Технические средства автоматизации испытания

Автоматизация испытаний технически обеспечивается ЭВМ. промышленными приборами и средствами автоматизации, первичными измерительными преобразователями и исполнительными механизмами.

При построении АСИ двигателей помимо конструктивной совместимости ФБ должны учитываться также требования их информационной, эксплуатационной, метрологической и электрической совместимости.

Информационная совместимость заключается в использовании стандартного интерфейса. Конструктивная совместимость предусматривает геометрическую согласованность и сопряжение функциональных блоков и обеспечивается применением унифицированных типовых конструкции. Эксплуатационная совместимость требует единых взаимно непротиворечивых правил на обслуживание, настройку и ремонт технических средств. Метрологическая совместимость позволяет сопоставлять результаты измерений, рассчитывать результирующую погрешность и обоснованно назначать класс приборов. Электрическая совместимость функциональных блоков требует согласованного вида, уровня и мощности сигналов, несущих информацию.

Автоматизированные системы испытаний ГТД технически основываются на трех последовательно расположенных группах устройств Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), образующих типовой измерительно-командный канал. Как следует из типовой схемы АСИ, во-первых, это устройства для получения информации; во-вторых, устройства для приема, преобразования, передачи, обработки, хранения информации и формирования команд управления; в-третьих, это устройства для использования командной информации. В типовой АСИ, ориентированной на испытания двигателей, таких каналов может быть более 2000. Некоторые устройства могут одновременно входить в большое число каналов.

К группе устройств, получающих информацию о состоянии процесса или объекта, относятся измерительные преобразователи и измерительные приборы. Номенклатура первичных преобразователей велика, так как их унификацию ограничивают различные виды измеряемых величин, разные условия эксплуатации даже на одном и том же изделии, специфические требования к классу точности, конструкции и размерам (см. гл. 2).

Характеристики первичных преобразователей в основном определяют метрологические характеристики всей измерительной системы. Поэтому постоянно идет обновление и совершенствование конструкций первичных преобразователей, а также - поиск новых физических эффектов и явлений для создания более точных и простых измерительных преобразователей. Однако потребности АСИ в первичных преобразователях часто пока не удовлетворяют ни по номенклатуре, ни по техническим характеристикам.

Во вторую группу устройств типового измерительно-командного канала АСИ входят мультиплексоры., кодирующие и декодирующие устройства, функциональные и операционные преобразователи, показывающие и регистрирующие приборы, ЭВМ. Иногда все модули второй группы (кроме ЭВМ) называют устройством связи ЭВМ с объектом испытаний. В этом случае они, расположенные последовательно, образуют подсистемы ввода и вывода аналоговых и дискретных сигналов. Таким образом, они являются периферийными (относительно ЭВМ) устройствами. Разберем их, как основных для АСИ, более подробно.

Наиболее известная конструктивно вынесенная из ЭВМ система ввода и вывода сигналов - КАМАК. Это целая систем? модулей, объединенных единым системным интерфейсом (называемым также КАМАК) и едиными конструктивными параметрами - модули помещены в стандартную стойку (крейт), имеющую 24 позиции. Число модулей в настоящее время имеет несколько сотен наименований. Наиболее часто используются следующие.

Мультиплексоры предназначены для задаваемого программой соединения первичных преобразователей с общими для них кодирующим устройством, показывающим, регистрирующим приборами и ЭВМ, а также для фильтрации сигналов. Один мультиплексор может принимать аналоговые сигналы по сотням каналов. Выход у него один.

В преобразователях аналоговый сигнал принимает форму, удобную для последующей обработки. Например, независимо от диапазона изменения входного сигнала -на выходе обеспечивается стандартный сигнал в пределах ± 5 В.

Кодирующие устройства (аналого-цифровые преобразователи) кодируют поступающие от первичного преобразователя, коммутатора и масштабирующего усилителя аналоговые сигналы (параметры электрического тока) в цифровую форму, которая удобна для восприятия информации процессором. Скорость кодирования до 400 тысяч слов в секунду (1,6^.10⁶ байтов или 12,8^.10⁶ двоичных разрядов). Аналогичные параметры и у декодирующих устройств - цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Регистрирующие приборы применяются, когда требуется повышенная точность, а главное - график изменения измеряемой величины на диаграммной ленте. Для этого используются унифицированные вторичные приборы (например, серии КС), позволяющие измерять и регистрировать электрические сигналы от первичных преобразователей температуры, расхода и давления, а также любые унифицированные сигналы; преобразовывать и нормировать сигналы первичных преобразователей для связи с различными устройствами ГСП. Все больший процент общего числа регистрирующих приборов разрабатывается на основе микроэлектронной технологии и больших интегральных схем (БИС) с использованием унифицированной серии газоразрядных, катодно-люминесцентных, светодиодных и жидкокристаллических шкал.

