40777

Цели и задачи автоматизации

Лекция

Производство и промышленные технологии

Обобщенная структурная схема средств измерений Автоматизация обработки измерительной информации предполагает: включение в измерительную цепь вычислительных средств серийно выпускаемых ЭВМ; разработку специализированных средств на базе микропроцессорных средств. При автоматизации сбора измерительной информации необходимо обеспечить: унификацию выходных сигналов измерительных преобразователей; программноуправляемую коммутацию сигналов на общий канал связи; автоматический выбор диапазонов измерений. При автоматизации операций...

Русский

2013-10-22

204.87 KB

179 чел.

Цели и задачи автоматизации

Под термином «автоматизация» понимается совокупность методических, технических и программных средств, обеспечивающих проведение процесса измерения без непосредственного участия человека. Цели автоматизации представлены в табл. 1.

Таблица 1

Цели автоматизации

Научные

Технические

Экономические

Социальные

  1.  Повышение эффективности и качества научных результатов за счет более полного исследования моделей
  2.  Повышение точности и достоверности результатов исследований за счет оптимизации эксперимента.

3. Получение качественно новых научных результатов, невозможных без ЭВМ.

  1.  Повышение качества продукции за счет повторяемости операций, увеличения числа измерений и получения более полных данных о свойствах изделий.
  2.  Повышение надела точности изделий за счет получения более полных данных о процессах старения и их предшественниках.
  1.  Экономия трудовых ресурсов за счет замены труда человека трудом машины.
  2.  Сокращение затрат в промышленности за счет уменьшения трудоемкости работ.
  3.  Повышение производительности труда на основе оптимального распределения работ между человеком и машиной и ликвидации неполной загрузки при эпизодическом обслуживании объекта.
  1.  Повышение интеллектуального  потенциала за счет поручения рутинных операций машине.
  2.  Ликвидация случаев занятости персонала операций в нежелательных условиях.
  3.  Освобождение человека от тяжелого физического труда и использование сэкономленного времени для удовлетворения духовных потребностей.

Задачами автоматизации являются:

  1.  устранение или минимизация «человеческого фактора» при выполнении функций системой или прибором;
  2.  достижение заданных показателей качества при реализации автоматизируемых функций.

В проблемной области измерения и контроля основными показателями качества являются точность, быстродействие, уровень автоматизации.

Под уровнем автоматизации понимают отношение числа автоматизированных функций к общему числу функций, которые необходимо выполнить.

Обобщенная структурная схема СИ, присущая любому измерительному прибору, устройству, системе, приведена на рис. 1.1. Анализ этой схемы приводит к определению основных задач автоматизации.

Рис. 1.1 Обобщенная структурная схема средств измерений

Автоматизация обработки измерительной информации предполагает:

  1.  включение в измерительную цепь вычислительных средств (серийно выпускаемых ЭВМ);
  2.  разработку специализированных средств на базе микропроцессорных средств.

При автоматизации сбора измерительной информации необходимо обеспечить:

  1.  унификацию выходных сигналов измерительных преобразователей;
  2.  программно-управляемую коммутацию сигналов на общий канал связи;
  3.  автоматический выбор диапазонов измерений.

При автоматизации операций измерительной цепи (канала) необходимо обеспечить:

  1.  прием информации;
  2.  фильтрацию;
  3.  усиление;           
  4.  аналого-цифровое преобразование.

При автоматизации передачи информации в ЭВМ необходимо обеспечить:

  1.  согласование измерительной цепи с информационной магистралью вычислительной устройства (интерфейс).

Интерфейс определяет формат передаваемой и принимаемой информации, уровни сигналов, организацию управляющих сигналов и т.д.


Автоматизация измерительного процесса

Необходимость измерения огромного количества разнообразных физических величин потребовала разработки средств измерений, позволяющих получать необходимую информацию без непосредственного участия человека, т.е. выполняющих измерения автоматически. Автоматизация позволяет обеспечить:

  1.  сбор измерительной информации в местах, недоступных для человека;
  2.  длительные, многократные измерения;
  3.  одновременное измерение большого числа величин;
  4.  измерение параметров быстропротекающих процессов;
  5.  измерения, характеризующиеся большими массивами информации и сложными алгоритмами ее обработки.

