Автоматизированная система адаптивной идентификации микропроцессорных измерительных преобразователей давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Голь, Станислав Артурович

• Голь, Станислав Артурович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Голь, Станислав Артурович

Оглавление.

Список использованных сокращений.

Список обозначений.

Введение.

Глава 1. Предметная область и современное состояние проблемы измерения давления.

§1.1. Структурная схема измерения.

§ 1.2. Обобщенная схема ИП.

§ 1.3. Методы и средства измерения давления.

§ 1.4. Современные схемотехнические решения компенсации погрешностей ИП.

§ 1.5. Способ компенсации погрешностей ИП следящего уравновешивания на основе функциональной коррекции.

§ 1.6. Основные задачи исследований.

Глава 2. Градуировка микропроцессорных ИП и ее автоматизация.

§ 2.1. Варианты структурных схем микропроцессорных ИП.

§ 2.2. Модель корректирующей функции и ее назначение.

§ 2.3. Метод адаптивной идентификации параметров модели корректирующей функции.

§ 2.4. Исследование устойчивости процесса адаптивной идентификации параметров.

§ 2.5. Выводы.

Глава 3. Сокращение времени градуировки микропроцессорных ИП.

§ 3.1. Анализ известных решений.

§ 3.2. Сокращение градуировочных экспериментов на основе аппарата

§ 3.3. Выбор структурных параметров ИНС и ее обучение.

§ 3.4. Оптимальное управление температурным режимом ИП при градуировке.

§ 3.5. Выводы.

Глава 4. Аппаратно-программные средства автоматизированной системы градуировки, юстировки и поверки микропроцессорных ИП.

§ 4.1. Аппаратные средства.

§ 4.2. Программные средства.

§ 4.3. Библиотека классов ИНС прямой передачи сигнала.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная система адаптивной идентификации микропроцессорных измерительных преобразователей давления»

Актуальность темы.

Безудержная глобализация рынков на современном этапе развития мировой экономики постоянно усиливает международную конкурентную борьбу. Для достижения преимущества в конкуренции нашей стране, находящейся на пути экономического развития, необходима интенсификация высокотехнологичного производства, снижение его издержек без ущерба для качества продукции в немалой степени за счет совершенствования имеющихся и создания новых технологических процессов и материалов.

В современном мире усложнение технологических циклов, автоматизация процессов управления, контроля, диагностирования, обеспечение высочайшей надежности и эффективного применения сложных технических систем требует получения точной, достоверной и своевременной информации. Это оттенило роль измерений (особенно динамических) как на производстве, так и в научном эксперименте, что вызвало резкий рост потребности в датчиках для одновременного измерения самых разнообразных физических величин и параметров. Например, по данным [47, 74] в 1985 г. на мировом рынке было продано датчиков на сумму около 1,2 млрд. долл., в 1990 г. - на 3 млрд. долл., в 1994 г. - на 2,4 млрд. долл., в 1997 - на 5,2 млрд. долл., в 1998 г. - на 27,6 млрд. долл., в 2002 г. - на 35,9 млрд. долл. Это связано в основном с ростом объемов производства и продажи высокоинтеллектуальной и высокотехнологичной продукции в мире, которая уже сегодня опережает объемы продаж энергетической и сырьевой продукции.

Измерительная техника располагает совокупностью средств измерения около 250 различных физических величин, но использует для этого всего около 30 из примерно 400 известных физических явлений.

Огромное количество величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические как наиболее удобные для передачи, сравнения, точного воспроизведения измерения. Например, напряжение является одной из немногих величин, которые можно измерять с очень высоким быстродействием, и благодаря современным АЦП напряжение является наиболее подходящей величиной для преобразования в цифровой код.

В общемировом производстве ИП физических величин доля полупроводниковых приборов составляет более 70% и имеет устойчивую тенденцию к дальнейшему росту благодаря высокой чувствительности электрических характеристик полупроводников к различным внешним воздействиям. С помощью полупроводниковых приборов можно преобразовать практически все известные виды энергии. К преимуществам таких преобразователей относятся использование технологии интегральных схем при изготовлении полупроводниковых ЧЭ, высокая надежность и долговременная стабильность их параметров.

Достоинства полупроводниковых преобразователей являются вместе с тем и их недостатками. Поскольку чувствительный элемент подобных преобразователей способен воспринимать сразу несколько влияющих величин, измерительная информация оказывается в итоге искаженной, т.е. появляется дополнительная погрешность, вносимая неинформативными параметрами. В качестве примера таких преобразователей можно привести тензометрические преобразователи давления, характеристики которых имеют существенную зависимость от изменения температуры окружающей среды.

В [7, 47, 80] представлен исчерпывающий анализ состояния и основных тенденций развития датчиковых систем, основывающихся на требованиях к их метрологическим, техническим и эксплуатационным характеристикам, предъявляемых современной и особенно перспективной техникой. Основными параметрами, требующими совершенствования в существующих ИП являются точность измерения, динамический диапазон, диапазоны влияющих величин, надежность, срок службы, массо-габаритные показатели.

