Studiehandledning - Datorbaserad mätteknik, ET075G, 10 hp 1. Inledning Kursen syftar till att en processoperatör ska förstå hur man mäter och samordnar stora datamängder för att kunna styra och övervaka en industriell process. Kursen behandlar möjligheter och begränsningar för givare, datainsamlingssystem och analys av mätdata. Kursen är indelad i sex delmoment, Introduktion, Sensorer, Förstärkare och AD-DA-omvandling, EMC och Filter, Dataalanalys samt Distribuerade Mätsystem. Till stöd för inlärning av teorin ges åtta föreläsningar och tre övningar. Därefter skall studenten tillämpa sina kunskaper i ett projektarbete. 2. Lärandemål Efter avslutad kurs ska kursdeltagaren kunna: Exemplifiera givare för att mäta minst 10 olika storheter, Beskriva datainsamlingssystem med egna ord, Förklara skillnaden mellan olika typer av signaler, Redogöra för begränsningar i datainsamlingssystem, Exemplifiera olika metoder för analys av multivariata data, Använda någon typ av programvara för att analysera industriella data, Använda mjukvara för att analysera mätdata, Bedriva självständiga projekt innefattande mätdatabehandling. 3. Organisation F1 F8: Föreläsningar P1: Projektrapport L1.. L2: Labbar utan rapport Ö1 Ö3: Övningar D1..D2: Kortare skriftliga prov (Dugga) Datorbaserad mätteknik 10 hp Teori 4 hp Introd. labbar och Projekt 6 hp L1 to L2 P1 Introduktion Sensorer Förstärkare och DA-AD EMC och Filter Dataanalys Distribuerade Mätsyst. F1 F2 F3 F4 F5-F6 Ö1-Ö2 F7-F8 Ö3 D1 D2
4. Grov tidsplanering Vecka Undervisningsaktivitet Lektionstid Sal 4 5 6 Föreläsning 1 2h Lektionssal för 10 studenter Introduktion Föreläsning 2 2h Lektionssal för 10 studenter Sensorer och givare Föreläsning 3 2h Lektionssal för 10 studenter Förstärkare och omvandling Föreläsning 4 2h Lektionssal för 10 studenter EMC och filter Föreläsning 5 2h Lektionssal för 10 studenter Multivariat analys I Övning 1 4h Datorövningar i S111 Efter föreläsning 5, Övning på PCA Projektstart 2h S111 Laboration 1 4h S111 Mäta temperatur med Pt100 Föreläsning 6 2h Lektionssal för 10 studenter Multivariat analys II Dugga 1 2h Lektionssal för 30 studenter Benny vaktar 7 Övning 2 4h Datorövningar i S111 Övning på PLS Föreläsning 7 2h Lektionssal för 10 studenter Distribuerade mät och kontrollsystem I Föreläsning 8 2h Lektionssal för 10 studenter Distribuerade mät och kontrollsystem II Laboration 2 4h S111 Experiment inför Övning 3 8 Övning 3 4h Datorövningar i S111 Övning på LabView och PLS 9 Projekthandledning 2h S111 Dugga 2 2h Lektionssal för 30 studenter Benny vaktar Projekthandledning 2h S111 10 Projekthandledning 2h S111 11 Omdugga 4h Lektionssal för 30 studenter Benny vaktar
5. Teoridel, 4 hp En serie om åtta föreläsningar ges till läroböckerna, Elektriska mätsystem och mätmetoder samt Multiand Megavariate Data Analysis. Du bedriver sedan självstudier av materialet i böckerna enligt läsanvisningar. Materialet är omfattande och målsättningen är att du skall få en teoretisk överblick i ämnet och i huvudsak förstå koncepten. Övningarna ger dig dessutom praktisk erfarenhet och lite djupare förståelse av delmomenten Förstärkare och DA-AD samt Dataanalys. 5.1 Föreläsningar och dess innehåll F1: Introduktion till mätsystem i processindustrin Varför behöver vi studera mätteknik? Generell modell för reglering av en process Andra exempel på system och sammanhang där sensorer används flitigt Distribuerade mätsystem Distribuerade kontrollsystem o Insamling av mätdata och övervakning av processer o Distributed Control System DCS o Plant Information System (PI system) Vad är en sensor och till vad används sensorer? Klassificering av signaler o Tidskontinuerliga eller tidsdiskreta signaler (samplade) o Amplitudkontinuerliga (analoga) eller amplituddiskreta signaler (digitala) o Energi eller effektsignaler o Deterministiska eller Stokastiska signaler Att studera signalernas frekvensinnehåll Mätnoggrannhet Hur anges den? o Medelvärde, varians, standardavvikelse o Normalfördelning Fysikalisk mätteknik o Mäta temperatur med en resistiv sensor o Signal och brus, SNR F2: Sensorer och givare Fysikalisk mätteknik o Temperatur Termoelement Halvledare och NTC Resistiv sensor (PT100) Svartkroppsstrålning och termoelement för IR-strålning o Töjning Töjningssensor (Strain gauge) o Kraft, massa Piezoelektriskt element Töjningssensor
