ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В 30-х годах в различных отраслях народного хозяйст­ва, особенно в энергетике и нефтяной промышленности, начали развиваться системы для сбора и передачи измери­тельной информации на значительные расстояния.

История создания подобных систем уходит своими кор­нями во вторую половину XIX в. В 1876 г. Ф. Ф. Врангель и И. М. Диков разработали систему для измерения уровня воды в реке, которая использовала числоимпульсное пред­ставление информации. В 1906 г. была построена система для передачи сейсмической информации с индуктивными преобразователями механических величин.

В 1932 г. в отраслевой лаборатории измерений Всесоюз­ного электротехнического института им. В. И. Ленина была разработана оригинальная фотоимпульсная система для измерения напряжения и мощности. Эта система выпуска­лась небольшими сериями для энергосистем нашей страны.

В общем случае такие измерительные системы содержа­ли относительно сложные и распределенные в пространстве устройства получения, преобразования и передачи инфор­мации (передатчики, расположенные непосредственно на технологическом объекте) и устройство, воспринимающее и отображающее измерительную информацию (приемник), находящееся на центральном пункте сбора информации. При этом расстояние между передатчиком и приемником достигало от сотен метров до тысяч километров. В качестве каналов связи использовались как естественные линии элек­тропередачи, каналы телефонной связи и радиоканалы, так и специально создаваемые проводные каналы связи.

При передаче измерительной информации по каналу связи с целью защиты ее от помех, сокращения объема ин­формации и возможности выделения ее из посторонней ин­формации, имеющейся в естественных каналах связи, в измерительных системах использовались простейшие виды модуляции.

Как правило, такие системы строились одноканальными, и к ним не предъявлялось особых требований по обес­печению высокой точности и быстродействия. Указанные системы получили название телеизмерительных систем, ко­торые в дальнейшем явились прототипом современных ин­формационно-измерительных систем.

Что такое информационно-измерительная система? Чем она отличается от измерительного прибора? Какова область ее применения? На эти и другие не менее важные вопросы постараемся дать ответ в данной главе.

Послевоенный этап развития народного хозяйства на­шей страны характеризуется созданием новых производств и технологий, переходом на всеобщую автоматизацию тех­нологических процессов, расширением и усложнением науч­ных исследований и всесторонних испытаний образцов но­вой техники. Все это потребовало разработки новых средств измерений, обеспечивающих получение информации, ее первичную обработку в реальном масштабе времени и при ограниченном участии человека,

Поставленная задача частично была решена в конце 50-х годов, которые можно считать временем появления первых информационно-измерительных систем. Эти систе­мы были выполнены по принципу и на основе существую­щих телеизмерительных систем, но обладали большими функциональными возможностями. В них была предусмот­рена автоматизация сбора и простейшая первичная обра­ботка информации.

Появление первых ИИСи связанная с этим разработка теории их проектирования привели к тому, что в начале 60-х годов электроизмерительная техника вступила в но­вую фазу своего развития и получила название информа­ционно-измерительной техники.

При этом были сформулированы требования, предъяв­ляемые к ИИС, дано ее определение, которое раскрывает назначение и функциональные возможности системы и в современной интерпретации звучит следующим образом:

ИИС— это совокупность технических средств, выпол­ненных в блочно-модульном исполнении, объединенных об­щим алгоритмом функционирования, обладающая набором нормированных метрологических характеристик и предназ­наченная для автоматического (автоматизированного) по­лучения информациинепосредственно от объекта, преобразования ее, передачи, измерения, обработки, хранения и представления в форме, доступной для восприятия опера­тором и (или) ввода в управляющую систему.

Таким образом, ИИСпредставляет собой сложный из­мерительный комплекс, включающий в свой состав не только измерительные преобразователи, но и средства вы­числительной техники — ЭВМ различной мощности, пред­назначенные не только для обработки измерительной ин­формации, но и для реализации процесса измерения (на­пример, тестовых или итерационных алгоритмов), а также управления процессом получения информации (управление системными коммутаторами, таймерами и т. д.).

