О методике выбора метрологических характеристик измерительных каналов автоматизированных систем управления
Одним из необходимых условий обеспечения высокой точности и достоверности при выполнении измерительно-информационных, вычислительных и управляющих функций в АСУ ТП является обоснованный выбор комплекса нормируемых метрологические характеристики систем автоматического управления и показателей точности для всех звеньев системы, осуществляющих измерительные функции, и для системы в целом. Выбор MX измерительных каналов (ИК) АСУ ТП является ответственной и трудоемкой операцией, позволяющей оценить в дальнейшем погрешности измерений ИК АСУ ТП в известных (рабочих) условиях эксплуатации. Комплекс MX устанавливается ГОСТ 8.009—72 и ГОСТ 23222—78. В Институте автоматики (Киев) разработана отраслевая методика Мин прибора — РТМ 25.358—79, облегчающая и регламентирующая процедуру выбора MX.
Методика позволяет выбрать наиболее полный комплекс MX на ранних стадиях разработки АСУ ТП. Конкретные метрологические характеристики систем автоматического управления средств измерений и технических средств, входящих в систему, берутся из технической документации. При невозможности определить MX вновь разрабатываемых технических средств они выбираются из числа предполагаемых либо по аналогу.
Выбор комплекса MX в методике алгоритмизирован, что позволяет исключить разночтения при ее использовании. Применяемый алгоритм основан на взаимосвязи метрологических характеристик и некоторых классификационных метрологических признаков, выработанных на основе анализа условий применения разрабатываемых систем и входящих в их состав технических средств. Процедура выбора комплекса метрологических характеристик систем автоматического управления предусматривает использование графов и таблицы, а также предварительный анализ структурной функциональной схемы ИК и сводится к трем операциям с тремя видами графического материала:
- приведению функциональной схемы ИК АСУ ТП к унифицированному с точки зрения преобразования измерительной информации виду;
- определению из обобщенных структурных схем ИК АСУ ТП, той ветви древовидной структуры, заканчивающейся условным номером, которая соответствует этой функциональной схеме;
При построении и анализе функциональных схем ИК АСУ ТП для последующего выбора их комплексов MX следует иметь в виду, что комплекс метрологических характеристик систем автоматического управления конкретного ИК АСУ ТП определяется рядом ключевых блоков, входящих в состав ИК. Прежде всего это первичный измерительный преобразователь- датчик (ПП), превращающий измеряемую величину, характеризующую технологический процесс, в сигнал, пригодный для обработки. При этом информация может поступать с ПП в виде аналогового сигнала либо в виде цифрового кода. Далее информация аналогового вида может быть преобразована аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код и дальнейшая обработка будет осуществляться в цифровом виде.
Блок АЦП является вторым ключевым преобразователем. В большинстве случаев регулирующие устройства являются аналоговыми и обработанный цифровой код с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) преобразуется в аналоговый сигнал, поэтому ЦАП является еще одним ключевым блоком ИК. Все преобразователи, осуществляющие преобразование сигнала в аналоговом виде при анализе функциональных схем, условно следует объединить в аналоговый преобразователь (АП) ввиду подобия их MX и наличия хорошо разработанных методик их определения. Преобразователи информации в цифровом виде, как правило, сигнал не искажают, за исключением потери информации вследствие уменьшения количества разрядов для представления цифрового кода или неточности алгоритма, что больше относится к ЭВМ, чем к ИК АСУ ТП. Поэтому все цифровые преобразователи информации условно объединяют в функциональной схеме в один блок дискретных преобразователей. Из анализа условий эксплуатации (УЭ) определяются нормальные (Н) или рабочие (Р) условия работы ИК АСУ ТП.
Таким образом, методика выбора MX ИК распространяется на АСУ ТП, у которых ИК состоят из последовательно соединенных технических средств, в том числе измерительных преобразователей (ИП) с нормированными MX, приведенными в технической документаций на ИП. Кроме того, для упрощения процедуры выбора метрологических характеристик систем автоматического управления устанавливается следующее:
- ИП с аналоговыми входными и выходными сигналами интерпретируются как АП;
- ИП, имеющий на входе аналоговую, а на выходе цифровую информацию, интерпретируется как ИП АЦП;
- ИП, имеющий на входе цифровую информацию, а на выходе аналоговую интерпретируются как ИП ЦАП;
- датчик ПП по виду выходного сигнала может быть отнесен к дискретным или аналого-дискретным ИП;
- средства вычислительной техники и преобразователи кода в код в составе ИК интерпретируются как преобразователи кода (ПК);
- ИК, предназначенный для измерения одного, наперед заданного значения измеряемого параметра, интерпретируется как пороговый ИК (ИКП)
Рассмотрим основные MX, входящие в комплекс для различных ИК АСУ ТП.
