Развитие автоматизированных систем контроля

1. История развития автоматизации

2. Развитие автоматизированных систем контроля

2.1 Основные этапы развития автоматизированных систем контроля

2.2 Системы автоматического контроля

2.2.1 Понятие «систем автоматического контроля»

2.2.2 Структурная схема систем автоматического контроля

2.2.3 Основные компоненты структур автоматических средств контроля

2.3 Микропроцессорные устройства систем автоматизированного контроля

2.3.1 Особенности микропроцессорных систем автоматизированного контроля

2.3.2 Основные области использования микропроцессоров в системах контроля

2.3.3 Функциональная схема автоматизированной системы контроля

3. Автоматизированные системы контроля сегодня и завтра Заключение Список используемой литературы

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов.

Необходимость постоянно обновлять продукцию вызывает необходимость изыскивать высокопроизводительные методы технологии и организации производства: создавать быстропереналаживаемые участки, оснащенные станками с числовым программным управлением. Усиливается взаимосвязь всех подготовительных и производственных процессов — проектирования, освоения, производства изделий, транспортировки, складирования, контроля качества. Частая сменяемость продукции, необходимость поддерживать высокую конкурентоспособность новой продукции требует сокращения сроков проектирования, подготовки и освоения производства.

Решением вышеописанных проблем являются автоматизированные системы, которые приобретают решающую роль в развитии промышленного производства.

Автоматизация производства — это процесс, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Автоматизация — это основа развития современной промышленности, генеральное направление научно-технического прогресса. Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства. Различают автоматизацию производства: частичную, комплексную и полную.

При частичной автоматизации часть функций управления производством автоматизирована, а часть выполняется рабочими-операторами (полуавтоматические комплексы). Как правило, такая автоматизация осуществляется в тех случаях, когда управление процессами вследствие их сложности или скоротечности практически недоступно человеку.

При комплексной автоматизации все функции управления автоматизированы, рабочие-операторы только налаживают технику и контролируют её работу (автоматические комплексы). Комплексная автоматизация требует применения таких систем машин, оборудования, вспомогательной техники, работа которых превращает исходные материалы в готовый продукт без физического вмешательства человека.

Полная автоматизация производства — высшая ступень автоматизации, которая предусматривает передачу всех функций управления и контроля комплексно-автоматизированным производством автоматическим системам управления.

Повышение эффективности производства и эксплуатации невозможно без хорошей организации службы контроля. Требования к качеству контроля сложных объектов и процессов непрерывно возрастают, так как это связано с уменьшением возможных потерь. Повышаются требования к входным, выходным и внутренним характеристикам систем контроля, усложняются их структура и алгоритмы. Качество системы определяется ее характеристиками; эффективность зависит от характеристик системы, требований со стороны объекта (или совокупности объектов) и организации процесса контроля.

Одно из наиболее общих требований состоит в обеспечении заданной вероятности выполнения объектом стоящей перед ним задачи. Например, контроль (и последующая профилактика) транспортных средств должен обеспечить высокую вероятность безаварийной работы на заданном интервале времени. Глубокое изучение объекта позволяет сформулировать более конкретные требования к системе контроля. Среди этих требований и задач, решаемых разработчиками и потребителями систем контроля, отметим следующие.

1.Обеспечение достаточной глубины и полноты контроля, что достигается поиском и отбором информативных признаков на основе детального анализа структуры, свойств и характеристик объекта.

2.Обеспечение заданной достоверности контроля путем рационального использования выбранных признаков, правильного задания допусков, использования высокоточных измерительных схем, обработки результатов цифровыми устройствами.

3.Организация эффективного контроля путем применения экономичных алгоритмов, прогнозирования состояния объекта, применения обобщенного контроля, позволяющего получить интегральную оценку состояния объекта.

4. Обеспечение высокой надежности путем организации самоконтроля, резервирования, применения надежных элементов.

Цель данной работы состоит в том, чтобы проследить историю развития автоматизированных систем контроля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— рассмотреть историю развития автоматизации;

— рассмотреть основные этапы развития автоматизированных систем контроля;

— определить типовые подсистемы автоматизированных систем контроля;

— представить обобщенную структурную схему системы автоматического контроля;

— рассмотреть основные компоненты структур автоматических средств контроля;

— рассмотреть основные направления развития автоматизированных систем в будущем.

1. История развития автоматизации

История развития автоматизированных систем контроля неразрывно связана с историей развития автоматизации в целом. Рассмотрим этапы развития автоматизации.

Процесс автоматизации начался намного раньше чем нам могло бы казаться, автоматизация на самом деле появилась практически сразу же с возникновением производства, а само по себе производство существует давно, что точно никто и не скажет. Мы начнем рассматривать с появления самодействующих устройств.

Самодействующие устройства — прообразы современных автоматов — появились в глубокой древности. Однако в условиях мелкого кустарного и полукустарного производства вплоть до 18 в. практического применения они не получили и оставаясь занимательными «игрушками», свидетельствовали лишь о высоком искусстве древних мастеров.

