Inovace distribuovaného systému pro sběr a zpracování dat

Úvod

V roce 1982 se autor tohoto článku poprvé setkal s profesorem P. Markem, tehdy působícím na vysoké škole v San Jose v Kalifornii. Předmětem rozhovoru byla otázka registrace deformace ocelových konstrukcí při zatížení, vyvolávající poškození únavou materiálu: jak registrovat odezvy konstrukce na zatížení nahodilého charakteru (vlaky, vozidla, rezonance, vítr apod.)?

Autor byl vyzván pokusit se sestrojit přístroj, umístitelný na konstrukci, kterým by byly sejmuty, předzpracovány a shromážděny informace o průběhu odezvy na zatížení v podobě statistických dat, například jako soubor počtů rozkmitů napětí různé velikosti (metoda rain-flow). Tato data by bylo možno využít jednak k zjištění reálného zatížení prvků konstrukce pro odhad únavového poškození a zbývající životnosti, jednak pro zpřesnění a ověření metod stanovení spolehlivosti založených na simulaci (SBRA).

Zařízení pro sběr a analýzu dat RE-49

První funkční model byl proveden v několika kusech, jejichž funkce byla ověřena jak na tuzemských pracovištích (Vítkovice), tak i v zahraničí, např. byl aplikován firmou Caltrans v Sacramentu na dálničním mostě, na několika ocelových mostech v USA a v laboratořích Lehigh University v Pensylvánii a San Jose State University v Kalifornii.

Zmíněné zařízení bylo první generací víceúčelového systému pro záznam, vyhodnocování, popř. kompenzaci časově proměnných veličin, ovlivňujících životnost kovových konstrukcí. Aplikace byly nalezeny v rozsahu od dálkových plynovodů a kompenzace bludných proudů, způsobujících elektrochemickou korozi, přes elektrické rozvodny a monitorování fázových proudů, až k ocelovým konstrukcím, např. mostům, a sledování jejich zatížení.

Blokové schéma přístroje v původním provedení je na obr. 1.

Obr. 1 Blokové schéma přístroje RE-49

Další rozvoj

Vývojová skupina měla díky uvedení profesora Marka možnost ověřit a předvést funkci přístroje, včetně nedostatků v komfortu obsluhy, během pracovní cesty na Lehigh University, USA a San Jose State University, CA, USA.

Zmíněné přístroje jsou přes některé nedostatky dosud používané v zahraničí i v České republice, například v rámci výzkumu VŠB v Mostech u Jablůnkova. Konstrukce těchto zařízení podléhala možnostem součástek a jejich dostupnosti v tehdejší době. Během posledních dvaceti let se však situace v součástkách a komunikačních technologiích podstatně změnila.

Současné možnosti

Obr. 2 Blokové schéma terminálu RE-118

Nedávno, na konferenci o metodách SBRA na ČVUT, vznikla otázka modernizace systému, a co by nového nabízel svým uživatelům. Úvodní studie modelu RE-118 přinesla následující porovnání parametrů a funkcí (viz tabulka 1).

Diskuse potvrdila názor, že výhodnější je rozložit po rozlehlé konstrukci více malých jednotek s méně čidly než velkou centrální jednotku. Menší počet vstupů a menší rozměry jsou jednodušší pro instalaci a jsou spolehlivější.

Pro provoz je přijatelné trvalé připojení pomocí kabelu. Pro připojení se nabízí rozhraní ethernet, které je oddělené transformátorovou vazbou, a je možno použít levný kabel např. pro strukturovanou kabeláž v chráničce. Omezení délky vedení plyne z jmenovitého dosahu kabelu ethernetu, udávaného na 300 metrů (lze však prodloužit). Napájení je možné vést přes nepoužité vodiče kabelu nebo přes středy transformátorů podle normy IEEE 802.11af z centrální jednotky (LAN switch s injektorem PoE). Tento systém navíc elektricky izoluje jednotlivé terminály od vedení a centrálního napájení, takže je možno je lokálně přizemnit a vyhnout se chybám měření.

Měřicích jednotek je možno připojit řádově desítky k jedné centrální jednotce, kterou je běžný switch s PoE injektorem, a tak vytvářet rozlehlý systém, který je možno řídit, nastavovat a číst z něj data po lokální síti nebo přes internet. Podle dostupnosti připojení k internetu je možno buď zvolit off-line režim (jen napájení) s vyčítáním dat do přineseného počítače, nebo on-line režim s možností přístupu k webovému rozhraní každé měřicí jednotky přes internet. Jednotky mohou provádět synchronizovaná měření pro zjišťování časové korelace zajímavých událostí.

Kromě jednotky provádějící sběr a zpracování tenzometrických dat z konstrukce lze začlenit do systému i další typy jednotek, monitorující např. povětrnostní veličiny, dopravu, seismiku, nebo jednotky s větším počtem sensorů či úplně nová čidla (měřiče teploty s rozhraním 1-Wire firmy Dallas, detektory zaplavení, snímače RFID a další).

Během dvou měsíců vznikl prototyp terminálu s čidly pro monitorování teplotního pole v serverové místnosti, se záplavovým čidlem a dalšími periferiemi a ethernetovým připojením a dálkovým napájením PoE.

Obslužný software je sice specifický pro několik základních aplikací, avšak umožňuje práci s moderními technologiemi jako SQL, a tím umožňuje integraci do firemního informačního systému a přístup k datům v reálném čase. Tím se rozšířilo spektrum použití o nové možnosti jako přístupový systém, skladová evidence, řízení výroby a pohybu výrobků, dálkové ovládání spotřebičů, řízení inteligentních budov atd.

V konstrukci jednotek nebyly použity nijak převratné postupy nebo technologie. Plošný spoj je běžný čtyřvrstvý, součástky jsou běžně dostupné, s běžným nebo industriálním teplotním rozsahem (byly zvoleny součástky s možností kvalifikace pro kritické aplikace). Pouzdrem může být běžná krabička s montáží na DIN lištu, anebo je možno použít plastovou či kovovou vodotěsnou krabici pro venkovní prostředí.

Závěr

Moderní elektronické součástky a informační technologie umožnily v poslední době vývoj nové generace decentralizovaných zařízení pro sběr, zpracování dat a dálkové řízení s daleko lepší přesností, kapacitou, konektivitou a řiditelností, s malými rozměry a spotřebou. To umožňuje miniaturizaci zařízení a jeho prakticky trvalou instalaci i na venkovní konstrukci. Ač je systém konstrukčně spíše skromný, nabízí řadu zajímavých možností v budoucích aplikacích.