Номинальная статическая характеристика преобразования автоматизированных систем fH(x).
Отклонения закона действительного преобразования от закона, заданного номинальной статической характеристикой, и вызванные соответственно этим отклонениям изменения выходного сигнала интерпретируются как погрешность ИК. Нормирование номинальной статической характеристики позволяет оценивать погрешность ИК при его экспериментальном исследовании. Нормирование номинальной статической характеристики допускается в виде формулы, графика, таблицы. Определение fH(x) проводится как для ИК, состоящих из ИП, соединенных последовательно, так и последовательно параллельно через многофункциональные ИП. На этой основе проводится определение fH(x) и для более сложных структур.
Номинальное значение однозначной меры автоматизированных систем (YH). К однозначным мерам в составе АСУ ТП можно отнести задающие устройства, катушки сопротивления измерительные, нормальные элементы и тому подобные, а также ИК, выполняющие функции сравнения с однозначной мерой, т. е. настроенные или настраиваемые на измерение одного, наперед заданного значения технологического параметра, и передающие информацию только в момент достижения этим технологическим параметром заданного значения. Такие ИК применяются для сигнализации о возможном аварийном режиме (например, измерение температуры подшипников турбин и сигнализация превышении допустимой величины температуры), об определении граничных значений при перемещении движущихся частей оборудования, уровня заполнения емкости. Отличительной особенностью таких ИК является передача не собственно измерительной информации, а сигналов типа «да-нет». Поэтому для таких ИК необходимо назначать номинальное значение входящей в его состав однозначной меры или диапазон ее изменения, а не номинальную статическую характеристику.
Номинальное значение однозначной меры автоматизированных систем назначается в виде именованного числа в единицах измеряемого технологического параметра, а для ИК, для которых номинальное значение однозначной меры нормируется вместо номинальной статической характеристики, — в единицах входной величины ИК.
Цена деления равномерной шкалы или многозначной меры автоматизированных систем, минимальная цена деления неравномерной шкалы или многозначной меры автоматизированных систем (ЦДШ) обычно назначается для ИК, оконечным ИП которых является аналоговый измерительный или показывающий прибор, и выражается числом в единицах измеряемого технологического параметра.
Выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда выходного кода ИК (ВК) систем управления технологическими процессами. Эта метрологическая характеристика систем автоматического управления назначается в том случае, если результаты измерений, полученные с помощью ИК, представляются в виде цифрового кода, предназначенного для отображения (регистрации) либо для дальнейших преобразований в управляющей части АСУ ТП. Выходной код должен соответствовать ГОСТ 12.814—74.
Характеристика систематической составляющей погрешности ИК систем управления технологическими процессами. Если эта составляющая погрешности детерминирована, то ее исключают введением поправки. Если из проведенных ранее исследований или предварительных расчетов известно, что некоторая составляющая погрешности постоянна или закономерно изменяется, но ее значение неизвестно, а известны лишь некоторые пределы, в которых это значение может находиться, то учитывать указанную погрешность можно только как случайную величину. Оценкой систематической составляющей погрешности можно считать первый момент распределения — математическое ожидание. Выбирать для описания можно либо предел допускаемого значения, либо математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение систематической составляющей. Последние два значения для ИК АСУ ТП являются характеристиками справочными.
Характеристика случайной составляющей погрешности ИК (А) систем управления технологическими процессами.
Обычно назначается предел допускаемого значения среднеквадратического отклонения случайной составляющей погрешности ИК либо нормализованная автокорреляционная функция, либо спектральная плотность случайной составляющей погрешности ИК. Для ИК АСУ ТП нормализованная автокорреляционная функция и спектральная плотность являются справочными характеристиками.
