ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

В предыдущих главах книги рассматривались методы измерения разнообразных электрических и неэлектрических величин и построение измерительных приборов, реализующих эти методы. Данная глава посвящена более сложному разделу измерительной техники, связанному с построением не отдельных приборов, а измерительных систем. Система объединяет множество приборов и преобразователей, каждый из которых выполняет относительно простые функции. При этом она представляет собой не просто сумму независимых приборов, а объединение взаимосвязанных приборов, участвующих совместно в выполнении некоторой сложной функции или ряда функций. Для системы характерно автоматическое выполнение всех функций, начиная от сбора информации и кончая ее отображением или вводом в ЭВМ.

Измерительные системы представляют собой разновидность более широкого класса систем, получившего общее название информационных систем. Информационные системы решают круг задач, связанных со сбором, переработкой, передачей, хранением, поиском и выдачей разнообразной информации человеку. Те из информационных систем, которые предназначаются для получения и обработки измерительной информации, получили название измерительных информационных систем (ИИС).

Согласно ГОСТ 8.437-81 информационно-измерительная система -это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде либо автоматического осуществления функции контроля, диагностики, идентификации.

ИИС собирает информацию на объекте, обрабатывает ее и передает на расстояния. Далее информация о значениях измеряемых величин или о результатах их обработки используется в темпе ее получения для оперативного управления объектами или накапливается с целью последующего формирования тех или иных характеристик объектов, сводных статистических сведений и др. Но и в тех случаях, когда информация не используется для оперативных действий в темпе ее получения, конечная цель ее сбора, как правило, заключается в том, чтобы прямо или косвенно способствовать активной деятельности человека.

Если ИИС представляет измерительную информацию человеку, то она в конечном итоге должна быть выражена в форме, воспринимаемой органами чувств — зрением, в первую очередь, и слухом, во вторую очередь. Визуальное воспроизведение возможно в аналоговой или цифровой форме с помощью показывающих или регистрирующих приборов. Показывающие приборы применяются, когда информация используется человеком непосредственно в темпе ее получения. Регистрирующие приборы применяются, когда информация предназначается для последующего использования. При этом, как правило, интерес представляет изменение измеряемых величин во времени, так что регистрирующие приборы выдают при аналоговом воспроизведении двухкоординатные кривые (по одной координате — время, по другой - измеряемая величина), при цифровом воспроизведении - таблицы, в которых каждому дискретному значению измеряемой величины соответствует значение времени.

Если информация поступает в регулирующие или управляющие устройства, в ЭВМ или в устройства долговременного хранения, то она представляется на выходе ИИС в виде электрических сигналов — аналоговых или цифровых. При этом те данные, которые предназначаются не для оперативного использования в темпе их получения, запоминаются вместе с координатами времени, вводимыми в устройства хранения также в виде цифровых электрических сигналов. Существует несколько разновидностей ИИС.

Измерительные системы. Их функция состоит в получении количественной информации о значениях физических величин путем прямых, совокупных, косвенных измерений.

Системы автоматического контроля. Их функция состоит в установлении соответствия между состоянием объекта и заданной нормой и в выработке суждения о данном или (и) о будущем состоянии объекта. С помощью таких систем измеряются физические величины, характеризующие состояние объекта, и результаты измерений сравниваются со значениями, принятыми в качестве нормы. При этом промежуточные результаты измерений, используемые для выработки суждений, могут и не поступать на выход системы. С этой точки зрения контроль является операцией "сжатия" данных, устранения ненужных в данном случае сведений об объекте. Для выработки суждения о будущем состоянии объекта система контроля должна выполнять прогнозирование на основе сведений о предыдущих состояниях объекта, полученных в ходе измерений, а также на основе его динамических характеристик, известных благодаря проведенным ранее исследованиям.

Системы технической диагностики. Их функция состоит в контроле состояния различных технических устройств, в том числе устройств автоматики, вычислительной техники, радиотехники, в обнаружении их отказов и определении неисправных элементов. Для таких систем характерно применение специальных методов поиска неисправностей.

Системы опознания образов. Их функция состоит в определении соответствия между исследуемым объектом и заданным образом. Образом могут быть "человек", "буква А", "цифра 8", "нормальное состояние объекта контроля" и т. п.

Особое место среди ИИС занимают телеизмерительные системы, функции которых обычно такие же, как у измерительных систем и систем автоматического контроля. Однако они имеют существенную особенность: в них информация о значениях измеряемых величин передается на большие расстояния — от сотен метров до тысячи километров. Для передачи по протяженным проводным или радиоканалам связи применяются специальные преобразования сигналов, рассчитанные на достижение достаточной точности и достоверности, несмотря на искажения под действием помех, а также на подключение большого числа источников и приемников информации к одному каналу. При этом на выбор технических решений существенно влияет ограниченная пропускная способность каналов связи.

