CC BY
37
Секция моделирующих и управляющих комплексов
УДК 681.533
О.Н. Пьявченко
ЛОКАЛЬНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
В последнее десятилетие в АСУ ТП и в промышленных изделиях различного назначения завоевали прочные позиции распределенные микрокомпьютерные системы (РМКС) мониторинга, диагностики и управления.
РМКС представляют собой объединенные промышленными сетями [1] множества узлов - локальных микрокомпьютерных систем (ЛМКС), независимо обрабатывающих локальные данные и принимающих соответствующие решения в реальном масштабе времени. ЛМКС располагаются в непосредственной близости от датчиков физических величин и исполнительных механизмов. Взаимодействие независимых, но связанных между собой ЛМКС производится по сетевым протоколам.
В качестве сетевых узлов целесообразно использовать ЛМКС, в которых считанная с датчиков информация подвергается глубокой микропроцессорной обработке, а в сетевом обмене участвуют насыщенные полезной информацией данные. В связи с этим представляет практический интерес формирование обобщенного облика перспективных локальных интеллектуальных микропроцессорных систем (ЛИМКИС), способных в ближайшие годы стать базовыми компонентами РМКС мониторинга, диагностики и управления.
Основные функции, которые должны реализовать ЛИМКИС:
1. Считывание в реальном масштабе времени показаний аналоговых датчиков физических величин, хранение необходимых показаний и результатов их обработки.
2. Многофункциональная и углубленная обработка в темпе поступления показаний аналоговых датчиков, направленная на получение функционально полных результатов при сокращении объемов малоинформативной информации, хранимой в памяти ЛИМКИС и участвующей в обменах между узлами РМКС.
3. Оценка состояния процесса в пространстве измеряемых величин и тенденций его изменения.
4. Принятие решений о необходимых действиях в рамках установленных полномочий по результатам проведенных оценок с учетом информации, полученной от других узлов РМКС.
5. Передача принятых решений на исполнение и необходимых результатов для дальнейшей обработки в выделенные узлы одного уровня или более высоких уровней РМКС.
6. Обеспечение высокой степени защиты информации от несанкционированного доступа.
7. Самодиагностика программно-аппаратных средств.
8. Программные конструирование и формирование датчика.
9. Быстрая установка предельных уровней и режимов работы. Функциональная структура ЛИМКИС, соответствующая тенденциям развития РМКС и особенностям функционирования в их составе, приведена на рисунке.
Физи-
Модуль перемен - первичного преобразов ания и аналоговой обработки
удаленной загрузки ПО!
Модуль системного управления
Модуль цифровой обработки
Управляющие коды настройки
Модуль оценки состояния и принятия
решения -
Модуль вывода
Исполнительные ус трой -ства
Модуль сетевого обмена
Сетевой ка на л
Модуль п амяти
В основу построения ЛИМКИС положены следующие принципы: структуризация вычислительного процесса, базирующаяся на выделении проблемных, управляющих и коммуникационных процедур; аппаратно-программная поддержка основных процедур; конвейеризация и распараллеливание обработки информации в реальном масштабе времени; модульная структура интегрированных программных и аппаратных средств; построение на базе микропроцессоров со встраиваемой архитектурой.
Состав модулей в приведенной схеме определяется реализуемыми ЛИМКИС функциями. Преобразование физических величин в аналоговые сигналы напряжения (тока), усиление сигналов, ограничение их спектральных характеристик (фильтрация) и другие аналоговые операции осуществляются в модуле первичного преобразования и аналоговой обработки. Модуль реализуется на основе жестких схемотехнических решений. Его параметры устанавливаются кодами, поступающими с модуля памяти по командам модуля цифровой обработки.
Модуль цифровой обработки решает задачи преобразования аналоговых сигналов в цифровые коды, градуировки измерений с учетом нелинейностей характеристик, смещений нулей усилителей и температурных зависимостей, вычисления интегральных функциональных зависимостей от измеряемых переменных (интегральных параметров), реализации функций самоконтроля.
Уровень интеллекта ЛИМКИС во многом определяется функциями модуля оценки и принятия решений. Одной из распространенных функций остается процедура сравнения значений измеряемого параметра с граничными условиями. Однако наборы характеристик рассчитываемых интегральных параметров становятся богаче, а условия оценок текущих значений этих характеристик - разнообразнее и содержательнее. Кроме того, расширяется спектр решений, принимаемых по результатам таких оценок, и варианты их реализации.
В исполнении принятых решений участвует модуль вывода данных на устройства индикации и сигнализации, а также на близко расположенные исполнительные механизмы и модуль сетевого обмена. Этот модуль выполняется на базе специали-
зированного микроконтроллера, организует обмен информацией с другими ЛИМКИС и с более высокими уровнями РМКС, а также обеспечивает подключение через цифровую промышленную сеть удаленных исполнительных механизмов.
Функционирование ЛИМКИС организуется в рамках режимов, которые условно могут быть объединены в три группы: технологические режимы "Холодный пуск" и "Останов", подготовительные режимы "Загрузка ПО" и "Конфигурирование", основные режимы "Работа" и "Самоконтроль". В ЛИМКИС для инициирования режимов и организации их реализации предусмотрен модуль системного управления, который поддерживает удаленную загрузку ПО по специальному каналу, а также прием и выполнение команд системного управления, поступающих по сетевым каналам. Для этого в модуле системного управления имеются развитые служба времени и система прерываний.
