Aktuální vydání

celé číslo

11

2020

Systémy řízení výroby a výrobních podniků

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Laboratoř měření na odboru automatizace ÚAI

číslo 4/2003

Laboratoř měření na odboru automatizace ÚAI

Nedílnou součástí automatizace a regulace je bezesporu měření. Bez dokonale zvládnutého měření nelze s úspěchem automaticky řídit žádnou technologii, výrobní proces apod. Měření proto patří k základním oblastem, s nimiž se seznamují nejen ti, kdo studují specializaci automatizace v oboru inženýrská informatika a automatizace na Fakultě strojního inženýrství Vysokého učení technického (FSI VUT) v Brně.

Z historie

Ve své současné podobě byla laboratoř měření na odboru automatizace Ústavu automatizace a informatiky FSI VUT v Brně (ÚAI) založena již asi před patnácti lety, ještě v rámci katedry přístrojů a automatizace jako garanta studijních oborů přístrojová, regulační a automatizační technika a automatizované systémy řízení výrobních procesů. Když se v polovině osmdesátých let minulého století stěhovala tehdy Strojní fakulta VUT do nových prostor, přestěhovaly se i veškeré laboratoře katedry. Vedle specializovaných laboratoří určených pro oborovou výuku tehdy existovaly tři laboratorní místnosti sloužící k praktické části výuky předmětu 3. ročníku základního studia základy technické kybernetiky. V nich se nacházela spíše pracoviště přibližující a dokumentující činnost jednotlivých částí regulačního obvodu, a protože základ zpětnovazebních obvodů tvoří měřicí technika, seznamovali se přitom studenti i s některými jejími charakteristickými vlastnostmi.

S postupem času došlo nejen k výrazným změnám v náplni oboru a k vyčlenění dalších specializací, ale také k restrukturalizaci laboratoří katedry. Obecně pojaté laboratoře technické kybernetiky byly zrušeny a jejich zařízení bylo rozděleno mezi specializované laboratoře oborových předmětů. Jedna z původních místností byla přidělena předmětu technická měření. Základem tehdy nové laboratoře měření se staly funkční úlohy, z nichž některé jsou funkceschopné ještě v současnosti. Laboratoři měření byla, stejně jako všem ostatním laboratořím, zadána dvojí úloha:

  • garantovat výuku příslušného předmětu pro celý obor,
  • zjednodušeně podat základy předmětu v rámci úvodního kursu studia strojního inženýrství.

Při dalších změnách struktury fakulty i jejích pracovišť přešla laboratoř měření spolu s celým odborem automatizace do ÚAI. Zde nyní dále slouží oběma základním cílům, jen s tím rozdílem, že z dřívějších oborů studia se vyvinuly specializace automatizace v rámci oboru inženýrská informatika a automatizace ve druhém stupni studia magisterského a obor aplikovaná informatika a automatizace studia bakalářského. Z původního předmětu základy technické kybernetiky se stal předmět automatizace a technická měření, resp., od současného školního roku, pouze automatizace.

Současnost

V nynější podobě existuje laboratoř měření již déle než deset let. Během té doby došlo k jisté modernizaci laboratorních úloh i ke změně celkové koncepce. Zatímco v počátcích měla laboratoř nejen sloužit aplikacím měřicí techniky v automatizaci, ale také přibližovat základy konstrukce přístrojů studentům zaměření přístrojová technika, v současnosti je k dispozici především třem směrům, které lze ztotožnit s těmito učebními předměty:

  • základy automatizace,
  • technická měření,
  • technická diagnostika.

Laboratoř slouží také k samostatné práci studentů na jejich diplomových projektech.

Problémem laboratoře měření je, že přes relativně velké vytížení výukou patří svou plochou k těm menším, takže je dosti složité ji připravovat a udržovat v chodu pro současnou výuku několika předmětů. Mnohé z laboratorních úloh se instalují na stoly jen na dobu vlastního použití. Poté se ukládají do skříní a nahrazují jinými, potřebnými pro názorné přiblížení dalšího tématu nové skupině studentů.

