щей классификации ИИС, как уже говорилось, целесообразно сосредоточить внимание на особенностях исследуемых величин, определяющих принцип действия ИИС с точки зрения системотехники.

Классификация входных величин по таким признакам приведена в табл. 2.1.

Входные величины характеризуют исходный материал , поступающий в ИИС, и, следовательно, в определенной мере позволяют определить, какие оценки могут быть получены при наличии этого материала .

Таблица 2.1. Классификация входных величин (сигналов)

Необходимо дать некоторые пояснения к классификационным признакам входных величин.

Количество величин i определяется суммой всех (в том числе однородных) величин. При i2 входные величины могут быть как независимыми, так и взаимосвязанными. Заметим, что взаимная связь между исследуемыми величинами может быть весьма разнообразной.

Входные величины могут изменяться во времени и быть распределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах, временных или пространственных функциях.

Под активными подразумеваются величины, способные оказывать энергетические воздействия на входные устройства системы. К ним, например, относятся электрический ток и напряжение, ионизирующие, световые, тепловые излучения, механические силы, давления и т. д.

Пассивны такие величины, как сопротивления электрических цепей, механические сопротивления, твердость, жесткость и т. п.

В табл. 2.1 речь идет о внешних по отношению к ИИС помехах. Часто они неотделимы от входных величин, так как физически вызываются теми же явлениями. Разграничение их с изучаемыми величинами во многих случаях связано со значительными трудностями. Помехи могут характеризоваться теми же признаками, что и измеряемые величины; здесь же они лишь разделяются на независимые от входных величин и с ними связанные.

Первые три классификационных признака позволяют подойти к ориентировочному разделению областей использования различной степени сложности технических средств измерительной информационной техники (ИИТ).

В табл. 2.2 приведены основные разновидности входных величин, характеризующиеся их количеством / и аргументами {t -

Таблица 2.2. Основные разновидности входных величии

время, 5 - пространственная координата). Заметим, что входные величины могут быть дискретными: qi{tj, Se), где t = l, 2,..., п, /=0, 1,..., /V, 2, 3.

Согласно этой таблице можно выделить характерные области: измерение одной величины (i=\) реализуется, как правило, приборами; измерение множества величин {(?г(/, s)}, i2, в большинстве случаев реализуется ИИС.

Дальнейшая детализация области использования ИИС может быть проведена при рассмотрении вида выходной информации и других классификационных признаков.

2.2. РАЗДЕЛЕНИЕ ИИС ПО ВИДУ ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Функциональное назначение определяет вид выходной информации ИИС.

По виду выходной информации ИИС прежде всего могут быть ра.зделены на измерительные системы, на выходе которых получается измерительная информация, (именованные числа, их отношения), и на системы, которые выдают количественные суждения о состоянии исследуемых объектов, - контрольные, диагностические, распознающие.

Остановимся на основных разновидностях измерительных систем. В метрологии и измерительной технике принято считать, что процесс измерительного эксперимента обязательно включает измерительные и, как правило, вычислительные процедуры. Под измерительными процедурами понимаются в первую очередь восприятие входных величин и преобразование измерительных сигналов, сравнение непрерывных сигналов с мерами и получение

цифровых значений этих сигналов. К вычислительным процедурам относятся математические преобразования аналоговых, дискретных и цифровых сигналов в процессе измерения.

Здесь уместно отметить, что специалисты в области ИИТ большое внимание уделяли и уделяют созданию новых измерительных средств, в которых совместно выполнялись бы операции измерения и обработки информации. По существу ваттметры счетчики электрической энергии, мостовые измерительные устройства, компенсаторы переменного тока, цифровые вольтметры переменного тока и т. п. являются устройствами, в которых операции измерения и обработки выполняются неразрывно. Больше того, если проанализировать работу любого, даже простейшего средства измерения, то в нем всегда можно найти операции обработки. Так, например, электроизмерительные магнитоэлектрические приборы, как правило, выполняют операции фильтрации и усреднения динамических составляющих, имеющихся в измеряемой величине или накладывающихся на нее.

