Глава 19. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЙ. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Измерительно-вычислительные средства (ИВС) — совокупность технических средств, обеспечивающих измерение, сбор, вычислительную обработку и распределение измерительной информации в системах управления технологическими процессами и объектами, при научных исследованиях и комплексных испытаниях систем и т. д.

К ИВС относятся как измерительные приборы, так и измерительные комплексы, содержащие аналоговые, цифровые или гибридные вычислительные (процессорные) средства. Соответственно различают измерительно-вычислительные приборы (ИВП) и измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).

На основе ИВС создают информационно-измерительные приборы и системы (ИИС), отличительными чертами которых являются:

расширенные функциональные возможности в результате перепрограммирования в процессе обработки массивов измерительной информации;

улучшенные метрологические характеристики, например, в результате статистической обработки измерительных данных с учетом влияния внешних факторов.

На вычислительные средства, используемые в средствах измерений, могут быть возложены следующие функции:

фильтрация помех, выявление отклонений измеряемых величин от заданного уровня; внесение поправок в результаты измерений; учет влияния внешних факторов; вычисление результатов косвенных, совокупных и совместных измерений; определение статистических характеристик измеряемых величин; адаптация к условиям измерений и т. п.;

накопление, хранение и сервисная обработка измерительной информации (представление ее в виде таблиц, моделей и т. п.);

управление узлами средств измерений с целью организации запросов, очередности приоритетов, диалогового режима с операторами, обращение к памяти; контроль работоспособности узлов, контроль их метрологических характеристик и т. п.

В общем случае вычислительные средства, используемые в средствах измерений, обеспечивают автоматизацию измерительных процедур от начала измерения физических величин до получения окончательных результатов измерения.

Особое значение для развития ИВС имеют цифровые микропроцессоры (МП). В настоящее время микропроцессоры нашли применение в цифровых вольтметрах, самопишущих приборах, генераторах сигналов, осциллографах, графопостроителях, медицинских контрольно-измерительных приборах и других средствах измерений, работающих автономно и в составе ИИС.

Важным компонентом ИВС являются устройства сопряжения — интерфейсные модули, обеспечивающие согласование узлов как внутри средств измерений, так и с внешними устройствами. Интерфейсные модули также могут выполняться с использованием средств вычислений.

Современные ИИС, создаваемые на основе ИВС, входят в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), автоматизированных систем научных исследований и комплексных испытаний (АСНИКИ), систем автоматизации проектирования (САПР), гибких автоматизированных производств (ГАП), автоматизированных обучающих систем (АОС) и др.

Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) представляют собой совокупность программно-управляемых измерительных, вычислительных и вспомогательных технических средств, функционирующих на основе единого метрологического обеспечения и реализующих алгоритм получения, обработки и использования измерительной информации.

Комплексы при этом обеспечивают: первичную обработку результатов измерения; получение результатов косвенных, совокупных и совместных измерений, в том числе в темпе поступления данных; управление функционированием отдельных узлов в ходе эксперимента, включая организацию запросов, очередей, установление приоритетов, диалоговый режим с оператором; контроль работоспособности трактов комплексов, включая контроль метрологических характеристик; сервисную обработку получаемой информации (представление результатов в виде таблиц, графиков и т. п.); хранение получаемой информации; выработку управляющих воздействий на исследуемый объект в виде аналоговых и дискретных сигналов. Общие требования к ИВК изложены в ГОСТ 26.203—84.

В ИВК измерительные и вычислительные средства взаимодействуют на основе единого алгоритма, обеспечивающего получение, обработку и использование измерительной информации. ИВК строятся на основе технических средств, имеющих блочно-модульный принцип исполнения, что обеспечивает возможность создания ИВК с перестраиваемой структурой. Такие ИВК предназначены для создания автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), а также для управления такими сложными объектами, как космические корабли, морские суда и другие транспортные средства.

В зависимости от назначения различают такие типы ИВК:

универсальные, предназначенные для создания АСНИ, а также для испытаний различных изделий и материалов; их характерной особенностью является наличие перестраиваемой структуры, а также развитого программно-алгоритмического обеспечения;

проблемно-ориентированные, предназначенные для ограниченного набора однотипных задач АСНИ или АСУ ТП;

уникальные, предназначенные для единичных (специфических) задач исследования или испытаний.

Программное управление ИВК осуществляется программируемым процессором, который обеспечивает реализацию алгоритма функционирования системы в соответствии с требуемой обработкой измерительной информации.

Работоспособность ИВК определяют техническое, математическое и метрологическое обеспечение. В состав технического обеспечения входят измерительные, вычислительные и вспомогательные устройства.

К измерительным средствам относят: цифровые и аналоговые измерительные приборы; нормирующие, линейные, функциональные измерительные преобразователи; коммутаторы измерительных цепей, калибраторы, измерительные источники питания и т. п.

