Общие сведения. Усложнение современного производства, развитие научных исследований в различных направлениях привело к необходимо­сти измерять или контролировать одновременно

Усложнение современного производства, развитие научных исследований в различных направлениях привело к необходимо­сти измерять или контролировать одновременно сотни, а иногда и тысячи физических величин. При этом наметился переход к при­нятию решений на основании использования результатов не от­дельных измерений, а потоков измерительной информации, ин­тенсивность которых возрастает за счет увеличения частотного, диапазона и числа измеряемых величин. Например, контроль за состоянием космической станции «Салют-7» осуществляется при помощи 2100 первичных измерительных преобразователей, при­чем в одну секунду проводится 25 600 измерений.

Естественная физиологическая ограниченность возможно­стей человека в восприятии и переработке больших объемов информации привела к возникновению такого вида средств изме­рений, как измерительные информационные системы (ИИС) (см. 4.1).

По функциональному назначению ИИС делят на измерительные системы, системы автоматического контроля, системы технической диагностики.

В последнее время получили распространение измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) - вид ИИС, в состав которых входит свободно программируемая ЭВМ, используемая не только для обработки результатов измерения, но и для управле­ния самим процессом измерения, а также для формирования управляющих воздействий на объект исследования (см. гл. 4.1).

По организации алгоритма функционирования ИИС различают системы с жестким заранее заданным алгоритмом функционирования, программируемые системы и адаптивные системы. В системах с жестким алгоритмом функционирования алгоритм работы ИИС не меняется, в связи с чем такая система может применяться для исследования объектов работающих в определенном режиме. В программируемых системах алгоритм работы изменяется в соответствии с заранее заданной программой, кото­рая составляется в зависимости от условий функционирования объекта исследования. В адаптивных системах алгоритм работы, а иногда и структура ИИС изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта исследования, в связи с чем адаптивная система может применяться для исследовании объектов, различающихся по своим характеристикам. При построении адаптивной ИИС требуется меньшее количество предварительной информации, чем при по­строении измерительных информационных систем с жестким алгоритмом функционирования, что имеет большое значение при исследовании новых объектов, характеристики которых еще мало известны.

Наиболее перспективным методом проектирования ИИС в на­стоящее время является принцип агрегатно-модульного построе­ния различных систем из сравнительно ограниченного набора выпускаемых промышленностью унифицированных узлов.

Агрегатно-модульный принцип построения ИИС предполага­ет применение стандартных интерфейсов, под которыми понима­ют как совокупность правил протоколов и программного обеспе­чения процесса обмена информацией, так и технические средст­ва сопряжения модулей в системе. Наиболее распространенными для ИИС в настоящее время являются при­борный интерфейс и интерфейс КАМАК. Приборный интерфейс отличается сравнительной простотой и может использоваться при построении относительно простых и медленно действующих систем. Интерфейс КАМАК применяется в ИИС, предназначен­ных для исследования сложных объектов с быстропротекающими процессами.

Исходя из функций ИИС, основными из которых являются получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, представление информации оператору или ЭВМ, формирование управляющих воздействий на объект исследова­ния, на рис. 10.1 представлена обобщенная структурная схема ИИС, содержащая следующие устройства:

1) устройство измерения, включающее в себя первичные и вторичные измерительные преобразователи и собственно изме­рительное устройство, выполняющее операции сравнения с ме­рой, квантование, кодирование; в это же устройство может вхо­дить и коммутатор.

2) устройство обработки измерительной информации, выпол­няющее обработку измерительной информации по определенному алгоритму (сокращение избыточности, математические опера­ции, модуляция и т. п.);

3) устройство хранения информации;

4) устройство представления информации в виде регистрато­ров и индикаторов;

5) устройство управления, служащее для организации взаи­модействия всех узлов ИИС;

6) устройство воздействия на объект, включающее в себя генераторы стимулирующих воздействий

Рисунок 10.1 – Структурная схема ИИС

Информация от ИИС может выдаваться оператору или посту­пать в ЭВМ. Оператор и ЭВМ могут воздействовать на устройство управления ИСС, меняя соответственно программу ее работы. В ряде ИИС некоторые устройства и связи могут отсутствовать или видоизменяться. Так, могут отсутствовать устройства воздей­ствия на объект, хранения и обработки информации. При нали­чии в составе ИИС ЭВМ информация к ЭВМ может поступать непосредственно от устройств обработки или (и) хранения.

В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными узлами (ФУ), являющимися приемниками и передатчиками информации, различают цепочечную, ра­диальную и магистральную структуры ИИС.

В ИИС с цепочечной структурой (рис. 10.2, а) передача ин­формации осуществляется последовательно от одного ФУ к дру­гому, а все ФУ выполняют заранее заданную операцию над вход­ным сигналом. ИИС с такой структурой относительно проста, но функциональные возможности ее ограничены.

В ИИС с радиальной структурой (рис. 10.2, б) обмен сигнала­ми между ФУ происходит через центральное устройство управле­ния - контроллер, который задает режим работы ФУ, изменяет число и состав взаимодействующих ФУ, а также связи между ними, что приводит к изменению функций ИИС. В этой структуре каждый ФУ подключается к контроллеру посредством индивидуальных шин. Недостатком радиальной структуры является усложнение контроллера при увеличении числа ФУ.

В ИИС с магистральной структурой (рис. 10.2, в) существует общая для всех ФУ магистраль, по которой передаются сигналы взаимодействия ФУ. Такая структура позволяет легко наращивать число функциональных узлов в системе.

а)

б) в)

Рисунок 10.2 – Структурная (а), цепочная (б) и магистральная (в) структурные схемы передачи данных

Существует также радиально-цепочечные и радиально-магистральные структуры, представляющие собой комбинации рассмотренных структур.

Физические величины, измеряемые и контролируемые с по­мощью ИИС, весьма разнообразны. Для того чтобы ИИС были универсальными, т. е. пригодными для измерения и контроля разнообразных величин, измеряемые и контролируемые величины представляют унифицированными электрическими сигналами. Унификация заключается линеаризации зависимости информативного параметра сигнала от измеряемой величины и в приведении максимального и минимального размера информативного параметра к заданным значениям?

В ИИС применяют следующие унифицированные сигналы:

1) Непрерывные сигналы в виде постоянных и переменных токов и напряжений, параметры которых (мгновенные, средние, действующие значения, частота, период, угол фазового сдвига между двумя переменными токами или напряжениями) являются информативными параметрами. Диапазоны изменения парамет­ров некоторых непрерывных унифицированных сигналов норми­рованы государственными стандартами. Эти сигналы называют нормированными. Приведение (нормирование) параметров сигналов к определенному уровню осуществляется так называ­емыми нормирующими измерительными преобразователями.

2) Импульсные сигналы в виде серии импульсов постоянного тока, параметры которых (амплитуда, частота, длительность импульсов или интервалов) являются информативными пара­метрами.

3) Кодово-импульсные сигналы, например, в виде импульсов постоянного тока или напряжения, комбинации которых переда­ют значения кодированных измеряемых величин.

Применение тех или иных унифицированных сигналов завит от требуемых характеристик ИИС, вида канала связи, формы представления измерительной информации (аналоговая или циф­ровая), используемой элементной базы и др.