Системные технические и программные средства измерительных информационных систем.

Как указывалось выше измерительные информационные системы – многофункциональные, многоуровневые системы, каждые уровень в которой имеет свое функциональное назначение и соответственно техническое, алгоритмическое и программное обеспечение.

Задачи сбора информации и управления объектом решаются на первом уровне (рис. 2.4); программно-алгоритмическое управление ИИС на уровне управляющих контроллеров (компьютерное управление); задачи вторичной обработки, представления информации различным пользователям и т.д. производится на верхнем уровне.

Рис. 2.4. Многоуровневая измерительная управляющая система

Основополагающим стандартом, закрепившим структуру и основные принципы построения ИИС были изложены в ГОСТ 12997-76.ГСП «Общие технические требования», которым предусмотрена эксплуатационная, информационная, энергетическая, конструктивная и метрологическая совместимость.

Под информационной совместимостью понимают согласованность действий функциональных блоков в соответствии с условиями, определяющими структуру и состав унифицированного набора информационных шин, способ кодирования и форматы команд, данных, адресной информации и информации состояния, а также временные соотношения между управляющими сигналами и ограничения на их форму и взаимодействие. Энергетическая совместимость обеспечивает согласованность статических и динамических параметров электрических сигналов в системе информационных шин и линий связи с учетом ограничений на пространственное размещение устройств ИИС и техническую реализацию приемопередающих элементов. Конструктивная совместимость определяет условия взаимного соответствия конструктивов ИИС для обеспечения механического контакта соединений и механической замены схемных модулей, блоков и устройств. При этом основными видами совместимости элементов аппаратуры являются информационная и электрическая, без которых невозможно установить взаимодействие. Минимальные требования по конструктивной совместимости определяют параметры устройств для механических соединений – разъемов, в стандартах оговариваются размеры плат и конструктивных элементов.

После этого был издан целый ряд ГОСТов, уточняющих расширяющих систему стандартов на технические средства автоматизации, измерений, контроля и требования к ним.

Основное назначение ГСП – обеспечение рационального с экономической и технической точек зрения выпуска комплекса современных приборов и средств автоматизации. Из-за многообразия технических средств контроля и измерений применяемых в промышленности и сельском хозяйстве, их можно подразделить на общепромышленные, входящие в состав ГСП и применяемые в самых различных отраслях народного хозяйства и на специализированные, разработанные для специфичных процессов и условий измерений (главным образом датчики и устройства связи).

При построении ГСП применены следующие основные принципы, обеспечивающие техникоэкономическую эффективность ГСП:

- разделение приборов по функциональным призна­кам на основе типизации структур построения ИИС и АСУТП;

- минимизация номенклатуры с учетом удовлетворе­ния спроса на основе создания параметрических ря­дов, унифицированных систем и агрегатных комплек­сов приборов;

- блочно-модульное построение приборов на осно­ве типовых унифицированных блоков и моделей, со­стоящих в свою очередь из типовых унифицированных модулей;

- агрегатированное построение сложных устройств и систем на основе типовых унифицированных бло­ков и приборов;

- совместимость приборов и устройств ГСП при ра­боте в различных по структуре ИИС на основе уни­фикации сигналов связи между приборами, конструктивов и присоединительных разъемов, технических и эксплуата­ционных требований;

- непрерывность развития на основе блочно-модульного и блочно-агрегатного построения системы и плановой периодической модернизации и замены од­них видов и конструкций приборов на другие.

По функциональным признакам средства ГСП можно разделить на ряд групп в соответствии с их назначением. Это разделение позволяет уменьшить номенклатуру и упростить выбор средств ГСП.

Группа 1 представляет устройства получения нормированной информации о состоянии объекта ис­следования (датчики) и включает в себя первичные измерительные преобразователи; вторичные нормиру­ющие преобразователи.

В группу 2 входят средства преобразования и передачи информации, имеющие:

- преобразователи (шифраторы) информации, обес­печивающие высо­кую помехоустойчивость при переда­че сигналов на большие расстояния;

- каналы связи;

- преобразователи (дешифраторы) информации.

Группа 3 содержит средства преобразования, хра­нения информации и выработки команд управления, т.е. является наиболее сложной по выпол­няемым функциям и, включает в себя:

- анализаторы и распределители сигналов;

- вторичные показывающие и регистрирующие при­боры;

- статистические и динамические преобразователи;

- регуляторы;

- устройства памяти;

- устройства вспомогательной информации (задатчики и т.д.);

- агрегатированные комплексы средств централизо­ванного контроля и регулирования;

- управляющие вычислительные машины. Данную группу называют ещё центральной частью как ГСП, так и ИИС.