Следует различать полную и частичную автоматизацию. Процесс измерения, при котором обратная связь управления осуществляется без участия человека называется автоматическим. Если оператор является одним из звеньев в цепи получения измерительной информации - речь идет об автоматизированных измерениях.

Автоматические средства измерений в процессе своего развития прошли ряд этапов становления.

На первом этапе развития автоматизации подвергались лишь средства сбора измерительной информации и ее регистрации на аналоговых индицирующих и регистрирующих устройствах. Обработку* результатов измерений и выработку соответствующих решений и исполнительных команд осуществлял оператор. В подобных системах управления объектом средства измерений представляли собой набор отдельных измерительных приборов. В результате при измерении большого числа параметров объекта оператор был не в состоянии охватить всю полученную информацию и принять оптимальное решение по управлению объектом. Это приводило к расширению штата обслуживающего персонала, к снижению надежности и качества управления и возрастанию эксплуатационных расходов.

На втором этапе все возрастающие требования к средствам измерений, обусловленные интенсификацией потоков измерительной информации, привели к созданию информационно - измерительных систем. В отличие от измерительного прибора информационно - измерительная система обеспечивает измерение большого количества параметров объекта и осуществляет автоматическую обработку получаемой информации с помощью встроенных в систему вычислительных средств. В задачу оператора системы управления теперь стати входить только принятие решений по результатам измерений и выработка команд управления. Централизованный сбор информации и ее обработка с помощью средств вычислительной техники резко повысило производительность труда, но не освободило его от ответственности за управление объектом, обслуживаемого системой.

На третьем этапе развития появились информационно-управляющие системы и информационно - вычислительные комплексы, в которых осуществляется полный замкнутый цикл обращения информации от ее получения до обработки, принятия соответствующих решений и выдачи команд управления на объект без участия оператора. Главное достоинство таких систем заключается в том, что алгоритм работы систем стал программно - управляемым, легко перестраиваемым при изменении режимов работы или условий эксплуатации объекта. Труд оператора сводится к диагностике состояния системы управления, разработке методик измерения и программ функционирования. Выделение этапов развития СИ является приближенным и зависит от тех направлений науки и техники, в которых исследуются вопросы применения измерительной техники.

Схема процесса измерения и ее анализ с точки зрения автоматизации

Типовая схема автоматизированных измерений изображена на рис. 3.1. Объектом измерения может быть некоторый процесс, явление или устройство. Измеряемые величины воспринимаются датчиками, с выходов которых электрические сигналы поступают на коммутатор. Коммутатор повышает коэффициент использования измерительной установки при многоканальных измерениях. Опрос датчиков может быть циклическим (параметры однородны и стационарны), программным (параметры стационарны, но неоднородны) или адаптивным (параметры нестационарны).

Электрический сигнал с выбранного коммутатором датчика преобразуется в цифровой код в АЦП. Интерфейс обеспечивает сопряжение измерительного канала с ЭВМ. Далее измерительная информация подвергается обработке по заданной программе в ЭВМ и представляется в удобной форме на экране дисплея или отпечатанной на бумаге. База данных (БД) предназначена для хранения необходимой измерительной и справочной информации.

Рис. 3.1. Обобщенная структурная схема процесса автоматизированного измерения

ЦАП используется для двух целей: представление результатов измерений в аналоговой форме с дальнейшим их преобразованием в графическую форму и преобразования команд ЭВМ в аналоговые сигналы с целью управления объектом измерений. Канал управления позволяет активно воздействовать на объект (нагревать, охлаждать, облучать, деформировать, перестраивать), следя одновременно за реакцией его на эти воздействия. Наличие ЭВМ позволяет производить вычислительный эксперимент.

