Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы
Подождите немного. Документ загружается.
401
Ввод кодового сигнала в средства вычислительной техники осу-
ществляется с помощью так называемых приборных интерфейсов.
Интерфейс для средств измерений (приборный интерфейс) предназначен
для обмена информацией между средствами измерений, имеющими выходной
сигнал в виде соответствующего кода, и средствами цифровой вычислительной
техники.
Рис. 14.2. Структурная схема устройств согласования
В последнее время в измерительных системах, - включающих средства
цифровой вычислительной техники, применяются приборные интерфейсы
магистрального типа (с общей магистралью). К таким интерфейсам относится
приборный интерфейс МЭК (IEC — International Electrotechnical Comission),
рекомендованный Международной электротехнической комиссией, и
интерфейс
402
КАМАК (САМАС — Computer Automated Measurement and Control).
На рис. 14.3 показана схема подключения нескольких измерительных и
вычислительных устройств к общей магистрали. Все подключаемые к этой
магистрали устройства называют в данном случае приборами. Интерфейс
состоит из общей магистрали для скоростной передачи приборных и
интерфейсных сообщений, интерфейсной части средств измерений и других
подключаемых устройств (интерфейсы А, Б, В на рис. 14.3), а также устройства
управления (контроллера). Подключенный к магистрали прибор может
Рис. 14.3. Схема подключения нескольких измерительных и
вычислительных устройств к общей магистрали
находиться в следующих состояниях: резерв, функционирование в качестве
источника информации (ИИ) и функционирование в качестве приемника
информации (ПИ). Таким образом предусматривается возможность управления
работой приборов по программе.
Интерфейсные части программно-управляемых приборов выполняют в
двух вариантах:
в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри
прибора как его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней
панели прибора (этот вариант применяется в новых приборах, выпускаемых в
соответствии с действующими международными стандартами);
в виде отдельно выполненных модулей, подключаемых к серийно
выпускаемым или ранее выпущенным устройствам с выходным сигналом в
виде кода. При подключении к магистрали интерфейсной части измерительных
устройств присваивается кодированный адрес.
403
В магистрали несколько линий, выполняющих определенную функцию,
объединены в шины интерфейса, а именно: шину данных, шину
синхронизации, шину управления (рис. 14.3). Шина данных используется для
передачи так называемых приборных (информационных) сообщений, к которым
относят сообщения о результатах и единицах измерений, последовательности
(программе) измерений и т.д. По шинам синхронизации и управления
передаются так называемые интерфейсные сообщения, обеспечивающие
взаимодействие подключенных к магистрали устройств. К интерфейсным
относятся сообщения, предписывающие этим устройствам реализацию тех или
иных служебных (интерфейсных) функций, таких, как: источник информации,
приемник информации, контроллер, синхронизация передачи, приема, запрос
на обслуживание, параллельный опрос, очистка устройства, запуск прибора,
дистанционное и местное управление.
§ 14.3. Применение средств цифровой вычислительной техники в
измерительных устройствах
Современный этап развития приборостроения характеризуется широким
применением в составе средств измерений вычислительных устройств,
построенных на базе микропроцессоров — микропроцессорных систем.
Применением таких систем в измерительных устройствах достигают двух
целей: расширяют функции измерительных устройств и улучшают их
характеристики.
Использование микропроцессорных систем (МПС) в средствах
электрических измерений позволяет по-новому подойти к их компоновке и
алгоритмам функционирования, увеличить информационные возможности,
повысить точность, надежность и быстродействие.
В области технологических измерений ведется поиск рациональных
решений и разработка измерительных устройств со встроенными МПС.
В общем случае включение МПС в состав измерительных устройств
позволяет решить такие основные задачи, как:
вычисление по формулам (в том числе линеаризация, масштабирование,
обработка результатов косвенных или совокупных измерений и т. п.);
вычисление по заданному алгоритму;
статистическая обработка;
анализ параметра (на максимум, минимум и т. п.);
корректировка статической характеристики (на основе методов повышения
точности измерительных устройств);
автоматическая самоградуировка и самоповерка (в частности,
восстановление коэффициента преобразования и корректировка нулевого
уровня сигнала);
связь с системой, к которой подключено измерительное устройство;
404
самодиагностика;
управление измерениями;
стабилизация или программное регулирование режимных параметров
измерительного устройства.
