Метрология зачет. Назначение и цель создания систем контроля и управления
 Скачать 241.41 Kb.
|
|
7. Эргономическое обеспечение АСУ ТП — это нормы эргономики и инженерной психологии, положенные в основу проектирования АСУ ТП. Прежде всего, это касается организации пультов оператора, мнемосхем, табло, устройств световой и звуковой сигнализации и других элементов так называемого человеко-машинного интерфейса системы. Эргономика и инженерная психология помогает выбрать рациональное расположение автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, формы отображения информации на мониторах и табло, вид технологической клавиатуры и т.п. Разработка АСУ ТП без учета рекомендаций эргономики повышает вероятность ошибок оперативного персонала, увеличивает время реакции на событие, вызывает дополнительные психологические нагрузки. Типовые аппаратно-программные решения ведущих производителей систем автоматизации выполнены в соответствии с современными требованиями эргономики, инженерной психологии и технической эстетики. 8. Оперативный персонал — состоит из технологов-операторов диспетчеров), аппаратчиков, машинистов, осуществляющих контроль и управление технологическим объектом и эксплуатационного персонала служб КИПиА, обеспечивающих правильное функционирование всех технических и программных средств АСУ ТП. Следует заметить, что, несмотря на повышение уровня автоматизации технологических процессов, роль оперативного персонала в АСУ ТП остается чрезвычайно высокой. Состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и установленные взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру системы. Еще раз отметим, что эффективное функционирование АСУ ТП может быть достигнуто лишь в случае правильного выбора и постоянного взаимодействия всех видов обеспечения АСУ ТП. Так, например, высокие технические характеристики аппаратных средств и современное общее программное обеспечение окажутся невостребованными, если в математическом и специальном программном обеспечении не будет необходимых математических моделей, методов, алгоритмов и программ, если квалификация оперативного персонала не позволит в полной мере использовать возможности АСУ ТП. Этапы разработки и внедрения АСУТП Создание АСУТП — это сложный процесс, который проходит через несколько стадий: разработка технического задания, разработка концепции создания АСУТП или разработка проекта АСУТП стадии «П», создание рабочего проекта АСУТП- проект стадии «Р», внедрение в производство и анализ функционирования АСУТП в производственных условиях – комплексные испытания АСУТП. Разработка технического задания на создание АСУТП связана с целым рядом предварительных исследований автоматизируемого технологического процесса. Проектирование АСУТП производится при участии целого коллектива специалистов: технологов, электромехаников, программистов АСУТП, экономистов, специалистов по электроприводу. На основе результатов предварительных исследований проводится эскизная проработка проекта будущей АСУТП. При этом разрабатываются основы функционально-алгоритмической структуры АСУТП, производится синтез основных алгоритмов управления. Затем обосновывается выбор основных технических средств АСУТП и предлагается их номенклатура и количество. Когда автоматизируется уже работающее производство определяются задачи модернизации технологического оборудования в связи с совершенствованием технологического процесса благодаря его автоматизации. В завершение предварительных исследований формируются положения технического задания, которые включают в себя полный перечень функций, реализуемых проектируемой АСУТП; технико-экономическое обоснование её создания; виды и объемы работ по проектированию, внедрению создаваемой АСУТП; план-график работ по монтажу, пуску, наладке и комплексным испытаниям АСУТП. На стадии выполнения технического проекта сначала производится системотехнический синтез АСУТП: разрабатывается функциональная структура АСУТП , формируется перечень воспринимаемых входными модулями АСУТП сигналов и определяются их метрологические характеристики, формируются технические требования к устройствам контроля и регулирования технологических параметров, разрабатывается информационная и организационная структура АСУТП. Затем производится окончательный выбор технических средств, посредством которых строится АСУТП: определяется состав аппаратной части; выбираются датчики и приборы КИП и А, предназначенные для производства измерений технологических параметров; подбираются устройства локальной автоматики и определяется состав исполнительных устройств технологического комплекса. Разработка Рабочего проекта АСУТП. Его основной частью является разработка рабочей документации технического обеспечения АСУТП. При этом помимо рабочих чертежей разрабатывается техническое описание системы в целом и её частей, спецификация оборудования и другая документация АСУТП. Информационно-измерительные элементы систем управления. Общие сведения. Любая автоматическая система управления и контроля содержит в качестве функционально необходимых элементов один или несколько измерительных преобразователей (ИП), служащих для получения первичной информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющие воздействия. Термин «измерительный преобразователь» обычно используют при описании принципа действия того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» - для конструктивного его исполнения. Не всегда измерительный преобразователь выполняет непосредственно функции измерения. В ряде случаев ИП можно использовать в качестве преобразователя одной физической величины в другую, чаще всего из неэлектрической в электрическую. