Mittausdata: Tiedonsiirtotekniikat

Hannu Korhonen, Savonia ammattikorkeakoulu

Tämä toimintamalli kuvailee mittausdatan keräystä, kun tavoitteena on toistaa mittaus tietyllä ja mahdollisimman tarkalla aikavälillä ja toimittaa se luotettavasti tietosäilöön ja myöhempää käyttöä varten.

Tämä toimintamalli koostuu seuraavista osista:

• Anturit
• mittaussignaalin muuntimet
• reaaliaikaiset mittausdatan siirtolaitteet
• laite, joka puskuroi datan ja toimittaa tallennusjärjestelmään   

Yleistä mittausdatan keräämisestä

Mittausdatan keräämisen lähtökohta on sen luotettavuus, yhtäaikaisuus ja toistettavuus.  Mittausdatan keräämisen täytyy tapahtua automaattisesti. Suurissa määrissä ja nopeissa näytteenottosykleissä mittausdatan kerääminen tapahtuu mittalaitteen ohjaamana ja tallennus suoritetaan automaattisesti. Mittausdataa voi olla yksittäisen anturin tieto, yhdistettyjen antureiden tieto tai laitteisto, joka toimittaa valmiiksi prosessoitua tietoa järjestelmään. Mittausdata kerätään helposti laajennettavalla laitteistolla, joka mahdollistaa erilaisten antureiden, mittaussignaalien ja digitaalisten laitteiden lisäämisen järjestelmään.

AI Modul (Analog Input modul) analoginen mittauskortti, joka muuntaa analogisia sähkösignaaleja valitulla tarkkuudella digitaaliseksi, erottaen signaalin sähköisesti muista antureista. Moduulien tarkkuus lähtee 0,1 % mittaustarkkuudesta ja muunnos digitaaliseksi arvoksi tapahtuu 12-, 16- tai jopa 24 bitin tarkkuudella. 12-bttisyys tarkoittaa 4096 eri askelta, 16-bittinen 65 536 askelta ja 24-bittinen 16 777 216 erilaista askelta. Valittuja kortteja voi tilata kalibrointitodistuksella.

IO-Link. lyhyen matkan kaksisuuntainen kommunikointitapa anturin ja isäntä laitteen välillä. Kommunikointi tapahtuu digitaalisesti muun signaloinnin seassa, eikä tarvitse muita erityisjärjestelyjä kuin IO-link-kommunikointiin kykenevän isäntämoduulin. Mittaussignaalin muunnos tapahtuu mitta-anturissa. Anturi voi perussuureen lisäksi lähettää useamman suureen arvon esimerkiksi lämpötilan, minimi tai maksimi arvon, ja keskiarvon. 

Ethercat -kenttäväylä on teollisuudessa ja automaatiossa käytetty tiedonsiirtoprotokolla, joka toimii ethernet-tyyppisesti ja mahdollistaa tarkat ja nopeat tiedonsiirtosyklit. Tietokehykset liikkuvat sarjamuotoisessa verkossa tarkasti ajastetusti ja hallitusti mittausmoduulilta toiselle. Verkossa saavutetaan päivitysnopeus < 100 µs ja tarvittaessa laitteet ja mittaukset voidaan synkronoida 1 µs tarkkuudella. Lisäksi kenttäväylässä voidaan ottaa käyttöön Distributed Clocks, joka mahdollistaa laitteiden tarkan ajoituksen.

