5.7. Построение иис на базе агрегатных комплексов

, В Советском Союзе существует Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП), представляющая собой на­бор рядов унифицированных приборов и устройств измерительной тех­ники, автоматики, телемеханики с единой нормативной базой, включаю­щей унификацию информационных сигналов, метрологических, на­дежностных, энергетических и других характеристик, необходимого математического обеспечения, конструктивного выполнения. Техни­ческие средства ГСП строятся по блочно-модульному принципу с ис­пользованием современной технологии изготовления. Устройства ГСП объединяются во взаимосвязанные комплексы технических средств, у.каждого из которых свое специфическое назначение и свои области применения. Комплексы имеют метрологическую, информа­ционную, конструктивную и эксплуатационную совместимость.

Аналогичная унификация технических средств проводится в рамках Совета Экономической Взаимопомощи. Технические средства автома­тики, разрабатываемые и выпускаемые в странах-членах СЭВ, входят в состав Международной универсальной системы автоматического конт­роля, регулирования и управления — УРС.

Все агрегатные комплексы технических средств, входящие в ГСП, разрабатываются с соблюдением ряда государственных общесоюзных Ci оН Д ар тон, регламентирующих требования к общим техническим ха­рактеристикам (точности, быстродействию, надежности, климатиче­ским условиям работы), нормирующих параметры входных и выход­ных сигналов (аналоговых — с модуляцией различных параметров и цифровых), унифицирующих элементы конструкций и т. д.

Значение нормирования параметров входных и выходных сигналов в ГСП удобно пояснить на примере. Очень широкое распространение получил унифицированный сигнал постоянного' тока с диапазоном значений от 0 до 5 мА. Если в данном агрегатном комплексе техни­ческих средств принят такой сигнал, то это означает, что независимо от ввда измеряемого параметра х и диапазона его значений (x_mjn, ... —» ^Хтах) ему соответствует на выходе нормализующего преобразо­вателя диапазон сигналов постоянного тока от 0 до 5 мА. При этом сигнал не должен изменяться с изменением сопротивления нагрузки на выходе нормализующего преобразователя в диапазоне от 0 до 2,5 кОм.

Такой сигнал можно коммутировать сравнительно простыми бес­контактными ключами, например приведенными на рис. 5 31. Сопро­тивление ключа в замкнутом состоянии не влияет на точность комму­тации. Установив на выходе входного переключателя ИИС резистор сопротивлением, например, 1 кОм, можно привести сигналы по всем каналам к общему диапазону от 0 до 5 В и именно на этот диапазон спроектировать АЦП.

Рис. 5.49

Нормализующие преобразователи с выходным сигналом в виде унифицированного тока можно размещать довольно далеко от вход­ного переключателя и АЦП — на расстоянии до нескольких километ­ров. В этом случае значение сопротивления подводящих проводов не скажется на точности измерения. Лишь при больших расстояниях (свыше 10 км) начинают влиять токи утечки между проводами линии.

С введением унифицированных сигналов в практику приборострое­ния вошло производство датчиков с унифицированным выходным сигналом. В данном случае датчиком называют объединенные в одном блоке первичный измерительный преобразователь и нормализующий преобразователь. -Пример структурной схемы датчика с токовым сигна­лом на выходе приведен на рис. 5.49. Измеряемая величина преобра­зуется первичным преобразователем ПП в пропорциональное напряже­ние U, которое подводится к входу 1 дифференциального усилителя У Выходной ток / усилителя протекает по сопротивлению нагрузки R , которое может находиться на значительном удалении от датчика, и, кроме того, протекает по сопротивлению R_oc, создавая на нем на­пряжение обратной связи U . Последнее подводится к входу 2 уси­лителя. Выходной ток / зависит от разности входных напряжений уси­лителя AU = U - U : Благодаря большой крутизне характеристики усилителя для получения любого значения выходного тока в рабочем диапазоне (от 0 до 5 мА) требуется весьма малое значение Д U, не вы­ше десятых долей процента максимального значения U. Если не требу­ется очень высокая точность расчета, то можно для простоты принять,

что U = U .Но U = кх, a U = IR . Поэтому кх = и отсюда / =

ос ос ос ос

= kx/R_oc. Заметим, что значение R_H не вошло в расчет и, следователь­но, не должно влиять на значение I. Следует иметь в вццу, что этот рас­чет является упрощенным и приведен для пояснения того, как дейст­вует отрицательная обратная связь по выходному току преобразова­теля .