Первый этап автоматизации охватывает период времени с начала XVIII до конца XIX столетия. В 20-е годы XVIII столетия в России А. Нартовым был разработан автоматический суппорт для токарно-копировального станка. В 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым — творцом первой паровой машины универсального назначения — был создан первый в мире промышленный автоматический регулятор для поддержания постоянного уровня воды в котле паровой машины. Измерительный орган — поплавок, находящийся на поверхности воды, перемещаясь, изменял подачу жидкости, идущей по трубе в котёл через отверстие клапана. Если уровень воды поднимался выше положенного, то поплавок, перемещаясь вверх, закрывал клапан и подача воды прекращалась. В регуляторе Ползунова была реализована идея, являющаяся и поныне центральной в устройствах автоматического регулирования. В 1784 г. английским механиком Дж. Уаттом также для паровой машины был разработан центробежный регулятор скорости, ставшей после этого основным источником механической энергии для привода станков, машин и механизмов.

Совершенствование орудий и приёмов труда, приспособление машин и механизмов для замены человека в производственных процессах вызвали в конце 18 в. — начале 19 в. резкий скачок уровня и масштабов производства, известный как промышленная революция 18−19 вв.

Промышленная революция создала необходимые условия для механизации производства в первую очередь прядильного, ткацкого, металлои деревообрабатывающего. К. Маркс увидел в этом процессе принципиально новое направление технического прогресса и подсказал переход от применения отдельных машин к «автоматической системе машин», в которой за человеком остаются сознательные функции управления: человек становится рядом с процессом производства в качестве его контролёра и регулировщика.

С 60-х гг. 19 в., в связи с быстрым развитием железных дорог, стала очевидна необходимость автоматизации железнодорожного транспорта и прежде всего создания автоматических приборов контроля скорости для обеспечения безопасности движения поездов. В России одними из первых изобретений в этом направлении были автоматический указатель скорости инженера-механика С. Прауса (1868) и прибор для автоматической регистрации скорости движения поезда, времени его прибытия, продолжительности остановки, времени отправления и местонахождения поезда, созданный инженером В. Зальманом и механиком О. Графтио (1878). О степени распространения автоматических устройств в практике железнодорожного транспорта свидетельствует то, что на Московско-Брестской железной дороге уже в 1892 существовал отдел «механического контроля поездов» .

Учение об автоматических устройствах до 19 в. замыкалось в рамки классической прикладной механики, рассматривавшей их как обособленные механизмы. Основы науки об автоматическом управлении по существу впервые были изложены в статье английского физика Дж. К. Максвелла «О регулировании» (1868) и труде русского учёного И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия» (1877), в котором впервые регулятор и машина рассматривались как единая система. А. Стодола, Я. И. Гардина и Н. Е. Жуковский, развивая эти работы, дали систематическое изложение теории автоматического регулирования.

В течение всего XIX столетия происходило совершенствование регуляторов для паровых машин. На первом этапе развития автоматизации были попытки создания автоматических станков и линий с жёсткой кинематической связью.

Следует отметить, что развитие автоматизации производства в этот период времени основывалось на принципах и методах классической механики.

Второй этап развития автоматизации производства охватывает период времени конец XIX и середина XX столетия. Этот этап связан с развитием электротехники и практическим использованием электричества в средствах автоматизации. В частности, важное значение имеет изобретение П. Л. Шиллнгом магнитоэлектрического реле (1850 г.) — одного из основных элементов электроавтоматики, разработка Ф. М. Балюкевичем и др. в 80-х г. г. XIX столетия ряда устройств автоматической сигнализации на железнодорожном транспорте, создание С.Н.Апостоловым-Бердичевским и др. первой в мире автоматической телефонной станции.

К началу XX века относится широкое развитие и использование электрических систем автоматического регулирования. Индивидуальный привод отдельных рабочих органов машин и введение между ними электрических связей существенно упростили кинематику машин, сделали их менее громоздкими и более надёжными. Будучи более гибкими и удобными в эксплуатации, электрические связи позволили создать комбинированное электрическое и механическое программное управление, обеспечивающее автоматическое выполнение неизмеримо более сложных операций, чем на машинах-автоматах с механическим программным устройством. Для второго этапа развития автоматизации характерно появление электронно-программного управления: были созданы станки с числовым программным управлением, обрабатывающие центры и автоматические линии, содержащие в качестве компонента оборудование с программным управлением.

С появлением механических источников электрической энергии — электромашинных генераторов постоянного и переменного тока (динамомашин, альтернаторов) — и электродвигателей оказалась возможной централизованная выработка энергии, передача её на значительные расстояния и дифференцированное использование на местах потребления. Тогда же возникла необходимость в автоматической стабилизации напряжения генераторов, без которой их промышленное применение было ограниченным. Лишь после изобретения регуляторов напряжения с начала 20 в. электроэнергия стала использоваться для привода производственного оборудования. Наряду с паровыми машинами, энергия которых распределялась трансмиссионными валами и ремёнными передачами по станкам, постепенно распространялся и электропривод, вначале вытеснивший паровые машины для вращения трансмиссий, а затем получивший и индивидуальное применение, т. е. станки начали оснащать индивидуальными электродвигателями.

Переход от центрального трансмиссионного привода к индивидуальному в 20-х гг. 20 в. чрезвычайно расширил возможности совершенствования технологии механической обработки и повышения экономического эффекта. Простота и надёжность индивидуального электропривода позволили механизировать не только энергетику станков, но и управление ими. На этой основе возникли и получили развитие разнообразные станки-автоматы, многопозиционные агрегатные станки и автоматические линии. Широкое применение автоматизированного электропривода в 30-е гг. 20 в. не только способствовало механизации многих отраслей промышленности, но по существу положило начало современной автоматизации производства. Тогда же возник и сам термин «автоматизация производства» .