o Position Differentiell transformator Potentiometer o Magnetfältstyrka Halvledare och Halleffekt o Ljusstyrka Halvledare och fotodiod o Acceleration Massa och töjningssensor Massa och piezoelektriskt element o Gas eller vätsketryck Tryckkammare och töjningssensor o Flöde av gas eller vätska Med och utan rörliga delar o Nivå i exempelvis en tank Flottör och positionsgivare, potentiometer eller differentiell transformator Kapacitiv givare o Luftfuktighet Kapacitiv givare Elektroteknik för detektering av kapacitiva, resistiva eller induktiva givares utsignal. o Bryggkoppling, modulerad eller DC o Två- och fyr-trådskoppling o Oscillator F3: Förstärkare och omvandling mellan analoga och digitala (diskreta) signaler Vad är en förstärkare? Återkopplad förstärkare Den ideala operationsförstärkaren o Inverterande koppling o Icke inverterande koppling o Common Mode, Differential Mode, Differensförstärkare o Instrumentförstärkare DA-omvandlare o Grundläggande princip med viktade resistorer o Minsta upplösning LSB o Linjäritetsfel AD-omvandlare o Grundläggande princip med successiv approximation o Grundläggande princip med direktomvandling, Flashomvandlare o Minsta upplösning o Linjäritetsfel F4: Elektromagnetisk kompatibilitet och filter Hur överförs störningar från en störkälla in i mätsystemet och hur minskar man överföringen? o Kapacitiv koppling
o Induktiv koppling o Gemensam impedans o Elektromagnetisk våg o Strömmar i jordledare o Första ordningens lågpassfilter o Minska brus med filter F5: Multivariat dataanalys I Motivation och tillämpning inom processindustri Varför lära sig? Medelvärde, varians, standardavvikelse, korrelation, fördelningsfunktioner Beskrivning av 2D mätdata genom passning av rät linje o Exempel Ström, spänning, resistans o Manuell grafisk passning o Minsta kvadratfel o Residualer PCA - Principle Component Analysis o 3D exempel på mätdata o Beskrivning av mätdata genom projektion på en, två eller tre ortogonala linjer (komponenter) o Hur många komponenter behövs? Plottade residuer Hur mycket varians beskriver respektive komponent? o Score plot o Loading plot F6: Multivariat dataanalys II Exempel på en processparameter som matematiskt visar ett linjärt beroende av tre andra processparametrar, dvs 3D 1D Partial Least Squares PLS o Beskrivning av indata med en komponent och med utdata passat mot en rät linje Projektion av in och utdata för bästa möjliga korrelation Resuduer för utdata o Vad händer när vi använder fler komponenter som beskriver indata? Residuer o Score plot o Weights plot F7: Distribuerade mät och kontrollsystem I Datorkommunikation o Kort om indelning av datorkommunikation i ett antal lager o Elektriska gränssnitt så som ex: GPIB, CAN (bilindustri), RS232 and RS485 Ethernet.
o Logiska bussar (protokoll) så används för överföring av mätvärden mellan kontrollenheter och sensorer/styrdon: PROFIBUS, o Logiska nätverk så som används för att knyta samman ett distribuerat mät- och kontrollsystem: TCP/IP. o Kommunikation mellan olika applikationer OPC o Trådlös kommunikation WirelessHART, ett initiativ till standardisering [2] Åtkomst av signaler, insamling och bearbetning av data o Grafisk programmering LabView F8: Distribuerade mät och kontrollsystem II Programvarans arkitektur o Styrning och övervakning av processer med Distributed Control System (DCS) o OLE for Process Control (OPC) Standardiserade gränssnitt, varför? Motivation Uppbyggnad, struktur och funktion o Exempel på mjukvara som stöder OPC o Operativsystem o Demo PI-reglering med autotuning: PI-reglering och DCS som baseras på OPC demonstreras med en simulerad process. o Demo Operatörsstöd för kvalitetsstyrning 5.2 Läsanvisningar i läroböcker och kompendier Tillfälle Behandlar område Kapitel att läsa i Elektriska mätsystem och mätmetoder F1 Introduktion till mätteknik, motivation 1, 2.1 Inledning, 2.5.1, 10.1 F2 Sensorer och givare 2 F3 Förstärkare och AD-DA-omvandling 3.1-3.4, 4.1-4.3.2, 4.3.5, 4.3.7 F4 Elektromagnetisk kompatibilitet och filter 11.1-11.6, 12.1-12.5 Kapitel att läsa i Multiand Megavariate Data Analysis F5 Multivariat analys I 1, 2, 3 F6 Multivariat analys II 4 F7,F8 Distribuerade mätsystem Kompendium 1 till 4
