Государственная система приборов (ГСП), классификация и основные понятия.

Введение

Цель и значимость государственной системы приборов

Государственная система приборов представляет собой комплекс мер, направленных на стандартизацию, сертификацию и контроль качества различных видов измерительных, контрольных и медицинских приборов. Основная цель данной системы заключается в обеспечении точности, надежности и безопасности приборов, используемых в различных отраслях экономики, науке, медицине и повседневной жизни. Эффективная государственная система приборов позволяет:

• Гарантировать точность и единообразие измерений во всех областях применения.
• Обеспечить безопасность и надежность продукции, что особенно важно в медицине и промышленности.
• Повысить конкурентоспособность отечественной продукции на международных рынках за счет соответствия международным стандартам.
• Способствовать технологическому развитию и инновациям через внедрение современных стандартов и технологий.

Краткое описание темы и ее актуальность

Система приборов охватывает широкий спектр устройств, от простейших бытовых измерительных приборов до сложных медицинских и промышленных комплексов. Современная экономика, научные исследования и технологические процессы невозможны без использования точных и надежных измерительных средств. В условиях глобализации и ускоренного технологического прогресса особое значение приобретает стандартизация и сертификация приборов, что позволяет обеспечить их совместимость и взаимозаменяемость на международном уровне.

Актуальность темы обусловлена рядом факторов:

• Ускоренное развитие новых технологий и появление инновационных приборов требует постоянного обновления нормативной базы и системы контроля.
• Рост требований к безопасности и качеству продукции, особенно в критически важных отраслях, таких как медицина и энергетика.
• Интеграция в международные торговые и технологические процессы требует соответствия отечественных приборов международным стандартам.
• Необходимость обеспечения экономической устойчивости и конкурентоспособности страны через внедрение современных технологий и стандартов.

Определение

Государственная система приборов и средств автоматизации – это совокупность унифицированных приборов, блоков и устройств, которые предназначены для обработки, получения и использования информации.

История развития

Исторические предпосылки создания государственной системы приборов

История развития государственной системы приборов начинается с необходимости стандартизации и унификации измерений. Еще в древних цивилизациях, таких как Египет и Месопотамия, возникла потребность в точных измерениях для строительства, торговли и земледелия. Постепенно начали разрабатываться первые стандарты мер и весов.

С развитием науки и техники в Средние века и Новое время, потребность в точных и надежных измерительных приборах стала особенно актуальной. Возрастающий объем торговли и промышленного производства требовал единых стандартов измерений, чтобы обеспечить справедливость и точность во всех областях деятельности.

Этапы становления и развития системы

Дореволюционный период

В XVIII веке началось формирование первых государственных подходов к измерениям. В 1725 году по указу Петра I в России была учреждена Главная палата мер и весов, задачей которой стало установление и поддержание единства измерений. Этот шаг положил начало официальной стандартизации мер на государственном уровне.

В XIX веке метрология получила дальнейшее развитие. В 1845 году по распоряжению Николая I был создан Департамент мер и весов — центральный орган, ответственный за разработку и внедрение единых стандартов измерений на территории страны.

Советский период

В 1920-е годы, после революции 1917 года и гражданской войны, в стране остро возникла необходимость восстановления и системного развития метрологической инфраструктуры. В ответ на эти вызовы в 1923 году был основан Государственный институт мер и весов (ГИМВ), который стал главным научным учреждением в области измерений.

В 1930–1940-х годах, на фоне стремительного развития промышленности и научно-технического прогресса, появилась потребность в новых стандартах, более точных измерениях и контроле качества. Это привело к созданию целого ряда специализированных научно-исследовательских институтов, работающих в области метрологии и приборостроения.

В период с 1950-х по 1970-е годы совершенствовалась государственная система измерений. Активно разрабатывались и внедрялись новые методики, создавались современные измерительные приборы. Ключевым событием стало принятие в 1968 году Закона о метрологии, который заложил правовую основу для устойчивого развития этой сферы.

Постсоветский период

В 1990-е годы начался переходный этап, обусловленный распадом СССР и переходом России к рыночной экономике. Этот период ознаменовался реформированием системы стандартизации и метрологии. Вводились новые нормативные акты, ориентированные на соответствие международным требованиям и правилам.

В 2000-е годы и вплоть до настоящего времени развивается современный этап формирования государственной системы измерений и приборостроения. Широко внедряются международные стандарты, активно применяются новые технологии, а также развиваются инновационные подходы в производстве измерительных приборов. Значительное внимание уделяется совершенствованию системы сертификации, контролю качества и интеграции с мировыми метрологическими практиками.