В зависимости от уровня и объёма решаемых ими в ИИС задач все устройства центральной части можно подразделить на:

- средства местных (локальных) систем контроля и регулирования;

- унифицированные системы и агрегатированные комплексы для контроля и ре­гулирования;

- средства вычислительной техники для автомати­зации управления исследованием или производством.

К группе 4 относятся средства преобразования и передачи команд управления, включающие в себя как и группа 2:

- преобразователи (шифраторы) команд управления;

- каналы связи;

- преобразователи (дешифраторы) команд управле­ния.

Группа 5 содержит средства воздействия на тех­нологический процесс: усилители мощности сигналов управления; исполнительные механизмы (электродвигатели с редуктором, пневмо- и гидропоршни и т.п.); регулирующие органы (краны, задвижки, шибера и т.п.).

К группе 6 относятся нормированные источники энергии (питания) и специальные преобразова­тели одного вида энергии в другой для связи между ветвями ГСП.

Устройства и средства групп 1 и 5 выполня­ют более простые функции, чем средства группы 3, но они непосредственно взаимодействуют с управля­емым объектом, поэтому более специфичны и менее поддаются унификации и стандартизации. Особенно это относится к первичным измерительным преобра­зователям и регулирующим органам.

Унифицированные типовые конструкции ГСП преду­сматривают конструктивное сопря­жение устройств измерения на основе единых присоединительных и основных размеров, единой элементной базы, типо­вых конструк­тивов и унификации методов констру­ирования.

В настоящее время разработан комплекс унифи­цированных типовых конструкций (УТК) – плат, каркасов, шкафов для изделий центральной части ГСП и некоторых периферийных устройств.

Для приборов различного функционального наз­начения УТК подразделяют на две части: общепро­мышленную и приборную.

Первая часть УТК служит для компоновки аппа­ратуры промышленной автоматики, перифе­рийных средств управляющей вычислительной техники и других изделий, используемых в ИИС и АСУТП.

По защищенности от воздействий окружаю­щей среды изделия ГСП подразделяют на следующие исполнения: обыкновенное, пылезащищенное, взрывозащищенное, герметическое, водозащищенное, защищенное от аг­рессивной среды; по устойчивости к воздействию темпе­ратуры и влажности окружающего воздуха (рис. 2.5). В зависимости от механических воздейст­вий преду­сматривается обыкновенное или вибро­устойчивое исполнение.

В табл. 2.4 приведены стандартные сигналы.

Нормируются также метрологические харак­терис­тики изделий: виды погрешностей, методы норми­рования погрешностей отдельных уст­ройств, виды погрешностей совокупности звень­ев и систем, классы точности и методы аттеста­ции.

Однако развитие государственной системы приборов и средств автоматизации замедлилось в связи с распадом СССР и поэтому многие стандарты не были увязаны между собой, что не позволило интегрироваться в единые системы и комплексы. Поэтому на смену фирменных и узкоспециализированных решений пришли открытые международные стандарты, разрабатываемые в Европе, США и др.

