baner
 

Školská tepelno-optická sústava uDAQ28/LT

Vložil: Tomáš Huba | Publikované: 11.04.2008 14:18

Vzhľadom na svoju názornosť, časové mierky, spektrum realizovateľných úloh riadenia, merania a komunikácie, jednoduchosť, nenáročnosť a dostupnú cenu je táto sústava výnimočným produktom svojho druhu na našom či zahraničnom trhu. V súťaži učebných pomôcok na Pedagogickom fóre’06 získala 1. cenu a Ocenenie ministra školstva SR.

I. Základný opis

Kombinovaná tepelno-optická sústava je určená na podporu výučby v oblasti aplikovanej informatiky a riadenia procesov. Umožňuje precvičiť a analyzovať charakteristiky vstupno-výstupných operácie, komunikácie s okolím, identifikácie, modelovania a riadenia procesov. Svoje miesto si nájde v odboroch a zameraniach ako automatizácia, meranie, regulačná technika alebo aplikovaná, či priemyselná informatika.

Schema
Základná elektrická schéma školskej tepelno-optickej sústavy uDAQ28/LT

Systém disponuje tromi vstupnými veličinami – napätím žiarovky, ktorá reprezentuje vyhrievacie a svetelné teleso zároveň, napätím ventilátora (slúži na ochladzovanie teploty v systéme) a napätím svetelnej diódy, ktorá je druhým možným zdrojom svetla optického kanálu. Tiež je možné nastavovať periódu vzorkovania a časové konštanty vstavaných derivačných filtrov.

Na výstupe je možné merať 7 veličín: teplotu vo vyhrievanom priestore (priamo alebo po predbežnej filtrácii), referenčnú teplotu okolia, intenzitu osvetlenia (priamo alebo po predbežnej filtrácii), rýchlosť otáčok a prúd motorčeka ventilátora.

II. Merací a komunikačný systém uDAQ28/LT

Merací a komunikačný systém uDAQ28/LT využíva na prenos a spracovanie dát vlastný mikroprocesor. Z hľadiska užívateľa je oproti doterajším riešeniam revolučná zmena v možnosti komunikácie cez USB rozhranie, čo umožňuje pripojenie k ľubovoľnému počítaču bez potreby kúpy a inštalácie špeciálnych vstupno-výstupných kariet. Na napájanie bezpečným napätím 12V slúži malý adaptér (podobný nabíjačke mobilných telefónov).

Sustava 1   Sustava 2
Školská tepelno-optická sústava: zostava s počítačom a detail

III. Softvérové vybavenie na identifikáciu a riadenie systému

S pomôckou dodávame ovládač pre Matlab/Simulink, v ktorom je sústava reprezentovaná ako jeden blok. Ďalší softvér typu Real Time Workshop, ktorý je nutný pri tradičných riešeniach so vstupno-výstupnou kartou, tak nie je potrebný. Komunikačné rozhranie simulačný softvér SCILAB je v štádiu vývoja. Zariadenie dodávame v rámci kurzu „PID regulátory s obmedzeniami“ spolu s balíkom simulačných schém a riadiacich algoritmov a s prístupom do elektronickej komunity užívateľov uľahčujúcim vzájomnú výmenu skúseností. Pomocou prídavného modulu WebLab možno rozšíriť prístup k sústave cez Internet na 24 hod denne.


Príklad riadenia procesu

IV. Zhrnutie výhod školskej tepelno-optickej sústavy

  • Zariadenie s revolučnou zmenou v oblasti komunikácie, jednoducho pripojiteľné cez USB   k ľubovoľnému PC, malé, skladné, prenosné, ľahko demontovateľné, nepotrebuje údržbu!
  • Riadenie siedmych výstupných veličín pomocou troch rôznych vstupov dáva možnosť voľby dynamiky s rôznymi statickými, dynamickými a stochastickými vlastnosťami!
  • Nízka cena = cene karty prevodníkov - ušetríte softvér na riadenie v reálnom čase a miesto kúpy jedného tradičného zariadenia máte sústavy s edukačným softvérom pre celú triedu!

Získate:

  1. názornú, jednoduchú a bezpečnú prácu pre študenta (12 V napájanie), ktorá podporou výučby v duchu “škola hrou” motivuje študentov zaujímať sa o problematiku a nakoniec z vlastného záujmu siahnuť na štúdium odbornej literatúry,
  2. rozvíja schopnosti a zručnosti experimentovania potrebné v praxi,
  3. rozširuje možnosti simulačných nástrojov o riadenie v reálnom čase a overenie teoretických poznatkov pre vzdelávanie aj výskum,
  4. zjednodušenie návrhu a riadenia v reálnom čase.

