УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1998 года по МПК G06F17/40 

Изобретение относится к информационно- измерительной технике, а более конкретно- к системам для регистрации параметров технологических процессов, и может быть использовано в системах автоматизации научными экспериментами (САНЭ) при проведении испытаний сложных физических объектов, а также может использоваться в различных общепромышленных автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП).

Испытания сложных технических объектов, например газотурбинных, реактивных, ракетных двигателей, турбонасосных агрегатов, мощных силовых энергоустановок, характеризуются рядом специфических особенностей, основной из которых является разнородность информационных потоков, поступающих от испытываемых изделий, накладывающая серьезные ограничения на применение для регистрации телеметрической информации серийных регистрирующих устройств.

Дело в том, что длительность экспериментальных работ находится в широком диапазоне: от 0,001 до 3000 с, а суммарное время экспериментов и промежутков между ними достигает 15000 ч.

Кроме того, в ходе проведения эксперимента возникает задача получения экспресс-информации с целью внесения корректив в процесс испытания, что становится возможным при сопоставлении и анализе всего ряда генерируемых при испытаниях объектов данных.

Так как информация снимается с различных по типу и быстродействию датчиков, то различны и частоты опроса этих датчиков. Поэтому в практике электроизмерений и телеметрии параметры условно делились на "медленноменяющиеся" и быстроменяющиеся" и, соответственно, по этому условному признаку разрабатывались регистрирующие устройства и системы с применением соответствующих носителей информации (электрографическая бумага, магнитные ленты и диски и т.д.).

Такой традиционный подход неприемлем при проведении экспериментов по отработке сложных физических объектов в силу сложности получения экспресс-данных ввиду необходимости преобразования информации к единому стандарту и сведения всей полученной информации в единый банк данных, что требует применения вычислительной системы большой мощности и значительных временных затрат.

Это обстоятельство порождает, во-первых, большие затраты на программное обеспечение и дополнительное оборудование, а, во-вторых, одновременно приводит к дополнительной погрешности в связи с преобразованием информации к единому стандарту.

При проведении наземных испытаний сложных физических объектов, в частности ракетных двигателей в условиях имитации космических условий, требующих больших энергозатрат, временные задержки получения экспресс-информации недопустимы, так как значительно увеличивается стоимость проведения испытаний. Одновременно сведение информации в единый банк данных с различных носителей информации приводит к накоплению систематических ошибок, что резко снижает достоверность информации и надежность проведения испытаний в целом.

Поэтому задача создания устройства для регистрации параметров технологических процессов экспериментальных исследований сложных физических объектов является актуальной.

Известно устройство для регистрации технологических параметров, содержащее коммутатор группы элементов И по числу групп подключаемых датчиков, блок управления, блок синхронизации, генератор тактовых импульсов, блок памяти, счетчик результатов измерений и обработки, блок накопления и считывания значений параметра, блок формирования трехпараметрической квадратичной зависимости и блок печати [1].

В устройстве-аналоге [1] с целью повышения точности регистрации используется линеаризация методом кусочно-линейной аппроксимации. Однако устройство-аналог [1] может использоваться только для регистрации однородного потока информации, генерируемого датчиками медленноменяющихся параметров, что обусловлено задаваемым периодом считывания информации.

Таким образом, ограниченные функциональные возможности устройства-аналога [1] не позволяют использовать его в составе САНЭ для регистрации параметров технологических процессов испытаний сложных физических объектов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для регистрации параметров быстроменяющегося процесса [2].

Устройство-прототип [2] содержит два блока памяти, блок внешней памяти, соединенные информационно-управляющими шинами, датчиковую аппаратуру.

В устройстве-прототипе [2] используется бумажный носитель информации. Входной сигнал в виде N-разрядного параллельного кода поступает на вход устройства и далее на выходы младших разрядов адреса первого или второго блока памяти. При этом первый блок памяти находится в режиме записи, а второй - в режиме считывания. Одновременно на информационный вход блока памяти, находящегося в режиме записи информации, поступают синхроимпульсы от блока синхронизации.

При поступлении на вход устройства M значений входного сигнала и соответственно M синхроимпульсов происходит запись старших и младших разрядов кода адреса. После поступления на вход регистратора M x N отсчетов процесс записи прекращается и задним фронтом последнего записываемого сигнала происходит смена режима работы блоков памяти.

В устройстве-прототипе [2] осуществляется последовательный опрос одного из двух блоков памяти, находящегося в режиме считывания. За один цикл формирователя адреса электродов на бумажном носителе по "горизонтали" регистрируется кривая-строка, соответствующая одному уровню входного сигнала, "по вертикали" регистрируются M отсчетов входного сигнала. Таким образом формируется кадр, в котором уровни входного сигнала разворачиваются по вертикали за счет непрерывного движения носителя, а временные зоны t разворачиваются по горизонтали за счет расположения электродов в гребенке.