ИИС может существовать и использоваться самостоятельно, но может и входить как составная часть в более сложную информационную систему, выполняющую сбор и обработку не только измерительной, но и другой информации, или в управляющую систему, выполняющую не только сбор и обработку информации, но и активное воздействие на объекты.

Рассмотрим место и роль ИИС в автоматизированной системе управления (АСУ), укрупненная структурная схема которой показана на рис. 5.1. Это — система управления п территориально рассредоточенными объектами, размещенными на п контролируемых пунктах КП1 – КПп. Общий пункт управления соединен с ними каналами связи. На схеме указаны не названия устройств, а выполняемые ими функции. Можно проследить поток информации от объекта к оператору и к ЭВМ и поток управляющей информации в обратном направлении. На объекте собирается как измерительная информация (с помощью датчиков), так и информация о дискретных состояниях отдельных агрегатов, механизмов. Передача всей этой информации выполняется довольно сложными устройствами, коммутирующими сигналы и преобразующими их к виду, определяемому особенностями конкретных каналов связи, обеспечивающими достаточную защиту от воздействия помех, формирующими служебные сигналы для синхронизации приемных устройств с передающими. При этом передаются как аналоговые, так и цифровые сигналы. В последнем случае передатчик содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Лишь в системах с относительно малым удалением контролируемых пунктов от пункта управления (максимум, до двух десятков километров) каналами связи служат простые двухпроводные линии. Но даже и в этом простейшем случае необходимо использовать специальные методы передачи, учитывающие затухание сигналов, частотные искажения и воздействие помех в линиях. В системах, же с большими расстояниями между пунктами на одной проводной паре организуется, как правило, множество независимых каналов связи. А для этого используются методы частотного разделения, требующие применения модуляторов, демодуляторов, фильтров, усилителей. Поэтому канал связи в этих случаях представляет собой сложную совокупность устройств. Так же обстоит дело при образовании каналов связи, по линиям электропередачи и при использовании радиоканалов.

Прием информации требует выполнения преобразований, обратных тем, которые производятся при передаче. Требуется также снабжать принимаемые сообщения служебными адресными сигналами с тем, чтобы они поступали в дальнейшем к своим потребителям. При этом необходимо синхронизировать коммутаторы сообщений в приемнике и. передатчике. Дополнительно работа приемника усложняется тем, что он связан с несколькими передатчиками но разным каналам связи, причем в одних системах каналы не могут работать одновременно, в других — могут. В первом случае очередность работы каналов задается с пункта управления командами, посылаемыми в тракте передачи управляющей информации (сверху вниз). Во втором случае устанавливаются индивидуальные приемники, каждый из которых обслуживает свой канал связи.

Существуют самые разнообразные виды обработки принимаемой информации. В простейшем случае это преобразование сигналов к виду, пригодному для ввода в устройства воспроизведения (показывающие приборы), хранения (регистрирующие приборы), в ЭВМ. В более сложных случаях это может быть коррекция нелинейности характеристик датчиков, вычисление производных или интегралов для функций времени, вычисление функций нескольких переменных (получение результатов совокупных измерений), вычисление статистических характеристик случайных измеряемых величин и процессов (математического ожидания, дисперсии, плотности распределения, корреляционной функции, спектральной плотности), выполнение логических операций, сравнение контролируемых параметров с уставками и т. д. Для обработки информации могут применяться как специализированные устройства, так и ЭВМ. Воспроизведению и хранению подвергаются непрерывные величины (результаты измерений) и дискретные сигналы о состоянии контролируемых объектов. Непрерывные величины могут воспроизводиться либо в аналоговой, либо в цифровой форме приборами, размещаемыми на пульте или щите диспетчера, иногда включаемыми в мнемосхему объекта управления. Сигналы о состоянии оборудования воспроизводятся световыми или мимическими (механически подвижными) элементами, также включенными в мнемосхему объекта. Кроме того, для воспроизведения информации используются экранные пульты на основе электронно-лучевой трубки, получившие название дисплеев. На экране могут быть показаны фрагменты мнемосхемы объекта, таблицы значений различных параметров, графики изменения параметров во времени, графики законов распределения и любых функций. Цифровые устройства хранения могут иметь два назначения: для чтения информации человеком и для чтения машиной (ЭВМ). В первом случае данные наносятся на печатные бланки, во втором — на магнитные ленты или диски.

Функции оптимизации режимов и выработки команд управления в системе выполняет обычно ЭВМ, и она является одним из получателей информации, выдаваемой устройствами обработки. При наличии ЭВМ в системе можно оставить за устройствами обработки лишь функцию приведения сигналов к виду, удобному для ввода в ЭВМ, а всю остальную обработку возложить на ЭВМ. В системе могут использоваться несколько ЭВМ. Например, одна может быть занята обработкой информации, другая — решением задач оптимизации режимов и выработкой команд управления. Появление микроЭВМ делает возможным разделение функций обработки информации между несколькими ЭВМ.

