1.2. Обзор развития промышленной электроники

Изделия промышленной электроники за последние 50 с лишним лет прошли большой путь от громоздких приборов с недостаточной надежностью, большим энергопотреблением, выполнявших ограниченные измерительные функции, до сложных многофункциональных устройств, соответствующих современному техническому уровню. В развитии рассматриваемой отрасли можно выделить пять поколений аппаратуры промышленной электроники. В приборах этих поколений изменялись элементная база, используемые детекторы, методы выполнения и характеристики (быстродействие и чувствительность, диапазон и число измеряемых параметров, надежность и ремонтопригодность, ресурс работы и сроки службы, степень автоматизации, стандартизации и точность процесса измерений), структурные и схемотехнические решения.

Приборы 1-го поколения, относящиеся к середине 40-х – началу 50-х годов, представляли собой устройства, выполненные с применением электронно-вакуумных ламп. Аппаратура промышленной электроники на начальном этапе развития выполнялась так называемым приборным способом, для которого был характерен индивидуальный подход к проектированию и изготовлению приборов.

В середине 50-х годов произошла смена 1-го поколения приборов для ИИИ на второе. Аппаратура 2-го поколения стала намного более сложной. Она стала обладать большими функциональными возможностями

Одной из основных проблем в связи с возросшей сложностью приборов стало повышение надежности в работе. Это удалось реализовать только при появлении транзисторов, выпуск которых был освоен отечественной промышленностью к концу 50-х годов. В качестве базовых элементов в устройствах памяти стали использовать сердечники на ферритах с прямоугольной петлей гистерезиса. Транзисторы вытеснили электровакуумные лампы, что позволило сделать аппаратуру не только более надежной, но и намного более быстродействующей, экономичной (потребляемая мощность сократилась с нескольких ватт на лампу до сотых долей ватта на вентиль), дешевой, имеющей в несколько раз меньшие массо-габаритные характеристики.

Был повсеместно внедрен печатный монтаж, который позволил значительно снизить трудоемкость изготовления электронных узлов и повысить их надежность. Для упрощения компоновки и обеспечения взаимозаменяемости однотипных блоков были разработаны конструкции вдвижных блоков единой высоты и глубины с шириной, кратной некоторой величине (модулю), использовавшие однотипные соединители.

Все это определило переход во 2-м поколении приборов к функционально-блочному способу компоновки аппаратуры. В соответствии с ним приборы разбивались на отдельные, схемотехнически и конструктивно завершенные изделия – функциональные блоки, из которых компоновалась радиационная аппаратура.

На начальных этапах развития промышленной электроники при разработке аппаратуры основное внимание уделялось лишь механической сопрягаемости отдельных блоков и устройств и их электрической совместимости, что характерно для серийно выпускаемых наборов блоков «Б», «М», «Т».

Увеличение плотности потоков информации и повышение быстродействия аппаратуры потребовали автоматизации ее работы и стандартизованности не только механических конструкций и электрических параметров, но и логики взаимодействия между собой отдельных блоков. Система блоков «Вектор» была создана по нормам широко известной системы «САМАС». Основа подобных систем – канал передачи данных, который является иерархическим, древовидным. Он включает несколько видов каналов применительно к основным конструктивным элементам систем (каркасу, стойки, комплексу из стоек), так как именно эти конструктивные единицы определяют длину линии связи. Большое удобство при работе с этими системами заключается в независимости их функционирования от конкретного типа используемой ЭВМ, поскольку эта связь определяется лишь одним интерфейсным блоком связи с ЭВМ.

Разработка системы программно-управляемых блоков позволила автоматизировать не только проведение эксперимента, но и сам процесс изготовления блоков на этапе их настройки и проверки работоспособности.

В системе «Вектор» было разработано более 100 разновидностей блоков с различными измерительными и логическими характеристиками: линейки усилителей, различных видов преобразователей, регистров и счетчиков, устройств накопления и обработки информации, ввода-вывода информации. Блоки выполняли на шасси стандартных размеров, для их компоновки использовали стандартные каркасы и стойки. Таким образом, значительную часть необходимой аппаратуры, в том числе и достаточно специфичной (включая многоканальные и многомерные анализаторы), экспериментаторы собирали из стандартных блоков, затрачивая минимум времени и средств.

В 60-х годах произошла смена поколений приборов для ИИИ – со 2-го на третье. Для аппаратуры 3-го поколения благодаря использованию интегральных схем были характерны:

• значительное сокращение (более чем на порядок) числа элементов в аналогичных по назначению устройствах;

• дальнейшее повышение надежности, применение цифровых узлов и элементов вместо аналоговых;

• создание более сложных по структуре устройств;

• увеличение объема собираемых данных;

• представление результатов измерений в цифровой форме.

С переходом в аппаратуре 3-го поколения на интегральные микросхемы существенно возросла плотность монтажа.