Процесс контроля и возможности его автоматизации

Процесс контроля сводится к проверке соответствия объекта установленным техническим требованиям. Сущность контроля (ГОСТ 16504 -81) заключается в проведении двух основных операций:

  1.  получение информации о фактическом состоянии объекта, о признаках и показателях его свойств (первичная информация);
  2.  сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями (вторичная информация).

Заранее установленные требования к объекту контроля могут быть представлены в виде образцового изделия или в виде перечня определенных параметров и их значений с указанием полей допуска.

Граничные значения областей состояния контролируемого параметра называют нормами.

Отличие измерения и контроля состоит в том, что при измерении измеряемую величину сравнивают с единицей определенной физической величины с целью получения количественной информации, а при контроле физический параметр сравнивают с его нормой с целью определения отклонений данного параметра (качественная характеристика объекта - “годен”-“не годен”).

Совокупность технических средств, с помощью которых выполняются операции автоматического контроля, называются системами автоматического контроля (САУ). Данные системы являются одним из основных звеньев САУ и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

На рис. 3.2 приведена обобщенная структурная схема системы автоматического контроля. Кратко рассмотрим основное назначение составных частей, входящих в эту систему.

Подсистема коммутации и связи - служит для непосредственного подключения системы к объекту7 контроля. Она может осуществляться с помощью проводных или кабельных линий, либо использования высокочастотного радиоканала. В состав подсистемы входят устройства коммутации контролируемых и стимулирующих сигналов.

Подсистема ИП и генераторов испытательных воздействий - содержит преобразователи различных физических величин, нормализаторы их выходных сигналов в унифицированные электрические сигналы, а также генераторы испытательных сигналов, формирующие воздействия на объект контроля.

Подсистема согласующих преобразователей - состоит из преобразователей унифицированных аналоговых сигналов в код (АЦП - для сигналов напряжения, тока и частотно-цифровые - для частотных сигналов) и обратных преобразователей «код - аналог» для формирования испытательных воздействий.

Операционная подсистема - представляет собой специализированную ЭВМ, которая может быть выполнена на микропроцессорных комплексах БИС.

Подсистема ввода - вывода - включает устройства, обеспечивающие связь оператора с системой (пульт управления, дисплей, электрические пишущие машины и др.), устройства регистрации информации, внешние долговременные запоминающие устройства, а также средства подготовки и ввода программ, например, программ управления ЭВМ ( загрузчики, ассемблеры, редакторы, монитор и т.д.).

Принципы сопряжения ЭВМ с другими подсистемами основаны на применении стандартных каналов передачи данных.

Для измерения небольшого количества величин с относительно невысоким быстродействием, характерна структурная схема, приведенная на рис. 3.3. Выходные электрические сигналы с измерительных преобразователей (ИП) через коммутатор (КМ) поочередно поступают на передающий (выходной) преобразователь (ВП), согласующий выходы ИП с каналом связи (КС). Приемный преобразователь (ПП) выделяет информационный сигнал, который после первичной обработки и усиления на устройстве аналоговой обработки (УАО) поступает в АЦП и после преобразования - на индикатор результатов измерения (ИР). Оценку полученной информации и выработку управляющих воздействий осуществляет оператор. Данная система предназначена лишь для сбора и отображения измерительной информации.

Рис.3.3. Измерительная система с аналоговой передачей информации

Передача по КС информации в цифровой форме отличается большой помехозащищенностью. На рис. 3.4 представлена структурная схема системы с цифровой передачей информации. АЦП, выполненные по интегральной технологии, позволяют конструктивно объединять АЦП с каждым ИП объекта.

Рис. 3.4. Измерительная система с цифровой передачей информации

Это дает возможность отказаться от аналогового коммутатора, вносящего искажения, и на приемной стороне осуществлять ряд операций обработки с помощью устройства цифровой обработки (УЦО), такие как усреднение, сравнение, вычитание, накопление и хранение информации.