В частности, современные отечественные ИП давления, используемые в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами взрывобезопасных и взрывоопасных производств различных отраслей промышленности, таких как нефтегазодобывающая и нефтеперерабатывающая (начиная от сопровождения бурения скважин и заканчивая транспортировкой нефтепродуктов), химическая, металлургическая, машино- и приборостроение (авто- и авиаприборы, приборы над- и подводных судов) и т.д., часто имеют недостаточную точность преобразования, которая существенно зависит от воздействия неинформативных величин в широких пределах, особенно от изменения температуры окружающей среды. За последнее десятилетие на российских заводах изготовлено более одного миллиона приборов данного назначения.

В отечественных интегральных ИП давления в основном используются полупроводниковые ЧЭ на основе кремниевых тензорезисторов, изолированных от подложки и друг друга "р-n" переходом, а в зарубежных ИП аналогичного класса в последнее время применяются кремниевые тензорезисторы на структуре "кремний-на-диэлектрике", когда весь полупроводниковый ЧЭ изготовлен на основе монокристаллических кремниевых тензорезисторов, изолированных от кремниевой мембраны пленкой двуокиси кремния, что и обеспечивает их повышенные качественные характеристики. В настоящее время в нашей стране практически отсутствуют разработки ИП давления по отмеченному решению [7].

Развитие конструкторско-технологических методов в нашей стране находится в неудовлетворительном состоянии. Многие передовые технологии, такие как гальваническое осаждение мембран, использование современных композитных материалов, менее чувствительных к влияющим величинам, микроминиатюризация и т.д. находятся в зачаточном состоянии или отсутствуют вовсе.

На сегодняшний день ЧЭ большинства современных ИП являются различными микроэлектромеханическими системами и, соответственно, изготавливаются на основе интеграции технологий интегральных микросхем и объемной или поверхностной микрообработки кремния. Следовательно, технический уровень ЧЭ определяется уровнем развития технологий микросистемной техники, который нельзя назвать удовлетворительным. Проблемам развития микросистемной техники в России посвящено немало выступлений, публикаций и безрезультатных попыток создать национальную научно-техническую программу по аналогии с соответствующими программами развитых стран [80].

Анализ отечественных ЧЭ, основанных на использовании тензорези-стивного эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира, показал высокую нелинейность преобразования, чувствительность к влияющим факторам, а также большой разброс параметров от датчика к датчику по сравнению с аналогичными ЧЭ ведущих зарубежных производителей. Однако проведенные исследования в рамках данной диссертационной работы выявили достаточную стабильность характеристик каждого отдельного ЧЭ для автоматической компенсации погрешностей развитыми методами, использующими структурно-алгоритмическую и временную избыточность.

В настоящей диссертационной работе разработан и исследован способ коррекции погрешностей на основе комбинированной астатической структуры ИП, включающей инвариантный канал компенсации по неинформативной величине и канал обратной связи по выходной переменной. Предложенная структура позволяет реализовать коррекцию погрешности ИП с использованием следящей самонастройки параметров многопараметрической функции коррекции в обратной связи.

Возможность создания таких устройств открылась с развитием микропроцессорной техники, применение которой позволило не только расширить сервисные функции ИП, такими как автокалибровка, автоматический выбор необходимого диапазона измерений, представление результатов измерений в различных размерных единицах, цифровая коммуникация для удаленного обмена данными и т.д., но и увеличить точность и обеспечить инвариантность к влияющим величинам благодаря новым способам автоматической коррекции погрешностей преобразования. Такие приборы в профессиональной литературе все чаще называют "интеллектуальными", подчеркивая их достоинства, перечисленные выше.

Огромную роль в разработке и исследовании различных методов автоматической коррекции погрешностей, а также в развитии цифровых измерительных устройств сыграли Земельман М.А., Орнатский П.П., Скрип-ник Ю.А., Туз Ю.М., Смолов В.Б, Гитис Э.И., Новицкий П.В. и др. Принцип инвариантности введен в теорию и практику автоматического регулирования благодаря работам советских ученых - академиков Лузина М.Н., Щипано-ва Г.В., Кулебакина B.C., Петрова Б.Н., Ишлинского А.Ю., Кухтенко А.И. и др.

Сегодня промышленностью востребованы ИП давления широкой номенклатуры по типам ИБ (абсолютного давления, избыточного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давлений, гидростатического давления), по диапазонам измеряемого давления, по погрешности преобразования, по диапазонам выходной величины (например, тока: 0-5, 0-20, 4-20 мА), с цифровым обменом данными по полевой шине или радиоканалу и т.д. Столь широкий список модификаций ИП, а также сложившаяся сегодня жесткая конкурентная ситуация на рынке этого сектора экономики, требует от предприятия-производителя гибкого производства, способного быстро оптимизироваться под текущую конъюнктуру рынка. Например, минимизировать время производства ИП при приемлемом уровне увеличения производственных издержек или, наоборот, минимизировать энергозатраты при приемлемом увеличении времени производства.

Естественным следствием стремления учесть все большее число факторов, оказывающих влияние на процесс измерения, является усложнение методик градуировки и поверки ИП на этапе их производства. Для базирующейся на микропроцессоре коррекции погрешностей ИП необходимо ресурсоемкое определение параметров математической модели функции коррекции, осуществляемое на основе тестовых измерений при различных комбинациях образцовых значений измеряемой и влияющих величин. С развитием методов коррекции погрешностей, основанных на структурно-алгоритмической и временной избыточности, количество последних неуклонно растет. Сокращение производственных издержек на градуировку ИП без ущерба для их метрологических характеристик представляет важную проблему.

