При построении ИИС необходимо понимать, что её структура напрямую зависит от информационных потоков, с которыми мы стремимся работать. Если рассматривать физическую реализацию этой схемы (рис. 1), то можно выделить следующие блоки устройств, необходимых для её функционирования:
1. Комплекс датчиков и преобразователей. Основное назначение — фиксация измеряемой величины и её предварительная обработка. Чаще всего она заключается в преобразовании аналоговой величины в цифровую.
2. Исполнительные механизмы — устройства, позволяющие оказать непосредственное воздействие на исследуемый процесс, к ним прежде всего относятся асинхронные двигатели, насосное оборудование и пр.
3. Микропроцессорный блок — включает в себя устройства, позволяющие хранить, преобразовывать, анализировать, передавать информацию по каналам связи. Все перечисленные элементы образуют так называемую архитектуру ИИС. Архитектура ИИС — это концепция, определяющая модель, структуру, выполняемые функции и взаимосвязь компонентов ИИС.
Архитектура, используемая при построении ИИС, прежде всего определяет поведение системы в рабочем режиме. Для реализации поведения необходимо уточнить форму взаимодействия между отдельными элементами системы. В нашем случае мы будем рассматривать реализацию этого этапа посредством протоколов обмена и интерфейса системы. Однако не стоит забывать, что принятая к реализации архитектура ИИС — это всегда компромисс между «хочу» и «могу», а если говорить более обширно, то компромисс между требованиями заказчика, контрольными точками технологического процесса, стоимостью всей системы и ещё многими факторами. Таким образом, реализуемая ИИС должна удовлетворять основным требованиям, но не может выполнять их все. В настоящее время архитектуру ИИС предлагается разрабатывать с учётом принципов, положенных в основу построения персональных компьютеров. Их использование позволяет провести интеграцию микропроцессорных систем в большую информационную систему. Принципы построения ИИС:
1. Многоканальная обработка информации — использование такой структуры позволяет прежде всего ускорить обработку измерительной информации и снизить время отзыва системы на внешнее воздействие, что особенно актуально для аварийных ситуаций.
2. Микропроцессорная и микроконтроллерная организация ИИС имеет определяющее значение, так как для обработки больших массивов информации использование других технических средств не корректно.
3. Организация сетевого протокола обмена информацией по внешнему каналу позволяет срастить несколько отдельных групп измерительных приборов в единую информационную сеть.
4. Обеспечение требуемых метрологических характеристик ИИС. Любая информация, получаемая посредством ИИС, должна быть прежде всего достоверна. Для обеспечения достоверности используется метрологический контроль над характеристиками как отдельных элементов системы, так и для каналов.
5. Программируемость архитектуры ИИС. Её структура должна отвечать не только стоящим задачам в настоящий момент времени, но и должна иметь возможность изменяться для реализации задач в будущем.
Мы привели всего несколько принципов, использование которых необходимо для правильного построения ИИС с требуемыми на выходе параметрами, в действительности их гораздо больше, и их применение должно быть обосновано задачами, реализуемыми ИИС. Работа с информационным потоком по каналам ИИС формируется исходя из следующих положений:
1. Опрос контрольных точек. В соответствии с заложенным программным обеспечением задаётся порядок опроса контрольных точек. Приоритет расставляется исходя из важности показателя.
2. Подготовка измерительной информации для дальнейшего использования. В основном она сводится к преобразованию аналоговой величины в цифровую. В настоящее время большинство датчиков имеют встроенный блок АЦП.
3. Контроль граничных значений измеряемой величины. Чаще всего для контроля интересующего параметра задается минимальное и максимальное значение. Это обусловлено вероятностью возникновения аварийной ситуации при выходе за их пределы, для контроля предусматривается какой-либо вид уведомления оператора (звуковой, при помощи цвета и др.).
4. Сравнение измеряемой величины с эталонным значением. Чаще всего служит для обеспечения метрологического контроля. В большинство ИИС встроен контур автоматической поверки на соблюдение метрологических показателей системы, в состав которого входят эталонные блоки.
5. Отбор результатов измерения по критериям. Отбор проводится для выделения значимой группы результатов измерений, отсечения результатов, вызывающих подозрение, выделение группы результатов согласно контрольным параметрам.
6. Протоколирование результатов по критериям. Выделенная группа измерений формируется для оператора в читаемом виде, с учётом динамики исследуемого процесса.