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений, в первую очередь тем, что электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, электрические величины легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код, позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность. Таким образом, цепь последовательного преобразования измеряемого сигнала может содержать первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) и промежуточные преобразователи. В общем случае датчик, являющийся преобразователем информации (рис. 3.13, а), состоит из первичного преобразователя ПП, преобразующего контролируемую величину х в величину удобную для измерения, и преобразователя П, в котором величина х1 преобразуется в электрический сигнал у за счет подводимой извне энергии.   a) x ПП x1 П y  б) в) zx y x Рис. 3.13. Структурные схемы датчиков Во многих случаях датчики имеют более простую структуру, осуществляя непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Это преобразование возможно без подвода и с подводом энергии извне (рис. 3.13, б, в). Для эффективного функционирования ИП должны отвечать ряду требований, основные из которых: высокая статическая и динамическая точность работы, обеспечивающая формирование выходного сигнала с минимальными искажениями; высокая избирательность — датчик должен реагировать только на изменения той величины, для которой он предназначен; стабильность характеристик во времени; отсутствие влияния нагрузки в выходной цепи на режим входной цепи; высокая надежность при работе в неблагоприятных условиях внешней среды; повторяемость характеристик (взаимозаменяемость); простота и технологичность конструкции; удобство монтажа и обслуживания; низкая стоимость. 3.2.2 Основные характеристики измерительных преобразователей. Основными характеристиками датчиков систем управления являются: статическая характеристика у = f(х) – зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме; чувствительность S = у/х – отношение приращений выходной у и входной х величин; порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходной; погрешность – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины; динамические характеристики, определяющие поведение датчиков при различных изменениях входной величины. Статическая характеристика измерительного преобразователя – функциональная зависимость между входной Х и выходной У величинами в установившемся режиме. Как и любую функцию, статическую характеристику можно представить аналитически (уравнением), в виде графика или таблично. Обычно в уравнение преобразования входят конструктивные параметры. Для реального преобразователя статическую характеристику можно получить экспериментально. Для более наглядного восприятия очень широко используют графическую форму представления статической характеристики. Наиболее часто встречающиеся статические характеристики датчиков представлены на рис. 3.14 [5]. В общем случае статические характеристики идеальных ИП не отличаются от аналогичных характеристик обобщенных звеньев систем управления, так как сами входят в их число. Статическая характеристика может быть линейной и нелинейной (рис. 3.14, а, б). При этом необходимо отличать нелинейность как требуемую функциональную зависимость, например, экспоненциальную, логарифмическую, от собственно нелинейности как погрешности линейности.  Рис.3.14. Статические характеристики датчиков Уравнение преобразования для линейной статической характеристики имеет вид Y = f(x) = ± B + KX, где К – коэффициент преобразования; В – постоянная. Если B=0, то график уравнения проходит через начало координат и ИП не имеет ни выходного сигнала холостого хода Y0, ни зоны нечувствительности 0…  (рис. 3.14, а). При В >0 характеристика смещена относительно начала координат по оси ординат на величину выходного сигнала холостого хода  =В (рис. 3.14, в, прямая 1).При В < 0 характеристика имеет зону нечувствительности 0… , при изменении Х в пределах которой Y=0 (рис. 3.14, в, прямая 2).Статическая характеристика может иметь участок насыщения (рис. 3.14, г). Тогда она описывается двумя уравнениями: на участке 0… Хk: Y=KX; на участке Х > Хk:Y= Yн. При К=  характеристика принимает релейный характер (рис. 3.14, д). Такая характеристика присуща датчикам позиционного регулирования и характеризуется коэффициентом возврата ,где  и  - величины входного сигнала, обеспечивающие отпускание и срабатывание датчика (реле).Ряд датчиков имеет неоднозначность хода статической характеристики при увеличении и уменьшении входной величины Х (рис. 3.14, e). Это явление носит название гистерезиса и характеризуется соответствующим коэффициентом  где  — начало и конец рабочего диапазона входной величины.На рис. 3.14 представлены характеристики однотактных (нереверсивных) датчиков. Характеристики двухтактных датчиков имеют вторую аналогичную ветвь в третьем квадранте симметрично началу координат. Нелинейную характеристику можно преобразовать в линейную (линеаризация) или в функциональную путем аппроксимации. Простейший способ линеаризации – кусочно-линейная аппроксимация нелинейной характеристики линейными участками. Рабочий участок характеристики выбирают на линейном участке. Более сложная линеаризация, структурная, связана с введением в структурную схему и, соответственно, в конструкцию датчика дополнительных звеньев с нелинейной характеристикой, компенсирующей нелинейность основных звеньев. Такой способ  позволяет получать линейную или близкую к ней характеристику в достаточно широком диапазоне изменения входной величины.