Основы проектирования приборов и систем. Лекции
.pdfРисунок 15 - Язык инструкций
У языка IL есть очень важное качество: на его основе можно создавать оптимальные по быстродействию программные единицы.
Во многих инструментальных 11131 -системах существует возможность "смешивать'' программы/процедуры, написанные на разных языках, а также вставлять кодовые последовательности из одного языка в коды, написанные на другом языке. Любое функциональное расширение возможно за счет СИ-интерфейса, поддержка которого считается обязательной.
1.1.1.2 Проблема выбора SCADA-системы. Основные и сравнительные характеристики SCADAсистем.
Основные характеристики, которые обусловливают выбор SCADA-систем:
качество документации;
техническая поддержка в России;
открытость и масштабируемость; полнофункциональность; надежность; эффективность; цена.
Качество сопроводительной документации одна из ключевых характеристик. Низкое качество документации, ее неполнота или англоязычность приведет к фактическому ухудшению качества разработки и сопровождения.
Техническая поддержка определяет, сколько времени и сил придется затратить системному интегратору на освоение всех возможностей системы.
Вопрос масштабируемости значим потому, что существуют проекты разного масштаба (от сотен до десятков тысяч сигналов). Приобретать SCADA пакеты, применяемые либо только в малых, либо только в больших системах, непрактично.
Требование открытости имеет несколько основных аспектов:
1)Возможность сопряжения SCADA с различными продуктами других фирм производителей (программное обеспечение технологических контроллеров, СУБД, другие SCADA);
2)Наличие мощного и универсального скриптового языка;
3)Возможности встраивания в SCADA готовых компонентов (в первую очередь - ActiveX).
Под полнофункциональностью понимается способность пакета решать весь комплекс задач промышленной автоматизации, выдвигаемых перед программным обеспечением на верхнем уровне АСУ ТП.
Надежность - это не только отсутствие ошибок в программном коде самого пакета, но и его устойчивость к ошибкам во внешних компонентах и к некорректным действиям обслуживающего персонала.
Эффективность SCADA системы в первом приближении сводится к тому, насколько мощный компьютер требуется для реализации с ее помощью конкретных проектов. Так как в составе реальных проектов одновременно используется множество функций SCADA-системы, желательно чтобы каждая из ее подсистем (графическая, ввода-вывода, архивирования и т.п.) обладала необходимой функциональностью и быстродействием.
Цена - это и цена лицензий на исполнительные модули пакета (run time модули), и зависимость этой цены от числа тегов и запрошенного набора функций, а также стоимость документации и обучения.
Для сравнительного тестирования выбраны следующие SCADA-пакеты: iFIX фирмы Intellution;
InTouch фирмы Wonderware;
GENESIS фирмы Iconics;
WinCC фирмы Siemens.
Популярный пакет InTouch был отвергнут из-за слабой технической поддержки дистрибьюторами в России, использования специального скриптового языка и некоторых недостатков графической подсистемы. WinCC предъявляет максимальные требования к аппаратным ресурсам ПЭВМ и ощутимо оптимизирован именно для контроллеров SIMATIC фирмы Siemens.
Наилучшее впечатление по совокупности всех факторов производят iFIX и GENESIS. Эти продукты были избраны для более тщательного тестирования.
1) Процесс установки и GENESIS, и iFIX не вызвал каких либо проблем, а последовательность необходимых действий в обоих случаях была интуитивно понятной.
2) Требования к аппаратным ресурсам целевого компьютера, согласно информации фирм производителей, следующие:
a)iFIX: Процессор Pentium II 300 МГц, 96 Мбайт ОЗУ, 120 Мбайт на НЖМД.
b)GENESIS:
Процессор Pentium 233 МГц, 64 Мбайт ОЗУ, 200 Мбайт НЖМД (для приложений средней и большой величины);
Процессор Pentium 166 МГц, 32 Мбайт ОЗУ, 200 Мбайт НЖМД (для небольших приложений). 3) Анализ компонентности проводился с целью определить возможность закупки и использования
не SCADA системы в целом, а отдельных ее компонентов.
iFIX имеет в своем составе один основной компонент, называемый WorkSpace, который в режиме исполнения реализует практически все функции SCADA системы.
