3. Типизация, унификация и агрегатирование средств асу тп

Прежде чем определить принципы построения комплекса технических средств(КТС) для авто­матизации технологических процессов на основе системного под­хода, остановимся на содержании используемых в технической литературе терминов «типизация», «унификация», «параметризация» и других понятий, которые будут использоваться ниже.

Типизацию определим как обоснованное сведение многообразия избранных типов конструкций машин, оборудования, при­боров и устройств автоматизации к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. Например, типизация технологических процессов заключается в выборе для внедрения из всей массы действующих тех­нологий только наиболее производительных и рентабельных. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий (или их составных частей) базовые элементы и конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов в ограниченный ряд типов с учетом реально действующих ограничений, целей типизации; другими словами, типизация является оптимизационной задачей с ограничениями.

Типизация предшествует унификации — приведению различ­ных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т.п. Унификация вносит единообразие в основные параметры типовых решений технических средств, необходимое для их совместного использования в АСУ ТП, и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей.

Одинаковые или разные по своему функциональному назначе­нию устройства, их блоки, модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет за счет применения общих и типовых кон­структивных решений использовать принцип агрегатирования, создавать на одной основе различные модификации изделий, вы­пускать технические средства одинакового назначения, но с раз­личными техническими характеристиками, удовлетворяющими по­требностям того или иного производства, технологии. Такие изде­лия одного типа, но с различными техническими параметрами образуют параметрический ряд.

Агрегатирование предусматривает разработку и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных ус­тановок и комплексов, технические параметры которых в значи­тельной степени удовлетворяют потребительским целям. Типиза­ция, унификация и агрегатирование являются основополагающими принципами построения агрегатных комплексов для комплексной автоматизации производства и, в  частности, при  проектировании и внедрении АСУ технологическими объектами и агрегатами.

Принципы типизации, унификации и агрегатирования получили в свое время развитие в Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), созданной в СССР и предназначенной для создания автоматических и автоматизированных информационно-управляю­щих систем. Изделия ГСП компоновались в агрегатные комплексы технических средств, ориентированные на решение типового состава функциональных задач, и вместе с типовыми проектными решениями значительно упрощали проектирование АСУ ТП, созда­вали основу для «индустриализации» проектирования, что весьма важно для ускорения темпов внедрения АСУ ТП. Являясь частью такой сложной системы, как АСУ ТП, комплекс технических средств также представляет собой сложную систему аппаратных и аппаратно-программных средств. Понятие «сложная система» здесь понимается как множество взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции и имеющих собственные и общие цели. Поэтому представляется необходимым решать проблемы проектирования комплекса технических средств для АСУ ТП с единой методологической позиции — позиции системного подхода, что в данном  случае означает:

— использование концепций теории систем управления (общесистемные функции и цели, распределенность, многоуровневость и иерархичность структуры АСУ ТП);

— исследование технологических объектов управления и учет особенностей их эксплуатации с целью выбора ограничений при формировании типового состава функциональных задач КТС и состава индивидуальных задач данного объекта автоматизации;

— организацию внутренней структуры КТС (с учетом распреде­ленности, иерархичности и многоуровневости АСУ ТП) на основе принципов типизации, унификации и агрегатирования;

— оптимизацию системотехнических, схемных, конструктивных и программных решений для упорядочения номенклатуры КТС (в том числе оптимизацию распределения функциональных задач, решаемых аппаратными и программными средствами);

— прогнозирование развития функционально-алгоритмической структуры АСУ ТП в процессе эксплуатации и эволюции техниче­ского обеспечения.

Анализ задач автоматизации в различных отраслях промышленности показывают, что в настоящее время только в группе датчиков имеется потенциальный спрос на преобразователи для измерения более 2000 физических величин. С учетом известных методов измерений, диапазонов значений измеряемых величин и условий эксплуатации это может привести к необходимости изготовления нескольких десятков тысяч модификаций датчиков. Поскольку даже простейшая локальная система регулирования кроме датчика вклю­чает  в себя ряд других устройств, то индивидуальный подход к разработке средств для АСУ ТП, приводящий к неоправданному многообразию этих средств, нецеле­сообразен. Следовательно, одна из главнейших задач, решаемых агрегатными комплексами, состоит в создании ограниченной номенклатуры унифицированных устройств, способных максимально удовлетворять потребностям производства.