Тот же унифицированный сигнал удобен не только для построения входной части ИИС, но и для выдачи информации на выходные прибо­ры. Тогда ЦАП строят на выходной ток с диапазоном значений от 0 до 5 мА и на такой же диапазон выбирают миллиамперметры для воспроизведения результатов измерений. 328

Рис. 5.50

Структура технических средств ГСП может быть представлена ди­аграммой для пяти групп изделий, расположенных на четырех уров­нях (рис. 5.50).

На нижнем (первом) уровне находятся средства, выполняющие функции получения информации и воздействия на процесс; эти сред­ства непосредственно взаимодействуют с объектом управления. Они обеспечивают информацией все вышерасположенные на схеме уст­ройства и осуществляют передачу управляющих воздействий от любо­го из них на управляемый объект. Измерение параметров, не связан­ное со сложными инструментальными методиками, осуществляется с помощью датчиков, конструктивно-технические характеристики ко­торых образуют параметрические ряды. Для проведения' измерений, требующих сложных инструментальных методик, применяются уст­ройства, входящие в агрегатные комплексы.

На втором уровне расположены средства для локального контро­ля и автоматизации, предназначенные для построения одноконтурных систем контроля и регулирования простых объектов или автономного контроля и регулирования отдельных параметров сложных объектов. Эти изделия, как правило, выпускаются в составе параметрических рядов и унифицированных комплексов (УК), создаваемых на осно­ве базовой модели.

На третьем уровне находятся устройства для централизованного контроля и регулирования, которые используются в составе систем, включающих управляющие вычислительные комплексы (УЕК). Тех­нические средства этой группы предназначены для построения авто­матизированных систем управления технологическими процессами на объектах, имеющих до нескольких сотен контролируемых и регули­руемых параметров. Они позволяют реализовать многосвязное и кас­кадное регулирование, косвенные измерения, многоступенчатые защи­ты и логические операции при автоматическом пуске и останове объек­та, перестройку алгоритма управления во время работы, реализацию элементарных математических операций.

На верхнем (четвертом) уровне расположены вычислительные сред­ства автоматизации управления, предназначенные для построения УВК, которые позволяют осуществлять обработку больших массивов ин­формации (от тысяч контролируемых параметров), реализовать слож­ные алгоритмы управления объектом, в- том числе супервизорное и непосредственное цифровое управления, решение оптимизационных, планово-экономических и учетно-статистических задач.

При конструирован™ устройств ГСП принят блочно-модульный принцип построения изделий, который заключается в том, что различ­ные функционально более сложные устройства ГСП создаются из ог­раниченного числа более простых стандартизированных блоков и мо­дулей.

Применение этого принципа при построении изделий ГСП делает приборы универсальными, позволяет использовать при их создании рациональный минимум конструктивных элементов (сокращается но­менклатура деталей), обеспечивает взаимозаменяемость приборов в целом и отдельных их узлов. При этом также значительно упрощаются и удешевляются процессы ремонта приборов, которые в большинстве случаев сводятся к замене вышедших из строя типовых узлов и мо­дулей.

Реализация блочно-модульного принципа позволяет создавать но­вые средства измерения и регулирования из уже существующего от­работанного набора узлов и блоков, что дает существенный экономи­ческий эффект и ускоряет сроки разработки и внедрения новых из­делий.

