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自動化資料擷取與監控發展簡介

蔡 明 忠

國立台灣科技大學 工程技術研究所自動化及控制學程 /自動化及控制中心 副教授

TEL:02-27376286 FAX:02-27376799

E-mail: mjtsai@mail.ntust.edu.tw

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Communication, network

Development of sensing and control

Centralization control

DCS, PLC, Remote I/O

Communication, network Distributed,

Open architecture,Intelligent, Smart I/O

3

4

傳統分散式控制架構

MES 資料伺服器工作站分散式控制管理系統

I/O 及控制器( )於此加入控制邏輯

感測器及驅動器

電氣匯流排

資訊區域網路

系統管理層

單元控制器層

裝置層

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以個人電腦及控制網路為基礎之控制架構

個人電腦

場區匯流排、控制網路

控制系統

類比輸入 類比輸出 類比輸出

加熱器 流量閥熱電偶

數位通訊

數位輸入

開關

通訊晶片及

微控制器

個人電腦

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Remote Data Acquisition

• . Intelligent sensor to controller / computer• . Built-in RS-232/RS-485• . Built-in Microprocessor• . Programmable I/O• . Wireless - Radio modem module• . Network - Ethernet, control area network(C

AN), Lonwork, • . Open architecture - • . Friendly MMI (HMI: Human Machine Interfa

ce)

7

OPEN I/O Architecture

8

• Open_Control is a programmable controller which is designed based on the LonWorks communication technology.

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Field Bus systems in open network

1.ARCNET(Attached Resource Computer Network)

2.PROFILBUS(PROcess Field Bus)

3.Interbus S (EN50254)

4.SERCOS (Serial Realtime Communication System)- www.sercos.org

5.CAN(Control Area Network) – www.can-cia.de

6.IEEE1394(Firewire) - www.1394ta.org

7.Industrial Ethernet –

8.EIB (European Installation Bus)

9. Lon work(Local Operating Network)

10.others - Controlnet, WorldFIP, AS-interface

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Future Development

• .Powerful faster host CPU and accessories• .Friendly MMI(HMI), PC-based, Window-based• .Opened Communication , Network , shared

database• .Reliability Hardware/ software• .Low cost competitive, compatibility• .Smarter intelligence( Intelligent ) I/O, DSP,

distributed• .Smaller Micro sensor, Micro-mechatronics

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智慧型 I/O 與傳統 I/O 最大的區分，在於它具有類似控制系統之運算、控制及通訊功能以及處理能力，而非只是結合了驅動器及感測器或是結合多種感測器在一起的轉換器。

致動器 感測器

機構介面

控制系統

控制法則

應用上的知識

轉換器

智慧型 I/O 簡介

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Sensor/transducer

Analoguesignal

processing

A/Dconverter

Digitalprocessing

D/Aconverter

Analogue

data

Analogue

data

Control Control

Digital data

Analgue outputDigital output

Input

Fig7 (741x419x256 gif)

A smart sensor module

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資料擷取系統簡介

1. 何謂資料擷取系統？

2. 資料擷取系統的發展歷史

3. 資料擷取基本原理

4. 資料擷取軟硬體系統

6.PC-based Control Net

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廣義的資料擷取系統：量度、控制與通訊

量度系統：將感測器送來的信號作轉換及前置處理 ，化作類比數位轉換電路所能處理且解析度最佳的信號， 透過電腦運算出量度物理量的數值， 透過人機介面或輸出介面送出訊息。 控制系統： 可能接收到的是反饋信號，除了與量度系統同樣進行感測之外，電腦的軟體還必須負責控制器的功能，決定適當的輸出，驅動致動器來進行控制。