В СССР освоение автоматизированных средств управления и регулирования производственных процессов началось одновременно с созданием тяжёлой промышленности и машиностроения и проводилось в соответствии с решениями Коммунистической партии и Советского правительства об индустриализации и механизации производства. В 1930 по инициативе Г. М. Кржижановского в Главэнергоцентре ВСНХ СССР был организован комитет по автоматике для руководства работами по автоматизации в энергетике. В правлении Всесоюзного электротехнического объединения (ВЭО) в 1932 было создано бюро автоматизации и механизации заводов электропромышленности. Началось применение автоматизированного оборудования в тяжёлой, лёгкой и пищевой промышленности, совершенствовалась транспортная автоматика. В специальном машиностроении наряду с отдельными автоматами были введены в действие конвейеры с принудительным ритмом движения. Организовано Всесоюзное объединение точной индустрии (ВОТИ) по производству и монтажу приборов контроля и регулирования.

В научно-исследовательских институтах энергетики, металлургии, химии, машиностроения, коммунального хозяйства создавались лаборатории автоматики. Проводились отраслевые и всесоюзные совещания и конференции по перспективам её применения. Начались технико-экономические исследования значения А. п. для развития промышленности в различных социальных условиях. В 1935 в Академии наук СССР стала работать Комиссия телемеханики и автоматики для обобщения и координации научно-исследовательских работ в этой области. Началось издание журнала «Автоматика и телемеханика» .

В 1936 Д. С. Хардер (США) определял автоматизацию как «автоматическое манипулирование деталями между отдельными стадиями производственного процесса». По-видимому, вначале этим термином обозначали связывание станков с автоматическим оборудованием передачи и подготовки материалов. Позднее Хардер распространил значение этого термина на каждую операцию производственного процесса.

Высокая экономическая эффективность, технологическая целесообразность и часто эксплуатационная необходимость способствовали широкому распространению автоматизации в промышленности, на транспорте, в технике связи, в торговле и различных сферах обслуживания. Её основные предпосылки: более эффективное использование экономических ресурсов — энергии, сырья, оборудования, рабочей силы и капиталовложений. При этом улучшается качество и обеспечивается однородность выпускаемой продукции, повышается надёжность эксплуатации установок и сооружений.

Социалистическое государство, рассматривая автоматизацию производства как один из наиболее мощных факторов развития народного хозяйства, осуществляет её по единому комплексному плану, увязанному с соответствующими ассигнованиями и материально-техническим обеспечением.

Сороковые-пятидесятые годы XX столетия ознаменовались началом бурного развития радиоэлектроники. Электронные устройства обеспечивают более высокие быстродействия, чувствительность, точность и надежность автоматических систем. Наступил третий этап развития автоматизации с широким использованием управляющих ЭВМ, которые для каждого момента времени рассчитывают оптимальные режимы технологического процесса и вырабатывают управляющие команды по всем автоматизируемым операциям.

В ходе выполнения первых трёх пятилетних планов развития народного хозяйства (1928;41) были созданы первые заводы, производящие приборы и аппаратуру автоматики и телемеханики для автоматизации производства. Во время Великой Отечественной войны (1941;45) автоматизация производства имела огромное значение в материально-техническом обеспечении фронта и удовлетворении нужд оборонной промышленности СССР. В первом послевоенном плане восстановления и развития народного хозяйства (1946;50) была предусмотрена дальнейшая автоматизация в энергетике, химической, нефтяной и нефтехимической промышленности, широкое внедрение в производство автоматизированного электропривода. Программа дальнейшего развития автоматизации производства в период 1953;58, принятая на 19-м съезде КПСС, предусматривала, в частности, механизацию работ и автоматизацию производства на предприятиях чёрной металлургии, в горной промышленности, в машиностроении, а также полную автоматизацию ГЭС.

Практически 50-е гг. явились периодом, когда автоматизация производства начала внедряться во все имеющие значительный удельный вес отрасли народного хозяйства СССР. В машиностроении — производстве тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин — были пущены автоматические линии; начал работать автоматизированный завод по производству поршней для автомобильных двигателей. Закончен перевод на автоматическое управление агрегатов ГЭС, многие из них были полностью автоматизированы. На ряде крупнейших ТЭЦ были автоматизированы котельные цехи. В металлургической промышленности около 95% чугуна и 90% стали выплавлялось в автоматизированных печах; были введены в эксплуатацию первые автоматизированные прокатные станы. Пущены автоматические установки на нефтеперерабатывающих предприятиях. Осуществлено телемеханическое управление газопроводами. Автоматизированы многие системы водоснабжения. Начали действовать автоматические бетонные заводы. Лёгкая и пищевая промышленность стала широко оснащаться автоматами и полуавтоматами для расфасовки, дозировки и упаковки продукции и автоматическими линиями по производству продуктов. Парк автоматизированного оборудования в 1953 вырос в 10 раз по сравнению с 1940. В металлообрабатывающей промышленности появились станки с программным управлением. Для производства массовой продукции были применены роторные автоматические линии. Во взрывоопасных химических производствах получило широкое распространение телемеханическое управление процессами.