Для организации управления процессом измерения вводится логическое управляющее устройство с “жестким” алгоритмом – “приборный контроллер”, автоматически задающий длительность такта измерения, управление регистрацией и цифровой обработкой результатов измерений. Введение в систему уже довольно простых вычислительных средств значительно расширяют ее возможности по обработке информации. Введение микропроцессорного контроллера позволяет сделать более гибким алгоритм работы и при этом отказаться от блока УЦО, т.к. контроллеры в таком случае могут обрабатывать информацию.

Структуры сопряжения приборов и устройств с ЭВМ.

Система, имеющая интерфейс радиального типа, состоит из отдельных приборов, измеряющих значения ограниченного числа исследуемых физических величин (рис. 3.5).

Рис.3.5. Обобщенная структура ИС с ЭВМ (радиальный интерфейс)

Передача информации от приборов к ЭВМ происходит под управлением специальной программы и требует создания для каждого из них специфического интерфейса, т.к. каждый прибор соединяется с ЭВМ индивидуальным кабелем.

Недостатки радиальной структуры сопряжения:

  1.  ЭВМ должна иметь столько входов, сколько к ней подключено устройств;
  2.  Громоздкость структуры;

3. Ограничение возможности перестройки и наращивания системы.

Магистральная структура сопряжения характеризуется наличием сквозного канала передачи данных (системного канала обмена информацией), равноправием всех подключенных устройств и асинхронным принципом обмена.

Каждое из подключенных устройств может быть передатчиком информации, приемником или контроллером. Это позволяет на основе ограниченной номенклатуры приборов и устройств создавать разнообразные системы.

Канал передачи данных (магистральный интерфейс) распределяет информацию между отдельными элементами системы (устанавливается очередность их работы).

В измерительном приборостроении широкое распространение получила магистральная структура канала, приведенная на рис. 3.6. системный контроллер координирует работу отдельных элементов системы и осуществляет изменение форматов данных и команд в процессе обмена с ЭВМ;

шинная система линий связи - передает сигналы (информационные и управляющие);

Рис.3.6. Структура канала передачи данных (магистральный интерфейс)

интерфейсные схемы обмена (ИСО) - связаны с шинной системой канала и измерительными преобразователями (ИП). Они обеспечивают информационную совместимость.

Примерами стандартных магистральных интерфейсов могут служить: интерфейс МЭК и система КАМАК, принципы построения которых рассмотрим ниже.

Структурная схема ИС с микропроцессорной обработкой информации и управлением

Система (рис. 3.7) содержит аналоговую измерительную подсистему (АИП), операционную подсистему и подсистему- ПВВ.

Измеряемые физические величины Xi с помощью первичных преобразователей ПИП преобразуются в аналоговые сигналы У1 , поступающие в подсистему ИЦ (измерительные аналоговые цепи), где подвергаются норматизации и первичной обработке.

В состав ИЦ входят: аналоговые коммутаторы, фильтры, детекторы, предусилители и т.д.

Унифицированный сигнал yi, поступает на входной преобразователь АЦП.

Операционная подсистема (ОП) - предназначена для цифровой обработки кодов АЦП, а также формирует управляющие воздействия для всех узлов системы. В качестве ОП могут использоваться мини-ЭВМ (для ИВК) или микро-ЭВМ (для ИИС).

В системах высокой производительности широкое применение получили одноплатные ЭВМ и микропроцессорные машины на основе микропроцессорных комплексов БИС (МПК БИС).

Рис. 3.7. Обобщенная структурная схема ИС с микропроцессорной обработкой информации

Подсистема ПВБ выполняет функции: регистрации результатов обработки на цифровых индикаторах, экранах дисплеев; документирование информации; оперативный ввод программ с магнитных дисков и т.д.; ручное управление системой с помощью пультового терминала, формирование управляющих и исполнительных сигналов обратной связи с объектом исследования.

Особое значение в системе имеет организация связи между ее подсистемами.

