Узагальнені структурні схеми процесів вимірювання та контролю
3.1. Схема процесу вимірювання та її аналіз з погляду автоматизації
Типова схема автоматизованих вимірів зображено на рис. 3.1. Об'єктом виміру може бути деякий процес, явище або пристрій. Вимірювані величини сприймаються датчиками, з виходів яких електронні сигнали надходять на комутатор. Комутатор підвищує коефіцієнт використання вимірювальної установки при багатоканальних вимірах. Опитування датчиків може бути циклічним (параметри однорідні та стаціонарні), програмним (параметри стаціонарні, але неоднорідні) або адаптивним (параметри нестаціонарні).
Електричний сигнал з обраного комутатором датчика перетворюється на цифровий код в АЦП. Інтерфейс забезпечує сполучення вимірювального каналу з ЕОМ. Далі вимірювальна інформація піддається обробці за заданою програмою в ЕОМ і подається в зручній формі на екрані дисплея або надрукованої на папері. База даних (БД) призначена для зберігання необхідної вимірювальної та довідкової інформації.
ЦАП використовується для двох цілей: подання результатів вимірів в аналоговій формі з подальшим їх перетворенням у графічну форму і перетворення команд ЕОМ в аналогові сигнали з метою управління об'єктом вимірювань. Канал управління дозволяє активно впливати на об'єкт (нагрівати, охолоджувати, опромінювати, деформувати, перебудовувати), слідкуючи одночасно за реакцією його на ці дії. Наявність ЕОМ дозволяє проводити обчислювальний експеримент.
3.2 Процес контролю та можливості його автоматизації
Процес контролю зводиться до перевірки відповідності об'єкта встановленим технічним вимогам. Сутність контролю (ГОСТ 16504 - 81) полягає у проведенні двох основних операцій:
- отриманняінформації про фактичний стан об'єкта, про ознаки та показники його властивостей (первинна інформація);
- зіставлення первинної інформації із заздалегідь встановленими вимогами, нормами, критеріями (вторинна інформація).
Заздалегідь встановлені вимоги до об'єкта контролю можуть бути подані у вигляді зразкового виробу або у вигляді переліку певних параметрів та їх значень із зазначенням полів допуску.
Граничні значення областей стану контрольованого параметра називаютьнормами. Відмінність вимірювання та контролю полягає в тому, щопри вимірі порівнюють з одиницею певної фізичної величини з метою отримання кількісної інформації, апри контролі фізичний параметр порівнюють з його нормою з метою визначення відхилень даного параметра (якісна характеристика об'єкта - "придатний"-"непридатний").
Сукупність технічних засобів, за допомогою яких виконуються операції автоматичного контролю, називаютьсясистемами автоматичного контролю. Дані системи є однією з основних ланок САУ та АСУТП.
На рис. 3.2 наведено узагальнену структурну схему системи автоматичного контролю. Коротко розглянемо основне призначення складових частин, що входять до цієї системи.
Підсистема комутації та зв'язку – служить безпосереднього підключення системи до об'єкта контролю. Вона може здійснюватися за допомогою провідних або кабельних ліній або використання високочастотного радіоканалу. До складу підсистеми входять пристрої комутації контрольованих та стимулюючих сигналів.
Підсистема ІП та генераторів випробувальних впливів - містить перетворювачі різних фізичних величин, нормалізатори їх вихідних сигналів в уніфіковані електричнісигнали, а також генератори випробувальних сигналів, що формують на об'єкт контролю.
Підсистема узгоджувальних перетворювачів - складається з перетворювачів уніфікованих аналогових сигналів у код (АЦП – для сигналів напруги, струму та частотно-цифрові – для частотних сигналів), та зворотних перетворювачів «код – аналог» для формування випробувальних впливів.
Операційна підсистема - є спеціалізованою ЕОМ, яка може бути виконана на мікропроцесорних комплексах БІС.
Підсистема введення – виведення - включає пристрої, що забезпечують зв'язок оператора з системою (пульт управління, дисплей, електричні друкарські машини та ін), пристрої реєстрації інформації, зовнішні довгострокові пристрої, що запам'ятовують, а також засоби підготовки і введення програм. Принципи сполучення ЕОМ з іншими підсистемами ґрунтуються на застосуванні стандартних каналів передачі даних.
3.3 Огляд узагальнених схем вимірювальних систем
3.3.1 Структурні схеми ІВ з аналоговою та цифровою передачею сигналу
Для вимірювання невеликої кількості величин з відносно невисокою швидкодією характерна структурна схема, наведена на рис. 3.3. Вихідні електричні сигнали з вимірювальних перетворювачів (ІП) через комутатор (КМ) по черзі надходять на передавальний (вихідний) перетворювач (ВП), що узгоджує виходи ІП з каналом зв'язку (КС). Приймальний перетворювач (ПП) виділяє інформаційний сигнал, який після первинної обробки та посилення на пристрої аналогової обробки (УАТ) надходить в АЦП та після перетворення – на індикатор результатів вимірювання (ІР).
