SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Технология измерения частоты. Переход от ПЛИС (FPGA) к x86

Архитектура Dual Path – абсолютно новое решение, разработанное компанией ZES Zimmer для измерения мощности как в целой цепи, так и во всех ее частях по отдельности. С помощью Dual Path можно значительно повысить скорость и точность измерений. В статье описан анализатор мощности LMG670 от компании ZES Zimmer, работающий с применением новой технологии. Показано, почему для ее поддержки компания оборудовала LMG670 процессорами с архитектурой x86.

congatec.png

Представительство компании Congatec AG, г. Москва

В настоящее время на двигатели и приводы приходится до 45 % электрической энергии, потребляемой механизмами, поэтому решение, позволяющее сократить потери энергии, а соответственно и издержки, – важная, актуальная задача. Компания ZES Zimmer представила анализатор мощности LMG670 (рис. 1), который помогает инженерам оптимизировать потребление энергии с помощью технологии Dual Path, значительно повышающей как скорость, так и точность измерений.

Ведь правильные измерения, дающие возможность всесторонне оценить эффективность питающей системы, играют в деле повышения энергосбережения ключевую роль, причем необходимо получить точные данные как по всей цепи в целом, так и по каждой ее части в отдельности. Производители частотных преобразователей используют подобную методику для того, чтобы их ПЧ достигли максимальной эффективности.

Ris_1.png

Рис.1. Прецизионный анализатор мощности LMG670 от компании ZES Zimmer обеспечивает повышенное качество и скорость измерений путем объединения технологии Dual Path с модулем COM Express conga-BS77

Кроме того, хотя на высоких частотах работы более четкий синусоидальный сигнал, иногда при переключении в преобразователе все же возникают потери. В то же время при производстве двигателей требуется обеспечить как можно более высокую эффективность преобразования электрической энергии в механическую, для чего нужен стабильный синусоидальный ток. Оптимизация работы частотного преобразователя в некоторых случаях способна уменьшить эффективность двигателя. А ведь в конечном счете для производителя стиральных машин важна не скорость вращения барабана, а отсутствие вибраций на протяжении всего его рабочего цикла. Производителю стиральных машин нужен мощный, но в то же время энергосберегающий мотор. Поэтому мы снова сталкиваемся с вопросами: «Насколько велики потери в системе в целом?», «Где возникают эти потери?», «Как достичь самого выигрышного результата?», – ответы на которые можно найти, только проанализировав все части системы по отдельности, а затем уже – вместе.

Как подготовить сигнал?

Для точной настройки инвертора и мотора требуется выполнить два типа измерений, а именно: измерение неотфильтрованного сигнала для определения потребления всей системы в целом (что особенно важно при попытке выяснить, насколько она энергоэффективна) и измерение отфильтрованного сигнала для анализа потребления в определенных частях системы. При этом возникает вопрос: как подготовить сигнал для измерения? Может быть, отфильтровать его относительно верхней частоты среза в соответствии с теоремой Найквиста – Шеннона*? Однако это приведет к значительному искажению результатов. Что, если использовать фильтр, который отфильтровывает сигнал по другому алгоритму, а измерения проводить циклически с использованием некоторой частоты дискретизации? Но, хотя этот подход на первый взгляд кажется интересным, к сожалению, он не дает возможности увидеть, как искажения, вызванные наложением спектров, возникшим во время предшествующего процесса дискретизации, повлияли на сигнал, и эти ошибки невозможно удалить из результатов измерений.

Измерения в двух диапазонах

До недавнего времени существовало два метода, позволяющих провести такие измерения. Прежде всего, для анализа сигнала можно было использовать два независимых прибора. В качестве альтернативы можно было выполнить измерения одним прибором, но изменив настройки фильтра. В последнем случае перед вторым измерением нужно обязательно убедиться, что измеряться будет тот же самый сигнал и в тех же самых условиях, в которых проводилось и первое измерение. А для этого придется подождать, пока мотор остынет и достигнет той же температуры, что и при первом измерении. Таким образом, между измерениями возникает пауза, если же ее не сделать, температура повлияет на результаты вычислений, которые получатся приближенными. Иными словами, метод с последовательными измерениями – слишком медленный, а метод с параллельными измерениями двумя приборами включает дополнительный источник ошибок – второй измерительный прибор.

