Aktuální vydání

celé číslo

05

2021

Perspektivy automatizace, umělá inteligence v automatizaci; prostředky automatizace v době lockdownu
celé číslo

Záznam a archivace dat

Pro účely záznamu a archivace nejrůznějších provozních dat, zejména v průmyslových provozech, ale i v laboratořích a zkušebních zařízeních, se již desítky let používají registrační přístroje, stručně nazývané zapisovače. Na straně 18 je uveden přehled zapisovačů na českém trhu. Tento článek přibližuje vývoj zapisovačů z papírových registračních přístrojů a uvádí funkce moderních obrazovkových zapisovačů a kritéria pro jejich správný výběr. 

Zapisovače v běhu času

Na počátku byl papírový zapisovač, tedy registrační přístroj, který zaznamenával průběhy měřených parametrů na ruličkový nebo svitkový papír, zpravidla délky 16 nebo 32 m. Přístroje byly vybaveny jedním, dvěma, třemi nebo šesti měřicími vstupy a zaznamenávaly odpovídající počet kanálů, tedy časových průběhů sledovaných hodnot. V praxi to znamenalo doplnit přibližně každý měsíc novou roli papíru a každé dva měsíce novou sadu pisátek nebo barvicích pásek. Přístroje se v závislosti na zapisovacím systému dělily na bodové a liniové zapisovače. Samostatnou disciplínou bylo svépomocné plnění inkoustových pisátek, které zpravidla končilo ne­chtěným potřísněním jak dokumentovaných záznamů, tak obsluhy.

Bodové zapisovače pracovaly na přítlačném principu ve spojení s robustním magnetoelektrickým ústrojím. Podobně jako u psacího stroje zde ručka měřicího systému opatřená přítlačnou jehlou vyznačila svoji polohu bodovým tlakem v daný okamžik přes barvicí pásku na záznamovém papíře. Posouváním papíru tak vznikla křivka průběhu měřené hodnoty v čase.

U vícekanálových bodových zapisovačů se mezi jednotlivými dotyky přítlačné jehly posunovaly pásky různých barev, vždy v závislosti na právě měřeném kanálu. Přepínač měřicích míst zajišťoval vychýlení ručky pro daný kanál. Tento princip se používal zejména pro záznam pomalejších procesů, např. pro měření teploty. Některé přístroje k tisku využívaly také speciální vícebarevné tiskové hlavy.

Pro záznam rychlých procesů byly určeny liniové zapisovače, vybavené zpravidla jedním až třemi samostatnými měřicími ústrojími pro každý kanál. Pisátka pro jednotlivé kanály byla ve stálém kontaktu s registračním papírem a záznam tvořily souvislé křivky.

Díky osvědčené robustní mechanické konstrukci byly tyto zapisovače téměř nezničitelné. Bezporuchový provoz po dobu víc než deseti let nebyl ničím neobvyklým. Uvedené přístroje se skoro beze změny vyráběly až do 90. let minulého století. Papírové zapisovače se vyrábějí dodnes, jsou však vybaveny moderními rychlými a přesnými A/D převodníky, konfigurují se prostřednictvím nastavovacích programů a PC, do záznamu je možné tisknout alfanumerické znaky, ke standardnímu vybavení patří sériové rozhraní. Přestože jejich podíl na trhu klesá ve prospěch bezpapírových zapisovačů, stále tvoří přibližně15 až 20 % zapisovačů, i když s klesající tendencí.

Pro úplnost lze doplnit, že s nástupem mikroprocesorové techniky se objevily i zapisovače se záznamem na termopapír. Jejich výhodou byla možnost tisku alfanumerických textů, přehledů v podobě tabulek a schopnost zaznamenávat rychlé procesy. Nevýhodou však byl používaný termopapír a postupná ztráta čitelnosti při jeho dlouhodobém skladování. 

Dnešní standard – obrazovkové zapisovače

Ve druhé polovině 90. let 20. století, konkrétně na výstavě Achema 1997, představili přední světoví výrobci registračních přístrojů první bezpapírové zapisovače, pro které se používala označení obrazovkový zapisovač, disketový zapisovač, screenrecorder, paperless recorder atd. Tyto přístroje, zpravidla vybavené displejem LCD, pro záznam dat využívaly 3,5" disketovou mechaniku nebo speciální paměťové karty, popř. jiná proprietární paměťová média. Kapacita paměti tehdejších záznamových médií byla určitým limitem pro množství zaznamenávaných dat. Dnes je standardem záznam v paměti flash, ať už ve formě karty CF (CompactFlash), SD (Secure Digital) nebo USB flash paměti. Vzhledem ke kapacitě dnešních pamětí již objem zaznamenávaných dat a s tím související četnost záznamu v jednotlivých měřicích kanálech nepředstavují žádný problém. Naopak, v praxi se nedoporučuje používat paměti o kapacitě větší než 2 GB, neboť při její ztrátě, poruše či odcizení je riziko ohledně integrity dat příliš velké.