Существенным преимуществом микропроцессорных ИП является возможность практически полной автоматической градуировки, юстировки и поверки, т.е. наиболее дорогостоящих и долговременных операций, завершающих производственный цикл ИП. Являясь показателем его качества, эти операции должны осуществляться предельно ответственно, что осложняется влиянием субъективных факторов производственного персонала. В связи с этим проблема автоматизации становится особенно важной в условиях постоянно растущих объемов выпуска.

Перечисленные обстоятельства подтверждают актуальность задач, решаемых в диссертационной работе, определяют цель и основные направления исследований.

Целью работы является повышение точности и сокращение времени идентификации корректирующей функции прецизионных адаптивных измерительных преобразователей давления с использованием автоматизированной системы градуировки.

Для достижения цели решаются следующие задачи.

1. Разработка и исследование метода адаптивной идентификации параметров корректирующей функции для компенсации погрешностей ИП.

2. Разработка способа сокращения количества измерительных экспериментов для идентификации корректирующей функции ИП на основе ап-парта ИНС.

3. Минимизация времени установления температурного режима градуируемых ИП.

4. Разработка аппаратно-программных средств автоматизированной системы градуировки ИП.

5. Испытание и исследование автоматизированной системы градуировки и ИП с целью подтверждения правильности предложенных решений.

Методы исследования базируются на структурно-алгоритмических методах коррекции погрешностей ИП, на теории дифференциальных уравнений и их разностных аналогов, на математическом аппарате ИНС, на теории погрешностей, на теории автоматического управления, на численных методах оптимизации.

Научная новизна.

1. Способ коррекции погрешностей ИП с использованием следящей самонастройки параметров корректирующей функции в его обратной связи.

2. Комбинированная астатическая структура ИП, реализующая принцип инвариантности на основе многопараметрической функции коррекции.

3. Метод адаптивной идентификации корректирующей функции ИП на основе самонастройки ее параметров.

4. Способ сокращения измерительных экспериментов для идентификации корректирующей функции ИП на основе аппарата ИНС.

5. Алгоритм оптимального управления температурным режимом градуируемых ИП, минимизирующий время установления заданной температуры.

Практическая значимость и внедрение результатов работы Результаты диссертационной работы используются в серийном производстве комплекса унифицированных микропроцессорных ИП давления "Сапфир-22МР" (РИЮУ.406233.049 ТУ).

Внедрение автоматизированной системы градуировки "АСГ-01" на ОАО "Теплоприбор" г. Рязань позволило:

- повысить конкурентоспособность продукции предприятия;

- достичь современного уровня метрологических характеристик ИП: основная погрешность преобразования - 0,1%, дополнительная - не превышает основной в рабочем диапазоне температур от -^40°С до +80°С;

- 14- сократить время их градуировки, юстировки и поверки в среднем на 25%;

- обеспечить возможность выпуска до 50-ти преобразователей давления в месяц на каждой системе "АСГ-01", что подтверждается актом внедрения (см. приложение А).

В настоящее время микропроцессорные ИП "Сапфир-22МР" успешно эксплуатируются на предприятиях топливно-энергетического комплекса, химической и металлургической промышленности: Курской АЭС, Игумнов-ской ТЭЦ ОАО "Нижновэнерго" г. Дзержинск, ОАО "Невинномысской ГРЭС", ОАО "Святогор" г. Красноуральск, ОАО "Воронежсинтезкаучук", ООО "Автозаводской ТЭЦ" г. Нижний Новгород, ОАО "Новорязанской ТЭЦ" и др.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, обеспечиваются корректным использованием математического аппарата, имитационным моделированием на ПК, натурными экспериментальными исследованиями, достаточной апробацией материалов диссертации.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- V международной НТК "Современные средства управления бытовой техникой" (Москва, 2003),

- всероссийской НТК "Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях" (Бийск, 2005),

- всероссийской конференции "Качественная теория дифференциальных уравнений и ее приложения" (Рязань, 2006),

- всероссийской НТК "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы" (Рязань, 2002, 2004),

- межотраслевом научно-техническом семинаре (Дзержинск, 2006).

По итогам открытого конкурса на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах РФ (раздел 22 "Новые информационные технологии") автор был награжден дипломом Минобразования России за работу "Программное обеспечение автоматизированной системы градуировки микропроцессорных датчиков давления", в которой были отражены первые результаты исследований по теме диссертации (см. приложение Б).

Публикации по темелиссертации.

Опубликовано 12 печатных работ, среди них 7 статей (2 из которых в журнале центральной печати, включенном в перечень ВАК).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 88 наименований и пяти разделов приложений. Основной раздел изложен на 154 страницах машинописного текста, который поясняется 50 рисунками и одной таблицей. Общий объем диссертации, включая приложения, составляет 162 страницы.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Голь, Станислав Артурович

§ 3.5. Выводы.

1. Исследованы оптимальные процедуры градуировки на основе различных планов измерительных экспериментов. Сделан вывод о том, что сокращение градуировочных экспериментов компенсируется за счет использования определенным образом обобщенных характеристик типа градуируемого прибора.