GENESIS включает в себя три основных компонента (GraphWorX, TrendWorX и AlarmWorX), каждый из которых способен работать автономно и выполняет свою часть функций, в том числе в части интерфейса с оператором:
a)GraphWorX предназначен для разработки и исполнения графических мнемосхем;
b)TrendWorX предназначен для построения графических зависимостей контролируемых параметров и архивации;
c)AlarmWorX предназначен для обнаружения, фильтрации и представления информации об аварийных событиях.
Таким образом, GENESIS, в отличие от более «монолитного» iFIX, обеспечивает возможность
экономии средств при лицензировании своих программных компонентов, количество и состав которых определяются прикладной задачей. Кроме того, установка только необходимых компонентов позволяет уменьшить требования к аппаратным ресурсам компьютера.
iFIX существенно дороже, чем GENESIS.
4)Одной из обязательных функций, реализуемых любой SCADA системой, является представление оператору на экране наглядной информации о ходе технологического процесса. В связи с этим вопросы разработки и реализации операторского интерфейса представляют непосредственный интерес для системных интеграторов.
Как GENESIS, так и iFIX имеют в своем составе мощные и гибкие средства, обеспечивающие пользователю эффективное создание экранных форм с минимальными затратами труда и времени. Оба приложения содержат наборы графических примитивов для рисования и наборы типовых графических объектов.
Но в GENESIS по сравнению с iFIX более удобно для разработчика реализована операция Duplicate (дублировать). В GENESIS имеются шаблоны экранных форм и объектов, отсутствующие в iFIX. Шаблоны экранных форм аналогичны шаблонам документов Microsoft Office.
При создании нового элементарного графического объекта в GENESIS изначально присутствуют только статические свойства (например цвет, тип контурной линии). Если какое либо свойство объекта (изменение размера, цвета, положения и т.п.) анимируется, то оно появляется как вкладка окна свойств объекта.
Напротив, в iFIX создаваемый объект обладает сразу всеми свойствами даже при отсутствии их анимации.
При редактировании мнемосхемы iFIX предоставляет интерфейс системного дерева, аналогичный проводнику Windows, а GENESIS - нет.
В iFIX доступ к объектам, входящим в состав группы, может быть получен без разгруппировки через системное дерево, в то время как в GENESIS эта операция выполняется менее прозрачным, но более быстрым способом. В iFIX более просто и удобно для разработчика реализованы операции создания таких графических примитивов, как закругленный прямоугольник, многоугольник, хорда и сектор. В iFIX, в отличие от GENESIS, действия разработчиков, создающих экранные формы, протоколируются.
Оба пакета предоставляют пользователю широкие возможности по анимированию мнемосхемы. Качественно выполненная технологическая мнемосхема обычно содержит большое количество
динамических объектов.
5)При оценке приемлемости быстродействия графической подсистемы следует иметь в виду, что в составе SCADA она является далеко не единственным потребителем ресурсов. Солидным аппетитом отличаются системы архивирования, сетевого и межзадачного взаимодействия. Поэтому графическая подсистема должна не просто решать свои задачи, но и оставлять достаточно ресурсов компьютера для работы своих «партнеров».
Тестирование показало, что у iFIX время загрузки новой экранной формы в режиме исполнения в 1,5 -2 раза больше, чем у GENESIS.
6)Задачей теста Ограничения на количество подобъектов и число уровней вложенности было выявить, насколько глубокое вложение графических подобъектов допускают рассматриваемые SCADAсистемы.
