Государственная система приборов и средств автоматизации

Разнообразие технологических процессов различных отраслей промышленного производства обусловило необходимость получения информации о большом числе технологических параметров. Проведенные исследования по оценке размеров области такой информации позволили создать кадастр величин, подлежащих измерению.

Кадастром называется систематизированный свод сведений, составляемый периодически или путем непрерывных наблюдений над соответствующими объектами. Он объединяет физические величины, которые определяют состояние технологических объектов управления различных отраслей. К ним относятся величины пространства и времени, механические, электрические и магнитные, акустические, световые, а также относительные. Кадастр содержит свыше 2000 измеряемых величин, охватывающих отрасли разработки сырьевых ресурсов, энергетику, производство промышленной, сельскохозяйственной и других видов продукции и товаров.

При огромном многообразии измеряемых технологических параметров нельзя рассчитывать на успешную разработку средств измерений в различных отраслях и организациях без их систематизации и унификации. Рациональное сокращение номенклатуры технических средств автоматизации и их конструктивных элементов и узлов достигается на основе последовательного применения агрегатных способов построения снизу доверху, начиная от конструирования простейших функциональных блоков и кончая проектированием сложных автоматизированных систем управления.

Научные основы конструирования системы приборов, базирующиеся на агрегатном или модульном принципе построения, впервые были определены в 50-х годах прошлого века. Тогда же была сформулирована проблема создания единой Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам агрегатирования и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

В 60-е годы были разработаны научные основы построения ГСП структуры, принципы совместимости приборов и устройств. В это же время были обоснованы и определены значения унифицированных пневматических и электрических аналоговых сигналов связи. Позднее был разработан комплекс стандартов ГСП, в том числе ГОСТ «ГСП. Общие технические требования», закрепивший законодательно структуру и основные принципы построения ГСП.

Модуль обычно определяется как унифицированный или нормализованный узел, который характеризуется структурной, функциональной и конструктивной самостоятельностью и который может стыковаться с другими узлами (модулями) того же комплекта. Функциональная самостоятельность модуля означает, что он самостоятельно выполняет какую-либо задачу, например, задаёт движение по одной степени подвижности или служит опорой для других модулей. Конструктивная самостоятельность модуля означает, что он может быть изготовлен и собран отдельно и затем собран с другими модулями. Распространено такое простое объяснение: модули — это кубики, из которых можно собирать различные конструкции.

Соединение модулей дает агрегат. В государственном стандарте (ГОСТ 23 887−79) агрегат определяется как сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия и способностью выполнять определенную функцию в изделии или самостоятельно. Определение агрегата имеет много общего с определением модуля. Для нас важно, что агрегат представляет собой более крупную единицу, чем составляющие его модули.

Агрегативно-модульная система может быть многоуровневой. Это означает, что агрегаты можно рассматривать как модули более высокого уровня, более крупные кубики, из которых можно собирать еще более крупные единицы, агрегаты более высокого уровня. По отношению к агрегату на любом уровне его составные части следует рассматривать как модули. Изделие в целом находится на высшем уровне, оно представляет собой агрегат первого уровня. Его составные части по отношению к нему являются модулями первого уровня; но они же представляют собой агрегаты второго уровня по отношению к своим составным частям, модулям второго уровня. Это продолжается далее, до тех пор пока на низшем уровне не окажутся простые элементы. Число уровней зависит от сложности изделий. Иногда число уровней достигает семи.

Модульное оборудование проектируется и выпускается комплектами или наборами. Различным соединением разных или одинаковых модулей получаются модификации оборудования. Конечно, не все сочетания модулей имеют смысл и вообще возможны. Число возможных модификаций и практически полезных модификаций модульного оборудования является важным показателем: чем больше модификаций, тем больше приспособляемость оборудования к различным условиям. В зависимости от класса изделий и числа модулей число модификаций может меняться от трех-четырех до многих десятков или даже сотен.

В основу построения и развития ГСП положены следующие системотехнические принципы:

• • возможность сведения многообразия функций автоматического контроля, регулирования и управления к ограниченному числу типовых функций;
• • минимизация номенклатуры технических средств с учетом максимального удовлетворения потребности народного хозяйства на основе создания агрегатных комплексов технических устройств и параметрических рядов приборов;
• • построение приборов и устройств на основе типовых унифицированных блоков и модулей;
• • агрегатное построение сложных систем управления на основе типовых унифицированных приборов и устройств;
• • совместимость приборов и устройств ГСП при работе за счет унификации сигналов связи, используемых для обмена между изделиями ГСП.