資料擷取系統簡介

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資料擷取是為量測真實訊號 ( 物理現象 ) ，如透過電壓將訊息帶入電腦中來處理、分析、儲存或者做其他處置。物理現象 : 如速度、溫度、濕度、壓力、流速、酸鹼值、啟動停止、放射能、光度等轉換器與感測器 : 物理現象 -> 電子訊號，如熱電偶為一轉換器，將溫度轉換呈電壓大小，即可以類比 - 數位轉換器量測，或如應變錶、流速儀與壓力錶等轉換器，分別可以量測力量、流速與壓力。

資料擷取用途

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資料擷取系統與時代潮流

•過去的量測元件原理限於機械電磁的運作，整體的 量測必須在獨立的儀器上進行

•數位技術發展，除了使儀器上能進行分析外，在整合 性上也有了很好的進步，產生了儀器與儀器或電腦 相連接的自動化量測系統（如 RS232 或 GPIB ）

•後來則有 AD/DA 卡為中心的量測控制系統，而更進 步的資料擷取系統，則是如 VXI 的高級量測系統作 為代表。

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Evolution of Instrumentation

PC

TV

Radio

Clock

Time

Fle

xibi

lity

0

50100

2575

Scope(Digital)

CRT

Transistor

Vaccum tube

IC/ASIC

VI

Analog

Electronic

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以下為各時代的資料擷取特色：

1. 類比儀器（所有功能在單一機體）

2.IEEE 488 介面及可擴充的儀器（數位化、儀器之間的通訊、資料傳輸）

3.AD/DA 、 GPIB 卡加上電腦軟體

4.VXI 系統（儀器插卡化、電腦本身規格的提昇、免去連線的問題、通訊速率的提昇）

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資料擷取基本原理

類比到數位的轉換中有兩個重要的參數：解析度（ Resolution ）及取樣率 (Sampling Rate) 。

•解析度 : 即為經過數位轉換後所造成的量化誤差，因為在電腦中紀錄資料的位元組是 有限的，以 MIO 卡的類比／數位轉換埠而言，如 10V 的輸入電壓可以 12Bits 來紀 錄，意即它的精確度的極限是：

10/212=0.224mV

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資料擷取基本原理

與解析度相關的前置處理是放大倍數，通常會將輸入信號放大轉換區間，如信號大小為 0.1V ，而類比／數位轉換埠最大輸入為 10V ，則可放大 100倍，以減少誤差 ( 提高解析度 ) 。

•取樣率： （信號的頻率） × （點數 / 一週期波形）＝取樣率 •Nyquist Theorem : 取樣率至少為信號頻率大小兩倍 .

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Sampling Rate• Determines how fast A/D conversions take plac

e

• Signals must be sampled fast enough to properl

y reproduce the signal

• Aliasing – signal is undersampled

Aliased due to undersampling

Adequately sampled

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Simultaneous Sampling• For applications where the time relationship between signals is important

• Instrumentation amplifier and sample-and-hold circuitry for each channel

• Mux connects channels to the ADC

• Example – Four 50 kHz signals sampled at 200 kHz

ADC

S/HInstAmp

InstAmp S/H

AnalogMux

Channel 1

Channel 2

Channel 1

Channel 2

Channel 1

Channel 4

Channel 3

Channel 2

Simultaneous Sampling15 ns (0.09o phase shift) between Ch 1 & 4

(SC-2040 or SCXI-1140)

Channel 1

Channel 4

Channel 3

Channel 2

Round Robin Sampling15 s (270o phase shift) between Ch 1 & 4

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High speed sampling rate

• Some digitizing oscilloscopes can use equivalent-time sampling to capture very fast repeating signals.

