Тема: построение и анализ схем иис, телеизмерительных систем.

Цель работы: Построить и проанализировать схемы ИИС, телеизмерительных систем.

Общие положения:

Измерительные информационные системы (ИИС) – 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 логических функций измерения, контроля, диагностики, идентификации и т. п.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде:

· измерительных систем (ИС);

· систем автоматического контроля (САК);

· систем технической диагностики (СТД);

· систем распознавания образов (идентификации) (СРО);

· телеизмерительных систем (ТИС).

В СТД, САК, СРО измерительная система входит как подсистема.

Назначение любой измерительной информационной системы, необходимые функциональные возможности, технические характеристики и другие определяются объектом исследования, для которого данная система создается.

Назначение измерительной информационной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Исходя из этого основные функции измерительной информационной системы – получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и ЭВМ, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

Классификация ИИС. Степень достижения функций принято характеризовать с помощью критериев измерения. ИИС оптимизируют по многим частичным критериям таким, как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная способность, адаптивность, сложность, экономичность и др.

ИИС обычно классифицируют:

1. По разновидности входных величин:

Поведение во времени: неизменное, изменяющееся;

Расположение в пространстве: сосредоточенное, распределенное;

Характер величин: непрерывный, дискретный;

2. По выходной информации – измерительные (на выходе количественная измерительная информация), контрольно-диагностические и распознающие (на выходе количественные суждения о состоянии объектов).

3. По принципам построения:

Наличие/отсутствие специального канала связи;

Порядок выполнения операций получения информации;

Сигналы, используемые в ИИС: аналоговые, кодоимпульсные.

4. В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры ИИС (рис.1).

Рис.1. Основные структуры ИИС

Требования, предъявляемые к ИИС. Состав и структура конкретной ИИС определяется общими техническими требованиями, установленными ГОСТом, и частными требованиями, содержащимися в техническом задании на ее создание.

ИИС должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия, отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств, быть приспособленной к функционированию с ИИС смежных уровней иерархии и другими ИИС, т.е. обладать свойствами технической, информационной и метрологической совместимости, а также допускать возможность дальнейшей модернизации и развития.

Упрощенная схема взаимодействия основных компонентов ИИС представлена на рис.2.

 

Рис.2. Основные компоненты ИИС: ОО – организационное обеспечение, ОП – оперативный персонал, ИО – информационное обеспечение, ТО, ПО – техническое и программное обеспечение, МО – метрологическое обеспечение

 

Процессом функционирования ИИС, как и любой другой технической системы, является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически комплексом технических средств (КТС) (техническим обеспечением), либо совместно-оперативным персоналом и КТС в сложных ИИС. Чтобы люди и КТС могли функционировать оптимально, необходимы соответствующие инструкции и правила. Эту задачу выполняет организационное обеспечение.

Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав только ИИС с цифровым вычислительным комплексом.

Математическое обеспечение – это модели и вычислительные алгоритмы.

Программное обеспечение гарантирует конкретную реализацию вычислительных алгоритмов и алгоритмов функционирования системы и охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ.

Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и ЭВМ для дальнейшего использования в управлении.

Всю систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.

Технические средства ИИС состоят из следующих блоков:

1) множества первичных измерительных преобразователей (датчиков);

2) множества вторичных измерительных преобразователей;

3) множества элементов сравнения и мер;

4) блока цифровых устройств;

5) множества элементов описания – норм;

6) множества преобразователей сигнала, средств отображения, памяти и др.

Блоки 1-6 используются в цифровых ИИС, а 1-3 и 6 – в аналоговых ИИС.

При наличии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступить непосредственно от устройств обработки и/или хранения.

 

ВИДЫ ИИС

ИИС, предназначенные для измерения и хранения информации, носят название измерительных систем (ИС).

ИС могут быть ближнего или дальнего действия. На вход системы поступает множество изменяющихся во времени и/или распределенных в пространстве величин. Упрощенная классификация ИС представлена на рис.3.

 

Рис.3. Упрощенная классификация ИС

 

Важнейшими характеристиками ИС являются эффективность, полнота выполняемых функций, достоверность, надежность, быстродействие, характеристики входов и выходов, метрологические параметры.

Многоканальные ИС параллельного действия – это один из наиболее распространенных видов ИИС, обладающих наиболее высокой надежностью и более высоким быстродействием при одновременном получении информации, возможностью подбора средств измерений к замеряемым величинам, что может исключить унификацию сигналов. Однако они имеют повышенные сложность и стоимость (рис.4).

Рис.4. Структурная схема многоканальной ИС:

а – аналоговая мера, б – цифровая мера

 

В отличие от ИС параллельного действия схема мультиплицированной системы (рис.5) включает только одну общую меру для всех каналов.