Сокращение номенклатуры средств автоматизации достигается объединением их в отдельные функциональные группы путем све­дения функций этих устройств к ограниченному числу типовых функций. Оптимизация состава каждой группы обеспечивается разработкой параметрических рядов изделий. В основу ряда зало­жены более узкая специализация выполняемых функций (типиза­ция инструментальных методик измерения или метода преобразо­вания информации), ограничения по видам и параметрам сигна­лов, несущих информацию о контролируемой величине или команде управления, ограничения по техническим параметрам изделий, пределам измерений, классам точности, параметрам питания и т. д., наконец, унификация конструктивного исполнения изделий. Существенное сокращение числа различных функциональных устройств достигается обеспечением ихсовместимостив АСУ ТП. Концепция совместимости, включающая в себя требованияинформационного,энергетического,конструктивного,метрологического иэксплуатационного сопряжений между различными изделиями, основана на последовательной унификации и стандартизации свойств и характеристик изделий.

Устройства автоматизации по роду используемой вспомогательной энер­гии носителя сигналов в канале связи, применяемой для приема и передачи информации и команд управления, делятся на электрические, пневматическиеи гидравлические. В отдельных видах изделий могут быть использованы и другие виды энергии носителей сигналов (акустическая, оптическая, механическая и др.). Различают также устройства, работающие без использования вспомогательной энергии (приборы и регуляторы прямого действия).

Устройства, питающиеся при эксплуатации энергией одного рода, образуют единую структурную группу или «ветвь».

АСУ ТП, комплектуемые из приборов электрической ветви, имеют преимущества по чувствительности, точности, быстродейст­вию, дальности связей, обеспечивают высокую схемную и конст­руктивную унификацию приборов. Применение интегральных микросхем способствует уменьшению габаритов и веса приборов, сокращению количества потребляемой ими энергии, повышению их надежности, расширению их функциональных возможностей (создание многофункциональных приборов), позволяет применять при их изготовлении современную прогрессивную технологию. Применение в АСУ ТП аналоговых и цифровых микросхем и микропро­цессоров особенно важно в группе контрольно-измерительных приборов, так как обеспечивает возможность их непосредственной связи с управляющим контроллером.

Приборы пневматической ветви характеризуются безопасно­стью применения в легковоспламеняемых и взрывоопасных сре­дах, высокой надежностью в тяжелых условиях работы, особенно при использовании в агрессивной атмосфере. Они легко комбини­руются друг с другом. Однако пневматические приборы уступают электронным в тех случаях, когда технологический процесс требу­ет большого быстродействия или передачи сигналов на значитель­ные расстояния.

Гидравлические приборы позволяют получать точные переме­щения исполнительных механизмов при больших усилиях.

Унифицированный сигнал (УС) — это сигнал дистанци­онной передачи информации с унифицированными параметрами, обеспечивающий информационное сопряжение (интерфейс) между блоками, приборами и устройствами автоматизации. Под унифицированным параметром УС понимается тот его параметр, который является носителем информации: значение постоянного или переменного тока или напряжения, или частоты, код, давление воздуха пневматического сигнала.

В зависимости от вида унифицированных параметров применяются унифицированные сигналы четырех групп:

1) тока и напряжения электрические непрерывные;

2) частотные электри­ческие непрерывные;

3) электрические кодированные;

4) пневматические.

Каждая группа УС определяется соответствующим государственным стандартом (ГОСТ). В качестве примера в таблице 2.1 приведе­ны основные виды унифицированных аналоговых сигналов.