2. Разработан метод сокращения градуировочных экспериментов на основе аппарата ИНС. Показана эффективность метода на примере ИП "Сапфир-22МР".

3. Разработан алгоритм оптимального управления температурным режимом ИП при градуировке, позволивший минимизировать время их вывода в КХТ на термоустановившийся режим. Определена зависимость уменьшения времени переходного процесса и соответствующего увеличения энергозатрат от значения заданной температуры.

Глава 4. Аппаратно-программные средства автоматизированной системы градуировки, юстировки и поверки микропроцессорных ИП.

§ 4.1. Аппаратные средства.

Важным преимуществом интеллектуальных датчиков является возможность практически полной автоматической градуировки, юстировки и поверки, т.е. наиболее дорогостоящих и долговременных операций. Задача автоматизации становится особенно актуальной в условиях постоянно растущих объемов выпуска.

Поэтому в рамках настоящей диссертационной работы разработана автоматизированная система градуировки, юстировки и поверки ИП "АСГ-01" унифицированного комплекса микропроцессорных ИП "Сапфир-22МР" абсолютного давления, избыточного давления, разрежения, давления-разрежения, разности давлений и гидростатического давления. В этом комплексе интеллектуальных приборов, разработанном при непосредственном участии автора, реализован способ коррекции погрешностей, синтез которого описан в § 1.5. В "АСГ-01" реализованы все технические решения, предложенные автором в предыдущих главах, позволяющие адаптивно идентифицировать параметры математической модели корректирующей функции ИП, минимизировать время достижения термоустановившегося режима ИП, сократить количество дорогостоящих измерительных экспериментов при градуировке ИП. В качестве основного руководящего документа при создании "АСГ-01" использовался [30].

Структурная схема аппаратной части "АСГ-01" представлена на рисунке 4.1.1. Камера холода и тепла КХТ-0.4-004 в составе "АСГ-01" используется для вывода загруженной в нее партии ИП на термоустановившийся режим, а также для операции термоциклирования. Последняя производится перед градуировкой ИП с целью исследования ИП на отказоустойчивость, выявления непригодных для градуировки ИП (например, с аномальными характеристиками), а также т.н. тренировки ИБ. Тренировка ИБ необходима для конструктивной стабилизации характеристик ИБ. Она связана с тем, что все составные части ИБ, особенно ЧЭ - металлическая мембрана и интегральный тензопреобразователь силы, проходят первую после сборки ИБ приработку друг к другу.

Операция термоциклирования заключается в том, что для загруженной в КХТ партии ИП последовательно устанавливают следующие температурные режимы: rmin, Г0, Гтах, Г0, 7V, Г0, Ттт, Т0, где Тшп - нижнее значение диапазона рабочих температур ИП, Tmm - верхнее значение диапазона рабочих температур ИП, Т0 - нормальная температура. Для ИП "Сапфир-22МР" Тт.п =-40 °С, Ттт =+80 °С, Т0=+ 20 °С. При каждой температуре после установившегося режима партия ИП выдерживается не менее трех часов, при этом производится считывание показаний каждого ИП для нижнего Pmin и верхнего Ртах значений основного диапазона измеряемого давления, а также для значения давления, при котором эмпирически ожидается наибольшая нелинейность РСФП неградуированных ИП. Основываясь на этих данных РРЭАП или сама автоматизированная система принимает решение о пригодности ИП к следующему этапу производства ИП - градуировке [17].

КХТ, как уже было отмечено в § 3.4, оснащена штатной системой управления на базе микропроцессорного блока регулятора-измерителя. Эта система выводит температуру воздуха полезного объема КХТ на заданный с дискретностью в 1 °С уровень и поддерживает ее на этом уровне в релейном режиме. Основные характеристики КХТ-0.4-004, важные для АСУ в целом, отмечены в таблице 3.4.1.

Помимо этого в "АСГ-01" входит внештатный блок управления температурой на базе МК ATmegal62, осуществляющий, в отличие от штатной системы, оптимальное управление нагревателем и компрессором КХТ с целью минимизации времени выхода на термоустановившийся режим партии ИП. Оптимальное управление осуществляется по разработанному автором алгоритму на основе показаний двух ДТ DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor (диапазон измерения от -55 до +125 °С, погрешность to

Рисунок 4.1.1 Структурная схема аппаратной части "АСГ-01". измерения 2% от диапазона), а также сигнала, снимаемого с диагонали питания ТМ, пропорционального его температуре, и сигнала с ДТ, встроенного в МК серии ADuC8xx фирмы Analog Devicrs, на базе которого изготовлен ЭБ ИП "Сапфир-22МР". ДТ DS18B20 наклеены на поверхности ИБ и ЭБ одного из ИП партии и термоизолирваны от воздуха полезного объема КХТ (см. рисунок 3.4.3). Они осуществляют передачу данных в МК ATmegal62 по интерфейсу 1-ware.