5.3 Övningar Tre övningar om fyra timmar vardera ges inom delmomentet Dataanalys. Övningarna syftar till att praktiskt lära sig hur man kan använda ett datorbaserat verktyg för att analysera flerdimensionella datamängder. Det är enormt viktigt att du noga läst igenom föreslagna sidor i boken L. Eriksson et al. Multi- and Megavariate Data Analysis innan dessa övningar. Vidare för du prova på att använda moderna systemkomponenter för att bygga ett distribuerat mätsystem DCS. Ö1: Dataanalys I med SIMCA Univariat statistik, linjärpassning på 3D demodata PCA för dataöversikt, exemplet FOODS från Umetrics, kap 1.5 i [6]. Fil med data följer med som exempel till programmet SIMCA. Processövervakning, exemplet PROC1a från Umetrics, kap 7.5 i [6]. Fil med data följer med som exempel till programmet SIMCA. Ö2: Dataanalys II med SIMCA PLS för prediktion, exemplet SOVRING från Umetrics, kap 7.6 i [6]. Fil med data följer med som exempel till programmet SIMCA. PLS på 3D demodata Ö3: LabView med OPC-anslutning Bygga ett distribuerat mätsystem med insamling av fyra signaler från en emulerad process. För denna del av övningen kan ni återanvända resultaten från Lab 2. Data samlas in i realtid till LabView för publicering på LabView OPC-server Ett LabView klientprogram hämtar mätdata kontinuerligt i realtid via en OPC-anslutning från servern. Mätvärden från den emulerade processens in- och utsignaler presenteras grafiskt. En PLS-modell för prediktion av processens utsignaler skall implementeras i klientprogrammet. Visa grafiskt den predikterade utsignalen samt avvikelse mot verklig utsignal. 6. Projekt, 6 hp Ni skall genomföra en projektuppgift som behandlar området mätteknik. Uppgiften skall lämpligen omfatta: Konstruktion av utrustning för någon form av experimentell process Ett flertal processparametrar som skall mätas och eventuellt styras Mätdatainsamling med lämpligtvis LabView Ett experiment skall genomföras på den process ni konstruerat. Mätdata för alla processparametrar samlas in när processen körs för ett flertal olika stabila tillstånd. Därefter skall ni genomföra en multivariat analys av mätdata i syfte att skapa en prediktionsmodell för er process. Dvs en matematisk modell för hur de olika processparametrarna beror av varandra.
6.1 Introducerande laborationer Två laborationer är tänkt att ge en praktisk introduktion till uppkoppling av en sensor, mätvärdesomvandlare och datainsamling och presentation med LabView. L1: Mäta temperatur med Pt100 L2: Experiment inför Övning 3 7. Examination Teoridelen examineras med två kortare skriftliga prov och projektet examineras med skriftlig rapport. Betyg ges i skalan A-E,Fx och F för separat för både teorimoment och projekt. De två betygen vägs sedan samman till ett betyg för kursen som helhet. 7.1 Teori Teoridelen examineras med två kortare skrivningar D1 och D2 (1 timme och 45 minuter vardera). Dessutom inom tidsramen för kurstillfället ges ytterligare ett tillfälle för examination (omdugga). Om du behöver skriva omduggan men tidigare klarat antingen D1 eller D2 behöver du bara göra omskrivning på den del du tidigare missat. Om du fortfarande efter omduggan har behov av examination sker detta genom ett skriftligt prov på hela teoridelen. 7.2 Projekt Projektuppgiften examineras med en skriftlig rapport. En mall som visar på en lämplig disposition för rapporten finns att ladda ner från kurshemsidan.
8. Kurslitteratur Kompendier 1. OPC Overview 1.0, White paper at www.opcfoundation.org 2. Control with WirelessHART, Technical notes at http://hartcomm.org 3. 3 Reasons SCADA Software is Going Nowhere, White paper and Webinar at http://www.inductiveautomation.com 4. OPC Tutorial, Multimedia presentation at http://www.matrikon.com Obligatorisk kurslitteratur: 5. Lars Bengtsson, Elektriska mätsystem och mätmetoder, Andra upplagan, Studentlitteratur, ISBN 91-44-02903-9 6. L. Eriksson et al. Multi- and Megavariate Data Analysis Part I Basic Principles and Applications, Second revised and enlarged edition, Umetrics Academy, ISBN 91-973730-2-8 Ej obligatorisk bredvidläsning: 7. W. Mahnke, S.H. Leitner and M. Damm, OPC Unified Architecture, Springer, ISBN 978-3- 540-68898-3 2011-12-12 Benny Thörnberg