Устройство-прототип [2] в отличие от устройства-аналога [1] позволяет регистрировать быстроменяющиеся параметры, обеспечивая при этом сжатие информации в M раз, уменьшая таким образом расход бумажного носителя.

При проведении испытаний сложных физических объектов регистрируемый массив параметров (давления, температуры, вибрации, усилия, тока, напряжения, светового излучения и др.) практически невозможно отнести к медленно - или быстроменяющимся, так как на время одного испытания изделия любой из параметров может относиться к любой из указанных групп.

Кроме того, собственные динамические характеристики датчиков и различия в коэффициентах передачи каналов телеметрии обусловливают различные частоты опроса каждого параметра.

Устройство-прототип [2] позволяет вести регистрацию однородного потока информации с неизменной частотой опроса, что приведет в случае его использования в стендовых САНЭ, во-первых, к значительному увеличению объема памяти, так как все параметры необходимо опрашивать с максимальной частотой, а уменьшение цикла считывания приведет к искажению достоверности информации входного сигнала вследствие несоблюдения условий теоремы Котельникова, что недопустимо по технологии проведения испытаний.

Таким образом, узкие функциональные возможности устройства-прототипа [2] ограничивают его использование в составе стендовых САНЭ при испытаниях сложных физических объектов.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет одновременной регистрации различных потоков информации.

Это достигается тем, что в устройство для регистрации параметров технологических процессов, содержащее два блока памяти, блок внешней памяти, соединенные информационно-управляющей шиной, датчиковую аппаратуру, введены центральный процессор, системный интерфейс, модуль управления, модуль инициативных сигналов, формирователь управляющих сигналов, модули преобразования, информационно-управляющие шины, информационные шины, причем центральный процессор соединен с информационно-управляющей шиной и с системным интерфейсом, который соединен информационно-управляющими шинами с модулем управления, модулем инициативных сигналов, модулями преобразования, которые соединены информационными шинами с датчиковой аппаратурой, при этом модуль управления соединен информационно-управляющими шинами с формирователем управляющих сигналов, который через управляющие шины соединен с модулем инициативных сигналов, а каналы управления формирователя управляющих сигналов предназначены для подключения к системе автоматизации научными экспериментами.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма, иллюстрирующая работу устройства; на фиг. 3 а, б, в - программные меню; на фиг.4 - пример отображения зарегистрированной информации НЧ-, СЧ-, ВЧ-потоков.

Устройство содержит блок внешней памяти 1, информационно-управляющую шину 2, первый 3 и второй 4 блоки памяти, представляющие собой сверхоперативные ЗУ, центральный процессор 5, системный интерфейс 6, выполненный в стандарте PCI, модуль 7 управления, модуль 8 инициативных сигналов, шины 9, 10, 11, 12 информационно-управляющие, формирователь 13 управляющих сигналов, управляющие шины 14, информационные шины 15, модули 16 преобразования, аппаратуру 17 датчиковую, каналы управления 18 формирователя управляющих сигналов.

Блок внешней памяти 1 предназначен для приема и документирования массива информации, а также для хранения программ.

Блок внешней памяти 1 через информационно-управляющую шину 2 связан с первым 3, вторым 4 блоками памяти и центральным процессором 5.

Центральный процессор 5 через системный интерфейс 6, выполненный в стандарте PCI, через шины 9, 10 и 11 соответственно связан с модулем управления 7, модулем инициативных сигналов 8 и модулями преобразования 16. Модуль управления 7 через шину 12 связан с формирователем управляющих сигналов 13, который, в свою очередь, через управляющие шины 14 связан с модулем инициативных сигналов 8. Датчиковая аппаратура 17 через информационные шины 15 связана с модулями преобразования 16. Каналы управления 18 формирователя управляющих сигналов подключены к системе автоматизации научными экспериментами (на чертеже условно не показана).

Центральный процессор 5 осуществляет управление регистрацией параметров и блоком внешней памяти 1, распределением оперативной памяти, вводом и выводом информации в требуемой программой эксперимента форме.

Центральный процессор 5 соединен информационно-управляющими шинами с системным интерфейсом 6.

Модули управления 7 осуществляют подготовку программы эксперимента, загружаемую в формирователь 13 управляющих сигналов, то есть программирование формирователя на заданные частоты опроса датчиковой аппаратуры 17.

