5.1. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) определяет направление в развитии отечест­венного приборостроения, обеспечивающее повышение техниче­ского уровня приборов и увеличение темпов роста их производст­ва. Главной предпосылкой создания ГСП явилось широкое вне­дрение систем автоматизации современных технологических производственных процессов, для управления которыми потребо­валось создание разнообразных приборов и средств автоматизации.

ГСП представляет собой совокупность унифицированных нор­мализованных рядов блоков, приборов и устройств для формиро­вания, обработки и использования информации, удовлетворяющих единым техническим требованиям и имеющим единые параметры входных и выходных сигналов и нормализованные габариты и размеры присоединений, а также экономически целесообразные точность, надежность и долговечность. Изделия ГСП изготавлива­ются на основе базовых конструкций с унифицированными струк­турами, конструктивными параметрами и сигналами, обеспечи­вающими максимально возможный уровень унификации и общую технологическую базу для производства. Унификация, используе­мая в ГСП, в большинстве своем гармонизирована с прогрессив­ными аналогичными системами передовых стран мира.

По принадлежности к ГСП приборы и устройства подразде­ляются на три группы:

1. Системные, отвечающие всем без исключения требованиям ГСП.

2. Локального применения, по назначению, техническим и экс­плуатационным характеристикам и конструктивным особенно­стям отвечающие требованиям ГСП, но не предназначенные для совместной работы в системах автоматического контроля, регули­рования и управления с другими изделиями ГСП и не имеющие с ними сопряжения по информационной связи и конструктивно­му оформлению.

3. Вспомогательные, предназначенные специально для иссле­дования объектов автоматизации или испытаний и проверки из­делий, входящих в ГСП.

Приборы, не входящие в ГСП, должны соответствовать ее требованиям к техническим и эксплуатационным характеристи­кам и конструктивным особенностям.

По функциональному признаку приборы и устройства, входя­щие в ГСП, подразделяются следующим образом:

1. Приборы и устройства для получения информации о со­стоянии объекта — датчики контрольной информации с унифи­цированными входными сигналами или измерительные преобра­зователи, т. е. средства измерений, не снабженные каким-либо устройством для непосредственного представления информации наблюдателю.

2. Приборы и устройства для приема и выдачи информации в каналы связи — устройства дистанционной и телемеханической передачи сигналов.

3. Приборы и устройства для преобразования, хранения и обработки информации, в свою очередь подразделяемые на под­группы: измерительные приборы или приборы контроля и ото­бражения, вычислительные, функциональные и логические бло­ки, регулирующие устройства.

4. Приборы и устройства для использования информации в целях воздействия на объект — различные регуляторы (контрол­леры), оптимизаторы, программные продукты, управляющие и другие устройства, предназначенные для автоматического регули­рования и управления производственными процессами.

Получение контрольной информации о протекании техноло­гических процессов возможно, если эта информация будет одно­значно связана с какой-то физической величиной (параметром). Эта физическая величина, выбранная для передачи необходимых сведений, называется сигналом. В измерительной технике и авто­матике в качестве сигналов применяют, в основном, энергетиче­ские величины, так как они позволяют осуществлять передачу на расстояние, преобразование, сравнение и получение новых сиг­налов. Сигналы могут быть непрерывными и прерывными (дис­кретными). Продолжительность дискретных сигналов ограничена некоторыми заданными значениями и может быть постоянной или переменной.

По виду энергии, используемой для формирования сигналов, ГСП подразделяется на несколько так называемых ветвей: элек­трическую аналоговую; электрическую дискретную; пневматиче­скую; гидравлическую; ветвь приборов и устройств, работающих без источников вспомогательной энергии.

Внедрение ГСП не предусматривает повсеместного полного перехода на выпуск приборов и средств автоматизации, имеющих на выходе только унифицированные сигналы. Широко применя­ются приборы, в которых для передачи контрольной информа­ции используются так называемые естественные сигналы, пред­ставляющие собой изменение различных параметров (перемеще­ние, электрический ток и напряжение, давление воды, воздуха и т. п.) в зависимости от изменения физической величины. Есте­ственные сигналы передаются в том виде, в котором они получе­ны с помощью чувствительного элемента измерительного прибо­ра или устройства, без дополнительных преобразований.

Перевод сигналов из аналоговой формы в дискретную, и на­оборот, а также изменение несущих величин осуществляется функциональными преобразователями, которые обеспечивают взаимосвязь устройств различных ветвей ГСП в единых измери­тельных или автоматических системах.