Часто даже среди специалистов возникает вопрос: где кончается измерительный прибор и начинаетсяИИС, и по­чему прибор, также предназначенный для получения изме­рительной информации, не называется ИИС?

Определение ИИСпозволяет провести грань различия между измерительными приборами, обладающими ограни­ченными функциональными возможностями и выполняемы­ми обычно из небольшого числа измерительных преобразо­вателей, объединенных в едином корпусе, и ИИС. Она за­ключается в том, что ИИС позволяет осуществлять:

1) непосредственную связь с объектом исследования;

2) обработку измерительной информации;

3) централизованное автоматическое (автоматизирован­ное) управление;

4) многоканальные измерения различных физических величин.

Эти наиболее характерные признаки в комплексе при­сущи только измерительной системе, но каждый в отдель­ности может существовать и в измерительном приборе.

За время своего существования информационно-изме­рительные системы прошли три этапа развития.

На первом этапе ИИС представляли собой автоматизи­рованные аналоговые системы, в которых осуществлялась первичная обработка информации при помощи функцио­нальных преобразователей или простейших арифметичес­ких устройств (электромеханических и электронных). В них использовался циклический и адресный сбор информации с пульта оператора. При передаче информации использо­валась в основном модуляция на постоянном токе. Инфор­мационно-измерительные системы первого поколения стро­ились на электромеханических и электронно-ламповых элементах; они обладали малым быстродействием, имели низкую точность и надежность.

Интенсивное развитие цифровой техники привело в кон­це 60-х годов к созданию второго поколения ИИС — циф­ровых измерительных систем, в которых обработка инфор­мации производилась при помощи специализированных электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ). При этом программное управление процессом сбора инфор­мации осуществлялось при помощи ЭВМ, а циклический и адресный опрос по жесткой программе — при помощи ав­тономных блоков управления, расположенных на пульте оператора.

Информационно-измерительные системывторого поко­ления имели значительно более высокоебыстродействие и точность. Применение в них многоступенчатых управляе­мых коммутаторов позволило значительно увеличить число измерительных каналов. Впервые при построении ИИС был использован принцип блочно-модульной компоновки. Изме­рительные системы этого поколения начали впервые се­рийно выпускаться промышленностью (К-200, К-484 и т. д.). Однако существенным недостатком серийных ИИСявлялось отсутствие в их составе первичных преобразователей.

Третье поколение ИИС возникло в середине 70-х годов и связано с развитием микроэлектроники, появлением мик­росхем средней и большой степеней интеграции, развитием средств вычислительной техники, разработкой микропро­цессоров, мини- и микро-ЭВМ.

Оно характеризуется созданием неких универсальных ядер, вокруг которых могут быть сформированы ИИСдля массового сбора измерительной информации, как в услови­ях производства, так и при научных исследованиях. Эти ядра объединяют в своем составе средства измерительной и вычислительной техники, выполняются в блочно-модульном исполнении, а для программного управления работой модулей и объединения их в систему используются стандартные цифровые интерфейсы. Они получили название из­мерительно-вычислительных комплексов (ИВК). Использо­вание в ИИС универсальных и управляющих мини- и мик­ро-ЭВМ расширило ее функциональные возможности. Значительно увеличился массив обрабатываемой информа­ции, резко возросла скорость обработки; появилась возможность алгоритмизации процесса измерения с целью повышения его точности; за счет наличия в составе измерительных преобразователей, входящих в стандартный ИВК, прецизионных калибраторов удается осуществлять сервисное обслуживание ИИС (калибровку).

Промышленностью выпускается несколько типовых и проблемно-ориентированных ИВК (ИВК-1, ИВК-2, ИВК-3, ИВК «Гамма» и т. д.).

