SÄHKÖKONEEN DIAGNOSTIIKAN TOTEUTUSRAKENTEET

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO SÄHKÖTEKNIIKAN OSASTO

SÄHKÖKONEEN DIAGNOSTIIKAN TOTEUTUSRAKENTEET

Raportti

Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka Case Paperi- ja kartonkiteollisuus

Risto Tiainen 8. joulukuuta 2005

SISÄLLYSLUETTELO

1 JOHDANTO ... 4

2 DIAGNOSTIIKAN TOTEUTUSRAKENTEET ... 5

2.1 Moottorin anturointi ...7

2.1.1 Antureiden luokittelu...7

2.2 Keräily-yksikön vaatimukset...13

2.2.1 Käyttömuisti (RAM) ...13

2.2.2 Ohjelmamuisti (ROM) ja prosessoriaika...18

2.3 Taajuudenmuuttaja keräily-yksikkönä ...18

2.3.1 Taajuudenmuuttajalta saatavia tietoja ...18

2.3.2 Tiedonsiirron toteutusrakenteet ...23

2.4 Diagnostiikan tiedonhallinnasta ...36

3 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET ... 41

LÄHTEET... 44

KÄYTETYT MERKINNÄT JA LYHENTEET

Lyhenteet

A/D Analogue/Digital. Analogi-digitaali.

ARM Advanced RISC Machine. Eräs prosessoriperhe.

ASIC Application-Specific Integrated Circuit. Yhden tarkoituksen integroitu piiri.

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol. Protokolla verkkolaitteen automaattiseen konfigurointiin (RFC-2131 ja RFC-2132).

DMA Direct Memory Access. Oheislaitteiden suora muistinkäyttö.

DSP Digital Signal Processor. Digitaalinen signaaliprosessori.

ESR Equivalent Series Resistance. (Kondensaattorin) ekvivalenttinen sarjaresistanssi.

FTP File Transfer Protocol. Tiedostojen siirtoon käytettävä protokolla.

GPS Global Positioning System. Maailmanlaajuinen satelliittipaikannusjärjestelmä.

HTTP Hypertext Transfer Protocol. Web-sivujen siirtoon käytettävä protokolla.

IP Internet Protocol. Verkkokerroksen protokolla.

LAN Local Area Network. Paikallisverkko.

MAC Media Access Control. Fyysisen kerroksen monikäyttörajapinta.

MEMS Microelectromechanical System. Mikroelektromekaaninen järjestelmä.

NTP Network Time Protocol. Ajan synkronointiin käytetty protokolla (RFC-1305).

ODBC Open Database Connectivity. Liityntärajapinta tietokantasovelluksiin.

PLC Programmable Logic Controller. Ohjelmoitava logiikka; tai Power Line Communications. Sähköverkkotiedonsiirto.

ppm Parts Per Million. Miljoonasosa, 0,001 ‰.

PTP Precision Time Protocol. Ajan synkronointiin käytetty protokolla (IEEE 1588).

RAM Random Access Memory. Hajasaantimuisti, luku- ja kirjoitusmuisti.

RFID Radio Frequency Identification. Radiotaajuinen tunnistus.

RMS Root Mean Square. Suureen neliön keskiarvon neliöjuuri.

ROM Read-Only Memory. Lukumuisti.

SRAM Static Random Access Memory. Staattinen RAM.

TCP Transmission Control Protocol. Yhteydellinen kuljetuskerrosprotokolla.

TDMA Time Division Multiple Access. Aikajakomonikäyttö.

UDP User Datagram Protocol. Yhteydetön kuljetuskerrosprotokolla.

UTC Coordinated Universal Time (sic). Koordinoitu aikareferenssi.

µC Microcontroller. Mikro-ohjain.

Muuttujat

a Kiihtyvyys

d Datamäärä

f Taajuus

k Diskreetti indeksi N, n Kappalemäärä

I, i Virta (tunnusluku, hetkellisarvo)

J Hitausmomentti

s Matka

t Aika

T Aikaväli; vääntömomentti

U, u Jännite (tunnusluku, hetkellisarvo)

v Nopeus

ϑ Lämpötila

Φ Magneettivuo

Ψ Käämivuo

ω Kulmanopeus

Alaindeksit

ax Aksiaali- (axial)

c Tiedonsiirto (communications)

DC Tasavirta (Direct Current)

max Maksimi (maximum)

n Nimellinen (nominal)

p Tiedonkäsittely (data processing)

ph Vaihe (phase)

s Näytteistys (sampling)

sync Synkroni- (synchronous)

sw Kytkin (switch)

t Lähetys (transmission)

tot Kokonais- (total)

tt Lähetyksestä lähetykseen (transmission to transmission)

1 JOHDANTO

Toimintojen ulkoistaminen ja prosessihenkilöstön vähentäminen on johtanut asiantuntijoiden määrän vähenemiseen paperi- ja kartonkiteollisuudessa. Tämä koskee erityisesti tukitoiminto- ja, kuten sähkönjakelua ja prosessiautomaation kunnossapitoa. Samaan aikaan vaaditaan yhä parempaa prosessin käyttövarmuutta, lopputuotteen laatua ja toiminnan tehokkuutta. Näiden lisäksi useissa kohteissa vaaditaan erikoisosaamista entistä kapeammilta aloilta. Entistä ko- vemmat laatuvaatimukset ovat kasvattaneet tarvetta diagnostisoida prosessiautomaatiojärjes- telmien toimintaa. Asiantuntijoiden määrän väheneminen ja vaadittavien erityisosaamisaluei- den kapeneminen ovat toisaalta luoneet tarpeen ulkoistetuille kunnonvalvonta- ja etädiagnos- tiikkapalveluille.

Tyypillisessä suomalaisessa metsäteollisuuslaitoksessa on tuhansia sähkökäyttöjä. Mikäli diagnostiikka halutaan ulottaa suureen osaan sähkökäyttöjä, kohteiden suuresta määrästä joh- tuen kunnonvalvontakonseptin merkitys on suuri. Hyvä kunnonvalvontakonsepti on varma- toiminen ja helposti konfiguroitava ja hallittava. Konfiguroitavuuden ja hallittavuuden merki- tys korostuu erityisesti ulkoistettujen kunnossapitopalveluiden tapauksessa. Kunnonvalvonta- konseptin tulisi olla myös skaalautuva, koska uusia valvottavia kohteita voi tulla järjestelmän piiriin runsaastikin. Skaalautuvaa järjestelmää voidaan myös käyttää erityyppisissä kohteissa ilman suuria muutoksia.

Tässä raportissa selvitetään sähkökoneen diagnostiikan toteutusrakenteita. Vaatimuksia antu- reilta dataa keräävälle yksikölle selvitetään erilaisten anturien tapauksessa. Tämän jälkeen tarkastellaan taajuudenmuuttajan tai modernin moottoriohjaimen hyödyntämismahdollisuuk- sia sähkökoneen diagnostiikan tukena, ja määritetään vaatimukset moottorin antureilta dataa keräävälle taajuudenmuuttajalle. Toteutusrakennetta, jossa moottori ja taajuudenmuuttaja lii- tetään tietoverkkoon yhdestä pisteestä (taajuudenmuuttajalta) verrataan toteutusrakenteeseen, jossa moottorin anturit ja taajuudenmuuttaja on liitetty tietojärjestelmiin erikseen. Lopuksi tarkastellaan sähkökäytön diagnostiikan tiedonhallintaa, ja pyritään muodostamaan kokonais- kuva sähkökoneen diagnostiikkakonseptin osa-alueista.

Raportti liittyy Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (Prognos) –hankkeen Paperi- ja kartonkiteollisuus –casen osatehtävän 1.10 (Sähkökoneen diagnostiikan toteutusrakenteet) raportti. Osatehtävä liittyy läheisesti osatehtävään 1.11 (Ethernet sähkökäyttöjen diagnostii- kassa), josta on kirjoitettu oma raporttinsa (Kämäri, 2005).

2 DIAGNOSTIIKAN TOTEUTUSRAKENTEET

Teollisuuslaitos mallinnetaan yleensä tietojärjestelmien kannalta jakaantuneeksi kolmelle ta- solle. Tasoista alin on kenttätaso, jolla sijaitsevat toimilaitteet, kuten moottorit ja anturit. Pro- sessinohjaustasolla sijaitsevat toimilaitteita ohjaavat laitteet, kuten prosessitietokoneet ja oh- jelmoitavat logiikat (PLC, programmable logic controller). Tuotannonohjaustasolla (hallinta- tasolla) sijaitsevat tietokantapalvelimet ja toimistojen PC-työasemat. Kuvassa 2.1 on havain- nollistettu tietojärjestelmien tyypillistä hierarkiaa (Ahola, 2000).

Sähkökäyttö koostuu sähkömoottorista, moottoriohjaimesta ja kuormasta. Käyttö voi olla suo- ra tai taajuusmuuttajaohjattu. Sähkökoneet ovat kenttätason toimilaitteita. Moottoriohjaimet (ml. taajuusmuuttajat) voidaan ajatella kenttätason tai prosessinohjaustason laitteiksi tilantees- ta riippuen. Diagnostiikkatietoa voidaan kerätä sekä taajuusmuuttajalta että moottorilta. Moot- toriin kiinnitetyiltä (tai valmistuksen yhteydessä integroiduilta) antureilta voidaan saada esi- merkiksi lämpötila-, kiihtyvyys- tai kosteustietoa. Moottoriohjaimelta saatavaa tietoa voidaan hyödyntää sekä moottoriohjaimen itsensä että sen syöttämän moottorin kunnonvalvonnassa.

Tässä luvussa tarkastellaan moottorin anturoinnin perustoteutusratkaisuja ja taajuusmuuttajal- ta saatavan tiedon hyödyntämistä käytön diagnostiikassa. Tämän jälkeen tutkitaan mahdolli- suutta hyödyntää taajuusmuuttajaa moottorin anturoinnilta tietoa keräävänä yksikkönä, ja ver- rataan tätä toteutusrakennetta anturoinnin ja taajuusmuuttajan kytkemiseen tietojärjestelmiin erikseen.