PLC (Programmable Logic Controller) eli ohjelmoitava logiikkaohjain on teollisuudessa laajasti käytetty mikroprosessoripohjainen ohjausjärjestelmä, joka suorittaa reaaliaikaisia ohjaustehtäviä. PLC vastaanottaa signaaleja antureilta ja muilta tulo­laitteilta, käsittelee ne ohjelmoidun logiikan mukaisesti ja ohjaa lähtölaitteita, kuten moottoreita, venttiileitä ja releitä. Signaalit voidaan siirtää sarjamuotoisesti kenttäväylä kautta, joka voi yhdistää useita mittausmoduuleja. PLC:n keskeisiä ominaisuuksia ovat luotettavuus, modulaarisuus ja kyky toimia vaativissa teollisuusympäristöissä. PLC:n ohjelmointi tapahtuu standardoitujen kielten, kuten Ladder Logicin, Function Block Diagramin tai Structured Textin avulla, mikä mahdollistaa joustavan soveltamisen erilaisiin prosesseihin. Näin PLC toimii keskeisenä rajapintana kenttälaitteiden ja ohjausjärjestelmän välillä, mahdollistaen monimutkaisten automaatioprosessien hallinnan ilman laajoja fyysisiä johdotusmuutoksia. PLC reaaliaikainen prosessi on syklinen voi toimia jopa 1 ms sykliajalla.  Nopeampia mittauksia saadaan käyttämällä oversampling-ominaisuutta. Useampi näyte yhdellä syklijaksolla.

Twincat. Beckhoff Oy kehittämä PLC-laitteen käyttöjärjestelmä ja ohjelmointiympäristö. TwinCAT on modulaarinen ohjelmistoalusta, joka otettiin käyttöön vuonna 1996 ja joka muodostaa Beckhoffin automaatioratkaisujen ytimen. Sen keskeinen periaate on avoimuus ja skaalautuvuus: ohjelmisto voidaan asentaa mihin tahansa PC-pohjaiseen järjestelmään, jolloin se tarjoaa reaaliaikaisen ohjauskyvyn ilman erillisiä laitteistokohtaisia ohjaimia. Twincat tarvitsee lisäksi joko Windows tai FreeBSB käyttöjärjestelmän toimiakseen. TwinCAT 3 -ohjelmisto tukee IEC 61131-3 -standardin mukaisia ohjelmointikieliä (mm. Ladder Diagram, Function Block Diagram ja Structured Text) sekä laajennuksia liikeohjaukseen, mittaustekniikkaan ja kommunikaatioon. Moduulirakenteensa ansiosta TwinCAT mahdollistaa joustavan laajennettavuuden ja kolmansien osapuolten komponenttien integroinnin, mikä tekee siitä pitkäikäisen ja kustannustehokkaan ratkaisun teollisuuden automaatiojärjestelmien kehittämiseen ja ylläpitoon. Komponentit mahdollistavat esimerkiksi kommunikoinnin eri tieto- ja simulointijärjestelmiin. Twincat-järjestelmä on mahdollista tahdistaa SNTP, NTP tai GSP palveluihin, joista saadaan tarkka aika järjestelmään.

Thingsboard. ThingsBoard on avoimen lähdekoodin esineiden internetin (IoT) alusta, joka mahdollistaa laitteiden hallinnan, datan keruun, prosessoinnin ja visualisoinnin skaalautuvassa ja vikasietoisessa ympäristössä. Alusta tukee yleisiä IoT-protokollia, kuten MQTT, CoAP ja HTTP, ja sen arkkitehtuuri voidaan toteuttaa joko monoliittisena tai mikroservice-pohjaisena ratkaisuna. ThingsBoardin sääntömoottori mahdollistaa telemetriatiedon muuntamisen, analysoinnin ja automaattisten hälytysten luomisen, mikä tukee reaaliaikaista päätöksentekoa. Lisäksi alusta tarjoaa laajan valikoiman muokattavia dashboard-komponentteja, joiden avulla voidaan esittää sekä reaaliaikaisia että historiallisia mittausarvoja. Näiden ominaisuuksien vuoksi ThingsBoard soveltuu monipuolisesti eri sovellusalueille, kuten älyenergiaan, teolliseen automaatioon, älyrakennuksiin ja maatalouden olosuhdeseurantaan.

Mittausjärjestelmän rakennus ja valmistelu

Mittausjärjestelmä on ensin suunniteltava huolellisesti ja noudatettava mitattavan prosessin vaatimuksia. Suunnittelijan on kiinnitettävä huomio seuraaviin kohtiin:

• Mitattavat suureet ovat mittauspaikassa edustavia ja mahdollisimman häiriöttömiä ulkopuolisista tai itse laitteiston vaikutuksia. Esimerkiksi komponenttien tuottama lämpö tai putkiston pyörreilmiöt.
• Mittausanturit tulee olla helposti huolettavia ja saavutettavia.
• Kaapeloinnissa noudatetaan valmistaja antamia ohjeita ja yleisiä säännöksiä.

