Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие микроэлектроники, методов и средств передачи и обработки информации создают предпосылки для совершенствования системотехнических принципов организации информационно-измерительных систем (ШС). К важнейшим особенностям развития современных ИИС следует отнести переход от централизованной структуры к распределенной, расширение требований к функциональным возможностям и широкое использование микроэлектронных средств обработки измерительных сигналов с различной степенью интеграции схемных и системных функций.
Многообразие возможных способов организации связи между пространственно распределенными датчиками, исполнительными устройствами и средствами обработки информации диктуют необходимость совершенствования системотехнических принципов организации ИИС с распределенной Структурой (РИИС), важнейшей особенностью которых является наличие цифровых каналов передачи измерительной и управляющей информации. Начиная со второй половины 80-х годов, за рубежом формировалось научно-техническое направление по разработке и стандартизации распределенных систем сбора информации и управления для низовых звеньев, автоматизации на основе последовательных мультиплекских моноканалов (ЫМК) обмена информацией (по зарубежной терминологии "последовательные полевые магистральные шины ввода-ЕНВОда информации"), получившее название FIELDBUS. Направление FIELDBUS раазивается в рамках концептуальной модели интегрированных систем автоматизации на основе эталонной модели "Взаимосвязи открытых систем" (ВОС). Среди двух классов (HI и Н2)-систем FIELDBUS следует выделить системы класса НІ, представляющие собой РИИС и создаваемые для организации связи с удаленными датчиками и исполнительными устройствами (на расстоянии до 1900 м) на основе НМК с совмещенной передачей данных и энергии питания (ШК-СЦЦЭ) по двухпроводным физическим линиям типа "витая пара".
За рубежом как отдельными фирмами, так и объединениями фирм предприняты значительные усилия по созданию систем, отвечающих требованиям проекта FIELDBUS, на основе ШК-СЦЦЭ. Среди анонсированных проектов систем FIELDBUS следует выделить системы EURECA (совместный проект 14 крупных компаний 6 стран Западной
- 2 -Европы), Profіbus (соемоєтнкй проект 19 фирм, объединяемых ассоциацией электронной промышленности ФРГ ZEVI), разрабатываемой в рамках национального проекта ФРГ "Feldus" и ASI (проект консорциума немецких и швейцарских фирм). На актуальность и сложность проблем, связанных с созданием систем класса HI, отличительной особенностью которых является требование передачи питания по последовательной шине данных, указывает то, что проекты таких систем разрабатываются крупными объединениями фирм при значительной финансовой поддержке.
Б настоящее время работы по стандартизации систем FIELDBUS проводит МЗК (рабочая группа SC65C WG6), Инструментальное общество Америки ISA (комитет SP50) и Jemina (Япония). Кошігетом SP50 ISA в настоящее время сформулированы требования к характеристикам будущих систем двух классов слатоюсти - НІ и Н2.
Проблема создания PffiiC с ШК-СВДЭ включает ряд аспектов, затрагиващих методы организации обмена, принципы построения ка-налообразуюших средств, аппаратное и алгоритмическое обеспечение задач измерения и др., среди которых наиболее ванными являются аспекты, связанные с постановкой и решением следующих задач. Первая - разработка к исследование методов организация двухстороннего обмена с совмецзняой передачей данных и энергии питаній по двухпроводным 1ШК. Вторая - разработка принципов организации протоколов физического и канального уровня и канзлообразугадлх средстЕ для 1&К-СЦЦЭ. Третья - развитие методов повышения поме-хоустойчиивости, производительностк и точности РИИС на основе МЖ-СЦЦЭ. Интерес к проблеме создания распределённых измерительных и управлящих систем с ШК-СЦЦЭ подтверждается большим количеством публикаций, особенно, в зарубежной научно-технической литературе.
Результаты исследований, приведенные в диссертационной работе, получены в ходе выполнения ряда хоздоговорных к госбюджетных НИР по созданию систем измерения и контроля различного назначения, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора. Указанные НИР выполнялись по отраслевой программе ИЭТП СССР "Автоматизация" (1978-1980 г.г.), межвузовской программе "Шельф" (1985-1S90 г.г.), программе НИР межведомственного совета по координации ДВВД АН СССР "Глубинное строение Дальнего Востока" (1885-1391 г.г.), программа НИР Головного совета ЫВ и ССО PCffiCP 'Теология и разведка полезных ископаемых"
- З -(1989-1991), программам, НИР ГК РФ по высшему образованию, финансируемых по единому заказ-наряду (1992-1995).