Характеристика погрешности систем автоматизации. Погрешность ИК программируемых логических контроллеров (ПЛК) определяется как основная погрешность, если она назначается для нормальных условий эксплуатации, или как погрешность ИК, если она назначается для рабочих условий. Следует иметь в виду, что погрешность ИК является интегральной характеристикой, включающей все виды составляющих (статическую, вариацию и т. п.), и нормируется, как правило, тогда, когда нет необходимости или невозможно разделить ее на систематическую и случайную составляющие. Погрешность выражается обычно либо пределом допускаемого значения, либо математическим ожиданием и средним квадратическим отклонением погрешности. В случаях, когда это необходимо, можно задавать вероятность попадания погрешности в пределы допускаемого значения. Предусматривается, что случайную составляющую погрешности ИК АСУ ТП не нормируют, если ее размах не превышает 20 % от систематической составляющей либо 20 % допускаемого значения погрешности для систем с аналоговым сигналом, но не заканчивающихся измерительным прибором. Когда указанный размах оценить невозможно, можно не назначать, если она не превышает младшего разряда цифрового кода для ИК с цифровым выходом либо одного деления именований шкалы прибора, являющегося оконечным ИП ИК.
Вариация выходного сигнала ИК систем автоматизации — нормируется пределом допускаемого значения и только при возможности расчетного определения, а также если она назначена для оконечного ИП данного ИК. Если вариация не превышает 20 % допускаемого значения систематической составляющей погрешности или 20 % допускаемого значения погрешности для ИК с аналоговым принципом измерения, но не заканчивающегося измерительным прибором, а также, если вариация не превышает половины одного деления шкалы для ИК с аналоговым принципом измерения, но не заканчивающегося измерительным прибором, или, если она не превышает младшего разряда цифрового кода для ИК с цифровым принципом измерения, то ее допускается не нормировать.
Входной и выходной импедансы ИК систем автоматизации нормируются номинальными значениями и предельно допускаемыми отклонениями от номинального значения либо только предельно допускаемыми отклонениями от номинального значения. Кроме того, выходной импеданс не нормируется для ИК, заканчивающихся показывающим или регистрирующим прибором.
Динамические характеристики ИК систем автоматизации можно пронормировать, используя:
- функции связи между изменившимися во времени входными и выходными сигналами (передаточная функция, импульсная весовая функция, переходная характеристика и т. п.), а также номинальные значения и наибольшие допускаемые отклонения от номинальных значений коэффициентов указанных функций связи;
- графики (таблицы) номинальных амплитудно- и фазово-частотных характеристик и наибольшие допускаемые отклонения от номинальных характеристик;
- время установления показаний;
- допускаемое время запаздывания результата измерения;
- номинальное значение частоты (периода) обновления результата измерения и предельно допускаемого отклонения от номинального значения.
Неинформативные параметры выходного сигнала ИК (НП) систем промышленной автоматизации служат для оценки возможности совместной работы ИК с остальными техническими средствами АСУ ТП и нормируются, как правило, своими номинальными значениями и предельно допускаемыми отклонениями от номинальных значений.
Функции влияния систем промышленной автоматизации, как правило, назначаются, если изменение MX, вызванное изменением влияющих величин в пределах рабочих условий эксплуатации, превышает 20 % предела нормированного значения MX в нормальных условиях. Если MX нормируются для рабочих условий эксплуатации, то функция влияния для этих MX не нормируются. Зависимости записываются для каждого влияющего фактора. Если функция влияния одного из факторов существенно зависит от других факторов, то ее необходимо нормировать для совместных изменений всех влияющих факторов. Кроме этого, назначаются наибольшие допускаемые изменения метрологических характеристик систем автоматического управления ИК, вызванные изменением внешних влияющих величин, а также характеристики погрешности ИК в интервале влияющей величины или информативного параметра входного сигнала.
Методика предусматривает также случаи, когда метрологические характеристики систем автоматического управления могут не нормироваться, если выполняются условия, при которых они не должны назначаться. Кроме того, такая MX, как YH, включается в комплекс только при наличии в ИК порогового устройства. Применение методик рассмотрим на примерной функциональной схеме ИК АСУ ТП
Условия эксплуатации канала систем промышленной автоматизации — рабочие, а преобразователь кода ПК не имеет потерь информации. Согласно структурной схеме программируемых логических контроллеров (ПЛК): выход ПП — аналоговый; есть АЦП; есть промежуточные аналоговые преобразователи (Y1 и У2); есть ЦАП; нет потерь информации; информация выдается в систему управления. Этой структурной схеме соответствует 30-й комплекс MX.
Численные значения и конкретный вид функциональных зависимостей систем промышленной автоматизации, характеризующих отдельные метрологические характеристики систем автоматического управления, определяются различными расчетными методами, методами имитационного моделирования, а также экспериментальными методами, которые являются наиболее достоверными.
Эти методы практически применимы на всех стадиях создания АСУ ТП. Основополагающими документами, регламентирующими расчет и экспериментальное определение MX ИК, являются РТМ 25.144—74, а также отраслевые РТМ Минприбора и других министерств.