В четвертомпоколениеИИС, в которых используются многофункциональные (ан­самблевые) первичные измерительные преобразователи, позволяющие осуществлять преобразование нескольких од­нородных или разнородных физических величин. Получение информации, преобразование и предварительная обработка будут осуществляться на самом нижнем уровне иерархии ИИС встроенным в первичный преобразователь микропро­цессором, что значительно сократит потоки информации, циркулирующей в системе. Расширилось сервисное обслу­живание: путемсамодиагностики, а также анализа влияю­щих факторов можно осуществлять вИИС необходи­мые профилактические мероприятия и выбирать соответ­ствующий алгоритм измерения. Применение многопроцес­сорных систем позволяет, с одной стороны, разделить функции обработки и управления, а с другой стороны, зна­чительно повысить быстродействиеИИС за счет одновременного измерения нескольких параметров и параллельной их обработки. Быстродействие повышено также за счет применения универсальных и быстрых интерфейсов. Использование волоконно-оптических каналов связи зна­чительно повысило помехоустойчивостьИИС.

ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ

При проектировании ИИС по заданным техническим и эксплуатационным характеристикам возникает задача, свя­занная с выбором рациональной структуры и набором тех­нических средств для ее построения. Структура ИИС в ос­новном определяется методом измерения, положенным в ее основу, а количество и тип технических средств — инфор­мационным процессом, протекающим в системе. Оценку характера информационного процесса и видов преобразо­вания информации можно произвести на основании ана­лиза информационной моделиИИС.

Так какИИС является многоканальной и содержит в своем составе устройства обработки измерительной инфор­мации и банки данных, с которыми происходит непрерывный обмен информации, информационные связи в ИИС сложные, и построение информационной модели системы является трудоемким процессом, а сама модель настолько сложна, что затрудняет решение поставленной задачи.

В связи с тем, что в ИИС третьего поколения обработка информации осуществлялась в основном универсальными ЭВМ, являющимися структурным компонентомИИС, и при проектировании последней они выбираются из ограничен­ного ряда серийных ЭВМ, то информационную модель ИИС можно упростить, сведя ее к модели измерительного канала (ИК).

 

Рис. 10.1. Информационная модель ИИС

 

Во всех измерительных каналах ИИС, включа­ющих в себя элементы информационных процессов от от­бора информации у объекта исследования или управления до ее отображения или обработки и запоминания, содер­жится некоторое ограниченное количество видов преобра­зования информации. Объединив все виды преобразования информации в одном измерительном канале и выделив по­следний из состава ИИС, а также имея в виду, что на вхо­де измерительной системы всегда действуют аналоговые сигналы, получим две модели (рис.10.1, а, б).

Информационная модель, приведенная на рис. 10.1, а, описывает весь класс ИК, предназначенных для реализации прямых измерений, а модель на рис. 10.1, б соответствует измерению с обратным преобразованием информации. Дей­ствительно, любой процесс преобразования и получения (измерения) информации может быть представлен в виде приведенных моделей. Даже такой сложный алгоритм пре­образования информации, как тестовый, может быть разбит на три независимых последовательных информационных процесса, каждый из которых соответствует модели на рис.10.1, а.

На моделях, в узлах 0—4 происходит преобразование ин­формации. Стрелки указывают направление информацион­ных потоков, а их буквенные обозначения — видпреобра­зования. Узел 0 является выходом объекта исследования или управления, на котором формируется аналоговая ин­формация А, определяющая состояние объекта. Информа­ция Апоступает в узел1, где она преобразуется к виду А_н, удобному для дальнейших преобразований в системе. В узле 1могут осуществляться преобразования неэлектри­ческого носителя информации в электрический, усиление последнего, масштабирование, линеаризация и т. д., т. е. нормирование параметров носителя информации А.

В узле 2 нормированный носитель информации А_н для передачи по линии связи модулируется и представляется в виде аналогового А_м либо дискретного Д_м сигнала.

Аналоговая информация А_н в узле 3₁ демодулируется и поступает в узел 4₁, где она измеряется и отображается.

Дискретная информация в узле 3₂ либо преобразуется в аналоговую информацию А_д и поступает в узел 4₁, либо после цифрового преобразования поступает на средство отображения цифровой информации или в устройство ее обработки.

