Системы регистрации данных как инструмент контроля за технологическими и производственными процессами

Статья о современных системах сбора, хранения и анализа данных на примере видеографических регистраторов Graphtec с описанием их возможностей в области регистрации и мониторинга основных показателей технологических процессов и операций, протекающих в различных сферах производственной деятельности, позволяя тем самым контролировать точность и надежность выполнения данных операций и обеспечивать доведение процессы до оптимального режима работы.

В современном мире, все более высокие требования предъявляются к уровню реализации различных производственных процессов, к их точности и качеству исполнения, к организации правильного и непрерывного режима работы того или иного оборудования, а также к факторам способным обеспечить более высокий уровень оптимизации производств и технологий. При чем, данный запрос к качеству мониторинга и контроля за параметрами технологических процессов и сред, в которых они протекают, характерен не только для высокотехнологических отраслей таких, как энергетика, электроника, авиационная или космическая промышленность, но и в сферах человеческой деятельности, например, связанных с производством, хранением и транспортировкой продуктов питания, медицинских препаратов и т.д.

На сегодняшний день существует огромное разнообразие датчиков (преобразователей), производящих измерение различных физических параметров (температуры, влажности, напряжения, силы тока, потока, величин пространственного смещения и т.д.), характеризующих тот или иной технологический процесс или работу применяемого в нем оборудования.

При этом по характеру выходного сигнала такие датчики (преобразователи) бывают:

  • дискретными, воспринимающими только наличие или отсутствие сигнала в формате логической «единицы» или логического «нуля»;
  • аналоговыми, позволяющими не только воспринимать наличие сигнала, но и определять его значение. Наиболее часто применяются датчики с аналоговыми сигналами по напряжению в пределах от 0 до 10 В постоянного тока и по силе тока в пределах 4 – 20 мА.
  • цифровыми, имеющими цифровой выход и электронную схему фильтрации, усиления и оцифровки сигналов аналогового типа, которые передаются на принимающее устройство. Как правило, цифровой сигнал передаётся по последовательному интерфейсу (обычно это витая пара RS-4 85);
  • импульсными, преобразующими значений измеряемых величин в пропорциональное число импульсов и токовый сигнал.

По средству передачи сигнала могут быть проводными и беспроводными.

Наиболее эффективным средством сбора, регистрации и вывода в бумажном или видеографическом формате результатов измерений от данных датчиков (преобразователей) в производственных и не только условиях являются регистраторы (самописцы) данных. В свою очередь подразделяющиеся на бумажные, видеографические и гибридные, с выводом результатов и в бумажном и в видео формате.

Наиболее передовым решением в области регистрации параметров измерений сегодня являются многоканальные универсальные видеографические регистраторы данных такие как регистраторы производства Graphtec Corp.

Видеографические регистраторы Graphtec получили мировую известность и опыт применения практически во всех сферах человеческой деятельности по всему миру от использования их в бытовых условиях до применения в мониторинге сложных лабораторных исследований передовыми автомобильными корпорациями, а также компаниями-разработчиками микроэлектроники.

В настоящее время, прошедшее все лабораторные испытания для внесения их в государственный реестр средств измерения (ГОСРЕЕСТР СИ), данные приборы (регистраторы Graphtec) являются полноценными системами сбора, хранения и анализа данных, способные при необходимости сигнализировать о выходе регистрируемых параметров за пределы ранее заданного пользователем диапазона.

Модельный ряд регистраторов включает в себя различные конструктивные решения, позволяющие подобрать наиболее оптимальную модель для конкретного процесса или оборудования, сюда входят:

Компактный логгер (регистратор данных) модульного типа GL100 разработанный для регистрации и управления потоками данных, поступающих от сменных блоков-модулей, сенсоров и датчиков (температуры, влажности, освещённости и прочих). Входные сменные модули подключаются через специальный разъём, при этом с использованием адаптера-разветвителя возможно подключение до двух сменных блоков-модулей параллельно (при условии, что они являются разнотипными). Виды датчиков и адаптеров, а также измеряемые ими показатели представлены в Таблице 1 и Таблице 2.

