Вимірювальні комплекси і системи. Принципи побудови агрегатованих комплексів засобів вимірювань і автоматизації. (Тема 7.1) презентация

кафедри кандидат технічних наук, доцент підполковник ГЛУХОВ Сергій Іванович


2016 р.

МЕТРОЛОГІЇ
Тема № 7 ВИМІРЮВАЛЬНІ КОМПЛЕКСИ І СИСТЕМИ
Заняття № 1 ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ АГРЕГАТОВАНИХ КОМПЛЕКСІВ ЗАСОБІВ ВИМІРЮВАНЬ І АВТОМАТИЗАЦІЇ

МЕТА:
1. Виховувати у студентів культуру поведінки.
2. Виховувати студентів у дусі патріотизму.

засобів вимірювань і автоматизації.
3. Вимоги до агрегатованих засобів інформаційно-вимірюльних систем.

більшою роллю засобів вимірювань.
Технічна ефективність ЗВ визначається їх метрологічними характеристиками, і, в першу чергу, достовірним забезпеченням заданої похибки вимірювання.
Економічна ефективність визначається затратами на одне вимірювання і залежить від часу вимірювання, вартості ЗВ, строку його служби, кваліфікації оператора, вартості ремонту і повірки.

засобів електрорадіовимірювань є автоматизація, тобто зниження ролі оператора у процесі вимірювання майже до його повного виключення і виконання його функцій пристроями, які вводяться в ЗВ.
Автоматизація засобів вимірювань іде в напрямках вдосконалення спеціалізованих вимірювальних приладів і створення багатофункціональних вимірювальних приладів і систем.
Треба зауважити, що доля приладів, які вимірюють поодинокі величини в загальній кількості ЗВ поступово знижується.
В засобах електрорадіовимірювань можуть бути автоматизовані наступні процеси:

Виконання функціональних перетворювань і обчислювальних операцій для одержання прямого показу вимірювальної величини.
4. Діагностика працездатності.
5. Керування функціонуванням.
Крім цього, в вимірювальних системах виконується автоматичний збір вимірювальної інформації від різних джерел.

керування технологічними процесами, дослідження складних об‘єктів та явищ при організації наукового експерименту потребує виконання вимірювальних операцій і обробки великих потоків вимірювальної інформації, її зберігання та компактного представлення, а також широкого застосування вимірювальної техніки разом з обчислювальною. Все це веде до переходу від автономних ЗВ до комплексних вимірювальних систем.
В залежності від значення та особливостей вимірювальних задач, а також складу засобів розрізнюють:

між собою каналами зв‘язку, і призначена для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі та використання в автоматизованих системах керування.

ВИМІРЮВАЛЬНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНИЙ КОМПЛЕКС (ВОК) - сукупність технічних та програмних засобів, організованих таким чином, щоб на їх основі легко реалізовувались автоматизовані системи вимірювання, збору інформації з різних приладів та датчиків, обробка результатів вимірювання з метою одержання математичної моделі об’єкту, який досліджується та керування запланованим експериментом;

обчислювальних та інших допоміжних технічних пристроїв, яка призначена для одержання вимірювальної та іншої інформації про об’єкт, який досліджується в умовах його функціонування або зберігання, її перетворення та обробки з метою надання споживачеві в потрібному вигляді.
Загальними ознаками ВС та ІОС є:
конструктивна самостійність структурних елементів;
можливість вимірювання декількох фізичних величин;
- загальне керування функціонуванням вимірювальних каналів; рознесення елементів систем у просторі.

збору вимірювальної інформації, в той час як задачами ВОС є також контроль, технічна діагностика, збір, обробка та передача повідомлень як вимірювального так і невимірювального характеру.
Використання у складі ІОС програмно-керуючих цифрових обчислювальних ЗВ дозволяє при відповідному програмному забезпеченні виконувати функції систем різного значення. Такі системи мають визначену універсальність і їх називають вимірювально - обчислювальні системи (ВОС). Основою ВОС є ВОК.

каналів ВОК первинних перетворювачів (датчиків) вимірювальних величин з уніфікованим електричним вихідним сигналом;
- генерації на основі програмних компонентів ВОК програм обробки інформації та керування експериментом, які орієнтовані на вирішення конкретних задач;
- підключення до виходів каналів виводу сигналів керування об‘єктом засобів (регуляторів), які діють безпосередньо на об‘єкт.
Для сучасних ІВС характерний агрегатований або модульний принцип побудови.