M M

BIN IN/OUT FB COMM.

Process Unit Process Unit PROCESS BUS

Control Room

Process Station

FB COMM.

FB COMM.

I/O BUS

Local Area Network (Ethernet) Information

Center

Database Server

Database Server

Data Acquisition and Management System for Management Applications of Industrial Electrical Systems

PMU Energy Management

System

Database Server

Process Station

Process Station

Process Station

Process Station

PLC PLC PLC

FIELDBUS

Field Level Process Control Level

Management Level

OPC -Server

FIELDBUS Electrical

Systems Management Application

Office Workstation

Kuva 2.1. Esimerkki teollisuuden tietojärjestelmän tyypillisestä hierarkiasta. Kenttätasolla (field level) sijaitsevat toimilaitteet, kuten kytkimet ja anturit. Prosessinhallintatasolla (process control level) ovat mm.

kenttätason toimilaitteita ohjaavat laitteet, kuten ohjelmoitavat logiikat (PLC). Hallintatasolla (management level) ovat tehtaan tietokantapalvelimet ja toimistotyöasemat. (Ahola, 2000)

2.1 Moottorin anturointi

Moottorin anturoinnin ominaisuudet määrittävät suurelta osin antureiden ja niiltä tietoa kerää- vän yksikön välisen tiedonsiirron toteutusmahdollisuudet. Täten antureiden ominaisuudet vai- kuttavat myös keräily-yksikkönä toimivalle taajuusmuuttajalle asetettaviin vaatimuksiin. Täs- sä kappaleessa tarkastellaan, mitä anturin yksinkertaisuus tai monimutkaisuus vaikuttaa tie- donsiirron ja keräily-yksikön vaatimuksiin. Erityisesti keskitytään kiihtyvyysantureihin, jotka ovat tehokkaita monentyyppisten vikojen havaitsemisessa (Lindh, 2003),(Tavner, 1987),(Vas, 1993),(Dimarogonas, 1992). Lisäksi kiihtyvyysanturit tuottavat mittatietoa verrattain suuria määriä (mittauksen koko on suuruusluokkaa alle sata kilotavua) mittauksen näytteistystaajuu- den ollessa tyypillisesti kymmeniä kilohertsejä.

Yksinkertaisimmillaan anturiyksikkö koostuu pelkästä tuntoelimestä, sen tehonsyötöstä ja lähdön puskuroinnista/vahvistuksesta. Useimmat kaupalliset kiihtyvyysanturimoduulit ovat tällaisia. Ne perustuvat pietsosähköiseen kiteeseen, jonka avulla mekaaninen jännitys muun- netaan jännitteeksi. Anturimoduulit sisältävät myös vahvistimen, jolla tuntoelimen tuottama signaali puskuroidaan ja vahvistetaan sopivalle jännitealueelle. Anturimoduulin ulostulona on tyypillisesti jännite. Anturimoduulien valmistajat tarjoavat yleensä jännite-virta-muuntimia, joiden avulla tämä jännite voidaan muuntaa 4-20 mA –virtaviestiksi. Pietsosähköiseen kitee- seen perustuvia kiihtyvyysanturimoduuleita valmistavat useat yritykset, esimerkkeinä mainit- takoon SKF, Honeywell, Prüftechnik ja Brüel & Kjær.

Pietsosähköiseen kiteeseen perustuvien antureiden lisäksi markkinoilla on myös mikrotyöstet- tyjä antureita (MEMS, microelectromechanical system). MEMS-anturi voidaan toteuttaa piil- lä, jolloin samalle piisirulle voidaan integroida itse tuntoelimen lisäksi oheiselektroniikkaa, kuten signaalin vahvistus ja suodatus (Lindh, 2001). Tällaista anturipiiriä käyttäen voidaan varsin yksinkertaisesti toteuttaa analogisen tai digitaalisen ulostulon antava anturimoduuli (Rautiainen, 2004). Mikrotyöstetyt piikiihtyvyysanturit ovat tyypillisesti edullisempia kuin pietsosähköiset kiihtyvyysanturit, mutta niiden dynaaminen alue on pienempi ja kohina suu- rempi. Piiantureihin pohjautuvia anturimoduuleita ei markkinoilla näyttäisi juurikaan olevan.

Markkinoilla olevia anturimoduuleja tai jopa pelkkiä tuntoelimiä hyödyntämällä voidaan ra- kentaa ominaisuuksiltaan hyvin erilaisia anturi- tai anturointikokonaisuuksia. Näissä liityntä ylemmälle tasolle voi olla analoginen tai digitaalinen, ne voivat sisältää mikroprosessorin ja muistia, mikroprosessorilla voidaan jalostaa mittadataa mittatiedoksi, tai data voidaan siirtää sellaisenaan eteenpäin. Seuraavassa luodaan katsaus eri vaihtoehtoihin ja näiden toteutusmah- dollisuuksiin.

2.1.1 Antureiden luokittelu

Kuten aikaisemmin todettua, moottoriin kiinnitettävä tai siihen integroitu anturiyksikkö on yksinkertaisimmillaan pelkkä tuntoelin ja sen tarvitsema tehonsyöttö. Tämän lisäksi käytän- nön anturiyksiköissä on myös mittaussignaalin vahvistus. Mittatietoa voidaan siirtää analogi- sena jännite- tai virtaviestinä, minkä jälkeen tämä digitoidaan tiedonkäsittelyä varten. Analo- gista signaalia ei voida puskuroida, joten digitoinnin suorittavan yksikön (anturia käyttävän yksikön) on kyettävä tässä tapauksessa näytteistämään signaalia reaaliajassa. Vaaditut näyt- teistystaajuudet riippuvat valvottavasta kohteesta ja käytetystä anturista, mutta ovat suuruus- luokkaa kilohertseistä kymmeniin kilohertseihin. Näytteiden määrä mittaussekvenssissä vaih- telee kohteen ja anturin mukaan.

Reaaliaikaisuusvaatimus tuottaa vaatimuksia keräily-yksikön toteutukselle. Esimerkiksi ei- reaaliaikaista käyttöjärjestelmää (kuten Linux, Windows CE tai Symbian) käyttävissä laitteis- sa reaaliaikaisuuden toteuttaminen on vaikeaa, koska käyttöjärjestelmä ja muut suoritettavat ohjelmat voivat varata prosessorin itselleen siten, että näytteitä ei jonain ajanjaksona ehditä ottaa. Prosessorin varaaminen kokonaan mittausta suorittavan ohjelman käyttöön voi olla mahdollista, mutta tämä ei välttämättä ole toivottavaa, koska tällöin dataa keräävä yksikkö ei ole ylemmän tason järjestelmien käytettävissä. Tällaisessa järjestelmässä tiedonkeruu voidaan mahdollisesti toteuttaa DMA-siirtoa (Direct Memory Access) käyttäen. Tämä vaatinee kuiten- kin prosessorin ulkoista laitteistoa, joka nostaa järjestelmän kustannuksia. ARM9-prosessorin ja Linux-käyttöjärjestelmän käyttöä mittaustiedon keräily-yksikössä tarkastellaan raportissa (Kämäri, 2005).

Mittaussignaalin A/D-muunnos voidaan tehdä myös anturiyksikössä. Tällöin anturiyksikköön tarvitaan vähintään A/D-muunnin ja sitä ohjaava piiri (esimerkiksi mikro-ohjain). Joissain tapauksissa mikro-ohjaimeen integroitu A/D-muunnin riittää, jolloin kahta erillistä piiriä ei tarvita. Kahdeksanbittisten mikro-ohjainten integroidut A/D-muuntimet ovat tyypillisesti 10- bittisiä, mikä ei yleensä ole riittävä kiihtyvyysmittauksiin (Lindh, 2003). Vähän dataa tuotta- vien mittausten (kuten lämpötilamittaus) tapauksessa koko mittaus voidaan tallentaa mikro- ohjaimen sisäiseen muistiin ja lähettää anturia käyttävälle yksikölle, kun tämä on vapaa. Tässä tapauksessa reaaliaikaisuusvaatimuksesta päästään kokonaan eroon, mikä yksinkertaistaa ke- räily-yksikön toteutusta. Kiihtyvyysmittauksien tuottama datamäärä sen sijaan on niin suuri, ettei mittaus tyypillisesti mahdu mikro-ohjaimen muistiin kokonaisuudessaan (Tiainen, 2005).

Mittadataa voidaan kuitenkin puskuroida lyhyen aikaa, ja data voidaan lähettää, kun keräily- yksikkö on vapaa. Kuvassa 2.2 on esitetty tällaisen järjestelmän periaate. Ylemmällä aika- akselilla on näytteenotto, alemmalla näytteiden siirto anturiyksiköltä keräily-yksikölle. Mitta- tietoa täytyy kuvan kaltaisessa järjestelmässä kyetä siirtämään keräily-yksikölle nopeammin kuin mittaus sitä tuottaa.

t

t

Kuva 2.2 Mittauksen siirto ylemmälle tasolle, kun mitta-anturissa on muisti, johon mittausta puskuroi- daan. Ylempi aika-akseli kuvaa mittausten ottamista ja alempi niiden siirtämistä. Tiedonsiirtonopeus anturilta keräily-yksikölle on niin suuri, että puskuroidut mittapisteet ehditään siirtää keräily-yksikölle ennen kuin tallennuspuskuri vuotaa yli.