Все это определило важность внедрения (начиная с первой половины 70-х годов) в разработку приборов методов автоматизированной разводки печатных плат и изготовления плат с помощью ЭВМ. В соответствии с принципиальной электрической схемой при помощи библиотек с данными по радиоэлементам определялись оптимальное размещение микросхем и других радиоэлементов на плате, соединения между элементами (трассировка) и подготавливался файл для изготовления печатных плат на автоматическом оборудовании.

В рамках изготовления аппаратуры 3-го и последующих поколений (начиная с 60-х годов), наряду с разработкой отдельных приборов, начали создаваться различные комплексные измерительные системы для радиационных измерений. Примером таких комплексов были системы радиационного контроля (РК) на атомных электростанциях (АЭС), радиоэкологического контроля местности, прилегающей к объектам атомной промышленности и энергетики.

В начале 70-х годов произошла очередная смена поколений и расширение номенклатуры приборов промышленной электроники – с аппаратуры 3-го на аппаратуру 4-го поколения, элементной базой которой служили микросхемы с повышенной степенью интеграции (в том числе, микросхемы памяти). Важной особенностью приборов 4-го поколения явилось введение в состав многих устройств централизованных ЭВМ, так что приборы стали полностью програмно-управляемыми. Использование ЭВМ для управления работой аппаратуры позволило существенно улучшить измерительные и эксплуатационные характеристики приборов. За счет проведения различных вычислительных операций была повышена точность и воспроизводимость измерений (компенсировались периодические слагающие погрешности, исключались субъективные ошибки оператора), автоматизировалась обработка результатов измерений, оператор освобождался от выполнения рутинных операций.

Реальная возможность широко использовать средства вычислительной техники в приборах появилась в 80-х годах после разработки и серийного выпуска микропроцессоров, больших интегральных схем (БИС) микропроцессорных семейств и микроконтроллеров – массовых и дешевых вычислительно-управляющих устройств, а также создания и широкого внедрения в практику персональных компьютеров (ПК). Это привело к появлению нового, 5-го поколения аппаратуры промышленной электроники, которое характеризовалось использованием в составе приборов ПК и построением приборов с распределенным интеллектом, содержащих микропроцессоры и микроконтроллеры в различных звеньях измерительного тракта.

Устройства 5-го поколения были выполнены как различные децентрализованные информационно-измерительные системы (ИИС) с местной обработкой данных и такими «интеллектуальными» компонентами (наряду с блоками детектирования), как устройства световой и звуковой сигнализации, блоки бесперебойного низковольтного питания и т.д. Часто в аппаратуре использовалось резервирование основных блоков и устройств. Практически во всех устройствах было введено самодиагностирование.

Разрабатываемые в настоящее время подобные ИИС представляют собой многодетекторные устройства с непрерывным контролем состояния основных компонентов производств или звеньев технологического процесса. Они базируются на промышленных ПК, со световой и звуковой предупредительной и аварийной сигнализацией и с обменом данными между компьютером и блоками детектирования по информационным магистралям (например, с интерфейсом RS-485), через радиальные цепи (например, с интерфейсом RS-232), по радиоканалу или по телефонным каналам. Такие единые децентрализованные системы с распределенным интеллектом и оптимальным разделением функций между средствами вычислительной техники и оператором заменяют разрозненные специализированные устройства с ограниченным кругом функций.

Для создаваемых ИИС характерным является стремление:

• расширить функциональные возможности;

• наделить их возможностями не только контролировать имеющуюся ситуацию, но и на основании выявленных тенденций прогнозировать развитие ситуации для ранней диагностики аварийных ситуаций;

• вырабатывать рекомендации персоналу по проведению противоаварийных мероприятий.

В таких системах должно:

• выполняться самодиагностирование всех составляющих их компонентов;

• поверяться блоки детектирования, входящие в состав системы;

• проводиться метрологическая аттестация аппаратуры на месте размещения и без демонтажа.

Перспективными для этого направления приборостроения являются работы, результатом которых должны явиться расширение форм представления различных измерений, повышение наглядности представления данных, улучшение взаимодействия оператора с техническими средствами, а также повышение надежности каналов обмена данными (например, использование опторазвязок, аппаратно-программных средств защиты от сбоев). Кроме того, необходимо проводить работы по организации архивирования получаемых данных, автоматизированной подготовке отчетных материалов, фильтрации результатов измерения и передаче наиболее существенных данных в системы более высокого уровня.

Важной задачей является построение систем, цель которых – не только получение информации об внешних воздействиях и состоянии объекта (проведение контроля), но и управление производственными комплексами и оптимизация технологических процессов, т.е. переход от ИИС к автоматизированным системам управления (АСУ) и автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУТП). Это потребует не только дополнения имеющихся программно-аппаратных технических средств устройствами управления исполнительными механизмами, но и осуществления резервирования основных компонентов системы и значительного повышения надежности работы систем (в том числе, программного обеспечения).

Одна из важных задач сегодняшнего дня – использование достижений микроэлектроники для повышения характеристик аппаратуры промышленной.