Цель работы - развитие методов и средств реализации РИИС на базе ШК-СПДЭ с централизованным управлением обменом, отвечающих требованиям на системы FIELDBUS класса НІ, на основе решения ДЕух групп задач. Задачи первой группы связаны с разработкой и исследованием методов и средств построения каналов с совмещенной передачей измерительной информации и энергии питания по двухпроводным линиям:
исследование и разработка методов организации МЫК-СЦЦЭ, базирующихся на использовании энергии информационного -сигнала для дистанционного питания и многосимвольного алфавита для информационного обмена;
анализ и разработка принципов организации физического и канального уровней протоколов обмена и специализированных кана-лообраэующих средств для ШК-СЭДЭ;
исследование информационных и энергетических характеристик ММК-СПДЭ с различной топологией.
Задачи второй группы связаны с развитием методов и средств обеспечения задач измерения в распределенных измерительных системах:
развитие методов и средств распределенной обработки измерительных сигналов в ОУ на основе структур аналого-цифрового измерительно-вычислительного и функционального преобразования, обеспечивающие функционально полный набор операций для вычислительной обработки сигналов в измерительных каналах ОУ с целью расширения функциональных возможностей, повышения точности и производительности РИИС;
развитие и исследование структурных и структурно-алгоритмических методов повышения точности измерительных преобразователей и каналов для ОУ;
создание и внедрение специализированных ИИС и их элементов для решения ряда задач контроля,, испытаний и управления в промышленности и научных исследований.
Методы исследования. Результаты исследований базируются на на использовании теории передачи информации, электрических цепей, вычислительных устройств и систем, цифровых автоматов, численных методов, статистической теории связи, алгоритмической теории измерений, а также на накопленных к настоящему времени опы-
_4-те и результатах в области проектирования ИИС. Ряд результатов работы получен на базе математического моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новшпа, - состоит в разраЗотка методов и средств для посїроанш ИКС на осеоеэ ИйН-(2ЩЗ» рзализуешх с применением нового подхода, ваигзчсзпргсся s ксЕОЕьвовашш энергии информационного сигнала дві дистанционной'передачи энергии и многосимвольного алфавита для информационного обмена.
Основные научные результаты, выдвигаемые на зашиту, состоят в следующем:
1. Предложен и исследован ыетад организации мультиплексных
измерительных каналов с сощег^пной передачей данных и энергии
питания по двухпроводным лившій, базіфукціїйся на использовании:
анергии информационного сигнала для дистанционного питания ОУ;
активной прямой передачи на осноеє многоуровневой манипуляции информационных сигналов и пассивной обратной передачи с токовыми сигналами;
многосимвольного алфавита для информационного обмена.
-
Создана математическая модель электромагнитных процессов в ММК-СПДЭ, позволяющая исследовать путеы малинного моделирования влияние параметров сиг-калов, канала и его топологии на информационные и энергетические характеристики обмена;
-
Исследовано влияние электрсгзгннтных -процессов в ШК-СЦДЭ и режимов согласования линий связи на основные информационные и энергетические характеристики обмена и выработаны рекомендации по организации протоколов и каналообразующих средств;
-
Выполнен анализ помехоустойчивости ШК-СЦДЭ при различных методах приема в рекимах прямой и обратной передач и получены основные расчетные соотноиэния для оценки вероятности ошибки при приеме элементов сообщений в зависимости от отношения сигнал/шум и коэффициентов подавления помех в канале;
-
Разработаны физический и канальный уровни протоколов обмена в М1К-СОДЗ с многосимвольным алфавитом для информационного обмена, принципы построения и алгоритш функционирования . контроллеров какала и оконечных устройств при различных способах адресации и организации дисциплин обслуживания;
4. Обобщены принципы построения и применения аналого-цифровых измерительно-вычислительных преобразователей для построения
- 5 -измерительных каналов 07, выделены базовые структуры,.реализующие функционально полный набор вычислительных преобразований над измерительными сигналами;
-
Разработаны принципы построения и методы синтеза аналого-цифровых функциональных преобразователей для нелинейной обработки измерительных сигналов в ОУ на Саве структур, обеспечивающих высокую степень унификации элементной базы и микроэлектрон-ную реализацию. Предложен и обоснован метод аппроксимации дробными степенями для решения задач синтеза функциональных преобразователей с низкой чувствительностью к. погрешности воспроизведения весовых коэффициентов;
-
Развиты и исследованы структурные и структурно-алгоритмические способы компенсации и коррекции погрешностей в ИП и измерительных каналах ОУ. Разработаны способы и специализированные ИП для измерения ряда технологических параметров (напряжений, токов, энергии, сопротивления, температуры, давления, силы и
ЛР.)