Номенклатура технических средств ГСП насчитывает в настоящее время свыше 2 тыс. типов изделий, 30 % которых составляют датчи­ки различных физических величин и технологйческих параметров.

По мере наращивания сложности функций действующих систем управления и расширения области их применения, охватывающей но­вые производства, номенклатура технических средств ГСП — и в пер­вую очередь датчиков — традиционно увеличивалась. Поэтому важ­нейшей целью совершенствования номенклатуры является ее рацио­нальная минимизация. Одним из основных методов сокращения чис­ла изделий до целесообразного минимума является разработка парамет­рических рядов изделий на базе системы предпочтительных чисел. Параметрический ряд — совокупность изделий одинакового функцио­нального назначения, имеющих одни и те же основные параметры, для которых изменение значений главного параметра при переходе от пре- 330 дыдущего числа ряда к последующему подчиняется определенным закономерностям. Первыми параметрическими рядами в ГСП по си­стеме предпочтительных чисел явились ряды унифицированных пнев­матических и электрических датчиков.

Методика построения параметрического ряда изделий ГСП вклю­чает отбор основных параметров приборов и устройств, подлежащих регламентации, выделение главного параметра из их числа и установ­ление наиболее рационального размерного ряда приборов по главно­му параметру. При этом преимущественно применяются ряды, пост­роенные на основе геометрической прогрессии, с числовыми значения­ми, соответствующими ГОСТ 8032-56 "Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел".

В настоящее время разработаны параметрические ряды (подчиняю­щиеся законам геометрической или другой последовательности) пре­образователей давления, расхода, уровня, температуры, электроиз­мерительных приборов.

Известно, что производство и эксплуатация приборов предъявляют противоречивые требования к "густоте" параметрического ряда (ко­личеству типоразмеров в ряду). С одной стороны, увеличение типораз­меров усложняет производство приборов и повышает их стоимость, с другой стороны, уменьшение количества типоразмеров снижает точ­ность систем контроля и автоматизации, увеличивает избыточность применяемых средств. Отсюда возникает задача оптимизации пара­метрических рядов изделий ГСП.

Основу построения оптимальных параметрических рядов изделий ГСП составляет анализ и учет совокупности технико-экономических данных, таких, как потребность народного хозяйства в приборах, за­висимость потребности и затрат от основных параметров приборов, зависимость стоимости от серийности и другие факторы. Критерием оптимальности может быть минимум суммарных затрат на удовлетво­рение заданных потребностей. Этот критерий оптимальности являет­ся следствием анализа противоречия между интересами изготовите­ля (затраты на производство) и потребителя (затраты на эксплуата­цию).

При сокращенном ряде приборов у изготовителя уменьшаются за­траты на освоение, увеличивается серийность выпускаемых изделий, что обеспечивает значительную экономию материалов. При увеличе­нии "густоты" ряда получается экономия у потребителя за счет бо­лее точного соблюдения технологического регламента производствен­ного процесса.

Таким образом, оптимальным параметрическим рядом можно счи­тать ряд одинаковых по функциональному назначению технических средств, упорядоченных по основным параметрам этих средств и оп­тимальных в смысле принятого критерия. При этом необходимо от­метить, что оптимальный параметрический ряд необязательно дол­жен быть рядом, строго подчиняющимся законам геометрической или другой последовательности. Исследования показали, что оптималь­ные ряды некоторых изделий значительно экономичнее рядов, пост­роенных по системе предпочтительных чисел.

Не менее плодотворным для реализации принципа минимизации номенклатуры изделий и приборов ГСП является метод построения приборов и средств автоматизации в составе агрегатных комплексов (АК).

Изделия ЛК разрабатываются в виде функционально-параметриче- ских рядов, которые охватывают требуемый диапазон измерений в различных условиях эксплуатации. Благодаря этому исключается не­обходимость создания других изделий данного функционального на­значения, входящих в соответствующий АК. s>