Блок измерительный коммутационный предназначен для подключения определенного "АСГ-01" или РРЭАП ИП из размещенной в КХТ партии для цифровой коммуникации с ПК и переключения этого ИП с соответствующего технологического нагрузочного сопротивления R на образцовое измерительное сопротивление Ro6p. Если при градуировке осуществляется идентификация четырехмерной функции коррекции ИП (см. § 2.3), то БИК коммутирует также выход ПИП этого ИП со входом ОЦВ2. Последний производит измерение значения напряжения на выходе ПИП, т.е. на измерительной диагонали ТМ, и в цифровом виде передает его в ПК. Исполнительными элементами для коммутации измерительных сигналов служат реле, которые вносят незначительные для процедуры градуировки искажения.

Образцовое измерительное сопротивление R^p. Р3030 (номинал 100 Ом, класс точности 0,01), будучи подключенным к выходу заданного ИП, используется для измерения значения тока в токовой петле, которое выдает в нее ИП. Падение напряжения на образцовом измерительном сопротивлении, пропорциональное значению выходной величины подключенного к нему ИП, измеряется ОЦВ1 и в цифровом виде передается в ПК.

Не выбранные в текущий момент автоматизированной системой ИП не отключаются от питания. Подключенные БИК к соответствующим технологическим нагрузочным сопротивлениям Rl, R2,., R25, они остаются в рабочем состоянии. Не смотря на затраты электроэнергии.это необходимо для поддержания стабильного температурного режима всех электронных компонентов, входящих в состав ИП.

Цифровая коммуникация с ИП осуществляется через входящий в состав БИК гальванически развязанный согласователь уровней ADUM1301 фирмы Analog Devices с целью устранения воздействия помех и наводок, присутствующих в цифровых линиях связи, на ИК выбранного в текущий момент ИП. МК ATmegal62, на базе которого выполнен БИК, формирует управляющие замыканием-размыканием коммутаторов Kl, К2,., К25 сигналы для выбора требуемого "АСГ-01" или РРЭАП ИП. Также МК БИК осуществляет ретрансляцию данных цифрового обмена ПК с выбранным ИП, для чего используются оба его универсальных синхронных/асинхронных последовательных приемопередатчика UART1 и UART2.

Питание партии ИП, обслуживаемой автоматизированной системой, осуществляет блок питания Б7-78/6. В качестве ОЦВ1 и ОЦВ2 используются цифровые вольтметры В7-73/2 (класс точности 0,015).

Управление аппаратными средствами автоматизированной системы осуществляет ПК с установленным специализированным ПО "ПРОКОНТ-Сапфир", разработанным в рамках данной диссертационной работы. Цифровая коммуникация в "АСГ-01" происходит по интерфейсу RS-485, для поддержки которого интерфейс СОМ-порт (реализует лишь асинхронный режим обмена стандарта RS-232 [1]) ПК преобразуется гальванически развязанным преобразователем интерфейсов RS-232/RS-485 типа ADAM-4520 фирмы Ad-vantech. Для подключения к RS-485 ОЦВ1 и ОЦВ2 используется адресуемый преобразователь интерфейсов IPCON-7522. В свою очередь, для подключения к интерфейсу RS-485 в состав БИК и блока управления температурой входят микросхемы-преобразователи интерфейсов UART/RS-485 типа ADM485 фирмы Analog Devices. Терминатор служит для устранения переотражения сигналов, передаваемых по линиям RS-485 и, как следствие, для предотвращения связанных с этим сбоев.

В качестве ЗИВ в "АСГ-01" используется калибратор давления "Мет-ран-504 Воздух". Диапазон воспроизведения давления от 4 до 400 кПа, дискретность воспроизведения давления 0,250 кПа, предел допускаемой относительной погрешности 0,015.

Автоматизированная система "АСГ-01" позволяет градуировать ИП в партии до 25 штук.

Рисунок 4.1.2 - Аппаратные средства "АСГ-01".

Рисунок 4.1.3 - Блок измерительный коммутационный.

§ 4.2. Программные средства.

При проектировании современных автоматизированных систем происходит перераспределение ресурсов, главным образом временных, в сторону существенного увеличения их затрат на разработку специального ПО по сравнению с затратами на создание аппаратных средств. В основном это связано с тем, что все большее число функций, которые раньше возлагались на субъекта управления - оператора автоматизированной системы, реализуют развитые программные средства. Разработка ПО становится чуть ли не самым основным вопросом, решаемым при разработке подобных систем. Без эффективного ПО невозможно использование всех потенциальных возможностей, заложенных в аппаратных средствах автоматизированной системы. Именно программные средства создают интеллект компьютера, решающий задачи по управлению сложнейшими технологическими процессами производств.

Важнейшим фактором является рациональная организация труда операторов, определяющая эффективное функционирование системы в целом. В подавляющем большинстве случаев управленческий труд - опосредованная деятельность человека, поскольку в условиях автоматизированной системы он ведет управление, "не видя" реального объекта. Между реальным объектом управления и оператором находится информационная модель (средства отображения информации). Поэтому возникает проблема проектирования не только средств отображения информации, но и средств взаимодействия оператора с техническими средствами автоматизированной системы, т.е. проблема проектирования подсистемы, называемой интерфейсом пользователя. Даже при оптимально реализованной объектной декомпозиции предметной области, всесторонне отражающей основные свойства и поведения реальных объектов, при детально разработанных эффективных алгоритмах управления, неэргономичный интерфейс пользователя может свести на нет все преимущества автоматизации.