Каких либо ограничений на количество подобъектов и число уровней вложенности ни для GENESIS, ни для iFIX не выявлено. Оба пакета позволяют реализовать экранную форму с большой степенью вложенности объектов. Но число уровней вложенности оказывает значительное влияние на быстродействие экранных форм iFIX.
7)Время установления связи с сервером является достаточно важным показателем, поскольку оно, например, определяет, насколько быстро созданная экранная форма отобразит реальные значения
параметров. Со стороны GENESIS тестировался OPC-клиент GraphWorX, а со стороны iFIX OPC-клиент OPCDRV, являющийся посредником между OPC-серверами и базой данных iFIX.
Тестирование показало, что время установления связи с локальным (то есть работающим на том же компьютере, что и SCADA система) сервером невелико и составляет не более 1 секунды для обоих пакетов.
При тестировании связи с удаленным (работающим на другом компьютере) сервером в обоих случаях после перезагрузки операционной системы время появления реальных показаний достаточно велико и составляет десятки секунд. При повторном запуске формы реальные данные отображаются на ней по прошествии малого времени (того же, что и при связывании с локальным сервером).
8)Как известно, спецификации ОРС предусматривают в дополнение к собственно значению параметра и его метке времени передачу признака качества.
По этому признаку SCADA-пакет, как клиент ОРС, может обнаружить неисправность аппаратных средств ввода-вывода и даже получить от сервера более развернутую диагностическую информацию.
Для проверки того, как система визуализации реагирует на неисправность аппаратных средств в процессе работы физически разрывалась связь с удаленным компьютером путем отсоединения сетевого кабеля от сетевого адаптера, а затем связь восстанавливалась.
В случае GraphWorX сразу же после разрыва связи прекращается изменение показаний, а обрыв связи индицируется «потерей качества» тега через 20-30 секунд. При восстановлении связи «качество» тега восстанавливается также в среднем через 20-30 секунд. iFIX же обрыв связи никак не индицирует, хотя именно для этого в экранную форму был помещен объект, предназначенный для такой индикации. Наблюдается лишь замирание показаний.
9)Как показал опыт, результативность разработки любого более или менее сложного проекта с использованием SCADA-системы в конечном итоге в достаточной степени зависит от функциональных возможностей встроенного в SCADA скриптового языка. Среда программирования должна позволять разработчику выполнить то, что невозможно или нецелесообразно делать, используя типовой набор инструментальных средств SCADA. Столкнувшись с отсутствием стандартного механизма решения некоторой задачи, пользователь естественным образом обращает свой взор на возможности скриптового языка.
В качестве скриптового языка в обеих SCADA используется Microsoft Visual Basic for Applications
(MS VBA).
Представление проекта в целом, а так же всех его внутренних элементов в виде объектной модели, на работу с которой ориентирован MS VBA, дает пользователю гибкий и эффективный механизм доступа практически к любым ресурсам SCADA. Интегрированная среда разработки Microsoft Visual Basic for Applications приложений (и в iFIX, и в GENESIS используется тот же MS VBA, что и в Microsoft Office), всплывающие подсказки, демонстрирующие синтаксис вызова процедур, списки доступных свойств объектов, система просмотра библиотек объектов (Object Browser), встроенная справочная система и отладчик - все это значительно повышает удобство написания программ.
Немаловажным фактором является и то, что Basic традиционно является одним из наиболее легких в освоении языком программирования.
В обеих SCADA доступны все стандартные средства MS VBA:
редактор программного кода MS VBA; система просмотра объектов и их свойств;
контекстная справочная система по MS VBA (iFIX предоставляет также контекстную справку по использованию своих внутренних объектов);
возможность отладки сценариев с использованием точек останова, трассировки программы, инспектора свойств объектов;
возможность импорта/экспорта программных модулей; возможность добавления в MS VBA проект пользовательских форм.
10) Целью одного из этапов тестирования была проверка взаимодействия приложения SCADAсистемы с внешним приложением с помощью стандартных функций MS VBA GetObject и CreateObject.
