2. Информационно-измерительные системы в составе систем управления автоматизированным оборудованием.
2.1. Назначение и обобщенная структура информационных измерительных систем.

Измерительная информационная система по ГОСТ 8.437-81 представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и вспомогательных механических средств для получения измерительной информации, её преобразования, обработки с целью представления в требуемом виде, либо осуществление логических функций контроля диагностики, идентификации.

Современные ИИС – это, как правило, многоканальные и территориально распределенные цифровые системы, состоящие из большого количества аппаратных и программных элементов. Если они входят в состав АСУ или другой информационной системы, их очень трудно выделить, т.к. в этом случае одни и те же цифровые устройства выполняют функции, относящиеся как процессу управления, так и процессу сбора информации [10-17].

Важную роль в ИИС играет организация коммуникационной среды для объединения измерительных каналов и связи с устройствами сбора данных и передачи информации из системы конечному потребителю. Для построения ИИС в России чаще всего используют следующие протоколы и стандарты: промышленный или коммерческий вариант Ethernet-сети, RS-422, RS-485, CAN, PLC, GSM, Wi-Fi и др. [11, 12]

Типичная ИИС включает следующие аппаратные компоненты:
• Датчики;
• Коммутаторы измерительных сигналов;
• Сетевые концентраторы;
• Коммуникационные каналы;
• Устройства сбора и передачи данных (УСПД);
• Рабочие станции для вывода сведений;
• Промышленные компьютеры;
• Серверы.

ИИС предназначенна для получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.

Различные технические средства ИИС могут размещаться в разных точках пространства и используются для измерения физических величин, изменяющихся во времени и распределённых в пространстве. Как следствие, процесс измерения с использованием пространственно распределённых, различных, обособленных в функциональном и конструктивном исполнении технических средств ИИС порождает пространственное и временное распределение исходной, промежуточной и результирующей измерительной информации (в форме чисел, отсчётов, сигналов, кодов). Для интеграции такой распределённой во времени и в пространстве информации необходимо обеспечить соответствующие условия её хранения, передачи, обработки, отображения, регистрации, документирования и дальнейшего распространения.

Рисунок 2 - Структурная схема ИС
ИИС — измерительная система; ЛС — линия связи; Д — датчик; ИП — измерительный преобразователь; К — измерительный коммутатор; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; МИП — многоканальный групповой измерительный преобразователь; ЦВК — цифровой вычислительный компонент.
На рис. 2 приведена типовая структурная схема нецифровой ИИС, содержащей датчики, измерительные преобразователи (одноканальные и многоканальные), коммутаторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифровой вычислительный компонент (ЦВК). Из схемы ясно, что большая часть ИС (её первичная и вторичные части) осуществляет аналоговые преобразования измерительных сигналов, и только на выходе вторичной части (на выходе АЦП) появляются промежуточные значения физических величин, представляемые в виде цифрового кода. Получение числовых результатов измерений происходит только в конечном компоненте ИС – в ЦВК в процессе приёма им в реальном масштабе времени кодов с АЦП и их последующей дискретной обработки (вычислений) в своей разрядной сетке (с достаточной разрядностью для достижения требуемой точности вычислений) с использованием соответствующих форматов данных и алгоритмов.

В рассматриваемой структуре ИИС преобразования измерительной информации распределены пространственно между компонентами системы, но жёстко связаны во времени: информация на выходе одного компонента должна в реальном масштабе времени и с минимальными задержками быть обработана следующим в измерительной цепи компонентом. Длительное хранение информации, представленной в аналоговом или дискретном виде в том или ином компоненте ИИС (за исключением ЦВК), невозможно и недопустимо. Такую структуру системы можно назвать слабо связанной в пространстве (компоненты конструктивно и пространственно обособлены друг от друга), но сильно связанной во времени (связь во времени между функционирующими компонентами нельзя прервать даже на короткий период). В этой ИИС все операции, производимые теми или иными компонентами, независимо от их вида (измерительные, связующие, вычислительные), являются составной частью процесса измерения и не могут быть из него вычленены. Неправильная работа какого-либо компонента, даже такого пассивного, как линия связи, автоматически приведёт к ошибочному результату, то есть к метрологическому отказу.

В итоге, хотя ИИС содержит пространственно, конструктивно и функционально обособленные компоненты различного назначения, система в целом должна рассматриваться как единое средство измерения (СИ) с вытекающими из этого соответствующими метрологическими последствиями: утверждением или аттестацией типа СИ и его метрологическим контролем. Такая ИИС по своей метрологической сути идентична первичному СИ, выполненному в виде законченного изделия. Внутри системы могут выполняться различные операции как измерительного, так и неизмерительного назначения, но в целом она должна рассматриваться как СИ. Основой реализации всех подобных систем является технология глобальной обработки измерительной информации в виде аналоговых или дискретных сигналов.

Совсем иная картина складывается в случае цифровых ИИС. Современные цифровые ИИС используют в своей основе новейшие технологии глобальной машинной обработки измерительной информации, представленной в цифровом виде.

При этом, цифровые ИИС, используют на нижнем уровне первичные измерительные преобразователи с цифровым выходом и длительно хранимой цифровой базой данных, формируемой в точке измерения. Результатом применения таких технологий является то, что ИИС становятся слабо связанными системами не только в пространстве, но и во времени: доступ к цифровым измерительным данным нижнего уровня систем возможен практически в любое время при полной гарантии сохранения результатов измерений в точке измерения и их неискажённого получения для дальнейшей обработки на верхних уровнях системы.

Все иные процессы на других уровнях цифровой системы представляют собой исключительно процессы неизмерительного назначения: передача, хранение, обработка, анализ, отображение, документирование и распространение цифровой информации известной точности (точность представления и обработки такой информации может быть существенно выше точности результатов измерений, представленных в цифровом виде внутри системы на её нижних уровнях). Эти процессы не относятся к процессам измерений, а только используют их результаты [18-20].

Одна из важнейших проблем, возникающих в АСУ ТП, при автоматизации измерений и в других областях, заключается в резком увеличении стоимости системы с ростом ее сложности. Объективная причина этого явления состоит в том, что сложные системы часто изготавливаются в единичных экземплярах, а это не позволяет сделать их дешевыми.

Распространенный метод решения указанной проблемы состоит в делении системы на модули таким образом, чтобы каждый из них становился коммерчески эффективным изделием и мог изготавливаться несколькими конкурирующими производителями в больших количествах. Однако при этом возникает проблема аппаратной и программной совместимости модулей. Для дости¬жения совместимости интерфейс, конструктив и выполняемые функции таких модулей должны быть стандартизованы.

Открытой называется модульная система, которая допускает замену любого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в свободной продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с другими системами (в том числе с пользователем) выполняется без преодоления чрезмерных проблем.

Поэтому понятным становится стремление выполнить ИИС в составе АС автоматизированного оборудования модульной (открытой).

Открытость можно рассматривать на разных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспечения системы или ее составных частей. Открытыми, например, могут быть:
• физические интерфейсы, протоколы обмена, методы контроля ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организации сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения аналоговых сигналов;
• пользовательские интерфейсы, языки программирования контроллеров, управляющие команды модулей ввода-вывода, языки управления базами данных, операционные системы, средства связи аппаратуры с программным обеспечением [15, 16].