← → przewijanie · F pełny ekran · T motyw
Akwizycja i wizualizacja danych w procesach przemysłowych · ćwiczenia 1

Od czujnika do danych

Po co zbierać dane · tor pomiarowy · sygnały 4–20 mA · przetwornik A/C · próbkowanie · tagi, zapis i ilość danych

Zarządzanie i inżynieria produkcji · IV rok · specjalność: Inżynier procesu · studia niestacjonarne · mgr inż. M. Okarmus

Plan

Dziś: 15:00–18:15

15:00–15:45

1. Po co zbierać dane

Raport papierowy a dane z maszyny. Piramida automatyki: od czujnika do ERP.

15:45–16:30

2. Tor pomiarowy

Czujnik → sygnał 4–20 mA → przetwornik A/C → liczba → jednostki. Skalowanie.

16:45–17:30

3. Próbkowanie

Jak często mierzyć? Aliasing. Stany maszyny i liczniki sztuk.

17:30–18:15

4. Tagi i zapis

Protokoły, tag, zapis cykliczny i z martwą strefą, ilość danych, historian. Projekt listy tagów.

16:30–16:45 przerwa

Jutro (niedziela, 15:00–18:15): od danych do decyzji — OEE, energia na sztukę, jakość danych, projektowanie dashboardów, alarmy i karta kontrolna.

Karta zadań: rozwiązujecie ją przy slajdach „Zadania dla Was”, poprawiacie po omówieniu i oddajecie podpisaną na koniec zajęć (potwierdza obecność i aktywność). Ocena z ćwiczeń = projekt grupowy: dashboard (jutro, na koniec ćwiczeń 2); warunek: karty oddane.

Po co zbierać dane

Raport operatora a dane z maszyny

Ta sama zmiana (8 h). Operator zapisuje postoje „dłuższe” — krótkie zatrzymania (mikropostoje) giną, a to one często zabierają najwięcej czasu.

Dane z maszyny są pełne, dokładne co do sekundy i bez wysiłku operatora. Decyzje (inwestycja, zmiana organizacji pracy) opierają się wtedy na faktach, a nie na wrażeniu.

Piramida automatyki (model ISA-95 / PN-EN 62264)

Gdzie powstają dane i kto z nich korzysta

Im wyżej, tym dane są bardziej zagregowane i rzadsze (ms → sekundy → zmiany → miesiące). Akwizycja danych to „podnoszenie” danych z poziomów 0–1 do 2–3.

Dyskusja

Jakie dane zbiera się w Waszym zakładzie?

1. Co jest mierzone?

  • wielkości procesowe (temperatura, ciśnienie…)
  • stany maszyn, liczniki sztuk
  • energia, media
  • jakość (pomiary, braki)

2. Jak trafia do systemu?

  • ręcznie (kartka, Excel)
  • automatycznie ze sterownika
  • terminal operatora / skaner
  • wcale

3. Kto z tego korzysta?

  • operator, mistrz, utrzymanie ruchu
  • jakość, technolog, planista
  • kierownictwo
  • … nikt?

Wnioski zapisujemy na tablicy: jakie decyzje można by podejmować lepiej, gdyby dane były automatyczne?

Blok 2 · tor pomiarowy

Droga pomiaru: od temperatury do rekordu w bazie

Przykład: temperatura w piecu

Na każdym etapie może pojawić się błąd: zły czujnik, przerwa w przewodzie, złe skalowanie, zła strefa czasowa. Dlatego trzeba znać całą drogę.

Sygnały standardowe

Dlaczego 4–20 mA, a nie 0–20 mA?

4–20 mA („żywe zero”)

  • 4 mA = początek zakresu, 20 mA = koniec,
  • 0 mA = awaria (przerwa przewodu, brak zasilania) — system to wykrywa,
  • prąd nie maleje na długim przewodzie (odporny na zakłócenia, setki metrów),
  • z tych 4 mA może się zasilać sam przetwornik (2 przewody).

0–10 V

  • prosty, popularny w automatyce budynkowej i krótkich połączeniach,
  • 0 V = początek zakresu albo przerwa — nie da się odróżnić.
Skalowanie

Z miliamperów na jednostki techniczne

x = xmin + (I − 4) / 16 · (xmax − xmin)

I = 4 + 16 · (x − xmin) / (xmax − xmin)

16 = 20 − 4 mA (szerokość zakresu sygnału). Dla 0–10 V: x = xmin + U/10 · (xmax − xmin).