Základy automatizace

Jde ve své podstatě o historickou úlohu laboratoře a její osvětovou roli v rámci základního studia. Patří sem nynější předmět automatizace, kterým procházejí všichni studenti 3. ročníku prvního stupně magisterského studia, i předměty automatizace a regulace a základy automatizace a regulace, zařazené ve 2. ročníku některých oborů bakalářského studia, popř. i předmět automatizace pro 4. ročník magisterského studia Chemické fakulty VUT, který ÚAI také zajišťuje. Těmito základními předměty, a tedy i laboratoří, každoročně prochází asi 600 studentů.

Obr. 1.

Protože laboratoř měření je jednou ze šesti laboratoří, které v průběhu semestru studenti navštíví, a především také s ohledem na velký počet studentů, kteří zde absolvují jen jediné dvouhodinové cvičení za semestr, je snaha zařazovat především jednoduché, názorné a přitom i odolné laboratorní úlohy. Vždyť je-li v jednom dni běžně deset i dvanáct hodin výuky, není k dispozici časová rezerva na případné odstraňování závad či výměnu nefunkční úlohy za jinou.

Instalované laboratorní úlohy se v daném rámci snaží přiblížit úlohu měření v regulačním obvodu, strukturu měřicího řetězce zajišťujícího zpětnou vazbu a některé vlastnosti měřicí techniky v souvislostech s požadavky kladenými na celý regulační obvod. V tomto režimu jsou používány jednodušší úlohy, spočívající ve zjišťování statické charakteristiky snímače či měřicího přístroje, popř. hodnoty časové konstanty snímače. Jako modelová veličina je použita teplota, jejíž relativně velká setrvačnost umožní velmi názorně ukázat časové konstanty různých teploměrů. V kombinaci s převodníky a číslicovým přenosem naměřených hodnot lze demonstrovat i další vlastnosti měřicí techniky a jejich vlivy ve zpětnovazební větvi regulačního obvodu (obr. 1).

Technická měření

Předmět technická měření je součástí oborového studia na ÚAI ve 4. ročníku magisterského studia a současně ve 3. ročníku studia bakalářského. V rámci tohoto studia prochází laboratoří asi 100 až 120 studentů ročně. Na rozdíl od již zmíněných asi 600 každoročních posluchačů základních kursů automatizace zde tito studenti absolvují asi dvě třetiny všech svých cvičení v předmětu. V úvodní třetině získají jistý teoretický základ v učebně a v laboratoři se mají seznámit s praktickými realizacemi.

Obr. 2.

Spektrum úloh je tudíž v tomto případě voleno velmi široké ve snaze přiblížit studentům jak jednotlivé části měřicího řetězce a jejich základní vlastnosti, tak i problematiku měření jednotlivých technických veličin. Při jednoduchých úlohách studenti zjišťují statické či přechodové charakteristiky běžných snímačů nebo měřicích přístrojů. Na jiných pracovištích se seznamují s funkcí převodníků a problematikou dálkového přenosu měronosného signálu. V posledním období přibyly také úlohy s počítačovou podporou měření a opomenuty nejsou ani úlohy uvádějící do problematiky kalibrace snímačů i celých měřicích řetězců (obr. 2).

Co se týče veličin, jsou zde zastoupeny především tlak, teplota, hmotnost, otáčky, průtok vzduchu, množství tepla a tepelný výkon a výška hladiny. Přestože je zcela samozřejmě kladen důraz na měření, mohou se zde studenti setkat také s jednoduššími příklady regulace, protože zejména modernější úlohy a úlohy využívající programovou podporu měření umožňují současně vedle automatizace měření a jeho vizualizace použít program instalovaný v řídicím počítači také pro regulaci sledované veličiny.

Technická diagnostika 

Co se týče technické diagnostiky, probíhá v laboratoři část výuky předmětů automatická diagnostika v 5. ročníku magisterského a spolehlivost a diagnostika ve 3. ročníku bakalářského studia. Těmito předměty oborového studia prochází na ÚAI ročně také asi 100 až 120 studentů, kterým se laboratoř v rámci cvičení snaží přiblížit některá diagnostická měření. V tomto směru má současnost ještě značné rezervy, ale s ohledem na skutečnost, že objektivní diagnóza se opírá opět o výsledky měření, je třeba i zde nalézt způsob, jak diagnostická měření studentům v praxi přiblížit, protože vybudovat samostatnou specializovanou laboratoř technické diagnostiky je nereálné.