Рис. 1. Логгер GL100


Таблица 1.

Тип датчикаХарактеристики измерений
GS-3AT
(датчик ускорения и температуры)
Измерение ускорения по трем осям с пределом ускорения до 10G; диапазон измерение температуры от -10оС до +60оС.
GS-TH
(датчик температуры и влажности)
Диапазон измерения температур от -20оС до +85оС; диапазон измерения влажности от 0 до 100%.
GS-CO2
(датчик оценки концентрации СО2))
Предельное значение концентрации 9999 ч.м. (число молей)
GS-LXUV
(lатчик освещенности и оценки количества ультрафиолетового излучения)
Предельное значение освещенности – 200 кЛк; предельное значение кол-ва ультрафиолетового излучения - 30 мВт/см2.
Возможные комбинации одновременного применения датчиков GS
GS-TH и GS-LXUVОдновременное измерение температуры, влажности, освещенности и уровня ультрафиолетового излучения
GS-TH и GS-CO2Одновременное измерение температуры, влажности и уровня концентрации углекислого газа (СО2)
GS-LXUV и GS-CO2Одновременное измерение освещенности, уровня ультрафиолетового излучения и концентрации углекислого газа (СО2)

Таблица 2.

Тип адаптераХарактеристики измерений
GS-4VT
(Адаптер температуры/напряжения)
Представлен в виде модели с 4-я каналами винтового типа соединения для измерения напряжения (до 500В) или температуры в диапазоне термопар К или Т типов и с 4-я каналами для логического или импульсного сигнала.
GS-4TSR
(Адаптер-термистор)
Представлен в виде модели с 4-я каналами винтового типа соединения для измерения температуры в диапазоне от -40оС до +120оС и с 4-я каналами для логического или импульсного сигнала.
GS-DPA-AC
(Адаптер токовых клещей)
Представлен в виде трех моделей с предельными измеряемыми среднеквадратическими значениями тока в 50, 100 и 200 А. Измерение однофазного и трехфазного тока.

Регистрируемые данные с устройств GL100 (Рис. 1) могут передаваться в режиме реального времени на компьютер или смартфон с установленным программным обеспечением посредством проводного USB-канала или по беспроводной связи при помощи встроенного Wi-Fi-модуля. Беспроводное вещание ведётся в соответствии со стандартом IEEE802.11b – как обычный Wi-Fi-роутер; дальность устойчивой передачи сигнала – около 40 метров при скорости передачи до 500 Мбит/с (зависит от конкретных условий работы аппаратуры).

GL100 за счет своих компактных размеров и наличия встроенного Wi-Fi модуля может быть оптимально использован для оперативного мониторинга на местах проведения технологических процессов и операций, в том числе для контроля за параметрами окружающей среды.

Регистраторы серий GL240 (10-и канальные) и GL840 (20-200 канальные), представляют собой мультифункциональными многоканальными регистраторами данных, предназначенными для регистрации, хранения и первичной обработки информации, поступающей от датчиков (преобразователей) измерения различных типов. Эти устройства являются одновременно логгерами температуры, влажности, напряжения, импульса, логики, позволяя параллельно отслеживать и комбинировать несколько типов измерений физических величин.

Рис.2. Регистратор GL240

Рис.3. Регистратор GL840

Так модель GL240 (Рис.2) имеет входной терминал, содержащий 10 винтовых аналоговых каналов, в то время, как модель GL840 (Рис. 3), представленная в двух вариантах исполнениях: в стандартном (GL840-M) и как модель высокого напряжения (GL840-WV), имеет в своей стандартной комплектации съемный входной терминал с 20-ю винтовыми аналоговыми каналами (Рис.4).

