10.4. Вопросы проектирования и оценки эффективности иис

При создании информационной измерительной системы наиболее ответ­ственным, определяющим эффективность ее работы при эксплуатации явля­ется этап проектирования. Этому этапу предшествует организационный пе­риод, когда принимается решение о целесообразности создания и внедрения ИИС: выделяются специалисты, денежные средства, производственные пло­щадки и оборудование, а также разрабатываются календарные графики вы­полнения работ и т. д.

Разработка технического задания на систему

Оценка пара­метров алго­ритмической структуры

Эксперимёнталь ное определение характеристик измеряемых величин

При проектировании ИИС ориентировочно решается такая последова­тельность вопросов, взаимосвязь которых показана на рис. 10-10.

Ориентировочное

составление алгоритмической структуры системы

Реализация

системы на объекте и ее испытание

Выбор структуры системы

Выбор технических

средств для системы

Оценка ожидаемых эффективности или качества системы с поэтапным уточнением

Окончательное составление алгоритмиче -ской структуры системы

Рис. 10-10

Разработка технического задания (ТЗ) на систему должна включать определение: круга задач, решаемых с ее помощью; требований, которым си­стема должна удовлетворять; погрешностей, быстродействия, надежности и т. д.; условий в которых система будет функционировать (температура, давление, влажность, источники питания, особые условия); ограничений, на­пример, по размеру, массе, стоимости или по используемым материалам и т. д.

При составлении ТЗ необходимо обратить внимание на ряд обстоя­тельств, важных для повышения эффективности системы: уровень автомати­зации на избранном производстве, квалификацию ИТР и обслуживающего персонала, возможности использования существующих измерительных уст­ройств для включения в систему; предварительный анализ экономической эффективности при внедрении ИИС.

Значительное место в ТЗ может занимать выбор выходной и входной из­мерительной информации. Трудность такого выбора определяется не только отсутствием подчас прямых способов измерения комплексных узкоотраслевых свойств и составов промежуточной и конечной продукции, но и различными требованиями к перечню измеряемых величин на этапах испытаний, исследо­ваний и модернизации производств, по сравнению с этапом постоянной про­мышленной их эксплуатации. Поэтому уже на этапе составления ТЗ необхо­димо предусмотреть возможности совершенствования, расширения функций

364

ИИС, а также подход к исправлению просчетов и ошибок в ТЗ, которые могут быть выявлены при испытании системы.

Составление алгоритмической структуры системы заключается в поиске и анализе существующих решений подобных задач, в изучении новейших раз­работок в смежных отраслях науки и техники, в использовании апробиро­ванных и оригинальных методов получения и обработки измерительной ин­формации.

Обработка измерительной информации касается не столько вычислитель­ных операций над данными прямых, косвенных и совокупных измерений с целью получения оператором результатов измерений в удобной для него форме, сколько для использования алгоритмических и структурных способов повышения достоверности измерительной информации (см. 1.5). Такая воз­можность применения ИИС особенно целесообразна в тех случаях, когда исходная информация от датчиков недостаточно достоверна ввиду большого числа влияющих, дестабилизирующих факторов, отсутствия датчиков для прямого измерения тех или иных технологических параметров, наличия силь­ной корреляционной связи между измеряемыми технологическими величи­нами и т. п.

Сложность определения, поддержания и поверки метрологических харак­теристик ИИС, особенно для многоканальных систем со сложной структурой, ставит перед разработчиками ИИС задачу автоматической поверки метроло­гической исправности элементов и каналов в функционирующей системе. Ре­шение метрологического обеспечения ИИС должно быть учтено при состав­лении алгоритмической структуры ИИС и реализовано при выборе техниче­ских средств для системы.

В информационной измерительной системе для технологических измере­ний в ЦБП могут быть рекомендованы следующие алгоритмические способы повышения достоверности измерительной информации о технологических ве­личинах:

1. Аналитическая градуировка функций преобразования датчиков для исключения их погрешностей нелинейности.

1. Коррекция или функциональная минимизация погрешностей (систе­матических, прогрессирующих или медленно изменяющихся случайных по­грешностей), в частности путем автоматической поверки нуля и чувствитель­ности измерительных каналов (от датчика или от вторичного преобразова­теля) или на основе использования принципа инвариантности академика Б. Н. Петрова с применением структурной избыточности.

2. Уточнение значений измеряемых величин, связанных известными ана­литическими зависимостями (например, уравнениями непрерывности, мате­риального баланса и т. п.).

3. Введение поправок на изменение дестабилизирующих факторов для коррекции показаний датчиков, т. е. уменьшения их дополнительных по­грешностей.

4. Статистическая обработка данных измерений случайных величин» в частности для определения стохастических зависимостей между технологи­ческими величинами.

5. Фильтрация низкочастотных и высокочастотных помех для исключения случайных погрешностей, связанных с диффузностью характеристик самого

365 объекта измерения и с наводками и шумами, влияющими на датчики и из­мерительные каналы.