При разработке в рамках данной диссертационной работы специализированного ПО "ПРОКОНТ-Сапфир" автоматизированной системы градуировки, юстировки и поверки "АСГ-01" использовался системный подход.

Системный подход рассматривает анализ и синтез различных по своей природе и сложности объектов с единой точки зрения. Принимая во внимание множество факторов самого различного характера он выделяет из них важнейшие с точки зрения подчиненности цели и критериев подсистем общесистемным целям и критериям и позволяет найти пути эффективного воздействия на них. Значение системного подхода особенно велико при проектировании и эксплуатации таких систем как рассматриваемая автоматизированная система.

Системный подход основан на следующих принципах.

1. Принцип максимального рабочего усилия, заключающийся в минимизации затрат ресурсов со стороны оператора. Он должен выполнять только те действия, которые необходимы и не могут быть выполнены системой. Должны быть исключены дублирующие друг друга действия системы и оператора.

- 1292. Принцип максимального взаимодействия. Необходимая информация о функционировании автоматизированной системы должна быть максимально легко доступна и не требовать дополнительной интерпретации пользователем (перевод размерных единиц, различные вычисления и т.д.). Пользователь должен помнить как можно меньшее количество информации, т.к. это снижает его способность принимать ответственные решения.

3. Принцип максимальной концентрации пользователя на решаемой задаче и локализация сообщений об ошибках функционирования системы.

4. Принцип учета профессиональных навыков операторов. Создание программных средств "АСГ-01" проходило в тесном взаимодействии с РРЭАП на предприятии-заказчике ОАО "Теплоприбор" г. Рязань. Учитывалось их представление о функционировании системы, квалификация, навыки работы с ПК. При разработке основных частей интерфейса, таких как панели (предопределенная группированная информация, структурированная специфическим образом на экране монитора), диалоги (последовательность запросов и ответов между оператором и ПО), первичное, вторичные (вызываемые из первичного) и всплывающие окна, использовались только стандартные интерактивные элементы, общие для большинства Windows-приложений: псевдокнопки, раскрывающиеся списки, псевдопереключатели и т.д.

ПО "ПРОКОНТ-Сапфир" представляет собой программное средство автоматизированной системы верхнего уровня (в отличие от ПО нижнего уровня, например, БИК или блока управления температурой). Укрупнено его архитектура представлена на рисунке 4.2.1. Это ПО создано в рамках технологии объектно-ориентированного программирования в среде Delphi 5 на языке Object Pascal. Эта технология основана на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию с наследованием свойств.

Взаимодействие программных объектов в такой системе осуществляется путем передачи сообщений. Графический интерфейс разработанного ПО представлен в приложении Г.

ПО "ПРОКОНТ-Сапфир" выполняет следующие основные функции.

1. Обеспечение устойчивого процесса адаптивной идентификации параметров функции коррекции ИП.

2. Графическая визуализация изменения параметров, характеризующих состояние функционирования подсистем, в реальном времени.

3. Сигнализация предупредительных и аварийных отклонений параметров.

4. Документирование всех действий, производимых над партией ИП как автоматически, так и по требованию РРЭАП.

5. Считывание и запись карт памяти, содержащих значения параметров корректирующих функций, в энергонезависимую память МК ИП, а также их просмотр и редактирование.

6. Генерирование отчетов по проведенной градуировке, юстировке или поверке на основе результатов соответствующих запросов к БД.

Среди вспомогательных функций следует отметить следующие.

1. Формирование обучающего множества и обучение ИНС с целью получения с помощью нее оценок значений функции коррекции для ряда градуировочных значений давления Pa,Pv.,PKt при определенном значении температуры Т.

2. Вычисление различных статистик по выборкам параметров функций коррекции множества партий ИП, прошедших градуировку, и их графическая визуализация. Эти оценки используются для интегрального анализа всех этапов производства ИП, который основывается на том, что изменения в технологическом цикле (например, в связи с модернизацией или, наоборот, с деградацией оборудования) проявляются в отклонениях от устоявшихся средних значений статистик, вычисленных с учетом данных ИП, отградуированных после упомянутых изменений.

Рисунок 4.2.1 -Архитектура ПО "ПРОКОНТ-Сапфир".

3. Автоматический режим регулирования коэффициентов ЦИ и ЦЭС на основе алгоритма стохастической аппроксимации [39], позволяющий ускорить настройку параметров функции коррекции по сравнению с определением параметров, при котором все постоянные времени неизменны.

4. Осуществление всех вычислительных операций по коррекции погрешностей, на основе текущих данных АЦП и ЦАП выбранного ИП с детальной их визуализацией для выяснения причин отклонений от нормы в его работе, имеющих место, например, при рекламациях.

5. Режим тренировки, при котором программа имитирует функционирование аппаратных средств автоматизированной системы при градуировке партии ИП. Используется для обучения обслуживающего персонала.

-144-Заключение.