Переходом к третьему этапу развития автоматизации послужили новые возможности ЧПУ, основанные на применении микропроцессорной техники, что позволило создавать принципиально новую систему машин, в которой сочетались бы высокая производительность автоматических линий с требованиями гибкости производственного процесса. Современные микроэлектроника и ЭВМ позволяют достичь высшего уровня автоматизации.

Дальнейшим развитием поточного производства является его автоматизация, сочетающая непрерывность производственных процессов с автоматическим их выполнением. Автоматизация производства в машиностроении и радиоэлектронном приборостроении (РЭП) развивается в направлении создания станков, автоматов, полуавтоматов и агрегатов с ЧПУ автоматизированных и автоматических поточных линий, автоматизированных и автоматических участков, цехов и даже заводов.

Автоматическая линия (АЛ) — это система согласованно работающих и автоматически управляемых станков (агрегатов), транспортных средств и контрольных механизмов, размещенных по ходу технологического процесса, при посредстве которых производится обработка деталей или сборка изделий по заранее заданному технологическому процессу в строго определенное время (такт АЛ).

Роль рабочего на АЛ сводится лишь к наблюдению за работой линии, наладке и подналадке отдельных механизмов, а иногда к подаче заготовки на первую операцию и снятию готового изделия на последней операции. Это позволяет рабочему управлять значительным числом машин и механизмов.

В соответствии с функциональным назначением АЛ могут быть механообрабатывающими, механосборочными, сборочными, заготовительными, контрольно-измерительными, упаковочными и др.

2. Развитие автоматизированных систем контроля

2.1 Основные этапы развития автоматизированных систем контроля

Автоматические средства контроля в процессе своего развития прошли ряд этапов становления. Причем эти этапы не являются полностью независимыми друг от друга по времени существования, имеет место наложение этапов, самостоятельное их развитие, взаимные влияния. В связи с этим выделение этапов развития средств контроля является довольно приближенным и зависит во многом от тех направлений науки и техники, в которых исследуются вопросы применения измерительной техники. Рассмотрим этапы развития автоматических средств контроля, применяемых в системах управления технологическими процессами и сложными объектами.

На первом этапе развития автоматизации подвергались лишь средства сбора измерительной информации и ее регистрации на аналоговых индицирующих и регистрирующих устройствах. Обработку результатов измерений и выработку соответствующих решений и исполнительных команд осуществлял оператор. В подобных системах управления объектом средства измерений представляли собой набор отдельных измерительных приборов. В результате при измерении большого количества параметров объекта оператор был не в состоянии охватить всю полученную информацию и принять оптимальное решение по управлению объектом. Это, в свою очередь, приводило к расширению штата обслуживающего персонала, к снижению надежности и качества управления и возрастанию эксплуатационных расходов.

На втором этапе все возрастающие требования к средствам измерений, обусловленные интенсификацией потоков измерительной информации, привели к созданию информационно-измерительных систем. В отличие от измерительного прибора информационно-измерительная система обеспечивает измерение большого количества параметров объекта и осуществляет автоматическую обработку получаемой информации с помощью встроенных в систему вычислительных средств. В задачу оператора системы управления теперь стали входить только принятие решений по результатам измерений и выработка команд управления. Централизованный сбор информации и ее обработка с помощью средств вычислительной техники резко повысило производительность труда оператора, но не освободило его от ответственности за управление объектом, обслуживаемого системой.

На третьем этапе развития появились информационно-управляющие системы и информационно-вычислительные комплексы, в которых осуществляется полный замкнутый цикл обращения измерительной информации от ее получения до обработки, принятия соответствующих решений и выдачи команд управления на объект без участия оператора. В состав таких систем входят вычислительные машины различных классов, универсальные или специализированные, с различной производительностью. Их применение позволяет обрабатывать огромные массивы измерительной информации. Главное достоинство таких систем заключается в том, что алгоритм работы систем стал программно-управляемым, легко перестраиваемым при изменениях режимов работы или условий эксплуатации объекта. Кроме того, труд оператора сводится теперь к диагностике состояния системы управления, обеспечению ее работоспособности, разработке методик измерения и программ функционирования.

Характерной особенностью второго и третьего этапов явился бурный рост цифровых измерительных приборов. Наибольшее развитие получили цифровые измерительные приборы электрических величин, поскольку в практике измерений неэлектрических физических величин они, как правило, преобразуются в электрические как наиболее удобные для передачи, регистрации, точного воспроизведения мер и др. В целом большинство этих приборов, обладая высокой точностью и быстродействием, автоматизируют лишь процесс сбора и регистрации измерительной информации, так как вычислительные и управляющие функции в них развиты слабо из-за ограничений, накладываемых элементной базой, допускаемыми габаритными размерами, массой и др.

В настоящее время благодаря достижениям микроэлектроники значительно уменьшаются габаритные размеры, масса и стоимость средств измерений и контроля. Применение микропроцессорных вычислительных устройств в средствах измерений поднимает последние на качественно новую ступень развития. В автоматических средствах измерений и контроля благодаря микропроцессорным устройствам управления и обработки информации в значительной мере стираются грани различий между измерительным прибором и системой. Оба средства измерений характеризуются в этом случае одними и теми же программно-управляемыми принципами функционирования. Отличие их заключается лишь в количестве измеряемых величин, в объеме памяти и оснащенности периферийными устройствами.