Рис. 4. Съемный 20-и канальный терминал для регистраторов GL840

При этом, за счет того, что входной терминал у моделей GL840-М и GL840-WV является съемным и конструктивно имеет возможность объединения с аналогичными съемными терминалами гирляндным способом до 10 единиц (Рис. 5) - общее число каналов одного устройства данных серий может быть расширено до 200. Что значительно расширяет возможности применения компактных моделей GL840 для регистрации большого кол-ва параметров, заметно улучшая и оптимизируя процесс сбора и анализа информации.

Рис. 5. Расширение входных каналов у GL840

Дополнительно ко всему данные модели имеют возможность передачи информации по беспроводному соединению, это функция позволяет им взаимодействовать между собой, объединяя устройства всех серий GL, в том числе и модель GL100, в одну комплексную систему. Также модели серий GL могут получать данные и от беспроводных датчиков (преобразователей) сторонних производителей.

Так модели серии GL240 могут присоединить к себе по беспроводному соединению одно устройство типа GL100, в то время, как модель GL840 способно поддерживать потоки данных от 5 таких устройств.

Программное обеспечение регистраторов серий GL240 и GL840 позволяет осуществлять измерение большого кол-ва наиболее востребованных в производственных сферах физических параметров таких, как: сила тока, напряжение, длина, площадь, объем, скорость, ускорение, частота, масса, энергия, давление, скорость потока, температура, искажение, яркость и концентрация.

Рис. 6. Регистратор GL840 со сменным Wi-Fi модулем и аккумулятором А возможность межканальных математических операций (сложение, вычитание, умножение и деление) позволяет не только расширить кол-во вариантов измеряемых величин, но и позволить более широко применять данные устройства, выполняя разнообразные расчеты между показаниями каналов. Например, осуществлять контроль за общий объем жидкости в системе, состоящих из нескольких отдельных емкостей, суммируя объемы каждой и выводя полученное общее значение на экран устройства в виде графической последовательности.

Основные технические характеристики моделей GL240 и GL840 приведены в Таблице 3.

Таблица 3.

Параметры и характеристики измеренияМодель
GL240GL840MGL840WV
Кол-во винтовых аналоговых каналов10от 20 до 200
Напряжение20 мВ – 100 В, 1-5 В (полная шкала)
Предельное выдерживаемое напряжение (между каналами, каналом и землей)350 В
(одну минуту)
350 В
(одну минуту)
600 В
(одну минуту)
Поддерживаемые термопарыТип: K, J, E, T, R, S, B, N, W(Wre5-26)
Платиновые термодатчикиPt100 (IEC751), JPt100 (JIS), Pt1000 (IEC751)
ВлажностьОт 0 до 100% при использовании В-530 датчика
Импульсный вход4 канала: режим чередующегося расчета, накопительный, моментальный
Логический вход4 канала
Максимальная частота дискретизации записи на канал100 выборок/сек.

Специальные модели серий GL7000 Plus, GL980, GL2000:

GL7000 Plus – мультифункциональный платформенный логгер (модульный регистратор данных) Graphtec GL7000 Plus (Рис. 7) разработанный для проведения объёмных комплексных измерений физических величин (напряжения, силы тока, влажности, температуры и прочих параметров). Базовый модуль (регистратор-платформа) объединяется в единый комплекс с дополнительными подключаемыми модулями сбора информации с сенсорных устройств и датчиков. В общей сложности возможна пристыковка до десяти модулей приёма данных с возможностью параллельно задействовать до 112 каналов приёма.

Рис.7. Платформенная система сбора данных GL7000Plus

Данная модель может стать оптимальным решением в сложных высоспециализированных проектах, где необходим индивидуальный подход к решению конкретных производственных задач.

Рис.8. Регистратор GL980

GL980 – Многофункциональная высокочастотная модель с 8 изолированными универсальными входными BNC-каналами, позволяющие осуществлять регистрацию температуры, влажности, напряжения, импульсного и логического сигналов, а также прочих параметров с высокой точностью и частотой дискретности сбора данных (до 4 млн. выборок в секунду) от широкого спектра разнообразных типов датчиков (преобразователей).