Различают пять видов совместимости изделий агрегатных комплексов: энергетическую, метрологическую, конструктивную, эксплуатационную и информационную.

Энергетическая совместимость: предполагает выбор одного рода энергии носителя сигналов в измерительных устройствах. Для этой цели в ГСП предусмотрено три вида энергии: электрическая, пневматическая и гидравлическая. Последние обычно применяются в особых условиях эксплуатации ИИС, например, во взрывоопасных помещениях.

Метрологическая совместимость обеспечивает сопоставимость метрологических характеристик агрегатных средств, их сохранность во времени и под действием влияющих величин, а также возможность расчетного определения метрологических характеристик всего измерительного тракта ИИС по метрологическим характеристикам отдельных функциональных узлов, образующих измерительный тракт. При этом метрологические характеристики агрегатных средств нормируются по единому методу, а параметры входных и выходных цепей согласуются, чтобы сопряжение агрегатных средств не сопровождалось дополнительными погрешностями.

Эксплуатационная совместимость достигается согласованностью характеристик, определяющих действие внешних факторов на агрегатные средства в рабочих условиях, а также характеристик надежности и стабильности функционирования. Для этого все средства делятся на группы по использованию в зависимости от условий окружающей среды, климатических и механических воздействий. Эксплуатационная совместимость создает возможность компоновки системы с заданными значениями параметров надежности и рабочими условиями эксплуатации.

Конструктивная совместимость обеспечивает согласование конструктивных параметров, эстетических требований, а также механическое сопряжение средств. Конструктивная совместимость изделий предусматривает, прежде всего, унификацию присоединительных размеров отдельных деталей и модулей, введение типовых узлов, создание единой элементной базы, разработку общих принципов конструирования приборов. При конструировании устройств ГСП принят блочно-модульный принцип построения изделий. Применение этого принципа делает приборы более универсальными, позволяет использовать при их создании рациональный минимум конструктивных элементов, так как сокращается количество наименований деталей. Вместе с тем возможность простой и легкой замены отдельных узлов позволяет модернизировать эти приборы в процессе эксплуатации, повышает их ремонтопригодность и расширяет круг решаемых ими задач путем различных сочетаний функциональных звеньев и введением специализированных деталей. Блочномодульное построение приборов позволяет широко применять при их изготовлении современную технологию и максимально использовать кооперацию и специализацию предприятий.

Разработан комплекс унифицированных типовых конструкций (УТК), обеспечивающий нормализацию габаритных и присоединительных размеров и введение типовых конструкций. С учетом особенностей приборов различного функционального назначения УТК подразделяются на две части: общепромышленную и приборную.

Общепромышленная часть УТК служит для компоновки аппаратуры промышленной автоматики, технологических устройств, периферийных (для связи с объектом) средств управляющей вычислительной техники и других изделий ГСП, используемых в автоматизированных системах управления.

Приборная часть УТК предназначается для электроизмерительных и аналитических приборов, управляющей и вычислительной техники, испытательных установок и прочей аппаратуры.

При разработке обеих частей комплекса проектировщики руководствуются следующими принципами:

• — максимальный учет основных положений ГСП: унификация, агрегатирование, совместимость;
• — в номенклатуру УТК включается минимальное количество изделий (их типоразмеров и исполнений), необходимых для решения всех задач, соответствующих назначению комплекса;
• — учитываются функциональное назначение каждого изделия, условия его эксплуатации и хранения, взаимосвязь с устройствами других функциональных групп в автоматизированных системах управления;
• — предусматривается совместимость УТК с уже существующими изделиями.

Кроме того, учитывается необходимость большой динамичности разрабатываемого комплекса, обеспечивающей постоянное распространение области использования УТК на новые группы приборов.

Одновременно соблюдается требование относительной устойчивости УТК, чтобы внедрение новых изделий не вызывало принципиальных изменений в других частях комплекса и, главное, не нарушало конструктивной совместимости изделий.

Условно типовые конструкции разделяют на категории нулевого, первого, второго и третьего порядков. Отношения, установленные между различными категориями, отражают современные принципы агрегатирования. Так, составные части изделий, выполненные на базе типовых конструкций низшего порядка, могут последовательно устанавливаться в любую из типовых конструкций более высокого порядка, образуя в конечном итоге конструктивно законченные приборы и устройства. Такая взаимозаменяемость обеспечивается согласованием размеров конструкций разного порядка.