Таблица 2.1 — Основные виды унифицированных аналоговых сигналов систем автоматики

В функциональных приборах и системах значения величин в цифровой форме представляются числом двоичных разрядов, кратным восьми (байтами). Байты могут передаваться и обраба­тываться последовательно или полями, составленными из не­скольких байтов; форматы, используемые для представления чи­сел, имеют фиксированную длину, равную 1 или 2 байт. Сообще­ния большей длины могут передаваться последовательно форма­тами принятой длины начиная со старших разрядов.

В последние годы в связи с развитием микро- и мультипроцессорных информационных измерительных систем (ИИС), отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода кото­рых могут отстоять друг от друга территориально на сотни метров (на­пример, заводская или цеховая ИИС), все более широко применяются системные интерфейсы или интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет многоуровневую архитектуру (совокупность) аппаратных и программных средств.

Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4...20 мА.

Бурно развивается системная интеграция пер­вичных преобразователей с использо­ванием различных разновидностей промышленных сетей Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др. При этом используется полностью цифро­вой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направ­лениях между датчиками и системами управления, существенно облегчая взаи­мозаменяемость приборов разных мировых производителей.

В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно-управляющих вычислительных системах распространены асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации 8-разрядные интерфейсы Microbus, 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus, Microbus).

при реализации информационно-измерительных сетей в настоящее время преобладают цифровые интерфейсы последовательной передачи данных RS-232С и RS-485, а также интерфейс параллельной передачи IEEE-488. До сих пор используются выходящие из применения ДДПК (двоично-десятичный парал­лельный код) и ИРПС (интерфейс радиальный последовательный), разработанные в 1980-е годы.

Для последовательной передачи цифровых данных существует три формы связи:

А) симплексная связь предполагает наличие одного передатчика и одного приемника; информация передается в одном направлении, связь осуществляется через отдельную пару проводов;

Б) полудуплексная связь допускает двунаправленную передачу данных, но не одновременно; связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов;

В) дуплексная связь обеспечивает одновременную двунаправленную передачу данных, а связь осуществляется также по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов.

Для каждой из указанных выше форм связи необходимо, чтобы приемное устройство было готово принять и идентифицировать каждый набор данных, переданный передатчиком. Существуют два способа решения этой задачи. При асинхронной передаче каждому пакету данных предшествует старт-бит, а по окончании передачи этого пакета данных следует стоп-бит. Таким образом, приемник четко определяет начало и конец сообщения. Однако из-за необходимости постоянной проверки старт- и стоп-битов скорость передачи при данном виде связи ограничена и, как правило, не превышает 1200 бит/с.

Асинхронная передача используется в условиях неуверенного приема и высокого уровня помех. Синхронная передача не требует старт- и стоп-битов, передатчик и приемник синхронизированы. Начало приема-передачи данных предварительно синхронизируется синхроимпульсом, а затем каждое слово пакета данных распознается как блок из семи или восьми бит. Синхронная передача данных может обеспечивать скорость более 1200 бит/с и наиболее часто применяется для передачи таких потоков данных, как программные файлы.

Современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным интерфейсом RS-232C могут иметь также в своем составе подсистему последовательного ввода-вывода на базе интерфейса RS-485. Программируемые логические контроллеры большинства производителей в качестве средств организации территориально-распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS-422А/RS-485.

RS-232C — широко распространенный стандартный последовательный интерфейс. Он может быть использован для синхронной передачи данных со скоростью до 20 000 бит/с на расстояние до 15 метров; на более длинные дистанции скорость передачи уменьшается. интерфейс RS-449 — это более поздний стандарт, он обладает улучшенными по сравнению с RS-232 характеристиками по скорости и расстоянию передачи; здесь достижима скорость до 10 000 бит/с на расстояние до 1 км. Уровни напряжения, соответствующие стандарту RS-232, составляют +12 В для логического “0“ и —12 В для логической “1“. интерфейс RS-232 является в настоящее время стандартным для СОМ-портов персональных компьютеров. Поскольку подавляющее большинство микропроцессоров построено на ТТЛ-структуре (транзисторно-транзисторная логика), где уровень логического нуля составляет 0 В, а логической единицы +5 В, то, очевидно, что уровни сигналов необходимо преобразовывать для согласования. Последнее достигается использованием интегральных микросхем — преобразователей уровня, таких как: МС1488 для преобразования ТТЛ-уровней в уровни RS-232 и  МС1489  для преобразования уровней RS-232 в ТТЛ-уровни.

