12 Лекция. Измерительные информационные системы

 

         Содержание лекции:

         - информационно-измерительные системы (ИИС), цепочечная, радиальная и магистральная структуры ИИС, АСКУЭ, ЛАСКУЭ, РАСКУЭ.

 

         Цель лекции:

         - изучить  обобщенную структурную схему, методы проектирования, функции, различные структуры ИИС, рассмотреть в качестве примера автоматизированную систему контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ).

 

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. Естественная физиологическая ограниченность возможно­стей человека в восприятии и переработке больших объемов информации привела к возникновению такого вида средств изме­рений, как измерительные информационные системы (ИИС) [6].

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.

         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.

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 рисунке 12.1 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 12.1 – Обобщенная структурная схема ИИС

 

         Информация от ИИС может выдаваться оператору или посту­пать в ЭВМ. Оператор и ЭВМ могут воздействовать на устройст­во управления ИИС, 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 (рисунок 12.2, 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 (рисунок 12.2, 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 (рисунок 12.2, в) существует общая для всех ФУ магистраль, по которой передаются сигналы взаимодействия ФУ. Такая структура позволяет легко наращи­вать число функциональных узлов в системе.

 

               Рисунок 12.2 – Цепочечная (а), радиальная (б) и магистральная (в)

                                                                 структуры ИИС

 

         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 в линеаризации зависимости информа­тивного параметра сигнала от измеряемой величины и в приведе­нии максимального и минимального размера информативного параметра к заданным значениям.

Автоматизированная система контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ, другое название — автоматизированная информационно-измерительная систе­ма коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУ))  представляет собой спе­цифический тип измерительной системы, которая обеспечивает процесс измере­ния и автоматизированное получение результатов измерений для:

         - получения достоверной информации о количестве произведенной, передан­ной и потребленной электрической энергии и мощности;

         - оперативного анализа режима потребления и контроля качества электроэнергии;

         - оперативного контроля и анализа режима потребления электроэнергии и мощности потребителями;

         - оптимального управления нагрузкой потребителей;

         - формирования базы данных на энергообъектах.

         АСКУЭ выполняется на базе серийно выпускаемых технических средств и программного обеспечения. К техническим средствам относятся измерительные трансформаторы тока и напряжения, счетчики электрической энергии (в настоящее время, как правило, цифровые, устройства сбора и передачи данных (УСПД)  от счетчиков, каналы связи для передачи измерительной информации и  обработки информации (как правило, персональные ЭВМ).

По принципу организации существующие АСКУЭ можно разделить на два типа: локальные (для отдельных предприятий) и региональные (многоуровневые).

         Локальная АСКУЭ (ЛАСКУЭ) располагается на одном предприятии (например, на подстанции) и имеет следующую структуру (Приложение И, рисунок И1):

         - измерительные трансформаторы тока и напряжения (ИТТ и ИТН) — их число соответствует общему числу потребителей электроэнергии предприятия  (с учетом числа фаз);                                                                                                                                                                                                

          - счетчики электрической энергии (СЧ) с телеметрическим (на выходе пропор­циональная последовательность импульсов) или цифровым (на выходе циф­ровой код) выводом информации;

- устройства сбора и передачи данных (УСПД) - телесумматоры, мультиплек­соры и др.;

- электронные устройства связи для передачи измерительной информации с со­ответствующей каналообразующей аппаратурой (модемы);

- сервер опроса УСПД (СОУСПД) энергосистемы — ЭВМ со специализиро­ванным программным обеспечением, способным принимать данные от УСПД и сохранять их в базе данных результатов измерений;

         - локальная вычислительная сеть (ЛВС), в которой находятся рабочие места (РМ) технологов, СОУСДД и сервер баз данных (БД). В этом случае сервер опроса УСПД и сервер БД  определяются как узел ЛАСКУЭ.

         Региональная АСКУЭ (РАСКУЭ) является многоуровневой системой, соби­рающей и обрабатывающей данные от нескольких ЛАСКУЭ. К нижнему уровню РАСКУЭ относятся собственно ЛАСКУЭ, от которых поступает инфор­мация о потреблении электрической энергии.

Достоверность результатов измерений обеспечивается показателями качества  и метрологическими характеристиками используемых в ЛАСКУЭ средств, точностью передачи измерительной информации по линиям связи.