виробів або їх груп) уніфікованих складових частин, що можуть бути замінені (агрегатів, вузлів, блоків) багаторазового використання.
Основою нормативного забезпечення приладобудування є комплекс стандартів, який об‘єднаний в єдину систему стандартів приладобудування (ЕССП), основні положення якої викладені в ГОСТ 26.001-80. ЕССП розповсюджується на ЗВ та засоби автоматизації(ЗВА), які виготовляються та застосовуються в різних галузях народного господарства, для потреб оборони, наукових досліджень і які виконують одну або декілька основних функцій по сприйняттю, перетворенню, вимірюванню, обробці, передачі, зберіганню, відображенню, використанню інформації а також допоміжні функції.

документації, яка відповідає вимогам відповідності функціональному призначенню автоматизованого комплексу. Основними ознаками агрегатування є:
- конструктивна зворотність (тобто можливість багатократного застосування у нових комплексах, компонування одних і тих же складових частин;
- функціональна закінченість агрегатованих засобів (можливість їх самостійного використання);
- підпорядкованість основних параметрів агрегатованих засобів загальним вимогам;

взаємозаміни;
- змінювання функціональних властивостей виробу після перестановки агрегатованих складових частин.

строки підготовки виробництва, знизити вартість агрегатованих складових частин, полегшити модернізацію виробів шляхом змінювання конструкції морально застарілих складових частин.
Агрегатовані комплекси ЗВА створюються з метою вирішення задач автоматизації вимірювань, контролю, діагностики та керування об‘єктами та процесами.
Комплекс вимог до агрегатованих засобів, які застосовуються для побудови ВОС, визначений державними стандартами ГОСТ 22315-77, ГОСТ 22316-77, ГОСТ 22317-77, ГОСТ 23915-79, ГОСТ 24130-80 та інші.

агрегатованого комплексу, сумісності ЗВА і розвитку агрегатованого комплексу.
ПРИНЦИП ВІДПОВІДНОСТІ агрегатованого комплексу своєму функціональному призначенню та сукупності задач, які розв’язуються, досягається забезпеченням функціональної, структурної і параметричної повноти комплексу.
ФУНКЦІОНАЛЬНА повнота забезпечує можливість функціонального синтезу систем і досягається встановленням потрібного набору основних та допоміжних функцій, які виконуються ЗВА для вирішення сукупності задач.

складу систем і визначає структуру комплексу. Структурною одиницею агрегатованого комплексу є виріб, який реалізує функціональну одиницю з вхідними та вихідними сигналами конкретного виду. Структурна повнота агрегатованого комплексу досягається включенням в його склад потрібного набору структурних одиниць для виконання функціональних перетворень заданої сукупності сигналів.
ПАРАМЕТРИЧНА повнота забезпечує можливість побудови із ЗВА систем з потрібними технічними характеристиками, які оптимізовані по деякому критерію, наприклад, по точності, надійності або вартості. Параметрична повнота досягається встановленням оптимальних параметричних рядів по кожній структурній одиниці комплексу.

складі агрегатованих систем і потрібних у випадках під час автоматизованої повірки. Вона досягається єдністю інтерфейсів, уніфікацією та стандартизацією вимог по функціональній, експлуатаційній, конструктивній та сумісності.
Агрегатовані комплекси включають в себе технічну, програмну та нормативну частини.
Технічна частина складається із оптимальних по вибраним критеріям функціонально-параметричних рядів ЗВА.
Програмна частина складається із сукупності програм системного та прикладного математичного забезпечення, яке розроблено у відповідності з функціональним призначенням.

у цілому і ЗВА АК.
Агрегатовані комплекси ЗВА розрізняють по способу агрегатування і по ступені універсальності.
По способу агрегатування розрізняють приладно-модульні агрегатовані комплекси (ПМАК) і функціонально-модульні (ФМАК). Основу ПМАК складають експлуатаційно закінчені ЗВА в модульному виконанні, які призначені для автономного використання і агрегатування в системи, які мають індивідуальне джерело живлення, самостійний комплекс і незалежне керування.
Основу ФМАК складають конструктивно і функціонально закінчені ЗВА в модульному виконанні, але не призначені для автономного застосування, із сукупності яких утворюються різні експлуатаційно закінчені ЗВА агрегатованого комплексу і системи.