Przetwornik ciśnienia 0–10 bar, 4–20 mA. Sterownik mierzy 12,8 mA. Jakie jest ciśnienie? Jaki prąd będzie przy 2,5 bar?

  1. Dane: xmin = 0 bar, xmax = 10 bar, I = 12,8 mA.
  2. Ile „ponad zero”: I − 4 = 8,8 mA.
  3. Jaka część zakresu: 8,8 / 16 = 0,55 (55%).
  4. x = 0 + 0,55 · 10 bar = 5,5 bar
  5. Odwrotnie: 2,5 bar to 25% zakresu → I = 4 + 0,25 · 16 = 8 mA
  6. Kontrola: 4 mA → 0 bar, 12 mA → 5 bar (połowa), 20 mA → 10 bar ✔
Zadania dla Was

Skalowanie sygnałów

1. Poziom w zbiorniku

Czujnik poziomu 0–3 m, 4–20 mA. Odczyt: 14 mA. Jaki jest poziom?

odpowiedź

(14 − 4)/16 = 0,625 → 0,625 · 3 m = 1,875 m

2. Ile mA?

Przetwornik temperatury 0–200 °C, 4–20 mA. Jaki prąd przy 80 °C? A przy przerwie w przewodzie?

odpowiedź

80/200 = 0,4 → I = 4 + 0,4 · 16 = 10,4 mA; przerwa: ok. 0 mA (alarm)

3. Przepływ, 0–10 V

Przepływomierz 0–50 m³/h, sygnał 0–10 V. Odczyt 3,2 V. Jaki przepływ? Ile m³ w ciągu zmiany (8 h), jeśli jest stały?

odpowiedź

3,2/10 · 50 = 16 m³/h; 16 · 8 = 128 m³

Przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C)

Rozdzielczość: ile „schodków” ma pomiar

poziomy = 2n

krok = zakres / 2n

Zakres 0–150 °C, n = bit:

poziomów:

krok:

Moduły wejść analogowych w sterownikach mają zwykle 12–16 bitów. Wtedy krok jest mniejszy niż błąd samego czujnika — o dokładności decyduje czujnik, nie przetwornik.

Zadania dla Was

Od liczby w sterowniku do wartości

4. Liczba z modułu

Moduł wejść (jak Siemens S7) zamienia 4–20 mA na liczbę 0–27 648. Przetwornik ciśnienia 0–10 bar. Sterownik odczytał 13 824, a potem 20 736. Jakie to ciśnienia?

odpowiedź

13 824 / 27 648 = 0,5 → 5 bar; 20 736 / 27 648 = 0,75 → 7,5 bar

5. Rozdzielczość

Ile wynosi krok pomiaru temperatury 0–150 °C dla przetwornika 8-bitowego, a ile dla 12-bitowego?

odpowiedź

8 bit: 150/256 ≈ 0,59 °C; 12 bit: 150/4096 ≈ 0,037 °C

6. Czy wystarczy?

Wagę 0–60 kg podłączono przez przetwornik 10-bitowy. Czy da się ważyć porcje z dokładnością do 10 g?

odpowiedź

krok = 60 kg / 1024 ≈ 58,6 g > 10 g — nie; potrzeba co najmniej 13 bitów (60 kg / 8192 ≈ 7,3 g)

Blok 3 · próbkowanie

Jak często mierzyć?

Twierdzenie o próbkowaniu (Nyquista–Shannona): trzeba próbkować co najmniej 2 razy szybciej niż najszybsza zmiana sygnału.

fp > 2 · fmax

W praktyce przemysłowej próbkuje się 5–10 razy szybciej niż najszybsza interesująca zmiana.

