10.3. Основные узлы иис

Как отмечалось выше (гл. 1, 10.1), после первичных измерительных пре­образователей имеется измерительный сигнал, подлежащий унификации и масштабированию для ввода в ИИС. Поэтому непосредственно в датчике или в отдельном блоке после первичного измерительного преобразователя в си­стеме используются унифицирующие преобразователи для создания унифици­рованного или стандартного измерительного сигнала ГСП с целью передачи его по линии связи. Для ввода унифицированных сигналов в линию связи или в измерительные и вычислительные блоки ИИС необходимо предусмот­реть коммутирующие устройства. Наиболее общими устройствами измери­тельных блоков в ИИС являются устройства сравнения. Кроме того, в ИИС используются оригинальные запоминающие и представляющие устройства (включая устройства регистрации).

Каналы связи. Под каналом связи понимают совокупность технических средств, обеспечивающих независимую передачу сообщений. В эту совокуп­ность входят: физическая среда, по которой передается сигнал, линия связи и устройства для передачи и приема сигнала.

В зависимости от характера передающей среды и физической природы сигналов линии связи (как и каналы), используемые в ИИС, можно разде­лить на гидравлические, пневматические, электрические, радио, акустические и оптические.

Для технологических измерений в основном используются пневматические и электрические линии связи, причем предпочтение отдается последним (см. 9.10).

Основными характеристиками канала связи являются: емкость, скорость передачи информации и пропускная способность канала-связи.

Емкость канала V_K представляет собой произведение трех ве­личин

V_K — T_KF_KH_Kt

где Т_к — время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом; F_K— полоса частот, пропускаемая каналом; Н_к — характеристика, показы­вающая превышение мощности сигнала Р_с» которую может пропустить канал, над мощностью помех Р_п в канале.

Скорость передачи информации и определяет количество ин­формации /, передающееся в единицу времени

и = ЦТ.

Максимально возможную скорость передачи информации по каналу на­зывают пропускной способностью канала.

С = и_тах = - щах -у {Н (х) - Н (x/X_N)}> (10-3)

где Н(х)—энтропия источника сигнала; H(x/X_N)—условная энтропия, оп­ределяемая помехой и зависящая от ее уровня и характера.

Иначе говоря, пропускная способность определяет максимальное количе­ство информации, которое можно передать в единицу времени. Размер­ность пропускной способности — ед. инф/с (см. 1.3).

Для того чтобы определить, насколько скорость передачи информации близка к пропускной способности канала, вводят характеристику назы­ваемую коэффициентом использования канала (г] = и/С).

Пропускная способность канала определяется только свойствами канала и не зависит от источников сигнала.

При передаче сигнала, представляющего собой непрерывную функцию x(t), и при условии, что: 1) ширина полосы частот ограничена частотой F\ 2) средняя мощность сигнала задана величиной Р_с; 3) помеха в канале рас­пределена по нормальному закону; 4) помеха в полосе F имеет равномер­ный спектр и мощность помехи задана как Р_п; 5) сигнал и помеха статисти­чески независимы, выражение (10-3) принимает вид

C-Flog(l + P_c/P_n).

Пропускная способность канала не обязательно растет пропорционально F, так как с увеличением полосы пропускания может возрасти и мощность помехи Р_п.

При передаче сообщений с помощью двух символов — нуля и единицы — условная или остаточная энтропия

Н (xlX_N) = ро log р₀ + (1 — р₀) log (1 — р₀).

Поэтому выражение (10-3) принимает вид

С = и [log 2 + ро log Ро + (1 ~ Ро) log (1 — ро)],

где и — скорость передачи двоичных символов.

Пропускная способность достигает максимального значения в двух слу­чаях: когда в канале отсутствует помеха, т. е. ро=0, и когда ро=1, т. е. за­ранее известно, что переданная единица превращается в нуль, и наоборот. В этих случаях C=aIog2.

При ро=0,5 равновероятен прием искаженного и неискаженного симво­лов. Поэтому ничего достоверного о переданном сообщении сказать нельзя и C=C_min=0.