На этапе проверки возможности доступа из MS VBA скрипта к объектам внешних приложений (в качестве таковых выступали MS Word и MS Excel) никаких особенностей реализации данной функции ни в
iFIX, ни в GENESIS отмечено не было. Обе системы позволяют осуществить взаимодействие с программными продуктами, поддерживающими данную технологию, включая загрузку/выгрузку приложения, получение доступа к уже запущенному приложению, создание нового или открытие существующего документа (или таблицы MS Excel), передачу и получение данных, сохранение измененных документов на диске и т.п.
11) Рассмотрим взаимодействие с внешними СУБД. Для реализации проектов с большим количеством архивируемых параметров в состав пакета GENESIS входит сервер архивации и доступа к историческим данным TrendWorX SQL Data Logger, который позволяет сохранять информацию в базах данных MS Access и MS SQL Server.
Программный продукт iFIX ODBC обеспечивает коммуникационный обмен между реляционными базами данных и базой данных iFIX.
iFIX ODBC состоит из следующих компонент: задачи SQL;
блока базы данных SQL Trigger (SQT); блока базы данных SQL Data (SQD).
Задача SQL выполняет следующие функции:
исполняет блоки SQT, которые запускают ODBC обмен;
получает данные о процессе от блоков SQD и вводит эти данные в реляционную базу данных; выбирает данные из реляционной базы данных и записывает эти данные обратно в базу данных
iFIX;
производит резервирование данных в случае отказа сети с последующим их восстановлением. Блоки SQD и SQT реализуют вызов команды SQL с передачей ей конкретных данных.
Таким образом, и GENESIS, и iFIX поддерживают взаимодействие с внешними СУБД на уровне, достаточном для решения большинства задач АСУ ТП.
12) В процессе тестирования рассматривались такие возможности SCADA пакетов в области
контроля доступа, как:
введение различных категорий доступа; контроль лиц, осуществлявших доступ; протоколирование внесенных изменений;
средства защиты протокола и паролей от фальсификации.
Результаты тестирования показали, что оба рассматриваемых продукта включают в себя систему управления доступом, которая позволяет вводить различные категории доступа и ограничивать доступ к функциям пакета для пользователей, зарегистрированных в системе.
В рамках применения обеих SCADA-систем можно обеспечить надлежащий уровень безопасности. Однако iFIX предоставляет разработчику более удобные и полные средства для конфигурирования защиты.
13) На сегодняшний день для пакета GENESIS русифицирован пользовательский интерфейс практически для всех основных компонентов:
GraphWorX - среда разработки и просмотра мнемосхем; Symbol Library - библиотека символов;
TrendWorX Viewer ActiveX - элемент просмотра графиков; AlarmWorX Viewer ActiveX - элемент просмотра событий и тревог; Persistent Trending - сервер фоновой буферизации;
Security Configurator - конфигуратор подсистемы безопасности (администрирования); License Monitor (сервер регистрации событий и контроля лицензии).
Локализованной версии пакета iFIX в настоящее время не существует.
14) Электронная справочная система пакета GENESIS представляет собой совокупность файлов в форматах hlp и html.
Всостав электронной справочной системы входит руководство Training Manual, представляющее собой методические указания по построению проекта. Training Manual содержит большое число пошаговых инструкций, облегчающих процесс освоения основных приемов работы с пакетом.
Итак, к достоинствам GENESIS можно отнести более удачную реализацию графической подсистемы и интерфейса ОРС, компонентность, относительно низкую стоимость, возможность работы под управлением Windows, локализацию основных компонентов.
Вто же время iFIX обладает большей устойчивостью к ошибкам, имеет более простую реализацию программного доступа к своим графическим объектам из MS VBA скриптов, предоставляет больше возможностей для SQL программирования и взаимодействия с базами данных, имеет более продвинутую систему управления доступом и протоколирования изменений, а сопроводительная документация на iFIX, на наш взгляд, является образцовой.