В настоящее время в состав ИС часто входят микропроцессоры, малые ЭВМ и другие вычислительные устройства; в некоторых ИС измерительные и вычислительные процедуры выполняются одновременно и неразрывно (см. мультиплицированные ИС, аналого-цифровые коррелометры, функциональные аналого-цифровые преобразователи и т. п.).

Однако если не ограничить объем и характер применяемых вычислительных процедур, то область действия измерительных систем может быть неоправданно широка.

В работе К. Б. Карандеева ( Электричество , 1949) отмечается, что измерение начинается с установления цели измерения (искомого параметра) и оканчивается получением результата, включая в себя, в качестве составной части, измерительный процесс. .. . Под целью измерения при этом понимается физическая величина, количественная оценка которой в конечном счете является задачей всего исследования.

Остановимся на определении основных целей измерения.

Во-первых, измерение может быть направлено на нахождение значений входных величин (длины, массы, температуры, тока и т. п.).

В этом случае, если учитывать характер взаимосвязи между входными величинами, то можно выделить ИС, предназначенные для измерения следующих величин:

независимых входных величин ={[a;i], [л;2], ..., Заме-

тим, что в этом случае процесс измерения заключается в нахождении цифровых значений этих величин;

входных величин G-{qu <72, , 9?i), непосредственное раздельное измерение которых невозможно.

Во-вторых, могут быть установлены цели измерения, связанные с измерением следующих физических величин: функций от входных величин /(X) или / (DX).

Пример-: ИС, предназначенные для измерения мощности, скорости, удельного веса;

параметров зависимости {Р-[Х(А)]} входных величин Х{А) = =л;, (ЯО, Х2{%2),---,Хп{кп) от заданного аргумента A=Ki

2, . Яп-

Пример: ИС, предназначенные для измерения коэффициен-гов корреляции, спектральной плотности мощности, температурных коэффициентов сопротивления и т. п.

В соответствии со сказанным целесообразно выделить ИС независимых входных величин, ИС зависимых величин, ИС функций от входных величин и ИС параметров зависимостей входных величин. Среди последних большую роль играют статистические-ИС.

Здесь перечислены названия классов ИС, которые приняты далее при изложении материала по ИС. Каждая же конкретная ИС в названии может содержать цель измерения, например система для измерения температур, напряжений, корреляционная или спектральная система.

Выше были рассмотрены ИС, которые являются основной разновидностью ИИС и, как правило, [входят в любой из них.

Рассмотрение же контрольных, диагностических и распознающих систем производится в ч. 4Б.

2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ИИС ПО ПРИНЦИПАМ ПОСТРОЕНИЯ. РОЛЬ ЭВМ

В обобщенной структурно-функциональной схеме ИИС (см рис. 1.1) показаны основные блоки ИИС и их взаимосвязь. Далеко не всегда необходимо использовать весь приведенный на рис. 1.1 состав блоков в конкретных системах. Нужно также иметь в виду что для выполнения одних и тех же функций могут быть созданы-системы, существенно различающиеся по структуре и алгоритму работы.

Число возможных структурных вариантов систем при указанном на рис. 1.1 количестве функциональных устройств будет очень большим. Классифицировать это многообразие возможных структур для ИИС в целом весьма затруднительно. Видимо, рационально рассмотреть структуры измерительных, контрольных и других систем отдельно, в соответствующих частях книги, выделив основные функциональные элементы этих систем. В общей же классификации ИИС целесообразно остановиться на наиболее общих принципах их построения (табл. 2.3).

Сделаем краткие пояснения к классификационным признакам' этой таблицы.

Наличие специального канала связи, обеспечивающего передачу качественной информации от объекта, находящегося на большом-расстоянии, приводит к необходимости решения ряда специфических вопросов. В соответствии с этим нужно выделить специальный

Та Г) лица 2.3. Классификация принципов построения ИИС

Классификационный признак

Наличие специального канала связи Порядок выполнения операций полученья информации Агрегатирование состава системы

стандартного интер-

Использование . фейса

Наличие программно-управляемых вычислительных устройств (микропроцессоры, малые ЭВМ и пр.)

