5.1. 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 двухкоор- динатные 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. 246

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 иа 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 KIJi - КП_п. 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 ли-

247

Рис. 5.1

ниях. 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 по 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 неременных (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 обьино 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 типа "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 уставок > локальных регуляторов.

Функции устройств передачи на пункте управления подобны функ­циям аналогичных устройств на контролируемых пунктах. Однако есть и отличия: необходимо распределять информацию по 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 сложная 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 каманд 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. Уставки 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.

3. 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 перед -и, 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. Or 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 зги 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. Обьино он слож­нее индивидуального преобразователя, и разработка его может соста­вить трудную 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 варианге 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.