Древс Системы реалного времени технические и программные средства 2010

Аварийные блокировки предназначены для автоматического последовательного отключения (включения) механизмов в соответствии с режимом работы агрегата, подвергшегося аварийному отключению.

Блокировочные устройства применяют также в случаях, когда требуется исключить одновременную подачу команд противоположного знака на один и тот же регулирующий орган из разных мест или от автоматического и дистанционного управления, когда оба вида управления действуют параллельно.

1.4. Структура систем реального времени

Основными составляющими автоматизированных систем реального времени (АСУ ВР) являются комплекс технических средств, программное и информационное обеспечение.

Для принятия решения по управлению нужно знать о состоянии объекта управления и возмущениях со стороны внешней среды. Эта информация вводится в систему с помощью измерительных средств, которые являются источниками информации для средств переработки информации. Эти средства реализуют алгоритм принятия решения и формируют управляющие воздействия, которые передаются на исполнительные средства, непосредственно связанные с изменяемыми параметрами объекта управления.

Для того чтобы человек участвовал в процессе принятия решения, ему также нужно дать возможность следить за состоянием объекта и внешней среды. Для этого он снабжается устройствами отображения информации, которые предназначены для преобразования информации в удобную для восприятия форму (чаще всего

– в визуальную). Человек может вмешиваться в управление, воздействуя на исполнительные средства и на средства переработки информации с помощью управляющих средств.

Поскольку части системы могут находиться на значительных расстояниях друг от друга, часть связей представляет собой средства передачи данных – специальные технические устройства, предназначенные для этих целей. Еще одна составляющая комплекса технических средств – система энергоснабжения; ее назна-

11

чение – снабжение всех технических средств электроэнергией заданного напряжения и мощности.

Все эти составляющие комплекса технических средств показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2

В качестве средств переработки информации обычно применяется узел на основе вычислительной машины. Тип и структура этого узла может быть различной – от простейшего контроллера до кластера, однако в любом случае его применение связано со следующими особенностями:

–он должен «следить» за множеством параллельно протекающих процессов;

–он должен обрабатывать запросы, поступающие в произвольные моменты времени;

–допустимое время принятия решения обычно соизмеримо с временем реализации алгоритма выработки такого решения;

–он должен удовлетворять повышенным требованиям по надежности и достоверности информации;

–состав задач, которые решает этот узел, заранее известен и программное обеспечение для их решения отлажено.

Эти особенности учитываются при построении программного обеспечения. Оно включает в себя операционную систему, программы решения функциональных задач и программы контроля и обеспечения устойчивости вычислительного процесса.

12

Главное назначение операционной системы – обеспечение параллелизма и обработка заявок, поступающих в случайные моменты времени. Программы решения функциональных задач выполняют основное целевое назначение системы – управление объектом. Третья группа программ контролирует работу системы.

Информационное обеспечение содержит данные, необходимые для управления системой.

Контрольные вопросы и упражнения

1.Сформулируйте две постановки задачи выбора оптимального варианта построения системы.

2.Чем управление отличается от регулирования?

3.Приведите примеры систем «жесткого» и «мягкого» реального вре-

мени.

4.Укажите на рис. 1.2 связи, где не могут использоваться средства передачи данных.

13

2.ДАТЧИКИ

2.1.Структура измерительного канала

Формирование сигнала и преобразование его в данные – основная функция измерительного канала. Рассмотрим его типовую структуру.

Информация о некотором параметре исследуемого процесса, поступающая на вход измерительного канала, прежде всего, должна быть нанесена на носитель и изменить его состояние – должен сформироваться сигнал. Для удобства последующего преобразования лучше всего сформировать электрический сигнал. В качестве носителя информации в таком сигнале используются заряд, ток, напряжение или импеданс. Формирование электрическо-

го сигнала – функция первичного измерительного преобразовате-

ля (ПИП).

При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается преобразовать их непосредственно в электрическую величину. В этих случаях осуществляют двойное преобразование исходной (первичной) измеряемой величины: сначала с помощью чувствительного элемента – в промежуточную неэлектрическую величину, а затем с помощью измерительного преобразователя – в выходную электрическую. В качестве чувствительного элемента могут использоваться сильфоны, мембраны и т.д. Конструктивную совокупность чувствительного элемента и первичного измерительного преобразователя, размещаемых непосредственно у объекта измерений и преобразующих измеряемые параметры в электрические величины, удобные для дальнейшего преобразования и передачи по каналам связи, называют датчиком.

Характерная особенность АСУ РВ – многообразие типов сигналов на входах измерительных каналов. Для удобства построения систем все они приводятся к единому нормированному виду с по-

мощью унифицирующего (нормирующего) измерительного преобразователя (УИП).

Унифицированный сигнал – это сигнал определенной физической природы, изменяющийся в определенных фиксированных

14

пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона ее измерения.

