Состав АСНИ и уровни автоматизации
ЛЕКЦИЯ 15
Состав АСНИ и уровни автоматизации
В обобщенном виде состав АСНИ можно представить следующей блок-схемой:
Как видно из схемы АСНИ являются многоуровневыми системами, которые включают три обязательных составляющих: 1) объект исследования (или опытную установку), 2) техническое обеспечение, 3) математическое обеспечение. Техническое обеспечение включает систему датчиков, исполнительные устройства (исполнительные механизмы регулирующие органы), устройства связи с центром оперативного управления, роль которого в настоящее время чаще всего исполняет персональная ЭВМ. В некоторых случаях в крупных научных центрах ЦОУ может быть связан с информационно-вычислительным центром, оснащенным большим ЭВМ. Роль ИВЦ в автоматизации научных исследований состоит в соответствующем программном и информационном обеспечении, а также в техническом обеспечении при решении наиболее сложных задач. Математическое обеспечение складывается из информационной базы данных и программ прикладного математического обеспечения, в качестве которых в настоящее время наиболее широко используются библиотеки модулей и пакеты прикладных программ, из которых пользователь выбирает необходимые и составляет из них управляющие программы. Эти составляющие объединяет автоматизируемая методика исследований, которую составляет и реализует в автоматизированном эксперименте оператор – исследователь.
В зависимости от возложенных на входящую в состав АСНИ ЭВМ функций выделяют три уровня автоматизации.
В АСНИ первого уровня автоматизированы сбор, накопление и хранение измерительной информации. Обработка собранной информации на ЭВМ осуществляется в автономном режиме. В АСНИ второго уровня автоматизирован с помощью ЭВМ процесс работы измерительных устройств и осуществляется в режиме реального времени процесс обработки результатов измерений.
В АСНИ третьего уровня ЭВМ осуществляет управление ходом эксперимента и производит обработку измерительной информации.
Принципиальная схема информационных потоков и сигналов управления АСНИ.
В процессе эксперимента измеряется большое количество физических величин: температура, давление, скорость потока, тепловой поток, расход электрический ток и напряжение и т.д. С помощью первичных преобразователей – датчиков осуществляется выработка электрического сигнала измерительной информации зависящая от значения измеряемых величин.
Схема преобразования потоков получаемой информации представлена на рисунке:
При этом получаемые с датчиков аналоговые электрические сигналы в виде постоянного тока, напряжения, изменения сопротивления ,индуктивности , емкости имеют разную природу и уровень, поэтому они в большинстве должны быть преобразованы в унифицированные сигналы в виде постоянного тока или напряжения с регламентированным диапазоном изменения. Это преобразование осуществляется с помощью промежуточных (унифицирующих или нормирующих) преобразователей.
Между датчиками и промежуточными преобразователями в схеме ИИС устанавливается обычно коммутатор, который обеспечивает их поочередное подключение их к преобразователям и ЭВМ. При этом один и тот же комплект устройств расположенных за коммутатором обслуживает большое число датчиков.
Дальнейшее преобразование унифицированного сигнала в цифровой код осуществляется с помощью аналогово–цифровых преобразователей. Цифровая форма сигналов открывает возможность непосредственной обработки их на ЭВМ, а также представления показаниями цифровых индикаторов, печатающих устройств и передачи без искажений на большие расстояния.
ЭВМ производит обработку поступающей информации по программам, входящим в программное обеспечение. Необходимая справочная информация размещается в постоянных запоминающих устройствах ЭВМ в форме базы данных. Одновременно через блок управления и исполнительные устройства. ЭВМ управляет работой экспериментальной установки.
В блоке управления осуществляется цифро-аналоговое преобразование сигналов от ЭВМ их усиление и распределение по соответствующим исполнительным устройствам.
Совокупность технических устройств (преобразователей, коммутаторов, усилителей и т.п.) и правил обмена информацией между составными частями системы называют интерфейсом. Различают системные ,машинные и приборные интерфейсы.
Системный интерфейс охватывает всю систему в целом и решает задачу сопряжения ее составных частей. Машинный интерфейс ввода-вывода обеспечивает совместную работу ЭВМ и периферийных устройств, приборный интерфейс обеспечивает объединение и совместную работу приборов. Любой интерфейс должен обеспечивать информационное (метрологическое и функциональное), энергетическое и конструкционное сопряжение элементов системы.
Интерфейс занимает особое положение в АСНИ, т.к.служит для сопряжения сугубо специализированной экспериментальной установки с универсальными устройствами(ЭВМ, средствами отображения). В этой связи интерфейс в значительной степени определяет гибкость АСНИ (возможность перестройки, замены устаревших блоков и т.д.). Все это определяет характер требований к нему , что реализуется использованием стандартов на интерфейс. Наибольшее распространение к настоящему времени имеют у нас и за рубежом стандарт КАМАК на системный интерфейс и стандарт МЭК на приборный интерфейс.
Общие принципы организации и типовые структуры АСНИ.
К любой АСНИ предъявляется ряд общих требований. Важнейшие из них высокая производительность, надежность, удобство работы с ней, гибкость и универсальность технической части и математического обеспечения и невысокая стоимость.
Для удовлетворения этим требованиям при разработке АСНИ руководствуются определенными принципами:
1. Использование стандартного интерфейса, что позволяет легко заменять устаревшие модули, подключать дополнительные блоки и перестраивать АСНИ в целом.
2. Принцип модульности. Он обеспечивает построения систем разной структуры из стандартных модулей технического обеспечения АСНИ
3. Магистральный принцип организации связи между модулями, что предполагает наличие общей шины (магистрали), к которой подключают отдельные модули и ЭВМ. Наличие общей шины обеспечивает возможность унификации связи между модулями, их программную управляемость, дает возможность подключения новых модулей.
4. Возможность расширения системы. Для обеспечения принципа расширяемости необходимо предусмотреть многоуровневую (иерархическую) структуру АСНИ, на каждом уровне которой возможно решение задач определенного класса.
5. Обеспечение возможности общения с ЭВМ в режиме диалога, что позволяет быстро отладить систему, оперативно скорректировать ход эксперимента…
Выбор структуры АСНИ определяется множеством факторов: местом использования (отдельная установка, лаборатория, крупный научный центр) скоростного протекания исследуемых явлений, числом контролируемых и регулируемых параметров, требуемой точностью измерений, сложностью обработки результатов и т.д.
К типовым структурам АСНИ можно отнести:
1) Узловую структуру, в которой центральной элемент системы С связан радиальными индивидуальными линиями с периферийными элементами Рi
2) Цепочечную структуру, в которой измерительная информация и сигналы управления передаются последовательно от одного элемента к другому
3) Магистральную структуру, в которой все элементы подключаются к общей шине управления и передачи данных
4) Сеточную структуру, в которой элементы расположены в узлах сети
Если сеть имеет форму прямоугольника, ее называют матричной
5) Иерархическую структуру, в которой центральные элементы нижнего (С, С, С) и верхнего (С) уровней образуют узловую (а) или магистральную (б) структуры
(а)
(б)
6) Комбинированную структуру, состоящую из комбинации рассмотренных структур.