Показывающие приборы представлены в АСИ знакоцифровыми катодно-люминесцентными индикаторами и цифроаналоговыми индикаторами на десятки знакомест. К этой группе приборов относятся также малогабаритные знакографические дисплеи, наиболее удобные для АСИ.

Кроме этих модулей, в КАМАКе используются цифровые регистры для ввода и вывода цифровой информации, модули дополнительной памяти, устройства управления шаговыми двигателями, счетчики событии и др.

Выбирая из нескольких сотен модулей КАМАК, можно в одном или нескольких крейтах собрать любую АСИ. Каждый крейт КАМАК соединяется с ЭВМ контроллером, формирующим команды для организации обмена данными между любыми функциональными блоками. Контроллер выпускается для каждого типа вычислительной машины. Модули, объединенные системным интерфейсом КАМАК, могут работать и без участия внешней управляющей ЭВМ. В этом случае они управляются контроллером, содержащим микропроцессор.

Программирование системы КАМАК осуществляется на следующих принципах: каждый крейт и каждая позиция в крейте имеют номер; имеются специальные линии данных и коды функций.

В математическом обеспечении ЭВМ имеется, например, подпрограмма САМАС (N crate, N station, code, function, data), где ее параметры соответственно следующие: номер крейта, номер позиции в крейте, код выполняемой операции, тип операции (запись или чтение) и собственно число, получаемое в результате данной операции. Пусть в крейте 1 в позиции 10 установлен модуль АЦП, который считывает данные по коду 16, при этом в параметре function должен быть ноль. Тогда, вызвав подпрограмму CALL САМАС (1, 10, 16, 0, I date), осуществим считывание значения напряжения, подаваемого на этот АЦП, и полученное число занесется в переменную I date. Для программирования системы КАМАК используются специальные языки. Наиболее распространен диалект Бейсика - Квейсик.

Основные недостатки системы КАМАК состоят в следующем: большие габаритные размеры, высокая цена модулей, относительно низкая их надежность и трудности их приобретения. Однако благодаря гибкой структуре КАМАК, ее универсальности, наличию контроллеров к различным типам ЭВМ (в том числе и ПЭВМ) система КАМАК, по-видимому, еще достаточно долго сохранится в качестве одного из основных инструментов АСИ, тем более, что системный интерфейс КАМАК принят международным стандартом для построения ИВК. КАМАК постоянно совершенствуется. Создаются системы, по модульному принципу напоминающие КАМАК, но имеющие меньшие стоимость, размеры и более высокие технические характеристики, например Lab Link.

Отечественной промышленностью выпускаются типовые ИВК (от ИВК-1 до ИВК-16, ИВК-М и др.). Комплекс ИВК-7 ориентирован, например, на испытания паровых турбин, комплекс ИВК-8 - на стендовые испытания двигателей.

На рис. 9.2 показана многоуровневая схема ИВК. объединяющая структуры всех существующих современных измерительно-вычислительных комплексов.

В общем случае в ИВК одновременно может использоваться любое сочетание машинных, системных, приборных интерфейсов с магистральной организацией шин, объединенное устройствами сопряжения.

Поясним упоминаемые впервые специальные термины. Знание их позволит более профессионально подходить к работе с АСИ.

Рис. 9.2. Обобщенная структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

Машинные интерфейсы используются при организации ЭВМ и подключают все периферийные устройства (ПУ) к центральному процессору ЭВМ для обработки данных. Машинный интерфейс является составным звеном понятия «архитектура системы ввода-вывода ЭВМ».

Примером является интерфейс, например, IBM 360/370 или «Общая шина» (ОШ). Последний организует взаимодействия ПУ в СМ ЭВМ. В интерфейсе ОШ любой функциональный блок, передающий информацию, управляет магистралью, которую он получает в свое распоряжение на определенное время. Функциональный блок, принимающий информацию, является исполнителем. Поэтому этот принцип организации взаимодействия позволяет обмениваться данными между парой функциональных блоков без привлечения процессора и памяти.

Конструктивно ОШ является унифицированной магистралью (кабелем), состоящей из 56 линий связи с раздельными шинами для информационных, адресных и управляющих сигналов и оканчивающейся с обоих концов интерфейсными разъемами. Максимальная длина кабеля ОШ, к которому одновременно могут подключаться до 20 ФБ, - 15 м. Магистраль ОШ может увеличиваться расширителями, каждый из которых увеличивает длину магистрали на 15 м, а число ФБ - на 18. Соединение интерфейса с СМ ЭВМ осуществляется стандартными разъемами.