Stejnou pozornost při vývoji obrazovkových zapisovačů je třeba věnovat doprovodnému softwaru pro PC, pomocí kterého lze spravovat, archivovat a vyhodnocovat zaznamenávané měřené údaje (obr. 2). Lze říci, že celkový komfort a funkce, které tento software nabízí, jsou stejně důležité jako samotné zapisovače. Kvalitní vyhodnocovací software umožňuje definovat archivaci měřených dat v určených datových úložištích, určovat jejich správu, vyhodnocování a zpětné výtisky zvolených průběhů. Kvalitní software rovněž dovoluje stahovat (off-line) naměřené hodnoty ze zapisovačů prostřednictvím sériového rozhraní nebo Ethernetu, ať už automaticky v předem určených časových intervalech nebo na požádání, tedy bez nutnosti přenášet je pomocí fyzického datového nosiče. To vše by mělo zajistit měřené údaje v bezpečném, průkazném a nezmanipulovatelném formátu. 

Současné obrazovkové zapisovače

Dnešní obrazovkové zapisovače lze rozdělit dvou základních kategorií. První kategorii představují přístroje, které lze považovat za přímou náhradu klasických mechanických zapisovačů. Mají shodný vestavný formát a formát čelního rámečku (144 × 144 mm). Vyrábějí se zpravidla jako tří- nebo šestikanálové. Při výměně zapisovače za nový typ zpravidla stačí pouze přepojit vstupní kabely a provést odpovídající konfiguraci.

Do druhé kategorie patří vícekanálové záznamníky. Počet vstupů a počet zaznamenávaných kanálů obvykle bývají výrazně větší, přičemž mechanicky i tyto přístroje často zachovávají klasický formát 144 × 144 mm, vyrábějí se však i s většími monitory. Pro přehlednost lze jednotlivé kanály rozčlenit do několika záznamových skupin. Zaznamenávat je možné i virtuální kanály, které mohou být výsledkem matematických operací prováděných s hodnotami jiných kanálů.

Vedle analogových vstupů a záznamu analogových kanálů jsou k dispozici i binární vstupy a záznam těchto binárních kanálů.

Jednotlivé typy se mohou lišit počtem fyzických vstupů (analogových i binárních) nacházejících se v samotném přístroji a počtem externích vstupů, jejichž hodnoty lze rovněž zaznamenávat. Tyto externí vstupy mohou být v připojitelných externích modulech, které jsou dodávány jako příslušenství, nebo mohou přicházet prostřednictvím sériové linky nebo ethernetového rozhraní. Pro správný záznam signálů z externích vstupů je nutná shoda v odpovídajících datových protokolech. Zpravidla jde o rozhraní RS-485, protokol Modbus RTU (popř. Ethernet a Modbus TCP/IP) nebo Profibus-DP, přičemž samotný zapisovač musí být možné provozovat jako nadřazené zařízení, master.

V současnosti je u zapisovačů standardem, že jsou analogové vstupy volně konfigurovatelné pro všechny signály obvyklých snímačů teploty (termočlánky, odporové teploměry) a další běžné procesní unifikované signály. Kritériem při výběru zapisovače však může být i to, zda jsou jednotlivé vstupy mezi sebou skutečně plně galvanicky odděleny, s jakým rozlišením pracují vstupní A/D převodníky, jaká je nejvyšší rychlost čtení jednotlivých vstupů a jaká je maximální četnost záznamu.

Jestliže se k zapisovači připojují termočlánky, je mimořádně důležitý způsob a kvalita provedení kompenzace studeného konce na jednotlivých připojovacích svorkách.

Zapisovače bývají vybaveny i binárními výstupy, reléovými nebo logickými. Pro jednotlivé měřicí kanály je zpravidla možné zadat jednu nebo dvě hodnoty, při jejichž překročení je signalizován alarm; tuto signalizaci lze většinou přivést na binární výstupy.

