2 Управление техническим процессом

Управление техническим процессом существенно отличается от обычной обработки данных. Здесь обработка данных следует за событиями во внешнем мире, т.е. процессом. Цифровая система управления должна достаточно быстро реагировать на внешние события и постоянно обрабатывать поток входных данных, чаще всего не имея возможности изменить их количество или скорость поступления.

Рис. 1.1 Применение компьютера в управлении процессом

Одновременно может потребоваться и выполнение других операций, например обмен информацией с оператором, вывод данных на экран и реакция на определенные сигналы. Этот режим обработки данных оказался настолько важным, что получил специальное название — режим реального времени (real-time mode).

Во всех системах управления имеются одинаковые функциональные блоки — сбор данных, обмен данными с другими контроллерами и компьютерами и взаимодействие с человеком - оператором.

В общем случае система цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.2 ):

• управляющего элемента;

• каналов обмена информацией;

• аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП);

• датчиков и исполнительных механизмов;

• собственно физического/технического процесса.

Рис. 1.2 Основная структура системы цифрового управления процессом

Для того чтобы обеспечить связь контроллера с процессом, приходится применять много разных технологий. Самыми важными для цифрового управления являются измерения и технология датчиков. Датчики должны точно отображать физические переменные технического процесса как в стационарных, так и в переходных режимах работы. Измерительные устройства, которые обеспечивают только сигналы "включено/выключено" — бинарные датчики. Важную роль в прикладных задачах управления процессами играют различные датчики аналогового типа.

При передаче сигналов между датчиками, управляющим контроллером и исполнительными устройствами сигналы, которые вырабатываются датчиками, должны быть согласованы как с устройствами измерения, так и с интерфейсом контроллера. В этом смысле очень важно предпринять защитные меры против влияния разнообразных электрических помех, искажающих первоначальный сигнал датчика. Вид носителя сигнала — ток, напряжение или свет — обычно выбирается в зависимости от характера помех.

Системы управления реального времени, включающие непрерывное измерение и мониторинг физических величин, должны часто принять во внимание возможность допустимой погрешности, чтобы гарантировать правильное поведение системы (даже в присутствии данного количества ошибок аппаратных средств и ошибок программного обеспечения).

3 Измерительная информация и средства измерений

Измерение - «нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств». В этом определении говорится:

• о физической величине;

• о совокупности операций по применению особого технического средства, хранящего единицу физической величины;

• о операциях, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с её единицей;

• о получении значения этой величины.

 Результатом измерения должно быть рациональное число, определенное с известной точностью. В том случае, когда непрерывное качество физического объекта или процесса дискретизируется и результат такого аналого-цифрового преобразования (оцифровывания) может быть выражен совокупностью рациональных чисел известной точности, процесс измерения можно считать оконченным. Последующие преобразования цифрового результата следует относить к процессу вычисления, а не измерения [1].

Современное средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Суть средства измерений заключается  в «умении»  хранить (или воспроизводить) единицу физической величины и в неизменности размера хранимой единицы.

Числовое значение физической величины не является единственным способом представления результата измерения. Более общий термин, отражающий как числовые значения физической величины, так и её значения в иной форме (сигнал, отсчёт, код) - измерительная информация.

Разновидностью измерительной информации является сигнал и отсчёт. Помимо представления значения физической величины в виде числа, сигнала и нецифрового отсчёта - возможно её представление и в виде кода (двоичного, шестнадцатеричного, двоично-десятичного и др.).

К первичным средствам измерений относят меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и датчики, измерительные устройства, измерительные установки. Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

 Форма представления первичных средств измерений измерительной информации определяется как измерительный сигнал.

«Измерительная система - совокупность функционально управляемых измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях».  В определении измерительной системы не делается различий между средствами измерений и другими техническими средствами, включая PLC, то есть средствами неизмерительного назначения. Все эти средства применяются с целью измерения.

 Таким образом, «измерительная система» - техническое устройство, предназначенное для измерений и представляющее собой, в общем случае, совокупность измерительных приборов, измерительных преобразователей (в том числе устройства согласования сигналов), линий связи, цифровых и аналоговых вычислительных устройств, объединённых общим алгоритмом функционирования и предназначенных для автоматического (автоматизированного) получения данных о состоянии объекта путём измерительных преобразований множества изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразования этих данных в выходные сигналы системы.

 Характерными свойствами измерительной системы являются размещение технических средств в разных точках управляемого объекта и получение данных о состоянии объекта путём измерительных преобразований множества изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин. Различные технические средства измерительной системы размещаются в разных точках пространства и используются для измерения физических величин, изменяющихся во времени и распределённых в пространстве. Для интеграции такой распределённой во времени и в пространстве информации необходимо обеспечить соответствующие условия её хранения, передачи, обработки, отображения, регистрации, документирования и дальнейшего распространения.

 На рис.1.3. приведена типовая структурная схема измерительной системы. Из схемы ясно, что большая часть измерительной системы (её первичная и вторичные части) осуществляет аналоговые преобразования измерительных сигналов, и только на выходе вторичной части (на выходе АЦП) появляются промежуточные значения физических величин, представляемые в виде цифрового кода. Получение числовых результатов измерений происходит только в конечном компоненте измерительной системы - в цифровом вычислительном компоненте. В процессе приёма им в реальном масштабе времени кодов с АЦП и их последующей дискретной обработки (вычислений) в своей разрядной сетке ( с достаточной разрядностью для достижения требуемой точности вычислений) с использованием соответствующих форматов данных и алгоритмов.

Рис. 1.3 Структурная схема измерительной системы

Такая структура системы слабо связана в пространстве, но сильно связана во времени (информация на выходе одного компонента должна в реальном масштабе времени и с минимальными задержками быть обработана следующим в измерительной цепи компонентом). Длительное хранение информации, представленной в аналоговом или дискретном виде в том или ином компоненте измерительной системы (за исключением цифрового вычислительного компонента), невозможно. В этой измерительной системе все операции, производимые теми или иными компонентами, независимо от их вида (измерительные, связующие, вычислительные), являются составной частью процесса измерения. Неправильная работа какого-либо компонента, даже такого пассивного, как линия связи, автоматически приведёт к ошибочному результату.

 Хотя измерительная система содержит пространственно, конструктивно и функционально обособленные компоненты различного назначения, система в целом должна рассматриваться как единое средство измерений. Такая измерительная система по своей метрологической сути идентична первичному средству измерения, выполненному в виде законченного изделия. Поэтому такие измерительные системы можно с полным основанием назвать нецифровыми (в них цифровой результат формируется не внутри системы, а только на её выходе).

Есть цифровые измерительные системы, использующие на нижнем уровне первичные измерительные преобразователи и с цифровым выходом и длительно хранимой цифровой базой данных, формируемой в точке измерения. Измерительные системы становятся слабо связанными системами не только в пространстве, но и во времени: доступ к цифровым измерительным данным нижнего уровня систем возможен практически в любое время при полной гарантии сохранения результатов измерений в точке измерения и их неискажённого получения для дальнейшей обработки на верхних уровнях системы.

Важнейшей частью измерительной системы являются измерительные каналы. Измерительный канал  представляет собой цепь последовательно соединённых технических средств, образующих непрерывный путь прохождения измерительной информации от её входа до выхода и предназначенных для измерения одной физической величины. Под измерительной информацией, проходящей через измерительный канал, подразумевается аналоговый сигнал.