Для того чтобы по каналу передавалась информация без искажений, необходимо, чтобы его емкость У_И была больше объема сигнала V_c, пропуск­ная способность С была больше скорости выдачи информации источником сигнала и_д. Таким образом, надо согласовать емкость канала с объемом сиг­нала, а пропускную способность канала — со скоростью поступления инфор­мации в канал.

1. Согласование величин V_K и Vc. Под объемом сигнала понимают про- изведение трех величин Vc~T_cF_cH_Ct где Т_с —длительность сигнала, пока- зывающая, на какое время занимается канал; F_c — ширина спектра сигнала; И с — превышение сигнала над помехой.

Однако выполнение условия V_R^V_C не всегда достаточно; кроме него, должны выполняться соотношения T_K^T_Ct F_K^F_C, Н_К^Н_С.

Если какое-либо соотношение не выполняется, а условие V_K^V_C со­блюдено, то необходимо предварительное преобразование сигнала. Обычно для этого изменяют величины F_c и Т_с. Например, если F_e=3F_Kt а Гс^Гк, то для выполнения условия неискаженной передачи в 3 раза увеличивают длительность всех элементов сигнала. При этом ширина спектра F_c умень­шается в 3 раза.

2. Согласование величин С и и_д. Условием неискаженной передачи ин- формации является выполнение соотношения w_w<C=/⁷_Klog(l+P_c/Pn), по- зволяющее определить требуемую полосу пропускания канала.

Значение ы_д можно определить следующим образом. Если количество ин­формации, поступающее от источника в какой-то момент времени, т. е. соот­ветствующее одному отсчету, равно /(*). а число отсчетов в секунду я, то скорость выдачи информации, т. е. ее количество, поступающее от датчика в 1 с, равно

ы_д = п/ (х).

В частности, при n=l/At=2F_u (где Fh — ширина спектра измеряемой ве­личины) скорость

«_д = 2^„/ (х),

тогда

2 FJ (х) < F_K log (l +-jr") '

откуда

F т> *ЬШ

log(l + P_c/P_n) Для частного случая, при /=logm, можно записать

F > ^{2 F}* ^{log т}

log(l + P_c/P_n) '

Приведенным соотношением можно лользоваться и тогда, когда на вход канала поступает информация от / источников, опрашиваемых последова-

Рис. 10-5

тельно. В этом случае в качестве F_c берется полоса частот сигнала, полу­чающегося после коммутации. Кроме того, под /(*) понимается информация, даваемая всеми источниками, в частности, если измеряемые величины стати­стически независимы, то I(x) =I(Xi) +1(х₂) +...+/(**).

Отношение скорости передачи информации и к скорости поступления информации от источника и_д называют коэффициентом передачи информации.

Используемые линии связи для ИИС отличаются не только устройством, но и структурой и, главное, способом разделения каналов.

При выборе структуры линии связи надо учитывать стоимость аппара­туры, размещенной на приемной и передающей сторонах. Однако можно до­пустить, что стоимость оконечной аппаратуры много меньше стоимости линий связи и поэтому ее влиянием на структуру линий можно пренебречь. Тогда определяющим при выборе структуры линий является ее экономичность и на­дежность.

Наиболее распространенные структуры линий связи, используемые для обслуживания рассредоточенных объектов, приведены на рис. 10-5.

Схемы, показанные на рис. 10-5,а и 10-5,6, называемые цепочеч­ными или последовательными, можно использовать, когда объекты рассредоточены как вдоль линии (рис. 10-5, с), так и по площади (рис. 10-5,6). Схему, приведенную на рис. 10-5,в, называют радиальной, что следует из ее внешнего вида, а схему рис. 10-5,г — кустовой, так как здесь часто источники информации И объединены в общие группы (ку­сты), каждая из которых соединена с приемным пунктом П отдельной ли­нией. Разновидностью кустовой схемы является древовидная, отличающаяся тем, что в точке соединений линий устанавливаются коммутирующие устрой­ства. Кроме перечисленных, могут использоваться и смешанные структуры ли­ний связи.

Выбор той или иной структуры линий определяется ее экономичностью и надежностью. В то же время экономичность и надежность зависят от

Устрой­ство		Передаю­щее устрой­ство	Линия	Прием­ное		Устрой­ство 1
уплст-нения каналов	Г**		связи	устрой­ство		разде­ления каналов

Рис. 10-6

протяженности линии, т. е. ее длины. Таким образом, для удешевления ли­нии необходимо найти способ кратчайшего соединения источников информа­ции с приемным пунктом.

