Systemy pomiarowe główne narzędzie kontroli jakości w przemyśle

Obszary aplikacyjne uznane przez specjalistów za najbardziej perspektywiczne dla systemów pomiarowych w niedalekiej przyszłości. Na pierwszym miejscu zdecydowanie uplasował się monitoring w energetyce, gdzie systemy pomiarowe są używane do kontroli instalacji energetycznych w budynkach, zakładach przemysłowych i dużych instalacji. Celem jest tutaj kontrola jakości, a więc ciągły monitoring parametrów napięcia zasilającego oraz równolegle dostarczanie danych do analizy zużycia energii w poszczególnych segmentach i odbiornikach po to, aby można było coś zaoszczędzić. Kolejne dwie pozycje to efekt wzrostu znaczenia wysokiej jakości produktów i usług na rynku. Im wyższa jakość, tym mniejsze koszty obsługi posprzedażnej, większa sprzedaż i lepsze postrzeganie marki. Zapewnienie jakości wymaga budowy infrastruktury technicznej, a systemy pomiarowe są niewątpliwie jednym z najlepszych narzędzi, jakimi dysponujemy do rozwiązywania problemów jakościowych.

System pomiarowy to pojemny termin, pod który można podciągnąć wiele aplikacji związanych z szeroko rozumianym miernictwem, telemetrią, systemami testującymi i pokrewnymi dziedzinami. Systemy pomiarowe nie są na rynku niczym nowym, bo koncepcja realizacji pomiarów wykorzystująca komputer, interfejs oraz urządzenia do akwizycji danych znana jest od trzydziestu lat.

Ale przez wiele początkowych lat głównym użytkownikiem omawianych systemów był świat nauki, dla którego było to wygodne narzędzie do realizacji eksperymentów towarzyszących pracom naukowym. W mniejszej skali systemy pomiarowe były instalowane w zakładach produkcyjnych, gdzie realizowano za ich pomocą zadania związane z testowaniem wyrobów (ATE).

Wraz z widocznym od kilku lat naciskiem na jakość w produkcji oraz usługach, takich jak dostarczanie mediów, energii elektrycznej, znaczenie systemów pomiarowych wyraźnie się powiększa. Spory udział w tym procesie ma też coraz lepsza dostępność sieci komunikacyjnych typu WAN, dzięki czemu takie aplikacje pomiarowe nie muszą ograniczać się do jednej pracowni, budynku lub zakładu pracy.

Takie instalacje stają się popularne, bo rozwój najnowszych technologii wymaga coraz bardziej złożonych systemów kontroli poprawności ich działania. Poprawnie działające systemy pomiarowe zdecydowanie wpływają na jakość procesów technologicznych, a więc właśnie na tę pożądaną wysoką jakość.

Szeroka funkcjonalność

Warto zauważyć, że praktycznie zniknął dawniejszy ostry podział urządzeń pomiarowych na aparaturę klasyczną, a więc taką w obudowie i z wyświetlaczem, która stanowi funkcjonalną całość, jak np. oscyloskop oraz na komponenty przynależne wyłącznie do świata systemów pomiarowych, jak karty akwizycji danych.

Te dwa obszary były wynikiem tego, że klasyczna aparatura pomiarowa rzadko miała wbudowany standardowy interfejs komunikacyjny jak GPIB, zwłaszcza ta tańsza. To już jest zdecydowana przeszłość - obecnie praktycznie cała aparatura laboratoryjna wysokiej jakości ma port ethernetowy lub przynajmniej USB oraz wbudowane oprogramowanie pozwalające na kontrolę przyrządu przez sieć WAN.

Wiele innych mierników też ma interfejs komunikacyjny, zwykle jest to USB. Uwalnia on od problemów z konfiguracją i sterownikami, pozwala na zasilanie wielu drobnych komponentów i jest bardzo szybki. Popularność USB to także efekt dobrego wsparcia ze strony systemu Windows. Do tego należy doliczyć szeroki asortyment urządzeń pomiarowych specjalistycznych, związanych z kontrolą klimatu, parametrów procesów technologicznych, monitoringiem instalacji i obiektów, i podobnych. To także są systemy pomiarowe, może nie takie klasyczne co do formy, ale zgodne funkcjonalnie z ideą i funkcjonalnością pierwotnych rozwiązań systemów pomiarowych.

Systemy pomiarowe stają się także częścią maszyn i urządzeń produkcyjnych. Wiele z nowego sprzętu ma wbudowany mały sterownik komputerowy lub nawet kompletny komputer, który nie tylko steruje działaniem urządzenia, ale także gromadzi w pamięci szczegółowe dane na temat wykonanych operacji. Formalnie jest więc to system pomiarowy, tyle że specyficzny.