Рис. 2.5. Приборы и изделия средств автоматизации ГСП

Таблица 2.4

Вид представ­ления информа­ции	Вид энергии носителя сигналов	Вид тока, напряжения	Параметр сигнала	Установленное значение стандартных сигналов
Аналоговый	Электрический	Непрерывно -меняющийся	Постоянный	U	0-10 мВ, минус 10 -0- плюс 10 мВ 0-20 мВ, минус 20 -0- плюс 20 мВ 0-50 мВ, минус 50 -0- плюс 50 мВ 0-100 мВ, минус 100 -0- плюс 100 мВ 0-1 В, минус 1 -0- плюс 1 В 0-5 В, минус 5 -0- плюс 5 В 0-10 В, минус 10 -0- плюс 10 В
			I	0-5 мА, минус 5 –0- плюс 5 мА 0-20 мА, минус 20 –0- плюс 20 мА 0-100 мА, минус 100 –0- плюс 100 мА (применять только по согласованию с заказчиком)
			Переменный	U~	0,25 –0-0, 25 В, 0-0-0, 5 В 1 – 0 – 1 В, 0-2 В
				Частота ƒ	ƒ= ƒ0 ± при Uвых = 1,0 – 1,6 В Uвых = 2,5 –1,0 мВ, 10-40 мВ 40-160 мВ, 160-600 мВ 0,6-2,4 В
Продолжение табл. 2.4
Дискретный	Электрический	Дискретно - меняющийся	Переменный	ƒ фиксированные	Диапазоны 0-50 Гц, 50-500 Гц 500 Гц-5 кГц, 5-50 кГц, 50-500 кГц Частота входных и выходных импульсов (тактовые частоты) 10,5; 2,5 МГц, 100, 500, 250 кГц 100, 500, (400), 250 Гц, 100, 50, 25 Гц
	Ам	Номинальные значения амплитуд импульсов 0,6; 1,2; 3,6; 12, 14, 48, 60, 110, 220 В 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мА
ƒ фиксированные	300, 320 340, 360, 385, 405, 435, 460, 490, 520, 555, 590, 625, 665, 705, 750, 795, 850, 900, 960, 1020, 1085, 1150, 1225, 1300, 1385, 1470, 1565, 1660, 1765, 1880, 2000, 2120, 2255, 2400, 2550, 2710, 2880, 3020, 3240 Гц.
фаза φ	φ = k рад, где k= 4, 6, 10 = 0, 1, 2,…, -1
τ	(1, 1,25; 1,6; 2, 2,5; 3,15; 4, 5, 6,3; 8) 10nC, где С – любое целое число или 0

Среди лидирующих стандартов на элементы аппаратуры, обеспечивающих создание практически всего многообразия структур ИИС, выделяются следующие:

- стандарты на конструктивное исполнение плат, модулей, приборов и стоек:DIN, Евромеханика;

- стандарты на приборные интерфейсы: IEEE-488.1, IEEE-488.2;

- стандарты расширения ввода-вывода ПЭВМ для использования серийных компьютеров в системах управления и измерений: ISA, EISA, PCK PCMCIA;

- стандарты на интерфейсы магистрально-модульных ИИС: VME, VXT, SCXI, PXT;

- стандарты на интерфейсы внешних устройств ПЭВМ: RS-232, RS-422, RS-485, USB;

- стандарты на средства связи и локальные сети для распределенных систем контроля и управления: C1, C2, M1L-STD/1553 B, Ethernet.

Вопросы для самопроверки

1. Чем определяется состав и структура конкретной ИИС?

2. По каким показателям и техническим характеристикам производится оценка ИИС?

3. Какими свойствами совместимости должна обладать ИИС, чем она достигается?

4. Начертите структурную схему взаимодействия основных компонентов ИИС.

5. Охарактеризуйте назначение функциональных блоков ИИС.

6. Охарактеризуйте техническое обеспечение ИИС.

7. Охарактеризуйте программное обеспечение ИИС.

8. Охарактеризуйте информационное обеспечение ИИС.

9. Охарактеризуйте организационное обеспечение ИИС.

10. Назовите основные структуры ИИС.

11. Расскажите о магистрально-модульной структуре (ММС) ИИС.

12. Каковы поколения в развитии ИИС?

13. По каким критериям классифицируются ИИС?

14. Что такое системные технические и программные средства ИИС?

15. Каковы структуры и основные принципы построения ИИС?

16. Каково основное назначение государственной системы приборов и средств автоматизации?

17. Какие группы ГСП разделения по функциональным признакам Вам известны?

18. Назовите исполнения изделий ГСП по защищенности от воздействия окружающей среды.

ГЛАВА 3

УСТРОЙСТВА СБОРА, ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛНОЙ ИНФОРМАЦИИ

3.1. Емкостные преобразователи

Емкостный преобразователь представляет собой конден­сатор, ёмкость которого изменяется под действием измеряе­мой неэлектрической величины.

Емкость плоского конденсатора можно выразить следую­щей формулой:

(3.1)

где e – диэлектрическая проницаемость среды между об­кладками (для воздуха электрическая постоянная e₀=8,85×10^-12 Ф/м);

S – площадь обкладки в м², d – расстояние между обкладками в м.

Из формулы видно, что емкость конденсатора зависит от трех величин (e, S и d). Следовательно, измеряемая не­электрическая величина может быть функционально связана либо с e, либо с S, либо с d, либо с диэлектрическими потеря­ми конденсатора. Поэтому устройство емкостных преобразо­вателей может быть самым различным. Рассмотрим примеры использования их для измерения различных неэлектрических величин.