V. Pôvod a referencie

Systém bol vyvinutý a overený za podpory projektov VEGA 1/3089/06, KEGA 3/3121/05 a ESF RLZ_VVA, kód 13120200015 na Fakulte elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave (M. Huba a M. Kamenský) v spolupráci s firmou Digicon (P. Kurčík) a so Slovenskou e-akadémiou, n.o.. Ďalšie overovanie prebieha na Fakulte chemických a potravinárskych technológií STU (prof. Mikleš, na FernUniversität Hagen (prof. Gerke) a JSI Ljubljana (doc. Vrančič). Jeho využitie vo výučbe bolo demonštrované v univerzitnom prostredí ( Univerzita v Splite, prof. Stipaničev; Univerzita v Ancone, prof. Longhi), na konferencii Process Control '07 aj v praxi (Slovnaft Bratislava, a.s.).

  
Cvičenia so sústavami na univerzite v Ancone, Taliansko

  
Tutoriál v rámci konferencie Process control '07, Štrbské Pleso

VI. Kontakt

M. Huba, STU, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava,
tel. +421/(0)2/602 91 771, fax: +421/(0)2/654 29 521, email: mikulas.huba@stuba.sk

PDF opticko_tepelna_sustava.pdf

VII. TECHNICKÉ ÚDAJE

A) Merací a komunikačný systém uDAQ28/LT

Vstupy: 1) Žiarovka 0-5V na 0-20W svetelného výkonu
2) Ventilátor 0-5V na 0-6000 ot/min ventilátora
3) LED 0-5V na 0-100% svetelného výkonu LED
Výstupy: 1) Teplota senzor PT100, rozsah 0-100°C
presnosť: lepšia ako 99%
zhruba lineárna prevodová charakteristika (obr.1)
čas ustálenia po skokovej zmene cca 45 min
(doba regulácie na žiadané hodnoty z prvej tretiny
prevodovej charakteristiky je len niekoľko minút)
2) Filtrovaná teplota filter 1. rádu, časová konštanta cca 20s
čas ustálenia po skokovej zmene cca 45 min (obr.2)
(doba regulácie na žiadané hodnoty z prvej tretiny
prevodovej charakteristiky je len niekoľko minút)
3) Referenčná teplota senzor PT100, rozsah 0-100°C
presnosť: lepšia ako 99%
4) Svetelná intenzita nelineárna prevodová charakteristika (obr.6)
čas ustálenia po skokovej zmene cca 0,6 sec (obr.3)
5) Filtrovaná svetelná intenzita filter 1. rádu časová konštanta cca 20s
čas ustálenia po skokovej zmene cca 2 min (obr.4)
6) Prúd odoberaný ventilátorom (0-50 mA)
7) Otáčky ventilátora (0-6000 ot/min)
8) Komunikačné rozhranie: USB – virtuálny sériový port
9) Rýchlosť prenosu dát 250 kbit/s

B) Komunikačný interface v Matlabe

  • perióda vzorkovania od cca 40-50 ms, spodná hranica timeoutu pre čítanie dát z portu cca 25 ms,
  • možnosť nastaviť vyššiu prioritu pre Matlab ako je priorita bežnej aplikácie bežiacej pod OS Windows,
  • nie je potrebné kompilovať simulačnú schému, z čoho vyplýva možnosť použiť simulinkovský blok Matlab Fcn, ktorý môže vykonávať algoritmus napísaný v M-súbore,
  • nastavenie parametrov komunikácie v jednom okne grafického užívateľského rozhrania.

Chcete si vyskúšať prácu s optickou sústavou? (Teleexperiment)

Linka na teleexperiment (použite Internet Explorer, login experiment, heslo  netreba)

Otvori sa vám okno s rozhraním na riadenie experimentu. Najskôr sa musíte pripojiť pomocou "Connect" a potom už môžte spustiť experiment pomocou "Run". 

experiment

V pripravenej úlohe ide o čo najrýchlejšie nastavenie požadovaného napätia na výstupe dolnopriepustného  filtra 1. rádu, ktorý je zaradený za snímačom intenzity osvetlenia. Počas nabíjania filtra svieti žiarovka maximálnou intenzitou, po priblížení sa k požadovanému napätiu sa nastaví ustálený stav. Na riešenie iných úloh si je treba namiesto schémy PT1TD a k nej príslušných parametrov načítať na server svoju schému v Matlabe/Simulinku (a jej parametre).

Valid XHTML 1.0 Transitional Valid CSS! Odporúčame prehladač Firefox