Takie dane historyczne są cenne z punktu widzenia zapewnienia jakości, bowiem pozwalają szukać przyczyn błędów i wyjaśniać ewentualne reklamacje. System pomiarowy będący częścią zakładowego systemu zapewnienia jakości ma za zadanie przede wszystkim gromadzić maksymalnie dużo danych na temat procesu, stąd architektura współczesnego systemu może być całkowicie odmienna od tych dawnych realizacji.

Coraz większe znaczenie komunikacji bezprzewodowej

Ocena potencjału rynkowego i siły oddziaływania poszczególnych nowości oraz trendów technicznych zmieniających rynek systemów pomiarowych. Za najważniejsze uznano komunikację bezprzewodową oraz współpracę komponentów systemów ze smartfonami i tabletami. Wysoko ulokowała się też konwergencja funkcji pomiarowych, a więc to, że w jednym urządzeniu dostaje się możliwie kompletną platformę sprzętową. Jest to taniej i wygodniej, bo formalnie struktura sprzętowa wielu systemów jest podobna. Widać też, że dobre oprogramowanie jest w stanie nadać sens całej inwestycji, bo z samych zmierzonych danych zwykle nic wprost nie wynika. Najniżej oceniono potencjał, jaki dla systemów pomiarowych niosą ze sobą sieci o architekturze typu mesh, jak np. ZigBee. Wynika to zapewne z tego, że cały czas technologia ta nie jest dostatecznie popularna a wysokie opłaty licencyjne dla wielu producentów są sygnałem do poszukiwania rozwiązań alternatywnych.

Systemy pomiarowe w wersji bezprzewodowej wchodzą także do zastosowań związanych nie tylko z ciągłymi pomiarami, telemetrią i kontrolą, ale i monitoringiem. Bezprzewodowe sieci alarmowe umożliwiające nadzór stref pod kątem występowania substancji niebezpiecznych to przykład rozszerzających się obszarów zastosowań systemów pomiarowych, które przenikają się z wieloma innymi aplikacjami, np. systemami automatyki budynkowej, alarmowymi. Skoro wiele z modułów pomiarowych i urządzeń komunikacyjnych ma charakter uniwersalny, nie może dziwić to, że urządzenia te stosowane są w wielu innych branżach i obszarach techniki.

Inną popularną aplikacją związaną z systemami pomiarowymi jest kontrola i optymalizacja zużycia energii elektrycznej, w której instaluje się wiele czujników (mierników mocy) po to, aby zgromadzić maksymalnie wiele danych i potem na ich podstawie wyciągać wnioski i tworzyć projekt zmian.

Patrząc na listę firm, które przysłały wypełnione ankiety, na której jest wielu dostawców takich specjalistycznych urządzeń, można zaryzykować twierdzenie, że ciężar rynku w zakresie systemów pomiarowych przechyla się wyraźnie w stronę właśnie takich aplikacji specjalistycznych. Przemysł chce mierzyć i kontrolować coraz więcej parametrów w wielu różnych sytuacjach, więc potencjał, jaki daje uniwersalna aparatura pomiarowa, jest coraz częściej niewystarczający.

Specjalizowane mierniki są w całkowitym rozliczeniu tańsze i bardziej praktyczne i są tym samym chętnie wybierane przez integratorów do takich zadań. Teza ta jest prawdziwa zwłaszcza w systemach o architekturze rozproszonej, gdzie trzeba kontrolować wiele parametrów na dużym obszarze, ale ilości danych i szybkości transferu nie są krytyczne. Oczywiście ważnym wspólnym mianownikiem dla całości omawianych aplikacji jest wydajne łącze komunikacyjne.

Innymi słowy, cechą szczególną współczesnego systemu pomiarowego jest to, że stanowi on część wspólną dla wielu technologii funkcjonujących na rynku elektroniki, jak M2M, telemetria, sieci rozproszone, cloud computing i podobnych.

Czynniki pozytywne i negatywne dla rynku

Profile rynkowe dostawców aparatury do systemów pomiarowych

Patrząc z perspektywy kilku ostatnich lat, można stwierdzić, że najwięcej dobrego dla rozwoju rynku systemów pomiarowych robią dotacje unijne, z których pieniądze wydaje się na inwestycje, modernizacje i nowe projekty tego typu. Drugim czynnikiem prorozwojowym jest szybko poszerzająca się oferta urządzeń o ogólnym charakterze oraz bogaty asortyment specjalistycznych rozwiązań. Równolegle maleją ceny komponentów niezbędnych do budowy systemów pomiarowych, przez co nawet wydajne układy pomiarowe nie wymagają dzisiaj wydawania fortuny.

Po stronie czynników negatywnych trzeba zapisać silną konkurencję ze strony tanich dostawców azjatyckich, którzy na rynku wyróżniają się głównie ceną. To standard dla większości sektorów techniki, z którym trzeba żyć. Z uwagi na ciężkie czasy w gospodarce nadal czynnikiem determinującym zakupy jest przede wszystkim cena, a nie jakość, kompleksowość usługi, parametry techniczne, zaawansowana technologia.

