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化学システムにおける学生実験：インタフェース


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東京大学大学院
工学系研究科化学システム工学専攻
須佐 秋生 助教



実験の目的と進め方

実際にコンピュータを用いて、計測システムのハードウェアを組む。またソフトウェアを自作し、温度計測を行うとともに、測定結果に基づきヒーターの自動制御を行う。これらの実験を通して、コンピュータを使った計測システムの構築・実験の自動化について経験をつみ、インターフェースの基礎知識を身につける。実験は大きく3つに分かれる。

1） コンピュータのインターフェース（USB）を通して、外部測定機器（熱電対）からのデータの取り込み方を学ぶ。
2） 計測された測定値をもとに、データ処理を行う。
3） 測定値をもとに、外部機器のPID制御によるコントロールを行い、自動制御技術を習得する。

インタフェースの接続・データ取り込み

1）熱電対・Ａ/Ｄ変換器・コンピュータの接続
図1を参考にして接続を行う。熱電対は「信号調節器」の入力接点に接続し、「信号調節器」の出力接点と「USB-6009」の各チャンネルを±を間違えないように接続する。取付ネジを締める際には適合するプラスドライバーを使用する。「USB-6009」とコンピュータとの接続は、USBケーブルを用いる。



2）Measurement＆Automation Explorerを用いてUSB－6009の計測制御を動作させる。
一般にインターフェースに接続した機器はターミナルソフトと呼ばれるソフトウェアを用いることで間単に制御することができるようになっている。ここでは、Multifunction DAQ USB-6009のドライバソフトウェアと連携しているMeasurement & Automation Explorerを用いてUSB-6009のA/D変換およびデジタル入出力(DIO)の設定を作成し、データ収録作業、およびデジタルI/Oの動作テストを行う。インターフェースにおける通信は一般に通信速度、ビット長、パリティー、ストップビットなどのパラメータを設定する必要があるが、USB機器の場合は自動的に設定がなされるので、今回はそのような設定を行う必要はない。

3）プログラム言語LabVIEWによるプログラムの作成
ターミナルソフトを用いることで、測定機器が簡単に制御できるが、毎回ボタン操作する必要があるし、すぐにデータの保存ができる訳ではない。測定の目的に特化したプログラムを作成したい場合もあろう。コンピュータプログラミングにより、計測/記録保存/データ解析などの操作をコマンド入力やボタン操作することなく行うことができる。LabVIEWは科学・工学用のグラフィカルな開発環境でグラフィカルな応用プログラムが作成できる言語である。具体的にはデータ集録、信号解析、計測器制御のための仮想の計測器バーチャルインスツルメンツを組み、計測制御の環境を構築することができる。演習として、以下のプログラムを作成せよ。プログラミングに際しては、LabVIEWを推奨する。

コンピュータを用いた示差熱分析

示差熱分析の実験方法
図2に示した実験装置を組み立て、熱電対からの信号をA/D変換器（USB-6009）で取り込み、温度変化を記録する。取り込みプログラムは、前日に作ったプログラムを用いてもかまわないが、安定動作に不安のある向きにはpcの中のファイル(c:/interface/samples/DTA_scope_beta.vi)を使用せよ。
(サンプリング周波数：523 Hz　サンプル数/チャンネル：10000、データ取得インターバル：500 ms)


コンピュータによる制御

ここまでの実習で、外部センサーの信号をコンピュータに取り込む入力インターフェースを用いた示差熱分析について学習してきたが、ここではコンピュータからの命令により外部の機器を制御する出力インターフェースについて学ぶ。コンピュータによる機器の制御は、複雑な制御シーケンスにも容易に対応でき、かつ書き換えや変更が容易であることなど利点が多く、多くの装置において用いられている。これを可能にするためには、コンピュータと機器を接続する出力インターフェースについて知っておくことが必要である。

［課題］
サンプルプログラム、Simulation – tank level.viを用いてPID制御のサンプルプログラムを操作し、試行錯誤によりPIDパラメータKp, Ti, Tdを変化させたときのタンクの水のレベルの変化について観察結果を記述せよ。本棚に置いてある「PID制御の基礎と応用」などを参考にすること。
サンプルプログラムはc:/interface-II/samples/simulation_tank_levelに保存してある。



メインスイッチ：リレーボックスの主電源スイッチ。 ONでスイッチに内蔵された赤色のLEDが点灯する。

リレースイッチ： OFFにするとリレーが作動しても出力電圧は常時ゼロとなる。リレーの作動は、スイッチに内蔵された緑色のLEDの点灯により確認できるため、ヒーターに電圧をかけずに作動チェックができる。


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