Выполнение этой работы осуществлялось мной в рамках аспирантуры на кафедре ИИБМТ РГРТУ, а также во время моей профессиональной деятельности в качестве инженера ООО "Конструкторское бюро микропроцессорной техники" в проекте опытно-конструкторской разработки и внедрения в серийное производство комплекса унифицированных микропроцессорных ИП "Сапфир-22МР". Разработанная в рамках настоящей диссертационной работы автоматизированная система градуировки, юстировки и поверки ИП "АСГ-01" внедрена на ОАО "Теплоприбор" г. Рязань. На сегодняшний день отградуированные с помощью этой системы ИП успешно используются на Курской АЭС, Игумновской ТЭЦ, Невиномысской ТЭЦ, Автозаводской ТЭЦ (г. Нижний Новгород), Новорязанской ТЭЦ и др. На комплекс унифицированных микропроцессорных ИП давления "Сапфир-22МР" получен сертификат № 18702 об утверждении типа средства измерения (см. приложение Д).

По материалам диссертационной работы подана заявка на патент "Способ коррекции статической характеристики измерительного преобразователя и устройство для его осуществления", также оформлена и подана в отраслевой фонд алгоритмов и программ заявка на регистрацию ПО "ПРО-КОНТ-Сапфир".

В 2004, 2005 гг. автор принимал участие в международной выставке оборудования для нефтяной и газовой промышленности "Нефтегаз", проходившей в выставочном комплексе ЗАО "Экспоцентр" г. Москва, где микропроцессорные ИП "Сапфир-22МР" и технология их производства вызвали большой интерес среди потребителей и конкурирующих производителей.

Достигнутые в ИП "Сапфир-22МР" метрологические характеристики не проигрывают аналогичным приборам ведущих зарубежных производителей, таких как Yokogawa (Япония), Siemens (ФРГ), Fisher Rosemount (США). Однако в последних для обеспечения заявленной точности, как правило, используются ресурсоемкие конструкторско-технологические методы, в отличие от методов, основанных на структурно-алгоритмической и временной избыточности, применяемых в микропроцессорных ИП "Сапфир-22МР". Последние позволили снизить стоимость ИП в 1,5-1,8 раза по сравнению с упомянутыми зарубежными аналогами, что является несомненным преимуществом.

Дальнейшее развитие проблемы, которой посвящена настоящая диссертационная работа, по мнению автора, является преход от автоматизированной к полностью автоматической градуировке микропроцессорных ИП.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Голь, Станислав Артурович, 2006 год

1. Агуров П.В. Последовательные интерфейсы ПК. Практика программирования. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.-496 с.

2. Алексеев Виктор, Ламберт Елена. "Аналоговые устройства фирмы Maxim Integrated Products для нормирования сигналов датчиков." //Компоненты и технологии. №3, 2001.

3. Антипов В.А., Мелехин В.П. Повышение точности средств измерений. Рязань: РГРТА, 2003.-80 с.

4. Арутюнов П.А. Теория и применение алгоритмических измерений. М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

5. Белов Л.И., Жестков А.В., Ларионов В.А., Логиновский А.А. "Электронные преобразователи для микропроцессорных датчиков давления "Мет-ран". Датчики и системы, №11 12,2000.

6. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.-540 с.

7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Изд-во "Профессия", 2004. 752 с.

8. Болтон У. Карманный справочник инженера-метролога. М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2002. 384 с.

9. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. //Ред. совет под пред. В.Н. Че-ломея. М.: Машиностроение, 1981 Т. 5. Измерения и испытания. - Под ред. М.Д. Генкина. 1981.-496 с.

10. Виноградов А.Л., Виноградов Ю.Л., Голь С.А., Устинов К.С. Автоматизированная система идентификации статической функции преобразования интеллектуального датчика. //Новые информационные технологии. Межвузовский сборник. Рязань: РГРТА, 2003. С. 48-50.

11. Виноградов А.Л., Голь С.А., Румянцев С.В., Устинов К.С. Перспективы развития комплекса интеллектуальных приборов для измерения давления и расхода. //Перспективные проекты и технологии, №1, 2006. Рязань: Издательство "РИНФО". С. 64-69.

12. Вострокнутов Н.Г., Евтихиев Н.Н. Информационно-измерительная техника. М.: Высшая школа, 1997. 232 с.

13. Галушкин А.И. Теория нейронных сетей. М.: ИПРЖР, 2000. 416 с.

14. ГОСТ 8.009-84 "Нормируемые метрологические характеристики средств измерения."

15. ГОСТ 22520-85 "Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами."

16. Деммель Дж. Вычислительная линейная алгебра. Теория и приложения. М.: Мир, 2001.-430 с.

17. Джури Э. Импульсные системы автоматического регулирования. М.: Физматгиз, 1963. 456 с.

18. Дьяконов В.П. Системы символьной математики Mathematica2 и Mathe-matica 3. М.: "СК Пресс", 1998. 320 с.

19. Евтихиев Н.Н., Купешмидт Я.А., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1990.-352 с.

20. Емец С.В., Полищук И.Н. Способ градуировки измерительных преобразователей с интегрированным чувствительным элементом. Пат. 2223465 РФ, МПК G01D3/02.

21. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. М.: Издательство стандартов, 1972. 199 с.

22. Иванова Г.С., Ничушкина Т.Н., Пугачев Е.К. Объектно-ориентированное программирование. М.: издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. — 317с.

23. Ивахненко А.Г. Системы эвристической самоорганизации в технической кибернетике. Киев: Техшка, 1971. 372 с.