Одновременное измерение в двух частотных диапазонах с использованием Dual Path

Чтобы разрешить эту дилемму, компания ZES Zummer разработала совершенно новый способ измерения. Созданный компанией прецизионный анализатор энергии LMG670 использует для обработки сигнала архитектуру Dual Path**. Ключевая особенность данной архитектуры состоит в том, что сигнал подается одновременно на два независимых измерительных канала (рис. 2). Иными словами, один и тот же сигнал поступает как на первый канал для фильтрации и последующей передачи на анализатор спектра типа FFT***, так и на второй – для измерения неотфильтрованного сигнала. Таким образом, LMG670 способен заменить собой два измерителя мощности. Благодаря параллельному измерению сигнала пользователь получает дополнительные преимущества. Без подключения второго устройства не возникает ошибок из-за разницы в длине кабеля, теплового сопротивления или паразитной емкости. При использовании других методов устройства записывают данные непрерывно в течение всего процесса измерения, но технология Dual Path позволяет собирать в два раза больше данных.

Ris_2.png

Рис. 2. Благодаря технологии Dual Path точность измерений, которые проводятся одновременно в двух частотных диапазонах, значительно возрастает


Общая производительность

Анализатор LMG670 имеет 7 каналов измерения Dual Path. С помощью трехфазного подключения к трем каналам можно подключить преобразователи частоты и еще к трем – непосредственно моторы. Седьмой канал можно использовать для снятия механических показателей, например, крутящего момента двигателя или скорости. Данная технология позволяет проводить измерения во всей питающей цепи, анализируя энергоэффективность как отдельных ее компонентов, так и всей системы в целом.

Технология Dual Path поддерживает работу в режиме реального времени с потоками данных до 75 × 10⁹ выб/с. Данные отбираются из входного сигнала с частотой 1,2 × 10⁹ выб/с, затем подвергаются предварительной обработке, усредняются и передаются дальше уже со скоростью 34 отчета в секунду. Все эти процессы (получение данных, сложные алгоритмы вычислений, межпроцессорное взаимодействие и вывод данных измерения) требуют высоких процессорных мощностей. Для достижения требуемой производительности, превосходящей возможности устройств, выполненных на основе предшествующей технологии – ПЛИС (FPGA), компания ZES Zimmer перешла на использование процессоров с архитектурой x86.

Вычислительная мощность модуля COM Express

При всех достоинствах ПЛИС типа FPGA, при всей их способности выполнять задачи четко и правильно поддержка продукта и работа над его развитием быстро превращаются в кошмар для разработчика, особенно когда дело касается выбора микросхем следующего поколения. Для сравнения заметим (и каждый инженер-разработчик, несомненно, под этим подпишется), что рядовая PC-технология явно проще в работе. Выбирая модули COM Express в качестве процессорного ядра системы, компания ZES гарантирует их долговременную доступность на рынке, при том что компьютеры промышленного исполнения (PC-технология), как правило, присутствуют на рынке ограниченное время, так как их постоянно модифицируют, улучшая производительность. При выборе стандартного форм-фактора, хотя бы того же COM Express, разработчик получает дополнительные преимущества: взаимозаменяемость модулей, приспособленность к работе в неблагоприятных условиях и постоянную доступность этих модулей, которые можно приобрести у различных поставщиков. Что касается процессора, то компания ZES встраивает в анализатор LMG670 модули с интегрированным процессором Core™ i5 (рис. 3). Эти модули полностью отвечают трем первейшим требованиям, предъявляемым к эксплуатационным характеристикам всего изделия в целом, которое оценивается с точки зрения тестируемого изделия, оператора и производственной среды.

