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.
Głównym zadaniem modułu nadzorowania atomowych cezowych wzorców czasu i częstotliwości jest ciągłe monitorowanie 21 wielkości fizycznych określających stan pracy wzorca. Ponadto moduł umożliwia sterowanie w ograniczonym zakresie pracą wzorca – istnieje możliwość wyboru częstotliwości wzorcowej na wyjściu dwóch portów: 5 MHz lub 10 MHz oraz zdefiniowania odchyłki (offsetu) częstotliwości od wartości nominalnej. Nadzorowany system składa się z trzech zegarów atomowych typu HP5071A, które za pomocą szeregowych portów RS-232 komunikują się z komputerem centralnym zintegrowanego sytemu monitorowania. Oprogramowanie modułu zrealizowano w środowisku LabWindows/CVI z zastosowaniem modelu warstwowego. Dzięki temu, poprzez stosunkowo niewielką modyfikacje kodu źródłowego, można przystosować prezentowany moduł do współpracy z innymi wzorcami czasu i częstotliwości. Aplikacja działa w oparciu o dwa niezależne wątki. W wątku głównym realizowana jest obsługa interfejsu użytkownika, natomiast drugi wątek odpowiada za cykliczną akwizycję wyników pomiaru monitorowanych parametrów wzorców oraz ich archiwizację.
Zadaniem modułu jest realizacja bezpośrednich porównań sygnału z atomowego wzorca czasu dostępnego w Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar z sygnałami innych tego typu wzorców.
Część programowa składa się z aplikacji instalowanej na komputerze PC i przeznaczonej do współpracy z jednym z trzech częstościomierzy-czasomierzy cyfrowych: Pendulum CNT-81, Hewlett-Packard (Agilent) HP53132A lub Stanford Research SR620 oraz specjalizowanym 24-kanałowym multiplekserem z wyprowadzeniami typu BNC, stanowiącym część sprzętową modułu. Komunikacja z częstościomierzem-czasomierzem realizowana jest za pomocą interfejsu GPIB, natomiast komunikacja z 24-kanałowym multiplekserem za pomocą interfejsu USB. Podstawowym zadaniem systemu jest cykliczne wykonywanie pomiarów (domyślnie co 15 min) czasu fazowego dla wszystkich aktywnych kanałów multipleksera. Za kanał aktywny uznaje się kanał, do którego doprowadzono sygnał i oznaczono, jako aktywny w aplikacji nadzorującej pracę modułu. Start realizacji serii pomiarów jest synchronizowany z zegarem komputera tak, aby odbywał się z równym kwadransem każdej godziny. Wszystkie znaczniki czasowe są realizowane zgodnie z Uniwersalnym Czasem Koordynowanym UTC. Efektem porównań bezpośrednich wzorców atomowych i skal czasu są zmierzone różnice czasowe pomiędzy sygnałem referencyjnym podanym na wejście startujące pomiar czasu w częstościomierzu-czasomierzu a każdym z sygnałów podłączonych do aktywnych wejść multipleksera i podawanych kolejno na wejście częstościomierza-czasomierza zatrzymujące pomiar (pomiar czasu fazowego), jak również obliczane różnice czasowe wyznaczane pomiędzy wynikiem pomiaru uzyskanym dla pierwszego aktywnego kanału a wynikami uzyskanymi dla sygnałów podłączonych do pozostałych kanałów aktywnych.
Podstawowym zadaniem modułu jest odbiór danych z systemu TTS-2 i prezentacja w formie graficznej wartości parametru REFGPS. Odbierane dane są filtrowane w czasie rzeczywistym w celu eliminacji nieprawidłowych odczytów.