Periaatteessa edellä kuvatun kaltainen järjestely on käytössä esimerkiksi viitteessä (Rautiainen, 2004) kuvatussa pilot-laitteistossa, joka on koekäytössä UPM-Kymmenen Kuu- sanniemen sellutehtaalla ja Tirvan vesivoimalassa, Valkealassa (Tiainen, 2004). Näissä järjes- telmissä mittadataa lähetetään eteenpäin sitä mukaa kuin sitä tuotetaan, joten käytetty puskuri on siis käytännössä yhden mittapisteen kokoinen. Liikennöinti antureilta keräily-yksikölle on toteutettu käyttäen ei-standardia, tätä tarkoitusta varten suunniteltua protokollaa RS-485-

väylällä. Tiedonsiirto ei ole kehyspohjaista, vaan anturiyksikkö lähettää mittadatan keräily- yksikölle sitä mukaa kuin sitä syntyy. Kiihtyvyysmittauksia otetaan 20 kHz:n näytteistystaa- juudella, ja jokainen 12-bittinen kiihtyvyysmittauspiste siirretään järjestelmässä kahtena 8- bittisenä tavuna. Jokaista datatavua kohti järjestelmän RS-485-väylällä lähetetään start-bitti ja kaksi stop-bittiä. Näin ollen tiedonsiirron nopeuden antureilta keräily-yksikölle on oltava

440000 20000

8 1 2 8 8

2⋅ ⋅ + + ⋅ =

bittiä sekunnissa eli noin 430 kilobittiä sekunnissa (tietotekniikassa 1 kb = 2¹⁰ b = 1024 b).

Järjestelmässä käytetty nopeus on 625 kbps.

Kiihtyvyyssignaalin vaadittu näytteistystaajuus ja näytteistystarkkuus riippuvat käytetystä analyysimenetelmästä ja valvottavasta kohteesta. Analyysimenetelmät jakaantuvat yksinker- taisiin, kokonaistärinän amplitudin mittaamiseen perustuviin menetelmiin ja monimutkaisem- piin taajuus- ja aika/taajuus-analyysimenetelmiin (Lindh, 1999)(Randall, 2004)(Dimarogonas, 1992)(Arthur, 2000). Tarvittava näytteistystaajuus on tyypillisesti kymmeniä kilohertsejä, näytteistystarkkuus kymmenestä bitistä ylöspäin. Havaitaan, että tiedonsiirtovaatimukset ovat tällöin samaa suuruusluokkaa kuin edellä lasketussa esimerkissä (satoja kilobittejä sekunnis- sa).

Tiedonsiirto näin suurilla nopeuksilla ei aina ole mahdollista esimerkiksi tiedonsiirtopiirien rajoitusten tai häiriöisen ympäristön vuoksi. Yksinkertaisin ratkaisu tällöin on liittää anturiyk- sikköön muisti, joka kykenee tallettamaan vähintään yhden kokonaisen mittaussekvenssin.

Tällöin anturiyksikkö ottaa mittauksen itsenäisesti omaan muistiinsa, josta se siirretään sopi- vana aikana käytettävissä olevalla nopeudella anturia käyttävälle yksikölle. Tässä ratkaisussa on mahdollista käyttää myös virheenhavainnointi ja –korjausmenetelmiä datan siirrossa, jos tämä on tarpeen.

Staattinen RAM-muisti (SRAM, Static Random Access Memory), jollaista yksinkertaisten mikro-ohjainten ulkoisena käyttömuistina yleensä käytetään, on verrattain kallista. Jos kun- nonvalvontajärjestelmään kuuluu useita (satoja, jopa tuhansia) anturiyksiköitä, nousevat jär- jestelmän kokonaiskustannukset muistipiirien takia korkeiksi. Tämän vuoksi järjestely, jossa anturiyksiköitä käyttävän laitteen (keräily-yksikön) muisti on riittävä vähintään suurimman kerättävän mittauksen tallentamiseen ja tiedonsiirto keräily-yksikön ja antureiden välillä on riittävän nopeaa reaaliaikaiseen siirtoon, on verrattain edullinen. Tämä edellyttää, että riittä- vän nopea tiedonsiirtoyhteys keräily-yksiköltä antureille ei aiheuta merkittävästi suurempia kustannuksia kuin hitaammat vaihtoehdot.

Vaikka tiedonsiirtoyhteys anturiyksiköiltä keräily-yksikölle on hitaampi kuin reaaliaikaisuus- vaatimus edellyttää, ei anturiyksikön muistin kuitenkaan periaatteessa tarvitse kyetä varastoi- maan koko mittausta. Tässä tapauksessa anturiyksikön muisti voidaan ajatella rengaspuskuri- na, johon mittadataa tallennetaan sitä mukaa kuin mittauksia otetaan, ja josta samaan aikaan lähetetään dataa keräily-yksikölle niin nopeasti kuin pystytään. Jo lähetettyjen mittapisteiden päälle voidaan tallentaa uusia mittapisteitä. Dataa ei korruptoidu, jos mittauksen pituus, mit- taustaajuus ja tiedonsiirtotaajuus suhtautuvat toisiinsa sopivasti. Kuvassa 2.3 on havainnollis- tettu rengaspuskurin periaatetta.

Seuraava paikka, johon tallennetaan

Seuraava lähetettävä

Mittapiste, jota ei ole siirretty keräily-yksikölle Vapaa muistipaikka

Kuva 2.3 Mittauksen tallentaminen rengaspuskuriin, periaate. Indeksit kiertävät tässä kuvassa vastapäi- vään. Dataa ei korruptoidu, jos mittauksensiirtonopeus, mittaustaajuus ja mittauksen kesto suhtautuvat toisiinsa sopivasti.

Tarkastellaan nyt tilannetta, jossa mittauksia otetaan taajuudella fs (mittausta/sekunti) ja mit- tapisteitä siirretään jatkuvasti (ei kehyspohjaisesti) taajuudella ft, ft <fs. Olkoot mittaussek- venssin pituus N mittausta ja mittauspuskurin koko n mittausta. Jotta dataa ei korruptoidu, ei mitatun ja siirretyn datan määrien erotus saa ylittää puskurin kokoa mittauksen päättyessä.

Tällöin

t s

st f t n t N f

f − ≤ ₌ , (2.1)

josta edelleen saadaan vaadituksi puskurin kooksi f N

n f 

 



 −

≥

s

1 t . (2.2)

Tarkastellaan esimerkkinä aikaisemmin kuvatun kaltaista kiihtyvyysmittausta, jossa mittaus- sekvenssin pituus N on 32768 näytettä ja mittaustaajuus fs on 20 kHz. Oletetaan, että mittauk- sia siirretään PC-tietokoneelle RS-232-sarjaväylää käyttäen nopeudella 115200 bittiä sekun- nissa (bps). Tämä on suurin nopeus, johon PC-koneiden sarjaportti yleensä kykenee. Olkoon sarjaväylällä käytössä 1 start-bitti ja 2 stop-bittiä kahdeksaa databittiä kohti. Tästä saadaan näytteidensiirtotaajuudeksi

Sas Sabit

s bit 118

t 5236

16 115200

⋅ ≈

=

f .

Yhtälöstä (2.2) saadaan puskurin minimikooksi tällöin 24189

32768 20000

1 5236 ⋅ ≈



 

 −

≥

n .

Muistipiirien koot ovat tavallisesti 2:n kokonaislukupotensseja. Edellisen esimerkin tapauk- sessa voidaan todeta, että kuvattu järjestely ei ole erityisen hyödyllinen, koska tarvittavan muistin määrää ei saatu pudotettua alle puoleen. Joissain tapauksissa tällainen järjestely kui- tenkin mahdollistaa pienemmän puskurimuistin käytön, mikä voi alentaa järjestelmän koko- naiskustannuksia.

Edellä kuvatussa tarkastelussa oletettiin, että dataa siirretään anturiyksiköltä keräily-yksikölle jatkuvana virtana. Tämäntyyppisiä, standardoituja väyliä ei kuitenkaan juurikaan näytä olevan käytettävissä. Jos tiedonsiirrossa käytetään jotakin kehysperusteista protokollaa, on tilanne monimutkaisempi. Tällöin dataa puskuroidaan jokin määrä (esimerkiksi kehyksen maksimi- kapasiteetti) ennen kuin se lähetetään. Lähetyksen lisäksi täytyy master-slave-tyyppisellä väy- lällä master-laitteen (anturia käyttävän yksikön) pyytää datakehystä, mikä aiheuttaa tauon mittaustiedon siirtoon. Esimerkki tällaisesta protokollasta on Modbus. Sitä voidaan käyttää esim. RS-485-sarjaväylän tai TCP/IP-protokollapinon päällä. Mielenkiintoinen mahdollisuus on hyödyntää sähköverkkotiedonsiirtoa, jolloin moottorin syöttökaapelia voidaan hyödyntää mittatiedon siirtoon (Ahola, 2005a).

Tarkastellaan tiedonsiirtoa kehyspohjaisen väylän ja edellä kuvatun kaltaisen ympyräpuskuri- ratkaisun tapauksessa. Tavoitteena on jälleen johtaa yhtälö anturiyksikön mittauspuskuria varten tarvittavan RAM-muistin minimimäärälle. Olkoon mittaussekvenssin koko N näytettä, ja puskurin koko n näytettä. Oletetaan, että yhteen kehykseen mahtuu d näytettä. Kehykseen kuuluu hyötydatan (d näytteen) lisäksi väyläkohtaista muuta dataa, kuten ohjaus- ja virheen- havainnointi-informaatiota. Lisäksi jokaista siirrettyä kehystä kohti tarvitaan mahdollisesti keräily-yksikön lähettämä pyyntökehys, ja lähetettävien ja vastaanotettujen kehysten proses- sointiin kuluu aikaa. Olkoon d näytteen siirtämiseen kuluva aika Tframe. Tähän sisältyvät ke- hyksen lähettämiseen kuluva aika ja muuhun kehyksen lähettämiseen liittyvään prosessointiin kuluva aika. Olkoot näytteenottotaajuus fs. Tällöin voidaan johtaa puskurin minimikoolle lau- seke







− 







 +







≥ 

frame s frame

s frame s

floor floor

,

max f T

d N d T

T f f N N

n , (2.3)

missä floor{·} kuvaa pyöristämistä alaspäin seuraavaan kokonaislukuun. Jos anturia ja sitä käyttävää yksikköä yhdistävällä väylällä ei ole muuta liikennettä mittauksen aikana kuin mit- tauksen siirtoon liittyvä tiedonsiirto ja mittadataa keräävä yksikkö kykenee ottamaan vastaan mittadataa tasaisesti (ei ole varattuna kauempaa kuin Tframe), voidaan tässä esitetyllä menetel- mällä todennäköisesti varsin tarkasti arvioida tarvittavan muistin määrää. Mittauksen osittais- ta puskurointia käyttävä anturijärjestelmä on kuitenkin yleisesti vaikea mallinnettava, ja tällai- sen järjestelmän saaminen toimimaan luotettavasti voi olla vaikeaa. Kun valmistetaan suuria määriä edullisia anturiyksiköitä, voi tällaisen järjestelmän käyttäminen kuitenkin olla perus- teltua pienemmän muistivaatimuksen vuoksi.