Лекция 7
1.1Техническое обеспечение автоматизированных систем (6 часов)
1.1.1Назначение и классификация технического обеспечения
Комплекс технических средств (КТС) автоматизированной системы взаимоувязанный в единую систему набор устройств, предназначенный для автоматизации работ по сбору, регистрации, обработке и выдаче информации.
Построение комплекса технических средств создаваемой автоматизированной системы осуществляется в соответствии со следующими принципами:
функциональное соответствие выбранному комплексу задач;
обеспечение высокого уровня надежности и живучести, за счет рациональной структуры КТС, надежности технических средств и программного обеспечения;
минимизация затрат на создание и эксплуатацию; обеспечение обработки информации с достаточной достоверностью;
информационная и аппаратурная совместимость на всех этапах преобразования информации. Определение структуры и состава комплекса технических средств создаваемой автоматизированной
системы производится исходя из следующих составляющих:
объемно-временных характеристик информационных потоков и задач; требования функционирования систем управления в реальном масштабе времени; основных этапов процесса преобразования информации; типа, количества и территориального размещения точек сбора информации;
выбранных способов регистрации информации;
обеспечения решения комплекса задач.
1.1.1.1 Основная терминология.
Рассмотрим следующие наиболее употребимые термины и определения:
1)Контроль технологического процесса - операция установления соответствия между действительными показателями процесса и их номинальными значениями.
2)Автоматический контроль технологического процесса - операция, выполняемая с помощью контрольно-измерительных приборов или системы автоматического контроля (без участия человека).
3)Измерение - это информационный процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помощью специальных технических средств.
4)Погрешность измерения - это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.
5)Контролируемая величина - величина, измеряемая в процессе работы.
6)Воздействие - величина, выражающая внешние влияния на объект.
1.1.1.2 Классификация технических средств. Известны три вида процессов:
процессы обработки материи; процессы обработки энергии; процессы обработки информации.
Виды работ, которые можно выполнять с информацией, следующие:
преобразование информации (изменение формы представления данных, кода, языка без изменения содержания);
перемещение информации в пространстве, передача данных;
перемещение информации во времени (фиксация данных, запоминание и т.п.); обработка данных (арифметические и логические операции, сортировка и т.п.); размножение данных (снятие копий, выборочное копирование, печать и т.п.) и др.
Управление так же информационный процесс, поэтому технические средства, используемые для управления, предназначены для работы с информацией.
Технические средства, предназначенные для автоматизации управления технологическим процессом, выполняют один или несколько видов перечисленных выше работ. Виды работ, выполняемых техническими средствами с информацией, удобно использовать для классификации технических средств.
Например, имеются следующие виды технических средств:
чувствительный элемент - преобразователь воспринимает вводимую в рассматриваемое устройство информацию и преобразует ее в необходимую форму;
преобразователь - устройство, обеспечивающее любые преобразования информации в другие виды, в том числе преобразования, выполняемые вычислительной техникой с помощью арифметических устройств и устройств управления. Обычно преобразователи следуют один за другим, причем первым является чувствительный элемент;
устройство сравнения предназначено для сравнения информации, поступающей одновременно по двум каналам;
накопитель - все виды памяти, от простейших счетчиков в накопителях до оперативной памяти вычислительной системы.
1.1.1.3 Структура комплекса технических средств автоматизированной системы.
Структура комплекса технических средств автоматизированной системы должна обеспечивать ввод информации с помощью датчиков, преобразование данных внутри системы с помощью внутрисистемных преобразователей, передачу данных с помощью аппаратуры передачи данных, фиксацию информации в устройствах памяти, обработку информации с помощью приборов или средств вычислительной техники и вывод данных персоналу и на исполнительные механизмы с помощью средств вывода и управления.
Такова упрощенная структура автоматизированной системы контроля и управления объектом автоматизации или технологическим процессом.