7. Сравнение измеряемой величины с минимальным и максимальным ее значениями, за пределы которых по физическим соображениям она не дол­жна выходить, причем эти значения не должны совпадать с нижними и верх­ними пределами измерений датчиков. Сравнение значения измеряемой вели­чины во времени, т. е. производной, физически реализуемой в техноло­гическом процессе, со значением реальной скорости изменения величины в объекте. Определение фактов превышения сигналами этих значений приме­няется для обнаружения неработоспособного состояния или слоя измери­тельного канала. Эти сигналы в дальнейшем не учитываются при расчете результатов измерений.

В целом эти четыре этапа (рис. 10-10) объединяются созданием научной базы для обоснованного принятия решения по выбору структуры ИИС, удо­влетворяющей требованиям ТЗ. Важную роль при этом играет опыт и зна­ния проектировщиков, так как часто процесс приема решений может опи­раться на экспертные оценки.

Выбор структуры системы и технических средств ее реализации заклю­чается в определении некоторого множества возможных допустимых вариан­тов, удовлетворяющих предъявляемому ТЗ, и сравнении их между собой для отбора наилучшего.

Как в первой части, так и во второй возможно вести работу в двух на­правлениях. Либо синтезировать систему из имеющихся и принципиально но­вых узлов для удовлетворения требований ТЗ. Либо пересмотреть ТЗ для смягчения требования и ограничений, если выбираемые варианты отличаются слишком большой стоимостью, трудностью технической реализации или боль­шими сроками исполнения. Если удается выбрать наилучший вариант в смысле определенного критерия эффективности ИИС при удовлетворении основных требований ТЗ, то переходят к реализации системы на объекте.

Дальнейшая работа над ИИС — создание опытного образца и его испы­тание на объекте. Этот этап работы над системой является исключительно ответственным. При установке, монтаже, наладке устройств и реализации ал­горитмов и программ обработки информации в ИИС выявляются все преды­дущие недоработки и ошибки. Кроме того, проектировщикам систем необ­ходимо предусмотреть достаточно большой объем испытательного оборудо­вания и дополнительных программ технического диагностирования ИИС.

В заключение ИИС проходит опытно-промышленную эксплуатацию, после чего осуществляются внедрение системы в производство и анализ ис­тинного экономического эффекта, который дает ИИС.

Указанная на рис. 10-10 последовательность работы при проектировании ИИС ориентировочна. В зависимости от конкретных условий может варьиро­ваться как их последовательность, так и необходимость выполнения тех или иных этапов работы. Однако в любом случае на каждом из этапов работы принятие решения должно опираться на критерии оценки эффективности и качества ИИС. Причем эти критерии могут иметь ориентировочные значения, ^ по мере детальной разработки ИИС принимать уточненные значения вплоть до расчета окончательных их значений при внедрении системы в произ­водство.

Трудности оценки эффективности и качества ИИС заключаются в том, что сравнение систем и вариантов их структуры и технической реализации должно проводиться не по отдельным характеристикам, а по совокупности характеристик, которая к тому же может оказаться их сложной аналитиче­ской функцией [28, 42].

В последние годы ведутся интенсивные работы по отысканию обобщен­ных показателей качества (ОПК) ИИС. Однако пока нет ни единых отдель­ных показателей для систем при их сравнении, ни единой терминологии в квалиметрии систем. Хотя разработка таких оценок чрезвычайно трудоемка и сложна, она окупится той выгодой, которая будет получена при принятии правильных, а не ложных решений при создании ИИС.

Существующие подходы к оценке ОПК можно свести к следующим.

1. Определение эффективности системы путем сравнения ее с какой-то другой. В этом случае критерий эффективности К имеет следующий вид:

С_р(/, п)/_и(*, п)

где /_Р (/, п) — количество информации, получаемое реальной «-канальной си­стемой; /_и (t_y п) — количество информации, получаемое идеальной /г-каналь-ной системой; С_р(/, п) — математическое ожидание стоимости реального про­цесса контроля; Cn(t, п) — математическое ожидание стоимости идеального процесса контроля за время

Критерии подобного вида не могут быть использованы при разработке новых систем, которые не с чем сравнить. Кроме того, и при наличии уже су­ществующих систем иногда трудно определить, например стоимость идеаль­ного процесса контроля, поскольку здесь возможны различные толкования.

2. Построение ОПК в виде суммы частных показателей с некоторыми ве- совыми коэффициентами. Обобщенный показатель в простейшем случае за- писывают в виде линейной суммы:

m

К= %Р1Щ, i = T, т (Ю-4)

частных показателей а_и характеризующих j-fi вариант системы. Коэффици­енты pi представляют собой весовые коэффициенты, показывающие важ­ность данного показателя, его вес или вклад в обобщенный показатель.

Для определения весовых коэффициентов собирают мнение (по установ­ленной программе и правилам) специалистов в данной области и на основа­нии экспертных оценок важности частных показателей формируют таблицы или матрицы этих коэффициентов. Часто такой метод оценки качества по принципу, положенному в основу определения весовых коэффициентов, на­зывают методом экспертных оценок.

