Информационно-измерительные системы и АСУ ТП


О. А. Пустовал, Е. А. Пустовой





            ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И АСУ ТП




Учебник





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.5
ББК 32.966
     П89



Рецензенты: доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГБНУ ФНАЦ ВИМ Д.А. Тихомиров; доктор технических наук, профессор кафедры информационных процессов и управления Тамбовского ГТУ Б. С.Дмитриевский







    Пустовая, О. А.
П89       Информационно-измерительные системы и АСУ ТП : учебник /
     О. А. Пустовая, Е. А. Пустовой. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 104 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0829-5

     Даны базовые понятия информационных измерительных систем и автоматических систем управления технологическими процессами. Представлены принципы построения, интерфейс, методы проектирования информационноизмерительных систем. Изложены основные принципы использования облачных технологий. Рассмотрены облачные ресурсы для хранения информации, принципы и платформы для архивации данных.
     Для студентов технических специальностей, изучающих автоматизированные информационно-управляющие системы. Может быть полезно специалистам в области автоматизации производства.




УДК 681.5
ББК 32.966







ISBN 978-5-9729-0829-5

     © Пустовая О. А., Пустовой Е. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ГЛАВА 1


        ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ


    1.1. Общие сведения об информационно-измерительных системах


    Понятие информационно-измерительной техники в своей основе сформировалось на базе более широкого понятия информационно-измерительных комплексов, и включает в себя большой круг вопросов, связанных с проектирование, работой, калибровкой, поверкой и т. д. цифровых измерительных систем. Однако чаще всего мы пользуемся более узким понятием информационноизмерительные системы (ИИС).
    Развитие ИИС тесно связано с развитием информационных технологий (Measuring information technology), под которыми понимается подготовка и выполнение измерений, включающие в себя описание приёмов осуществления информационного взаимодействия средства измерения (СИ) с объектом, а также методов получения, обработки, представления и передачи количественной информации о значениях измеряемой величины и обеспечивающих требуемую достоверность и сохранение информации. Основу работы таких систем представляет работа с информационным потоком, содержащим необходимые показатели. Структура работы с ним представлена на рисунке 1.1.


       Рисунок 1.1 - Структура работы с информационным потоком

    Информационный поток должен быть достаточен для принятия обоснованного управленческого решения.
    Развитие ИИС началось с упрощения элементной базы электронных компонентов и её доступности. Первые попытки создать ИИС были предприняты в середине XX века, в основном ими занимались любители электроники, инженеры и др., имеющие необходимы базовые знания в этой области. Разработка систем велась буквально «на коленке», однако к значимому результату такие любители подошли только к концу 50-х годов XX века. Это время можно считать

3

началом развития ИИС и их первым поколением. В основу работы положено использование ламповых элементов (диодов, триоды и др.). Системы имели минимальную оперативную память и полное отсутствие внешних устройств. В это время формируется само понятие ИИС, его концепция. Развивается централизованная система получения информации, в основе работы которой лежит использование аналитической математики. В настоящее время этот период считается первым поколением ИИС, а период называют периодом детерминизма.
    Второе поколение ИИС было разработано в 60-х годах XX века и в своей основе использовало теорию случайных чисел и математическую статистику. Этот период называют периодом стохастичности. В это время элементная база существенно изменилась в направлении миниатюризации за счёт использования полупроводниковых элементов, что позволило создать первые персональные компьютеры (ПК), имеющие приемлемые размеры, появляются периферийные устройства для связи, с которыми необходимо разработать протоколы обмена и интерфейс.
    Третье поколение было сформировано с появлением больших интегральных схем (БИС) в 70-х годах XX века. Их использование позволило развить блочную структуру ИИС и создать распределённые, адаптивные системы.
    Четвёртое поколение ИИС (80-е годы XX века) также использует полупроводниковую базу электронных компонентов с использованием планарных технологий и двустороннего монтажа. Развитие идет в направлении создания гибких перестраиваемых систем, основанных на динамичном изменении программного кода.
    Пятое поколение ИИС (90-е годы XX века и по сей день) - использование SMD-технологий при производстве элементной базы, что позволяет миниатюризировать электронные устройства, получить большое количество периферийных устройств и усложнить структуру ИИС. Разработано большое количество протоколов обмена и интерфейса. Основными направлениями развития можно считать развитие адаптивных, виртуальных и интеллектуальных систем.
    При внимательном прочтении вышеизложенной информации можно прийти к выводу, что двигателем развития ИИС были два фактора, это прежде всего развитие математики и совершенствование производства электронных компонентов. Основная задача математического обеспечения в этом случае - создание математической модели, которая будет максимально полно отражать исследуемый процесс. На основании этой модели создаётся алгоритм обработки информации. Чем более полная модель используется, тем точнее работа системы. Ярким примером такой модели можно считать прогнозирование метеоусловий, чем более полная модель используется, а полнота здесь определяется глубиной базы данных по метеоусловиям и наличием динамической информации об атмосферных условиях в режиме реального времени от контрольных точек, количество которых в идеале должно стремиться к бесконечности, тем более точный прогноз мы получаем на входе.