1.1.1.4 Виды, методы и средства измерения. 1) Виды измерений.
Все измерения подразделяют на четыре вида:
прямые, когда искомую величину находят непосредственно по результатам опыта y = x, то есть цель и объект измерения совпадают. Пример, приборы стрелочного типа (весы с гирями);
косвенные, когда искомую величину находят на основе прямого измерения ряда параметров при известной функциональной связи между ними y = F(x1, x2, ... , xn). Пример, измерение сопротивления с помощью амперметра и вольтметра;
совокупные, когда происходит одновременное измерение одноименных величин. В этом случае искомые величины определяются на основе решения системы уравнений, число которых должно быть равно или больше числа неизвестных величин;
совместные аналогичны совокупным только для неоднородных величин, например, R(t) = Ro(1+α·t+β·t2).
В зависимости от характера изменения входной измеряемой величины во времени различают также следующие виды измерений:
статические, когда входная измеряемая величина не изменяется во времени; динамические, когда входная измеряемая величина изменяется во времени.
2) Методы измерений.
Метод измерения - это совокупность приемов использования средств измерений с целью получения значений измеряемой величины.
Существуют следующие методы измерения:
непосредственной оценки, когда результат измерения определяется по отсчетному устройству средства измерения (стрелочные приборы);
сравнения с мерой, когда измеряемую величину время от времени или в каждом опыте сравнивают с мерой (измерение массы на весах);
дифференциальный, когда на вход средства измерения подается разностный сигнал между измеряемой величиной и мерой;
нулевой, когда разность между измеряемой величиной и мерой с помощью специального устройства доводят до нулевого значения по сравнивающему устройству;
замещения, когда измеряемая величина определяется путем замещения ее известной мерой; совпадения, когда измеряемая величина меньше цены деления заданной меры. При этом
применяются две меры с разными ценами деления, которые отличаются на размер оцениваемого разряда отсчетов.
3) Средства измерений.
Средства измерений в зависимости от возможного полного завершения с их помощью процесса измерения подразделяются на следующие типы:
элементарные; комплексные.
К элементарным средствам измерений относятся:
измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем;
устройство сравнения - устройство определения соотношения между величинами для получения ответа "больше", "меньше" или "приблизительно равны";
мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера;
масштабный преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз.
К комплексным средствам измерений, состоящим из элементарных, относятся:
измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем;
измерительный канал - конструктивно или функционально выделяемая часть измерительной системы, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого - функция измеряемой величины. Измерительные каналы измерительной системы могут быть:
~ простыми, в которых реализуется прямой метод измерений путем последовательных измерительных преобразований;
~ сложными, которые в первичной части представляет собой совокупность нескольких простых измерительных каналов, сигналы с выхода которых используются для получения результата косвенных, совокупных или совместных измерений или для получения пропорционального ему сигнала во вторичной части сложного измерительного канала измерительной системы;
измерительная система - совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы, и вспомогательных устройств (измерительные, связующие, вычислительные, комплексные компоненты измерительной системы), функционирующих как единое целое, предназначенная для:
~ получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных 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 в разных целях.
1.1.1.5Погрешности средств измерений.
Погрешности измерений в общем случае вызваны действием большого числа факторов, которые могут быть объединены в две большие группы:
случайные, систематические.
В первую группу входят факторы, которые проявляются весьма нерегулярно и интенсивность появления их трудно предвидеть.
Во вторую группу входят факторы, не изменяющиеся или изменяющиеся закономерно в процессе измерительного эксперимента.
Погрешности измерений подразделяют на:
систематические и случайные по характеру измерения; абсолютные, приведенные и относительные по способу выражения;
основные и дополнительные в зависимости от причин и условий возникновения;
инструментальные и методические по месту возникновения;
аддитивные и мультипликативные по зависимости от причин и условий возникновения; статические и динамические в зависимости от режима изменения измеряемой величины.
