Измерения и контроля

4.1. Схема процесса измерения и её анализ с точки зрения автоматизации

Типовая схема автоматизированных измерений изображена на рисунке 4.1. Объектом измерения может быть некоторый процесс, явление или устройство. Измеряемые величины воспринимаются датчиками, с выходов которых электрические сигналы поступают на коммутатор. Коммутатор повышает коэффициент использования измерительной установки при многоканальных измерениях. Опрос датчиков может быть циклическим (параметры однородны и стационарны), программным (параметры стационарны, но неоднородны) или адаптивным (параметры нестационарны).

Электрический сигнал с выбранного коммутатором датчика преобразуется в цифровой код в АЦП. Интерфейс обеспечивает сопряжение измерительного канала с ЭВМ. Далее измерительная информация подвергается обработке по заданной программе в ЭВМ и представляется в удобной форме на экране дисплея или отпечатанной на бумаге. База данных (БД) предназначена для хранения необходимой измерительной и справочной информации.

Рисунок 4.1 – Обобщенная структурная схема процесса автоматизированного измерения

ЦАП используется для двух целей:

- представление результатов измерений в аналоговой форме с дальнейшим их преобразованием в графическую форму;

- преобразование команд ЭВМ в аналоговые сигналы с целью управления объектом измерений.

Канал управления позволяет активно воздействовать на объект (нагревать, охлаждать, облучать, деформировать, перестраивать), следя одновременно за реакцией его на эти воздействия. Наличие ЭВМ позволяет производить вычислительный эксперимент.

4.2 Процесс контроля и возможности его автоматизации

Процесс контроля сводится к проверке соответствия объекта установленным техническим требованиям. Сущность контроля (ГОСТ 16504 -81) заключается в проведении двух основных операций:

ü получение информации о фактическом состоянии объекта, о признаках и показателях его свойств (первичная информация);

ü сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями (вторичная информация).

Заранее установленные требования к объекту контроля могут быть представлены в виде образцового изделия или в виде перечня определённых параметров и их значений с указанием полей допуска.

Граничные значения областей состояния контролируемого параметра называют нормами.

Рисунок 4.2 – Обобщенная структурная схема системы автоматического контроля (блок 1 – устройства коммутации испытательных сигналов)

Отличие измерения и контроля состоит в том, что при измерении измеряемую величину сравнивают с единицей определенной физической величины с целью получения количественной информации, а при контроле физический параметр сравнивают с его нормой с целью определения отклонений данного параметра (качественная характеристика объекта – "годен"–"не годен").

Совокупность технических средств, с помощью которых выполняются операции автоматического контроля, называются системами автоматического контроля (САУ). Данные системы являются одним из основных звеньев САУ и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

На рисунке 4.2 приведена обобщённая структурная схема системы автоматического контроля. Кратко рассмотрим основное назначение составных частей, входящих в эту систему.

Подсистема коммутации и связи – служит для непосредственного подключения системы к объекту контроля. Она может осуществляться с помощью проводных или кабельных линий, либо использования высокочастотного радиоканала. В состав подсистемы входят устройства коммутации контролируемых и стимулирующих сигналов.

Подсистема ИП и генераторов испытательных воздействий – содержит преобразователи различных физических величин, нормализаторы их выходных сигналов в унифицированные электрические сигналы, а также генераторы испытательных сигналов, формирующие воздействия на объект контроля.

Подсистема согласующих преобразователей – состоит из преобразователей унифицированных аналоговых сигналов в код (АЦП – для сигналов напряжения, тока и частотно-цифровые – для частотных сигналов) и обратных преобразователей «код-аналог» для формирования испытательных воздействий.

Операционная подсистема – представляет собой специализированную ЭВМ, которая может быть выполнена на микропроцессорных комплексах БИС.

Подсистема ввода-вывода – включает устройства, обеспечивающие связь оператора с системой (пульт управления, дисплей, электрические пишущие машины и др.), устройства регистрации информации, внешние долговременные запоминающие устройства, а также средства подготовки и ввода программ, например, программ управления ЭВМ (загрузчики, ассемблеры, редакторы, монитор и т.д.).

Принципы сопряжения ЭВМ с другими подсистемами основаны на применении стандартных каналов передачи данных.

4.3 Обзор обобщенных схем измерительных систем

4.3.1 Структурные схемы ИС с аналоговой и цифровой передачей сигнала

Для измерения небольшого количества величин с относительно невысоким быстродействием, характерна структурная схема, приведённая на рисунке 4.3. Выходные электрические сигналы с измерительных преобразователей (ИП) через коммутатор (КМ) поочередно поступают на передающий (выходной) преобразователь (ВП), согласующий выходы ИП с каналом связи (КС). Приёмный преобразователь (ПП) выделяет информационный сигнал, который после первичной обработки и усиления на устройстве аналоговой обработки (УАО) поступает в АЦП и после преобразования – на индикатор результатов измерения (ИР). Оценку полученной информации и выработку управляющих воздействий осуществляет оператор. Данная система предназначена лишь для сбора и отображения измерительной информации.