Podstawowe zadania modułu to pomiar czasu fazowego, tzn. fazy chwilowej sygnału radiowej częstotliwości wzorcowej (fWRC=225kHz) wyznaczanej względem sygnału odniesienia (1s) i wyrażonej w jednostkach czasu, prezentacja w postaci wykresów i archiwizacja wyników pomiarów oraz obliczanie współczynników charakteryzujących niestabilność generatora wytwarzającego sygnał radiowej częstotliwości wzorcowej. Sygnał ten jest jednocześnie częstotliwością nośną dla emisji Programu I Polskiego Radia S.A. na falach długich. Moduł jest przystosowany do współpracy z częstościomierzami-czasomierzami Tabor Electronics TE6020 oraz Hewlett-Packard HP53132A.
Zadaniem modułu jest cykliczny pomiar sześciu napięć przemiennych (blok głównego systemu zasilania w Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar) o nominalnej wartości skutecznej 230 V. W ramach modułu opracowano 6–kanałowy układ pomiaru sygnałów napięciowych AC o zakresie pomiarowym (170 ÷ 270) Vsk. Niepewność pomiaru wartości skutecznej, w zakresie częstotliwości (40 ÷ 70) Hz, jest na poziomie 0.5 %. Konstrukcja ukladu pomiarowego bazuje na uniwersalnej karcie pomiarowej z interfejsem USB.
Zadaniem modułu jest cykliczny pomiar napięć i prądów na wyjściu 12 źródeł DC stanowiących blok rezerwowego systemu zasilania w Laboratorium Czasu i Częstotliwości Głównego Urzędu Miar. W ramach prowadzonych prac zaprojektowano i wykonano specjalizowany 12-kanałowy moduł sprzętowy, który umożliwia pomiar sygnałów stałoprądowych: napięć w zakresie (0 ÷ 30) V i prądów w zakresie (0 ÷ 15) A. Niepewność pomiaru nie przekracza 0,1% dla torów napięciowych oraz 1% dla torów prądowych. Moduł sprzętowy zrealizowano w oparciu o uniwersalną kartę pomiarową z interfejsem USB.
Podstawowym zadaniem modułu monitorowania warunków środowiskowych jest cykliczna akwizycja informacji dotyczącej parametrów środowiskowych (temperatura, wilgotność i ciśnienie), detekcja i sygnalizacja stanów alarmowych, archiwizacja danych pomiarowych oraz zdalne konfigurowanie urządzeń pomiarowych systemu monitorowania warunków środowiskowych. Moduł programowy komunikuje się poprzez interfejs RS-232C z koncentratorem LB-731 zbierającym dane z termohigrometrów LB-701, barometru LB-716, termometru LB-710T (umieszczonego na zewnątrz) oraz panelem odczytowym LB-705. Wszystkie urządzenia są produkcji polskiej firmy Label. W module monitorowania warunków środowiskowych zrealizowano koncepcję współpracy koncentratora z modułem programowym, który z wraz komputerem PC tworzy nadrzędny system monitorowania. Koncentrator cyklicznie odczytuje wyniki pomiarów z czujników pomiarowych i gromadzi je w pamięci, natomiast nadrzędny system monitorowania, w określonych interwałach czasowych, pobiera wyniki z pamięci koncentratora. Takie rozwiązanie zapewni możliwość odtworzenia parametrów środowiskowych w przypadku awarii systemy nadrzędnego.
Podstawowym zadaniem modułu jest odbieranie (reakcja na zdarzenia asynchroniczne) z pozostałych modułów zintegrowanego systemu monitorowania i sterowania systemami pomiarowymi PWJMCiC informacji o wystąpieniu sytuacji odbiegających od normy (wystąpienie stanów alarmowych), archiwizowaniu tych informacji w plikach tekstowych o ustalonym formacie i przekazywanie informacji o stanach alarmowych do uprawnionych osób poprzez bramkę SMS. Drugim zadaniem modułu jest cykliczne sprawdzanie działania wskazanych modułów programowych systemu, tzw. Heart beat. W przypadku wystąpienia sytuacji braku komunikacji z jednym z modułów system poinformuje osobę odpowiedzialną za ten moduł za pomocą wiadomości SMS. Istnieje możliwość definiowania listy odbiorców wiadomości SMS. Ponieważ poszczególne moduły zintegrowanego systemu monitorowania i sterowania systemami pomiarowymi PWJMCiC mogą być instalowane w dowolnej konfiguracji na różnych komputerach systemu, do komunikacji między modułami zastosowano jeden z protokołów sieciowych obsługiwanych przez środowisko LabWindows/CVI - Network Variables. Od strony sprzętowej do komunikacji pomiędzy modułami zainstalowanymi na różnych komputerach zintegrowanego systemu zastosowano interfejs komunikacyjny Ethernet.