Для обеспечения совместной работы приборов с естественны­ми сигналами с приборами ГСП, а также друг с другом служат специальные нормирующие преобразователи, входящие в систему ГСП и приводящие естественные сигналы к уровню и виду нор­мализованных стандартных сигналов ГСП.

Таким образом, группы функциональных устройств образуют систему средств автоматизации, охватывающую все звенья фор­мирования, передачи, обработки и использования информации, из которых могут создаваться разнообразные информационные системы, системы контроля, регулирования и управления. В по­следние годы в развитии ГСП наметилось создание и внедрение агрегатных комплексов, объединяющих функциональные устрой­ства формирования, обработки, передачи и использования ин­формации в определенных сочетаниях с алгоритмами связи, со­ответствующими назначению этих агрегатных комплексов. Они могут использоваться также в системах независимо друг от друга.

Прогрессивная по структуре построения ГСП ориентируется на передовую технологию и современную элементную базу. В ГСП широко используется унифицированная элементно-мо­дульная база и стандартные ряды базовых конструкций, а число разновидностей функциональных блоков, вспомогательных уст­ройств, источников питания и т. д. сводится к минимуму. Конст­руктивной базой для монтажа элементов, модулей, устройств и агрегатов ГСП являются унифицированные типовые конструкции (УТК). В качестве базовой системы логических элементов элек­трических ветвей ГСП широко используются комплексы унифи­цированных логических элементов. Типовой логический (функ­циональный) модуль выполняется в виде кассеты, состоящей из печатной платы, на которой располагаются отдельные компонен­ты схемы.

В пневматической ветви ГСП широкое распространение по­лучила система пневматических элементов УСЭППА, а также от­дельные элементы системы модулей струйной техники (СМСТ).

Характеристика ветвей ГСП

1. Электрическая аналоговая ветвь ГСП — это ряд приборов и средств автоматизации, в которых в качестве внешней энергии используется электрическая энергия, а энергетическим носителем информации является электрический непрерывный сигнал. Стан­дартизированные диапазоны изменения сигналов постоянного тока 0 + 5, 0 + 20, 4 + 20 и 0+100 мА. Пределы изменения сигна­лов постоянного тока по напряжению выбираются из ряда значе­ний, лежащих в диапазоне 0+10 мВ и 0+10 В. Нагрузки, т. е. сопротивления приборов и линий связи, установлены в пределах от 250 Ом до 2,5 кОм.

Менее распространены приборы этой ветви, использующие переменный ток. Пределы изменения напряжения переменного тока 0,25 + 2 В, частота 50 и 400 Гц.

Все устройства для получения контрольной информации, ис­пользуемые в электрической аналоговой ветви ГСП, либо преобра­зуют информацию в выходной унифицированный токов"ый сигнал, либо имеют в комплекте дополнительное устройство, преобразую­щее естественный выходной сигнал датчика в унифицированный токовый сигнал.

2. Электрическая дискретная (цифровая) ветвь ГСП— это ряд приборов и средств автоматизации, в которых в качестве внеш­ней энергии используется электрическая энергия, а энергетиче­ским носителем информации является электрический дискрет­ный сигнал (входной и выходной). Различают следующие основ­ные виды входных и выходных сигналов электрической дискретной ветви ГСП: перепады постоянного тока и напряже­ния; частотные; импульсные.

Входные и выходные сигналы постоянного тока предназначе­ны для сочетания приборов и устройств дискретной и аналого­вой ветвей. Частотные входные и выходные сигналы используют­ся при связи частотных ПИП с дискретными блоками обработки информации. Импульсными сигналами являются, как правило, сигналы с широтно-импульсной и кодо-импульсной модуляцией. Параметры указанных сигналов стандартизированы. Частотный диапазон работы изделий выбирается в пределах частот от 5 Гц до 500 кГц. Параметры импульсных сигналов лежат в диапазоне амплитуд для напряжений от 0,6 до 220 В и силы тока — от 1 до 500 мА. Возможны следующие коды для электрических сигналов: единичный нормальный и позиционный; двоичный нормальный; единично-десятичный и двоично-десятичный. При использова­нии сигналов постоянного тока целесообразнее выбирать силу тока в диапазоне 0 + 5 мА и 4 + 20 мА.