Рисунок 4.3 – Измерительная система с аналоговой передачей информации

Передача по КС информации в цифровой форме отличается большой помехозащищенностью. На рисунке 4.4 представлена структурная схема системы с цифровой передачей информации. АЦП, выполненные по интегральной технологии, позволяют конструктивно объединять АЦП с каждым ИП объекта.

Рисунок 4.4 – Измерительная система с цифровой передачей информации

Это даёт возможность отказаться от аналогового коммутатора, вносящего искажения, и на приёмной стороне осуществлять ряд операций обработки с помощью устройства цифровой обработки (УЦО), такие как усреднение, сравнение, вычитание, накопление и хранение информации.

Для организации управления процессом измерения вводится логическое управляющее устройство с "жестким" алгоритмом – "приборный контроллер", автоматически задающий длительность такта измерения, управление регистрацией и цифровой обработкой результатов измерений. Введение в систему уже довольно простых вычислительных средств значительно расширяют ее возможности по обработке информации. Введение микропроцессорного контроллера позволяет сделать более гибким алгоритм работы и при этом отказаться от блока УЦО, т.к. контроллеры в таком случае могут обрабатывать информацию.

4.3.2. Структуры сопряжения приборов и устройств с ЭВМ.

Система, имеющая интерфейс радиального типа, состоит из отдельных приборов, измеряющих значения ограниченного числа исследуемых физических величин (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – Обобщённая структура ИС с ЭВМ (радиальный интерфейс)

Передача информации от приборов к ЭВМ происходит под управлением специальной программы и требует создания для каждого из них специфического интерфейса, т.к. каждый прибор соединяется с ЭВМ индивидуальным кабелем.

Недостатки радиальной структуры сопряжения:

1 ЭВМ должна иметь столько входов, сколько к ней подключено устройств;

2 Громоздкость структуры;

3 Ограничение возможности перестройки и наращивания системы.

Магистральная структура сопряжения характеризуется наличием сквозного канала передачи данных (системного канала обмена информацией), равноправием всех подключённых устройств и асинхронным принципом обмена.

Каждое из подключённых устройств может быть передатчиком информации, приёмником или контроллером. Это позволяет на основе ограниченной номенклатуры приборов и устройств создавать разнообразные системы.

Канал передачи данных (магистральный интерфейс) распределяет информацию между отдельными элементами системы (устанавливается очерёдность их работы).

В измерительном приборостроении широкое распространение получила магистральная структура канала, приведённая на рисунке 4.6.

Системный контроллер координирует работу отдельных элементов системы и осуществляет изменение форматов данных и команд в процессе обмена с ЭВМ;

Шинная система линий связи - передает сигналы (информационные и управляющие);

Рисунок 4.6 – Структура каната передачи данных (магистральный интерфейс)

Интерфейсные схемы обмена (ИСО) – связаны с шинной системой канала и измерительными преобразователями (ИП). Они обеспечивают информационную совместимость.

Примерами стандартных магистральных интерфейсов могут служить: интерфейс МЭК и система КАМАК, принципы построения которых рассмотрим ниже.

4.3.3. Структурная схема ИС с микропроцессорной обработкой информации и управлением

Система (рисунок 4.7) содержит аналоговую измерительную подсистему (АИП), операционную подсистему и подсистему ПВВ.

Измеряемые физические величины Xi с помощью первичных преобразователей ПИП преобразуются в аналоговые сигналы Yi, поступающие в подсистему ИЦ (измерительные аналоговые цепи), где подвергаются нормализации и первичной обработке.

В состав ИЦ входят: аналоговые коммутаторы, фильтры, детекторы, предусилители и т.д.

Унифицированный сигнал , поступает на входной преобразователь АЦП.

Операционная подсистема (ОП) – предназначена для цифровой обработки кодов АЦП, а также формирует управляющие воздействия для всех узлов системы. В качестве ОП могут использоваться мини-ЭВМ (для ИВК) или микро-ЭВМ (для ИИС).

Рисунок 4.7 – Обобщенная структурная схема ИС с микропроцессорной обработкой информации

В системах высокой производительности широкое применение получили одноплатные ЭВМ и микропроцессорные машины на основе микропроцессорных комплексов БИС (МПК БИС).

Подсистема ПВВ выполняет функции:

- регистрации результатов обработки на цифровых индикаторах, экранах дисплеев;

- документирование информации;

- оперативный ввод программ с магнитных дисков и т.д.;

- ручное управление системой с помощью пультового терминала, формирование управляющих и исполнительных сигналов обратной связи с объектом исследования.

Особое значение в системе имеет организация связи между её подсистемами.

Обмен информацией между подсистемами осуществляется в цифровой форме через системный канал обмена (измерительная информация и результаты её обработки, команды, адреса, сигналы управления и т.д.). Информационная совместимость между устройствами системы обеспечивается интерфейсными схемами обмена.

Вопросы для контроля усвоения знаний:

1 Дайте анализ обобщенной структурной схемы процесса измерения с точки зрения автоматизации.

2 Проведите сопоставительный анализ обобщенных схем измерительных систем с аналоговой и цифровой передачей сигнала.

3 Какие структуры сопряжения приборов и устройств с ЭВМ вы знаете?

4 Перечислите типовые подсистемы САК и поясните их назначение.

5 Как осуществляется обмен информацией между подсистемами ИС с микропроцессорной обработкой информации и управлением?