Belastung an mehreren Stellen die
dabei auftretenden Dehnungen gemessen.
Wiederholte
Messung
Die Messgröße wird mehrfach gemessen, ohne
jedoch den genauen Zeitbezug zwischen den
einzelnen Messung mitzuerfassen.
Um den Rauschanteil in einem periodischen
Signal zu verringern, wird es bei gleicher
Phasenlage mehrfach gemessen (Averaging).
Einfache
Messreihe
Bei einer Messreihe wird die interessierende
Größe mehrfach gemessen.
Die Spannung an einer Glühlampe wird jeweils
um je 1V erhöht und jeweils nach einer Wartezeit
von etwa 1s der Strom gemessen.
Parametrische
Messreihe
Zwischen zwei Messreihen wird eine Kenngröße
des Systems (Parameter) systematisch verändert.
Während einer einzelnen Messreihe bleibt dieser
Parameter konstant.
Bei der Aufnahme des AusgangsKennlinienfeldes eines bipolaren Transistors ist
der Basisstrom der Parameter (Abhängigkeit des
Ic von UCE).
Sequenzierung und Synchronisation
Der Erfassungsprozess setzt sich aus Aktionen (Steuersignal ausgeben, Messung starten, Daten
übernehmen) zusammen, die zum jeweils richtigen Zeitpunkt gestartet werden müssen.
Typ
Beschreibung
Beispiel
Freilaufende
Steuerung
Das Ende des einen Schrittes startet den nächsten
Schritt. Neben dem Takt des Computers spielen
Übertragungsgeschwindigkeiten, sowie Mess- und
Reaktionszeiten der Prozessperipherie eine Rolle.
Ein Multimeter liefert laufend neue
Spannungswerte. Beim automatischen
Umschalten des Messbereichs gibt es jeweils
eine längere Unterbrechung der Messwertfolge.
Folgesteuerung
Die angestrebten Prozesszustände sind vorher
festgelegt. Beim Erreichen der einzelnen
Zustände wird der jeweils nächste Schritt
ausgelöst.
Die Spannung wird um 1V erhöht und nach
einer Pause von 2s der Strom gemessen. Dann
beginnt der Vorgang von vorne, bis die
Spannung 20V überschritten hat.
Ereignissteuerung
Das Eintreten eines bestimmten Ereignisses löst
die Bearbeitung einer zugehörigen Prozedur aus
(Polling, Interrupt).
Bei jeder Unterbrechung der Lichtschranke soll
von der Waage ein Messwert übernommen
werden.
Taktsteuerung
Ein Taktgeber startet den jeweils nächsten Schritt
(Echtzeit-Betriebssystem, Messtechnik-Hardware
mit eigenen, unabhängigen Zeitgebern).
Alle 5s wird der Schrittmotor um 3 Schritte
weitergedreht.
TriggerSynchronisation
bei Abtastung
Werden mehrere Systeme durch ein gemeinsames
Triggersignal gesteuert, können sich durch die
unterschiedlichen Takt- und Reaktionszeiten der
Geräte und durch die Signal-Laufzeiten
Verschiebungen ergeben (Abtasttakt wird von
"Master" auf die beteiligten "Slaves" übertragen).
Programmierwerkzeuge
VEE
LabVIEW
T&M Toolkit
Measurement Studio
Entwicklung der Instrumentierung
Agilent VEE Blockdiagramm
VEE:
• Objektorientierte,
grafische
Programmiersprache
• Liefert unmittelbar ein
lauffähiges Programm
• VEE Runtime
Umgebung auf
Zielrechner notwendig
• Interaktive und intuitiv
Agilent VEE Front-Panel