Kuvassa 2.4 on esitetty tässä esitetyn tarkastelun mukainen anturityyppien jaottelu. Anturit on jaettu tiedonsiirto-ominaisuuksiensa ja keräily-yksikölle asettamien vaatimustensa mukaan neljään ryhmään. Yksinkertaisimmat anturit ovat sellaisia, joissa ei ole ollenkaan tiedon pus- kurointia. Anturiyksikön lähtö voi olla analoginen (digitointi keräily-yksikössä) tai digitaali- nen. Seuraava ryhmä ovat sellaiset anturit, joiden muistiin yksi mittaussekvenssi mahtuu osit- tain. Näihin kahteen ryhmään kuuluvia antureita käytettäessä keräily-yksikön tulee kyetä ot- tamaan vastaan mittadataa määrättyinä ajanhetkinä, joten ne vaativat keräily-yksiköltä reaali- aikaisuutta. Kolmas anturiryhmä ovat anturit, jotka kykenevät tallettamaan kokonaisen mitta- ussekvenssin omaan muistiinsa. Nämä eivät vaadi keräily-yksiköltä reaaliaikaisuutta. Neljän- neksi ryhmäksi on erotettu sellaiset anturit, jotka paitsi kykenevät tallettamaan mittaussek- venssin, niin myös käsittelemään mittadataa jotenkin (esimerkiksi laskemaan Fourier- muunnoksen). Nämä eivät merkittävästi eroa toisistaan keräily-yksikölle asetettujen vaatimus- ten suhteen; ainoa ero oikeastaan on, että mittadataa jalostavan anturiyksikön tapauksessa siirrettävä datamäärä voi olla pienempi (tai joissain tapauksissa suurempi) kuin pelkän tiedon puskuroinnin osaavalla anturiyksiköllä. Kuvan jaottelussa reaaliaikaisuutta vaatimattomat anturit on yhdistetty "älykkäiden" antureiden kategoriaan. Usein älykäs anturi määritellään sellaiseksi, joka kykenee mittauksen lisäksi myös tiedon analyysiin. Tässä tarkastelussa tällai- set anturit ovat kuitenkin melko samanlaisia pelkkään tiedon varastointiin kykenevien antu- reiden kanssa, joten tiedonsiirron kannalta molemmat ovat "älykkäitä". Älykkäiden antureiden vastakohdaksi kuvaan on reaaliaikaisuutta vaativat anturit yhdistetty kategoriaan "tyhmät"

anturit. Myös tyhmien antureiden asettamat vaatimukset keräily-yksikölle ovat keskenään varsin samantyyppisiä.

Anturi

"Älykäs"

anturi

"Tyhmä"

anturi

Tiedon puskurointi ja käsittely

Tiedon puskurointi

Osittainen tiedon puskurointi

Ei tiedon puskurointia

Kuva 2.4 Antureiden luokittelu niiden tietoa keräävälle yksikölle asettamien vaatimusten perusteella.

"Älykkäät" anturit eivät vaadi keräily-yksiköltä missään määrin reaaliaikaisuutta, "tyhmät" anturit vaati- vat.

Taulukkoon 2.1 on koottu edellä esitetyn jaottelun mukaisten anturityyppien tyypillisiä omi- naisuuksia.

Taulukko 2.1 Eri anturityyppien tyypillisiä ominaisuuksia.

Ei tiedon pusku- rointia

Osittainen tiedon puskurointi

Tiedon puskuroin- ti

Tiedon pusku- rointi ja käsittely Prosessori • Ei mitään tai

yksinkertainen µC.

• Yksinkertainen µC

• 8—32-bittinen µC

• DSP + µC, 32- bitt. yleisk. pro- sessori tai vast.

Muisti • Ei mitään tai µC:n sisäiset RAM ja ROM

• ROM: µC:n sis.

• RAM: µC:n sis. + mahd.

ulkoinen

• ROM: µC:n sis.

• RAM: µC:n sis.

+ ulkoinen

• Sisäiset ja/tai ulkoiset

Tiedonsiirto • Analoginen tai protokollaton digitaalinen

• Täysin reaali- aikainen

• Protokollaton tai protokollal- linen digitaali- nen

• Rajoitetusti reaaliaikainen

• Protokollallinen digitaalinen (kenttäväylä, Ethernet tms.)

• Ei reaaliaikai- nen

• Protokollallinen digitaalinen (kenttäväylä, Ethernet tms.)

• Ei reaaliaikai- nen

2.2 Keräily-yksikön vaatimukset

Tässä kappaleessa tarkastellaan mitta-antureilta tietoa keräävän yksikön laitteistovaatimuksia, joita ovat vaatimukset käyttömuistista (RAM), ohjelmamuistista (ROM) ja laskentatehosta.

RAM-vaatimus on yleensä merkittävämpi tekijä kuin ROM-vaatimus, sillä sulautetuissa jär- jestelmissä käyttömuistin hinta on tyypillisesti korkeampi kuin ohjelmamuistin. Laskentateho- eli prosessoriaikavaatimus nousee merkittäväksi, jos keräily-yksikön kautta kulkee hyvin suu- ri määrä mittatietoa tai keräily-yksikkönä toimiva laite tekee muutakin kuin kerää mittatietoa.

Tässä kappaleessa tarkastellaan pääasiassa RAM-vaatimusta, koska ROM- ja laskentateho- vaatimuksen arviointi on yleisesti hyvin vaikeaa.

2.2.1 Käyttömuisti (RAM)

Mittatiedon tallentaminen. Ilmeisimmän käyttömuistin tarpeen aiheuttaa antureilta kerätyn mittatiedon tallentaminen. Keräily-yksikkö toimii antureilta kerätyn tiedon välivarastona tal- lettaen tiedon siihen saakka, kun se siirretään eteenpäin ylemmän tason tietojärjestelmiin. Ku- ten edellisessä kappaleessa todettiin, tiedonsiirto antureilta keräily-yksikölle voi olla joko re- aaliaikaista ("tyhmät" anturit) tai ei-reaaliaikaista ("älykkäät" anturit). Myös tiedonsiirto ke- räily-yksiköltä eteenpäin voisi periaatteessa olla reaaliaikaista tai ei-reaaliaikaista. Reaaliai- kaisen siirron tapauksessa keräily-yksikkö toimisi läpinäkyvänä kytkimenä, joka yhdistää yhden mitta-anturin kerrallaan ylemmälle tasolle. Tällöin keräily-yksikköä käyttävä ylemmän tason tietojärjestelmiin kuuluva laite toimisi oikeastaan aikaisemmin esitetyn konseptin mu- kaisena keräily-yksikkönä. Voidaan siis määritellä keräily-yksikkö laitteeksi, joka kerää reaa- liaikaisesti tai ei-reaaliaikaisesti mittatietoa antureilta ja kykenee siirtämään tämän mittatiedon ei-reaaliaikaisesti eteenpäin.

Edellä esitetyn määritelmän perusteella on ilmeistä, että keräily-yksikön on kyettävä talletta- maan ainakin yksi kappale mitä tahansa siihen liitetyiltä antureilta saatavaa mittausta. Mitta- tiedon tallettamiseen tarvittavan käyttömuistin vähimmäismäärä on siis suurimman mittauk- sen koko. Tämä taas riippuu suuresti valvottavasta kohteesta ja käytetyistä mittauksista.

Jos keräily-yksikön muisti on täsmälleen suurimman mittauksen kokoinen, ei kahden ylem- män tason siirron välisenä aikana voida ottaa kuin yksi tällainen mittaus tai jonkinlainen kombinaatio muita mittauksia. Tämä ei ole kovin edullinen tilanne, ja käytännössä kapasitee- tin halutaan todennäköisesti olevan suurempi. Tarkastellaan nyt yleisesti keräily-yksikköä, joka kerää eri mittauksia eri aikavälein. Olkoon mittauksia N kappaletta, mittauksen i tuotta- ma datamäärä di tallennuskapasiteettiyksikköä ja mittauksen i toistumisaikaväli Ti aikayksik- köä (oletetaan, että kunkin mittauksen toistamisaika on vakio). Oletetaan, että mittauksia siir- retään ylemmälle tasolle tasaisin väliajoin (Ttt aikayksikköä), ja että mittauksen siirtoon kuluu enintään Tt aikayksikköä. Kuvassa 2.5 on esitetty mittausten tallennus ja siirto aika-akseleilla.

t

T

T

T

t

Kuva 2.5 Mittausten keruu ja niiden siirtäminen ylemmälle tasolle. Ylempi aika-akseli kuvaa mittausten tallettamista keräily-yksikön muistiin (jokainen pystyviiva edustaa mittausta; mittauksen tallettaminen oletetaan hyvin lyhyeksi tapahtumaksi). Alemmalla akselilla on kuvattu mittausten siirtäminen ylemmälle tasolle. Harmaa suorakaide kuvaa mittauksen siirtoa (kesto Tt aikayksikköä). Mittausten siirtotapahtumien välinen aika on Ttt aikayksikköä.