To niestety są echa cięć kosztów i wydatków inwestycyjnych oraz pokłosie kryzysu. Niemniej dostawcy sygnalizują, że dodatkowo duża konkurencja i ciągła presja na korzystną cenę łączona jest z jednoczesnym wymaganiem wysokiej jakości towaru. W tak określonych warunkach działalność sieci dystrybucyjnej nie może być łatwa. Dostawcom i integratorom systemów przeszkadzają ponadto skomplikowane procedury przetargowe, trudności w pozyskaniu finansowania przez klientów, bo niestety koszt realizacji dużych instalacji rozproszonych może być wysoki.

Rola oprogramowania

Jedną z bardziej widocznych różnic pomiędzy klasyczną aparaturą pomiarową a systemami pomiarowymi jest to, że w tym drugim obszarze podstawą działania jest oprogramowanie. Rozważając budowę systemu pomiarowego, zwykle na początku rozważamy platformę sprzętową, a dopiero w kolejnym kroku interesujemy się oprogramowaniem.

Wykorzystywane tutaj pakiety mogą być proste, służące do podstawowej akwizycji i przetwarzania danych, jak też rozbudowane, umożliwiające projektowanie aplikacji pomiarowych i stanowisk testowych oraz ich uruchamianie. Większość dostawców aparatury systemowej oferuje również jakiś rodzaj oprogramowania.

Producenci dostarczają też wraz z urządzeniami drivery do popularnych pakietów oraz odpowiednie biblioteki sterowników, które pozwalają użytkownikom na tworzenie własnych aplikacji. Sztandarowym przykładem programu, który przeznaczony jest do obsługi systemów pomiarowych, jest LabView firmy National Instruments, który posługuje się graficznym zobrazowaniem procesów i urządzeń i ma ogromne możliwości po stronie przetwarzania danych jak i późniejszej wizualizacji. Poza nim dostępne są aplikacje rozwijane przez wiele firm znanych z automatyki przemysłowej, które mają systemy wizualizacji danych przemysłowych będące częścią systemów typu SCADA. Takich pozycji jest co najmniej kilkanaście.

Poza dużymi uniwersalnymi pakietami na rynku funkcjonuje wiele małych pozycji, nierzadko rozwijanych przez lokalne firmy produkujące sprzęt do systemów pomiarowych. Takie oprogramowanie ma często wąsko specjalizowany charakter, nierzadko jest też znacznie tańsze od dużych pakietów o ogólnym charakterze.

W ramach oprogramowania specjalizowanego tworzone są także aplikacje pracujące pod Linuksem i aplikacje na Androida. Umacnia się trend wyposażania systemów pomiarowych w komunikację do przesyłania i analizowania wyników online, gdzie specjalizowany program jest w stanie dokonać akwizycji danych, obliczeń oraz ma funkcje pozwalające na prezentację wyników dostępnych w czasie rzeczywistym przez Internet. Takie opcje są coraz bardziej poszukiwane, w oprogramowanie firmware wbudowuje się mini serwery webowe lub funkcje API ułatwiające tworzenie takich funkcji.

Nowości sprzętowe i w zakresie oprogramowania

Integratorzy i firmy inwestujące w systemy pomiarowe najbardziej zainteresowane są kompletnymi rozwiązaniami pomiarowymi takimi, gdzie platforma sprzętowa i oprogramowanie są dopasowaną i nierozerwalną całością. W dalszej kolejności zainteresowanie kieruje się w stronę klasycznych urządzeń pomiarowych, a więc aparatury w obudowie i o zamkniętej funkcjonalności, którą następnie łączy się z komputerem. Zdaniem specjalistów najmniej jest firm, które kupują pojedyncze moduły systemów pomiarowych od różnych dostawców i same składają z nich gotowy system. Innymi słowy, na rynku albo wykorzystuje się tradycyjny sprzęt pomiarowy albo wybiera spójne rozwiązania modułowe firmowane przez jednego producenta.

Nowości w systemach pomiarowych wiążą się głównie z technologiami komunikacji bezprzewodowej, gdyż spora część aplikacji tego typu ma strukturę instalacji rozproszonej na terenie budynku, zespołu obiektów lub nawet działającego w skali kraju. Konieczność budowy szerokiej infrastruktury pomiarowej wiąże się z wysokimi kosztami, dlatego komunikacja bezprzewodowa, która zapewnia możliwość swobodnej integracji wszelkiego rodzaju elementów pomiarowych, jest na rynku poszukiwana.