Функциональная аппроксимация – аппроксимация нелинейной характеристики определенной функциональной зависимостью, желательно стандартной математической функцией. Для нелинейных характеристик коэффициент преобразования не является постоянной величиной, поэтому используют дифференциальный коэффициент преобразования, под которым понимают предел отношения выходной Y к входной Х величине  .Дифференциальный коэффициент преобразования в общем случае меняется от точки к точке и определяется углом  наклона касательной к характеристике в рабочей точке: Коэффициент преобразования характеризует чувствительность датчика  и в зависимости от наименования входной и выходной величин может быть представлен в размерном или безразмерном виде.Если на характеристике выделить линейный участок, в пределах которого работает преобразователь, то разность между верхним и нижним значениями входного (выходного) сигнала определяет рабочий диапазон  его изменения, а их отношение – динамический диапазон  (рис. 3.14, e):  Порог чувствительности — минимальное значение входного сигнала X, вызывающего появление заметного выходного сигнала Y. Погрешности датчиков делятся на основные и дополнительные. Основная погрешность датчика – максимальная разность между измеренным значением выходного сигнала  и его истинным значением  , определяемым по идеальной статической характеристике для данной входной величины при нормальных эксплуатационных условиях. Она может выражаться как в абсолютных единицах  , так и в относительных. В последнем случае она равна отношению абсолютной погрешности к истинному значению выходного сигнала .Можно использовать относительную приведенную погрешность , равную отношению максимальной абсолютной погрешности в диапазоне измеряемой величины к верхнему значению этого диапазона  в процентах .Дополнительные погрешности — погрешности, вызываемые условиями внешней среды и внутренними процессами в деталях преобразователя. К этим процессам можно отнести изменение температуры, влажности, колебания напряжения источника питания, механические воздействия, старение и износ материала. Дополнительная погрешность выражается обычно в процентах изменения выходной величины на определенную величину возмущающего параметра. В зависимости от специфики применения погрешности датчиков нормируются абсолютным значением, относительным или классом точности, являющимся обобщенной характеристикой основной приведенной и дополнительных погрешностей. 3.2.3. Динамические характеристики ИП. Статические характеристики позволяют оценить работу преобразователей в установившемся режиме. Однако в реальных условиях датчикам приходится работать с быстроменяющимися процессами, т. е. в динамическом режиме, когда на вход поступают сигналы, изменяющиеся во времени. В этих условиях начинают проявляться явления отставания выходного сигнала, изменения его частоты, фазы, амплитуды. Связь между входными и выходными величинами в преобразователе в динамическом режиме описывается в общем случае нелинейным дифференциальным уравнением вида  .При известном законе изменения входной величины решением дифференциального уравнения можно определить изменения выходной величины в процессе работы преобразователя. Для описания динамических свойств преобразователей можно использовать передаточную функцию преобразователя, которая представляет собой дифференциальное уравнение, связывающее входную и выходную величины, представленное в операторной форме; переходную характеристику  при единичном изменении входной величины X, а также частотные характеристики. При описании поведения измерительных преобразователей в динамических режимах чаще всего используют характеристики типовых звеньев автоматических систем.По динамическим характеристикам большинство датчиков относится к усилительным, апериодическим и колебательным звеньям первого и более высоких порядков. Наиболее употребительными их динамическими характеристиками являются передаточная функция, частотная характеристика, а параметрами - постоянная времени, время запаздывания, коэффициент усиления [5]. Информационно-измерительные системы Применение и развитие измерительной техники всегда было обусловлено потребностями производства, торговли и других сфер человеческой деятельности. Контрольно-измерительные операции давно стали неотъемлемой частью технологических процессов и в значительной степени определяют качество выпускаемой продукции. Прогресс измерительной техники неразрывно связан с научно-техническим прогрессом. Новые научные и технические задачи приводят и к новым измерительным задачам, для решения которых нужны новые средства измерений (СИ), а новые научные и технические результаты влияют на уровень измерительной техники: - повышается точность измерений, и расширяются диапазоны измерения; - растет номенклатура измеряемых величин; - увеличивается производительность измерительных операций, и за счет их автоматизации уменьшается влияние человеческого фактора; - возрастает число выполняемых функций. Информационные измерительные системы (ИИС) являются симбиозом аппаратных средств и алгоритмов обработки измерительной информации. Поэтому как проектирование ИИС, так и их применение невозможны без правильного теоретического обоснования и понимания этих алгоритмов. При этом, благодаря наличию в составе ИИС ЭВМ, возможна дальнейшая обработка результатов измерений, полученных путем обработки первичной измерительной информации. Это позволяет решать с помощью ИИС широкий спектр других задач, не являющихся чисто измерительными, в частности контроль