4

    Для получения модели используются такие методы как:
     -       аналитический - представляет собой использование уравнений связи, решение которых позволяет сформировать контрольные условия и сравнить их с реально существующими;
     -       экспериментальный - использует в качестве основы модель, сформированную в процессе лабораторного эксперимента;
     -       экспериментально-аналитический - является совокупностью представленных выше методов.
    По форме записи математическое обеспечение, используемое для формирования модели, можно разбить на следующие группы:
     1. Алгебраическая - имеют в составе уравнения неизвестную величину.
     2.       Трансцендентные уравнения - имеют в составе уравнения функции, такие как log, sin, tg и др.
     3.       Дифференциальные уравнения - содержат в своем составе дифференцирование как математический приём.
     4.       Уравнения частных производных - частная производная определяется при условии постоянства значения одной из изменяющихся величин.
    Таким образом, в основу работы программного обеспечения (ПО) положено наличие какой-либо функциональной зависимости, известной с определённой достоверностью.
    На основании полученной модели разрабатывается алгоритм, который будет положен в основу работы ПО. Алгоритм может быть реализован в следующих формах:
    1. Программно.
    2. Словесно.
    3. Аналитически.
    4. Графически.
    5. Многокомпонентно.
    Выбор формы реализации зависит от предпочтений заказчика, программиста, задач, которые планируется решить при помощи данного алгоритма и нормативной документации.
    В зависимости от реализованных алгоритмов, программного и математического обеспечения ИИС можно разбить на следующие группы (рис. 1.2).
    Наибольшее распространение в последнее время приобрели компьютерные измерительные системы, использующие возможности микропроцессоров для снятия, обработки и хранения измерительной информации.
    Наибольший интерес из представленной на рисунке 1.2 блок-схемы вызывает рассмотрение ИИС в зависимости от выполняемых функций. Прежде всего необходимо обратить внимание на сами ИИС непосредственно. Их широкое распространение обусловлено множеством задач, которые они способны выполнить без дополнительной модификации.

5

    Рисунок 1.2 - Классификация ИИС по конструктивным параметрам

    Для реализации вычислительных задач необходимо использовать ИВК, так как структура этого типа ИИС позволяет реализовать как измерительные функции, так и управляющие. ИВК способны решить следующий круг вопросов с учетом назначения информации:
    1.     Типовые - решают широкий круг вопросов, используют стандартное исполнение.

6

    2.      Проблемные - решают специфические задачи для автоматизации процессов.
    3.      Специализированные - решают уникальные задачи для единичных процессов. Примером реализации такой системы можно считать адронный коллайдер, при постройке которого была установлена уникальная автоматизированная система управления и сбора данных.



прибор А 11                М прибор В |




интерфейс А 11             интерфейс В |1
।       "                            q Шинаобщей
магистрали




интерфейс С I              интерфейс Е|




приборС ||             J прибор Е |

Рисунок 1.3 - Магистральная система передачи данных в ИВК

    Основным признаком принадлежности к таким системам можно считать наличие компьютера, нормированное метрологическое обеспечение, специализированное программное обеспечение, блочно-модульную конструкцию (рис. 1.3). При таком построении все приборы через интерфейсные модули подключены к общей магистрали.
    Основное назначение ИИС - ведение измерительного процесса в автоматическом режиме, в зависимости от конструкции, измерения могут производиться с участием оператора или без него. Функции оператора в этом случае заключаются либо в контроле над протекающими процессами, либо с частичным воздействием на контрольные параметры. ИВК осуществляет процесс контроля согласно заложенному алгоритму.
    Основное назначение ИВК - проведение измерений (прямые, косвенные, совместные, совокупные), формирование отчёта для оператора, формирование управляющего воздействия на объект.
    Широкое распространение в последнее время получают так называемы КИС (компьютерные измерительные системы), они представляют собой совокупность компьютера и программно-аппаратных средств ввода-вывода. Структурно компьютер представляет собой имитацию органов управления измерительными приборами. К особенностям данного вида ИИС можно отнести:

7

    1. Большой фонд прикладных программ.
    2. Оперативную передачу данных.
    3. Хороший графический интерфейс.
    4. Большую память.
    5. Оперативность документированности информации.
    При построении КИС используется две архитектуры: последовательная и параллельная.
    Последовательная архитектура обусловлена последовательным анализом и обработкой поступающей информации, конструктивно вся электроника, реализующая работу, размещается на слотах ПК.
    При параллельной архитектуре в основу системы положена параллельная обработка поступающих информационных потоков с использованием режима мультиплекстора (можно за основу взять процессор ПК).
    Такое построение измерительной системы позволяет размещать преобразователи на объекте, а ПК - на рабочем месте пользователя. Структура такой системы приведена на рисунке 1.4.