Dobór interwału

Różne wielkości — różne tempo zmian

wielkośćjak szybko się zmieniatypowy interwał
temperatura pieca, zbiornikaminuty1–10 s
ciśnienie, przepływ w instalacjisekundy0,1–1 s
moc, energia (licznik)sekundy / rozliczeniowo1 s – 15 min
stan maszyny (praca/postój)zdarzenieprzy zmianie
licznik sztukzdarzenie (np. co 0,5 s)licznik w PLC, odczyt co 1–60 s
drgania łożyska (diagnostyka)setki–tysiące Hzkilka–kilkadziesiąt kHz, osobny system

7. Dobierz interwał

a) Interesuje nas składowa drgań silnika o częstotliwości 200 Hz. Z jaką minimalną częstotliwością trzeba próbkować? Jaką przyjąć w praktyce?

odpowiedź

teoretycznie > 400 Hz; w praktyce 1–2 kHz (5–10 ×)

b) Temperatura zbiornika zmienia się najszybciej o 1 °C na minutę, interesuje nas dokładność 0,5 °C. Jak często zapisywać?

odpowiedź

0,5 °C zmienia się w 30 s → zapis co ok. 10–30 s wystarczy (co 1 s to marnowanie miejsca)

Sygnały dyskretne

Licznik sztuk: dlaczego „odpytywanie” gubi sztuki

W ciągu 5 s przejechało sztuk:

System policzył (zielone):

Rozwiązanie: licznik w sterowniku (zlicza każdy impuls), a system nadrzędny odczytuje tylko stan licznika, np. co 10 s. Podobnie stany maszyny: sterownik zapamiętuje zmianę z dokładnym czasem.

Stany maszyny

Z bitów sterownika do stanu maszyny

pracaawariaprzezbrojenie→ stan

Sterownik ma sygnały (bity). Stan maszyny wyznacza się z nich regułą — ustala to technolog razem z automatykiem.

8. Wasze reguły

Maszyna ma sygnały: praca (1 = wrzeciono się kręci), awaria (1 = aktywny alarm krytyczny), przezbrojenie (1 = operator wybrał tryb przezbrojenia na panelu), brak materiału (1 = pusty podajnik).

a) Jakie stany maszyny chcielibyście rozróżnić w raporcie?

b) Co, jeśli jednocześnie jest „awaria” i „brak materiału”? Który stan wygrywa i dlaczego?

przykładowa odpowiedź

stany: praca, awaria, przezbrojenie, brak materiału (postój organizacyjny), postój niezidentyfikowany; priorytet zwykle: awaria > przezbrojenie > brak materiału > postój — bo awaria wymaga reakcji utrzymania ruchu

Blok 4 · skąd system bierze dane

Protokoły komunikacyjne — co trzeba wiedzieć

protokółjak działagdzie spotkacieuwagi
Modbus (RTU, TCP)system pyta urządzenie o rejestry (liczby) pod adresamiliczniki energii, falowniki, starsze sterownikiprosty, popularny; same liczby — trzeba wiedzieć, co oznacza rejestr
OPC UAurządzenie udostępnia uporządkowany model danych (nazwy, jednostki, typy)nowe sterowniki i maszyny, SCADA, MESstandard Przemysłu 4.0, wbudowane bezpieczeństwo
MQTTurządzenie publikuje wiadomości do pośrednika (brokera), odbiorcy je subskrybująIIoT, czujniki bezprzewodowe, chmuralekki; wysyła tylko zmiany
protokoły producentów (S7, EtherNet/IP…)komunikacja z konkretnymi sterownikamilinie produkcyjnewymagają sterowników komunikacyjnych w SCADA

Inżynier procesu nie programuje komunikacji, ale musi umieć zapytać integratora: skąd biorą się dane, jak często, w jakich jednostkach i co się dzieje, gdy połączenie zniknie.

Tag — podstawowa jednostka danych

Co zawiera jeden pomiar w systemie

nazwa (tag)wartośćjednostkaznacznik czasujakość
Zaklad1.L2.Piec01.Temp85,3°C2026-10-17 15:02:11.250Good
Zaklad1.L2.Piec01.Temp0,0°C2026-10-17 15:02:12.250Bad (błąd czujnika)
Zaklad1.L2.Pak01.LicznikSzt15 482szt.2026-10-17 15:02:10.000Good
Zaklad1.L2.Pak01.Stan2(kod: 2 = awaria)2026-10-17 14:58:41.120Good

Nazwa

Spójna konwencja: zakład.linia.maszyna.wielkość — inaczej po roku nikt nie wie, co oznacza „AI_17”.

Znacznik czasu

Kiedy zmierzono (nie: kiedy zapisano). Jedna strefa czasowa, uwaga na zmianę czasu letni/zimowy.