качества, распознавание образов и др. 1. Классификация ИИС Классификация различных изделий производится с целью выявления общих моментов в функционировании, конструировании и эксплуатации уже имеющихся видов изделий, что может оказаться полезным при создании новых видов однотипной продукции, указывая возможные направления решения поставленной задачи. Классификация может производиться по различным классификационным признакам, отражающим различные свойства классифицируемых изделий. Это приводит к появлению различных групп классов для изделий одного вида. При этом следует иметь в виду, что всякая классификация условна и ее содержание может меняться по мере изменения свойств классифицируемых изделий, в частности в результате изменения используемых при их изготовлении материалов, комплектующих и технологий. Это относится и к классификации ИИС, и к другим видам классификации, с которыми мы встретимся ниже. Классификация ИИС производится в соответствии с различными классификационными признаками, отражающими область применения, функции и конструкцию ИИС [45]: - функциональное назначение; - вид и характер входных величин; - вид выходной информации; - вид структурно-функциональной схемы ИИС; - принцип построения. Первый классификационный признак нам представляется наиболее важным. Он в первую очередь интересует потребителя (пользователя) ИИС. Этот признак не зависит от технических средств реализации ИИС. Не случайно, что этот вид классификации не менялся и не встречал возражений за более чем полувековую историю существования ИИС. Целью функционирования всех сложных технических систем является либо исследование физических явлений, либо управление технологическим процессом. В последнем случае одной из функций всегда является определение значений физических величин, являющихся непременной частью любого технологического процесса. Таким образом, необходимой составляющей функционирования всех без исключения сложных технических систем является определение состава параметров физических процессов, которые эти системы должны обслуживать, их измерение, анализ полученных результатов и принятие на их основе определенных решений. Последняя функция в основном относится к управляющим системам. Однако в силу высокого уровня развития современных ИИС эти задачи могут решаться и ими. С учетом этого в зависимости от функционального назначения, то есть в зависимости от вида решаемых задач, ИИС подразделяются на следующие классы: - измерительные системы; - статистические измерительные системы; - системы автоматического контроля; - системы технической диагностики; - системы распознавания образов; - системы идентификации. Иногда выделяется еще один класс выявления (обнаружения) событий. Однако этот класс столь неопределенен с точки зрения формулировки решаемой задачи (например, выявление неопознанных летающих объектов или установление факта телепатической связи), что, не отрицая возможности постановки таких задач, трудно найти общие черты в методах их решения. Эта общепринятая классификация является четкой по отношению к виду решаемых задач. Однако с терминологической и конструктивной точек зрения можно сделать два замечания. Во-первых, выделение класса измерительных систем из измерительных информационных систем содержит некоторую тавтологию, особенно, если вспомнить, что в настоящее время в терминологических документах ИИС трактуется как подкласс измерительных систем. Во-вторых, измерительные системы в подавляющем большинстве случаев составляют основу всех других систем, будучи дополнены соответствующими алгоритмами обработки измерительной информации. При этом важно подчеркнуть, что структура всех классов ИИС оказывается одинаковой. Терминологически было бы более правильным говорить об ИИС, предназначенных для решения только измерительных задач. Однако стилистически такой оборот не совсем удобен. Другие классификационные признаки нам представляются менее существенными, прежде всего потому, что их содержательная сторона быстро изменяется с изменением используемых технических средств. Вид входных величин определяется физическими свойствами исследуемого объекта (ИО). Если эти величины одинаковы по физической природе, то классификация по этому признаку информативна. Например, при измерении размеров детали используются ИИС для пространственных или геометрических измерений, при контроле напряжений в механических элементах машин используются механические ИИС, для контроля энергопотребления в электросети применяются ИИС для измерения электрических величин и т. д. Однако очень часто входные величины бывают различными по физической природе. С такими ситуациями сталкиваются при исследовании свойств материалов, при контроле окружающей среды и влияющих на нее факторов и др. Очевидно, что если величины разнородны, то этот признак классификации нецелесообразен. Характер входных величин (независимо от их физической природы) отражается в следующих признаках: - количество величин; - поведение во времени: неизменное или изменяющееся; - расположение в пространстве: сосредоточенное или распределенное; - представление величин: дискретное или непрерывное; - энергетический признак: активность, пассивность; - характер помех, суммирующихся с величиной: независимые помехи; помехи, зависимые от исследуемых величин. Остальные признаки связаны в основном с конструкцией ИИС и слабо влияют на их функциональное назначение. Классификация по видам выходной информации включает в себя следующие классы: - характер выходной информации: измерительная информация (именованные числа, их отношения, графики и т. п.), количественные