В некоторых ИК нормированный носитель информации Аиз узла 1 сразу поступает в узел 4для измерения и ото­бражения. В другихИК аналоговая информация А без операции нормирования сразу поступает в узел 2, где она дискретизируется.

Таким образом, информационная модель (рис. 10.1, а) имеет шесть ветвей, по которым могут передаваться потоки информации:аналоговые ветви 0—1—2—3₁—4₁ и 0— 1—4₁ и аналого-дискретные 0—1—2—3₂—4₁, 0—1—2— 3₂—4₂ и 0—2—3₂—4₁, 0—2—3₂—4₂. Ветвь 0—1— 4₁ не используется при построении измерительных каналов ИИС, а применяется лишь в автономных измерительных приборах, и потому в модели на рис. 10.2, б она не показана.

Модель, приведенная на рис. 10.1, б, отличается от мо­дели на рис. 10.1, алишь наличием ветвей 3₂—1’—0, 3₁— 1’—0,3₁—1’—1, по которым осуществляется обратная пе­редача аналогового носителя информации А’_д. В узле 1’ выходной носитель аналоговой информации А’_д преобразу­ется в однородный с носителем входной информации А или носителем нормированной информацииА­_н сигнал А’­. Ком­пенсация может быть осуществлена как по А, так и поА_н.

Анализ информационных моделей измерительных кана­лов ИИС показал, что при построении ее на основе метода прямогоизмерения возможны лишь пять вариантов струк­тур, а при использовании методов измерения с обратным преобразованием информации 20.

В подавляющем большинстве случаев (особенно при построении ИИСдля удаленных объектов) обобщенная информационная модель ИК ИИС имеет вид, показанный на рис. 10.1, а, а наибольшее распространение получили аналого-дискретные ветви 0—1—2—3₂—4₂ и 0—2—3₂—4₂. Как видно, для указанных ветвей число уровней преобразо­вания информации в ИК не превышает трех.

Так как в узлах располагаются технические средства, осуществляющие преобразование информации, то, учиты­вая ограниченное число уровней преобразования, их можно объединить в три группы. Это позволит при разработке ИК ИИС выбрать нужные технические средства для реа­лизации той или иной структуры.

Группа технических средств узла1 включает в себя весь набор первичных измерительных преобразователей, а также унифицирующие (нормирующие) измерительные преобразователи (УИП), осуществляющие масштабирова­ние, линеаризацию, преобразование мощности и т. д., блоки формирования тестов и образцовые меры.

В узле 2 в случае наличия аналого-дискретных ветвей располагается другая группа средств измерения: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), коммутаторы Км, слу­жащие для подключения соответствующего источника ин­формации к ИК или устройству обработки, а также кана­лы связи (КС).

Третья группа (узел32) объединяет в своем составе преобразователи кодов (ПК), цифро-аналоговые преобра­зователи (ЦАП) и линии задержки (ЛЗ).

Таким образом, информационная модель ИК ИИС по­зволяет перейти к его структуре по схеме, которая для вет­ви 0—1—2—3₂—4₂ имеет вид, представленный на рис. 10.2.

На рис. 10.2 ПП — первичный преобразователь; ПК— преобразователь кодов; Кд— ключевой элемент управля­емого коммутатора Км.

Приведенная структура ИК, реализующая метод пря­мых измерений, показана без управляющих работой ком­мутационным элементом и АЦП связей. Она является ти­повой, и на ее основе строится большинство многоканаль­ных ИИС, особенно ИИСдальнего действия.

Обобщенная структурная схема многоканальной авто­матизированной ИИС представлена на рис. 10.3. Принцип действия ее заключается в следующем.

Измерительная информация от объекта исследования, представленная в виде физических величин х₁, х₂, ..., х_п, преобразуется соответствующими ПП₁ и УИП₁, и при помо­щи системного коммутатораКм подключается ко входу АЦП, а затем поступает в канал связиКС.