3. Пневматическая ветвь ГСП — это ряд приборов и уст­ройств (датчики, преобразователи, позиционеры, регулирующие устройства, исполнительные механизмы), в которых в качестве источника внешней энергии используется сжатый воздух, а энер­гетическим носителем информации является импульс давления. Рабочий диапазон изменения входных и выходных сигналов при­боров и устройств этой ветви стандартизирован и устанавливает­ся в пределах 20+ 100 кПа. Номинальное давление питания для приборов и устройств пневматической системы 0,14 МПа ±10%.

Широкое применение средств пневмоавтоматики объясняется высокой степенью надежности пневматической аппаратуры, про­стотой ее обслуживания, сравнительной дешевизной и взрывобе- зопасностью.

Широкое распространение получил элементный принцип по­строения приборов пневмоавтоматики, заключающийся в том, что любой новый пневматический прибор создается не в виде принципиально новой конструкции, а собирается из элементов универсальной системы элементов промышленной пневмоавтома­тики (УСЭППА) с помощью бесшлангового (печатного) способа монтажа на специальных коммутационных пластинах (платах), внутри которых проходят каналы соединений между элементами.

4. Гидравлическая ветвь ГСП— это ряд приборов и устройств, в которых источником внешней энергии, а также энергетическим носителем информации являются гидравлические сигналы, созда­ваемые минеральными маслами (веретенное, турбинное, транс­форматорное и др.) или водой. Давление рабочей жидкости, яв­ляющейся энергоносителем, варьирует в пределах от 1 до 64 МПа. Правда, по сравнению с другими ветвями ГСП гидравли­ческая" ветвь имеет незначительное распространение.

В качестве чувствительных элементов датчиков в гидравличе­ской ветви ГСП наиболее часто используются мембраны, силь- фоны, манометрические пружины и дилатометрические стержни, а в качестве основного преобразовательного и усилительного эле­мента — струйный усилитель, преобразующий кинетическую энергию струи жидкости в потенциальную.

5. Ветвь приборов и устройств ГСП, работающих без источ­ников вспомогательной энергии, — это ряд устройств, использую­щих для работы энергию той среды, параметры которой они из­меряют и регулируют. При этом дополнительного источника энергии (электрической, энергии сжатого воздуха и др.) не тре­буется.

В эту ветвь ГСП входят регуляторы температуры, давления, перепада давления, расхода и уровня. По способу приведения в действие регулирующего органа регуляторы подразделяются на регуляторы прямого и непрямого (с усилителем) действия. В ре­гуляторах прямого действия для перестановки регулирующего ор­гана используется энергия, развиваемая на чувствительном эле­менте, например в жидкостной термосистеме, биметаллической пластине и т. п. В регуляторах с усилителем для этих целей при­меняется специальный преобразователь — усилитель, также рабо­тающий от энергии регулируемой среды.

Создание ГСП обусловило возможности динамичного разви­тия и расширения производства в направлении более широкого и полного обеспечения развития автоматических и автоматизиро­ванных систем во всех отраслях народного хозяйства.

Из опыта применения ГСП следует, что технические средства должны разрабатываться на основе схемной и конструктивной унификации, стандартизации структур, сигналов, интерфейсов, протоколов обмена и обеспечивать номенклатурную полноту и совместимость изделий при агрегатировании, что предполагает создание базовых программно-технических комплексов (БПТК).

Новое поколение средств автоматизации технологических про­цессов должно обеспечивать расширение возможностей сущест­вующих систем управления, а также использовать новые методо­логии построения и архитектуру локальных компьютерных сетей, интеллектуизировать средства отображения, хранения, обработки и передачи информации. Поэтому технические средства — от про­стейших датчиков до сложных систем со встроенными средствами искусственного интеллекта — должны стать предметом новых раз­работок в рамках обновленной ГСП. При этом повышается роль интерфейсов, которые должны разрабатываться в рамках ГСП и устанавливать согласованные взаимодействия на границах^ систе­мы. Эти условия должны быть формализованы в виде требований, выполнение которых гарантирует правильность взаимодействия системы с внешними средствами, т. е. обеспечить информацион­ные, конструктивные, процедурные и иные аспекты эффективного взаимодействия.

Государственная система приборов и средств автоматиза­ции — это большая и сложная развивающаяся система. Ее раз­витие обусловлено многими факторами. Главными внешними факторами являются научно-технический прогресс в создании систем управления и развитие их элементной базы, к внутрен­ним относят дальнейшее развитие агрегатных методов конструи­рования, высокий уровень унификации, стандартизации и ин­формационного обеспечения, а также разработку имитационных систем информации. Это возможно осуществить при системном подходе в разработке больших и сложных систем. Цель систем­ного подхода — минимизация расходов на затраты как при соз­дании и применении средств и систем измерений, так и при их эксплуатации.