Оцінку отриманої інформації та вироблення керуючих впливів здійснює оператор. Ця системапризначена лише для збирання та відображення вимірювальної інформації.
Передача по КС інформації в цифровій формі відрізняється великою перешкодою. На рис. 3.4 представлено структурну схему системи з цифровою передачею інформації. АЦП, виконані за інтегральною технологією, дозволяють конструктивно поєднувати АЦП з кожним ІП об'єкта. Це дає можливість відмовитися від аналогового комутатора, що вносить спотворення, та на приймальній стороні здійснювати ряд операцій обробки за допомогою пристрою цифрової обробки (УЦО), такі як усереднення, порівняння, віднімання, накопичення та зберігання інформації.
Для організації управління процесом вимірювання вводиться логічний керуючий пристрій з "жорстким" алгоритмом - "приладовий контролер", що автоматично задає тривалість такту вимірювання, управління реєстрацією та цифровою обробкою результатів вимірювань. Введення в систему вже досить простих обчислювальних засобів значно розширює її можливості щодо обробки інформації. Вступмікропроцесорного контролера дозволяє зробити більш гнучким алгоритм роботи і відмовитися від блоку УЦО, т.к. контролери у разі можуть обробляти інформацію.
3.3.2. Структури сполучення приладів та пристроїв з ЕОМ.
Система, що маєінтерфейс радіального типу складається з окремих приладів, що вимірюють значення обмеженої кількості досліджуваних фізичних величин (рис. 3.5).
Передача інформації від приладів до ЕОМ відбувається під керівництвом спеціальної програми і вимагає створення кожному їх специфічного інтерфейсу, т.к. кожен прилад з'єднується з ЕОМ індивідуальним кабелем.
Недоліки радіальної структури сполучення:
1. ЕОМ повинна мати стількивходів, скільки до неї підключено пристроїв;
2. Громіздкість структури;
3. Обмеження можливості перебудови та нарощування системи.
Магістральна структура сполученняхарактеризується наявністю наскрізного каналу передачі даних (системного каналу обміну інформацією), рівноправністю всіх підключених пристроїв та асинхронним принципом обміну.
Кожен із підключених пристроїв може бути передавачем інформації, приймачем чи контролером. Це дозволяє на основі обмеженої номенклатури приладів та пристроїв створювати різноманітні системи.
Канал передачі (магістральний інтерфейс) розподіляє інформацію між окремими елементами системи (встановлюється черговість роботи).
У вимірювальному приладобудуванні поширення набула магістральна структура каналу, наведена на рис. 3.6.
системний контролер координує роботу окремих елементів системи та здійснює зміну форматів даних та команд у процесі обміну з ЕОМ;
шинна система ліній зв'язку - передає сигнали (інформаційні та керуючі);
інтерфейсні схеми обміну (ІСО) - пов'язані з шинною системою каналу та вимірювальними перетворювачами (ІП). Вони забезпечують інформаційну сумісність.
Прикладами стандартних магістральних інтерфейсів можуть бути: інтерфейс МЕК і система КАМАК, принципи побудови яких розглянемо нижче.
3.3.3. Структурна схема ІВ з мікропроцесорною обробкою інформації та управлінням
Система (рис. 3.7) містить аналогову вимірювальну підсистему (АІП), операційну підсистему та підсистему ПВВ.
Вимірювані фізичні величини Xi за допомогою первинних перетворювачів ПІП перетворюються на аналогові сигнали Уi, що надходятьв підсистему ІЦ (вимірювальні аналогові ланцюги), де зазнають нормалізації та первинної обробки.
До складу ІЦ входять: аналогові комутатори, фільтри, детектори, підсилювачі тощо.
Уніфікований сигнал Уi надходить на вхідний перетворювач АЦП.
Операційна підсистема (ВП) – призначена для цифрової обробки кодів АЦП, і навіть формує керуючі впливу всім вузлів системи. Як ВП можуть використовуватися міні-ЕОМ (для ІВК) або мікро-ЕОМ (для ІІС).
У системах високої продуктивності широке застосування отримали одноплатні ЕОМ та мікропроцесорні машини на основі мікропроцесорних комплексів ВІС (МПК ВІС).
Підсистема ПВВ виконує функції: реєстрації результатів обробки цифрових індикаторах, екранах дисплеїв; документування інформації; оперативне введення програм з магнітних дисків тощо; ручне керування системою за допомогою пультового терміналу, формування керуючих та виконавчих сигналів зворотного зв'язку з об'єктом дослідження.
Особливого значення у системі має організація зв'язку між її підсистемами.