         Следует отметить, что хотя практически любая АСКУЭ состоит из унифицированных  блоков, из-за различий в построении, месте расположения, длине каналов связи, количественном составе и т. п., она является уникальной и, согласно действующим нормативным документам, должна подвергаться испытаниям с целью утверждения типа и внесения в Государственный реестр средств измерений.

 

Дополнительную информацию по теме можно получить в [6,9,12].

                                              Приложение А

 

		Рисунок А1 – Структурная схема АСУ  ТП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            Приложение Б

 

ИЗМЕРЕНИЯ

по зав-ти изм. велич. от времени

по совокуп. измеренных величин

по условиям, опред-м точности рез-в

по числу изм., вып-мых для получ. рез-в

по способу получения результата (по виду)

статиче-ские

электрич.

max возмож-   ной точнос- ти

с однократн. наблюд-м (обыкновен.)

прямые

динами-ческие.

механич.

лаборатор-ные

косвенные

теплотехнические

технические

с многокр. наблюд-ем (статистич.)

совокупные совместные

 

                             Рисунок Б1 – Классификация  измерений

 

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Метод непосредственной оценки

Метод сравнения с мерой

С отсчетом по шкале

С отсчетом по шкале и нониусу

Нулевой

Диффер-ный

противопоставления

противопоставления

замещения

замещения

совпадений

совпадений

                    Рисунок Б2 – Классификация методов измерений

 

                                  Приложение В

 

                     ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

 

 

 

СЛУЧАЙНЫЕ                                        СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ

ПОГРЕШНОСТИ                                        ПОГРЕШНОСТИ

 

ОЖИДАЕМАЯ

ГРУБАЯ

ПРОМАХ             

 

                    ПО ПРИЧИНЕ                                    ПО ХАРАКТЕРУ

               ВОЗНИКНОВЕНИЯ                                   ПРОЯВЛЕНИЯ

 

      ПОГРЕШНОСТЬ МЕТОДА                            ПОСТОЯННАЯ

   

       ПОГРЕШНОСТЬ ИНСТРУМЕНТА              ПЕРЕМЕННАЯ

 

ПОГРЕШНОСТЬ УСТАНОВКИ                           ПРОГРЕССИВНАЯ

 

ПОГРЕШНОСТЬ ОТ ВЛИЯЮЩИХ                    ПЕРИОДИЧЕСКАЯ

ВЕЛИЧИН

ПОГРЕШНОСТЬ СУБЪЕКТИВНАЯ                   ИЗМЕНЯЮЩАЯСЯ

                                                                                  ПО СЛОЖН.ЗАКОНУ

                                                                 

                                                                       ПОГРЕШНОСТЬ

                                                                       КОНСТРУКЦИИ

 

                                                                       ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

                                                                        ПОГРЕШНОСТЬ

 

                                                                        ПОГРЕШНОСТЬ

                                                                         СТАРЕНИЯ

 

 

Рисунок В1 -  Классификация погрешностей измерений

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

меры

измерительные устройства

измерительные установки

измерительные системы

однозначные

многозначные

измерительные приборы

измерительные преобразователи

по методу измерений

по способу представления величины

по способу представления показаний

по типу вычислит-го устройства

по  методу измерения

по способу  представления величин

по положению  в измерительной системе

по функциям преобразования

прямого действия (непосред. оценка)

сравнения

аналоговый

цифровой

показывающий

регистрирующий

суммирующий

интегрирующий

вычисление и сло-жение функций

прямого действия (непоср. оценки)

сравнения

аналоговый

цифровой

первичный

промежуточный

передающий

масштабный

функциональный

                                                                                                          Приложение Г

 

                                                                          

 

   Рисунок Г1 –    Классификация средств измерений

                                  Приложение Д

 

ПОГРЕШНОСТИ СИ

от характера проявления при повтор-ных приме-нениях СИ

от условий применения СИ

от режима применения СИ

от формы представления

от значения измеряемой величины

система-тическая

основная

статическая

абсолютная

аддитивная

случайная

дополни-тельная

динамическая

относительная

мультипликативная

приведенная

линейности

гистерезиса

         Рисунок Д1 – Классификация погрешностей средств измерений

 

