Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

Назначение и принципы построения

промышленность измерительный преобразователь сигнал

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) создана в целях обеспечения техническими средствами системы контроля, регулирования и управления технологическими процессами различные отрасли промышленности.

В 1950-е гг. в различных организациях и на предприятиях разрабатывалось множество различных приборов для измерения и контроля со сходными техническими характеристиками, однако при этом не учитывалась возможность совместной работы приборов различных производителей, что приводило к увеличению стоимости разработок сложных систем на базе выпускаемых технических средств, тормозило широкое внедрение средств, тормозило широкое внедрение средств автоматизации. Поэтому в 1960 г. было принято решение о создании ГСП, ас 1961 г. начались работы по ее реализации.

В настоящее время ГСП представляет собой эксплуатационно, информационно, энергетически, метрологически и конструктивно организованную совокупность изделий, предназначенных для использования в качестве средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования технологических процессов, а также информационно-измерительных систем. ГСП стала технической базой создания АСУ ТП и АСУ в промышленности. Ее развитие и применение способствовали формализации процесса проектирования АСУ ТП, переходу к машинному проектированию.

В основу создания и совершенствования ГСП положены следующие системотехнические принципы: типизация и минимизация многообразия функций автоматического контроля, регулирования и управления; минимизация номенклатуры технических средств; блочно-модульное построение приборов и устройств; агрегатное построение систем управления на базе унифицированных приборов и устройств; совместимость приборов и устройств.

По функциональному признаку все изделия ГСП подразделена следующие группы устройств: получения информации о состоянии процесса или объекта; приема, преобразования и передачи информации по каналам связи; преобразования, хранения и обработки информации, формирования команд управления; использования командной информации.

В первую группу устройств в зависимости от способа представления информации входят датчики, нормирующие преобразователи, формирующие унифицированный сигнал связи; приборы, обеспечивающие представление измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, и устройства алфавитно-цифровой информации, вводимой оператором вручную. Средства получения информации являются самой многочисленной группой изделий Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации -- более половины номенклатуры всех технических средств.

Вторая группа устройств содержит коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, средства телесигнализации, телеизмерения и телеуправления. Эти устройства используются для преобразования как измерительных, так и управляющих сигналов.

Третью группу составляют анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства и устройства памяти, задатчики, регуляторы, управляющие вычислительные устройства и комплексы.

В четвертую группу входят исполнительные устройства -- электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные исполнительные механизмы, усилители мощности, вспомогательные устройства представления информации.

Минимизация номенклатуры средств контроля и управления реализуется на основе двух идей: унификации устройств одного функционального назначения на основе параметрического ряда этих изделий и агрегатирования комплекса технических средств Для решения крупных функциональных задач.

Процесс минимизации начинается с отбора некоторых основных параметров приборов и устройств, выделения из их числа главного параметра и установления минимального необходимого числа устройств для перекрытия всего диапазона изменения главного параметра. При этом переход от диапазона использования одного устройства к диапазону использования другого подчинятся определенным закономерностям. Преимущественно используется геометрическая прогрессия, основанная на ряде предпочтительных чисел. Вся совокупность изделий одинакового функционального назначения называется параметрическим рядом.

В настоящее время разработаны параметрические ряды датчиков давления, расхода, уровня и электроизмерительных приборов. Тем не менее продолжается их оптимизация по технико-экономическим показателям, например по критерию минимума суммарных затрат на удовлетворение заданных потребностей. Этот критерий основан на противоречии между интересами потребителя и изготовителя: чем меньше в ряду приборов, тем меньше затраты на разработку, освоение, тем большими партиями они выпускаются, что также снижает затраты изготовителя. Увеличение числа приборов в ряду дает экономию потребителю за счет более эффективного использования возможностей приборов или за счет более точного соблюдения режима технологического процесса.

Агрегатные комплексы (АК) представляют собой совокупность технических средств, организованных в виде функционально-параметрических рядов, охватывающих требуемые диапазоны измерения в различных условиях эксплуатации и обеспечивающих выполнение всех функций в пределах заданного класса задач.

Реализация принципа агрегатирования на этапах построения сложных управляющих систем на базе унифицированных блоков и устройств позволяет существенно упростить и ускорить процесс создания АСУ, создает предпосылки для автоматизации их проектирования. К очень важным достоинствам агрегатного построения технических средств можно отнести возможность совершенствования изделий без полного их обновления.