• Equivalent-time sampling constructs a picture of a repetitive signal by capturing a little bit of information from each repetition

1G Hz * 1/1000 = 1MHz 。 即 1MHz 取樣率可擷取1G Hz 訊號 ( 週期性訊號 )

24

High speed sampling rate

•

25

Elements of an Instrumentation System

26

Signal Classification

27

28

29

30

資料擷取系統 - Signal Conditioning

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• Amplification

– Maximizes use of ADC range and increases accuracy

– Increases SNR

SignalVoltage

S.C.*Amplification

Noise inLead Wires

DAQ BoardAmplification

DigitizedVoltage

SNR

Amplify only atDAQ Board .01 V None .001 V x100 1.1 V 10

Amplify at S.C.*and DAQ Board

.01 V

.001 V

.001 V x10

x100

x10 1.01 V 100

Amplify only atS.C.*

.01 V None 1.001 V 1000

Signal Conditioning

a

ExternalAmplifier

Noise

Lead Wires

Low-Level SignalDAQ Board

ADC

InstrumentationAmplifier

+-

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Common Types of Signal Conditioning

Thermocouples

RTDs

Strain Gauges

Common Modeor High Voltages

Loads Requiring AC Switchingor Large Current Flow

Signals with HighFrequency Noise

Transducers/SignalsAmplification, Linearization, andCold-Junction Compensation

Current Excitation, Four Wireand Three Wire Configuration,Linearization

Voltage Excitation, BridgeConfiguration, and Linearization

Isolation Amplifiers(Optical Isolation)

Electromechanical Relaysor Solid-State Relays

Lowpass Filters

DAQ-STC

Signal Conditioning

DAQ Board

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•Transducer Excitation

—External voltage or current applied to transducer

—Provided by signal conditioning hardware

•Linearization

—Most transducers are not linear

—Can be done in hardware or software

• Isolation

—Protects hardware from high voltages

—Used in systems with high common-mode voltages

•Filtering

—Remove noise or unwanted signals

—4 Hz filter (SCXI-1121) optimum for removing 60 Hz A

C noise from slowly sampled signals

—Antialiasing filters

Signal Conditioning

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Signal Sources and Measurement Systems

Grounded Signal Source

• Plug-in instruments with non-isolated inputs

a

+–

Vs

Ground

Floating Signal Source

• Thermocouples

• Signal conditioning with isolated outputs

• Battery-powered devices

a

+–

Vs

Ground

• Grounded• Floating

• Differential• Referenced Single-Ended(RSE)• Non-Referenced Single-Ended (NRSE)

Rs

Vs Vm MeasurementSystem

+

-

Signal Grounding and Measuring Techniques

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?

Differential

RSE

NRSE

Floating

Grounded

a

+–

Vs

Ground

a

+–

Vs

Ground

Signal Connections

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=

+

-

+

-

Vm = Vs + Vg

* Ground loops: – Difference in potential between source ground and measurement system ground

– Often appears as 60 Hz noise

• Best method – differential• Can also use NRSE (uses fewer channels)• Both methods avoid ground loops*

Incorrect Correct

Measurement SystemGround

SourceGround

Ground referencedmeasurement system

Grounded signal source

=

+

-

+

-

Vm = (Vs + Vg) - (Vg) = Vs

Nonreferenced ordifferential

measurement system

Grounded signal source

Vg ><

Vg ><

Vs

Vg

Vs

Vg

++

+

--

-

Vs+

-Vs

+

+-

-

Measuring Grounded Sources

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•Measure with differential, RSE or NRSE•Differential or NRSE

—Use bias resistors (10 k to 100 k)—Ensure common-mode voltage does not exceed board limits

•RSE or NRSE—Use when signals are high and noise is low—All signals should be commonly grounded at the source

+

-

+

-

R1

R2

Bias current injectedinto system by theinstrumentation amp

Resistors (10 k < R < 100 k) provide a return path to ground for instrumentation amplifier input bias currents. Only R2 is required for DC-coupled signal sources. For AC-coupled sources, R1 = R2.