Абсолютной погрешностью средств измерений называют разность между его показанием и действительным значением измеряемой величины :
.
Относительной погрешностью средства измерения называют выраженное в процентах отношение его абсолютной погрешности к истинному значению воспроизводимой им величины:
.
Приведенной погрешностью средства измерения называют выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению:
.
Итак, приведем классификацию погрешностей:
1) по характеру изменения погрешности средств измерений подразделяют на следующие:
систематические; случайные.
Систематические погрешности в зависимости от причины их возникновения объединяются в следующие группы:
~погрешности метода измерений;
~инструментальные погрешности (погрешности схемы, технологические погрешности);
~погрешности, обусловленные неправильной установкой и взаимным расположением
средств измерений;
~погрешности, возникающие вследствие внешних влияний;
~субъективные погрешности.
2)по режиму изменения параметра Х погрешности подразделяются на следующие:
статические; динамические.
Статической погрешностью называют погрешность средства измерения, используемого для измерения постоянной величины ().
Динамической погрешностью называют разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью соответствующей величины в данный момент времени.
Рассмотрим метрологические характеристики измерительных каналов измерительных систем.
Абсолютное значение систематической составляющей суммарной статической погрешности
измерительного канала равно полному приращению функции (при расчете по точной методике):
,
где - составляющие систематической погрешности коэффициентов преобразования звеньев.
Относительное значение систематической составляющей суммарной статической погрешности
измерительного канала (при расчете по точной методике):
.
В соответствии с ГОСТ 8.009-84 "Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений" систематическая составляющая погрешности средств измерений должна нормироваться комплексом своих характеристик:
пределом допускаемой систематической составляющей погрешности средства измерения данного типа;
математическим ожиданием ; систематической составляющей ;
средним квадратическим отклонением систематической составляющей погрешности средства измерения данного типа.
Таким образом, оценка систематической составляющей с погрешности конкретного экземпляра измерительного канала в точке диапазона измерения определяется по формуле:
,
где n - число опытов при определении ;
- i-й отсчет погрешности измерительного канала.
Оценка математического ожидания систематической составляющей погрешности определяется по формуле:
,
где - число средств измерений, используемых при оценке измерительного канала.
Оценка среднего квадратического отклонения систематической составляющей погрешности с определяется по формуле:
.
Характеристики случайной составляющей погрешности средства измерения должны выбираться из числа следующих:
предел допускаемого значения среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности средства измерения данного типа;
нормализованная автокорреляционная функция случайной составляющей погрешности средства измерения данного типа.
Таким образом, оценка среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности конкретного экземпляра измерительного канала определяется по формуле:
.
Оценка нормализованной автокорреляционной функции определяется по формуле:
,
где - число отсчетов погрешности при определении автокорреляционной функции;
-интервал времени между двумя последовательными отсчетами;
;
-дисперсия;
-j-й отсчет погрешности;
-корреляционный коэффициент.
Впроцессе измерения систематическая и случайная составляющие погрешности проявляются одновременно в виде суммы:
.
где - систематическая составляющие погрешности измерения; - случайная составляющие погрешности измерения.
1.1.1.6 Функции и характеристики измерительных систем.
При построении АСУ ТП на первом этапе разработки создаются информационно-измерительные системы или измерительные системы.
Измерительные системы обеспечивают полный и своевременный контроль режима работы агрегатов, позволяют глубоко анализировать ход технологических процессов и ускорить решение важнейших задач оптимального управления.
Функции измерительных систем сводятся к решению следующих задач: определение текущих и прогнозируемых значений величин; определение показателей, зависящих от ряда измеряемых величин;
обнаружение событий, являющихся нарушениями и неисправностями на производстве. Создание измерительных систем - сложный процесс, при котором учитывается большое число
факторов, и принимаются разнообразные решения.