Формирователь 13 управляющих сигналов, выполненный по заявке на изобретение N 4611072/09 от 05.04.90 г. "Положительное решение о выдаче патента РФ от 25.01.96.", осуществляет выдачу покадровых импульсов управления для модуля 8 инициативных сигналов.

Модуль 8 инициативных сигналов осуществляет арбитраж покадровых импульсов по приоритетам и формирует сигналы управления для центрального процессора 5, который, в свою очередь, подтверждает прием сигналов выдачей сигналов готовности приема.

По каналам управления 18 осуществляется в процессе эксперимента включение и выключение регистрации того или иного потока информации или одновременное их включение/выключение.

Датчиковая аппаратура 17 осуществляет преобразование физических величин в нормализованные сигналы, которые модулями преобразования 16 преобразуются в информационный код требуемого формата.

Устройство работает следующим образом.

Работа устройства иллюстрируется временной диаграммой, приведенной на фиг. 2, где по оси абсцисс отложено текущее время, а по оси ординат - амплитуды импульсов тактовой частоты, команд управления включение/выключение регистрации, покадровых импульсов и временные зоны регистрации потоков информации.

В соответствии с требованиями эксперимента центральный процессор 5 формирует программу регистрации потоков информации, которая представлена тремя различными меню, то есть датчиковая аппаратура разбивается на три группы, где каждой группе соответствует своя частота опроса параметров (потоки П₁, П₂, П₃).

В каждом меню (фиг.3а, б, в) задается частота опроса датчиковой аппаратуры 17, позиции датчиков, которые имеют свой физический адрес и соответствуют данному потоку регистрации.

По завершении оформления задания эксперимента центральный процессор 5 через модуль управления 7 в соответствии с заданием программирует формирователь 13 управляющих сигналов, то есть для каждого потока П₁, П₂, П₃ формируется частота регистрации, заданная в меню. Одновременно в нем формируется сигнал готовности системы регистрации эксперимента и осуществляется разрешение приема управляющих сигналов от системы автоматизации научными экспериментами.

Если управляющие сигналы отсутствуют, то система регистрации находится в состоянии ожидания. При поступлении управляющих сигналов по каналам 18 от системы автоматизации научными экспериментами система регистрации начинает работу согласно временной диаграмме (фиг.2).

В момент прихода управляющего сигнала (ось t₄), например, соответствующего включению потока П₁ малой частоты опроса, формирователь 13 управляющих сигналов начинает формировать покадровые сигналы, по сути, синхроимпульсы, период которых соответствует частоте опроса (F_c, t₁) регистрируемых параметров данного потока информации.

При поступлении синхроимпульсов на модуль 8 инициативных сигналов происходит формирование модулем 8 сигналов прерывания центрального процессора 5. Центральный процессор 5 переходит на выполнение подпрограммы, соответствующей данному уровню прерывания, который осуществляет опрос и регистрацию параметров датчиковой аппаратуры 17, определенной в меню, заданном для данного потока. При завершении регистрации всех датчиков, заданных в меню, система регистрации переходит в состояние ожидания следующего кадрового импульса. Таким образом осуществляется регистрация всех датчиков данного потока для одного кадра (ось t₁₀). Центральный процессор 5 прерывается покадровыми сигналами модулей 13 и 8.

При поступлении управляющего сигнала на включение промежуточного потока (ось t₃) формирователь 13 управляющих сигналов одновременно с регистрацией потока "медленных" параметров (ось t₁₀) начинает формировать покадровые сигналы, соответствующие частоте опроса промежуточного потока (ось t₉). Таким образом, на модуль 8 инициативных сигналов поступают уже управляющие покадровые сигналы от двух каналов формирователя 13 управляющих сигналов, причем уровень приоритета распределен таким образом, что наивысшим приоритетом обладают покадровые сигналы, характеризующие большую частоту опроса F_с.

При одновременном приходе покадровых сигналов (например, "медленных" и "средних") центральный процессор 5 переходит к подпрограмме работы, которая соответствует высшему приоритету.

По завершении этой подпрограммы центральный процессор 5 возвращается к подпрограмме работы, имеющей низший приоритет. Работа подпрограммы идентична. Разница заключается лишь в том, что каждая подпрограмма работает со своим меню, заданным программой эксперимента.

При поступлении управляющего сигнала, соответствующего большей частоте опроса (ось t₂), формирователь 13 управляющих сигналов подключает третий канал управления, который начинает формировать управляющие покадровые сигналы, соответствующие данной частоте опроса (ось t₈).

Таким образом, на модуль 8 инициативных сигналов поступают управляющие импульсы одновременно от трех каналов формирователя 11 управляющих сигналов (оси t₈, t₉, t₁₀).