 

 

 

А)    у                                      у = fp (Х)        у2                                           у = fн (Х)        у1     ад                                                           х                                   х1

Б)  у                                           у = fн (Х)       ад                                                                                х

 

 

 

                  Рисунок Д2 – График аддитивной погрешности СИ

                                           (А  - систематической, Б – случайной)

 

 

 

                           

                                  Приложение Д (продолжение)

 

 

А)                                                                    Б)

у                                    fp (x) у1                                            fн (x) у2                                                           х                х1            х2

у                                               у = fн (x)                                                                            х

 

 

         Рисунок Д3 – График мультипликативной погрешности  СИ

                                         (А  - систематической, Б – случайной)

 

 

у                                          fн (x)                                     fр (x)                                                              х

 

 

         Рисунок Д4 – График погрешности линейности СИ

 

 

 

  у

                                     f_н (x)

 

                               f_р (x)

 

                                         х

 

 

Рисунок Д5 – График погрешности гистерезиса СИ

 

 

Приложение Е

 

Т а б л и ц а Е1 – Средства измерений постоянных токов

Приборы, используемые при измерении постоянных токов	Верхний предел измерений, А				Наименьшая погрешность измерений, % соответствующая
	наименьший	наибольший
		прямое включение	с наружным шунтом	с трансформатором постоянного тока	наименьшему верхнему пределу измерений	наибольшему верхнему пределу измерений	значению внутри диапазона измерений
Цифровые	10-17	10	7,5·103	-	5,0	0,7	0,01
Электронные аналоговые	5·10-10	1	-	-	5,0	4,0	0,5
Магнито- электрические	3·10-7	50	2·104	1,5·105	0,5	1,5	0,2
Электро- магнитные	5·10-3	30	-	-	0,5	1,5	0,5
Электродина- мические	5·10-3	10	-	-	0,2	0,2	0,2

 

 

Т а б л и ц а Е2 – Средства измерений постоянных напряжений

Приборы, используемые при измерении постоянных напряжений	Верхний предел измерений, В			Наименьшая погрешность измерений, % соответствующая
	наименьший	наибольший
		прямое включение	с добавочным сопротивлением	наименьшему верхнему пределу измерений	наибольшему верхнему пределу измерений	значению внутри диапазона измерений
Цифровые	2·105	103	-	1,0	5·10-3	2,5·10-3
Электронные аналоговые	5·10-8	103	-	5,0	1,5	0,5
Продолжение таблицы Е2
Магнито- электрические	3·10-4	3·103	2·104	1,0	1,5	0,2
Электростати-ческие	30	7,5·104		0,5	1,5	0,5
Электро- магнитные	1,5	0,6·103	-	0,5	0,5	0,5
Электродина- мические	7,5	0,6·103	-	0,2	0,2	0,2

 

 

 

 

Т а б л и ц а Е3 – Средства измерений переменных токов

Приборы, используемые при измерении переменных токов	Верхний предел измерений, В				Частотный диапазон, Гц		Наи-меньшая погреш-ность, %
	наименьший	наибольший
		прямое включение	с измеритель-ным трансфор-матором тока
Цифровые	2·10-5	10	-		45-2·104		0,4
Электронные аналоговые	10-5	1	-		10-107		0,5
Термоэлек-трические	5·10-3	50	102		1-108		1,0
Электро- магнитные	1,5·10-3	3·102	2·105		45-3·103		0,5
Выпрямительные	2,5·10-5	2·102	104		30-2·104		1,5
Электродина- мические	5·10-3	2·102	6·103		45-4·103		0,1

 

 

 

 

Т а б л и ц а Е4 – Средства измерений переменных напряжений

Приборы, используемые при измерении переменных напряжений	Верхний предел измерений, В				Частотный диапазон, Гц	Наименьшая погрешность измерений, %
	наименьший	наибольший
		прямое включение	с внешним добавочным сопротивлением	с измерительным трансформатором напряжения
Цифровые	0,01	103	-	-	4-105	0,15
Электронные аналоговые	3·10-6	3·102	-	-	10-109	0,5
Электро- магнитные	0,5	6·102	7,5·102	6·105	45-104	0,5
Выпрямительные	0,5	1,2·103	-	3·104	30-2·104	0,5
Электростати-ческие	30	7,5·104	-	-	20-1,4·107	0,5
Электродина- мические	7,5	6·102	-	3·104	45-2·103	0,1