Oletetaan, että ylemmälle tasolle mittatietoa siirrettäessä siirretään joka kerralla ne mittaukset, jotka on siirron alkuun mennessä kokonaan tallennettu keräily-yksikön muistiin. Oletetaan lisäksi, että ylemmälle tasolle siirretyt tiedot voidaan tuhota keräily-yksikön muistista vasta, kun koko siirto on suoritettu. Kuvaa 2.5 tarkastelemalla havaitaan näillä oletuksilla, että pisin aika, jonka kuluessa otettavien mittausten on mahduttava keräily-yksikön muistiin, on kuvaan merkittyjen kahden pystysuuntaisen katkoviivan välinen aika, joka on kuvan merkinnöin 2Tt + Ttt aikayksikköä. Tänä aikana tallennetun mittatiedon määrä riippuu siitä, minä ajanhet- kenä siirto aloitetaan. Kuvasta on helppo huomata, että pystyviivojen välissä voisi olla yksi mittaus enemmän kuin nyt on; tämä tilanne olisi esimerkiksi silloin, jos ensimmäinen kuvaan merkityistä mittauksen siirroista olisi aloitettu hiukan ennen mittausten siirtoa edeltävää mit- tauksen tallennusta. Kapasiteettivaatimuksen selvittämiseksi täytyy tietää pahimman tapauk- sen muistinkulutus. Oletetaan siten, että kaikki keräily-yksikön keräämät mittaukset tallenne- taan kerran Tt + 2Ttt aikayksikköä kestävän tarkastelujakson alussa ja tämän jälkeen kukin mittaus i aina Ti aikayksikön välein. Käytännössä useaa mittausta ei voida tallentaa yhtä ai- kaa, mutta tällaisella tarkastelulla saadaan pahimman tapauksen arvo. Datan suurimmalle mahdolliselle määrälle saadaan näillä oletuksilla yhtälö

i N

i i

T d T

d T ⋅







 +

=

∑

= 1

0

t ' tt

max

ceil 2 , (2.4)

missä ceil{·} kuvaa pyöristystä ylöspäin seuraavaan kokonaislukuun.

Edellä esitetty tarkastelu ei kuitenkaan ota huomioon sitä erikoistilannetta, jossa kahden tietyn mittauksen välisen ajan ja kahden siirron välisen ajan suhde on kokonaisluku. Tällöin voi käydä niin, että näitä mittauksia on muistiin tallennettava yksi enemmän kuin eo. yhtälö en- nustaa. Tilannetta havainnollistaa kuva 2.6.

t t

Mittaukset Siirrot Eivät ehdi mukaan samaan

aikaan alkavaan siirtoon

Kuva 2.6 Tilanne, jossa siirtojen väliaika sattuu olemaan mittausten tallennuksen väliajan kokonaisluku- monikerta. Tällöin voi olla niin, että muistissa joudutaan pitämään yksi tällainen mittaus enemmän kuin yhtälö (2.4) ennustaa.

Pahimman tapauksen tilanne on se, että mittauksista suurikokoisimmalle käy kuten edellä on esitetty. Täten kerrallaan muistiin talletettavan datan määrälle saadaan maksimiarvo

{ }

i N

i i

d T d

T

d T 2 max

ceil

1

0

t tt

max ⋅ +







 +

=

∑

=

. (2.5)

Kun keräily-yksikköön liitettävät anturit, mittausten väliajat ja koot tunnetaan ja datan siirto- välille (ylemmälle tasolle) sekä siirron kestolle annetaan jotkin arviot, voidaan edellä esitetyn perusteella laskea pienin mahdollinen määrä RAM-muistia, joka riittää mittausten tallentami- seen.

Mittatiedon käsittely. Jos keräily-yksikköön halutaan sisällyttää kerätyn mittatiedon käsitte- lyä (kenttätason analyysi), tämä vaatii yleensä lisää datamuistia. Kenttätason analyysiä käytet- täessä ylemmälle tasolle siirrettävän datan määrä on pienempi kuin korkean tason analyysissä, koska periaatteessa vain analyysitulokset on siirrettävä. Tiedonsiirtokapasiteetti on kuitenkin usein riittävä käsittelemättömän mittatiedon siirtämiseen, jolloin kenttätason analyysin tuoma hyöty on tässä suhteessa pieni (Tiainen, 2004), (Tiainen, 2005). Kenttätason analyysillä saa- vutetaan myös se etu, että vaadittavaa laskentaa (analyysiä) saadaan hajautettua, jolloin kor- keamman tason laskentavaatimukset ovat pienemmät. Tämä voi olla edullista siinä tilanteessa, että keräily-yksiköt ovat normaalisti pitkiä aikoja joutilaana. Yleisesti kuitenkin laskentakapa- siteetti on sitä edullisempaa mitä korkeammalle tasolle teollisuuslaitoksen hierarkiassa men- nään: sama laskentateho toimisto-PC:ssä maksaa huomattavasti vähemmän kuin kenttätason sulautetussa laitteessa. Sama pätee toisaalta myös tallennuskapasiteettiin, joten sulautettua analyysiä kannattaa yleisesti käyttää vain, kun tiedonsiirtoyhteys muodostuu järjestelmän pul- lonkaulaksi kapasiteettinsa tai aiheuttamansa viiveen vuoksi.

Esimerkki sulautettua analyysiä sisältävästä järjestelmästä on esitetty viitteessä (Spatenka, 2003). Viitteen järjestelmässä on toteutettu kiihtyvyyssignaalin verhokäyräanalyysi 32- bittiseen DSP:hen (Analog Devices ADSP-21065L) perustuvalla sulautetulla järjestelmällä.

Verhokäyräanalyysiin kuuluvat kaistanpäästösuodatus, AM-demodulaatio, desimointi ja 2048-pisteinen FFT. Järjestelmän käyttömuistivaatimus on yli nelinkertainen verrattuna pel- kän datan tallennuksen aiheuttamaan muistivaatimukseen.

Tiedonsiirto. Mittatiedon tallentamisen ja keräämisen lisäksi myös tiedonsiirto vaatii käyt- töönsä RAM-muistia. Käytettäessä kehyspohjaista tiedonsiirtoa vastaanotettu kehys täytyy tallettaa puskuriin, minkä jälkeen sen oikeellisuus tarkastetaan ja vastaanotettu data tallenne- taan varsinaiseen datamuistiin. Kuvassa 2.7 on esitetty esimerkki mittatiedon siirrosta mitta- anturilta keräily-yksikön kautta ylemmän tason järjestelmiin. Kuvan keräily-yksikössä on erilliset tiedonsiirtopuskurit sekä anturitietoverkkoa että ylemmän tason tietoverkkoa varten.

Jos tietoa halutaan siirtää kerrallaan vain toisella näistä väylistä, voidaan samaa muistialuetta käyttää molempien väylien puskurina.

A

Anturi

Keräily-yksikkö

Tiedonsiirtopuskurit Muistialue mittatiedon tallennukseen

Ylemmän tason järjestelmät

Kuva 2.7 Esimerkki mittatiedon siirrosta keräily-yksikön kautta ylemmän tason järjestelmiin. Anturiväyläl- le ja ylemmän tason väylälle on keräily-yksikön RAM-muistista varattu kummallekin omat puskurinsa.

Tarkastellaan seuraavaksi RAM-muistivaatimusta esimerkkinä muutaman protokollan tapauk- sessa.

Modbus RTU. Modbus RTU (Remote Terminal Unit) –protokolla voidaan melko yksinker- taisesti toteuttaa ohjelmallisesti ilman erikoispiirejä. Modbus RTU -kehyksen maksimipituus on 256 tavua (Modbus, 2004). Kehyksessä on hyötydatan lisäksi kahden tavun mittainen CRC-tarkistussumma (Cyclic redundancy check) sekä käytetystä funktiosta riippuvainen mää- rä muuta ohjausinformaatiota. Esimerkiksi read input registers –funktion tapauksessa tarvi- taan orjalaite-ID, funktiokoodi ja luettavien tavujen lukumäärä. Periaatteessa funktiokehyksen hyötydataosa voisi sijaita mittatiedon tallennukseen varatulla muistialueella, jolloin tarvittai- siin vain muutama tavu muusta muistista CRC-summaa ja ohjausinformaatiota varten. Tällöin useaan kehykseen jakautuneen mittauksen hyötydataosuus tulisi edelleen sijoitetuksi yhtenäi- senä lohkona datamuistiin. Yksinkertaisinta on kuitenkin toteuttaa järjestelmä niin, että tie- donsiirrolle on puskuri, johon vastaanotettu tieto tallennetaan ja josta se kopioidaan varsinai- seen datamuistiin, kun sen oikeellisuus on tarkastettu. Modbus RTU:n tapauksessa tämän puskurin minimikoko on edellä todetun mukaisesti 256 tavua.

Profibus DP. Profibus DP (Decentralized Periphery) on toiminnaltaan Modbus RTU:ta mo- nimutkaisempi, ja sen toteuttamiseksi sulautettuun järjestelmään kannattaa todennäköisesti käyttää prosessorin ulkopuolista protokollapiiriä. Käyttäjän laitteen vaatimukset jäävät tällöin melko pieniksi, sillä ASIC-piiri (Application Specific Integrated Circuit) sisältää muun muas- sa tarvittavat tiedonsiirtopuskurit. Profibus DP –väylän toteuttamista selvitetään elektroniikan erikoistyössä (Tirronen, 2004). Erikoistyön järjestelmässä toteutettiin Profibus DP –liityntä keräily-yksikköön, jonka prosessorina oli Microchip PIC18F8720, joka on 8-bittinen mikro- ohjain. Profibus-protokollapiirinä käytettiin Profichip GmbH:n VPC3+B-piiriä. Prosessori- kortille toteutettiin hyvin yksinkertainen esimerkkiohjelma, joka kirjoitettiin C-kielellä. C-

kääntäjän ilmoituksen mukaan esimerkkisovellus kuluttaa käytetyn mikro-ohjaimen muistista alle 8 prosenttia, mikä vastaa alle 300 tavua. Esimerkkiohjelma sisältää kaiken tarvittavan Profibus-liikennöintiin liittyvän, joten tätä voidaan pitää melko hyvänä arviona muistin kulu- tuksen ylärajaksi. Jollain toisella alustalla kuten myös eri kääntäjällä muistinkulutus voi tosin olla eri.