В большинстве случаев при построении ИИС требуется одновременно передавать информацию от множества объектов к одному получателю. Ис­пользовать для передачи сообщений от каждого объекта отдельную линию связи экономически невыгодно, а часто просто невозможно, поэтому возни­кает необходимость передавать всю информацию по одной и той же линии, но так, чтобы каждое сообщение передавалось по своему каналу связи. Для этого на передающем конце линии необходимо устройство уплотнения кана­лов (рис. 10-6).

На приемном конце линии соответствующие устройства разделяют сооб­щения, направляя каждое своему измерительному преобразователю ИП; ин­формационных сигналов. Такая система связи, когда при одной линии созда­ется множество каналов, называется многоканальной.

Для того чтобы сигналы, передающие сообщения по каналам, можно было разделить, их нужно различать по каким-то признакам. В зависимости от того, какие признаки сигналов используются для разделения каналов, раз­личают и способы построения многоканальных систем. Наиболее распростра­нены способы частотного и временного разделения каналов.

В некоторых системах используют комбинированное, т. е. совместно ча­стотное и временное, разделение. Возможно также разделение по форме сиг­налов и фазе.

В системах с частотным разделением каналов чаще используются ампли­тудная, частотная и фазовая модуляции. В системах с временным разделе­нием каналов может применяться любой ее вид.

В ИИС для технологических величин чаще всего используется временное разделение каналов. При этом информация по каждому каналу передается периодически в течение короткого промежутка времени, который намного меньше периода опроса всех каналов *. Для уменьшения влияния канала на канал между ними нужно оставлять защитные промежутки времени, зна­чения которых определяются допустимыми погрешностями передачи инфор­мации по линии связи в системе.

Происхождение этой погрешности при временном разделении каналов связано с тем, что сигнал в канале передается прямоугольным импульсом,

т. е. импульс отличен от нуля только

U

К-1-й КФШл

ли

ртах

в пределах определенного интервала времени, а за его границами сигнал отсутствует. Однако сигнал, ограни­ченный во времени, имеет бесконеч­ный спектр и поэтому не может быть передан без искажения. На практике любые каналы имеют ограниченный спектр, а это искажает импульс, т. е. удлиняет его передний и задний фронты или, иначе говоря, происхо­дит расплывание импульса. Подоб­ное расплывание импульса во вре­мени приводит к тому, что часть импульса попадает в соседние интервалы времени, отведенные для соседних каналов. Попадание импульса в соседний канал и является причиной погрешности.

Рассмотрим влияние на 6-й канал только одного предыдущего k— 1-го канала. Импульсы, передаваемые по этим каналам, приведены на рис. 10-7. Вследствие фазовых или амплитудных искажений на верхнем конце полосы пропускания импульсы искажены, т. е. их передние и задние фронты удли­нены. Если интервал между соседними импульсами мал, то в результате влияния А—1-го канала импульс в k-м канале изменяется, причем изменяется как его амплитуда (на &U), так и длительность (ширина). Изменение ампли­туды вызывает погрешность при применении амплитудно-импульсной модуля­ции. Если же используется время — импульсная модуляция, то импульсы предварительно ограничиваются по максимуму и минимуму, в результате чего на демодулятор поступают импульсы с амплитудой Uo max—U₀ mm. В этом случае погрешность обусловлена изменением ширины импульса, а изменение его амплитуды погрешности не вносит.

Унифицирующие преобразователи. Не все подключаемые к системе дат­чики имеют на выходе унифицированную форму измерительного сигнала. По­этому между датчиком и системой включают специальный унифицирующий преобразователь (УП). Эти УП должны работать так, чтобы различным

¹ Для большинства ИИС время опроса по одному каналу выбирается одинаковым для всех каналов системы.

358

диапазонам изменения или различной физической величине измерительных сигналов на входе соответствовал один и тот же диапазон изменения унифи­цированного выходного сигнала.

