Projekt badawczy rozwojowy nr R 01 033 03

Zintegrowany system monitorowania i sterowania
systemami pomiarowego państwowego wzorca
jednostek miar czasu i częstotliwości



Charakterystyka projektu

Państwowy wzorzec jednostek miar czasu i częstotliwości (PWJMCiC) wraz z wchodzącymi w jego skład zegarami atomowymi i systemami do porównań, utrzymywany i prowadzony w Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar, stanowi najważniejszy element w zagwarantowaniu rzetelności i jednolitości pomiarów w dziedzinie czasu i częstotliwości na obszarze Rzeczypospolitej oraz ich spójności z Międzynarodowym Systemem Miar. Państwowy wzorzec jednostek miar czasu i częstotliwości stosowany jest również do najdokładniejszych realizacji innych jednostek wielkości fizycznych. Stanowi jednocześnie oficjalne źródło czasu urzędowego w Polsce pełniące bardzo ważną rolę we wszelkiego typu procesach synchronizacji, koordynacji, rejestracji czasu zajścia zdarzeń, itp., zarówno w kontekście prawnym, ekonomicznym, jak i technicznym. Z kolei wyjątkowość natury czasu, konieczność jego ciągłego odmierzania i dynamika generowania sygnałów wzorcowych czasu i częstotliwości wymaga ciągłego podtrzymywania pracy zegarów atomowych i nieprzerwanego porównywania ich wskazań w czasie rzeczywistym, zarówno w obrębie laboratorium - metodami bezpośrednimi pomiędzy posiadanymi zegarami atomowymi, w kraju – metodami zdalnymi pomiędzy instytucjami i laboratoriami posiadającymi zegary atomowe i systemy do ich zdalnych porównań (w Polsce – ponad 10 zegarów), jak i na arenie międzynarodowej – pomiędzy laboratoriami czasu i częstotliwości głównych Krajowych Instytucji Metrologicznych (tzw. NMI – National Metrology Institute).

W ramach projektu badawczego rozwojowego opracowano i zrealizowano prototyp otwartego zintegrowanego systemu monitorowania i sterowania systemami pomiarowymi państwowego wzorca jednostek miar czasu i częstotliwości o budowie modułowej. System składa się modułów programowych i programowo-sprzętowych charakteryzjacych się dużą elastycznością aplikacyjną, które komunikują się ze sobą poprzez sieć Ethernet za pomocą techniki zmiennych sieciowych. Główne zadania realizowane przez moduły systemu pomiarowego to: nadzorowanie pracy wzorców atomowych czasu i częstotliwości, porównania bezpośrednie wzorców atomowych i skal czasu, prognozowanie i sterowanie polskiej atomowej skali czasu UTC(PL), automatyczne obliczanie krótko- i długoterminowej stabilności radiowej częstotliwości wzorcowej (WRC), monitorowanie parametrów środowiskowych oraz głównego i rezerwowego systemu zasilania, zdalne (technika SMS) powiadamianie o stanach alarmowych.