В этих системах измерительная величина сравнивается с линейно изменяющейся величиной. При фиксированных моментах начала развертки и равенствах x и х_k может быть определен интервал времени t_л пропорциональный значению х_k. В многоканальной системе возникают трудности в разделении сигналов от элементов сравнения. В этом случае прибегают к специальным мерам.

 

Рис.5. Структурная схема мультиплицированной системы

 

Сканирующие (последовательного действия) ИС. С помощью одного канала они выполняют последовательно измерения множества величин и имеют сканирующее устройство (СкУ), которое перемещает датчик в пространстве (рис.6).

 

Рис.6. Структурная схема сканирующей ИС

 

Траектория движения при этом может быть запрограммирована (пассивное сканирование) или изменяться в зависимости от получаемой измерительной информации (активное сканирование).

Сканирующие системы применяют для измерения температурных полей, нахождения экстремальных значений исследуемых полей (давлений, механических напряжений и т.д.) или нахождения одинаковых значений параметра. Недостаток систем – малое быстродействие.

Многоточечные (последовательно-параллельного действия) ИС. Их применяют в сложных объектах с большим числом измеряемых параметров (рис.7).

Рис.7. Структурная схема многоточечной ИС:

а – с одним коммутатором, б – с двумя коммутаторами

 

В этих системах при множестве датчиков (Д), имеется всего один измерительный тракт (рис.7, а) и измерительный коммутатор SW, либо множество датчиков (Д) и множество индикаторов (В) (рис.7, б).

Измерительные коммутаторы служат для согласования параллельных и последовательных элементов во времени. Они должны обладать определенными метрологическими характеристиками (погрешностью, быстродействием и др.). Лучшие по точности результаты дают контактные измерительные коммутаторы (10^-5...10^-6), но они имеют низкое быстродействие, малое количество коммутируемых цепей и не работают по заявкам. Бесконтактные измерительные коммутаторы имеют более низкую точность, но значительно лучшие остальные показатели.

Недостаток этих систем – пониженное быстродействие и точность за счет использования ключей коммутаторов.

Многомерные ИС. Они основаны на одновременном измерении различных свойств в среде, зависящих от ее состава, с последующей математической обработкой результатов измерения. Измеряемыми могут быть, например, электропроводность и плотность, температура кипения и показатель преломления или удельный вес и т.д. Во всех случаях, независимо от характера выполняемого расчета, возможность измерения связана с возможностью составления системы независимых уравнений:

где x – измеряемые параметры анализируемой среды; С – концентрации компонентов анализируемой среды; f – функции, выражающие характер зависимости измеряемых параметров от состава среды.

Выполнение функциональной независимости уравнений системы обеспечивает принципиальную возможность ее решения. Данные систем обеспечивают, таким образом, избирательное определение величин интересующего нас компонента в многокомпонентной среде путем применения недостаточно ИИС.

Аппроксимирующие измерительные системы (АИС). Их применяют при необходимости количественно оценить или восстановить исходную величину, являющуюся функцией некоторого аргумента. Есть два пути выполнения этих измерений: первый – измерение дискретной величины и восстановление ее путем аппроксимации с помощью многочленов; второй – измерение коэффициентов многочленов, аппроксимирующих исходную функцию на всем интервале ее исследования. Основные области применения АИС – это измерение статистических характеристик случайных процессов, характеристик нелинейных элементов, сжатие, фильтрация, генерация сигналов заданной формы.

Системой телеизмерения называется совокупность устройств на приемных и передающих сторонах и каналах связи для автоматического измерения одного или ряда параметров на расстоянии.

Структурная схема системы телеизмерений представлена на рис.8.

Рис.8. Структурная схема телеизмерительной системы:

ПП – первичные преобразователи, ООИ – блок обработки и отображения информации, КП – контрольные пункты,

ПКС – преобразователи кодов и сигналов, КС – канал связи

 

Можно указать следующие основные способны построения телеизмерительной системы:

· по виду модуляции: интенсивные (тока, напряжения), времяимпульсные (ВИМ и ШИМ), частотные (ЧИМ и ЧМ), кодоимпульсные (двоичные и недвоичные), цифровые и адаптивные;

· по виду телеизмеряемого параметра: аналоговые и цифровые;

· по числу каналов связи: одноканальные и многоканальные;

· по характеристике каналов связи: проводные и радиоканальные;

· по виду телеизмерения: непрерывные; по вызову; по выбору.

При этом могут производиться телеизмерения текущих, статистических и интегральных значений параметров. Каналы бывают совмещенные, симплексные и дуплексные. Установлены следующие классы точности устройств телеизмерений: 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0.

Сравнительная оценка систем телеизмерений ведется:

· по реально достижимой минимальной погрешности;

· помехоустойчивости;

· надежности системы;

· возможности работы с различными каналами связи;

· стоимости;

· возможности унификации и массового производства унифицированных устройств.

Лучшие системы – это системы кодоимпульсных телеизмерений.