інтерфейсів
При побудові агрегатованих ЗВА в більшості використовують блочно-модульний принцип побудови, коли окремі програмно-керовані прилади - модулі можуть об‘єднуватись через загальну магістраль ( канал загального користування ) у функціонально потрібному сполучені. Як правило , кожний автономний прилад може використовуватись і автономно. Тобто у цьому випадку з‘являється можливість із обмеженої кількості розрізнених, але сумісних “кубиків”, побудувати велику кількість різних по функціональним можливостям “будов”. Зараз одержали розповсюдження декілька стандартів для агрегатування приладів.
Найбільше розповсюдження одержав стандарт КАМАК ( скорочено від англійських слів Computer Application to Masurement and Control т.б. застосування ЕОМ для вимірювання та керування) і стандарт МЕК 625.1 Міжнародної електротехнічної комісії ( аналог ГОСТ 26.003-80).

напругу живлення, параметри вхідних і вихідних сигналів, призначення електричних каналів зв‘язку та порядок обміну вимірювальною інформацією. Змінні вимірювальні блоки (модулі) розміщують в загальному каркасі, який називається крейтом. Розмір крейта 482,5*221,5=106873.75 кв.мм. Крейти об‘єднуються в стійки, сукупність яких разом з ЕОМ утворює ВОК. В кожний крейт може бути розміщено 25 модулів шириною 17,2 і висотою 221 мм, при цьому 2 модулі використовуються для з‘єднання з програмно-керуючим пристроєм (контролером), а 23 є модулями вводу - виводу вимірювальної інформації.

розміщений на задній панелі крейта, і через цей роз‘єм з’єднується з кабельною системою крейта. Канали передачі даних підключаються у магістраль інтерфейсу, яка проходить через усі функціональні модулі і яка зв‘язує їх з блоками керування і контролером. В магістралі розділені шини передачі даних, команд і адресів. Вона забезпечує швидкість обміну до 1 млн. посилок/хв.

у лабораторних умовах: пластинчатий 86-контактний роз‘єм швидко виходить із строю під час транспортування. Крім цього, як правило при вирішуванні нових вимірювальних завдань модулі треба утворювати знову, проте для традиційних задач є модулі, які випускаються серійно. Все це обмежує область застосування системи КАМАК в її сучасному конструктивному оформлені лабораторними дослідженнями, які проводяться в науково-дослідних установах.

принципу. Основою для агрегатування програмно керованих приладів-модулів, кожний із яких може функціонувати і автономно, і у складі ВОК, в стандарті МЭК 625.1, як і в системі КАМАК, є наявність стандартного інтерфейсу. Він складається із сукупності електричних, механічних та програмних засобів для з‘єднання між собою об‘єкту вимірювання з потрібними приладами-модулями, вимірювальними перетворювачами, ЕОМ.

помилкове поняття. Сама шина не дозволить керувати елементами ВОК, якщо у складі кожного із приладів-модулів не буде вбудованого інтерфейсного модуля, або кожному приладу-модулю не буде надано адаптованого пристрою, за допомогою якого прилад-модуль може бути підключений до стандартної шини. Сполучення каналу загального користування (КЗК), вбудованих в прилади-модулі інтерфейсних функцій, а також визначених програм керування приладами-модулями ( а в потрібних випадках і об‘єктом вимірювання) , порядку обміну інформацією і утворює інтерфейс. Звідси випливає, що потрібно прагнути до єдиного стандартного інтерфейсу, під розробки приладів-модулів з урахуванням конструктивів цього інтерфейсу.

створювати адаптерні пристрої, що суттєво ускладнює і підвищує вартість ВОК, позбавляє їх переваг, які забезпечується застосуванням серійних приладів-модулів.
Зараз зарубіжні фірми, які будують автоматизовані РВП, використовують стандарт МЭК 625.1 для забезпечення можливості їх використання в ВОК. В нашій країні також випускають автоматизовані РВП, які мають вбудовані інтерфейсні модулі у відповідності з ГОСТ 26.003-80.
Автоматизована вимірювальна система у цьому випадку може бути представлена у вигляді згідно рис.1.