2.2 Системы автоматического контроля

2.2.1 Понятие «систем автоматического контроля»

Процесс контроля сводится к проверке соответствия объекта установленным техническим требованиям. При этом сущность контроля (ГОСТ 16 504−81) заключается в проведении двух основных операций:

— получение информации о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств (первичная информация);

— сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями, т. е. обнаружение соответствия или несоответствия фактических значений параметров требуемым (получение так называемой вторичной информации). Заранее установленные требования к объекту контроля могут быть представлены или в виде образцового изделия (такая форма достаточно часто встречается при контроле размеров в машиностроении), или чаще в виде перечня определенных параметров (свойств) и значений этих параметров с указанием полей допуска. Эти требования, которым должен удовлетворять контролируемый объект, определяют качественно различные области его состояния. Граничные значения областей состояния контролируемого параметра в дальнейшем будем называть нормами.

Операции контроля могут выполняться как с участием человека, так и без его участия, т. е. автоматически. Совокупность технических средств, с помощью которых выполняются операции автоматического контроля, называется системами автоматического контроля. Данные системы являются одним из основных звеньев систем более высокого порядка — систем автоматического управления или автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).

2.2.2 Структурная схема систем автоматического контроля

Принимая во внимание описанные выше функции контроля, можно представить обобщенную структурную схему системы автоматического контроля, состоящей из измерительных преобразователей, устройств сравнения контролируемых параметров с нормой и получения вторичной информации, а также устройств выдачи результатов контроля и управления. Вся информация, получаемая и обрабатываемая в системе, может быть представлена как в аналоговой, так и в цифровой формах. В последнем случае эти операции могут быть возложены на вычислительную машину.

Приведем вариант построения системы автоматического контроля (рисунок 1), состоящей из нескольких подсистем:

1 — коммутации и связи,

2 — измерительных преобразователей и генераторов испытательных воздействий,

3 — согласующих преобразователей,

4 — операционной подсистемы,

5 — ввода-вывода информации.

Структура системы контроля основывается на многоступенчатом преобразовании информации, когда параметры объекта контроля преобразуются в электрические унифицированные сигналы с последующим их преобразованием в цифровой код и обработкой на ЭВМ.

Рисунок 1 — Обобщенная структурная схема системы автоматического контроля:

ЦАП — цифроаналоговый преобразователь, АЦП — аналого-цифровой преобразователь

В ряде случаев анализ работоспособности объекта контроля должен производиться в нерабочем состоянии последнего. Например, анализ параметров резервной турбины гидроэлектростанции или проверка работоспособности систем самолета, находящегося на земле в предполетном состоянии. Работоспособность объекта в этом случае оценивают путем воздействия на объект (на его определенные точки или узлы, элементы) специально сформированных системой контроля испытательных (стимулирующих) сигналов и восприятия ответных реакций объекта на эти сигналы. Путем обработки полученной информации от объекта вырабатывается суждение о его работоспособности. Формирование испытательных воздействий осуществляется специальными генераторами, управляемыми от ЭВМ.

Кратко рассмотрим основное назначение составных частей, входящих в эту систему.

Подсистема коммутации и связи служит для непосредственного подключения системы к объекту контроля. В зависимости от конкретных условий связь может осуществляться с помощью проводных или кабельных линий либо путем использования высокочастотного радиоканала. В состав подсистемы коммутации входят устройства коммутации контролируемых сигналов и стимулирующих сигналов на объект контроля.

Подсистема измерительных преобразователей и генераторов испытательных воздействий содержит преобразователи различных физических величин, нормализаторы их выходных сигналов в унифицированные электрические сигналы, а также генераторы испытательных сигналов, формирующие воздействия на объект контроля.

Подсистема согласующих преобразователей состоит из преобразователей унифицированных аналоговых сигналов в код (АЦП для сигналов напряжения, тока и частотно-цифровые преобразователи для частотных сигналов) и обратных преобразователей кол — аналог для формирования испытательных воздействий.

Операционная подсистема по выполняемым функциям и внутренней структуре представляет собой специализированную вычислительную машину, которая может быть выполнена на микропроцессорных комплектах БИС.

В подсистему ввода-вывода информации входят устройства, обеспечивающие связь оператора с системой (пульт управления, дисплеи, электрические пишущие машины и др.), устройства регистрации информации, внешние долговременные запоминающие устройства, а также средства подготовки и ввода программ, например, программ управления ЭВМ (загрузчики, ассемблеры, редакторы, монитор и т. д.). Принципы сопряжения ЭВМ с другими подсистемами основаны на применении стандартных каналов передачи данных.

автоматический контроль микропроцессорный

2.2.3 Основные компоненты структур автоматических средств контроля

Анализ структур автоматических средств контроля показывает, что несмотря на довольно большое их многообразие, определяемое их целевым назначением, условиями функционирования объекта, характером и количеством исследуемых физических величин, требованиями к точности и достоверности контроля, производительности и др., они характеризуются довольно однородным составом компонентов (блоков, узлов, элементов), образующих в определенной своей совокупности тот или иной измерительный прибор или систему.