Принцип агрегатирования в ГСП применяется очень широко. Унифицированная базовая конструкция датчиков теплоэнергетических величин с унифицированным пневматическим и электрическим сигналами была создана всего из 600 наименований деталей, при этом получили 136 типов и 863 модификации датчиков

На более высоких уровнях проектирования изделий ГСП в качестве конструктивной основы используется комплекс унифици рованных типов (модульных) конструкций (УТК). Все детали и узлы комплекса подразделяются на четыре категории изделий таким образом, что элементы изделий низшего порядка предназначены для преобразования в элементы изделий высшего порядка.

Заложенные в ГСП общие для всех изделий понятия совмести-! мости можно сформулировать следующим образом.

Информационная совместимость -- совокупность стандартизированных характеристик, обеспечивающих согласованность сигналов связи по видам и номенклатуре, их информативным параметрам, уровням, пространственно-временным соотношениям, логическим соотношениям и типу логики. Для всех изделий ГСП приняты унифицированные сигналы связи и единые интерфейсы -- совокупность программных и аппаратных средств, обеспечивающих взаимодействие устройств в системе.

Конструктивная совместимость -- совокупность свойств, обеспечивающих согласованность конструктивных параметров и механическое сопряжение технических средств, а также выполнение эргономических норм и эстетических требований при совместном использовании.

Эксплуатационная совместимость -- совокупность свойств, обеспечиваюших работоспособность и надежность функционирования технических средств при совместном использовании в производственных условиях, а также удобство обслуживания, настройки и ремонта.

Метрологическая совместимость -- совокупность выбранных метрологических характеристик и свойств средств измерений, обеспечивающих сопоставимость результатов измерений и возможность расчета погрешности результатов измерений при работе технических средств в составе систем.

Структура

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации представляет собой большой, сложный и непрерывно развивающийся комплекс приборов и устройств, серийно выпускаемых промышленностью и предназначенных для автоматизации контроля и управления различными технологическими процессами и оборудованием.

По роду используемой энергии носителя информационных сигналов устройства ГСП подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические, а также на устройства, работающие без использования вспомогательной энергии, -- приборы и регуляторы прямого действия. Для того чтобы обеспечить совместную работу устройств различных групп, применяются соответствующие преобразователи сигналов. В АСУ наиболее эффективным является комбинированное применение устройств различных групп.

Достоинства электрических приборов общеизвестны. Это в первую очередь высокая чувствительность, точность, быстродействие, удобство передачи, хранения и обработки информации. Пневматические приборы обеспечивают повышенную безопасность при применении в легковоспламеняемых и взрывоопасных средах, высокую надежность в тяжелых условиях работы, в агрессивной атмосфере. Однако они уступают электрическим приборам по быстродействию, возможности передачи сигнала на большое расстояние. Гидравлические приборы позволяют получать точные перемещения исполнительных механизмов.

По функционально-целевому признаку ГСП представляет собой четырехуровневую иерархическую структуру. На нижнем уровне расположены средства получения информации для воздействия процесс и средства, непосредственно взаимодействующие с управления. Они обеспечивают информацией все вышерасположенные средства. На втором уровне находятся средства локального контроля и регулирования, с помощью которых осуществляются одноконтурные системы контроля и регулирования простых объектов или автономного контроля и регулирования отдельных параметров сложных объектов. Как правило, эти средства выпускают в составе параметрических рядов и унифицированных комплексов, создаваемых на основе одной или нескольких базовых моделей. На третьем уровне расположены устройства централизованного контроля и регулирования, позволяющие реализовать связанное регулирование, косвенные измерения, многоступенчатые защиты и логические операции при пуске и остановке объекта. Они предназначены для построения АСУ ТП, имеющих несколько сотен контролируемых и регулируемых параметров. На верхнем уровне расположены средства автоматизации, предназначенные для работы в составе управляющих вычислительных комплексов со сложными алгоритмами управления, в том числе для решения оптимизационных, диспетчерских и других задач.