Практическая ценность. Полученные в работе результаты создают научные и технические предпосылки для создания РИИС с широкими функциональными вээмсвшостями и высокими технико-эксплуатационными характеристиками и леглк в основу ряда практических разработок. Численные модели, алгоритмы расчетов и функционирования, аналитические соотношения, расчетные и экспериментальные зависимости, приведенные в работе, представляют собой основу для инженерных методик проектирования РОТС с ШС-СПДЭ и их отдельных элементов.
Практические результата заключаются в том, что основные теоретические положения доведены до конкретних практических реализаций в виде структурних, функцланальЕЫХ и схемотехнических ре-тений, инженерных мотодол анализа и проектирования, рекомендаций и комплексов программных средств.
Достоверность результатов исследовании подтверждена экспериментальными исследованиями и испытаниями аппаратных средств (каналообразущих средств, кгмерителгшх преобраэоютедей, приборов, систем и комплексов), реаютовЕщвых с исполъоованием, раз-риваемчх в работе теоретических положеяпй, методов, принципов к способов. Большинство предложенных в работе технических решений доведено до практических раграбокж, гйедревних в ряде организаций.
- б -
Внедрение результатов. Результаты исследований получены в ходе выполнения ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, по заказам промышленных предприятий и научных организаций.
Разработанные методы и средства (измерительно-вычислительные средства, комплексы, системы и приборы) внедрены на предприятиях и в организациях г.Ленинграда - ВНИИЭСО, ЦКТБО МЗП СССР; г.Тольятти - ПО "АвтоВАЗ"; г.Хабаровска - ИТиГ ДВО АН СССР, НПО "Дальстандарт", НПК "ТУКУР"; г. Магадана - ТП "Спецмонтажналад-ка", что подтверждено соответствующими документами. К наиболее значительным внедренным разработкам, выполненным под руководством и при непосредственном участии автора относятся:
система контроля качества сварки (АС NN 764895, 829369) -внедрена во ВНИИЭСО в 1979 г.;
система автоматического контроля и управления сварочными процессами (АС N 852475) - ВНИИЭСО (1980) и ЦКБТО МЗП СССР (1980);
система обработки сигналов для лазерных измерителей сверхмалых перемещений (АС NN 1088008, 1088009, 1260682) - НПО "Дальстандарт" (1983);
прибор для измерения сварочного тока (АС N 742073) - ГО "АвтоВАЗ" (1983);
комплекс многофункциональных аналого-цифровых устройств для обработки геофизической информации (АС N 1320819) - ИТиГ ДВО АН СССР (1987-1988);
аппаратно-программный комплекс для геофизических исследований методом UT3 - ИТиГ ДВО АН СССР (1991);
автоматизированная система испытании изделий на электрическую прочность - НПО "Дальстандарт" (1991);
система контроля температуры в сушильных камерах - ТП "Спецмонтажналадка" (1991) и ряд других.
Научные положения, выводы и рекомендации, а также практические разработки использованы при подготовке и чтении курсов "Управляющие вычислительные машины и микропроцессоры", "Электроника и микросхемотехника" и "Аналоговые и гибридные ЭВМ" для студентов специальностей "Автоматика и управление в технических системах" и "Вычислительные машины и системы", а также в курсовом и дипломном проектировании в Хабаровском государственном техническом университете.
- v -
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ВНТС "Применение микропроцессорных вычислительных систем для управления технологическими процессами" (Смоленск, 1979 г.). межвузовской НТК "Разработка и моделирование в технических и социально-экономических проблемах освоения океана" (Владивосток, 1985 г.). I—III Дальневостсчшй НПК "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных .предприятий" (Комсомольск-на-Амуре, 1986, 1989, 1992 г.г.), НТС "Применение микропроцессоров, микро- и персональных ЭВМ" (миасс, 1990), международных симпозиумах "The Actual Problems of The Scientific and Technological Progress of The Far Eastern Region The Base of Soviet Union-China Direct Cooperation" (Хабаровск, 1991 г.), "The Second International Slmposlum on Promotion of Scientific and Technological Progress In The Far East" (Harbin, PRO, 1992 г.), "The Actual Problems of The Scientific and Technological Progress of The Far Eastern Region" (Хабаровск, 1993 r.)i а также на НТК ЛЭТИ и ХГОІ.
Материалы исследований и разработки обсуждались на научно-технических советах и семинарах БНВДЭСО, ЦНИИТС, ВНИИФТИ, ИТ и Г ДВО АН СССР, МИНиГ, НПО "Дальсгандарт", ХГТУ, НИИКТ, СПбГЭТУ и в ряде других организаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 75' работ, включая 2 монографии, 40 статей, 1 учебное пособие и 10 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы из 214 наименований и приложения. Основная часть работы излажена на 249 страницах машинописного текста. Работа содержит 124 рисунка, 9 таблиц и 3 приложения.