Сигнал с выхода УИП передается на аналоговый фильтр низких частот (АФ), применение которого в измерительном канале базируется на том факте, что амплитудно-частотная характеристика идеального низкочастотного фильтра имеет ярко выраженный не-

линейный характер: k(ω) = 1 при ω < ω0 и k(ω) = 0 при ω > ω0. За счет этого частоты, большие частоты ω0, через такой фильтр не

проходят, так что спектральная плотность мощности процесса, поступающего на последующие каскады преобразования S(ω) ≈ 0 при

ω> ω0. Это используется для решения двух задач.

1.В процессе передачи и преобразования сигнал подвергается воздействию шумов. Они порождаются как внутренними причинами (например, тепловые флуктуации электронных взаимодействий), так и внешними (например, воздействие посторонних электромагнитных полей на линию связи). Поэтому следует учитывать, что во всех этапах преобразования участвуют одновременно два процесса – сигнал как функция времени, подчиняющаяся определенным статистическим закономерностям, и помеха (шум), которую обычно представляют в виде случайного процесса типа «белого шума». Взаимодействие этих двух процессов может иметь сложный характер. Простейший случай: когда два случайных процесса – сигнал и помеха – образуют аддитивную смесь (суммарный случайный процесс). Если они различаются по спектру (в частотном представлении) и спектр помехи лежит выше (на оси частот) спектра сигнала, имеет смысл устранить или уменьшить ее до окончательного преобразования в данные. С этой целью в состав тракта вводят аналоговые фильтры низкой частоты.

2.При последующей дискретизации аналогового сигнала в спектральной области возникает бесконечное число копий его спектральной плотности мощности, отстоящих друг от друга на расстояние Δω = 2π/Т (Т – интервал дискретизации). При больших значениях Т (что оправдано с точки зрения инженерной практики) Δω мало, и высокие частоты одной копии совмещаются с низкими частотами другой, что приводит к искажению сигналов. Ограничение спектра частотой ω0 исключает такое наложение. Несмотря на

15

возможное при этом искажение сигнала, этот прием используют для того, чтобы уменьшить частоту дискретизации и избежать при этом эффекта наложения спектров.

После фильтрации унифицированные по информативному параметру непрерывные величины поступают на вход преобразова-

теля «непрерывная величина – код» (ПНК), функциональное назна-

чение которого ясно из названия. Сначала сигналы дискретизируются, превращаясь в ступенчатые сигналы тока или напряжения, а затем квантуются, превращаясь в данные.

Часто с целью более рационального использования технических средств для ввода информации применяют многоканальные системы, стремясь, по возможности, использовать общие для всех каналов ресурсы. Обычно в этом качестве выступает ПНК. Для разделения этого ресурса во времени на его входе устанавливается ком-

мутатор – мультиплексор аналоговых каналов (МАК).

Кроме перечисленных элементов, в состав измерительного тракта входят и другие, вспомогательные элементы: буферные регистры, схемы памяти, источники управляющих сигналов, система энергоснабжения и т.п.

2.2. Классификация преобразователей

Важнейшая функция системы сбора информации заключается в восприятии сведений о состоянии объекта или внешней среды и их обработке для ввода в ЭВМ. Технические средства и человек могут воспринимать только ту информацию, которая «материализована», т.е. превращена в доступное для измерений изменение параметров какой-либо физической среды или объекта. В качестве такой среды можно рассматривать воздушную среду, электрическое поле, магнитное поле; объектом может служить столбик ртути, кристалл пьезоэлемента и т.д. Параметрами могут служить цвет, геометрические размеры, величина напряжения и другие характеристики объектов. Эти величины принято называть носителями информации. Носитель с представленной на нем информацией называют сигналом. Таким образом, сигнал есть физическая величина, отображающая информацию.

16

О количестве и разнообразии входных физических величин можно судить по тому факту, что система единиц СИ включает в себя 6 единиц пространства и времени, 14 механических, 40 электрических и магнитных, 11 тепловых, 15 световых, 14 акустических, 11 единиц молекулярной физики и физической химии.

Внастоящее время существует примерно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – более 50 % , расход вещества и механические величины (перемещение, сила, давление и др.) – по 15 %, количество, время и состав вещества – по 5 %, электрические и магнитные величины – менее 5 %.

В1960 г. было принято решение о создании Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), которой были унифицированы основные конструкции датчиков. В ГСП все контролируемые величины разбиты на пять следующих групп: теплоэнергетические, электроэнергетические, механические величины, химический состав и физические свойства.

Теплоэнергетические величины: температура, давление, перепад давлений, уровень и расход.

Электроэнергетические величины: постоянные и переменные ток и напряжение, мощность (активная и реактивная), коэффициент мощности, частота и сопротивление изоляции.

Механические величины: линейные и угловые перемещения, угловая скорость, деформация, усилие, вращающие моменты, число изделий, твердость материалов, вибрация, шум и масса.

Химический состав: концентрация, состав, химические свойства. Физические свойства: влажность, электропроводность, плот-

ность, вязкость, освещенность и др.

Устройства, в которых первично преобразуется измеряемая фи-

зическая величина, называют первичными измерительными преоб-

разователями (ПИП). Измерительные преобразователи (ИП) бывают с естественным и унифицированным выходными сигналами.