 

 

Рис. 10.2. Структурная схема измерительного канала ИИС

 

 

Рис. 10.3. Обобщенная структурная схема ИИС

 

С выходаКСизмерительная информация в виде некоторого кода посту­пает на вход вычислительного устройства ВУ, где происхо­дит ее обработка. Вычислительное устройство осуществля­ет непрерывный обмен информацией с банком данных БД, в котором находятся заданные нормы, коэффициенты, хра­нится оперативная информация и т. д. Результаты обработки поступают одновременно или поочередно на средства отображения цифровой информации СОИ₂, в уп­равляющую ЭВМ (УЭВМ) или непосредственно на испол­нительные механизмы, регулирующие состояние объекта. При необходимости аналогового представления измеритель­ной информации последняя с выхода КС поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, а затем на сред­ства отображения аналоговой информации СОИ₁ (графо­построитель, электронно-лучевую трубку).

Программное управление системой, а именно работой Км, АЦП и СОИ, осуществляется либо вычислительным устройством, либо автономным блоком управления с пуль­та оператора.

 

Рис. 10.4. Модель ин­формационного поля

 

Приведенная структура ИИС является одной из самых распространенных. Однако в зависимости от назначения и требований, предъявляемых к измерительной системе, мо­жет быть реализовано еще несколько типовых структур многоканальных ИИС.

Многоканальные ИИС представляют собой самый рас­пространенный и наиболее обширный класс измерительных систем.

В промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и военном деле, при научных исследованиях и комплексных испытаниях образцов новой техники используются быстродействующие, высокоточные и надежные ИИС. Сложность технологических объек­тов, характеризующихся большим числом потоков информации, распределенность их в пространстве требует наличия многоканальных измерительных структур. В настоя­щее время уже редко можно встре­тить одноканальные измерительные системы, предназначенные для из­мерения одного параметра, локализованного на тех­нологическом объекте. Это объясняется тем, что состояние технологических объектов определяется не одним, а рядом параметров, которые необходимо не только измерять, но и совместно обрабатывать. Поэтому создание нескольких одноканальных ИИС, имеющих одинаковые функциональ­ные блоки с последовательной обработкой результатов их измерения на автономных универсальных ЭВМ, неэффек­тивно.

Так как современный объект исследования можно пред­ставить в виде распределенного в пространстве информа­ционного поля, то для оценки состояния объекта оператив­ную информацию необходимо получать из нескольких ис­точников информации (точки а_i) информационного поля {а_i}, рис. 10.4.

Существует несколько способов получения информации от распределенных объектов.

Один из способов предусматривает наличие одного дат­чика, который путем перемещения в пространстве (скани­рования) позволяет получать информацию от всех источников a_i информационного поля объекта. Этот способ ис­пользуется лишь в том случае, когда физические величины, характеризующие состояние объекта, являются однородны­ми (например, исследование температурных полей, распре­деления зарядов в пространстве, электрохимических свойств океанской или морской воды и т. д.).

Другой способ заключается в том, что во всех точках а_i располагаются соответствующие первичные преобразова­тели, а информацию получают путем последовательного или одновременного опроса каждого ПП.

Этот способ получения информации применяется в том случае, когда необходимо измерять разнородные физиче­ские величины, несущие информацию о состоянии исследу­емого объекта (например, перемещение, температуру, влажность, заряды и т. д.).

Таким образом, по способу получения информации от объекта исследования многоканальные ИИС можно объе­динить в две группы: 1) ИИСпоследовательного действия;2) ИИС параллельного действия.

Информационно-измерительные системы последователь­ного действия, если придерживаться терминологии, исполь­зуемой в [23], включают в свой состав сканирующие мно­готочечные и мультиплицированные системы. В указанных ИИС, так же как и в структуре, приведенной на рис. 10.3, используются специфические для измерительных систем унифицирующие измерительные преобразователи и комму­таторы. Так как эти устройства практически не использу­ются в измерительных приборах, то принципы их построе­ния не рассматривались в соответствующих параграфах. Однако в ИИС они играют немаловажную роль, и их сле­дует более подробно рассмотреть.

 

---

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1049; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!