Изделия УТК нулевого и первого порядков предназначены для построения унифицированных элементов (субблоков). Из элементов первого и второго порядков собираются функциональные блоки, из которых в свою очередь комплектуются изделия третьего порядка.

Информационная совместимость средств обеспечивает согласование входных и выходных сигналов по виду, диапазону изменения и порядку обмена сигналами. Информационная совместимость определяется унификацией измерительных сигналов и применением стандартных интерфейсов. Унификация измерительных сигналов означает, что их параметры не могут выбираться произвольно, а должны отвечать требованиям стандарта на эти сигналы. В табл. 3.1 приведены основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП.

Изделия ГСП можно разделить на пять групп: средства получения информации, средства воздействия на процесс, средства локального контроля и регулирования, средства централизованного контроля и регулирования, вычислительные средства автоматизации управления.

Таблица 3.1

Основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП

Средства получения информации и средства воздействия на процесс предназначены для непосредственного взаимодействия с объектом управления — установками, агрегатами, технологическими процессами, цехами, производствами. Они обеспечивают информацией все вышерасположенные в иерархической структуре средства и осуществляют передачу управляющих воздействий на управляемый объект.

Средства локального контроля и регулирования предназначены для построения одноконтурных систем контроля и регулирования простых объектов, а также систем автономного контроля и регулирования отдельных параметров сложных объектов. Эти средства, как правило, выпускаются в составе параметрических рядов, создаваемых на основе базовых моделей.

Средства централизованного контроля и регулирования предназначены в основном для построения технического обеспечения систем автоматизации объектов, имеющих несколько сотен контролируемых и регулируемых параметров.

Вычислительные средства автоматизации управления предназначены для построения управляющих вычислительных комплексов, позволяющих реализовать сложные алгоритмы управления объектом.

Использование конструктивно-технологического признака позволяет построить структурную схему ГСП, состоящую из взаимосвязанных классификационных группировок: типов изделий, типоразмеров изделий, модификаций или исполнений изделий, унифицированных и агрегатных комплексов.

Основной классификационной группировкой изделий ГСП является тип изделия. Понятие тип изделия определяет классификационную группировку, включающую совокупность изделий одинакового функционального назначения и принципа действия, сходных по конструктивному исполнению и имеющих одинаковую номенклатуру главных параметров, определяющих основное функциональное назначение изделия. Например, для средств получения информации главными параметрами являются вид измеряемой физической величины и вид выходного сигнала.

В состав типа могут входить несколько типоразмеров, которые имеют определенные числовые значения главного параметра, или модификаций изделий, имеющих определенные конструктивные особенности или определенное значение неглавного параметра. Совокупность типоразмеров, включающая типоразмеры изделий со всеми расположенными в определенном порядке числовыми значениями главного параметра данного типа, образует типоразмерный ряд по этому параметру.

Наряду с понятием модификации применяют понятие исполнение, которое определяет совокупность изделий одного типа, обладающих конструктивными особенностями, влияющими на их эксплуатационные характеристики.

Понятие унифицированного комплекса определяет объединение в комплекс изделий нескольких типов, которые предназначены для измерения разных величин или выполнения различных функций. Изделия унифицированного комплекса должны быть одного принципа действия и иметь унифицированные конструктивные элементы. Отличительной особенностью изделий унифицированного комплекса является то, что соединение технических средств комплекса между собой в любых сочетаниях не приводит к реализации новых функций этими средствами.

Технические средства ГСП классифицируют по следующим признакам: выполняемым функциям, виду энергии носителя сигналов в канале связи, метрологическим свойствам и защищенности от воздействия окружающей среды.

Номенклатура средств ГСП насчитывает несколько тысяч типов изделий и имеет тенденцию дальнейшего роста за счет создания средств, удовлетворяющих решению непрерывно усложняющихся задач управления объектами, в том числе из-за включения в круг измеряемых величин показателей состава физикохимических свойств сырья, промежуточных и конечных продуктов промышленного производства. В связи с этим актуальной является задача рациональной минимизации номенклатуры средств ГСП.

Контрольные вопросы

• 1. Что называется чувствительностью измерительного прибора?
• 2. Как обозначается класс точности приборов?
• 3. Что является целью энергетического согласования объекта измерения и измерительной системы?
• 4. Какова точность атомных часов?
• 5. Как достигается эксплуатационная совместимость модулей измерительных систем?