систему за допомогою приладного інтерфейсу типу МЭК 625.1 (ГОСТ 26.003-80)

і інші допоміжні пристрої(друкуючі). При розробці програми роботи ВОК визначають та задають порядок комутації вимірювальних кіл в об‘єкті вимірювання і приладах-модулях, маршрути сигналів керування, синхронізації та вимірювальних даних і інші.
Команди керування, синхронізації і даних передаються по спеціально виділеним лініям КЗК. За допомогою контролера джерела інформації, що запитується, черговість обслуговування, адресати передачі та прийому повідомлень встановлюються таким чином, щоб всі прилади-модулі та об‘єкт вимірювання діяли як єдина система.

з вбудованими мікропроцесорами. В таких приладах і в інтерфейсі забезпечується єдиний, побайтовий обмін інформацією. Як правило в одному мікропроцесорі одночасно вдається сумістити функції програмного керування приладом і інтерфейсні функції.
Магістраль інтерфейсу складається із 16 ліній (мал.2.): по 8 із них проводиться асинхронна передача та прийом інформації послідовно байтами, 3 лінії відведені для передачі сигналів синхронізації ( сигнали готовності, сигнали-квитанції супроводу вимірювальної інформації), 5 ліній призначені для передачі сигналів керування інтерфейсом ( початок передачі, кінець передачі, запит на обслуговування і т.д.).

один двохсторонній роз‘єм, що забезпечує установку одного роз‘єму на інший. Максимальна довжина магістралі 20 м. До неї можу бути підключено 15 різних приладів і керуючих пристроїв. Якщо потрібно подовжити магістраль або збільшити число приладів, то за допомогою так званого термінального блоку магістраль може бути подовжена ще на 20 м.
Інтерфейс МЕК 625.1 надає користувачу практично однакові можливості у порівнянні КАМАК, але полегшує створення ВОК, так як виключається необхідність застосування спеціальних конструкцій крейтів і вставних функціональних блоків. При цьому область застосування ВОК визначається тільки можливостями приладів-модулів, які серійно виготовляються і пристосовані як правило, до роботи не тільки в лабораторних, але і в досить жорстких умовах.

вимірювальні системи, як правило, є вузькоспеціальні. Це означає, що вимірювальні системи призначені для використання з об‘єктами визначеного виду з конкретним набором вимірювальних параметрів, меж та похибок вимірювання. Тільки у тому випадку і в умовах масового вимірювання забезпечується висока економічна ефективність вимірювальних систем. Потрібна споживачам число кожного конкретного виду таких систем невелике, тому їх промислове виробництво недоцільне. Тому в основу створення вимірювальних систем різного призначення покладений принцип агрегатування. Він складається в побудові систем на основі приладів, які виготовляються промисловістю, функціональних пристроїв та вузлів, які призначені як для самостійної роботи, так і для сумісного використання.

декількох вимірювальних приладів або ряду джерел електричних сигналів, вимірювання параметрів цих сигналів і закінчуючи обробкою результатів вимірювань та реєстрацією одержаних даних у вигляді зручному для подальшого використання. Такі системи значно скорочують час і підвищують достовірність вимірювань.
Вимірювальні системи часто називають системами збору і обробки даних. Вони характеризуються числом вхідних каналів, швидкістю обробки даних, вимірювальними величинами, похибкою вимірювання, видом обробки, способом керування і формою представлення одержаних даних.

частоти та періоду електричних сигналів, інтервалів часу, а з використанням зовнішніх датчиків і неелектричних величин
(температури, тиску, маси).
Узагальнена структурна схема вимірювальної системи зображена на рис. 3 .

перетворюють неелектричні величини в електричні сигнали, параметри яких вимірюються системою.
Комутуючий пристрій приймає аналогові електричні сигнали від декількох джерел сигналів і передає їх послідовно на ЗВ. Вхідні комутуючі пристрої характеризуються числом вхідних і вихідних каналів, швидкодією, перехідним опором, його нестабільністю та наявністю термо-ЕДС, вхідним опором, смугою пропускання, надійністю. Похибка, яка вноситься комутатором, повинна бути на порядок нижче похибки приладів, які використовуються. Застосовуються механічні, електромеханічні та електронні комутуючі пристрої.

