6.1 Entwicklung eines Meßwerterfassungs- und Ablaufsteuerungsprogramms Die in diesem Kapitel vorgestellten Gesetzmäßigkeiten und Techniken werden dem Bereich der Prozeßdatenverarbeitung [98] zugeordnet. Insgesamt müssen drei Teilgebiete behandelt werden. Zunächst müssen Fragen über Meßwerterfassung und Meßwertverarbeitung behandelt werden. Es ist darauf zu achten, daß der Begriff Meßwert in der analytischen Chemie eine andere Interpretation erfährt, da es sich um eine Größe handelt, die einem Element zugeordnet wird, die aus einer Meßkurve erhalten wird. In der Prozeßdatenverarbeitung handelt es sich um die einzelnen Meßpunkte der Meßkurve.
Die Meßapparaturen, die die Meßsignale liefern, müssen vom Rechner aus gesteuert werden, so daß auf digitale Steuerungen eingegangen wird. Dazu muß auf den technischen Aufbau von Prozeßrechenanlagen eingegangen werden. Nur dann ist es möglich, eine optimale Hardware- und Softwarelösung zu erstellen.
Bei den meisten im Einsatz befindlichen chemischen Analysengeräten wird das Meßsignal in analoger Form ausgegeben. Um diese Daten einem Prozeßrechensystem verfügbar zu machen, müssen die Informationen in eine digitale Form überführt werden. Dies geschieht mit Hilfe eines A/D-Wandlers.
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| Abb.13 Abtastung und Quantisierung eines Signals aus [99] |
Der A/D-Wandler tastet die Eingangssignale in bestimmten Zeitintervallen ab. Ist das analoge Signal eine Information mit unendlicher Auflösung, so ergibt sich bei der Umwandlung in einen digitalen Wert (mit einer endlichen Auflösung) ein sogenannter Quantisierungsfehler, der in Abb.13 deutlich wird. Zusätzlich zu diesem Fehler beinhaltet das eigentliche Meßsignal in jedem Fall ein Rauschen. Dieses Rauschen kann eliminiert werden, indem das Meßsignal nicht zu einem Zeitpunkt, sondern als Mittelwert über eine Zeitspanne gebildet wird. Man wird deshalb in äquidistanten Zeitintervallen messen.
Je größer der Informationsverlust bei der Meßwertaufnahme ist, desto schlechter wird die Güte der daraus abgeleiteten Ergebnisse sein. Damit kann ein eher empirischer Ansatz für die optimale Abtastrate abgeleitet werden, der vom Analytiker angewendet wird. Man kann davon ausgehen, daß unter optimalen Bedingungen lediglich durch die Veränderung der Abtastrate die aus der Meßkurve abgeleiteten Meßwerte eine Änderung erfahren, d.h. sich der Regressionskoeffizient bei Durchführung einer Standardkalibrierung mit Veränderung der Abtastrate ebenfalls ändert. Es geht also darum, ein Optimum zu finden zwischen der Elimination des Rauschens (niedrige Abtastrate) und der Lokalisation des zu überwachenden Ereignisses (hohe Abtastrate), das zur Ermittlung des Regressionskoeffizienten herangezogen wird. Je nach Meßmethode muß es daher möglich sein, die Abtastrate (Scanrate s. Anhang I 2.1.1.3) auf die Breite der analytischen Signale abzustimmen, wobei immer ein Kompromiß zwischen ausreichender Auflösung und dem benötigten Speicherplatz gefunden werden muß.
Da das Rauschen einen großen Einfluß auf die Meßkurve ausübt, ist es notwendig, auf diesen Sachverhalt einzugehen. Hier sei auf GOFF [100] verwiesen, der als Rauschen des Meßsystems Frequenzen zwischen 0.1 und 100 Hertz (Hz) angibt und für durch Streufelder induziertes Rauschen von einem Frequenzbereich von 50 bis 107 Hz ausgeht.