Однако включение МПС в состав измерительных устройств наряду с
сообщением им несомненно новых положительных качеств приводит к
существенному усложнению этих устройств. По сложности измерительные
устройства со встроенной МПС близки к измерительным системам,
включающим микроЭВМ.
В качестве примеров рассмотрим структурные схемы, используемые в
настоящее время для создания измерительных устройств технологических
параметров (рис. 14.4). Наиболее широкое применение имеет схема (рис. 14.4,
а), реализующая метод вспомогательных измерений (см. гл. 3). В работе
измерительного устройства, построенного по такой схеме, используется
информация об основном (измеряемом) параметре П и вспомогательных
параметрах П1, П2 — влияющих величинах (окружающая температура,
атмосферное давление и т. п.). Учет с помощью МПС через функции влияния
действия влияющих величин обеспечивает уменьшение погрешности
измерительного устройства. По такой схеме строятся устройства для измерения
давления, температуры, уровня, расхода, объема и др. При этом измерения
основного и вспомогательного параметров могут осуществляться методом
прямого и уравновешивающего преобразования.
На рис. 14.4, б показана структурная схема измерительного устройства со
встроенной МПС, обеспечивающая реализацию измерений по методам
образцовых сигналов и совместных измерений (см. гл. 3).
Измерительная часть данного устройства осуществляет измерение
параметра П, меры (набора мер) М, а также совместное измерение параметра П
и набора мер. Обработка информации и управление процессом измерения
осуществляет МПС.
Измерительное устройство, построенное по схеме (рис. 14.4, в), включает в
свой состав операционный узел ОУ, в котором с помощью устройства
формирования управляющих воздействий УФУВ по командам МПС
осуществляются необходимые для выполнения измерения переключения
элементов, в результате которых формируется воздействие (воздействия)
измеряемого параметра П на чувствительный элемент ЧЭ.
Схемы (рис. 14.4, б, в) находят применение при создании измерительных
устройств массы, объема, плотности жидких сред и др. [32].
Наиболее эффективным применением МПС считается их использование в
средствах аналитической техники, где наряду с измерением основного и ряда
вспомогательных параметров требуется осуществлять управление (логическое
и аналоговое) узлами аналитического устройства и проводить в большом
объеме вычисления, связанные с обработкой информации.
405
Рис. 14.4. Структурные схемы устройств для технологических измерений со
встроенной МПС:
ЧЭ, ЧЭ1, ЧЭ2 — чувствительные элементы; ППЭ, ППЭ1, ППЭ2 —
промежуточные преобразовательные элементы; У, У/, У2 — усилители; ЭК —
электрический коммутатор; ИФУ — интерфейсное устройство; М — мера
(набор мер); УФУ В — устройство формирования управляющих воздействий:
ОУ — операционный узел; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ЧЦП
— частотно-цифровой преобразователь; ЦАП — цифроаналоговый
преобразователь, МПС — микропроцессорная система; И — индикатор
цифровой
406
Рис. 14.5. Структурные схемы анализаторов качества со встроенным МПС:
АУ, АУ
1
,
,
АУ
2
,…, АУ
п
— аналитические устройства; Д, Д
1,
Д
2
, .... Д
п
— детекторы;
БИП—блок измерения параметров аналитических устройств (остальные обозначения
приведены на рис. 14.4)
407
Таблица 14.1
Параметры химико-технологических процессов, измеряемые с
помощью измерительных устройств со встроенными МПС
Измеряемый
параметр
Вспомогательный
измеряемый параметр
Информация,
сохраняемая в памяти
вычислительного устройства
Давление Температура ЧЭ
давления
Статические характеристики ЧЭ давления
и температуры.
Функция влияния температуры на сигнал
измерительного устройства
Расход (по пере-
паду давления на
сужающем
устройстве)
Температура ЧЭ пе-
репада давлений
Статические характеристики сужающего
устройства, ЧЭ перепада давлений и
температуры.
Функция влияния температуры на сигнал
измерительного устройства
Температура
(термоэлектриче-
ским ЧЭ)
Температура «хо-
лодного спая»
Статические характеристики термо-
электрических ЧЭ и терморезисторов для
измерения температуры «холодного спая»
Температура
(пирометром спек-
трального отноше-
ния)
―
Статическая характеристика фотометра,
длины волн, принятые для определения
спектрального отношения
Объем жидкости
в резервуаре
(по уровню)
Температура ЧЭ
уровня
Статические характеристики ЧЭ уровня и
температуры.