24. Измерительные преобразователи давления, теоретические и экспериментальные исследования и разработка: Сб. науч. тр. /Под ред. Юровского А.Я. М.: НИИ Теплоприбор, 1989. - 126 с.

25. Карманов В.Г. Математическое программирование. М.: Наука, 1986. — 288 с.

26. Коровин К.В. Способ температурной корректировки передающей функции датчика физической величины. Пат. 2247325 РФ, МПК G01D3/028.

27. Кузин JI.T. Расчет и проектирование дискретных систем управления. М.: Машгиз, 1962.-684 с.

28. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Нейронные сети. MATLAB 6. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2002. 496 с.

29. Микроконвертеры ADuC (Analog Devices). URL: http://www.promelec.ru/pdfbase.html710

30. Мокров E.A., Белозубов Е.М., Козлова Н.А. Модернизация датчиков давления ВТ 206. //Датчики и системы "ДиС-2005". Сборник докладов Международной научно-технической конференции. Пенза: ФГУП "НИИ физических измерений", 2005. С. 436-443.

31. Нейрокомпьютерные системы. Методические указания к лабораторным работам. // Под. ред. Пылькина А.Н. Рязань, РГРТА, 2000. 62 с.

32. Номенклатурный каталог ОАО "Теплоприбор" г. Рязань. URL: http://www.teplopribor.ru/cat.htm

33. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М.: Бином, 1994. 380 с.

34. Одинцов А.Н., Цивинский А.В. Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации. Пат. РФ 2084846, МПК G01L9/04.

35. Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1980.-560 с.

36. Панфилов Д.И., Иванов B.C. Датчики фирмы MOTOROLA. М.: ДОДЭКА, 2001.-96 с.

37. Пашнина Т.В. Комплексы измерения давления Метран-100- надежнее, быстрее, точнее. //Энергетика и промышленность России, № 2, 2006. С. 31-31.

38. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров. М.: Мир, 1989. 335 с.

39. Поздняк В. "Вопросы проектирования, выбора и эксплуатации датчиков давления для технологических процессов." //Электронные компоненты, № 9, 2004. С. 1-2.

40. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука, 1988.-356 с.

41. Почивалин О.П., Пох А.В. Применение микроконтроллеров MSP430 в датчике разности давлений. //Датчики и Системы, № 11, 2003.

42. Голубцов П.В., Старикова О.В. Калибровка инвариантных преобразователей информации. //Информационные процессы, Том 1, №1, 2001. С. 7888.

43. Раннев Г.Г., Тарасенко А.П. Методы и средства измерений. М.: Издательский центр "Академия", 2004. 336 с.

44. Редькин П.П. Прецизионные системы сбора данных семейства MSC12xx фирмы TEXAS INSTRUMENTS (часть 1). //Современная электроника, №2, 2006. С. 34-40. URL: http://terraelectronica.ru/files/notes/s60708.pdf

45. Редькин П.П. Прецизионные системы сбора данных семейства MSC12xx фирмы Texas Instruments: архитектура, программирование, разработка приложений. М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2006. 656 с.

46. Сергеев А.Г. Метрология. М.: Логос, 2004. 288 с.

47. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. М.: Логос, 2001. 408 с.

48. Слива Е. "Коррекция по температуре измерительных преобразователей физических величин на базе микроконтроллера MSP430F149 фирмы Texas Instruments." //Информост средства связи. №2(15), 2001. URL: http://www.informost.ru/ss/15/elcompl.html

49. Тейксейра Стив, Пачеко Ксавье. Delphi 5. Руководство разработчика, т.1. Основные методы и технологии программирования. М.: Издательский дом "Вильяме", 2000. 832 с.

50. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989.-440 с.

51. Хайкин Саймон. Нейронные сети: полный курс. М.: Издательский дом "Вильяме", 2006- 1104 с.

52. Чураков Е. П. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Энергоатомиздат, 1987.-256 с.

53. Шапонич Д., Жигич А. Коррекция пьезорезистивного датчика давления с использованием микроконтроллера. //Приборы и техника эксперимента, № 1,2001.-С. 54-60.

54. Юровский А.Я., Ушаков JI.B. Датчики давления серии "Метран" вчера, сегодня, завтра. //Датчики и системы, № 11-12, 2000. - С. 10-14.

55. Половинкин В. HART-протокол. //Современные технологии автоматизации, №1, 2002. С. 6-14.

56. Daniel Ch. von Griinigen. Digitale Signalverarbeitung. Fachbuchverlag Leipzig (Цифровая обработка сигналов), 2002. 313 с.

57. Jorg Hoffman. Taschenbuch der Messtechnik. Fachbuchverlag Leipzig, 2002. -674 c.

58. PS021 acam. Digitale Losung fur Dehnungsmesstreifen (цифровое решение для тензометрического датчика). Datenblatt. PICOSTRAIN Hochgenaue Zeitdifferenzmessung 19. Mai 2005.

59. URL http.7/www.acam.de/fileadrnin/Download/pdf/Deutsch/DBPS02ld.pdf

60. ZMD31020 Sensor Signal Conditioner. Datasheet. Rev. 1.6, 2005-05-19. URL http://www.zmd.de/pdf/ZMD31020Datasheet%20Revl .6.pdf