суждения (выводы по результатам контроля, диагностики, идентификации); - степень обработки выходной информации: результаты оценки одного показателя; показатели, характеризующие функциональные зависимости; статистические показатели ит. д.; - потребитель информации: человек-оператор, ЭВМ, АСУ. Различают следующие виды структурных схем ИИС: - последовательного действия (одноканальная система); - параллельного действия (многоканальная система); - параллельно-последовательного действия (с коммутатором на входе); - мультиплицированная структура. При классификации по принципам построения используются следующие признаки: - наличие специального канала связи; - унификация состава системы; - порядок выполнения операций: последовательный или параллельный; - наличие или отсутствие структурной и информационной избыточности; - наличие или отсутствие адаптации, характер адаптации; - наличие или отсутствие информационной обратной связи; - вид используемых сигналов: аналоговые или кодоимпульсные; - наличие стандартного интерфейса. В качестве отдельного класса рассматриваются телеметрические системы. По своим функциям они могут относиться к любому из перечисленных выше классов. Специфика этих систем заключается в том, что они предназначены для телеизмерений — измерений на расстоянии и, следовательно, имеют более протяженные каналы связи, чем другие ИИС. Описанная система классификации используется довольно широко. Однако ее значение в основном терминологическое, поскольку система проектируется исходя из решаемых задач и технико-экономических ограничений, а затем полученные результаты могут быть отнесены к конкретному классу. Практическая эффективность этой классификации невелика. 2. Общие принципы построения и применения ИИС Создаваемая ИИС должна обеспечивать достижение поставленных перед ней целей. Эти цели могут быть достигнуты различными способами. Поэтому должны быть определены критерии сравнения различных вариантов — количественные показатели качества ИИС. Эти показатели, как и для всех сложных устройств и систем, имеют многоплановый характер. Основным показателем качества ИИС как СИ, отражающим ее назначение и специфику конкретного применения, является показатель достоверности выдаваемой информации. Для измерительных систем (включая статистические) показателем достоверности, как и для всех СИ, является погрешность измерения или неопределенность результата измерений. Для систем контроля и систем распознавания образов достоверность принимаемых решений характеризуется вероятностями ошибок. Более сложна оценка достоверности результатов, выдаваемых системами технической диагностики и системами идентификации. Однако она тоже сводится к некоторым вероятностным характеристикам. Свойства ИИС как информационной системы характеризуются количеством выдаваемой информации, скоростью выдачи и информационной избыточностью. Эти показатели могут непосредственно интересовать потребителя. Следует отметить, что возможности современной вычислительной техники и каналов передачи информации таковы, что во многих случаях обеспечение требуемых информационных характеристик достигается без особых усилий. ИИС характеризуется также общетехническими показателями: габариты, масса, потребляемая мощность, показатели безопасности, надежность и др. Определенной спецификой среди этих показателей обладает надежность, так как она определяется не только надежностью технических средств и общей структурой ИИС, но зависит и от свойств программно-математического обеспечения. При разработке и применении ИИС не следует упускать из виду экономические аспекты. При этом с экономической точки зрения необходимо учитывать два противоречивых момента. ИИС в силу своей сложности является более дорогим средством измерения. В то же время ее применение может значительно повысить производительность и достоверность контрольно-измерительных операций, что приведет к повышению качества выпускаемой продукции, то есть принести значительный экономический эффект. Кроме того, гибкость ИИС позволяет с ее помощью заменить несколько традиционных СИ, что также увеличивает экономический эффект от ее применения. Эти факторы доступны достаточно точному экономическому анализу. Менее очевидна экономическая оценка положительного эффекта возможности исследования сложных объектов, недоступных для более простых СИ. При проектировании ИИС, как и систем любого другого вида, необходимо руководствоваться системотехническим подходом [8]. При этом следует иметь в виду, что ИИС представляет собой некоторую иерархическую структуру, верхним уровнем которой является вычислительное устройство, а нижним — первичные измерительные преобразователи, контактирующие с ИО. При наличии обратной связи передача информации происходит не только от нижних уровней к верхним, но и в обратном направлении. На промежуточных уровнях также могут находиться микропроцессорные вычислительные устройства. Иерархичность многовходовых (многоканальных) ИИС очевидна, но даже простейшие одноканальные ИИС имеют структуру, которую можно считать иерархической. При этом следует различать два вида иерархических структур: - функциональную структуру (датчики, вторичные преобразователи, каналы связи, центральная ЭВМ); - конструктивную структуру (система, блок, плата, элемент). Благодаря миниатюризации компонентов электронной и вычислительной техники структура второго вида постоянно упрощается при сохранении функциональной структуры. Основные этапы создания ИИС. 1)Выбор физической и математической моделей исследуемого объекта и формирование на их основе цели ИИС с учетом ее функций в технологическом или исследовательском процессе. На этом этапе ведущая роль принадлежит заказчику (пользователю). При этом возможно проведение совместных предпроектных работ с целью уточнения окончательного вида моделей. 