Общая модель задачи при оценке текущих значений измеряемых величин и вычисляемых по ним технико-экономических показателей в измерительной системе может быть представлена следующим образом. Задана совокупность величин и показателей, которые необходимо определять в объекте контроля. Указана требуемая точность их оценки. Имеется совокупность датчиков, которые установлены на автоматизируемом объекте. Объект представляет собой ряд взаимосвязанных динамических звеньев.
Общая задача оценки значения отдельной величины (показателя) формируется следующим образом:
для каждой отдельной величины требуется найти группу датчиков, частоту их опроса и алгоритм обработки получаемых от них сигналов, в результате которого значение этой величины определяется с заданной точностью.
Системы измерений в условиях функционирования АСУ ТП должны обеспечивать необходимую
точность, быстродействие, чувствительность и надежность в соответствии с заданными метрологическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками.
1.1.1.7 Надежность средств измерений. Показатели надежности.
Методы расчета показателей надежности.
Лекция 8
1.1.1Методика выбора технических средств
Выбор технических средств осуществляется по следующим признакам:
классификационным признакам;
типам преобразователей;
видам и типам сигналов;
видам преобразования измерительных сигналов; характеристикам качества (погрешность, надежность (наработка на отказ, среднее время
восстановления, срок службы, гарантийные обязательства), информационная емкость (количество каналов ввода-вывода и др.), статистические и динамические характеристики (быстродействие и др.), предельные значения измеряемой величины, количественные и качественные характеристики (напряжение изоляции, масса, габариты и др.), потребительские характеристики (производительность, функциональность), интерфейсные параметры);
условиям и режимам работы (диапазон рабочих температур, вибрации, удары, магнитные и электрические поля, помехозащищенность, пожаро- и взрывобезопасность, периодичность и непрерывность функционирования);
физическим параметрам контролируемой и внешней среды (температура, давление, плотность, влажность, химическое воздействие, абразивные свойства, радиоактивное излучение);
экономическим показателям (стоимость оборудования, монтажа, эксплуатационные затраты).
Рассмотрим методику выбора технических средств на примере выбора входных преобразователей, промежуточных преобразователей, программируемых контроллеров, средств вывода информации и управления:
1) Входные преобразователи или датчики.
Входные преобразователи - устройства для непрерывного или прерывистого преобразования параметров (избыточного давления, вакуумметрического и абсолютного давления, расхода, уровня, температуры, механических величин) в сигналы, которые могут быть использованы в технических средствах и системах.
При выборе датчиков технологических параметров и других средств выделения информации следует учитывать ряд факторов метрологического и режимного характера, наиболее существенные из которых следующие:
допустимая для АСУ ТП погрешность, определяющая класс точности датчика; инерционность датчика, характеризуемая его постоянной времени; пределы измерения с гарантированной точностью;
влияние физических параметров контролируемой и окружающей среды (температуры, давления, плотности, влажности) на нормальную работу датчика;
разрушающее влияние на датчик контролируемой и окружающей среды вследствие абразивных свойств ее, химического воздействия и т.п.;
наличие в месте установки датчика недопустимых для его нормального функционирования вибраций, магнитных и электрических полей, радиоактивных излучений и др.;
возможность применения датчика с точки зрения требований пожаро- и взрывобезопасности; расстояние, на которое может быть передана информация, выделяемая датчиком; предельные значения измеряемой величины и других параметров среды.
2) Промежуточные преобразователи.
Промежуточные преобразователи являются внутрисистемными. Они предназначены для преобразования сигнала одного вида в другой без изменения количества информации. Их используют для согласования входных и выходных сигналов отдельных устройств, комплексов технических средств.
Предварительно промежуточные преобразователи выбирают по классификационным признакам, а затем, если преобразователи изготовляются серийно, по техническим характеристикам окончательно выбирают тип преобразователя. При этом принимаются во внимание необходимый класс точности преобразования и вероятность безотказной работы.
3) Программируемые контроллеры.