 


 

Потоки управляющей информации идут к объектам от оператора и от ЭВМ. Команды управления вырабатываются на основании: получаемой от объектов информации; хранящихся в памяти сведений о характеристиках объектов; заданных критериев управления; алгоритмов управления. Формирование команд. — это зачастую очень сложная математическая обработка информации. Команды управления бывают разных видов. Это могут быть простейшие команды тина "включить" — "выключить". Это могут быть непрерывные во времени сигналы, задающие направление перемещения исполнительного механизма, длящиеся до момента достижения требуемого положения механизма или заданного значения измеряемой величины. Это могут быть заданные значения перемещения исполнительного органа или установок локальных регуляторов.

Функции устройств передачи на пункте управления подобны функциям аналогичных устройств на контролируемых пунктах. Однако есть и отличия: необходимо распределять информацию но нескольким каналам связи (для поочередной или одновременной передачи); сигналы должны быть, как правило, лучше защищены от искажений из-за воздействия помех, так как требования к достоверности передачи команд управления обычно значительно выше, чем к достоверности передачи известительных сообщений о значениях измеряемых величин или о состоянии различных элементов оборудования.

Прием команд на контролируемом пункте ведется в основном так же, как прием информации на пункте управления. Но здесь, как правило, выполняется более сложим проверка достоверности. Далее команды поступают к исполнительным устройствам, воздействующим на (объект. Это выключатели электропитания, электромагнитные клапаны, двигатели, перемещающие заслонки и шиберы в трубопроводах, по которым подаются химические реагенты и топливо, устройства, регулирующие подачу твердых, сыпучих продуктов, и др. Широкое распространение получили пневматические и гидравлические исполнительные механизмы. Для управления ими используются электропневматические и электрогидравлические преобразователи.

Исполнение команд оперативно контролируется, причем не только по изменениям параметров технологического процесса, но и по изменениям положений самих управляющих органов или механизмов. Соответствующие устройства входят в комплект устройств сбора информации, и сигналы от них входят в состав известительных сообщений, передаваемых в пункт управления.

В больших сложных системах управления, как правило, имеется и некоторая децентрализация. В них есть локальная автоматика, располагаемая на контролируемых пунктах вблизи объектов управления. Она разгружает центральные органы управления и каналы связи и вместе с тем повышает надежность функционирования объектов. Локальная автоматика может содержать автоматические регуляторы, цепи блокировки, устройства аварийной защиты объектов и т. п. Устройства локальной автоматики могут строиться на основе микропроцессоров и микроЭВМ. Установки локальных регуляторов могут периодически корректироваться командами, поступающими от центральной ЭВМ, расположенной в пункте управления.

В локальной автоматике сбор информации может выполняться либо с помощью своих датчиков, либо с помощью тех же датчиков, которые поставляют информацию в пункт управления.

Определенная часть системы управления, включающая весь тракт сбора, передачи, обработки и воспроизведения известительной информации о значениях измеряемых величин, представляет собой ИИС. Поскольку система управления, представленная на рис. 5.1, содержит средства передачи информации по каналам связи, входящая в нее ИИС может быть названа телеизмерительной системой. Система управления с подобной же структурой, но с малым удалением объектов от пункта управления может содержать в своем составе одну из следующих разновидностей ИИС: измерительную систему или систему автоматического контроля.

Следует подчеркнуть, что широко распространены ИИС, имеющие аппаратно и функционально законченное исполнение, работающие автономно и не входящие в состав каких-либо более сложных систем.

Укажем характерные особенности ИИС.

1.ИИС присуща централизованная структура. Информационные потоки направлены в один центральный пункт, реже —в несколько центров, взаимно координированных. В иерархических системах управления информация направляется сначала в подчиненные пункты управления, а из них часть информации или результаты ее обработки поступают в центральный пункт управления.

2. Назначение ИИС обычно состоит в том, чтобы поставлять информацию для активного использования в тех или иных случаях человеческой деятельности. Эта особенность проявляется в конечном итоге даже в тех ИИС, которые собирают информацию исследовательского характера.

З. Для ИИС, собирающих информацию о большом числе величин (параметров технологического процесса, например), характерно использование общих блоков, устройств или приборов, которые поочередно передают, преобразуют, обрабатывают сигналы от разных датчиков. Каждый такой общий блок обслуживает, таким образом, множество отдельных информационных каналов. Системы, которые содержат общие блоки, обслуживающие множество информационных каналов, называются многоканальными. Как правило, большинство ИИС являются многоканальными.