Measuring Floating Signal Sources

38

39

40

41

資料擷取提高效率要訣1. 使用高效能界面硬體 /驅動程式2. 使用個人電腦 / 標準的作業環境3. 使用適當的儀控軟體4. 使用具彈性的儀控架構5. 與資訊網路結合

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模組化的軟體架構

程序

Test Management

ServicesSPC

SQL

報表

Test Exec

儀器驅動程式

重覆使用率

80%

90%

50%

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LabViEW 可以控制 DAQ 卡讀取類比輸入訊號，讀取或送出數位訊號和安排內建計時器來量測頻率、產生脈衝等，對於類比輸入訊號而言，來自感應器的電壓資料透過即插式 DAQ 卡將訊息帶入電腦中來處理、儲存或做其他處置。

DAQ 系統實現

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S CX I

1 14 0

S CX I

1 14 0

S CX I

1 14 0

S CX I

1 14 0

M AIN F

R A M E

®

bu

s

PC-based DAQ 架構

GPIB Instruments

Serial Instruments

DAQ Products

Unit to be Tested/ measured

Process- sensor, Actuators

VXI Instruments

Application Software

PC or Workstation

硬體及驅動程式

控制及應用軟體

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Application Software

Interface Software

DAQ solution DAQ solution 軟體支援軟體支援•LabVIEW•LabWindows/CVI•MATLAB•Visual Basic•C/C++...

DAQ Board

PCI/ISA

•Driver(NI-DAQ)

Mac, DOS, Win 95/98/ NTMac, DOS, Win 95/98/ NT

Data In/Out

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• 電腦控制量測儀器– 簡化儀控流程 ( 儀器驅動程式 )– 數據收集及測試決策可同時進行– 人機– Remote Access

量測自動化利器 IEEE 488.2

Control Panel

Flow

Pressure Alarm Conditions

STOP

Temperature

Control Panel

Flow

Pressure Alarm Conditions

STOP

Temperature

DesktopPCIISAMACSUN

PortablePCMCIAParallelSerial

Ethernet

Wireless

GPIB

Digital Scope

Plant Device

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選擇選擇 DAQDAQ 卡考慮項目卡考慮項目 Test & Measurement World Survey

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%

硬體可靠度

準確度

軟體可靠度

使用容易

整合性

技術支援 t

先進技術

價格

價值

長期成本

廠牌

產品選擇性

Test & Measurement World 1995 PC-Based Test Market Insight Study

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資料擷取與資料擷取與電腦技術發展電腦技術發展CPUCPU

硬體硬體

軟體軟體

網路網路 LANsLANsLANsLANs InternetInternetInternetInternet

MITE

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Case Study: FordIn-Vehicle Field Prototype Testing

• 需求：可攜帶牢固、耐溫的測試系統

• 挑戰：需要以多種儀表清楚顯示數據

• 方案：工業級可攜帶電腦、 LabVIEW 軟體及資料擷取介面卡

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Case Study: Design Verification用影像量測半導體溫度變化

• 需求：要達到 micron 解析度的溫度量測

• 挑戰：非接觸式量測半導體零件溫度分部

• 方案： LabVIEW-based 液晶感測系統加上 IMAQ PCI-1408 影像擷取卡及辨識軟體

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Case Study: TraulsenNSF 規格冷凍庫測試

• 挑戰：附合 NSF 規格測試冷凍庫

• 方案： LabVIEW 資料擷取介面卡， SCXI 前端處理硬體

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Reference

• (1.)    “ 次世代自動化技術趨勢與應用” , 中華民國自動化協會 研討會 , Feb. 1997

• (2.)    . 蔡明忠 ,” Automated Sensing and remote control”,1997 生產自動化與控制之教學與訓練研討會 , 國立台灣科技大學自動化及控制中心 , 03/1997

• (3.)    .“ 新世代 PC-based 控制技術發展研討會” , 中華民國自動化協會 研討會 , 05/1998

• (4.)    Lonworks seminar, Echelon, 知業科技 , 1996

• (5.)    ANCO Inc. (OPEN AUTOMATION),”OPEN-IO introduction” ; http://www.anco.com.tw/

• (6.)    葉文彬 , “ 整合控制網路與智慧型 I/O 在非集中式控制系統之開發研究” ,國立台灣科技大學 工程研究所 自動化及控制學程碩士論文 , 06/1998.

• (7.) NI day 19 98