Обмен информацией между подсистемами осуществляется в цифровой форме через системный канал обмена (измерительная информация и результаты ее обработки, команды, адреса, сигналы управления и т.д.). Информационная совместимость между устройствами системы обеспечивается интерфейсными схемами обмена.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81780. Функции науки. Роль науки в современном образовании и формировании личности 28.41 KB
  Роль науки в современном образовании и формировании личности. Проблема связанная с классификацией функций науки до сих пор остается спорной отчасти потому что последняя развивалась возлагая на себя новые и новые функции отчасти в силу того что выступая в роли социокультурного феномена она начинает больше заботиться не об объективной и безличностной закономерности а о коэволюционном вписывании в мир всех достижений научнотехнического прогресса. В качестве особой и приоритетной проблемы выделяют вопрос о социальных функциях науки...
81781. Преднаука и наука. Генезис науки и проблема периодизации её истории 31.74 KB
  Генезис науки и проблема периодизации её истории. Исследуя историю любого материального или духовного явления в том числе и науки следует иметь в виду что это сложный диалектический поступательный процесс появления различий включающий в себя ряд качественно своеобразных этапов фаз и т. Применяя сказанное о периодизации к истории науки следует прежде всего подчеркнуть следующее. Вопрос о периодизации истории науки и ее критериях по сей день является дискуссионным и активно обсуждается в отечественной и зарубежной литературе.
81783. Средневековая наука. Организация науки в средневековых университетах 33.78 KB
  Первый из них факультет свободных искусств trium был наиболее многочисленным и считался подготовительным для трех других факультетов: медицинского юридического и теологического самого малочисленного но обучение на котором было самым продолжительным. Таким образом Парижский университет оказался в плену противоречивых тенденций: превратиться в центр беспристрастных исследований связанных с изучением античного наследия но всегда стоящих перед опасностью впасть в инакомыслие либо подчинить исследование религиозным целям и тем самым...
81784. Формирование опытной науки в новоевропейской культуре 31.1 KB
  Изменяется роль человека в мире. Происходит постепенная смена мировоззренческой ориентации: для человека значимым становится посюсторонний мир автономным универсальным и самодостаточным становится индивид. Отсюда и характерное для эпохи Возрождения стремление познать принципы функционирования механизмов приборов устройств и самого человека.
81785. Наука в собственном смысле слова: классическая наука, неклассическая и постклассическая 30.52 KB
  Таким образом основные стороны бытия науки это вопервых сложный противоречивый процесс получения нового знания; вовторых результат этого процесса т. объединение полученных знаний в целостную развивающуюся органическую систему а не простое их суммирование; втретьих социальный институт со всей своей инфраструктурой: организация науки научные учреждения и т.; этос нравственность науки профессиональные объединения ученых ресурсы финансы научное оборудование система научной информации различного рода коммуникации ученых и т....
81786. Формирование науки как профессиональной деятельности. Возникновение дисциплинарно организованной науки 35.37 KB
  Возникновение дисциплинарно организованной науки. Несмотря на большое значение великих прозрений античности влияние науки арабов средневекового Востока гениальных идей эпохи Возрождения естествознание до XVII в. У истоков науки как профессиональной деятельности стоит Френсис Бэкон 1561 1626 утверждавший что достижения науки ничтожны и что она нуждается в великом обновлении.
81787. Становление социальных и гуманитарных наук 36.39 KB
  Если на этапе преднауки как первичные идеальные объекты так и их отношения соответственно смыслы основных терминов языка и правила оперирования с ними выводились непосредственно из практики и лишь затем внутри созданной системы знания языка формировались новые идеальные объекты то теперь познание делает следующий шаг. Оно начинает строить фундамент новой системы знания как бы сверху по отношению к реальной практике и лишь после этого путем ряда опосредствований проверяет созданные из идеальных объектов конструкции сопоставляя их с...
81788. Научное знание как система, его особенности и структура 31.63 KB
  Рассмотрим основные особенности научного познания или критерии научности. Его основная задача обнаружение объективных законов действительности природных социальных общественных законов самого познания мышления и др. Нацеленность науки на изучение не только объектов преобразуемых в сегодняшней практике но и тех которые могут стать предметом практического освоения в будущем является важной отличительной чертой научного познания. Существенным признаком научного познания является его системность...