Интерфейс RS-485 (EIA—485) — один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи (канал связи + способ передачи сигнала).

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары — двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) — его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе логическая "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 — Разность потенциалов

Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе, действующей на оба провода линии одинаково. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводки на этот провод могут исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов общих точек как дополнительный источник искажений. При дифференциальной передаче таких искажений не происходит, поскольку в витой паре наводка на оба провода одинакова. Таким образом, потенциал в одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

Аппаратная реализация интерфейса — микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART-контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.

RS-422 — дуплексный интерфейс. Прием и передача обеспечиваются по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 — полудуплексный магистральный аналог интерфейса RS-422. Прием и передача выполняются по одной паре проводов с разделением во времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии обычно составляет 12 кОм. Поскольку мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно стандарта RS-485, c учетом согласующих резисторов, передатчик может вести до 32 приемников. Однако, применяя микросхемы с повышенным входным сопротивлением, можно подключать к линии значительно большее количество устройств (более 100 приборов). При этом приборы подключаются к линии параллельно, а контроллер (компьютер) должен быть снабжен дополнительным устройством — преобразователем последовательного порта RS-485/ RS-232 .

Максимальная скорость связи в RS-485 может достигать 10 Мбит/сек, а максимальная длина линии связи — 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии, превышающем 1200 м, или подключить большее число устройств, нежели допускает нагрузочная способность передатчика, то применяют специальные повторители (репитеры).

Диапазон напряжений логических “1“ и “0“ в передатчика RS-485 составляют, соответственно, +1,5...+6 В и —1,5...-6 В, а диапазон синфазного напряжения передатчика — (—1...+3 В).

Значения параметров определены таким образом, что любое устройство, входящее в состав измерительной информационной системы, сохраняет работоспособность при наличии на его клеммах, подключенных к линии связи, помехи общего вида, напряжение которой находится в диапазоне от —7 до +7 В.

Ниже приведены ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V) для стандартов RS-422 и RS-485.

Таблица 2.2 — ограничения на длину линии и скорость передачи данных для стандартов RS-422 и RS-485

[ К Оглавлению ]

2.3.2 Параллельная передача данных

Для параллельной передачи данных в измерительных информационных системах  часто используется стандартный интерфейс IEEE-488 (Institute of Electrical and Electronics Engineers), называемый также HP-IB (Hewlett-Packard Interface Bus) или GPIB  (General Purpose Interface Bus — интерфейсная шина общего применения). Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендовала данный стандарт в качестве международного, по этой причине на постсоветском пространстве он носит название цифрового интерфейса МЭК.

интерфейс IEEE-488 был разработан для программируемых и непрограммируемых электронных измерительных приборов и преобразователей. Он рассчитан на асинхронный обмен информацией, ориентирован на сопряжение устройств, располагаемых относительно друг друга на расстоянии до 20 м, и обеспечивает работу в ИИС приборов различной сложности, допускает прямой обмен информацией между ними, дистанционное и местное управление приборами. Описываемый интерфейс имеет магистральную структуру (рис.2.2).

Магистраль интерфейса состоит из 24 сигнальных линий, восемь из которых — линии заземления, а остальные линии разбиты на три группы. Первая группа, состоящая из восьми двунаправленных сигнальных линий, является шиной данных. Она предназначена для передачи данных и команд между различными приборами, присоединенными к интерфейсу. Другая группа из пяти сигнальных линий — шина общего управления, по ней передаются сигналы управления и состояния. Последняя группа из трех линий используется для управления передачей данных (шина квитирования).