 

 Приложение Ж

 

Т а б л и ц а Ж1 – Метрологические характеристики средств измерений мощности, энергии и количества электричества

Измеряемая величина	Единица	Диапазон измерений	Достигаемая наименьшая погрешность, %
Мощность:      постоянного тока      однофазного переменного тока                  трехфазного переменного тока      реактивная трехфазного тока     Энергия      постоянного тока        однофазного переменного тока                  трехфазного тока      (трехпроводной цепи)      трехфазного тока      (четырехпроводной цепи)      реактивная трехфазного тока       Количество электричества	Вт В·А В·А вар   кВт·ч   кВт·ч   кВт·ч   кВт·ч   квар·ч   Кл	0,9-2,4·105 2·10-7-8·109 40-3,5·1010 40-8·105   Iном=5÷1000 А Uном=6÷3000 В Iном=1÷1000 А Uном=110÷380 В Iном=1÷50 А Uном=110÷380 В Iном=1÷50 А Uном=110÷380 В Iном=1÷50 А Uном=110÷380 В 5·10-3-4·1010	±0,02 ±0,1 ±0,1 ±0,5   ±1,0   ±2,0   ±0,5   ±1,0   ±1,5   ±0,5

 

Т а б л и ц а Ж2 – Метрологические характеристики средств измерений частоты, длительности, угла фазового сдвига и коэффициента мощности

 

Измеряемая величина	Единица	Диапазон измерений	Достигаемая наименьшая погрешность, %
Частота Длительность электрических импульсов Угол фазового сдвига в однофазной цепи Коэффициент мощности:      в цепях промышленной частоты      в цепях повышенной частоты        (до 500 Гц)	Гц с   …º     - -	10-2-2·1010 10-9-105   0-360     -1-0-1 -1-0-1	±10-7 ±10-7   ±0,1     ±0,5 ±1,5

 

                    Приложение З

 

      

     Рисунок З.1 – Фигуры Лиссажу, используемые для измерения частоты

 

 

 

 

 

Рисунок З.2 – Фигуры Лиссажу, используемые для измерения

                                                фазовых сдвигов

 

 

                      Приложение И

 

Т а б л и ц а И1 – Классы точности или пределы допустимых основных

погрешностей средств измерения сопротивления постоянному току

 

 

 

 

Рисунок И1 – Примерная структурная схема ЛАСКУЭ

                   Список литературы

 

1. Аубакиров Г.О. Казахско-русский словарь терминов по метрологии, стандартизации и управлению качеством. – Алматы, 1993.- 104 с.

2. Аубакиров Г.О. Практикум по метрологии, стандартизации и управлению качеством: Учебное пособие для вузов. – Алма-Ата, 1992.

3. Иванова Г.М., Кузнецова Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергоиздат, 1984. - 232 с.

4. Классен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет, 2000.

5. Крылова Г.Д. Основы стандартизации, сертификации, метрологии: Учебник для вузов. – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.:ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

         6. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника. Учебное пособие/ К.К. Ким, Г.Н. Анисимов, В.Ю. Барбарович, Б.Я. Литвинов. – СПб.: Питер, 2006. – 368 с.

7. Никифоров А.Д., Бакиев Т.А. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебное пособие: - М.: Высшая школа, 2002. – 424 с.

8. Новицкий П.В., Заграф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.  – Л.: Энергоатомиздат, 1991.

9. Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов. –Под ред. Е.М.Душина. – Л.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы.- М.: Энергия, 1978.

11. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учебник для вузов. – М.: Логос, 2001. – 408с.

         12. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 320 с.

13. Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений. – М.: Высшая школа, 2001.

14. Хан С.Г. Метрология, измерения и техническое регулирование. Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2009.

15. Хан С.Г. Метрология и измерения. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ (для студентов специальности 050702 – Автоматизация и управление)- Алматы: АИЭС, 2008.

16. Хан С.Г. Метрология и измерения. Методические указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальности 5В070200 – Автоматизация и  управление). – Алматы: АУЭС, 2010.