Die Verminderung des Rauschens eines Meßsignals erfolgt mittels eines Filters. In der Elektrotechnik werden analoge Filter eingesetzt, um mit ihnen elektrische Signale in andere zu überführen. Die Herausnahme bestimmter Frequenzen aus diesen Signalen ist ebenfalls ein Filterungsvorgang. Der grundsätzliche Nachteil analoger Filter besteht darin, daß sie "fest verdrahtet" sind. Eine nachträgliche Veränderung der Eigenschaften ist nicht ohne weiteres möglich. Jedes Meßgerät besitzt aber unterschiedliche Eigenschaften in seinem Rauschverhalten. Die dafür benötigten Tiefpaßfilter lassen niedrige Frequenzen passieren und schneiden hohe Frequenzen, also das Rauschen, heraus. Sie haben ebenfalls unterschiedliche Eigenschaften [99] [101] [102] . Weitere Informationen zur Realisation des digitalen Filters im Rahmen dieser Arbeit finden sich bei WAGNER [97].
Da das System in eine Meßapparatur integriert ist, muß es in der Lage sein, die unterschiedlichsten Geräte anzusteuern bzw. auf Geräte zu reagieren. Der Anschluß solcher Geräte kann zum einen durch eine serielle Schnittstelle (RS232) oder aber durch TTL-Signale (Transistor-Transistor-Logik) [100] [101] geschehen.
Bei den TTL-Signalen handelt es sich um ein digitales Verknüpfungsglied, das vom Prozeßrechner entweder abgefragt oder aber gesetzt werden kann. TTL-Signale sind binär. Wird das Signal dem Rechner übertragen, so spricht man von einer Digitaleingabe. Das Setzen von Signalzuständen durch das Prozeßrechensystem wird als Digitalausgabe bezeichnet.
Die Digitaleingabe kann zur Abfrage von
- Schalterstellungen,
- Zuständen von Flipflops (Kippglieder),
- einzelnen, zu beliebigen Zeitpunkten auftretende Potentialänderungen
benutzt werden.
Digitaleingänge werden in Prozeßrechensystemen häufig in großer Zahl benötigt und deshalb in Gruppen mit z.B. 16 Eingängen zusammengefaßt und können den Zustand eines Einganges abfragen und reagieren.
Mit Hilfe der Digitalausgabe können schrittweise ablaufende Vorgänge gesteuert werden. Bei TTL-Signalen kann es sich um das Setzen von
- Signalpegeln,
- Stellungen elektronischer Schalter,
- Stellungen von Relais-Kontakten
handeln.
Diese Aufgaben werden als statische Signale bezeichnet. Werden Informationen in z.B. bitserieller Form übertragen, so werden sie als dynamische Signale bezeichnet, zu denen auch die RS232-Schnittstelle gehört.
Geschieht der Anschluß eines Gerätes über die RS232-Schnittstelle, so muß das Auswertesystem in der Lage sein, das von dem Gerät benutzte Protokoll zu verarbeiten. Hauptschwierigkeit bei diesen Geräten ist, daß kein einheitliches Kommunikationsprotokoll existiert. Es müssen Ansätze gefunden werden, mit deren Hilfe die Definition der Protokolle für neue Geräte einfach und schnell erstellt werden können. Diese Problemstellung gehört nicht unmittelbar zum Bereich der digitalen Steuerung.
Es ist wichtig, daß ein Prozeßrechensystem in der Lage ist, statische und dynamische Signale abzufragen bzw. zu setzen. Die Übertragung muß zeitgenau und evtl. in Abhängigkeit von bestimmten Zuständen erfolgen.
[98] Kaljurand, M.; Küllik E.: Computerized Multiple Input Chromatographie, Ellies Horwood Limited (1989)
[99] Hamming, R.W.: Digitale Filter, VCH Verlagsgesellschaft (1987)
[100] Schöne, A.: Prozeßrechensysteme, Carl Hanser Verlag München Wien (1981)
[101] Kuo, B.C.: Digital Control Systems, HRW series in electrical and computer engeneering, Holt, Rinehart and Winston Inc. (1980)
[102] Phillips, C.L.; Nagle, H.; Troy, J.: Digital Control System Analysis and Design, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J. (1984)