УП может быть как индивидуальным для каждого датчика, так и обслу­живать определенную группу датчиков. При втором способе унификации дат­чики к УП подключаются поочередно. Так как унификация (преобразование сигналов) может проводиться в несколько этапов, то первый способ исполь­зуется чаще для унификации сигналов с датчиков при передаче их по ли­ниям связи, а второй —при обработке их в вычислительном блоке (коди­рование).

а

Рис. 10-8

Если характеристика датчика линейна и меняется в пределах от до Х₂, а шкала выходного сигнала УП должна лежать в пределах от У_тт до Утах, то унифицирующий преобразователь должен выполнять линейную опе­рацию вида

У = Уо + toy

преобразующую входную величину при x=Xi в y-=Y_min (в частном случае 0), а при х=х₂ в y=Y_max. Таким образом, при этой операции смещается начало шкалы и вводится масштабный коэффициент (дробное или целое число). Так построены основные стандартные УП ГСП (см. 9.1).

Чаще характеристики датчиков нелинейны. Например у термоэлектриче­ского термометра стандартных градуировок нелинейность характеристик, свя­зывающих ТЭДС с температурой, достигает 5—6%. Некоторые датчики имеют еще большую нелинейность. Унифицирующие преобразователи, работающие с такими датчиками, кроме рассмотренных выше операций, должны еще и линеаризовать характеристику. При работе ИИС совместно с ЦВМ операции по линеаризации характеристик могут выполняться вычислительными ма­шинами (гл. 1).

В качестве примера УП, выполняющего линейную операцию, рассмотрим преобразователь, работающий с термоэлектрическим термометром ТТ

359

(рис. 10-8). Преобразование в этом случае выполняется в два этапа. На пер­вом этапе устанавливается нуль шкалы вычитанием начального напряженияUo_t часть которого составляет ЭДС термопары из-за температуры свободных концов, отличной от градуировочной t_G=Q ^СС (см. 3.5). Напряжение U₀ по­лучают от моста с помощью делителя напряжения, позволяющего использо­вать термопары хромель-копель ХК, хромель-алюмель ХА и платинородий-платина ПП. Медный Я_м, и манганиновые R3 и R4 резисторы подгоняют так, чтобы выходное напряжение моста менялось при изменении темпера­туры по тому же закону, что и ТЭДС при изменении температуры свобод­ных концов. Масштабирование сигнала, т. е. его изменение в k раз, удобнее всего выполнить с помощью измерительного усилителя, имеющего стабиль­ный коэффициент усиления. Для этого усилитель охватывают отрица­тельной обратной связью ОЦ.

U~const

При использовании резистивных датчиков для смещения нуля сиг­нала применяют неуравновешенные мосты, выходное напряжение кото­рых зависит от разности сопротивле­ний. На рис. 10-9 приведена схема такого моста, предназначенного для работы с термометром сопротивле­ния ТС. Чтобы исключить влияние изменения сопротивления соедини­тельных проводов на выходной сиг­нал моста, термометр сопротивления включают по трехпроводной схеме. Увеличение сигнала в к раз может быть осуществлено, как и в случае с тер­мопарой, измерительным усилителем. При этом к зажимам а, в (рис. 10-9) подключают аналогичный усилитель (см. зажимы а, Ъ_у рис. 10-8), охваченный отрицательной обратной связью для стабилизации коэффициента усиления.

Возможны и другие способы смещения нуля и масштабирования. В при­веденном примере унифицирующее преобразование выполнялось в аналоговой форме. Значительно выгоднее преобразовывать аналоговый сигнал в код, а затем выполнять масштабирование и линеаризацию [28, 42].

Коммутирующие устройства или коммутаторы наибо­лее часто используются для поочередного подключения датчиков ко входу системы или, иначе говоря, для временного разделения каналов.

Если коммутаторы предназначены для переключения аналоговых сигна­лов, например напряжений, то его основной характеристикой является по­грешность коэффициента передачи:

V вых — Ubx

вх

6-

U

где с/_вх —сигнал на входе коммутатора; и_ВЫх — сигнал на выходе комму­татора.

При передаче кодовых сигналов или при частотной модуляции носите­лей эта характеристика практически не имеет значения. К другим характери­стикам относятся: быстродействие или число переключений в секунду; число датчиков, которое может обслужить коммутатор; максимальная частота ком­мутации каждого канала.