В качестве вычислительных средств в ИВК могут быть использованы аналоговые, гибридные и цифровые вычислительные устройства.

Основным содержанием математического обеспечения ИВК являются алгоритмы и программы. Алгоритмы предусматривают выполнение процедур, связанных с измерением физических величин, обработкой результатов измерения, выполнением плана эксперимента и т. п. Программы обеспечивают функционирование ИВК, поэтому содержат инструкции по самоорганизации комплекса и самоконтролю его узлов, подпрограммы для выполнения алгоритмов типовых процедур и решений типовых задач.

Метрологическое обеспечение предусматривает законодательно закрепленные процедуры нахождения оценок метрологических характеристик отдельных узлов, их самопроверки на основе соответствующих алгоритмов и программ.

В метрологическое обеспечение входят:

теория метрологии, связанная с расчетом, поверкой и контролем метрологических характеристик и проведением испытаний средств измерений (СИ);

образцовые СИ, предназначенные для проведения поверки, контроля метрологических характеристик и испытания СИ;

нормативные документы: государственные и отраслевые стандарты, руководящие технические материалы и методические указания, определяющие законодательные процедуры расчета, поверки и контроля метрологических характеристик и испытаний СИ, обеспечивающие единство измерений.

Системная совместимость.Научно-технической основой создания любого комплекса является системная совместимость всех функциональных элементов, входящих в его состав. Основными категориями совместимости является совместимость:

информационная, обеспечиваемая путем унификации и нормирования видов и параметров сигналов с учетом их временных и логических соотношений, физической реализации и правил передачи;

метрологическая, которая предусматривает однотипность метрологических характеристик всех средств измерений, используемых в комплексе и обеспечивающих получение количественной оценки достоверности выполняемых измерений;

программная, достигаемая за счет согласованности используемых программ и подпрограмм, языков программирования, за счет нормирования правил обмена потоками информации между узлами комплекса;

конструктивная, предусматривающая унификацию используемых модулей, выполненных на едином технологическом уровне; нормализацию их конструктивных параметров, а также условий их механического сопряжения;

эксплуатационная, обеспечиваемая за счет унификации и нормирования источников питания, условий окружающей среды, надежности и т. п.

Информационная и конструктивная совместимость всех блоков комплекса достигается за счет использования стандартных интерфейсов. Существуют два способа реализации названной совместимости в ИВК. При первом способе для всего комплекса используется единый интерфейс ЭВМ, входящий в состав ИВК, а при втором — для согласования измерительной и вычислительной аппаратуры комплекса используется специальный интерфейс, имеющий свой блок управления (контроллер).

Структурная организация.Выпускаемые нашей промышленностью ИВК имеют общие принципы построения на основе управляющих электронных вычислительных машин, средств измерений АСЭТ и интерфейса «Общая шина», объединяющего все периферийные устройства посредством единой системы сигналов и единого магистрального канала связи.

В состав периферийных устройств (ПУ) входят коммутаторы аналоговых сигналов (КУ\, ..., КУ_П), аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи, графопостроитель планшетный (ГП), устройство ввода—вывода дискретной информации (УВВДИ), усилители постоянного тока (УПТ), калибратор напряжений (КБР), цифровой вольтметр (ЦВ).

Сопряжение ПУ с центральным «Процессором» комплекса осуществляется посредством «Устройства сопряжения».

Расширитель общей шины (РОШ) позволяет разделить магистраль «Общая шина» на независимые части с одинаковыми техническими возможностями наращиваний периферийных устройств. В состав комплекса входит панель автономного управления (ЯЛУ), предназначенная для проверки функционирования в статическом режиме (без включения «Процессора»).

Построение многоуровневых ИВК может быть выполнено за счет наращивания различного сочетания приборных, внутриприборных и машинных интерфейсов.

Литература

1. Авдеев Б.Я. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник / Б.Я.Авдеев,Е.М. Антонюк ,Е.М. Душин . -Л.:Энергоатомиздат,1987.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб.пособие для студ. вузов.-М.: Высш.школа,1989.

3. Елизаров А.С. Электроизмерения: Учебник.-Мн.-Высш.шк.,1986.

4. Селиванов М.Н. Качество измерений: Метрологическая справочная книга.-Л.: Лениздат,1987.

5. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи / Б.П.Хромой, А.В.Кандинов, А.Л.Сенявский.: Учебн.пособие.-М.:Радио и связь,1986.

6. Спектр С.А. Электрические измерения физических величин: Учеб.пособие.-Л.:Энергоатомиздат,1987.

7. Васильев А.С. Основы метрологии и технические измерения: Учебн.пособие.-М.:Машиностроение,1988.

8. Мирский Г.Я. Электронные измерения.-М.: Радио и связь,1986.

9. Белкин И.М. Средства линейно-угловых измерений.: Справочник. М.:Машиностроение,1987.