TCP/IP. TCP/IP-protokollaa voidaan käyttää useiden fyysisen tason toteutusten päällä, ja fyysisen tason toteutus vaikuttaa TCP/IP-protokollan laitteistovaatimuksiin. Oletetaan tässä, että fyysisen tason toteutuksena on Ethernet (IEEE 802.2). Fyysisen tason toteuttamiseksi voidaan käyttää valmista ASIC-piiriä, mutta TCP/IP-protokollapino on toteutettava ohjelmal- lisesti. Ethernetin tapauksessa MAC-kerroksen (Media Access Control) kehyksen suurin sal- littu pituus on noin 1500 tavua (Comer, 1991). TCP/IP-pinon täydellinen toteutus vaatii siten vähintään tämän verran muistia tiedonsiirtopuskurille. Internetissä on dokumentoitu useita mikro-ohjaimien päällä ajettavia TCP/IP-toteutuksia, ja näiden RAM-vaatimukset vaihtelevat ominaisuuksien mukaan. Esimerkiksi Ethernut 1.3 –prosessorikortilla on käytetyn Atmel ATmega128 –prosessorin sisäisen neljän kilotavun SRAM-muistin lisäksi ulkoinen 32 kilota- vun SRAM, koska neljän kilotavun todetaan olevan riittämätön sulautettuun Ethernet- järjestelmään (Ethernut). Toisaalta, Adam Dunkels (2003) esittää 8-bittisille arkkitehtuureille täysimittaisen TCP/IP-pinon, jonka RAM-muistivaatimus on pienimmillään muutamia satoja tavuja. Ethernetin ja TCP/IP-protokollan toteuttamista sulautettuihin järjestelmiin on käsitelty tarkemmin raportissa (Kämäri, 2005). Taulukkoon 2.2 on koottu arvioita tässä käsiteltyjen protokollien keräily-yksikölle aiheuttamista RAM-muistivaatimuksista.

Taulukko 2.2 Arvioita joidenkin protokollien aiheuttamasta käyttömuistitarpeesta.

Muistivaatimus Kommentteja

Modbus RTU Vähintään 256 tavua. Tiedonsiirtopuskurille.

Profibus DP < 300 tavua Käytetään ulkoista protokollapiiriä.

Vaatimus arvioitu PIC18-sarjan pro- sessorille tehdyn C-kielisen ohjel- man perusteella.

TCP/IP sadoista tavuista muutamiin kilo-

tavuihin Käytetään ulkoista fyysisen tason

Ethernet-piiriä, TCP/IP toteutettu ohjelmallisesti. Vaatimus vaihtelee sen mukaan, miten täydellisenä TCP/IP toteutetaan.

Edeltävän tarkastelun perusteella voidaan todeta, että protokollien aiheuttaman muistivaati- mus on yleensä suuruusluokkaa muutama sata tavua. Tässä esitellyt protokollat voidaan kaik- ki toteuttaa yksinkertaisella, 8-bittisellä mikro-ohjaimella ilman ulkoista RAM-muistia. Paljon dataa tuottavien antureiden (kiihtyvyys, lämpökuvat jne.) tapauksessa protokollan aiheuttama muistivaatimus on mitätön; muulloin protokollan muistivaatimus on huomioitava suunnitte- lussa.

Yhteenveto. Keräily-yksikön käyttömuistitarve muodostuu mittauksen tallennuksen, analyy- sin ja tiedonsiirron vaatimusten summana. Todennäköisesti analyysiä ei kannata sulauttaa keräily-yksikköön, jolloin kokonaistarve on tallennuksen ja tiedonsiirron vaatimusten summa.

Tiedonsiirron RAM-vaatimus on tyypillisesti sadoista tavuista muutamaan kilotavuun, joten esimerkiksi kiihtyvyysmittauksen tapauksessa mittadatan tallennuksen vaatima tila määrää käytännössä keräily-yksikön kokonaiskäyttömuistivaatimuksen. Yleisesti keräily-yksikön RAM-muistin on oltava vähintään

{ }

1

0

t tt

tot 2 max

ceil d d d d

T T

d ^N T _{i i}

i i

+ + +

⋅





 +

≥

∑

=

. (2.6)

yksikköä muistikapasiteettia. Yhtälössä i on mittauksen numero (0..N-1), Tt mittauksen siirron keräily-yksiköltä ylemmälle tasolle kesto, Ttt mittauksen siirtojen välinen aika, dp mittauksen prosessoinnin aiheuttama muistitarve ja dc siirtoprotokollien (anturiverkko ja ylempi taso) aiheuttamien RAM-vaatimusten summa. Tiedon käsittelyä ei useista syistä johtuen kannata sulauttaa kenttätasolle, jolloin dp on nolla. Siirtoprotokollien vaatimus, dc, on tyypillisesti suu- ruusluokkaa satoja kilotavuja protokollaa kohti. Ylemmän tason ja anturitason protokollat voivat käyttää samoja puskurialueita ainakin, jos tiedonsiirtoa molempiin suuntiin ei käytetä samanaikaisesti.

2.2.2 Ohjelmamuisti (ROM) ja prosessoriaika

Keräily-yksikön ohjelmamuistivaatimusta on hyvin vaikeaa arvioida, koska ohjelman toteu- tustapaa ja ominaisuuksia ei tunneta. Myös prosessoriarkkitehtuuri vaikuttaa asiaan merkittä- västi. Sama pätee myös ohjelman laskentateho- eli prosessoriaikavaatimukseen.

2.3 Taajuudenmuuttaja keräily-yksikkönä

Edellisessä kappaleessa tarkasteltiin yleisesti mitta-antureilta dataa keräävälle yksikölle ase- tettavia vaatimuksia. Tässä kappaleessa tarkastellaan vaatimuksia keräily-yksikkönä käytettä- vän taajuudenmuuttajan tuomia mahdollisuuksia ja tällaisen käyttötarkoituksen tuomia vaati- muksia taajuudenmuuttajalle. Lisäksi selvitetään mahdollisia tiedonsiirron toteutusrakenteita.

Asiaa käsitellään enimmäkseen taajuudenmuuttajakäytön kannalta. Myös suorassa käytössä käytettyjä moottoriohjaimia voidaan kuitenkin hyödyntää samalla tavoin.

2.3.1 Taajuudenmuuttajalta saatavia tietoja

Taajuudenmuuttajan merkitys sähkökäyttöjen kunnonvalvonnassa on kahtalainen. Yhtäältä se kykenee valvomaan omaa kuntoaan, toisaalta sitä voidaan hyödyntää sen syöttämän moottorin kunnonvalvonnassa. Kaikissa taajuudenmuuttajan päätyypeistä (skalaari- ja vektorisäädöt, ml.

suora vääntömomenttisäätö) mitataan kahta tai kolmea vaihevirtaa. Virtamittauksin voidaan havaita esimerkiksi moottorin ylikuormitus tai jumittuminen (vaihevirrat suuret) ja moottorin tai syöttökaapelin käämisulku. Kolmivaiheisella virtamittauksella voidaan lisäksi havaita kai- kissa tapauksissa vaihejohtimen katkeaminen ja maasulku. Virran spektriin perustuvilla mit- tauksilla voidaan pyrkiä havainnoimaan esimerkiksi oikosulkukoneen staattorin käämikierros- ten välisiä oikosulkuja, roottorisauvarikkoja ja roottorin epäkeskisyyttä (Benbouzid, 1999),(Wolbank, 1999),(Lindh, 2003). Taajuudenmuuttajan lyhin aikataso määrää suurimman mahdollisen taajuuden, jolla muuttaja voi ottaa virtamittauksia. Jos tämä aikataso on esimer- kiksi 25 µs, voidaan virtoja näytteistää taajuudella 1 / 25 µs = 40 kHz olettaen, että mittaus ehditään tehdä aina, kun tämän aikatason tehtävät suoritetaan. Jos aikatasolla suoritettavien, taajuudenmuuttajan varsinaiseen toimintaan liittyvien tehtävien suoritusaika vaihtelee suures- ti, voi mittauksissa muodostua ongelmaksi jitter eli vierekkäisten mittapisteiden välisen ajan vaihtelu. Myös moottoriohjaimet mittaavat yleensä vaihevirtoja. Moottoriohjainkäytössä vir- taspektrin hyödyntäminen moottoridiagnostiikassa on yksinkertaisempaa kuin taajuudenmuut- tajakäytössä, koska moottorin syötön aaltomuodossa ei ole kytkintransistorien tai -tyristorien aiheuttamia häiriöpiikkejä.

Virtojen lisäksi kaikilta taajuudenmuuttajatyypeiltä on saatavissa moottorin pyörimisnopeus jollain tarkkuudella. Pyörimisnopeustietoa tarvitaan esimerkiksi periodisten laakerivikojen havainnoinnissa spektrianalyysimenetelmillä (Lindh, 2003). Tahtikoneiden tapauksessa ko- neen pyörimistaajuus on sama kuin muuttajan syöttämä taajuus. Epätahtikoneen pyörimisno- peus on moottorikäytössä jättämän (slip) verran syöttötaajuutta pienempi. Jättämän suuruus riippuu moottorin kuormituksesta ja häviöistä.

Pyörimisnopeustiedon tarkkuus riippuu taajuudenmuuttajatyypistä. Taajuudenmuuttajat voi- daan jakaa kahteen päätyyppiin: skalaari- ja vektoritaajuudenmuuttajiin. Skalaarimuuttajien toiminta perustuu (kentänheikennyspistettä pienemmillä pyörimisnopeuksilla) vakion jänni- te/taajuus-suhteen (u/f-suhteen) generointiin. Pyörimisnopeustakaisinkytkemättömässä skalaa- ritaajuudenmuuttajassa tiedetään muuttajan lähtötaajuus. Moottorin pyörimisnopeus eroaa tästä jättämän verran. Pienillä koneilla nimellisjättämä on noin 3 % - 5 % nimellisnopeudesta (Holtz, 2002). Jättämän suuruutta voidaan arvioida moottorin kuluttaman pätötehon perusteel- la. Pätötehoa puolestaan voidaan arvioida, kun tiedetään modulaattorin syöttämät jännitevek- torit ja mitataan vaihevirtoja (Pyrhönen, 2003). Pyörimisnopeustakaisinkytketyssä skalaaritaa- juudenmuuttajassa käytetään mitattua pyörimisnopeustietoa nopeussäädön tarkkuuden paran- tamiseen, ja mitattua arvoa voidaan käyttää myös moottoridiagnostiikassa.