По принципу действия коммутаторы делятся на контактные и бескон­тактные. В контактных коммутаторах датчик подключается замыканием механических контактов, т. е. контактными ключами. Контактные ключи, к ко­торым относятся электромагнитные реле всевозможных типов, обладают ма­лым сопротивлением в проводящем состоянии R_np (сотые доли ома) и прак­тически бесконечно большим в разомкнутом /?об_Р. Быстродействие контакт­ных ключей предельная рабочая частота не превышает нескольких сотен герц. К контактным коммутаторам относятся и силовые искатели, частота переключений которых не превышает нескольких десятков герц.

Бесконтактные ключи представляют собой элементы с управляемой про­водимостью, например диоды, транзисторы, фоторезисторы и др. Они позво­ляют производить переключения с частотой в десятки мегагерц, но у них сопротивление #_Пр значительно больше, чем у бесконтактных, a Roo_p от­лично от бесконечности.

По конструкции коммутаторы можно разделить на аппаратные и схем­ные.

К аппаратным, представляющим собой конструктивно целое устройство, относятся, например, шаговые искатели, ртутно-струйные коммутаторы, элек­тронно-лучевые распределители и др. Среди них наиболее распространенным типом является шаговый искатель, представляющий собой ряд неподвижных пластин, расположенных по окружности, на которых имеются изолированные ламели — контактное поле. Вдоль этого контактного поля перемещается по­движная щетка. Число неподвижных контактов в одном ряду у шаговых искателей— 11, 17, 25 или 50, а число рядов, по которым одновременно пере­мещаются жестко связанные между собой, но электрически изолированные щетки, равно 4—8. Коммутация шаговыми искателями происходит со скоро­стью, не превышающей нескольких десятков шагов в секунду.

Схемные коммутаторы собираются по какой-либо схеме из контактных или бесконтактных ключей.

Коммутаторы могут работать в режиме обегающего и выборочного кон­троля. В первом режиме к системе периодически поочередно подключаются все датчики. В режиме выборочного контроля подключение датчиков проис­ходит по некоторой программе.

Запоминающие устройства. В ИИС измерительную информацию прихо­дится не только использовать в процессе измерения и контроля, но и хра­нить в течение определенного времени. Кроме того, в ряде случаев информа­ция вообще не может быть использована непосредственно после ее получе­ния и должна быть сохранена в запоминающем устройстве (ЗУ).

Основными характеристиками любого ЗУ служат его емкость и скорость записи и получения необходимой информации.

ЗУ часто делят на оперативные — более быстродействующие, но обла­дающие сравнительно малой емкостью, и внешние — с низким быстродей­ствием, но с большей емкостью. Кроме того, их можно подразделить на пе­риодические и непериодические. В периодических записанная информация находится в периодическом движении по отношению к записывающим и счи­тывающим устройствам. Поэтому информация может быть выбрана только в определенные моменты времени. В непериодических движение информации отсутствует и ее выборка осуществляется специальными переключающими цепями в любой произвольный момент времени. Скорость получения данных в этом случае больше.

Информация из ЗУ может выбираться как с ее разрушением, так и без разрушения. В некоторых устройствах с разрушением вместо разрушенной информации вводится новая.

ЗУ могут быть выполнены: на магнитных сердечниках; на перфораторных картах и лентах; на магнитных носителях и др.

Перфокартные ЗУ представляют собой стандартные ленты (перфоленты) или карты (перфокарты), информация на которые записывается в виде кодо­вых комбинаций круглых или прямоугольных отверстий, причем коду «1» соответствует отверстие, а коду «О» — его отсутствие. Коды чисел записы­ваются на ленту в виде параллельных дорожек, каждая из которых соот­ветствует определенному разряду.

При выборке информации с ленты все разряды считываются параллельно. Осуществляется считывание, например, с помощью контактных щеток, сколь­зящих по поверхности ленты. При попадании щетки в отверстие в ее цепи возникает импульс тока, фиксируемый специальным устройством. Существуют и другие методы считывания, например с помощью фотоэлементов. С перфо­ленты информация считывается со скоростью 150—300 знаков в се­кунду.