Примеры общих блоков (устройств): аналого-цифровой преобразователь: устройство обработки информации; канал связи.

По поводу терминов "канал связи" и "информационный канал" следует сделать замечание. По одному каналу связи может быть организована передача сигналов множества информационных каналов. Таким образом, вполне естественно понятие многоканальной ИИС с одним каналом связи. В данном случае один и тот же термин "канал" используется в разных значениях. Избавиться от этого не удается, так как существует исторически сложившаяся терминология.

Обеспечение многоканальности ИИС связано с решением ряда сложных проблем;

а) коммутации сигналов на входе и выходе общего блока (устройства) ;

б) синхронизации выходного коммутатора с входным (особенно усложнена эта задача в телеизмерительных системах, где коммутаторы находятся на разных концах канала связи);

в) обеспечения достаточного быстродействия (при фиксированном
быстродействии общего блока период, с которым обслуживается данный канал, растет пропорционально числу каналов);

г) обеспечения достаточной надежности (выход из строя общего
блока нарушает работу сразу всех информационных каналов; одним
из путей радикального повышения надежности систем является резервирование общих блоков);

д) унификации сигналов на входах и выходах отдельных устройств,
особенно на выходах первичных измерительных преобразователей,
т. е. датчиков (без такой унификации чрезвычайно затруднительно
использование общих блоков в ИИС — требуются индивидуальные нормализующие преобразователи);

е) масштабирования цифровых шкал (несмотря на различие диапазонов изменения измеряемых величин и их размерностей общий аналого-цифровой преобразователь получает на входе унифицированные сигналы одного диапазона и выдает цифровые результаты также в одном диапазоне; каждый такой результат требует затем умножения на индивидуальный для каждого канала коэффициент - только тогда выходные цифровые приборы будут воспроизводить величины в присущих им единицах измерения).

4.В тех случаях, когда информацию приходится передавать на значительные расстояния (дальше нескольких сотен метров), появляется весьма сложная проблема организации и рационального использования каналов связи. С одной стороны, нужно использовать каналы экономно, обходясь минимальным их количеством при минимальной ширине занимаемой ими частотной полосы. С другой стороны, нужно обеспечивать при этом определенные характеристики быстродействия, точности и достоверности передачи. А каналы лимитируют скорость передачи, и тем сильнее, чем меньше ширина их частотной полосы, и наличие помех в канале приводит к искажениям сигналов.

5.При построении ИИС экономико-технические проблемы имеют гораздо большее значение, чем при построении отдельных измерительных приборов. От правильного выбора структуры ИИС часто существенно зависит стоимость ее и всей системы в целом. Например, в системе, содержащей первичные измерительные преобразователи (датчики) с различными видами и диапазонами выходных сигналов, требуется приводить все эти сигналы к одному виду и диапазону. При этом возможны два решения: а) использование индивидуальных нормирующих преобразователей; б) использование групповых нормирующих преобразователей с выходными коммутаторами. Групповой преобразователь обслуживает группу однотипных первичных преобразователей (датчиков) с одинаковыми диапазонами сигналов. Обычно он сложнее индивидуального преобразователя, и разработка его может составить грудную задачу. Но зато ИИС с групповыми преобразователями может оказаться на сотни тысяч рублей дешевле, чем ИИС с индивидуальными преобразователями.

6.На выбор вида и структуры ИИС могут существенно влиять определенные ограничения, связанные со спецификой управляемых или исследуемых объектов: по массе, габаритам, по взрывобезопасности, по климатическим условиям, по виду имеющегося энергопитания и т. п.

В ИИС находят применение все те измерительные преобразователи

и приборы, которые рассмотрены в предыдущих главах настоящей книги. Особенно следует выделить цифровые приборы: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, цифровые показывающие и регистрирующие устройства. Без элементов цифровой техники невозможно организовать ИИС в современном их виде и разнообразии, хотя в простейшем варианте и возможно построение ИИС из одних лишь аналоговых приборов.

В дополнение к рассмотренным приборам в ИИС используется ряд специфических блоков, приборов и устройств: коммутаторы (устройства обегания);

унифицирующие (нормализующие) преобразователи, индивидуальные и групповые;

модуляционные преобразователи;

преобразователи кодов (из одной системы счисления в другую, из параллельной формы представления в последовательную и обратно и др.); блоки формирования и проверки помехозащищенных кодов; устройства обработки информации (коррекции нелинейности, масштабирования, обнаружения отклонений от уставок и др.);

устройства сигнализации отклонений измеряемых величин от уставок;

устройства буквенно-цифровой регистрации;

блоки кодирования времени; экранные пульты (дисплеи);

каналы связи, точнее, совокупность технических средств, образующих каналы связи.