7. Формирование аварийных сигналов. Обязательный элемент любой информационно измерительной системы, основное назначение — это контроль над критическими показателями технологического процесса.
8. Формирование управляющих сигналов. Так как в настоящее время информационно измерительная техника, фактически является одним из элементов АСУ ТП, то полученный сигнал измерительной информации может быть использован после предварительной обработки и как управляющий для исполнительного механизма.
Ещё одним понятием, характеризующим проектирование ИИС, можно считать качество, это прежде всего соответствие полученного результата ожиданиям заказчика, то есть при работе над техническим заданием необходимо чётко оговорить контрольные показатели, которые необходимо реализовать в проектируемой информационно-измерительной системе, или автоматизированной системе управления. Состояние этих показателей и станет контрольными точками качества проектирования. Что же включается в понятие качества? Это прежде всего ответ на ряд вопросов:
1. Справляется ли система с поставленными задачами?
2. Какие показатели надёжности она имеет?
3. Удобна ли она в эксплуатации и обслуживании?
4. Легко ли сочетается с другими системами?
5. Насколько легко она может быть модернизирована?
Ответы на эти вопросы позволяют сказать, достаточно ли качественно спроектирована ИИС и выполняет ли она в достаточном объёме контрольные показатели, описанные в техническом задании. Качество работы проектируемых ИИС оценивается по нескольким показателям и должно строго следовать ряду стандартов, принятых в этой области, например, при проектировании программного обеспечения необходимо опираться на ГОСТ 28195-89, общая структура разрабатывается с учётом Р 50.1.028-2001 ит. д.
Чаще всего при проектировании применяется следующая структура (рис. 2). Проектирование и разработка информационно-измерительных систем начинается с момента встречи заказчика и разработчика. В этот момент заказчик должен понимать, что проектирование системы — процесс, открытый во времени, и может никогда не закончиться ввиду его постоянной трансформации.
Проектирование начинается с составления технического задания, в котором оговариваются сроки проектирования, целевые показатели системы, согласуется содержание отчётности системы. Также в обязательном порядке оговаривается порядок финансирования и оформляется договор. Оговаривается рабочая группа и роли участников как со стороны заказчика, так и со стороны разработчика. После согласования с заказчиком техническое задание поступает в работу. На этом этапе желательно не идти на поводу у заказчика и не вносить дополнительные изменения в техническое задание, его доработка приведёт к излишнему усложнению системы.
От того насколько качественно выполнен следующий этап, сбор требований, будет зависеть качество выполненной ИИС. На этом этапе проводится полный сбор информации о состоянии технологического процесса, контрольных точках и пр. Итогом этого этапа должно быть чёткое представление о том, какие контрольные параметры характеризуют данный процесс, их минимальные, максимальные и действующие характеристики. Оценивается важность показателей с точки зрения аварийности и безопасности. Кроме этого, определяется состав технической документации, формируемый по результатам проектирования. В итоге проводится детализация технического задания с учётом собранного материала.
При проектировании для ИИС разрабатываются сценарии работы, архитектура проектируемой системы, сценарии интегрирования с уже существующими системами. К создаваемой ИИС формируется концепция допусков персонала, и концепция его обучения правильной работе.
На основании определённой номенклатуры документов, на территории разработчика (или заказчика, что встречается реже) реализуется моделирование ИИС и в дальнейшем при благоприятном исходе испытаний формируется блок сопроводительной документации. На основании полученных результатов производится подготовка к эксплуатации на территории заказчика. На этом этапе проводится монтаж и настройка системы, приемо-сдаточные испытания. К моменту окончания этих работ должен быть сформирован регламент работы системы. По результатам этапа подписывается акт выполненных работ.
Эксплуатация ИИС осуществляется согласно разработанной документации. На этом этапе желательно сопровождение разработчиком работы ИИС, особенно в начальный момент времени. Разработчик донастраивает выполненную систему и проводит контроль правильности работы, также устраняет неисправности в течении гарантийного периода.
Как и любая техническая система, ИИС с течением времени устаревает как морально, так и материально, следовательно, для поддержания её работоспособности необходимо проводить периодическую модернизацию системы или программного обеспечения. Для этой цели заключается дополнительный договор с разработчиком или иным лицом.
Таким образом, при реализации такого жизненного цикла мы получаем работоспособную ИИС, которая будет контролировать технологический процесс на основании параметров, установленных заказчиком.
Источник: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И АСУ ТП. О. А. Пустовал, Е. А. Пустовой