Емкость перфокарт может достигать 960 двоичных разрядов, или 24 чи­сел. Практически число разрядов, записанное на перфокарте, оказывается меньшим «з-за необходимости иметь служебную информацию, например но­мер перфокарты и т. д. Информация с перфокарт может выводиться теми же методами, что и с перфолент.

Перфораторные ЗУ имеют то преимущество, что могут неограниченно долго храниться и многократно использоваться. Широкое распространение перфораторных ЗУ объясняется тем, что большинство вычислительных ма­шин имеет устройства для ввода информации с перфораторных ЗУ и вы­вода информации на них.

Среди ЗУ с магнитными носителями широко распространены магнито­графы (магнитофоны), устройства с магнитными дисками и магнитными ба­рабанами. Емкость подобных ЗУ достигает нескольких сот миллионов- еди­ниц информации.

Устройства представления информации. В связи с резким возрастанием потоков информации, получаемых с помощью ИИС, чрезвычайно важным ста­новится согласование этого потока с пропускной способностью человека-оператора.

Эффективная деятельность оператора, т. е. скорость, с которой он вос­принимает информацию, точность восприятия и т. д. определяются в первую очередь психофизиологическими факторами, характеризующими человека. Кроме того, важен характер информации и особенности технических средств. Поэтому при проектировании устройств отображения приходится ре­шать самые разнообразные задачи. К ним относится и компоновка щитов, на которых располагаются приборы, и определение типов знаков (симво­лов), их форм, размеров, цвета и многое другое.

Информацию, представляемую оператору, можно подразделить на три группы: оперативную, или экспресс-информацию, используемую оператором непосредственно в процессе контроля или управления технологическим про­цессом; статистическую, необходимую для последующей статистической обра­ботки и обобщений результатов контроля и измерения; отчетную, предназна­ченную для документирования результатов контроля и измерения.

Оперативная информация, как правило, представляется оператору с по­мощью показывающих устройств или средств сигнализации, а статистическая \м отчетная — с помощью регистрирующих устройств. Выбор того или иного показывающего устройства осуществляют, исходя из требований, предъяв­ляемых к устройствам отображения: точности, наглядности и т. д.

Показывающие устройства определяют количественную информацию о каждом измеряемом параметре. Однако при большом числе измеряемых ^параметров необходимо большое число показывающих устройств, с просмот­ром которых оператор может не справиться. Работа оператора облегчается, 'если информация ему выдается в комплексном виде. Можно, например, за­менить отдельные приборы одним экраном, на котором несколько значений параметров изображено разным цветом в виде графиков или таблиц.

В ряде случаев оператору целесообразно получать обобщенную инфор­мацию, характеризующую поведение объекта (или процесса) в целом. Такие формы предусмотрены в специальных устройствах — дисплеях.

Широкое применение для характеристики качественной информации на­шли в системах устройства сигнализации, показывающих, протекает ли кон­тролируемый процесс нормально или его параметры вышли за допустимые пределы.

В последнее время все чаще используются устройства отображения с иерархическим (многоступенчатым) способом определения информации. Ин­формация в этом случае предъявляется оператору в несколько этапов. На первом этапе оператору показывается мнемосхема, изображающая исследуе­мый объект и он получает качественную информацию о поведении объекта в целом. На следующем этапе оператору по его вызову сообщается каче­ственная информация о поведении отдельных блоков и устройств объекта. В дальнейшем происходит все большая детализация участков объекта. На последнем этапе оператору, по его требованию, представляется количествен­ная информация от отдельных датчиков.

Регистрирующие устройства (РУ), наиболее часто используемые в си­стемах, можно подразделить на механические и немеханические.

Механические цифропечатающие машины (ЦПМ), несмотря на сравни­тельно малое быстродействие (от 5—7 знаков в секунду до 25—30 строк в секунду, причем число знаков в строке может достигать нескольких сотен), .все шире используются для регистрации выходной информации в ИИС. Это объясняется тем, что они обеспечивают хорошее качество регистрации, а по Простоте и стоимости намного лучше немеханических РУ [1].

Немеханические РУ, к которым относятся светографические электроискро­вые; электрохимические; феррографические (магнитографические), обладают ■ значительно большим быстродействием, порядка 50—200 строк в секунду при числе знаков в строке 120—160, но все они значительно сложнее, дороже и требуют, как правило, специальных сортов бумаги [28].