Vektoritaajuudenmuuttajassa käytetään epätahtikoneen kaksiakselimallia, jonka perusteella lasketaan tarvittavat ohjaussuureet (Pyrhönen, 2003). Pyörimisnopeustieto voidaan saada ta- kaisinkytkentänä pyörimisnopeusmittauksesta tai laskettuna moottorimallin perustella. Mallin perusteella pyörimisnopeustieto saadaan melko tarkasti: esimerkiksi ABB:n DTC-tekniikkaan (Direct Torque Control, suora vääntömomenttisäätö) perustuvan ACS800-taajuudenmuuttajan pyörimisnopeussäädön tarkkuudeksi ilmoitetaan staattisessa tilassa 10 % moottorin jättämästä ilman takaisinkytkentää ja 0,01 % nimellisnopeudesta takaisinkytkennällä (ABB, 2005a). Jos moottorin jättämätaajuus on esimerkiksi 4 Hz, on pyörimisnopeussäädön suurin virhe ilman takaisinkytkentää 0,4 Hz.

Moottorin pyörimisnopeutta voidaan estimoida myös kunnonvalvonnan mittauksien perus- teella. Esimerkiksi tärinämittaussekvenssistä pyörimisnopeus voidaan päätellä (Lindh, 2003).

Taajuudenmuuttajalta saatavaa pyörimisnopeustietoa voidaan hyödyntää tämän päättelyn tu- kena.

Useimpien moottorikunnonvalvontamenetelmien tapauksessa on tärkeää, että moottori on mittauksen suoritushetkellä stationääritilassa, eli sen pyörimisnopeus ja kuormitus pysyvät riittävän vakioina koko mittauksen ajan. Näin ollen on hyödyllistä, jos taajuudenmuuttajaa tai moottoriohjainta voidaan käyttää stationääritilan havainnointiin. Taajuusmuuttajaohjatussa induktiomoottorikäytössä muutostila voi ilmentyä kahdella tavalla: pyörimisnopeusohje voi muuttua tai vääntömomentti voi muuttua (joko vääntömomenttiohjeen tai kuormamomentin muuttumisen seurauksena). Molemmat ovat havaittavissa staattorivirtamittauksen perusteella.

Yksinkertaisin menetelmä on mitata virran RMS-arvoa (Root Mean Square) ja valvoa tämän pysymistä vakiona mittauksen ajan. Virran i RMS-arvo saadaan yhtälöstä

∫ ( )

=

T

t t T i

I 1 ₂ d

RMS , (2.7)

missä T on integroimisaika (ideaalisen siniaallon tapauksessa jaksonaika tai sen monikerta), i virta ja t aika. Diskreettiaikaisissa järjestelmissä tämä saa muodon

∑

=

k ik t I_RMS T1 ²

. (2.8)

Taajuudenmuuttajissa voidaan mitata myös välipiirin jännitettä. Välipiirin kondensaattori toimii taajuudenmuuttajan energiavarastona. Ylijännitteen voi aiheuttaa moottorin liian nopea jarruttaminen, ja ylijännite puolestaan voi aiheuttaa taajuusmuuttajan rikkoontumisen. Alijän- nite puolestaan voi johtua esimerkiksi viasta tasasuuntaajaosassa tai verkon jännitetason pu- toamisesta. Kondensaattorin itsensä kuntoa voidaan parhaiten valvoa mittaamalla tai estimoi- malla sen ekvivalenttista sarjaresistanssia (ESR). Elektrolyyttikondensaattorin ESR kasvaa kondensaattorin kuivuessa (ikääntyessä). Tällöin myös sen kapasitanssi pienenee. Estimaatti voidaan tehdä virta- tai jännitemittauksen perusteella. Elektrolyyttikondensaattorissa virran ja ESR:n korrelaation on havaittu olevan suurempi kuin jännitteen ja ESR:n korrelaatio (Imam, 2005).

Taajuudenmuuttajan pääteastetransistorien kollektori-emitterijännitettä mittaamalla voidaan havaita sekä itse transistorien oikosulut että syötettävän moottorin tai kaapelin oiko- ja maasu- lut. Näin voidaan havaita myös transistorien johtamattomuus. Toinen mahdollinen suure joh- tamattomien transistorien havainnointiin on vaihevirtojen mittaus. Tällä menetelmällä on myös mahdollista havaita lyhytkestoisia, alkavia vikoja, jotka voivat myöhemmin johtaa tran- sistorin rikkoontumiseen kokonaan (Sleszynski, 2005).

Taulukkoon 2.3 on kerätty taajuudenmuuttajalta mittaussuureita ja estimaatteja, joita voidaan hyödyntää taajuudenmuuttajan ja sen syöttämän moottorin diagnostiikassa.

Taulukko 2.3 Taajuudenmuuttajalta saatavia suureita ja näiden käyttömahdollisuuksia taajuudenmuuttajan ja induktiomoottorin diagnostiikassa.

Suure Tiedon lähde Havaittavia vikoja Kommentteja Vaihevirrat

(RMS)

Virtamittaus taajuudenmuutta- jassa

Taajuudenmuuttaja:

! Päätekytkimien vika (oikosulku / johtamat- tomuus)

Moottori:

! Staattorin käämi- tai maasulku

! Ylikuorma, jumittumi- nen

! Virtamittaus val- miina 2- tai 3- vaiheisena kaikissa taajuudenmuuttaja- tyypeissä ja useissa moottoriohjaimissa

! Tärkeä käyttökohde stationääritilan ha- vaitseminen Vaihevirrat

(spektri)

Spektrin laskenta taajuudenmuutta- jan virtamittauk- sesta

Taajuudenmuuttaja:

! Päätekytkimien alka- vat viat

Moottori:

! Staattorin käämikier- rosten väliset oikosulut

! Roottorisauvarikot

! Epäkeskisyys, epä- symmetriat

! Spektrin laskentaa ei nykyisin taajuu- denmuuttajissa valmiina

! Voidaan toteuttaa osina laskien ole- massa olevalla lait- teistollakin, jos las- kentaväli riittävän pitkä vapaaseen las- kentakapasiteettiin nähden.

Pyörimis- nopeus

Mittaustieto ta- kaisinkytkentänä moottorilta tai estimaatti moot- torimallista tai pätöteholasken- nan perusteella.

Moottori:

! Jumittuminen

! Edellytys spektriana- lyysimenetelmien käy- tölle

! Vektorimuuttajien estimaattitieto riit- tävän tarkka useisiin moottorikunnonval- vonnan sovelluksiin

! Kun tiedetään synk- roninen pyörimis- nopeus, voidaan myös jättämä laskea Välipiirin

jännite ja virta

Mittaukset taa- juudenmuutta- jassa

Taajuudenmuuttaja:

! Tasasuuntaajan viat

! Välipiirin kondensaat- torin ikääntyminen

! Jännitemittaus ta- vallisesti olemassa mm. jarrutuksen oh- jauksen vuoksi

Kuvassa 2.8 on kuvattu sähkökäytön kunnonvalvonnassa tärkeitä suureita ja sitä, mistä ne ovat saatavissa. Kuvassa sekä moottoria että taajuudenmuuttajaa on kuvattu soikiolla, jotka leikkaavat osittain toisensa. Suureen symbolin sijainti soikion sisällä kuvaa sitä, että suure on saatavissa (mitattuna tai estimaattina) vastaavalta laitteelta. Leikkausalueelle sijoitetut suureet ovat siten saatavissa molemmista. Kuvaan merkityt suureet ovat:

• Välipiirin virta ja jännite (IDC ja UDC) sekä kytkinten yli oleva jännite (Usw)

! Saatavissa vain taajuudenmuuttajalta (mittaukset)

• Pyörimisnopeus n

! Taajuudenmuuttajalta (estimaatti tai takaisinkytkentätieto) tai moottorilta (mittaus)

• Vaihevirrat Iph

! Taajuudenmuuttajalla mittaukset valmiina

! Mittaukset voidaan tehdä myös moottorilta

• Vääntömomentti T

! Taajuudenmuuttajalta (moottorimallista tai pätövirtamittauksen perusteella) tai moottorilta (mittaus)

• Lämpötila ϑ

! Mittaus moottorilta tai estimaatti staattoriresistanssimittauksen perusteella taajuu- denmuuttajalta

• Käämivuo Ψ (magneettivuo Φ)

! Esim. DTC-käytöissä käämivuovektorin suunta saatavissa moottorimallista, mitta- uksena

! Moottorin radiaalivuo voidaan mitata staattorille sijoitetuilla havainnointikäämeil- lä ja aksiaalivuo akselin päähän sijoitetulla käämillä

! Mallin tuottama tieto ei todennäköisesti ole erityisen hyödyllinen moottoridiagnos- tiikassa; jos vuotietoa halutaan hyödyntää, mittaukset tarvitaan

• Kiihtyvyys a

! Mitattava moottorista

! Myös nopeus- (v) ja siirtymämittaukset (s) mahdollisia

• Aksiaalijännite Uax

! Mitattava moottorista

Kuva 2.8 Moottorilta ja sitä syöttävältä taajuudenmuuttajalta saatavia, käytön diagnostiikassa käytettäviä suurei- ta.