Центральный процессор 5 сначала выполняет подпрограмму регистрации для кадра, имеющего большую частоту опроса, и по завершении этой подпрограммы переходит к подпрограмме работы, соответствующей второму по значимости приоритету прерывания.

По завершении подпрограммы второго потока, если в этот момент не пришла команда на выполнение подпрограммы высшего приоритета, центральный процессор 5 переходит к подпрограмме регистрации с низшим приоритетом (см. фрагмент 1 на фиг.2).

Если в момент регистрации "среднего" потока приходит покадровый импульс от формирователя 13 управляющих сигналов, соответствующих высшему приоритету (ось t₈), то центральный процессор 5 переходит на регистрацию потока, имеющего большую частоту опроса.

Когда подпрограмма (см. фрагмент 2 фиг.2), соответствующая регистрации среднего потока, завершается, система регистрации работает с потоками информации, имеющими высшую и низшую частоты опроса по алгоритму, рассмотренному выше.

При поступлении управляющего сигнала от системы автоматизации научными экспериментами, например на выключение "быстрого" потока информации (ось t₅), формирователь управляющих сигналов 13 прекращает формировать покадровые импульсы, соответствующие "быстрому" потоку информации (ось t₈), и регистрация "быстрых" параметров прекращается. По приходу управляющего сигнала на выключение "среднего" потока информации (ось t₆) формирователь управляющих сигналов 13 прекращает формировать покадровые импульсы, соответствующие "среднему" потоку информации (ось t₉), и регистрации параметров "среднего" потока прекращается. По приходу управляющего сигнала от системы автоматизации научными экспериментами на выключение "медленного" потока информации формирователь управляющих сигналов 13 прекращает формировать покадровые импульсы, соответствующие регистрации "медленного" потока информации (ось t₁₀), и регистрация параметров "медленного" потока прекращается.

Процесс заполнения памяти характеризуется временными зонами (ось t₁₁), и таким образом центральный процессор формирует файл информации, соответствующий данному эксперименту и определяемый заданиями на регистрацию.

Единственным условием при формировании задания на регистрацию является соблюдение соотношения
П_Σ ≥ П_б+П_с+П_м
при П_б,с,м= F_с,б,с,м• N_б,с,м,
где
П_Σ - максимально возможный суммарный поток информации, определяемый быстродействием системы;
П_б - "быстрый" поток;
П_с - "средний" поток;
П_м - "медленный" поток;
F_с,б,с,м - частота опроса в каждом потоке;
N_б,с,м - число датчиков информации в каждом потоке.

Регистрация информации осуществляется поочередно блоками 3,4 памяти по каналу прямого доступа, и по их заполнении центральный процессор 5 осуществляет считывание данных во внешнюю память 1.

В процессе эксперимента возможно неоднократное включение/выключение любого из потоков информации.

Такая организация системы регистрации позволяет получать информацию с различных по типу и быстродействию датчиков одновременно, исключив потери за счет покадровой регистрации, и получать экспресс-информацию из всего потока, генерируемого объектом испытания.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, а именно к системам регистрации технологических процессов. Область применения: системы автоматизации научными экспериментами (САНЭ) при проведении испытаний сложных физических объектов, а также общепромышленные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). Технической задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей устройства за счет одновременной регистрации разнородных (быстроменяющихся, медленноменяющихся) потоков информации. Устройство содержит первый и второй блоки памяти, центральный процессор, системный интерфейс, модули управления, инициативных сигналов, преобразования, формирователь управляющих сигналов, а также информационные, управляющие и информационно-управляющие шины, осуществляющие связь указанных блоков между собой. Использование изобретения позволит обеспечить регистрацию информации с различных по типу и быстродействию датчиков, исключая потери информации за счет покадровой регистрации, и получать экспресс-информацию из всего потока, генерируемого объектом. 4 ил.

Устройство для регистрации параметров технологических процессов, содержащее два блока памяти, блок внешней памяти, соединенные информационно-управляющей шиной, датчиковую аппаратуру, отличающееся тем, что в него введены центральный процессор, системный интерфейс, модуль управления, модуль инициативных сигналов, формирователь управляющих сигналов, модули преобразования, информационно-управляющие шины, управляющие шины, информационные шины, причем центральный процессор соединен с информационно-управляющей шиной и системным интерфейсом, который соединен информационно-управляющими шинами с модулем управления, модулем инициативных сигналов, модулями преобразования, которые соединены информационными шинами с датчиковой аппаратурой, при этом модуль управления соединен информационно-управляющими шинами с формирователем управляющих сигналов, который через управляющие шины соединен с модулем инициативных сигналов, а каналы управления формирователя управляющих сигналов предназначены для подключения к системе автоматизации научными экспериментами.