2) Разработка алгоритмов сбора и первичной обработки измерительной информации, разработка структуры ИИС и выбор технических средств с учетом их комплексирования и системной совместимости (информационной, конструктивной, энергетической, метрологической, эксплуатационной и т. п.). Задачи этого этапа решаются разработчиком ИИС. 3) Разработка программно-математического обеспечения (ПМО). 4) Разработка метрологического обеспечения ИИС, включающего в себя методы оценки неопределенности получаемых результатов и методику поверки или калибровки. Задачи каждого этапа могут быть решены только при совместной работе заказчика (пользователя) ИИС и разработчика. Особенно велик удельный вес работ заказчика на первом этапе, поскольку только он может определить, какие физические величины используются для описания ИО, какие используются при этом физические и математические модели и что является целью функционирования ИИС (целью измерения или целью обработки полученных результатов). На последующих этапах основная роль принадлежит разработчику, однако и на этих этапах необходимо учитывать мнение заказчика, в первую очередь в части эргономических свойств ИИС. Современные ИИС обладают большой гибкостью, когда на базе одних и тех же аппаратных средств (измерительных каналов и средств вычислительной техники) можно решать различные измерительные задачи, часть которых могла не ставиться на начальном этапе разработки ИИС. Эта специфика ИИС должна учитываться при их проектировании. В частности, должна предусматриваться возможность подключения новых измерительных каналов, а возможно, и разработка этих каналов. При этом мнение заказчика в части возможного развития ИИС также является определяющим. Классификация исполнительных элементов Исполнительные элементы предназначены для воздействия непосредственно (или через регулирующий орган) на регулируемый процесс. В большинстве случаев основным узлом исполнительного элемента является электродвигатель, приводящий в движение механизм регулирования. Исполнительные элементы в системах автоматики и телемеханики являются замыкающими элементами, служащими для воздействия на управляемый процесс. Исполнительные элементы обычно преобразуют энергию того или иного вида в механическое перемещение и состоят из двух основных частей: серводвигателя и регулирующего ( или управляющего) органа. Исполнительные элементы предназначены для воздействия непосредственно ( или через регулирующий орган) на регулируемый процесс. Исполнительные элементы в системах автоматики и телемеханики являются замыкающими элементами, служащими для воздействия на управляемый процесс. Исполнительные элементы обычно преобразуют энергию того или иного вида в механическое перемещение и состоят из двух основных частей: серводвигателя и регулирующего ( или управляющего) органа. Регулирующий орган - это элемент регулятора, непосредственно осуществляющий регулирующее воздействие путем изменения количества вещества ( или энергии), подаваемого на вход регулируемого объекта в зависимости от значения регулируемого параметра. Исполнительные элементы осуществляют передачу воздействия от системы управления к объекту. В пневматических системах к исполнительным элементам относят все виды пневмоприводов (мембранные, поршневые, лопастные и др.), которые в свою очередь через соответствующие рабочие органы (краны, задвижки, клапаны и др.) воздействуют на управляемый технологический процесс. Исполнительные элементы - это перестраивающиеся устройства ( конденсаторы переменной емкости, триммеры, вариометры, различные переключатели и др.), при изменении положений которых меняются входные или выходные параметры радиоаппарата. Исполнительные элементы ( кнопки, путевые выключатели, универсальные переключатели) служат для приведения в действие схем, для которых они предназначены. В качестве исполнительных элементов используются также магнитные пускатели и контакторы. Исполнительные элементы, служащие для включения и выключения электрических, механических, пневматических и гидравлических цепей. В этом случае исполнительный элемент осуществляет замыкание контактов, открывание и закрывание клапанов, вентилей, золотников, сцепление и расцепление вращающихся частей и другие аналогичные работы. Исполнительные элементы, служащие для преобразования входного сигнала (через промежуточные звенья) в ту или иную скорость вращения. При этом скорость вращения исполнительного органа часто определяется величиной сигнала, а направление вращения - знаком или фазой поданного сигнала. Исполнительные элементы - устройства, которые путем преобразования подводимой к ним энергии приводят в действие какой-либо механизм или объект регулирования (управления) под воздействием управляющих сигналов. Исполнительные элементы, изменяющие состояние РО, называются параметрическими. Например, в автоматическом управляющем устройстве термостата ИЭ является усилитель, нагрузкой которого служит нагревательный элемент РО термостата. При отклонении температуры от предписанного значения изменяется входное напряжение усилителя; при этом изменяется и выходное напряжение, а следовательно, и ток в нагревательном элементе и температура в термостате. В этом устройстве усилитель совмещает в себе функции усилителя и ИЭ. Такое использование усилителей довольно часто встречается в устройствах автоматики. Исполнительные элементы