В ЛИМКИС почти все модули реализуются программно--аппаратно. Исключение составляют построенные на основе жесткой логики модуль вывода и модуль первичного преобразования и аналоговой обработки. В упрощенном варианте интеллектуальный датчик может состоять из модуля первичного преобразования и аналоговой обработки, универсального микропроцессорного модуля цифровой обработки данных, оценки состояния, принятия решений и системного управления, модуля вывода и модуля сетевого обмена. Очевидно, что такой ЛИМКИС будет иметь невысокую производительность при хороших технико-экономических показателях. В противоположность минимизированному решению, в предельном случае все модули, за исключением модуля первичного преобразования и аналоговой обработки, могут быть построены на основе микропроцессоров, поддерживающих реализацию соответствующих проблемных, системных и коммуникационных функций. Такому решению может быть отдано предпочтение тогда, когда другие варианты менее эффективны из-за более низкой производительности, высокой тактовой частоты и значительной потребляемой мощности. Очевидно, что между выделенными структурными решениями лежит целый спектр пригодных для практической реализации структур. Таким образом, на практике возможно построение разнообразных версий перспективных ЛИМКИС. При этом серьезное внимание должно уделяться проектированию проблемных машинных алгоритмов, оказывающих определяющее влияние на технико-экономические характеристики изделий.
В основу проектирования алгоритмов кладется требование обеспечить погрешность цифровой обработки % не более некоторой предельно допустимой погрешности е %, т.е.
max\ \<s%. (1)
В процессе синтеза алгоритмов требование (1) выполняется, так как максимальные значения трансформированной погрешности датчиков v, методической погрешности численных методов ц и инструментальной погрешности ß, порожденной обработкой данных с ограниченным количеством разрядов, не превышают соответствующие предельно допустимые значения
max \ v, \<Sv, max \ ц \<ец, max \ ß, \<Sß. (2)
i i i
При этом в начале проектирования определяются требования к предельно допустимым погрешностям. Возможны два варианта. В варианте 1 известна погрешность датчика, и требуется, чтобы погрешность цифровой обработки не превысила задаваемую часть предельно допустимой трансформированной погрешно-
сти датчика. В варианте 2 погрешность цифровой обработки должна быть не больше заданной предельно допустимой погрешности е. Ниже приводится схема проектирования алгоритмов:
Формирование требований к погрешностям обработки
Вариант 1.
Предельно допустимая погрешность
ех = еу + ед + е з . (3)
Потребуем,чтобы
ех < пеу (л>!). (4)
Требование выполняется, если сумма методической и
инструментальной погрешностей
ед3 = ед + ез < (л -1)еу . (5)
Вариант 2.
Задана предельно допустимая погрешность е. Предельно допустимая погрешность
еу + ед + е 3 < е. (3)
Рассчитывается значение трансформированной предельно допустимой погрешности
еу > тах | у 11. (4)
1
Вычисляется суммарная предельно допустимая погрешность
_ед3 = ед + е3 = е — еу ._(5)
--Синтез алгоритмов
1. Вычисление трансформированной предельно допустимой погрешности 8v и расчет суммарной погрешности ецр (5) по варианту 1 или 2.
2. Выбор формулы приближенных вычислений, методические погрешности которых удовлетворяют условию
тж| ^р |<8цр (j е [U]). (6)
3. Синтез квантованных алгоритмов и оценка предельно допустимых инструментальных погрешностей
max | рй |<8цр (l = 1,2,3,...,L). (7)
4. Выбор R алгоритмов (R < L), инструментальные погрешности которых удовлетворяют условию (7).
5. Выделение алгоритмов, суммы погрешностей которых удовлетворяют условию (5).
6. Выбор алгоритма, имеющего минимальную вычислительную сложность.
Соблюдение приведенного порядка проектирования приводит к синтезу алгоритмов, обеспечивающих необходимую точность вычислений при минимальных объеме памяти и вычислительной сложности. В результате создаются необходимые предпосылки для создания ЛИМКИС с оптимальными характеристиками.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кругляк К. Промышленные сети: цели и средства// СТА. 2002. №4.
2. Шлетт М. Тенденции индустрии встроенных микропроцессоров // Открытые системы. 1998. № 6.
УДК 681.533
С.И. Клевцов
КОМПЕНСАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ГРАДУИРОВОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА
ДАВЛЕНИЯ
При использовании цифровой обработки сигналов для снижения погрешностей измерения давления, связанных с нелинейностью и температурной зависимостью выходной характеристики датчика, целесообразно проводить градуировку каждого первичного преобразователя (1111). В условиях производства для реализации задачи важно иметь экономичный, и в то же время эффективный и обоснованный метод формирования индивидуальной характеристики датчика.
В качестве кривой, аппроксимирующей обратную функцию преобразования датчика (далее, градуировочная характеристика), будем использовать полином второй степени:
У =У а +У ьУ + У У , (1)
где Y - заданная величина давления, фиксируемая преобразователем;
у - значение выходного сигнала преобразователя.
Аппроксимируя зависимость коэффициентов у , уь, у от температуры аналогичным образом, получим выражение для градуировочной кривой:
У =а0х0 +а1х1 +... + а8х8, (2)
где х0 = 1, х1 = Т, х2 = Т2, х = у,...
а0 = а0а ,а1 = а1а ,а2 = а2а ,а3 = а06 V"
Для построения экономичной и эффективной процедуры формирования гра-дуировочной характеристики датчика предлагается интегральный подход. Подход базируется на важной особенности МНК, заключающейся в том, что прямое регрессионное уравнение Ужж = /(х, уа, уь, ус) и обратное ему уравнение
^ = Г(У, Ьа , Ь Ь, Ьс) пересекаются в центре тяжести поля экспериментальных точек М(у , х ) , через который проходит линия регрессии в идеальном случае (при коэффициенте корреляции р = 1,0) (см. рисунок).