Kaapelointi ja laitteet on syytä merkitä selkeästi ja viedä tarvittaessa merkinnät ja sijainnit suunnitteludokumentteihin. Mitta-antureista kerätään mittauskohteen tiedot, kalibrointi tiedot, käyttöohjeet ja tarvittavat yksilöintitiedot (sarjanumero, ohjelmistoversio) laitteiston dokumentaatioon. Kalibrointitietoihin on hyvä lisätä kalibrointimenetelmä ja sen mahdollinen uudelleen kalibroinnin tai tarkistuksen päivämäärä. Tarvittavia tietoa on myös mittaussignaalin skaalaus ja mittausanturin muut mahdolliset tila- ja ohjaustietojen muoto. Osa mittausantureista tarvitsee rajapinnan kuvaustiedoston, joka yleensä on saavissa valmistajan www-sivulta tai jopa ladattavissa itse anturilta, kun kommunikointi tapahtuu ethernet- tai vastaavalla tavalla. Kuvaustiedostot arkistoidaan ja talletetaan paikkaan mistä automaatiojärjestelmän konfigurointiohjelmisto saa sen käyttöönsä.

Mittausjärjestelmä täytyy ohjelmoida ja käyttöönottaa automaatiojärjestelmässä. Automaatiojärjestelmä voi asettaa laitteiston verkkokonfiguraation automaattisesti kytkentöjen mukaisesti tai se on määriteltävä manuaalisesti ohjelmistotyökalun avulla. Jos määrittely tehdään manuaalisesti, on asetellut verkkoasetukset dokumentoitava ja lisättävä järjestelmän dokumentaatioon. Laitteiden kommunikointi asetetaan annettujen kuvausten ja määritysten mukaisesti. Kommunikointi liitetään mittatietoa keräävän ohjelmiston ohjelmakiertoon. Mittausarvot tallennetaan tietorakenteeseen, joka mahdollistaa tiedon nopean ja tarkan käsittelyn myöhemmässä vaiheessa. Tietorakenteen tulee olla joko yhdistettävissä määrittelyrakenteeseen tai rakenne sisältää tarvittavat tiedot. Tieto voi olla sijainti tai muu yksilöivä tunnustieto, skaalauksen tiedot, hälytys tai muut raja-arvot, mittausyksikkö, aikaleima mittauksesta ja suure. Jos kaikki arvot on luettu samalla ajan hetkellä, aika voi olla yksi talletettava mittausarvo.  

Automaatiojärjestelmään lisätään tarvittavat muunnos- ja käsittelyosat, jotka käyttävät mittausarvoja ja määriteltyä rakennetta suorittaakseen tarvittavat toimenpiteet. Toimenpiteitä voivat olla mittausarvon skaalaus, virhe tai häiriötarkastelu. Saatu tulos voidaan tallentaa samaan tietorakenteeseen mittausarvon kanssa. Saatu tietorakenne tulee olla yhdistettävissä määrittely- ja mittausarvorakenteeseen. Mittausarvorakenteet voidaan tallentaa isompaan rakenteeseen yhdistettynä tarvittavilla tiedoilla.

Tiedon toimitus tietovarastoon

Tiedon toimitus on syytä lisätä asynkroniseksi toiminnoksi mittausjärjestelmässä, koska tiedon siirto ja tallennusjärjestelmän kuormitus ja vasteaika eivät ole ennustettavissa riittävällä tarkkuudella. Mittausarvot on tarvittaessa puskuroitava laitteistossa määritellyt ajan verran. Puskurointiin on syytä järjestää myös ilmoitus- ja maksimikoot. Ilmoitusrajan täyttyessä voidaan lähettää ilmoitus muihin järjestelmiin yhteys ongelmista ja näin mahdollistaa yhteysongelma ratkaisu niin, ettei se aiheuta tiedon häviämistä. Maksimikoon täyttymisessä voidaan määritellä puskuroinnin lopettamisesta tai puskuroidun tiedon poistamisesta aikajärjestyksessä. Järjestelyllä mahdollistetaan järjestelmän toimintakunto yhteyden palattua. Tiedon poistamisesta on ilmoitettava muihin järjestelmiin. Jos yhteys on epävarma tai tiedon tallennus on kriittistä, voidaan järjestelmä varustaa erillisellä laitteistolla, joka mahdollistaa varayhteyden käytön.