Приборные интерфейсы максимально независимы от ЭВМ. Они объединяют в единую систему приборы, которые могут работать автономно и характеризуются большими функциональными возможностями. Такие интерфейсы, как НР-Ш, IMS-1, IMS-2, позволяют сопрягать программируемые и непрограммируемые независимо изготовленные приборы в единую измерительную систему. Приборный интерфейс удобен тем, что позволяет даже из непрограммируемых приборов, не подготовленных для совместной работы, создавать измерительные системы, используя устройства сопряжения - интерфейсные платы и микроЭВМ в качестве контроллера. Интерфейсная плата, на которой установлен унифицированный разъем, снабжен регистрами для записи информации от прибора, дешифратором адреса и устройством формирования управляющих и служебных сигналов. Длина магистрали приборного интерфейса 20 м. К ней можно подключить до 15 устройств. Расширители магистрали позволяют увеличить их число до 500. Приборный интерфейс используется в серийном отечественном комплексе ИВК-М, предназначенном для метрологических испытаний.

При построении ИВК возможно применять радиальное соединение ФБ (индивидуальная система шин). В этом случае ФБ - источник данных - соединяется одновременно с несколькими ФБ - приемниками данных и контроллером отдельными (индивидуальными) линиями связи. Радиальное соединение ФБ приводит к высокой надежности АСИ и позволяет просто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуемого ФБ. Недостатком являются большая длина соединительных линий и сложность контроллера - блока управления (который формирует команды, организующие обмен данными между другими ФБ).

Магистральное соединение (система коллективных шин) осуществляется параллельным подключением всех ФБ к одной общей линии (магистрали, коллективной шине). Магистральная структура предусматривает более сложные правила, организующие обмен данными, чем радиальная. Использование магистральной системы шин упрощает системное оборудование, позволяет легко наращивать систему, дает возможность одновременной работы нескольких ФБ - приемников информации, позволяет непосредственный обмен данными между любой парой ФБ. Недостатком этого способа организации шин интерфейса является малая в настоящее время надежность.

Для уменьшения недостатков обоих способов соединения ФБ применяют комбинированную систему из индивидуальных и коллективных шин. Для увеличения быстродействия при адресации и идентификации используют индивидуальные линии связи, а для передачи данных - магистраль.

К магистрали приборного интерфейса (см. рис. 9.2) подсоединяются измерительные блоки ФБ₁,..., ФБ_n - (коммутаторы, АЦП, цифровые вольтметры, калибраторы, средства отображения информации) с помощью внешних и встроенных интерфейсных плат ИП₁, …, ИП_n, осуществляющих сопряжение технических средств с магистралью. Измерительные блоки (блоки - источники данных) связаны, с другой стороны, с первичными преобразователями Д «р», Д «Т», Д «n» - давления, температуры, частоты вращения и т.д.

К приборному интерфейсу могут подсоединяться и средства измерений, имеющие встроенный микропроцессор и микроЭВМ, осуществляющие обработку информации и управление измерениями. Такие приборы имеют свой собственный внутриприборный интерфейс, связывающий ФБ₁,..., ФБ_m, подключающийся к приборному интерфейсу через специализированный контроллер К_m. Приборная магистраль с помощью группового контроллера К_г связывается с машинным интерфейсом, являющимся магистралью более высокого уровня. К машинному интерфейсу ЭВМ могут подключаться и измерительные устройства ФБ₁,..., ФБ_k, основанные на использовании системных интерфейсов (например, КАМАК). Системный и машинный интерфейсы связаны контроллером К_с. Машинный интерфейс может увеличиваться с помощью расширителя магистрали (РМ) для задействования в ИВК функциональных блоков ФБ₁,..., ФБ_l в которые встроены микропроцессоры, автономно собирающих данные эксперимента.

Появление и развитие ПЭВМ позволяет реализовать альтернативный КАМАКу подход к созданию АСИ, связанный с разработкой специализированных устройств для ввода и вывода данных непосредственно на шину ЭВМ (машинный интерфейс) без промежуточных устройств. Этот подход становится возможным в связи с развитием современной элементной базы: БИС, транспьютеров, однокристальных ЭВМ.

Преимущества непосредственной связи устройств ввода - вывода с ПЭВМ - повышение эффективности работы АСИ, большая простота программирования, компактность и дешевизна системы - позволяют использовать эту технологию для проблемно-ориентированных автоматизированных рабочих мест инженера-исследователя и испытательного стенда.

