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 (ИК_П)

Рассмотрим основные MX, входящие в комплекс для различных ИК АСУ ТП.

Номинальная статическая характеристика преобразования автоматизированных систем f_H(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 f_H(x) проводится как для ИК, состоящих из ИП, соединенных последовательно, так и последовательно параллельно через многофункциональные ИП. На этой основе проводится определение f_H(x) и для более сложных структур.

Номинальное значение однозначной меры автоматизированных систем (Y_H). 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 Y_H, 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.