с электромагнитными силовыми механизмами являются наиболее простыми, надежными и быстродействующими из силовых электрических ИЭ. Гидравлические исполнительные элементы практически безынерционны при значительной выходной мощности. Эти механизмы достаточно экономичны, что позволяет выполнить их относительно малогабаритными, конструкция проста. Поэтому гидропривод широко распространен в строительных машинах. Электроприводы более инерционны, менее экономичны по энергомеханическим показателям. В то же время системы автоматизации, в которых используются эти исполнительные механизмы, более гибки, их эксплуатация проще. Об автоматизированных системах управления технологическими процессами как объектами метрологического обеспечения Метрологическое обеспечение - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм для достижения единства и требуемой точности измерений. Принято рассматривать метрологическое обеспечение (МО) систем управления технологическими процессами как органическое сочетание четырех групп (основ): научной основы, технических и организационных основ, а также правил и норм МО. Научной основой является метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства, и способах достижения требуемой точности. Зародившись в недрах естественных наук, метрология в настоящее время стала разделом технической физики. Измерение физических и химических величин автоматизированных систем, которые характеризуют состояние и ход технологического процесса, является одной из главных функций АСУ ТП. Основной целью МО является получение необходимой точности измерений в условиях эксплуатации систем, а также единообразие способов выражения результатов измерений в процессе функционирования АСУ ТП для возможной их сопоставимости. Все эти условия должны выполняться независимо от типа системы и ее отраслевой принадлежности систем автоматизации. Согласно ГОСТ 17194—76, АСУ ТП является автоматизированной системой управления для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления. АСУ ТП включает в себя технологическое оборудование, средства автоматизации, оперативный персонал (операторы, технологи, диспетчеры), которые, взаимодействуя в реальном масштабе времени, управляют технологическим процессом по заданным алгоритмам систем автоматизации и обобщенному технико-экономическому критерию при наличии технологических, экономических, социальных и экологических ограничений. Метрологическое обеспечение АСУ ТП находится в стадии становления- методы и средства практически не разработаны. Это обусловлено прежде всего тем, что АСУ ТП как объект МО является оригинальным комплексом, к которому не применим традиционный подход, общепринятый в метрологии. С точки зрения МО АСУ ТП можно выделить следующие основные признаки: индивидуальность целевых и алгоритмических функций АСУ ТП одного типа; органическая неразрывная связь комплекса технических средств измерения, регулирования, вычислительных комплексов, человека-оператора с конкретным технологическим объектом управления; мало серийное и одноразовое исполнение для большинства АСУ непрерывных технологических процессов. В то же время изделия, комплектующие АСУ ТП — средства измерений и средства автоматизации ГСП — являются серийными изделиями, к которым предъявляются общепринятые технические требования и которые имеют технические условия, предусмотренные ГОСТами; АСУ ТП в отличие от комплекса технических средств ГСП в большинстве случаев не проходят стадий макетирования, лабораторной проверки, периодических и типовых испытаний в полном комплекте, а сразу же после проектной разработки систем управления технологическими процессами комплектуются и монтируются непосредственно на конкретном технологическом объекте управления; Составляющие элементы АСУ ТП — объект управления, средства измерения, каналы связей автоматизированных систем, регуляторы, исполнительные механизмы, вычислительные комплексы автоматизированных систем в большинстве случаев удалены друг от друга (иногда на значительные расстояния), находятся в различных условиях эксплуатации и подвержены воздействию разнообразных влияющих факторов. Эти влияния настолько существенны, что могут свести к нулю ожидаемую экономическую эффективность от внедрения автоматизированной системы. Условия эксплуатации всех технических средств систем управления технологическими процессами на реальных объектах как правило, не могут быть изменены и приведены к определенным, например, нормальным условиям. Это исключает возможность при испытаниях АСУ ТП определять или контролировать те метрологические характеристики (MX) каналов измерения и точностные характеристики каналов управления, которые нормируются на стадии проектирования для нормальных условий. Поэтому часто эти характеристики АСУ ТП определяют расчетными методами. Эффективность таких расчетов целиком зависит от достоверности исходной информации, обоснованности методик расчета, опытности и квалификации проектировщиков систем. Каналы АСУ ТП неравноценны по своему функциональному назначению. Самыми важными являются те, которые обеспечивают безопасные для обслуживающего персонала условия эксплуатации и безаварийное протекание технологического процесса. Вторичными по значимости являются каналы, обеспечивающие заданное количество и качество самых «весомых» (в экономическом плане) материальных и энергетических потоков, участвующих в производстве. При обследовании ряда АСУ ТП в металлургической, химической и энергетической промышленности оказалось, что только 10—15 % каналов являются самыми значимыми и дорогими, а 90—85 % приходится на «мало весомые». Разработка метрологического обеспечения конкретной АСУ ТП тесно связана с разработкой всех других ее основных составляющих и может быть проведена в полном объеме только при следующих условиях: определении обобщенного технико-экономического критерия управления автоматизированных систем; обосновании рационального объема первичной информации автоматизированных систем, поступающей с объекта и обеспечивающей заданное качество продукции; проработке количественной оценки величины экономического эффекта автоматизированных систем, получаемого от внедрения комплексов управления с учетом степени адекватности объектов управления и точностных характеристик и MX технических средств, входящих в состав АСУ ТП. Особое внимание необходимо уделить отработке метрологического обеспечения АСУ ТП, когда в ее создании принимают участие организации многих ведомств, имеющие различный научный и технический уровень. Тогда возникают ситуации, при которых различные комплексы системы создаются и работают в соответствии с техническими условиями различных разработчиков и достижение необходимых точностных и технических характеристик системы в целом затруднено. Единственный выход из создавшегося положения — максимальное внимание вопросам метрологического обеспечения на стадии технического задания и технического проектирования системы. Анализ АСУ ТП, как объекта МО, позволяет сформулировать некоторые общие принципы организации работ по метрологическому обеспечению АСУ ТП. Метрологическое обеспечение АСУ ТП должно охватывать все виды преобразования информации и сигналов в системах. Это возможно осуществить, базируясь при разработке структурных схем систем на корректном обследовании объекта автоматизации, с помощью аттестованных методик выполнения измерений, либо его моделировании. В настоящее время требования МО АСУ ТП можно, в основном, распространить на технические средства систем и измерительно-информационные каналы систем управления технологическими процессами. Специфические трудности возникают здесь при более детальном рассмотрении систем, имеющих в своем составе как средства измерений систем управления технологическими процессами, так и устройства, не относящиеся к ним (вычислительная техника). Распространение же требований метрологии на каналы и устройства, осуществляющие управляющие функции, можно будет осуществить, когда будет разработана соответствующая нормативная база. Метрологическое обеспечение АСУ ТП должно содержать единый комплекс нормированных MX и показателей точности для всех и для системы в целом. Этот комплекс должен отражать случайный погрешностей, возникающих в АСУ ТП, и обеспечивать возможность обоснованной оценки расчетным путем MX звеньев, а также оценки показателей точности результатов измерения, контроля и управления, осуществляемых системами, с учетом действия на различные звенья систем различных по характеру и величине влияющих факторов. Метрологическое обеспечение АСУ ТП должно содержать три составные части: методики проведения работ систем управления технологическими процессами; технические средства МО систем управления технологическими процессами; структуру организации работ по МО, что особенно важно при метрологической аттестации систем. При организации работ по МО АСУ ТП следует более полно учитывать как конкретные свойства систем, так и некоторые особенности их проектирования и эксплуатации, которые сводятся к следующему: -Так как в ряде случаев не обеспечивается единый подход к проблемам нормирования MX средств измерений систем управления технологическими процессами, контролирующих технологические процессы и сырье, а также отдельных компонентов системы, что приводит к метрологической несовместимости при их использовании в измерительных каналах (ИК) АСУ ТП, необходимо максимально использовать выпускаемые в рамках ГСП агрегатированные комплексы, минимально разнообразить применяемые методы измерений, что сведет к минимуму различия в номенклатуре MX используемых систем измерения и методов их нормирования. -Так как имеющиеся сведения о характеристиках измеряемых величин систем управления технологическими процессами различных технологических процессов часто недостаточны для научно обоснованного проектирования системы, то при решении вопросов применения конкретных технических средств на стадии разработки ТЗ и технического проекта АСУ ТП необходимо проводить дополнительные исследовательские работы по уточнению методик выполнения измерений, а если потребуется, то и их аттестации. -В тех случаях, когда методики расчета MX измерительных каналов автоматизированных систем no MX их звеньев и другие расчетные методики невозможно применить для расчета MX измерительного канала АСУ ТП в целом следует такой расчет проводить для отдельных частей канала с последующей стыковкой для получения MX канала в целом. При невозможности проведения и таких расчетов следует определить MX экспериментально на макетах ИК либо в процессе опытной эксплуатации АСУ ТП. -Методики испытаний и поверки ИК АСУ ТП должны быть ориентированы на использование выпускаемых в стране образцовых СИ. Недостающие образцовые СИ должны быть разработаны и аттестованы до начала испытаний СИ. -Нормативно-техническая документация, регламентирующая порядок проведения испытаний автоматизированных систем любого вида (внутренних, ведомственных, межведомственных), метрологическую экспертизу систем и метрологический надзор за ними в процессе эксплуатации, должна быть разработана, как минимум на уровне стандартов предприятия. НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ГОСТ 8.009-84 
|