В соответствии с ГОСТ 12997—76 «Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Общие тех­нические требования и методы испытаний» ГСП определяется как «совокупность изделий, предназначенных для использования в промышленности в качестве технических средств автоматиче­ских и автоматизированных систем контроля, измерения, регули­рования и управления технологическими процессами, информа­ционно-измерительных систем, а также для контроля, измерения и регулирования отдельных параметров».

Построение и эксплуатация системы управления любого уров­ня основываются на разработке, совершенствовании и приме­нении программно-технического комплекса (ПТК) автоматиза­ции, к которому относятся: измерительные преобразователи (дат­чики) параметров; автоматические регуляторы, логические и программные устройства, управляющие ЭВМ и вычислительные комплексы, микроконтроллеры и микропроцессоры, микропро­цессорные системы (МПС); исполнительные механизмы (устрой­ства) и регулирующие, органы.

Изделия ГСП предназначены для использования в промыш­ленности в качестве технических средств при контроле, измере­нии и регулировании отдельных параметров технологических процессов, измерительно-информационных систем (ИИС) и АСУ различных уровней, систем автоматического управления (САУ).

Построение ГСП базируется на следующих общесистемных принципах:

• целенаправленности системы на обеспечение техническими средствами автоматических и автоматизированных систем изме­рений, контроля, регулирования и управления технологическими процессами для отраслей промышленности;

• целостности системы;

• совместимости изделий ГСП, обеспечивающей широкую область применения, гибкость реализации разнообразных струк­тур систем автоматизированного контроля и управления различ­ными технологическими процессами;

• унификации и агрегатировании как технико-экономической основе эффективности системы;

• динамичном развитии структуры системы на основе преем­ственности новых изделий и комплексов в составе всей системы;

• функциональном разделении технических средств на основе типизации функциональных задач и структур системы.

Изделия ГСП по функциональному признаку подразделяются на следующие группы устройств: для получения информации о состоянии объекта (технологического процесса); приема, преоб­разования, обработки и отображения или хранения информации; формирования команд управления объектом; использования ко­мандной информации для воздействия на объект управления.

ГСП охватывает все устройства, обеспечивающие формирова­ние сигналов — носителей информации о значениях параметров объекта управления: первичные преобразователи (датчики); нор­мирование сигналов — вторичные преобразователи, «нормализа­торы», функциональные преобразователи и процессоры; обеспе­чивающие коммутацию, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование — коммутаторы, АЦП и ЦАП; реализацию необ­ходимого воздействия на объект — исполнительные механизмы.

Методологическую основу ГСП составляет система стандартов, включающая в себя более 250 стандартов, устанавливающих общие технические требования к входным и выходным сигналам, правилам информационного сопряжения и конструктивному исполнению.

Принцип минимизации номенклатуры средств контроля и управления реализуется на основе разработки и выпуска агрегат­ных комплексов (АК) технических средств и унифицированных комплексов (УК) устройств одного функциональнЬго назначения. Техническую основу ГСП составляют агрегатные комплексы, каж­дый из которых представляет собой совокупность технических средств, упорядоченных по функциям и параметрам. Один из оп­ределяющих признаков агрегатного комплекса заключается в сис­темной совместимости входящих в него устройств.

Принцип агрегатного построения устройств, применительно к изделиям ГСП, можно сформулировать так. Это построение со­вокупности устройств различного функционального назначения из ограниченного набора унифицированных блоков или модулей, составляемых из конструкций низшего порядка методом стыков­ки. Для обеспечения стыковки необходимо решить вопрос взаи­мозаменяемости блоков или модулей и их совместимости по конструктивным, энергетическим, информационным и другим характер исти кам.

В ГСП широко применяется система унифицированных типо­вых конструктивов (УТК), которая представляет собой универ­сальную систему конструктивных элементов, обеспечивающих унификацию и стандартизацию конструкций широкой номенкла­туры устройств. Они являются конструктивной базой регистри­рующих, регулирующих, вычислительных, телемеханических и других устройств, предназначенных для преобразования, обработ­ки и отображения информации и формирования командных сиг­налов. В номенклатуру УТК входят монтажные платы, блочные и приборные каркасы, комплектные вставные каркасы, щитовые секции, пульты и шкафы.