Рис. 9. Регистратор GL2000

GL2000 – Многофункциональная высокочастотная модель высокого напряжения с 4 изолированными универсальными входными BNC-каналами, позволяющие осуществлять регистрацию температуры, влажности, высокого напряжения, импульсного и логического сигналов, а также прочих параметров с высокой точностью и частотой дискретности сбора данных (до 4 млн. выборок в секунду) от широкого спектра разнообразных типов датчиков (преобразователей).

Основные технические характеристики моделей GL980 (Рис. 8) и GL2000 (Рис. 9) приведены в Таблице 4.

Таблица 4.

Параметры и характеристики измеренияМодель
GL980GL2000
Кол-во BNC-каналов и винтовых аналоговых каналов84
Напряжение20 мВ – 500 В, 1-5В (полная шкала) 20 мВ – 1000 В, 1-5В (полная шкала)
Предельное выдерживаемое напряжение (между каналами, каналом и землей)1000В (одну минуту)6000В (одну минуту)
Поддерживаемые термопарыТип: K, J, E, T, R, S, B, N, W(Wre5-26)
Платиновые термодатчикиPt100 (IEC751), JPt100 (JIS), Pt1000 (IEC751)
ВлажностьОт 0 до 100% при использовании В-530 датчика
Импульсный вход4 канала: режим чередующегося расчета, накопительный, моментальный
Логический вход4 канала
Максимальная частота дискретизации записи на канал4 млн. выборок/сек.

Модели серий GL980 и GL2000 за счет своих характеристик могут стать идеальным решением в тех областях производства, где необходима точная и стабильная регистрация показателей высокого напряжения, а также для отраслей, где важна высокая частота регистрации быстропротекающих процессов, например взрывов. Более того наличие каналов со стандартным BNC-разъемом позволяет данными приборам осуществлять запись показателей от широкого спектра современных сенсоров и датчиков (преобразователей).

Представленный выше модельный ряд регистраторов (самописцев) производства компании Graphtec Corp. являются отличным доказательством того, что в нашем современном мире контроль и мониторинг за параметрами работы производственного оборудования, в том числе технологических сред является важным инструментом в понимании характера и структуры происходящих процессов практически в любой сферы человеческой деятельности. И чем более точно и комплексно осуществляется данный контроль (мониторинг), тем более полная и ясная картина складывается у специалистов о происходящих технологических операциях, режимах работы и условиях эксплуатации оборудования, и тем более четким становится понимание дальнейшего пути к оптимизации производств и технологий.

Видеографические регистраторы нового поколения Graphtec являются практическим решением в данном вопросе, позволяя регистрировать основные параметры работы практически любого технологического оборудования или процесса. Более того, данные регистраторы позволяют выводить собранные данные, как на своем собственном ЖК дисплее, так и через оригинальное приложения на экраны персональных компьютеров и смартфонов в виде цифровых и графических последовательностей, создавая при этом наглядное представление о динамики происходящих процессов.

Кроме того, по средству защищенной передачи данных через сеть Интернет, в том числе, за счет возможности беспроводного соединения, приборы серий GL могут быть объединены в одну общую глобальную автономную систему, осуществляющую сбор, хранение и первичный анализ сразу целого ряда различных физических параметров от технологических процессов или оборудования, расположенных на больших расстояниях друг от друга. При этом сам контроль за полученными данными может быть осуществлен также дистанционно вдали от мест их регистрации, что становится все более актуальнее в современном глобальном мире.

Литература.

  1. Датчики: Справочное пособие / В.М. Шарапов, Е.С. Полищук, Н.Д. Кошевой, Г.Г. Ишанин, И.Г. Минаев, А.С. Совлуков. - Москва: Техносфера, 2012. - 624 с.
  2. Датчики в современных измерениях. Котюк А. Ф. Москва. Радио и связь — 2006.
  3. Регистраторы данных [Электронный ресурс] - http://www.graphtec-instruments.ru/ (дата обращения: 04.04.2018).
  4. Graphtec Instrument Products [Электронный ресурс]: - http://www.graphteccorp.com/ (дата обращения: 04.04.2018).