застосування знаходять діодні та тріодні ключеві схеми, особливо ключеві схеми на МОП-транзисторах, які дозволяють утворювати високошвидкісні комутатори з великим динамічним діапазоном комутуючих сигналів.
В якості вимірювальних приладів застосовують цифрові частотоміри, вимірювачі часових інтервалів та вольтметри. Останні виконують функції АЦП по відношенню до вхідних сигналів.
Пристрій обробки виконує потрібну математичну обробку інформації, яка надходить з радіовимірювальних приладів.
Реєструючий пристрій записує одержані данні у вигляді коду. До реєструючих пристроїв відносяться також аналогові самописці та електронні осцилографи. В якості реєструючих пристроїв в системах застосовують різні друкуючі пристрої (телетайпи, принтери).

заданої програми. В системах з складним алгоритмом функціонування та великим об‘ємом вимірювальної інформації роботою і обробкою даних керує мікро-ЦВМ. Наведемо приклад однієї з простих і широко розповсюджених вимірю-вальних систем. Основним вимірювальним пристроєм системи є цифровий вольтметр. За допомогою багатофункціонального комутатора на його вхід почергово надходять для вимірювання напруги з об‘єктів, які досліджуються.

або іншого виду служить для представлення або зберігання інформації про номер каналу і результату вимірювання. Керуючий пристрій забезпечує потрібну послідовність операцій, які виконуються пристроями, які входять в систему. Параметри цих пристроїв вибираються у відповідності з технічними вимогами, які вимагають від вимірювальної системи. Метрологічні характеристики системи визначаються в основному вольтметром. Так, цифровий вольтметр типу В7-34, який призначений для використання у вимірювальних системах, дозволяє вимірювати постійну напругу

Гц... 500 кГц та миттєве значення напруги 1... 100 В, опору постійного струму 0,1.... 10000 кОм , відношення постійної напруги до середньоквадратичного значення синусоїдальної напруги в межах вимірювання 0,1... 1000 В. Похибка вимірювання постійної напруги +- [ 0,02 + 0,01 ( 0,1 / Ux - 1% ).

повноти.
Об‘єднані в ВОС агрегатовані засоби повинні мати властивості сумісності: функціональної, інформаційної, енергетичної, експлуатаційної, надійностної, конструктивної та метрологічної.
ФУНКЦІОНАЛЬНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка забезпечує узгодження функцій, які виконуються. Вона досягається функціональною закінченістю і відповідністю АЗ набору функцій та їх сполучень, які передбачені призначенням комплексу.

вихідних сигналів засобів. Вона забезпечується єдністю форми надання даних на входах і виходах спряжених пристроїв та єдністю алгоритмів обміну даними між спряженими пристроями.
В ряді випадків окремо виділяють ЕЛЕКТРИЧНУ СУМІСНІСТЬ технічних засобів ВОС, яка забезпечується єдністю електричних параметрів сигналів та кіл на входах і виходах пристроїв.
Інформаційна та електрична сумісність досягається застосуванням єдиного інтерфейсу і встановленням стандартних шин між спряженими засобами.

до параметрів джерел первинного і вторинного електроживлення, а також до трас енергоживлення. Вона досягається уніфікацією параметрів енергоживлення, схем, конструкцій та технічних характеристик джерел і трас енергоживлення.
ЕКСПЛУАТАЦІЙНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка забезпечує узгодження експлуатаційних характеристик, які визначають стійкість властивостей засобу до впливу зовнішніх факторів. Вона досягається єдністю визначення і нормуванням зовнішніх впливових факторів, уніфікацією та правильним встановленням експлуатаційних норм для спряжених засобів.

забезпечує узгодження характеристик надійності спряжених пристроїв і можливість розрахунку по цих характеристиках надійності системи, яка утворюється.
МЕТРОЛОГІЧНА СУМІСНІСТЬ - властивість агрегатованого засобу, яка забезпечує узгодження її метрологічних характеристик, а також заданий або розрахунковий рівень метрологічних характеристик системи, що дозволить оцінити якість (точність) отриманої інформації і забезпечити достовірність інформації, яка одержується під час різних експериментів і на різних об‘єктах. Метрологічна сумісність досягається раціональним вибором метрологічних характеристик та єдністю методів їх нормування: т.б. встановленням єдиного складу нормуючих

встановленням єдиних методів оцінки і контролю МХ; узгодженням числових значень параметрів вхідних та вихідних кіл спряжених засобів.