V současné době lze vycházet z některých jednodušších příkladů termodiagnostiky. Použití vibrodiagnostiky může přiblížit již historicky vyhlížející vibrometr Robotron. Modernější přístupy lze v omezeném měřítku naznačit např. přiblížením FFT s použitím programového prostředí Matlab a popř. také zpřístupněním ukázkových prezentací poskytnutých v elektronické podobě dodavateli diagnostických systémů, které mohou studenti sledovat na počítači přímo v laboratoři měření nebo v sousední laboratoři počítačů.

Diplomové práce

Samostatnou kapitolou využití laboratoře jsou práce studentů závěrečných ročníků na jejich diplomových, popř. bakalářských pracích. Každoročně zde řeší svůj projekt několik studentů. Zdařilejší výsledky jejich práce zpravidla slouží, po případných úpravách, dalším studentům v příštích letech jako další laboratorní pracoviště. Z poslední doby lze vzpomenout např. pracoviště měření a regulace výšky hladiny vody v nádrži, které využívá moderní plovákový hladinoměr s dálkovým analogovým výstupem od firmy KSR Kuebler v kombinaci s PC s měřicí kartou PCL 818 a programem ControlWeb 2000 (obr. 3).

Obr. 3.

Plány do budoucna

Jak naznačily předchozí odstavce, je současným základem laboratoře především klasická měřicí technika doplněná několika pracovišti s počítačovou podporou. Ta se opírají o programy ControlPanel, popř. ControlWeb, a o jednotku CTRL od ÚTIA Praha s programovou podporou zakoupenou od katedry automatizační techniky a řízení Fakulty strojní VŠB TU v Ostravě. Některá pracoviště bylo možné realizovat díky darům a zápůjčkám firem, jako jsou např. D-Ex Limited s.r.o. z Brna, Newport Electronic s. r. o. z Karviné, CMMS s. r. o. z Prahy a ETA – Electronic Aldorf/Nürnberg.

Je zcela zřejmé, že je třeba nadále posilovat zastoupení úloh demonstrujících počítačovou podporu měření a zpracování dat z měření, a to bez rozdílu jejich nasměrování do jednotlivých již uvedených oblastí výuky. Starší počítač, vybavený měřicí kartou a programem ControlWeb 2000, na němž lze postupně předvádět např. již zmíněné měření a řízení výšky hladiny, měření a řízení teploty vodní lázně, popř. model elektronické váhy a její kalibraci, není rozhodně postačující.

Dlouhodobé snahy byly úspěšně završeny na přelomu let 2002 a 2003, kdy se podařilo pořídit pracoviště pro automatizovaný sběr a zpracování dat založené na nejmodernější verzi programového prostředí LabView firmy National Instruments. Nové pracoviště umožní podstatně modernizovat některé tradiční měřicí a popř. i jednodušší regulační úlohy pracující s běžnými technickými veličinami. Využito bude již při letošních diplomových pracích v oboru technické diagnostiky, protože kombinace dodaného softwaru a hardwaru dovolí např. názorně předvést frekvenční analýzu vibrací měřených skutečným snímačem na reálném laboratorním modelu.

S novým pracovištěm, které si teprve hledá stálé místo v laboratoři, bude možné rozšířit stávající řadu praktických úloh, popř. i vytvořit ukázky paralelních přístupů k řešení daných problémů prostřednictvím špičkového světového a domácího softwaru pro podporu měření. V širším kontextu oboru automatizace se díky novému pracovišti rozšiřují obzor a možnosti studentů o další programový produkt, s nímž se v průběhu studia oboru alespoň okrajově setkají (Matlab, ControlPanel, ControlWeb, InTouch, LabView, Sipro, Promotic aj.), což je koncepční snahou všech pracovníků odboru automatizace ÚAI.

Závěr

Měření je jak samostatně, tak i v rámci automatického řízení nepostradatelnou a nenahraditelnou odbornou činností, které je třeba věnovat při teoretické a zvláště pak praktické přípravě budoucích odborníků v oboru automatizace nemalou pozornost. Prostřednictvím laboratoře měření se pracovníci odboru automatizace ÚAI FSI VUT v Brně snaží o optimální skloubení teoretické a praktické části výuky této problematiky se stále rostoucím podílem automatizačních trendů ve všech etapách měření, včetně využití moderních podpůrných počítačových programů.

Ing. František Vdoleček, CSc.,
ÚAI FSI VUT, Brno
(vdolecek@uai.fme.vutbr.cz)

Inzerce zpět