Наличие контуров информационной обратной связи

Изменение скоростей получения и выдачи информации

Сигналы, используемые в ИИС Структурная и информационная избыточность

Адаптация к исследуемым величинам

Отсутствует Последовательный

Агрегатирован-

НЫЙ

Не используется Отсутствуют

Разомкнутые системы

Без изменения (в реальном времени)

Аналоговые

Безызбыточные системы

Неадаптивные системы

Имеется Параллельный

Неагрегатирован-ный

Используется

Имеются

Компенсационные (одно- и многоконтурные системы)

С изменением скоростей

Кодоимпульсные

Избыточные системы

Адаптивные системы

класс телеинформационно-измерительных систем (ТИИС)-ИИС дальнего действия.

Выполнение последовательно или параллельно операций полу чения информации во многом определяет количество элементов системы, быстродействие, надежность и т. п. Измерительная информационная система может состоять из частей, в которых последовательность операций получения или преобразования информации может быть различной. Естественно, в системе для перехода от параллельного к последовательному выполнению преобразований информации и наоборот должны использоваться соответствующие согласующие устройства.

Использование пригодных для совместной работы функциональных блоков агрегатных комплексов ГСП и стандартных цифровых интерфейсов существенно определяет многие характеристики ИИС. Более подробно это рассматривается в гл. 3 и 5.

Наличие в составе программно-управляемых цифровых вычислительных средств (микропроцессоров, малых ЭВМ и т. п.) является очень важным классификационным признаком. Система, со держащая такие средства, обладает определенной универсальностью, так как при соответствующем программном обеспечении может (при ограниченном быстродействии) выполнять функции систем различного назначения. Измерительные информационные системы, содержащие такие вычислительные средства, называют измерительно-вычислительными системами (ИБС), а ИБС, создаваемые потребителями из стандартных устройств для

решения локальных экспериментальных задач,-л скальными иве (ЛИВС).

в иве можно выделить универсальное ядро, в которое входят часть аналоговых преобразователей (например, коммутаторы), аналого-цифровые преобразователи, часть цифровых преобразователей (цифровые коммутаторы и устройства памяти), ЭВМ, набор устройств отображения и регистрации информации, средства интерфейса и устройства, формирующие воздействия на исследуемый объект. Это ядро цифровых ИИС получило название измерительно-вычислительных комплексов (ИВК). В Советском Союзе организован промышленный выпуск нескольких разновидностей ИВК (см. гл. 9).

Измерительно-вычислительные системы при известных условиях могут создаваться на базе управляющих вычислительных машин (УВМ) и комплексов (УВК), имеющих в своем составе ЭВМ (см. гл. 14).

В некоторых частных случаях (например, при измерении электрических величин) технические средства ИВС и ИВК могут совпадать, а отличие между ними будет заключаться лишь в про граммном обеспечении.

Наличие контура обратной информационной связи позволяет организовать компенсационные методы измерения, позволяющие получить более высокие точностные характеристики.

Изменение скоростей получения и выдачи информации в ИИС возможно главным образом при использовании запоминающих устройств (ЗУ). Оно может быть, например, применено для быстрого запоминания значений исследуемых величин и медленной выдачи информации и наоборот.

Введение адаптации ИИС к исследуемым величинам, структурной и информационной избыточности в целях повышения надежности, помехоустойчивости, точности, гибкости работы и т. п. типично для системотехники. Можно предполагать, что дальнейшее развитие ИИС во многом будет зависеть от решения этих вопро сов.

Приведенная классификация используется и при необходимости конкретизируется в остальных частях книги.

Часть вторая ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИИС {системное оборудование]

Глава 3

АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

3.1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Принципиальные положения, лежащие в основе государственной системы приборов (ГСП), отражают техническую политику, направленную на удовлетворение основных потребностей народного хозяйства Б современных технических средствах автоматизации [3.1]. В настоящее время ГСП ориентируется на обеспечение потребностей не только промышленности, но и науки, медицины и др.