Функции влияния температуры на сигнал
измерительного преобразователя уровня.
Тарировочная характеристика резервуара
Масса жидкости
в резервуаре
(по
гидростатическом
у давлению)
Температура ЧЭ
давления
Статические характеристики ЧЭ
давления, температуры,
Функции влияния температуры на сигнал
измерительного преобразователя давления.
Тарировочные характеристики резервуара
Физико-химиче-
ские свойства, по-
казатели качества,
концентрация,
состав
Температура анали-
тического устройства,
расход и давление
анализируемого, вспо-
могательного и образ-
цового веществ, ат-
мосферное давление,
режимные параметры
электрических цепей
Статические характеристики ЧЭ тем-
пературы, давления, расхода, тока,
напряжения.
Функции влияния для параметров, по
которым осуществляется коррекция
статической характеристики анализатора.
Справочные данные и константы,
необходимые для обработки измери-
тельной информации, и др.
408
На рис. 14.5, а показана обобщенная структурная схема автоматического
анализатора качества. В анализаторах, осуществляющих измерение одного
параметра, основной сигнал измерительной информации формируется в
аналитическом устройстве АУ с помощью того или иного детектора Д. Для
уменьшения погрешности анализатора и обеспечения его нормального
функционирования с помощью ряда чувствительных элементов осуществляется
измерение ряда параметров, по значениям которых корректируется статическая
характеристика, стабилизируются режимные параметры аналитического
устройства и осуществляются необходимые для проведения анализа
переключения. Две последние функции реализуются МПС через УФУВ. В
аналитический блок помимо анализируемого и вспомогательного (ВВ) веществ
предусматривается возможность подачи образцового вещества (ОВ), что
обеспечивает периодическую самоградуировку анализатора.
В анализаторах (рис. 14.5, б), реализующих многопараметрические методы
анализа состава (см. гл. 12), используется несколько аналитических устройств с
соответствующими детекторами.
Все необходимые измерения вспомогательных и режимных параметров
осуществляются блоком измерения параметров аналитических устройств БИП,
который коммутируется с блоком ЭК (на рис. 14.5, б связь между БИП не
показана). Сигналы, необходимые для управления работой этих устройств, и
стабилизация их режимных параметров вырабатываются МПС и поступают к
аналитическим устройствам через УФУВ. В табл. 14.1 приведены технологи-
ческие параметры, для которых уже сейчас созданы измерительные устройства
со встроенными микропроцессорными системами.
§ 14.4. Применение средств цифровой вычислительной техники в
измерительных системах
Измерительные системы (ИС), представленные на рис. 2.10, а, б, имеют в
настоящее время широкое применение в системах автоматического контроля,
регулирования и управления химико-технологическими процессами.
Измерительные системы с несколькими первичными измерительными
преобразователями ПИП с одним вторичным прибором (см. рис. 2.10, б) имеют
ограниченные функциональные возможности и усложняют средства
автоматического регулирования параметров.
Применение ИС (см. рис. 2.10, а) с индивидуальным вторичным прибором
для каждого первичного измерительного преобразователя на современных
химико-технологических процессах, где требуется измерение нескольких сотен
параметров, сопряжено с существенным увеличением площади щитов контроля
и управления и с затруднениями оператора, связанными с необходимостью
восприятия большого потока информации в ограниченный отрезок времени.
Из-за физиологических ограничений даже весьма тренированный оператор не
может должным образом переработать и
409
использовать полученную такими ИС информацию. Поэтому часто этим
занимаются одновременно несколько операторов.
Рост мощностей технологических установок, значительное увеличение в
связи с этим числа измеряемых параметров, развитие цифровой техники
обработки информации и переход к оптимизации процессов путем применения
АСУТП определили новые тенденции развития ИС, применение на
технологических процессах наряду с ИС и системами автоматического
контроля систем технической диагностики и систем распознавания образов,
объединенных понятием «информационно-измерительные системы» (ИИС).
В области измерительной техники, связанной с ИИС, кроме приведенных в
§ 2.7 используются следующие понятия.
Измерительно-вычислительная система (ИВС) — это ИИС, в состав
которой входит программно-управляемое цифровое вычислительное
устройство (микропроцессор, микро- и миниЭВМ и т. п.).
Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) — это универсальное
ядро ИВС, включающее все средства цифровой обработки, хранения,
регистрации и отображения измерительной информации, кроме первичных
измерительных преобразователей.
При измерении электрических величин технические средства ИВС и ИВК
могут совпадать, так как практически отсутствует необходимость первичного
преобразования информации.
Основная концепция ИИС, состоящая в системной организации местной
автоматической работы средств получения, обработки и передачи
измерительной информации, была сформулирована в начале 60-х годов в
большой степени под влиянием развивающейся цифровой вычислительной
техники. Тогда же были созданы ИИС первого поколения, характеризующиеся
централизованным циклическим получением информации с обработкой ее с
помощью входящих в ИИС специализированных вычислительных устройств.
Элементной базой этих ИИС служила дискретно-полупроводниковая техника.
В технологических процессах ИИС первого поколения использовались в
виде так называемых систем централизованного контроля. Эти ИИС не
получили широкого применения на химико-технологических процессах из-за
табличной формы представления измерительной информации, затрудняющей
определение предыстории и тенденции хода процесса, а также из-за
дублирования функций щитовой системы измерений и управления,
используемой на процессе.
Второе поколение ИИС (70-е годы) характеризуется адресным сбором
информации, обработкой ее с помощью ЭВМ, входящей в состав ИИС, и
использованием в качестве элементной базы микроэлектронных схем малой и
средней степени интеграции.
Третье поколение ИИС, развивающееся в настоящее время, ха-
рактеризуется использованием в их составе больших интегральных микросхем,
микропроцессоров, микропроцессорных комплектов и микроЭВМ, что
позволяет значительно улучшить многие характери-
410
стики ИИС, и определенной децентрализации процесса сбора, обработки и
хранения информации. В этих ИИС за счет микропроцессорных средств
выполняется обработка и промежуточное хранение информации в местах,
максимально приближенных к месту ее получения, например в рассмотренных
измерительных устройствах со встроенными МПС. Центральная ЭВМ
выполняет при этом более сложные и срочные задачи. Информационно-
измерительные системы второго и третьего поколений в соответствии с
приведенным выше определением представляют собой ИВС.
В настоящее время промышленностью выпускается несколько
разновидностей ИВК, к которым для создания ИВС достаточно подключить
соответствующие измерительные устройства.
При автоматизации технологических процессов, когда задачи измерения
технологических параметров решаются в неразрывной связи с задачами
регулирования и управления, ИВС создаются в в рамках АСУТП на базе
управляющих вычислительных машин (УВМ) или управляющих
вычислительных комплексов (УВК), входящих в состав АСУТП. Организация
последней по своей идеологии аналогична организации ИВК для ИИС третьего
поколения.
Широкое применение в современных ИВС и УВК микропроцессоров, мини-
и микроЭВМ, построенных по магистрально-модульной структуре,
обеспечивает простоту наращивания аппаратных средств и возможность
изменения решаемых задач ИВС или УВК путем программирования. Это
определяет тот факт, что все разновидности ИИС (см. § 2.7), а именно
измерительных систем сбора и обработки информации, систем
автоматического контроля, технической диагностики и распознавания
технических образов, имеют по существу одинаковую структуру, которая в
обобщенном виде показана на рис. 14.6.
Первичная измерительная информация, например о параметрах химико-
технологического процесса (объекта измерений ОИ), вырабатывается
первичными измерительными преобразователями (ПИП). Сигналы ПИП
унифицируются и преобразуются по форме и виду энергии (например,
пневматические преобразуются в электрические) в блоке аналоговых
промежуточных преобразователей (БАПП). Унифицированные аналоговые
электрические сигналы в блоке аналого-цифровых преобразователей БАЦП
преобразуются в код и поступают в цифровое устройство ЦУ, которым в
современных ИВС служат мини- или микроЭВМ. В частных случаях в качестве
цифровых устройств используются микропроцессоры, специализированные
вычислительные устройства. В качестве устройств вывода в ИВС используются
дисплеи, цифровые индикаторы, сигнализаторы, накопители на магнитных
лентах или и т. п.
Блок цифроаналоговых преобразователей (см. приложение 1) (ЦАП)
служит для формирования компенсирующих воздействий в процессе
преобразования измеряемых величин. Все функциональные блоки ИВС могут
соединяться между собой через стандартные интерфейсные устройства (ИФУ),
а управление ИВС осуществляет -