ОПК в виде линейной суммы не всегда позволяет учесть многообразие требований, предъявляемых к системе. Иногда более удобным оказывается

показатель в виде _т

т

К = 2p<f(«i), i=h m, (Ю-5>

где f(oa) —функция, показывающая зависимость ОПК от i-ro частного по­казателя качества.

Иногда невыполнение требований, предъявляемых к каким-либо частным критериям ш _Тр, делает бессмысленным создание всей системы. В этих слу­чаях обобщенный показатель качества усложняют и он приобретает вид

К = П 1 (ос* — щ _Тр) 2 Pit (10-6)

где {s} — перечисление исключенных из произведения индексов, a 1 (а*— —а* тр) —единичная функция, равная 0 при at<ai тр.

Из произведения исключаются множители, соответствующие частным кри­териям, невыполнение которых не ведет к бессмысленности дальнейшей ра­боты. ОПК вида (10-6) является наиболее общим, из которого можно полу­чить показатели вида (10-4) и 10-5).

3. Третий подход к определению ОПК заключается в том, что находят взаимосвязь между стоимостью системы и набором ее технических характе­ристик. В настоящее время такая взаимосвязь для устройств, входящих в ИИС, не найдена. Поэтому, анализируя каждую существующую струк­туру (схему, узел и т. п.), проектировщик должен понять, за счет чего, т. е. каких схемных решений (каких элементов, методов коррекции, компенсации, автоподстройки и т. п.), в каждом случае получены те или иные преимуще­ства в технических характеристиках. Создавая собственную структуру си­стемы, он должен учесть недостатки каждой из сравниваемых (зная чем они обусловлены) и все достижения, которые можно и нужно использовать в но­вой ИИС. Тогда, если разработчик выполняет требования технического за­дания при проектировании системы, то из сравниваемых наилучшей ИИС, как правило, будет более дешевая.

В этом случае процесс выбора оптимальной системы можно свести к сравнительному анализу стоимости ⁶ возможных структур, обеспечивающих заданные характеристики и, в частности, точность и быстродействие.

Кроме перечисленных технических показателей качества ИИС, при их проектировании необходимо учитывать экономическую эффективность си­стемы от внедрения ее в производство. Эта эффективность определяется, с одной стороны, стоимостью создания и эксплуатации системы (с учетом ее надежности), а с другой — доходами от повышения производительности, качества, снижения себестоимости продукции, улучшения условий труда и техники безопасности и т. п. при внедрении ИИС. Учет перечисленных фак­торов весьма сложен и неоднозначен (из-за наличия, как правило, в контуре управления для реализации решений на объекте человека-оператора).

Существующие методики расчета экономической эффективности внедре­ния ИИС [42] следует считать ориентировочными, но достаточными для при­нятия решений по сравниваемым вариантам как на этапе предварительных расчетов при составлении ТЗ, так и при уточненных расчетах на этапах раз­работки ИИС и реализации ее на объекте.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные машины. Спра­вочное пособие/Под редакцией Б. Д. Кашарского, Л., 1976. 488 с.

2. Агейкин Д. И., Костина Е. Н., Кузнецова Н. Н. Датчики контроля и ре­гулирования. М., 1965. 928 с.

3. Алланиязов X. А., Гонек Н. Ф., Кремлевский П. П. Преобразователь расхода повышенной точности.— Приборы и системы управления, 1979, № 5, с. 20—21.

4. Алиев Т. М., Канторович В. Б., Рубин И. Д. Первичные электромаг­нитные преобразователи параметров расхода жидкости для прямоугольных безнапорных каналов.— Приборы и системы управления, 1979, № 5, с. 19—20.

5. Беляев Д. В. Тепловые методы и средства автоматического контроля расхода и состава веществ. М., 1978. 55 с.

6. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М., 1974. 464 с.

7. Бурдун Г. Д. Основы метрологии. М., 1973. 335 с.

8. ГОСТ 8.000 — 72 Государственная система обеспечения единства из­мерений (ГСИ). Основные положения. М., 1972. 2 с.

9. ГОСТ 8.001 —72 ГСИ. Организация и порядок проведения государст­венных испытаний средств измерений. М., 1972. 5 с.

10. ГОСТ 8.009 — 72 ГСИ. Нормируемые метрологические характери­стики средств измерений. М., 1972. 16 с.

11. ГОСТ 8.010—72 ГСИ. Общие требования к стандартизации и аттес­тации методик выполнения измерений. М., 1972. 5 с.

12. ГОСТ 8.011 —72 ГСИ. Показатели точности измерений и формы пред­ставления результатов измерений. М., 1972. 12 с.

13. ГОСТ 12997 — 76 ГСП. Общие технические требования. Методы испы­таний. М., 1976. 8 с.

14. ГОСТ 13600—68. ГСИ. Классы точности. Общие требования. М., 1968. 10 с.