Jakość

Czy wartości można ufać. Rekordy „Bad” nie powinny trafiać do raportów i średnich.

Sposoby zapisu

Zapis cykliczny, przy zmianie i z martwą strefą

Zapisanych punktów: z 600

Największy błąd odtworzenia:

Ile danych

Kalkulator: ile miejsca zajmie historia

liczba maszyn
tagów na maszynę
interwał zapisu [s]
bajtów na rekord
martwa strefa — zapisujemy % próbek

16 B ≈ czas (8 B) + wartość (4 B) + jakość i identyfikator tagu (4 B).

rekordów na dobę:

na dobę:

na rok:

Krok po kroku (wartości domyślne)

  1. tagów razem: 10 · 50 = 500
  2. próbek na dobę na tag: 86 400 s / 1 s = 86 400
  3. rekordów na dobę: 500 · 86 400 = 43,2 mln
  4. bajtów: 43,2 mln · 16 B ≈ 691 MB na dobę → ok. 252 GB na rok
  5. z martwą strefą (zapis 10% próbek): ok. 25 GB na rok
Historian i raport zmianowy

Jak z tysięcy rekordów powstaje kilka liczb w raporcie

Raport zmiany I (6:00–14:00) — Pakowaczka 01

Kliknij wiersz raportu → po prawej: z jakiego tagu, ile rekordów i jak policzono.

tag w historianie
rekordów w zmianie
reguła (agregacja)

Historian = przemysłowa baza szeregów czasowych (np. AVEVA PI, Ignition, InfluxDB). Przechowuje surowe rekordy latami i liczy z nich agregaty dla dowolnego okresu: różnicę licznika, czas w stanie, min / średnią / max.

Zadanie projektowe · grupy 3–4 osoby · 15 min

Zaprojektujcie listę tagów dla maszyny

Krok po kroku

  1. Wybierzcie maszynę (wtryskarka, pakowaczka, piec, sprężarkownia albo Wasza linia). 2 min
  2. Wypiszcie 8–12 tagów — po 2–3 do każdego pytania kierownika: ile produkuje? dlaczego stoi? czy dobrze? ile zużywa? 8 min
  3. Dla każdego tagu: typ, jednostka, sposób zapisu i jaka decyzja z niego wynika.
  4. Policzcie ilość danych na rok (jak w zad. 9). 3 min
  5. 1 minuta prezentacji na grupę.

Ściąga: jaki sposób zapisu?

stan (praca, awaria…)przy zmianie
licznik (sztuki, kWh)cyklicznie, co 10–60 s
analog (°C, bar…)martwa strefa: większa niż szum, mniejsza niż istotna zmiana

Przykład: wtryskarka

pytanietagtypzapisdecyzja
ile?Wtr01.LicznikDobrelicznik, szt.co 10 sczy zlecenie zdąży na czas
ile?Wtr01.CzasCykluanalog, s± 0,2 sczy maszyna zwalnia
dlaczego stoi?Wtr01.Stanstan (kod)przy zmianiektóre postoje usuwać najpierw
czy dobrze?Wtr01.LicznikBrakilicznik, szt.co 10 skiedy zatrzymać i sprawdzić formę
czy dobrze?Wtr01.TempFormaanalog, °C± 1 °Cprzyczyna braków
ile zużywa?Wtr01.Energialicznik, kWhco 1 minkoszt energii na sztukę

Tag, przy którym nie umiecie wpisać decyzji, prawdopodobnie jest zbędny — kosztuje, a nic nie wnosi.

Podsumowanie

Co zapamiętać z dzisiaj

Tor pomiarowy

czujnik → 4–20 mA → A/C → liczba → skalowanie → tag

x = xmin + (I − 4)/16 · (xmax − xmin)

krok = zakres / 2n

Próbkowanie

fp > 2 · fmax (w praktyce 5–10 ×)

impulsy zliczamy w sterowniku, nie przez odpytywanie

stan maszyny = reguła z priorytetami

Tagi i zapis

nazwa · wartość · jednostka · czas · jakość

cyklicznie / przy zmianie / martwa strefa

dane = tagi × próbki × bajty

Jutro: od danych do decyzji — OEE, jakość danych, dashboardy.