Естественный выходной сигнал формируется первичными ИП естественным путем и может представлять собой угол поворота, перемещение, усилие, сопротивление, напряжение, емкость и т.д.

17

Унифицированный сигнал – это сигнал определенной физической природы, изменяющийся в определенных фиксированных пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона ее измерения. Для получения унифицированных аналоговых сигналов применяют ИП, называемые нормирующими.

Измерительные преобразователи можно классифицировать:

•по виду измеряемой физической величины – различают ИП линейных и угловых перемещений, давления, температуры, концентрации вещества и т.д.;

•по виду используемой энергии – электрические, механические, пневматические и гидравлические;

•по соотношению между входной и выходной величинами:

–преобразование неэлектрической величины в неэлектрическую (рычаги, редукторы, мембраны, пружины и т.д.);

–преобразование неэлектрической величины в электрическую (потенциометры, термопары, емкостные и индуктивные ИП и др.);

–преобразование одной электрической величины в другую (датчики тока, напряжения, фазочувствительные схемы и усилители);

•по виду выходного сигнала – аналоговые (потенциальные, токовые, частотные, фазовые), дискретные (амплитудно-, время- и числоимпульсные и др.), релейные, с естественным или унифицированным выходным сигналом;

•по характеру преобразования входной величины в выходную

–параметрические, генераторные, компенсационные, частотные и фазовые.

Параметрические преобразователи – это преобразователи, в которых изменение входной неэлектрической величины преобразуется в изменение какого-либо электрического параметра выходной цепи (активного сопротивления, индуктивности, емкости). В них для получения сигнала требуется внешний источник энергии.

Генераторные преобразователи – это преобразователи, в которых входная величина преобразуется в ЭДС на выходе (датчики термоЭДС, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, тахометрические и др.). В них формирование сигнала осуществляется за счет энергии самого сигнала.

18

Компенсационные преобразователи – это преобразователи, в которых входная величина (часто после предварительного преобразования) компенсируется другой величиной, имеющей ту же физическую природу. Для непрерывной компенсации осуществляется отрицательная обратная связь.

Частотные и фазовые преобразователи – это преобразователи, в которых различные физические величины на входе (перемещение, скорость, расход) изменяют частоту переменного тока, частоту следования импульсов или фазу.

ИП можно также классифицировать по конструктивному исполнению, по величине погрешности и по другим признакам.

Наибольшее распространение в системах автоматизации получили параметрические преобразователи неэлектрических величин в электрические. В общем случае такой преобразователь состоит из первичного измерительного преобразователя ПП (чувствительного элемента), преобразующего контролируемую величину x в величину x1, удобную для измерения, и измерительного преобразователя П, в котором величина x1 преобразуется в электрический сигнал y за счет подводимой извне энергии.

Устройство, которое, подвергаясь воздействию измеряемой физической величины, выдает эквивалентный сигнал, являющийся функцией измеряемой величины, называют датчиком. Другими словами, датчик преобразует один вид носителя информации в другой, обычно – в электрическую величину (напряжение, ЭДС или ток) или в параметр электрической цепи (импеданс, частота, фаза).

2.3. Метрологические характеристики датчиков

Датчик является основным источником электрического сигнала, тогда как остальная часть цепи должна обеспечить его обработку и использование. Следовательно, от качества датчика в первую очередь зависят как соответствие между истинным значением измеряемого параметра и полученным при измерении значением, так и пределы вносимых в полученную величину погрешностей.

Основными характеристиками датчиков являются статические, динамические и эксплуатационные. Статические характеристики относятся к установившемуся режиму, динамические определяют

19

его поведение при изменениях входной величины, эксплуатационные определяют характеристики эксплуатации (объем, габаритные размеры, потребляемая мощность, достоверность информации, надежность работы, потребляемая мощность, срок службы, условия эксплуатации, стоимость).

2.3.1. Градуировка датчиков

Градуировка датчика охватывает совокупность операций, позволяющих установить соответствие между значениями измеряемой величины и электрическими величинами на выходе с учетом всех дополнительных факторов, которые могут изменить выходной сигнал датчика. Основная характеристика y = φ(x) – зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме – представляется либо в графической, либо в алгебраической форме

(градуировочная или характеристическая кривые датчика соответ-

ственно). К дополнительным факторам, влияющим на выходной сигнал, относятся:

а) связанные с измеряемой величиной физические величины, к которым чувствителен датчик (знак и скорость ее изменения, физические свойства ее материального носителя);

б) независимые от измеряемой величины физические факторы, воздействию которых подвержен работающий датчик;

в) параметры окружающей среды (температура, влажность) или параметры, связанные с питанием (амплитуда и частота напряжения).

По характеристической кривой датчика можно определить такие важнейшие статические характеристики, как чувствительность

илинейность.

Вобщем случае чувствительность S определяется для диапазона около некоторого постоянного значения измеряемой величи-

ны x как отношение приращения сигнала s на выходе к изменению x измеряемой величины, которое вызвало это приращение.

Чувствительность может зависеть от размера датчика или особенностей его устройства, от амплитуды и частоты напряжения питания, от температуры окружающей среды. Важным фактором,

20