Автоконтроль. Он устанавливает соответствие между состоянием объекта контроля и заданной нормой без непосредственного участия человека. Соответствие может устанавливаться для данного или для будущего состояния (прогнозирующий контроль).

Автоконтроль освобождает человека от утомительных рутинных операций в самых разнообразных сферах его деятельности: на транспорте, в сельском хозяйстве, при научных исследованиях, обучении и т.д. Необходимым условием осуществления автоконтроля в любом его применении является знание установленной нормы. Норма может быть выражена в количественной или качественной форме. В последнем случае нормой может быть, например, определенное качество усвоения материала при обучении. В дальнейшем ограничимся автоконтролем с нормой только в количественной форме.

При автоконтроле, в отличие от автоматических измерений, нет необходимости знать численные значения контролируемых величин, достаточно установить значения абсолютного или относительного допуска на отклонение от нормы (например, не больше 5 %). Отклонение за пределы установленной нормы вызывают предупредительный, аварийный или другие сигналы. Формирование таких сигналов – одна из главных функций автоконтроля.

Система автоконтроля – это комплекс устройств, осуществляющих автоматический контроль одной или большого количества величин, требующие значительной обработки информации для суждения об отклонении от установленной нормы, например, обработка изделий в результате статистической обработки результатов контроля.

В подавляющем большинстве случаев системы автоконтроля совмещают функции контроля и измерения, т.е. являются контрольно-измерительными системами. Они выполняют функции контроля, а в случае необходимости расширить информацию о контролируемом параметре осуществляют процесс измерения.

Структурные схемы систем для автоматического контроля большого количества величин приведены на рис.9.

Они похожи на схемы ИС. Здесь, так же как и на рис.7, фигурные скобки обозначают наличие от одного до п одинаковых узлов внутри скобок. На рис.9 норма выражается в аналоговой форме. В отличие от рис.7, здесь на элемент сравнения подается не мера, а норма. Кроме того, на выходе сравнивающего устройства включено устройство формирования сигналов ФС, формирующее сигнал отклонения от заданной нормы, который отражается и (или) записывается. Схема может быть реализована с параллельным или последовательным сбором информации. В первом случае она выражается в п параллельно работающих каналах автоконтроля с п датчиками, и элементами сравнения, уставками (нормами), и узлами формирования сигналов и п устройствами отображения информации.

Рис.9. Структурные схемы систем автоматического контроля с аналоговой нормой

 

В отличие от этого при последовательном сборе информации на выходе п датчиков и на входе п установок включаются коммутаторы, работающие синхронно и синфазно (рис.9, б).

В системах автоконтроля, реализуемых по схеме рис.9, норма должна храниться в аналоговой форме, что связано с техническими трудностями. Для устранения этого недостатка хранение нормы осуществляется в цифровой форме (магнитная и другая запись), а между устройством хранения нормы и элементом сравнения включается ЦАП аналогично рис.4, а.

Возможен и другой вариант хранения нормы в цифровой форме, но с АЦП на выходе датчиков и устройством сравнения в цифровой форме, например в виде дешифратора кодов (аналогично рис.4, б).

Системы автоконтроля часто выполняют дополнительные функции, не имеющие прямого отношения к автоконтролю. К ним относятся:

· промежуточные преобразования сигналов;

· формирование тестовых (испытательных) сигналов;

· операция счета (изделий и т.п.);

· измерения (аналоговые или цифровые);

· математическая обработка результатов контроля для прогнозирования и выполнения других операций;

· диагностические функции.

Системы автоматического контроля, в которых используются устройства сравнения типа "больше-меньше", называют системами допускового контроля. В подобных системах возможно изменение зоны (уставки) в процессе контроля, при этом создается представление о степени близости контролируемой величины к интересующему состоянию. Такие системы принято называть системами спорадического контроля.

 

Порядок работы:

1. Ознакомиться с руководством по выполнению практической работы,

получить задание у преподавателя.

2. Изучить материалы методических указаний и литературы.

3. Подготовить отчет.

Отчет по работе должен содержать:

1. Тему и цель работы.

2. Выполненное задание

Рекомендуемая литература:

Основная литература:

1. Афонин, А. М. Теоретические основы разработки и моделирования систем автоматизации: Учебное пособие для сред. проф. образования / А.М. Афонин, Ю.Н. Царегородцев, А.М. Петрова и др. - М.: Форум: ИНФРА-М, 2014. - 192 с.

2. Иванов, А.А. Автоматизация технологических процессов и производств: Учебное пособие для высш. учеб. заведений.- 2-e изд., испр. и доп. - М.: Форум: ИНФРА-М, 2015. - 224 с.

Дополнительная литература:

1. Шишмарев В.Ю. Автоматика: Учебник для сред. проф. образования.- М.: Автоматика, 2005.- 288 с.

Практическая работа №18