Непосредственное восприятие исследуемых физических величин объекта контроля осуществляют первичные измерительные преобразователи, выходные сигналы которых несут информацию о контролируемой физической величине. В большинстве случаев для получения количественной оценки измеряемого параметра необходимо подвергнуть выходной сигнал первичного преобразователя ряду преобразований с помощью промежуточных измерительных преобразователей, в результате которых сигнал принимает форму, наиболее удобную для регистрации, обработки, хранения и т, д. Все виды преобразований, которым подвергается измерительный сигнал в соответствии с выбранным методом измерения, реализуются с помощью технических средств, представляющих собой измерительную цепь. Таким образом, любая система контроля включает в свой состав одну или множество измерительных цепей, каждая из которых состоит из определенного числа первичных и промежуточных измерительных преобразователей.

Связь между каким-либо определенным параметром выходного сигнала измерительного канала и значением измеряемой физической величины не всегда является однозначной, линейной. Кроме того, измерительный канал практически во всех его звеньях подвержен воздействию сигналов (внутренних и внешних помех, шумов) и окружающей среды. Таким образом, получение достоверного конечного результата измерения связано с проведением различных операций коррекции, компенсации и определенных видов математической обработки измерительных сигналов. При этом могут использоваться как аналоговые, так и цифровые методы обработки сигналов, либо те и другие одновременно, что чаще встречается на практике. Однако в ряде случаев реализация цифровых методов обработки сигналов невозможна или затруднена из-за больших затрат машинного времени и сложности алгоритмов обработки, что обусловливает повышение требований к техническим средствам аналоговой обработки сигналов, так как именно они в основном определяют метрологические характеристики прибора или системы.

Одними из основных компонентов в структуре автоматических средств контроля являются аналого-цифровые преобразователи и частотно-цифровые преобразователи (ЧЦП), являющиеся переходными элементами от аналоговой части измерительного канала к его цифровой части. Выбор типа применяемого преобразователя зависит от вида входного сигнала, от требований к точности преобразования и быстродействию, от вида и формата выходного сигнала (параллельный или последовательный код, в двоичной или двоично-десятичной системе счисления и т. д.). В последнее время широкое распространение получили интегральные преобразователи, состоящие из одной или нескольких микросхем.

Для формирования аналоговых исполнительных сигналов в цепи управления объектом, а также для построения АЦП или цепей обратной связи в аналого-цифровых измерительных устройствах следящего уравновешивания широко используются цифроаналоговые преобразователи (ЦАП).

В современных автоматических средствах контроля основной объем обработки информации осуществляется цифровыми методами с применением средств цифровой вычислительной техники, в том числе и с помощью встроенных микропроцессорных комплектов БИС. В целом вычислительное устройство системы содержит обычные типовые узлы вычислительной машины: центральный процессор, устройства памяти, управления, обмена информации и др. Сопряжение измерительной цепи с ЭВМ осуществляется с помощью цифрового канала передачи данных — приборного интерфейса. Применение микропроцессорных комплектов БИС в средствах измерений и контроля позволяет за счет более сложных алгоритмов их работы, проведения операций коррекции, линеаризации и калибровки, а также других видов математической обработки сигналов повысить точность измерений, расширить функциональные возможности приборов и систем. Кроме того, как будет показано в гл. 9, применение микропроцессоров позволяет существенно упростить задачу построения многоканальных автоматических измерительных приборов.

Неотъемлемой и важной составной частью автоматических контроля являются устройства индикации, регистрации, хранения и дальнейшей передачи измерительной информации, для чего в состав средств измерений и контроля включается определенный набор периферийных устройств, выполняющих указанные операции: цифровые индикаторные табло, цифробуквенные печатающие машины, дисплеи, фотосчитыватели, блоки внешней памяти, устройства внешнего сопряжения и др. Состав периферийных устройств, входящих в состав какого-либо измерительного прибора или системы, определяется на стадии проектирования в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к данному средству измерений и контроля.

Включение в контрольную автоматическую систему микропроцессорной техники позволяет решать ряд задач новыми, более совершенными методами, в частности, микропроцессорная техника дает возможность значительно расширить применение фотоэлектрических и телевизионных методов контроля.

2.3 Микропроцессорные устройства систем автоматизированного контроля

2.3.1 Особенности микропроцессорных систем автоматизированного контроля

При разработке систем автоматизированного контроля часто встречается необходимость в использовании вычислительных устройств. В некоторых случаях роль таких устройств могли играть простейшие механические, электрические или пневматические аналоговые и, реже, дискретные вычислительные устройства. С развитием измерительной техники все чаще стала возникать необходимость в проведении более сложных расчетов, требующих использования ЭВМ. Часто это вызывало большие затруднения, так как разнообразие устройств измерения и контроля и, следовательно, алгоритмов обработки результатов измерений требовало' применения достаточно совершенных универсальных ЭВМ. Использование для расчетов ЭВМ вычислительных центров требовало непрерывной связи контролирующего устройства с таким центром, что неудобно, а в ряде случаев невозможно.

Задача использования вычислительных устройств в системах, требующих изменения алгоритмов обработки результатов замеров, была решена созданием микропроцессоров (МП) и основанных на их применении микропроцессорных измерительных устройств.

Отличительной особенностью МП являются широкие функциональные возможности и универсальность применения. Объединение МП в измерительном приборе с блоками памяти и блоками ввода-вывода информации практически разрешило задачу объединения измерительных и вычислительных средств.