Ris_3.png

Рис. 3. Вычислительное ядро системы компании ZES Zimmer: COM Express-модуль conga-BS77 от компании Cognatec с процессором третьего поколения Intel® Core i5

Сегодня благодаря технологии Dual Path компьютерные модули COM Express дают анализатору LMG670 всю необходимую процессорную производительность, требуемую для проведения высокоточных и быстрых измерений мощности тестируемого устройства. Анализатор LMG670 вычисляет разницу в полученных результатах измерений, отображает их на встроенном дисплее и затем через гигабитную сеть передает на подключенное устройство либо через интерфейс DVI или VGA – на внешний экран или второй дисплей. В свою очередь, у оператора есть возможность по-разному работать с анализатором LMG670: он может управлять переключателями с помощью сенсорной панели или механических кнопок либо передавать команды на устройство через головной компьютер, к которому оно подключено. Управлять устройством можно даже удаленно через Интернет. В индустриальной среде анализатор LMG670 взаимодействует с устройствами посредством гигабитной проводной сети Ethernet, используя расширенный язык SCPI с дополнительными «директивами мощности». Эти возможности уже интегрированы с программной средой LabVIEW.

Адаптированная для компьютерного модуля конфигурация UEFI**** позволяет одновременно выводить информацию на встроенный дисплей с поддержкой двух разрешений – 1024 × 600 и 800 × 480, а на внешний дисплей VGA или DVI – с еще более высоким разрешением. Разрешение 800 × 480 не является для процессора стандартным, поддерживаемым по умолчанию, именно поэтому была разработана специальная конфигурация UEFI. А поставщик компьютерных модулей был выбран компанией ZES Zimmer, исходя из его возможностей предоставить заказчику адаптацию UEFI к конкретным требованиям. Благодаря тесному сотрудничеству с поставщиком модулей был налажен четкий и полный взаимопонимания рабочий процесс, при котором специалистам обеспечили беспрепятственный доступ к операционной системе и прошивкам, что позволило им не только реализовать технологию Dual Path, но и перенести функциональность с FPGA на архитектуру x86.

Очевидно, что общая структура стандартного форм-фактора не просто подразумевает стандартизацию как таковую, а значит, и легкую взаимозаменяемость элементов. Удачная реализация COM-модуля зависит от множества деталей: от поставляемой прошивки, программного обеспечения, адаптации ОС к нуждам встраиваемой системы и в особенности – от возможности переработки модуля в соответствии с индивидуальными потребностями заказчика. Этот тип поддержки является решающим для разработчиков промышленных систем, и не только потому, что инженерам-разработчикам FPGA нужно переобучаться для работы с архитектурой x86, но и потому, что в мире встраиваемых систем большинство приложений архитектуры х86 работает весьма специфически – с помощью определенных ухищрений. Вдобавок множество приложений по-прежнему работают с устаревшим последовательным интерфейсом Super I/O и не используют для работы USB, без которого не поддерживается ни анимированная заставка загрузчика, ни даже загрузка с нескольких устройств (вплоть до загрузки через облачный сервер «Интернета вещей»). Однако практически у всех современных процессоров свои особенности применения и функционирования. А это значит, что изготовитель OEM-продуктов выберет такого поставщика встраиваемых решений, который позаботится о его нуждах больше других, который обеспечит поддержку не только в аппаратной части, но и в написании прошивок, а также в реализации необходимых драйверов.

_________________________________________________________

*  В отечественной традиции - теорема Котельникова

** Dual Path – дословно «двойной путь» (англ).

*** Fast Fourier transform – быстрое преобразование Фурье (англ.).

****Unified Extensible Firmware Interface – унифицированный интерфейс расширяемой прошивки (англ.)



Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 4(64)_2016

Автор – Кристиан Эдер (Christian Eder),
 директор по маркетингу,
с англ. перевели А. Ревенко, В. Рентюк,
представительство компании Congatec AG, г. Москва,
тел.: +7 (495) 684-1747,
e-mail: Pavel.Andrievskiy@congatec.com,
сайт: congatec.com/ru.html