В технической документации наиболее широко используется такой классификационный признак, как тип изделия -- совокупность изделий одинакового функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному исполнению и имеющих одинаковые главные параметры. В состав типа может входить несколько типоразмеров и модификаций или исполнения изделия. Типоразмеры одного типа различаются значениями главного параметра и обычно выделяются в однофункциональных изделиях.

Модификация -- совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструкционные особенности или определенное значение неглавного параметра. Под исполнением обычно понимают изделия одного типа, имеющие определенные конструктивные особенности, влияющие на их эксплуатационные характеристики, например тропическое или морское исполнение.

Более крупная классификационная группировка, чем тип, это комплекс. Они бывают унифицированные и агрегатные. Отличительной особенностью унифицированного комплекса является то, что любые сочетания технических средств комплекса между собой не приводят к реализации этими средствами новых функций. В агрегатных комплексах сочетанием технических средств можно реализовать новые функции. В настоящее время промышленностью выпускается примерно 30 агрегатных комплексов, предназначенных для получения, хранения, обработки информации, ее передачи, управления и исследования технологических процессов и объектов и т.д. Наиболее широко используются агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ), вычислительной техники (АСВТ), телемеханики (АСТТ), средств сбора первичной информации (АСПИ) и др.

Информационные связи

Обмен информацией между техническими средствами ГСП реализуется при помощи сигналов связи и интерфейсов. Непрерывные (аналоговые) сигналы используются на нижних уровнях систем контроля и управления для получения измерительной информации и исполнения управляющих сигналов. На более высоких уровнях систем управления используют цифровые (дискретные) сигналы, обеспечивающие более надежную обработку сигналов. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой применяют аналого-цифровые преобразователи, выполняющие квантование по уровню и дискретизацию по времени аналоговых сигналов.

В АСУ наиболее распространены электрические сигналы связи достоинствами которых являются высокая скорость передачи сигнала, низкая стоимость и доступность источников энергии, простота прокладки линий связи. Пневматические сигналы применяются в основном в нефтяной, химической и нефтехимической промышленности, где необходимо обеспечить взрывобезопасность и не требуется высокое быстродействие. Гидравлические сигналы в основном применяются в гидравлических следящих системах и устройствах управления гидравлическими исполнительными механизмами.

Информационные сигналы могут быть представлены в естественном или унифицированном виде. Естественным сигналом называется сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон изменения которого определяются физическими свойствами преобразователя и диапазоном изменения измеряемой величины. Обычно это выходные сигналы измерительных преобразователей, чаще всего электрические, которые можно передать на небольшое расстояние (до нескольких метров). У унифицированного сигнала вид носителя информации и диапазон его изменения не зависит от измеряемой величины и метода измерения. Обычно унифицированный сигнал получают из естественного с помощью встроенных или внешних нормирующих преобразователей.

Из электрических сигналов наиболее распространены унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Частотные сигналы используют в телемеханической аппаратуре и в комплекс технических средств локальных информационно-управляющих систем (КТС ЛИУС). Сигнал взаимной индуктивности применяется в датчиках теплоэнергетических параметров, что обеспечивают высокую надежность и устойчивость к воздействию окружающей среды при простой конструкции. Импульсные сигналы пользуется для контроля состояния двухпозиционных устройств, передачи командных сигналов.

При создании сложных систем, особенно на базе микропроцессорных устройств и вычислительных средств, обмен информацией между техническими средствами верхнего уровня осуществляется с помощью интерфейсов. Интерфейс, или сопряжение ввода-вывода, -- совокупность программных и аппаратных средств, устанавливающих и реализующих взаимодействие устройств, входящих в систему и предназначенных для сбора, переработки использования информации.

По определению интерфейс состоит из программной и аппаратной частей. Программная (информационная) часть определяет протокол (порядок) обмена сигналами и информацией (алгоритмы и временные диаграммы). Аппаратная часть (интерфейсы карты, платы) позволяет осуществлять информационный обмен управляющими, адресными, известительными и другими сигналами между функциональными модулями.

В ГСП наиболее распространены интерфейсы «Общая шина» (ОШ) и «Единый интерфейс» (ЕИ).

Интерфейсы определяют скорость сбора информации, загрузку памяти ЭВМ или контроллера, стоимость аппаратуры, поэтому в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию рациональных интерфейсов.

Измерительные преобразователи