Работы по созданию ГСП в СССР были начаты в конце 50-х голов. Основной результат этой работы характеризуется тем, что в составе ГСП в настоящее время выпускается более 2000 типов промышленных приборов и средств автоматизации, большое количество АСУ в промышленности выполнено на базе технических средств ГСП, создана техническая и методологическая база (в -области ГСП выпущено более 200 государственных стандартов, законодательно закрепивших основные положения ГСП), необходимая для дальнейшего развития автоматизированных систем управления.

Основная идея ГСП заключается в том, что при построении .автоматизированных систем управления используются типовые .алгоритмы измерения, контроля, диагностики, управления, реализуемые на ограниченном базисе технических средств, которые могут компоноваться методом агрегатирования.

Применение принципа агрегатирования в ГСП предусматрива-ет создание сложных устройств из более простых унифицированных изделий методом их наращивания и стыковки. Важное преимущество агрегатирования связано с возможностью совершенствования отдельных изделий ГСП без полного их обновления.

Состав типов устройств ГСП и их характеристики определяются параметрическими рядами изделий. При выявлении таких рядов проводились унификация и стандартизация входящих в них изде-

ЛИЙ. Эта работа привела к существенному уменьшению трудоемкости изготовления изделий.

ГСП-совокупность изделий, предназначенных для получения, обработки и использования информации, обеспечивающих информационное (метрологическое и функциональное), энергетическое и конструктивное сопряжение изделий в автоматизированных системах управления и экспериментальных исследований, а также экономически целесообразные точность, надежность и долговечность. Для реализации информационной, конструктивной и энергетической совместимости изделий ГСП разработано соответствующее методическое, математическое и метрологическое обеспечение. Под методическим обеспечением подразумеваются главным образом рекомендации по применению ГСП для построения и использования систем управления. Математическое обеспечение совершенно необходимо для систем с программным управлением, включающих ЭВМ. Метрологическое обеспечение должно служить достижению и гарантированному поддержанию уровня метрологических характеристик как изделий ГСП, так и систем, созданных на их основе.

Все основные технические средства получения и обработки информации ГСП создаются в составе отличающихся по функциональному назначению, области применения или по принципу действия агрегатных комплексов.

Агрегатные комплексы объединяют взаимосвязанные между собой изделия по их назначению, принципу действия, основным техническим характеристикам, конструкции и технологической базе. Совокупность этих изделий должна обеспечивать выполнение задач, стоящих перед комплексами. В ГСП входят и выпускаются промышленностью более 20 агрегатных комплексов. Принципы организации, в значительной мере конструктивно-элементная база и нормативная документация являются общими для всех агрегатных комплексов. Это составляет основу для совместного использования изделий различных агрегатных комплексов.

Государственная система приборов-развивающаяся система. В ней постоянно происходит уточнение состава агрегатных комплексов, элементной базы, вопросов совместимости изделий, введение новых законодательных документов и т. п. Большинство агрегатных комплексов подвергалось за время существования коренной модификации, и можно предполагать их дальнейшие изменения. К агрегатным комплексам широкого применения, изделия которых могут быть использованы для создания ИИС, входящих как в состав АСУ технологическими прогрессами, так и в автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний сложных объектов, относятся в первую очередь агрегатные комплексы средств электроизмерительной техники (АСЭТ), телемеханической техники (АСТТ), вычислительной техники (АСВТ), комплекс технических средств локальных информационно-управляющих систем (КТС ЛИУС).

В настоящее время Центральный научно-исследовательский институт технико-экономической информации приборострое-

ния (ЦИИИТЭИ приборостроения) издает каталоги изделий I СП, которые могут быть использованы при проектировании ИИС. Далее рассматриваются лишь основные сведения о составе и особен ностях построения АСЭТ-агрегатного комплекса средств электроизмерительной техники, одна из главных областей действия которого связана с созданием ИВК и ИИС.

В 1961 г. было принято решение об организации совместной работы стран-членов Совета Экономической Взаимопомощи по созданию Международной универсальной системы автоматического контроля, регулирования и управления (УРС). Главной целью создания УРС было обеспечение стран социализма техническими средствами автоматизации.

Работы по УРС ведутся странами - членами СЭВ согласованно и в тесном сотрудничестве.

В ГДР основные положения УРС реализованы в универсальной системе приборов и устройств для сбора, передачи, обработки и использования информации при автоматизации технологических процессов (УРСАМАТ).