Pro pohodlnou práci se zapisovačem je důležitý způsob zobrazení průběhů měřených hodnot. Podstatná je velikost a rozlišení displeje, který je obvykle typu TFT. Průběhy měřených hodnot lze zobrazit ve vertikálním nebo horizontálním diagramu, v podobě sloupcových diagramů nebo je použito numerické vyjádření či podrobný přehled jednotlivých kanálů. Uživatel má také přístup k historickým záznamům. Svou roli hraje i způsob obsluhy pomocí tlačítek, točítek, dotykové obrazovky a strukturovaných menu.

Je-li zapisovač využíván v šaržovém technologickém procesu, je důležitá možnost zaznamenávat šaržové protokoly. V tomto případě je soubor dat k dané šarži zabalen do pomyslné obálky obsahující údaje o šarži (číslo šarže, receptura, datum a čas, údaje o zpracovateli atd.). Podle těchto údajů jsou data rovněž ukládána a je možné je kdykoliv vyhledat. Důležité je, aby bylo zadávání údajů o šarži, ať už pomocí klávesnice zapisovače nebo obslužného panelu, možné. Při použití čárových kódů mohou být údaje o šarži zadávány čtečkou čárového kódu.

Pro konektivitu a integraci do datových sítí jsou důležité tyto funkce:

  • připojení externích vstupních modulů pro měřené veličiny,
  • připojení k nadřazené úrovni (systémy SCADA, systémy řízení výroby atd.), kdy se zapisovač současně chová jako převodník dat a všechny měřené signály poskytuje v reálném čase v příslušném datovém formátu,
  • načtení zaznamenaných dat uložených ve vnitřní paměti zapisovače pomocí archivačních programů a jejich následné uložení do příslušného datového úložiště (zpravidla vyhrazený datový server v podnikové síti),
  • funkce webového serveru umožňujícího sledovat údaje o procesu on-line prostřednictvím webového prohlížeče,
  • připojení PC pro účely konfigurace a naprogramování jednotlivých funkcí,
  • připojení čtečky čárového kódu při záznamu šaržových protokolů.

Moderní zapisovače jsou tedy většinou vybaveny několika datovými konektory, zpravidla jedním nebo několika konektory RS-482 (RS-232), a dále konektory USB, Ethernet, Profibus.

Na závěr je třeba zmínit snad nejdůležitější charakteristiku, a to zabezpečení a průkaznost zaznamenaných dat. Kritériem by měl být způsob, jak je zaručena platnost registrovaných a archivovaných údajů a jejich odolnost proti nechtěné i záměrné manipulaci. To se týká jak samotného přístroje, tak i celého konceptu pro vyhodnocovací a archivační software (PC). Kvalitní systémy dokládají odolnost proti manipulaci s daty certifikací nezávislé zkušebny, např. TÜV.

Dalším kritériem bezpečnosti a ochrany proti manipulaci je kvalifikace podle FDA (Food and Drugs Administration), mj. podmínka pro zavedení ve farmaceutickém průmyslu. Tato kvalifikace zahrnuje jak bezpečnost vlastních dat, tak zabezpečený přístup a dokumentaci všech činností ze strany obsluhy, od programování přístroje až po vyhodnocení. 

Závěr

Registrační přístroje se vyvinuly z papírových zapisovačů v sofistikované systémy pro sběr, archivaci a vyhodnocování měřených hodnot, které umožňují rychlé, bezpečné a cenově odpovídající sledování provozních dat, splňují přitom vysoké bezpečnostní standardy a současně usnadňují instalaci a obsluhu.

V oboru měření, regulace a automatizace existují i jiná řešení záznamu dat – založená na využití příslušných vstupních modulů a softwaru v PC, kdy záznam probíhá on-line v samotném počítači, nebo využívající speciál­ní hardwarová řešení. Pod obecným názvem datalogger jsou k dispozici různé „krabičky“, lišící se velikostí, počtem kanálů, odolností proti vnějším vlivům, napájením (často bateriovým), případnou integrací vlastních snímačů a způsobem, jak z nich uložená data vyčíst. Další variantou záznamu provozních dat jsou registrační funkce implementované přímo do automatizačních přístrojů, např. do kompaktních regulátorů.  

Michal Šteflíček, JUMO Měření a regulace s. r. o.

Obr. 1. Registrační přístroje se vyvinuly z papírových zapisovačů v pokročilé systémy pro sběr, archivaci a vyhodnocování měřených hodnot

Obr. 2. Obrazovkové zapisovače jsou vybaveny doprovodným softwarem pro PC, pomocí kterého lze spravovat, archivovat a vyhodnocovat zaznamenané naměřené údaje