Sieci bazujące na zmiennej architekturze dopasowującej się automatycznie do urządzeń i warunków komunikacyjnych, w połączeniu ze standardami takimi jak Bluetooth, Wi-Fi i GSM, wydają się dzisiaj rozwiązaniami determinującymi nowoczesność. Oczywiście połączenia bezprzewodowego nie da się wykorzystać w sytuacjach, gdy konieczne jest zapewnienie dużej wydajności działania i akwizycji danych, niemniej procentowo udział takich aplikacji wcale nie jest imponująco duży.

Kolejna nowość to rosnące znaczenie technologii chmurowych do przechowywania i zarządzania danymi, zwłaszcza w dużych systemach pomiarowych, które mają wiele punktów pomiarowych, rozsianych geograficznie, z których dane trzeba agregować w celu dalszej analizy. To są już problemy charakterystyczne dla tzw. aplikacji Big Data, niemniej nietrudno zauważyć, że wiele zadań pomiarowych wiążących się z np. opomiarowaniem mediów, kontrolą instalacji energetycznych ma już takich charakter.

Systemy pomiarowe traktuje się często jako narzędzie po to, aby coś usprawnić lub coś zaoszczędzić. Niemniej wiadomo, że od samego dołączenia kart akwizycji danych i wykonania pomiarów oszczędności się nie pojawiają. W każdym przypadku konieczna jest żmudna analiza danych, a także konieczność użycia specjalistycznego oprogramowania. Okazuje się, że zgromadzenie kompletu danych w chmurze oraz wykorzystanie narzędzi online może być korzystnym rozwiązaniem, bo analiza jest procesem czasochłonnym i złożonym, stąd taki sposób bywa najtańszy.

Przegląd dostawców systemów pomiarowych

Na rynku systemów pomiarowych obecnych jest wielu dystrybutorów oraz działających bezpośrednio producentów, co jest pochodną szerokiego rynku. Już samych producentów tradycyjnej aparatury pomiarowej jest wielu, do tego dochodzą jeszcze wytwórcy aparatury modułowej w obudowie, kart pomiarowych do montażu w kasetach, sprzętu przemysłowego w wersji do montażu na szynie a także specjalizowanych modułów do budowy rozległych sieci telemetrycznych. Poza wyjątkiem, jakim jest National Instruments, trudno też wskazać firmę, która w biznesie postawiłaby na jedną kartę i zajmowała się tylko systemami pomiarowymi, ale na przestrzeni lat widać, że stopień specjalizacji się zwiększa.

Z uwagi na wspomnianą przekrojową ofertę w niniejszym zestawieniu obok siebie występują firmy kojarzone z elektroniką, automatyką przemysłową, miernictwem, a także energetyką. Co więcej, wiele z tych przedsiębiorstw ze sobą nie konkuruje, działając w całkiem osobnych sektorach. System pomiarowy to nie tylko platforma sprzętowa, równie ważne jest oprogramowanie, dlatego relacje pomiędzy firmami oraz stopień konkurencji jest porządkowany często od tej strony.

Integrator podejmujący się realizacji konkretnego zadania i tym samym napisania oprogramowania ma często duży wpływ na wybór platformy sprzętowej i tym samym dostawcy. Stąd wiele firm współpracuje z integratorami, przekazując im wiedzę i wspierając merytorycznie ich rozwiązania, i licząc, że dobra współpraca zaowocuje wyborem przez integratora ich produktów do realizacji systemów. Wielu producentów nie pozostawia tego wyboru przypadkowi i "przekonuje" integratorów do wyboru własnych produktów umową na wyłączność.

Dostawcami związanymi głównie z rynkiem aparatury pomiarowej są w tym zestawieniu firmy takie jak Tespol, UEI, EM-Test, Meratronik, AM Technologies, Biall i Merserwis, a w bardziej specjalizowanym zakresie także Semicon. Duża część oferowanych przez te firmy przyrządów ma możliwość podłączenia do komputera i wspiera pracę automatyczną w systemach pomiarowych. Klasyczna aparatura laboratoryjna była zawsze obiektem zainteresowania świata nauki, działów badań i rozwoju, i możliwość budowy za jej pomocą systemów pomiarowych jest tutaj naturalna.

Komponenty do systemów pomiarowych sprzedają dystrybutorzy podzespołów elektronicznych, także firmy katalogowe, które często mają ofertę rozwiązań przemysłowych. Takie firmy w tym zestawieniu to na przykład JM elektronik, Elhurt, Maritex, TME, Farnell element14 i Conrad Electronic.

Spora grupa firm związana jest z automatyką i przemysłem, np. Introl, MSA Safety, Inventia, TechBase, to producenci i dystrybutorzy specjalizowanych urządzeń i rozwiązań aplikowanych w tym obszarze. Kolejne związane są z energetyką, najczęściej pomiarami parametrów energii elektrycznej oraz systemów do pomiarów parametrów klimatycznych i środowiskowych, jak Eltron, Lab-El, APAR, Tybo.