 Приборы, подсоединенные к интерфейсу, могут работать как приемники либо источники сообщений. В каждый момент времени только одно устройство может быть источником информации, тогда как приемниками сообщений могут работать одновременно несколько устройств. Одно из устройств на магистрали является контроллером интерфейса.

Общее количество приемников и источников информации в IEEE-488 не должно превышать 31 при однобайтовой адресации, а число параллельно подключаемых приборов — 15 (включая управляющий контроллер).

В стандарте IEEE-488 высокому уровню сигнала в линии соответствует значение напряжения, равное или больше 2 В, а низкому уровню—значение, равное- меньше 0,8 В.

В настоящее время в СНГ и в странах дальнего зарубежья продолжаются работы по созданию агрегатных комплексов(АК) технических средств многопланового применения, являющихся развитием системотехнического подхода в приборостроении. АК представляют собой группы устройств с высоким уровнем унификации.

Агрегатный комплекс есть совокупность изделий, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению или области применения, конструкции, основным параметрам и техническим данным. АК содержит технически и экономически обоснованную номенклатуру изделий, созданных на единой конструктивной, элементной и технологической базе, с использованием блочного принципа построения на основе базовых моделей и обеспе­чивает решение всех функциональных задач, соответствующих на­значению комплекса.

Агрегатирование средств автоматизации в проблемно-ориентированные комплексы являлось, как отмечалось выше, одним из важнейших принципов построения ГСП. Агрегатирование означает построение функционально более сложных устройств из ограниченного наборa более простых изделий (модулей) методом «наращивания и стыковки» простых изделий на основе функциональной, информационной и конструктивной совместимости.

Существуют два структурно различных пути агрегатирования:

— за счет агрегатного соединения унифицированных модулей и блоков на основе общей унифицированной базовой конструкции или нескольких конструкций;

— за счет использования унифицированных  типовых конструкций.

Под унифицированным модулем (УМ) понимается конструктивно целостная  ячейка, выполняю­щая одну типовую функцию, например: источник питания, модуль усилителя постоянного тока, коммутатор сигналов и т.п. Как правило, УМ не является товарной продукцией.

Унифицированные блоки представляют собой объединение унифицированных модулей для реализации типовой автономной функции, имеющей самостоятельное и многоплановое применение, например блок регистрации и контроля, блок многоканального регулирования и т.п. Унифицированные блоки являются автономными изделиями, изготовляемыми на основе унифицированной базовой конструкции.

В качестве примера рассмотрим агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ), который представляет собой совокупность технических средств, обеспечивающих автоматизацию измерений и предназначенных для построения на их основе измерительных систем, для примене­ния в составе других комплексов и использования в виде автономных приборов и устройств.

Устройства АСЭТ используются для измерения физических ве­личин электрическими методами и представления получаемой измерительной информации при контроле и управлении технологиче­скими процессами в энергетике, металлургии, химии и других отраслях промышленности, в научных исследованиях, разведочных, испытательных и поверочных работах, в том числе совместно с машинными средствами обработки информации в АСУ ТП.

В АСЭТ входят группы устройств для сбора и преобразования информации, для обработки и хранения информации; для управления и формирования управляющих воздействий, а также некоторые вспомогательные устройства.

Дальнейшим развитием АСЭТ является расширение ее до уровня параметрического ряда каждой из номенклатурных групп устройств. Параметрические ряды основных номенклатурных групп устройств АСЭТ были составлены с учетом перспективной потребности в средствах электроизмерительной техники и тенденции развития этих средств в СНГ и за рубежом.

Принятое в структуре АСЭТ распределение средств по основным группам в некотором смысле условное, так как некоторые средства по своим функциональным признакам могут входить как в одну, так и в другую группу. Например, цифро-аналоговые преобразователи, выполняющие функции преобразования цифровой информации в аналоговую форму, могут быть отнесены не только к устройствам сбора и преобразования информации, но и к устройствам управления и т.д.