Ze względu na zakres wykonanych prac system został podzielony na następujące moduły programowe i programowo-sprzętowe:
  • neuronowy hybrydowy system prognostyczny do prognozowania państwowej skali czasu;
  • aplikacja informatyczna umożliwiająca obliczanie współczynników charakteryzujących niestabilność generatora wytwarzającego sygnał radiowej częstotliwości wzorcowej (WRC) o częstotliwości fWRC=225kHz (będący jednocześnie częstotliwością nośną dla emisji Programu I Polskiego Radia S.A. na falach długich);
  • 24–kanałowe multipleksery oraz aplikacje informatyczne nadzorujące system porównań bezpośrednich wzorców atomowych i skal czasu;
  • aplikacja informatyczna nadzorująca pracę atomowych cezowych wzorców czasu i częstotliwości;
  • aplikacja informatyczna do przechwytywania z systemu TTS-2 wyników porównań skal czasu;
  • moduły sprzętowe oraz aplikacje informatyczne do monitorowania stanu pracy głównego i rezerwowego systemu zasilania, oraz warunków środowiskowych;
  • adapter interfejsu USB przeznaczony wraz z aplikacją informatyczną do współpracy z precyzyjnym przesuwnikiem fazy „Phase–Microstepper 2055A" firmy Austron;
  • aplikacja informatyczna realizująca funkcje zdalnego powiadamiania (GSM, SMS) o stanach alarmowych.
Wykonanie oprogramowania zintegrowanego systemu monitorowania i sterowania PWJMCiC było jednym z głównych zadań realizowanych w ramach projektu. Do realizacji tego zdania wybrano zaawansowane specjalizowane środowisko programistyczne LabWindows/CVI firmy National Instruments, które jest ukierunkowane na tworzenie oprogramowania dla systemów pomiarowo-sterujących, w tym systemów rozproszonych, do których należy zintegrowany system monitorowania i sterowania PWJMCiC. Oprogramowanie systemu zostało podzielone na moduły – każdy moduł jest osobnym programem, który może być instalowany na dowolnym komputerze zintegrowanego systemu. Programy (moduły programowe) komunikują się za pomocą zmiennych sieciowych – jedna z kilku dostępnych w środowisku LabWindows/CVI technik komunikacji, bazujących na protokole TCP. Szeroki zakres prowadzonych prac objął: opracowanie algorytmów i oprogramowania procedur komunikacyjnych, pomiarowych, przetwarzania, archiwizacji i sygnalizacji stanów alarmowych dla modułów programowych zintegrowanego systemu monitorowania i sterowania PWJMCiC.

Wszystkie moduły sprzętowe zintegrowanego systemu sterowania i monitorowania PWJMCiC zrealizowano w oparciu o karty typu DAQ firmy National Instruments, stąd moduły sprzętowe mogą być zastosowane jedynie w systemach sterowanych przez komputery PC. Przyjęte rozwiązanie zostało podyktowane następującymi wymogami:
  • niezawodność – część sterująca każdego modułu sprzętowego jest realizowana przez komercyjne karty DAQ firmy National Instruments, światowego lidera w tej dziedzinie;
  • dostępność sterowników programowych dla urządzenia zewnętrznego i interfejsu komunikacyjnego – firma National Instruments zapewnia nieodpłatnie sterowniki programowe dla wszystkich produkowanych urządzeń, w tym kart typu DAQ;
  • serwisowalność – przyjęte rozwiązanie zapewnia stosunkowo łatwy dostęp do najważniejszych podzespołów modułów sprzętowych oraz proste serwisowanie, bez konieczności stosowania specjalistycznych urządzeń, takich jak emulatory i programatory mikrokontrolerów;
  • elastyczność funkcjonalna – oprogramowanie sterujące pracą modułu sprzętowego jest w całości instalowane na komputerze PC, dzięki temu uzyskano możliwość łatwego modyfikowania tego oprogramowania;
  • powszechnie stosowany w komputerach PC interfejs komunikacyjny – zastosowane w modułach sprzętowych karty DAQ komunikują się z komputerem PC za pomocą najbardziej popularnego i powszechnie stosowanego w komputerach PC interfejsu USB; eliminuje to konieczność stosowania kosztownych specjalizowanych kontrolerów interfejsu komunikacyjnego np. GPIB; obecnie istnieje także możliwość zastosowania w modułach sprzętowych zintegrowanego systemu kart typu DAQ z bezprzewodowym interfejsem komunikacyjnym (komunikacja w standardzie WiFi), co znacznie upraszcza realizację złożonych systemów pomiarowych o dużym rozproszeniu;
  • cena – zastosowane w modułach sprzętowych karty DAQ są zaliczane do klasy produktów ekonomicznych i stanowią alternatywę w stosunku do własnego opracowania takiego podzespołu, którego cena będzie porównywalna lub wyższa przypadku urządzeń specjalizowanych i realizowanych w jednostkowym wykonaniu.
© IME 2009