Valittuun tallennusjärjestelmään luodaan yhteys, joka yleensä tarkoittaa laitetilin luomista. Laitetilin avulla tallennusjärjestelmä tunnistaa datan tuottaja ja sen avulla voidaan talletettavaan dataan kohdistaa toimenpiteitä. Esimerkiksi varmuuskopiointia, laskuoperaatioita tai luokittelua.

Tallennettava data on syytä paketoida tehokkaasti, jolloin isojen tietojoukkojen tai nopeiden tallennussyklien käyttäminen on tehokasta.

Järjestelmän aika synkronoidaan tarkempaan aikalähteeseen laitteen tarjoamalla palvelulla. Ajan päivitys on ajastettava tapahtuvaksi riittävän usein, jotta aikavirhe jää mahdollisimman pieneksi. Jos käytössä on paikallinen päivitysjärjestelmä, voidaan päästä jopa mikrosekuntien luokkaan tarkkuudessa. Verkkopalveluilla tarkkuus on luokkaa millisekunteja.

Toimenpideluettelo

Suunnittelu

• Määrittele mitattavat suureet ja varmista, että mittauspaikat ovat edustavia ja häiriöttömiä.
• Huomioi prosessin erityispiirteet (esimerkiksi komponenttien lämpö, putkiston pyörteet).
• Valitse mittausanturit niin, että ne ovat helposti huollettavia ja saavutettavia.

Kaapelointi ja merkinnät

• Noudata valmistajan ohjeita ja yleisiä sähköasennussäännöksiä.
• Merkitse kaapelointi ja laitteet selkeästi.
• Vie merkinnät ja sijainnit suunnitteludokumentteihin.

Dokumentointi

• Kerää mittausantureista:
  • Mittauskohteen tiedot
  • Kalibrointitiedot (menetelmä, päivämäärä, uudelleenkalibrointi)
  • Käyttöohjeet
  • Yksilöintitiedot (sarjanumero, ohjelmistoversio)
• Lisää mittaussignaalin skaalaus ja mahdolliset tila- tai ohjaustiedot.
• Arkistoi rajapinnan kuvaustiedostot (esimerkiksi valmistajan sivuilta ladattavat) paikkaan, josta automaatiojärjestelmä saa ne käyttöön.

Automaatiojärjestelmän ohjelmointi ja käyttöönotto

• Konfiguroi verkkoyhteydet (automaattisesti tai manuaalisesti).
• Dokumentoi manuaaliset verkkoasetukset.
• Aseta laitteiden kommunikointi kuvausten ja määritysten mukaisesti.
• Liitä kommunikointi mittatietoa keräävään ohjelmistoon

Mittausarvojen käsittely

• Luo tietorakenne mittausarvoille:
  • Yksilöintitiedot (sijainti, tunnus)
  • Skaalaus
  • Hälytys- tai raja-arvot
  • Mittausyksikkö
  • Aikaleima
• Lisää muunnos- ja käsittelyosat (skaalaus, virhe- tai häiriötarkastus).
• Talleta tulokset samaan tietorakenteeseen ja yhdistä määrittelyrakenteeseen.

Tiedon toimitus tietovarastoon

• Toteuta asynkroninen tiedonsiirto.
• Lisää puskurointi ja määrittele:
  • Puskurointiaika
  • Maksimikoko
  • Ilmoitukset rajan täyttyessä
• Määrittele toiminta yhteysongelmissa (esimerkiksi varayhteys).
• Ilmoita tiedon poistamisesta muihin järjestelmiin.

Tallennusjärjestelmän yhteys

• Luo laitetili tallennusjärjestelmään.
• Varmista, että datan tuottaja tunnistetaan ja toimitettuun dataan voidaan kohdistaa toimenpiteitä (varmuuskopiointi, laskenta, luokittelu).