Zadaniem modułu jest zdalne sterowanie w trybie ręcznym precyzyjnym przesuwnikiem fazy Phase Microstepper 2055A firmy Austron. W ramach prowadzonych prac zaprojektowano i wykonano układ adaptera, który umożliwa podłączenie przesuwnika fazy 2055A wyposażonego jedynie w specjalizowny interfejs cyfrowy (kilkadziesiąt sygnałów w standardzie TTL) do komputera PC za pomocą interfejsu USB.
Zadaniem modułu prognozowania państwowej skali czasu jest: przygotowanie danych wejściowych do prognozowania wartości poprawek UTC(PL) względem UTC; prognozowanie, w oparciu o sieci neuronowe, wartości poprawek UTC(PL) względem UTC z uwzględnieniem poprawek publikowanych przez Międzynarodowe Biuro Wag i Miar oraz niestabilności częstotliwości wybranych atomowych wzorców czasu i częstotliwości; prezentacja na graficznym interfejsie użytkownika wyniku prognozy poprawki.
Realizatorzy projektu
dr hab. inż. Wiesław Miczulski, prof. UZ
dr hab. inż. Ryszard Rybski
dr inż. Marek Florczyk
dr inż. Leszek Furmankiewicz
dr inż. Janusz Kaczmarek - kierownik projektu
dr inż. Mirosław Kozioł
dr inż. Mariusz Krajewski
dr inż. Emil Michta
dr inż. Robert Szulim
mgr inż. Maciej Cepowski
mgr inż. Wojciech Lewandowski
mgr inż. Piotr Powroźnik
mgr inż. Sergiusz Sienkowski
Zdjęcia z wizyt w GUM
[1] W.Miczulski, R.Szulim: Application of Knowledge Discovery Methods in Diagnostics of Standard Radio Frequency Generator. Przegląd Elektrotechniczny, nr 6/2009
[2] M.Cepowski, A.Czubla, W.Miczulski: Metody prognozowania państwowej skali czasu. Prace Komisji Metrologii Oddziału PAN w Katowicach - Materiały VII Konferencji Naukowo-Technicznej PPM'09, 2009, s.12-15.
[3] M.Cepowski, W.Miczulski: Zastosowanie sieci neuronowych do prognozowania państwowej skali czasu. Modelowanie i symulacja systemów pomiarowych - Materiały XVII Sympozjum (Krynica), Kraków, Wydaw. Katedry Metrologii AGH, 2009, s.141-150.
[4] M.Florczyk: Proces testowania oprogramowania zintegrowanego systemu monitorowania i sterowania systemami państwowego wzorca jednostek miar czasu i częstotliwości. Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych i w Przemyśle, Łagów, 2010 (przyjęte do druku)
[5] L.Furmankiwicz, J.Kaczmarek: System monitorowania warunków pracy atomowych wzorców czasu i częstotliwości. Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych i w Przemyśle, Łagów, 2010 (przyjęte do druku)
[6] J.Kaczmarek, M.Kozioł, A.Czubla: System do porównań bezpośrednich zegarów atomowych i skal czasu. Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych i w Przemyśle, Łagów, 2010 (przyjęte do druku)
[7] R.Szulim: Rozproszony system nadzoru urzadzeń z wykorzystaniem technologii zmiennych sieciowych. Systemy Pomiarowe w Badaniach Naukowych i w Przemyśle, Łagów, 2010 (przyjęte do druku)