Появление микропроцессорных измерительных систем и приборов обусловило новое направление развития приборостроения и потребовало нового подхода к проектированию и эксплуатации таких приборов. Их основной особенностью является программное управление и возможность перепрограммирования в процессе эксплуатации прибора. Их положительными качествами являются малые габаритные размеры, высокая надежность, легкость реализации требуемого алгоритма обработки измерительных данных.

Применение МП в автоматах контроля позволило решить задачи их многофункциональности, повышения точности и надежности контроля, расширить возможности, в ряде случаев упростить и облегчить управление и настройку автоматов, ввести в алгоритм работы автомата получение математических функций от измеренных величин, получение статистических характеристик. Использование типовых МП позволяет сократить трудоемкость разработки и проектирования автоматов контроля и организовывать на их основе системы автоматического контроля.

Однако применение микропроцессорных устройств в автоматах контроля не всегда оправдано. Их нецелесообразно, например, применять в следующих случаях:

— если необходима очень большая скорость сложной математической обработки результатов измерений по стабильной программе;

— если в процессе эксплуатации контролирующего автомата не требуется введение коррекции или изменение программы;

— для построения системы контроля невысокой сложности.

Только требование к перепрограммированию и расширению функциональных возможностей прибора в процессе его эксплуатации четко определяет необходимость разработки микропроцессорного измерительного устройства. Все остальные критерий относительны. Так, например, при современном состоянии техники считается, что МП не могут обеспечить быстродействие более нескольких миллионов операций в секунду. МП нецелесообразно применять, если их можно заменить системой, содержащей не более 20−30 БИС с «жесткой» программой. Однако с течением времени, вследствие разработки новых серий БИС эти критерии могут изменяться.

Следует учитывать, что применение быстродействующих управляющей логики и памяти усложняет отладку измерительных микропроцессорных устройств, так как при отладке необходимо соблюдать критические временные соотношения. Кроме того, с повышением тактовой частоты в измерительном тракте увеличивается уровень наводок и помех. Поэтому всегда следует выбирать МП с минимально необходимым быстродействием.

2.3.2 Основные области использования микропроцессоров в системах контроля

Применение микропроцессорных систем контроля позволяет объединять приборы, выполняющие различные функции, в одну контрольно-измерительную систему. В результате совершенствования микропроцессоров и увеличения числа выполняемых ими функций стали появляться универсальные многофункциональные системы-мультиметры. Так, например, использование микропроцессоров в электрических мостовых контролирующих устройствах позволяет при контроле получить на выходе такого устройства одновременно данные о емкости, сопротивлении утечки, тангенсе угла потерь конденсатора и катушки индуктивности, активном и индуктивном сопротивлениях, а также добротности катушки индуктивности. Микропроцессор может управлять временем измерения, осуществлять выбор диапазона измерения, выполнять функции интерфейса. Кроме того, он может обеспечивать автоблокировку, самодиагностирование, статистический анализ, коррекцию ухода нуля, линеаризацию характеристик измерительных преобразователей.

Алгоритмы юстировки устройства контроля с помощью микропроцессора могут быть разные: по внутренним и внешним образцовым мерам, значения которых запоминаются ПЗУ или вводятся перед юстировкой при внешней образцовой мере в ОЗУ. При этом уменьшается влияние многих факторов на погрешность измерения и, соответственно, повышается точность измерений.

При автоматической коррекции смещения нуля значение этого смещения хранится в ОЗУ микропроцессора и вычитается из результатов измерений. В соответствии с программой перед каждым измерением или определенной по объему группой измерений в ОЗУ вводится смещение нуля при отсутствии измеряемой величины на входе измерительного устройства, т. е. при ее равенстве нулю. Коррекция нуля позволяет значительно снизить требования к блокам измерительного устройства, сократить число юстировочных операций и выделить систему управления юстировочными операциями в съемный блок-модуль, который можно аттестовать отдельно от прибора или контролирующего устройства.

2.3.3 Функциональная схема автоматизированной системы контроля

Типичным представителем автоматизированной системы контроля, выполняющей функции распознавания, является система проверки (диагностики) состояния оборудования. В зависимости от стадии производства и испытания, от характера использования, эксплуатации и хранения объектов осуществляется (с помощью аппаратуры контроля) проверка функционирования (контроль объекта по определяющим параметрам, находящегося в рабочем режиме, в процессе его функционирования), проверка работоспособности (контроль состояния объекта по основным параметрам), поиск неисправностей (по основным параметрам) и проверка исправности объекта (как по основным, так и по вспомогательным параметрам). Проверка работоспособности, исправности и поиск неисправностей может проводиться как при рабочем режиме всего объекта (функциональный контроль), так и при возбуждении (вводе в рабочий режим) отдельных частей объекта, возможно с разрывом некоторых функциональных связей (тестовый контроль). В процессе испытания объекта может задаваться напряженный (форсированный) режим работы.

Назначение системы контроля определяет комплекс необходимых программ и влияет на технические особенности автоматизированной системы контроля. Однако все системы имеют набор в той или иной мере развитых функциональных блоков, выполняющих типовые операции, представленный на функциональной схеме, (рисунок 2). Входное устройство предназначается для приведения контролируемых величин к одному (унифицированному) виду как по характеру сигналов (например, напряжение, ток, давление), так и по диапазону. Измерительное устройство служит для преобразования аналоговых сигналов в форму, наиболее удобную для дальнейшего использования (цифрового и функционального преобразования, передачи на расстояние, регулирования и т. д.). Выходными сигналами измерительного устройства могут быть угловое перемещение, время — импульсные сигналы, частотные сигналы, унифицированные электрические сигналы.