Рисунок 1.4 - Структура ИВК:
ПК - персональный компьютер; М - монитор; ВП - внешняя память;
ПУ - периферийные устройства; К - коммутатор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;
ИМ - интерфейсный модуль; БОН - блок образцовых напряжений и частот;
УС - управляющие сигналы; МПИ - магистраль приборного интерфейса

    Роль измерительных приборов в этом случае выполняют датчики, подключённые к магистрали приборного интерфейса, информация от которых передаётся через интерфейсный модуль на шину данных, далее полученная информация передаётся на обработку в ПК после предварительной обработки сигнала (ЦАП и АЦП преобразование). Полученная информация может быть передана во внешнее хранилище (ВП), на различные периферийные устройства (вывод информации, исполнительные механизмы и др.). Для обеспечения достоверно

8

сти информационного потока в схему вводится блок образцового напряжения и частоты (БОН), он позволяет сохранять метрологические характеристики КИС и компенсировать влияние температуры, дрейф нуля, вводить автоматическую корректировку.
    Одним из вариантов КИС можно рассматривать виртуальные лабораторные комплексы типа LabVIEW, BRIDGE VIEW, Look Out и т. д. Такие комплексы позволяют создать виртуальный прибор (Virtual Instruments) и провести измерения. Класс систем появился на стыке измерительной и компьютерной техники.
    На персональном компьютере или лицевой панели измерительного прибора имитируются органы управления и шкала отсчёта. Примером таких приборов может служит цифровой осциллограф (рис. 1.5), где на лицевой панели имитируется аналог отсчёта по осциллографу с электронно-лучевой трубкой, а на экран выводится модель аналогового сигнала.


Рисунок 1.5 - Лицевая панель цифрового осциллографа

    Несомненным достоинством виртуальных приборов следует считать высокую точность, яркость и чёткость изображения сигнала, широкую полосу пропускания, возможность обработки данных и передачи на большие расстояния без искажений. Однако такие приборы сложны и дороги, кроме этого, требуют специализированного программного обеспечения для функционирования.
    Использование телеизмерительных систем обусловлено прежде всего необходимостью передачи данных на большие расстояния. В основу действия таких систем положено несколько физических принципов:
    1. Пневматические - передача сообщения осуществляется при помощи сжатого газа, носитель в этом случае заключается в капсулу, которая устанавливается в канал пневматической системы. В основном такие системы используются для передачи бумажной документации и к цифровым системам не имеют отношения. В настоящее время практически не используются.

9

    2. Электрические - носителем информации является электрический сигнал, чаще всего аналоговый. Имеют ограниченную дальность ввиду дополнительных помех, искажающих сигнал измерительной информации.
    3. Передача цифрового сигнала по физическому каналу. В настоящее время получили самое широкое распространение. В качестве физического канала может выступать оптоволокно, витая пара и пр., передаётся цифровой сигнал. Имеет высокое качество передачи.
    В дальнейшем мы будем рассматривать в качестве основных именно цифровые системы. Общая схема передачи информации для телеизмерительных систем представлена на рисунке 1.6.


Рисунок 1.6 - Общая схема телеизмерительной системы:
СИ - средство измерения; П - передатчик; Пр - приёмник; ПП - показывающий прибор; М,Д - модулятор и демодулятор

    Средство измерения (СИ) передаёт сигнал измерительной информации в передатчик (П), где он компонуется с несущим сигналом и поступает в канал связи. Приёмник и демодулятор вычитают из полученного сигнала несущий и передают сигнал измерительной информации на показывающий прибор или ПК. В качестве несущего сигнала может использоваться гармонический или П-образный сигнал, частота которого в 2,5 раза больше, чем у передаваемого. Для формирования передаваемого сигнала используется гармоническая, широтноимпульсная, кодоимпульсная модуляция.
    Несомненным достоинством рассматриваемых систем можно считать полную автоматизацию как измерительного процесса, так и обработки, и хранения измерительной информации. Общие требования к обработке, хранению и передаче информации оговорены в ГОСТ Р 8.883-2015, ГОСТ Р 8.596-2020, ГОСТ Р 8.654 - 2015, ГОСТ Р 8.839/OIML D 31:2008.
    Высокое быстродействие и высокая ёмкость памяти позволяют формировать базы данных по регистрируемому процессу с глубиной несколько лет, что позволяет вывести анализ информации на более высокий уровень с использованием искусственного интеллекта. Использование комплекса, состоящего из технических средств и программного обеспечения, позволяет оперативно изменять контрольные параметры, обеспечить широкие функциональные возможности и перестраивать процесс измерения исходя из требований технического задания.
    К основным недостаткам ИИС следует отнести сложность конструктивного исполнения и программного обеспечения.

10