На основе устройств УРСАМАТ созданы разнообразные системы автоматического контроля и регулирования, которые находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства ГДР. Опыт использования системы УРСАМАТ в ГДР показал ее высокую эффективность, выражающуюся в резком сокращении сроков разработки установок для автоматизации производственных процессов, снижении примерно на 30% расходов на обслуживание и ремонт и т. п.

3.2. АГРЕГАТНЫЙ КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Агрегатный комплекс АСЭТ ГСП объединяет устройства сбора и преобразования измерительной информации (первичные и унифицирующие преобразователи электрических и магнитных величин, усилители, коммутаторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т. п.), электроизмерительные приборы, устройства отображения информации, измерительно-вычислительные комплексы универсального и специального назначения.

Головной отраслевой организацией по агрегатному комплексу АСЭТ является Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизмерительных приборов (ВНИИЭП) Всесоюзного производственного объединения Союзэлектроприбор Минприбора СССР.

По существу, большая часть электроприборостроительной промышленности Советского Союза производит изделия АСЭТ ГСП. За относительно короткий срок были реализованы АСЭТ первой и второй очереди [3.2], разработаны и приводятся в жизнь основные положения АСЭТ третьей очереди (АСЭТ-111). В настоящее время 75% всех типов электроизмерительных устройств выпускается с применением электронной техники, обеспечивается измере-

ние 80 электрических величин. В рамках АСЭТ-1 и АСЭТ-П создано два поколения более 500 типов функционально и конструктивно законченных изделий, был принят ведомственный интерфейс ЕИ-1; элементная база ограничивалась микроэлектронными схемами с малой и средней степенями интеграции [3.2]. Возможность использования БИС, микропроцессорных комплектов и микро-ЭВМ, объединения функциональных блоков с помощью стандартных приборного интерфейса и интерфейса КАМАК (см. гл. 5), серьезное развитие устройств отображения информации-все это привело к необходимости разработки и реализации АСЭТ-Ш. В АСЭТ-П1 созданию системных средств, позволяющих более полно использовать принцип агрегатирования и комплектовать измерительные комплексы и завершенные системы из изделий АСЭТ-П1, отводится центральное место [3.3].

Важная особенность современных ИИС связана с их программно-алгоритмическим обеспечением. В АСЭТ-П! расширяется работа в этом направлении.

Многие изделия АСЭТ-П1 строятся с использованием микропроцессорных комплектов и БИС, что может позволить создавать на их базе двухуровневые системы с децентрализованным управлением работой первой ступени (см. гл. 5).

В АСЭТ-П1 предусматривается введение системы унифицированных типовых конструктивов (УТК-2), обеспечивающих конструктивную совместимость изделий АСЭТ.

Информационная совместимость изделий АСЭТ-П1 обеспечивается применением унифицированных сигналов, соответствующих международным стандартам, а также стандартных интерфейсов.

Эксплуатационная совместимость изделий АСЭТ-П1 определена ГОСТ 12997-76 и ГОСТ 22261-76 на общие технические требования к изделиям и ГОСТ 13216-74 на их надежность.

Разработаны системные метрологические характеристики, определяющие метрологическую совместимость изделий АСЭТ, создается специальная метрологическая аппаратура (см. гл. 22).

Структура АСЭТ-Ш [3.3] представлена на рис. 3.1-3.3 (где звездочкой отмечены блоки и виды преобразований, которые выполняются в интерфейсе стандарта КАМАК).

В АСЭТ-Ш предусматривается изготовление функциональных блоков в исполнении как приборном, т. е. в завершенном конструктивно и энергетически, так и модульном, позволяющем выполнять назначенные функции только при объединении с соответствующими блоками (питания, управления). Приборные функциональные блоки могут объединяться с помощью приборного интерфейса, а модульные-интерфейса стандарта КАМАК.

Расширяются разработка и выпуск в АСЭТ-Ш функциональных блоков, которые выполняют заданные функции программным способом. Такие функциональные блоки содержат, как правило, в своем составе микропроцессоры и являются разновидностью измерительно-вычислительных средств.