Рисунок 2 — Функциональная схема автоматизированной системы контроля Для уплотнения (с целью экономии оборудования) и разделения каналов (при выводе информации) используется, как правило, временной принцип (с помощью коммутатора), поскольку он обеспечивает минимальное взаимное влияние каналов при большом их числе (порядка сотен и тысяч). Все современные автоматизированные системы контроля имеют цифровой выход, что определяет наличие аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в случае измерения аналоговых сигналов. Сравнение с уставками, устанавливающими норму и предельные значения зон контроля, снимаемыми с задающего устройства, может осуществляться как на аналоговой, так и на цифровой стороне системы. В последнем случае обеспечивается большая точность сравнения, но иногда усложняется аппаратура. Арифметическое устройство, включающее логические блоки, служит для реализации вычислительных и логических операций, необходимых для диагностики, анализа, прогнозирования, сравнения и т. п. Задание режимов работы системы и объекта контроля производится управляющим устройством, включающим программное устройство, задающее последовательность операций управления. Физические сигналы, выводящие ОК на заданный режим, вырабатываются возбуждающим устройством. Выходное устройство служит для представления обработанной информации оператору (отображения) и преобразования ее в форму, удобную для использования в ЭВМ, передачи, хранения, управления объектом контроля.

3. Автоматизированные системы контроля сегодня и завтра

Во-первых, все более отчетливо проявляется логическое и информационное взаимопроникновение различных уровней автоматизации бизнес-уровня, уровня проектирования и производственно-технологического уровня. Интеграция этих систем позволяет автоматизации стать реальной производительной силой и охватить предприятие в целом, от технологов-операторов до высшего руководства. Предприятие едино и должно функционировать в едином информационном пространстве только в этом случае появляется возможность оптимального и оперативного управления его финансово-хозяйственной и производственной деятельностью.

Во-вторых, идет интенсивное сближение стандартов и технологий сопряжения (интерфейсов) различных аппаратных и программных средств автоматизации, используемых как в рамках одного уровня автоматизации, так и при связи одного уровня с другими. Это позволяет без существенных дополнительных затрат объединять в одну систему оборудование от различных производителей, как приобретенное ранее, так и современное и планируемое к выпуску в будущем.

Внедрение подобных открытых технологий позволит предприятию сохранить уже вложенные и вновь вкладываемые в автоматизацию инвестиции в течение длительного срока.

В-третьих, наблюдается бурное развитие технологий Интернет и их все более глубокое проникновение во все уровни системы автоматизации предприятий. Это открывает принципиально новые возможности для взаимодействия пользователей с автоматизированной системой. С одной стороны, при работе в единой информационной среде пользователь может обходиться без специалиста-посредника между ним и системой автоматизации. С другой стороны, для приема и передачи компьютерной информации пространство и время сжимаются, доступ к информации становится такой же простой процедурой, как и звонок по телефону.

Будущее за полной и комплексной автоматизацией предприятия в целом как единого организма.

Заключение

Обеспечение высокого качества изделий связано с автоматизацией контроля на всех основных этапах производства. Субъективные оценки со стороны человека заменяются объективными показателями автоматических измерительных постов, связанных с центральными пунктами, где определяется источник брака и откуда направляются команды для предотвращения отклонений за пределы допусков. Особое значение для автоматизации производства приобретает автоматический контроль с применением ЭВМ на производствах радиотехнических и радиоэлектронных изделий вследствие их массовости и значительного количества контролируемых параметров. Не менее важны и выпускные испытания готовых изделий на надёжность. Автоматизированные стенды для функциональных, прочностных, климатических, энергетических и специализированных испытаний позволяют быстро и идентично проверять технические и экономические характеристики изделий (продукции).

Исполнительные устройства состоят из пусковой аппаратуры, исполнительных гидравлических, пневматических или электрических механизмов (сервомоторов) и регулирующих органов, воздействующих непосредственно на автоматизируемый процесс. Важно, чтобы их работа не вызывала излишних потерь энергии и снижения кпд процесса.

Реализованная при автоматизации производства идея построения приборов для контроля, регулирования и управления в виде агрегатов, состоящих из самостоятельных блоков, выполняющих определённые функции, позволила путём различных сочетаний этих блоков получить широкую номенклатуру устройств для решения многообразных задач одними и теми же средствами. Унификация входных и выходных сигналов обеспечивает сочетание блоков с различными функциями и их взаимозаменяемость.

В состав автоматизированного производства входят пневматические, гидравлические и электрические приборы и устройства. Наибольшей универсальностью отличаются электрические устройства, предназначенные для получения, передачи и воспроизведения информации.

В данной работе были рассмотрены:

— история развития автоматизации;

— основные этапы развития автоматизированных систем контроля;

— автоматические и автоматизированные системы контроля;

— направления развития автоматизированных систем в будущем.

Список используемой литературы

1. Автоматизация измерений и контроля электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов/ Под ред. А. А. Сазонова. [Текст] - М.: Изд-во стандартов, 1987. -328 с.