Useat diagnostiikassa käytettävät suureet on saatavilla sekä moottorista että taajuudenmuutta- jasta. Joidenkin suureiden tapauksessa tiedon saanti on kuitenkin huomattavasti yksinkertai- sempaa jommastakummasta lähteestä. Tällainen on esimerkiksi vaihevirta, jota taajuuden- muuttajassa mitataan muuttajan toiminnan ohjaamiseksi. Taajuudenmuuttajasta tieto on saata- vissa helposti ilman uutta laitteistoa, mutta moottorilta mitattaessa tarvitaan erilliset virta- anturit. Seuraavassa kappaleessa tarkastellaan tiedonsiirron toteutusrakenteita eli sitä, miten nämä tiedot tuodaan ylemmän tason saataville. Tämän jälkeen selvitetään eri lähteistä (moot- tori ja taajuudenmuuttaja) kerätyn tiedon synkronointivaatimuksia.

2.3.2 Tiedonsiirron toteutusrakenteet

Moottorista ja taajuudenmuuttajasta (tai moottoriohjaimesta) koostuva sähkökäyttö voidaan liittää teollisuuslaitoksen tietojärjestelmiin periaatteessa kolmella eri tavalla:

1. Moottori ja taajuudenmuuttaja liitetään tietoverkkoon erikseen;

2. Moottori ja taajuudenmuuttaja liitetään toisiinsa ja moottori liitetään tietoverkkoon; tai 3. Moottori ja taajuudenmuuttaja liitetään toisiinsa ja taajuudenmuuttaja liitetään tieto-

verkkoon.

Kuvassa 2.9 on havainnollistettu vaihtoehtoja.

M

TIETOJÄR- JESTELMÄT

M

TIETOJÄR- JESTELMÄT

M

TIETOJÄR- JESTELMÄT

a) b) c)

Kuva 2.9 Mahdollisuudet taajuudenmuuttajan ja moottorin liittämiseksi tietoverkkoon: molemmat erikseen (a), moottorin kautta (b) ja taajuudenmuuttajan kautta (c).

Useissa taajuudenmuuttajissa ja moottoriohjaimissa on jokin ulkoinen tiedonsiirtoliityntä.

Tätä tiedonsiirtoliityntää käytetään laitteen toimintaparametrien asetteluun ja toimintatilan valvontaan. Esimerkiksi ABB:n pienjännitetaajuudenmuuttajissa on Component Drive -muut- tajia (tehoalue alle 2,2 kW) lukuun ottamatta ainakin Modbus-, Profibus- ja DeviceNet (CAN) –liitynnät joko vakio-ominaisuutena tai lisävarusteena. Malliston kehittyneimpiin malleihin on lisäksi saatavilla useita muita väyläliityntöjä optioina. Eri kenttäväyläprotokollien lisäksi saatavilla on myös Ethernet-liityntä ja TCP/IP-protokolla (ABB, 2005b). Taajuudenmuuttaja sijaitsee tehtaassa tyypillisesti joko syöttämänsä moottorin välittömässä läheisyydessä (pienet muuttajat) tai erillisessä sähkötilassa. Sähkötilassa taajuudenmuuttajat sijaitsevat lähellä toisi- aan, ja niiden liittämiseksi tehtaan tietojärjestelmiin tarvitaan vähemmän kaapelointia kuin hajallaan ympäri tehdassalia sijaitsevien moottoreiden. Tarkastellaan tässä toteutusrakenne- vaihtoehtoina moottorin ja taajuudenmuuttajan liittämistä tietoverkkoon erikseen ja molempi- en liittämistä taajuudenmuuttajan kautta.

Taajuudenmuuttajan ja moottorin liittäminen tietoverkkoon erikseen. Taajuudenmuutta- ja ja moottorin anturointi voidaan liittää teollisuuslaitoksen tiedonsiirtoverkkoon kumpikin erikseen. Taajuudenmuuttajan tapauksessa tämä ei välttämättä vaadi mitään lisätoimenpiteitä, sillä taajuudenmuuttajat ovat usein jo nyt liitettyinä tietoverkkoon (ohjausväyliin). Moottorin anturointi on todennäköisesti järkevintä toteuttaa siten, että yhtä moottoria tai joitakin lähek- käin sijaitsevia moottoreita kohti on yksi keräily-yksikkö, joka on liitetty tietoverkkoon.

Kaikkien antureiden tuottama tieto kulkee keräily-yksikön kautta, ja keräily-yksikkö itsekin voi toimia anturina. Tiedonsiirto anturien ja keräily-yksikön välillä voi olla analogista tai digi- taalista, digitaalisen tapauksessa kehyspohjaista tai datavirtaperusteista. Keräily-yksikön ja antureiden laitteistovaatimuksia eri tapauksissa käsiteltiin aiemmin tässä raportissa.

Jos taajuudenmuuttaja ja sen syöttämä moottori liitetään tietoväyliin erikseen, on taajuuden- muuttajasta ja moottorista otetut, toisiinsa liittyvät mittaukset kyettävä synkronoimaan keske- nään. Jos esimerkiksi moottorilta otetaan kiihtyvyysmittaus, on taajuudenmuuttajalta saatava tieto stationääritilasta ja pyörimisnopeudesta oltava samalta ajanhetkeltä kuin kiihtyvyysmit- taus. Jos kyseessä on käyttö, jonka pyörimisnopeus ja kuormitus eivät olennaisesti muutu, ei synkronointia tarvita. Tällainen tapaus voisi olla esimerkiksi suora puhallinkäyttö. Yleisesti kuitenkin synkronointi tarvitaan, ja sen toteuttamiseen on kaksi perusmenetelmää. Ensimmäi- nen näistä on reaaliaikakellon sisällyttäminen sekä taajuudenmuuttajaan että moottorin keräi- ly-yksikköön. Tällöin molemmat voidaan asettaa ottamaan mittaus samalla ajanhetkellä, ja

yhdistää mittaukset ylemmällä tasolla ja päätellä, onko mittadata kelvollista (stationääritilassa otettua). Toinen mahdollisuus on toteuttaa tiedon haku siten, että taajuudenmuuttaja käskee moottoriin liitettyä anturia ottamaan mittauksen. Tällöin synkronoinnin tarkkuus riippuu vies- tinvälityksen ja –käsittelyn viiveistä ja näiden epädeterministisyydestä. Menetelmiä voidaan myös käyttää yhdessä siten, että taajuusmuuttaja käskee moottorin anturia aloittaa mittauksen, mutta myös anturi sisältää kellon, jolloin mittaukseen saadaan aikaleima.

Markkinoilla on saatavana useita reaaliaikakellopiirejä. Nämä vaativat tyypillisesti ulkoisen kiteen, jonka tarkkuus määrää myös reaaliaikakellon tarkkuuden. Esimerkiksi Ma- xim/Dallasin MAX6900-reaaliaikakellopiirin datalehdessä ilmoitetaan ajan virheeksi kuukau- den aikana pahimmassa tapauksessa noin kaksi minuuttia, kun oletetaan ulkoisen kiteen tark- kuudeksi ±20 miljoonasosaa (ppm, parts per million) (Maxim, 2003). On siten selvää, että järjestelmien kellot on kyettävä synkronoimaan. Synkronoinnin tarkkuusvaatimuksen suu- ruusluokan selvittämiseksi tarkastellaan esimerkkinä oikosulkukonetta, joka on aluksi tyhjä- käynnissä, minkä jälkeen vääntömomenttiohje kasvaa äkillisesti T newtonmetriä. Pyörimisen liikeyhtälö on

d , d J t

T ₌ ω

(2.9)

missä T on vääntömomentti, J hitausmomentti, ω kulmanopeus ja t aika. Jos muutetaan deri- vaatta äärellisten kulmanopeus- ja aikamuutosten suhteeksi ja ratkaistaan aikamuutos, saadaan

ω

∆

=

∆ T

t J . (2.10)

Yhtälön perusteella voidaan arvioida kulmanopeusmuutokseen kuluvaa aikaa, kun moottorin (ja kuorman) hitausmomentti ja muutoksen aiheuttava vääntömomentti tiedetään. Arvioidaan esimerkin vuoksi pyörimisnopeusmuutokseen, joka on 0,1 % synkroninopeudesta, kuluvaa aikaa ABB:n 30 kW:n nelinapaiselle oikosulkumoottorille, kun oletetaan, että moottorin tuot- tama vääntömomentti muuttuu hetkessä koneen maksimivääntömomentin verran. ABB:n moottorikatalogista (ABB, 2004) saadaan Tmax = 2,8Tn = 2,8 · 194 Nm ja J = 0,34 kg·m². Synkronipyörimisnopeus on nelinapaiselle koneelle 50 Hz:n verkossa 1500 kierrosta minuu- tissa (rpm), jota vastaava kulmataajuus on ωsync = 2π · 1500 / 60 1/s. Näillä arvoilla saadaan kuluvaksi ajaksi

µs 100 µs ...

319 , s 98 15001 60 001 2 , 0 s 194kgm 8 , 2

kgm 34 , 0

2 2

2 ⋅ ⋅ ⋅ = ≈

⋅

=

∆ π

t .

Kuorman hitausmomenttia ei tässä ole otettu huomioon, joten todellisuudessa moottori ei ky- kene muuttamaan pyörimisnopeutta näin nopeasti. Kone ei kykene missään olosuhteissa tuot- tamaan maksimivääntömomenttiaan suurempaa momenttia, joten tätä nopeammin pyörimis- nopeus ei voi muuttua muuten kuin koneen jumittumiseen johtavassa kuormituksen nousussa.

Lasketulla esimerkkikoneella 1 %:n (nimellisnopeudesta) pyörimisnopeusmuutokseen kuluu aikaa noin millisekunti. Jos oletetaan tämän olevan riittävä tarkkuus, voidaan todeta, että tä- män moottorin tapauksessa moottorin anturoinnin ja taajuudenmuuttajan kellojen on oltava synkronissa vähintään 1 ms:n tarkkuudella, jotta taajuudenmuuttajan pyörimisnopeustietoa voidaan hyödyntää moottorilta mitattujen suureiden spektrianalyysissä. Synkronointivaati- muksia muille pyörimisnopeuden tarkkuusvaatimuksille voidaan laskea vastaavalla tavalla.