Для реализации практически всех стандартных функций АСИ достаточно вставить в ПЭВМ небольшую стандартную плату и использовать прилагаемое к ней стандартное математическое обеспечение. Конечно, это уменьшает универсальность системы, однако выпускаемые модульные платы имеют посадочные позиции, допускающие переконфигурацию системы. Например, на плате, вставляемой в ПЭВМ, имеются стандартные посадочные позиции, в которые можно вставлять унифицированные модули (ЦАП, АЦП, мультиплексоры и др.). Выпускается и множество разных проблемно-ориентированных плат автоматизации: ШМ DATA Acquisition, Metra Byte, Data Translation, Lab Master; для ПЭВМ ЕС1840 - EB48, CM607 и др. В платах общего назначения обычно предусмотрены возможности для решения основных операций автоматизации (см. разд. 9.2). Например, типичная плата для целей АСИ состоит из 8...256 каналов аналого-цифрового преобразования со скоростью кодирования от 30 до 100 тысяч 12-ти битовых слов в секунду; 2...8 каналов цифроаналогового преобразования; 2...8 каналов 24-битных цифровых регистров ввода - вывода; пяти 16-битных таймеров. В этих платах имеется возможность выбирать Программируемый коэффициент усиления, изменять диапазон входных напряжений, задействовать счетчики событий и др.

Как и для КАМАКа, упомянем очень кратко структуру типичного программного обеспечения стандартной платы АСИ для ПЭВМ.

Для наиболее частых операций существует пакет программ, например, процедур аналого-цифрового преобразования:

- ADIN (channel, result) - по этой процедуре в программу записывается значение напряжения result, прочитанное в канале номер channel;

- ADC (channel, interval, data, length, background) - по этой процедуре начинается аналого-цифровое преобразование по каналу channel (или по заранее заданному массиву каналов) через интервалы времени interval, и всего записывается число экспериментальных точек length в массив data: если background=1, то считывание экспериментальных данных будет происходить без задержки выполнения следующих операторов программы, при background=0 выполнение дальнейших операций задерживается до тех пор, пока не закончится операция считывания;

- ADCZERO (channel, threshold, data, length, interval) - считывание экспериментальных значений начинается по каналу channel после превышения входным напряжением порога threshold;

- имеются и многочисленные другие процедуры, например усреднение экспериментальных данных, определение числа пересечений напряжением заданного уровня, установка коэффициентов усиления по заданным каналам, подсчет времени между двумя последовательно обнаруженными пиками в экспериментальном сигнале или пересечениями заданного уровня напряжения и др. Их общее число в пакете АЦП превышает 20, однако в подавляющем большинстве случаев необходимы два-три.

Наиболее часто используются следующие процедуры таймирования:

- PAUSE (timeout) - задерживает выполнение программы на время timeout;

- STARTTIMER (timer) - запускается отсчет времени заданного таймера;

- TIMEREAD (timer, elapsed) - считывается прошедшее время в переменную elapsed.

Похожие процедуры имеются и для остальных типовых операций АСИ. Видно, что типовые процедуры стандартной платы ПЭВМ для АСИ дают очень широкие возможности по считыванию экспериментальных сигналов и управлению внешними устройствами.

Итак, нами рассмотрено второе, основное звено командно-измерительного канала АСИ. Понятно, что первые два звена командно-измерительного канала АСИ - устройства для получения информации и устройства для ее приема, преобразования, передачи, обработки и хранения - образуют канал измерительно-вычислительного комплекса. ИВК. таким образом, можно назвать основной, главной частью АСИ.

Третья группа устройств измерительно-командного канала АСИ - устройства использования командной информации. Это малогабаритные исполнительные механизмы электромеханического типа, реализующие сигналы обратной связи. Типовой исполнительный механизм имеет модульную конструкцию, массу 0,2...0,25 кг и обеспечивает крутящий момент на выходном валу 1,2 Н^.м. Используются различные варианты механического сопряжения исполнительного механизма с регулирующими элементами агрегатов ГТД.

В АСИ обязательно должны быть исполнительные механизмы и средства автоматизации операций управления стендовыми системами.

В качестве регулируемых органов используются поворотные створки в шахтах, заслонки с электроприводом в топливных магистралях стенда и в трубопроводах отбора воздуха от ГТД, электрогидравлические клапаны в масляной, гидравлической и топливной системах. Элементы стендовых систем управляются специализированными функциональными блоками АСИ.

Отметим, что АСИ на базе современных ПЭВМ типа IBM PC AT имеют практически неисчерпаемые возможности. Программы для АСИ, записанные на основе процедур, подобных приведенным выше и обеспечивающих ввод и вывод аналоговой и цифровой информации в ПЭВМ, совместно с современными математическими моделями исследуемых объектов, базами данных и экспертными системами могут решать любые задачи, например, такие, которые характеризуются многопараметричностью входов и выходов, высокой скоростью протекания процессов и большими объемами экспериментальных данных.

Date: 2016-01-20; view: 636; Нарушение авторских прав