Важнейшие достижения и изменения в различные периоды

XVIII-XIX века

• Создание первых государственных органов по стандартизации мер и весов.
• Введение единых мер и весов на государственном уровне.

XX век

• Создание Государственного института мер и весов.
• Внедрение новых стандартов и методик измерений.
• Принятие Закона о метрологии.
• Разработка и внедрение широкого спектра новых приборов.

XXI век

• Реорганизация системы метрологии и стандартизации в условиях рыночной экономики.
• Внедрение международных стандартов.
• Развитие новых технологий и инноваций в приборостроении.
• Укрепление системы сертификации и контроля качества, что позволило повысить конкурентоспособность отечественной продукции на международных рынках.

Общая информация о ГСП

Нормальная работа и технический прогресс всех отраслей хозяйственной деятельности потребовали создания государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП), которая бы обеспечивала разработку и производство разнообразных технических средств (ТС) измерительной и регулирующей техники.

Для стабильного функционирования и технологического развития всех секторов экономики возникла необходимость в создании единой государственной системы приборов и средств автоматизации (ГСП). Эта система предназначена для стандартизации, разработки и производства различных технических средств (ТС) в сфере измерительной и регулирующей техники.

Состав ГСП

Совокупность ГСП включает:

• Средства измерений (СИ): приборы, обеспечивающие точное измерение различных физических и химических параметров.
• Средства автоматизации (СА): устройства и системы, предназначенные для автоматизации производственных процессов.
• Средства управляющей вычислительной техники: компьютеры и микропроцессоры, используемые для управления автоматизированными системами.
• Программные средства: специальное программное обеспечение, обеспечивающее работу измерительных и управляющих систем.

Преимущества создания ГСП

Благодаря созданию ГСП стало возможным построение на единой элементной базе автоматических и автоматизированных систем для измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линиями и агрегатами.

Изделия ГСП

В состав ГСП входят устройства, необходимые для создания систем контроля, регулирования и управления производственными процессами и объектами в различных отраслях экономики, а также для автономного выполнения отдельных функций этих систем.

Группы измеряемых величин

В настоящее время ГСП охватывает в основном разработку и производство средств измерений (СИ), используемых в системах автоматизации. Эти средства измерений подразделяются на пять структурных групп:

1. Теплоэнергетические:
   • Температура, давление, перепад давления, уровень, расход.
2. Электроэнергетические:
   • Сила электрического тока, электрическое напряжение, электрический потенциал, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила, активная мощность, реактивная мощность, полная мощность, коэффициент мощности, частота, индуктивность, взаимная индуктивность, электрическая емкость, электрическое сопротивление.
3. Механические:
   • Линейные и угловые величины, угловая скорость, момент силы, момент пары сил, число изделий, твердость материалов, вибрация, звуковое давление, масса.
4. Химический состав:
   • Массовое содержание, химические свойства и состав газов, жидкостей, твердых тел.
5. Физические свойства:
   • Относительная влажность, электрическая проводимость, плотность, динамическая и кинематическая вязкость, мутность.

В последние годы наблюдается тенденция к расширению перечня измеряемых параметров в рамках ГСП. Это связано с усложнением задач управления объектами, вызванным повышением требований к качеству продукции, экономией сырья и снижением негативного воздействия на окружающую среду.

Основные понятия и определения в государственной системе приборов (ГСП)

Измерительная техника — это совокупность технических средств, методик и приемов, используемых для проведения измерений и интерпретации полученных результатов.

Технологические (технические) измерения — раздел измерительной техники, который объединяет устройства и методы, применяемые для измерений в технологических процессах.

Измерительные устройства, установки, системы — специализированные технические средства, предназначенные для выполнения измерений, различающиеся по сложности и принципам действия.

Приборы и средства автоматизации (ПрСА) — комплекс технических средств ГСП, включающий измерительные средства (СИ) и средства автоматизации (СА), предназначенные для восприятия, преобразования и использования информации с целью контроля, регулирования и управления.

Измерительный преобразователь — это средство измерения, предназначенное для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для передачи, преобразования, обработки или хранения. Обычно такие преобразователи не оснащены индикационными устройствами.

Естественный сигнал — сигнал первичного измерительного преобразователя, вид и диапазон которого определяются физическими свойствами преобразователя и диапазоном изменения измеряемой величины.

Виды естественных сигналов в ГСП: перемещение, угол поворота, усилие, временные интервалы, постоянное напряжение, переменное напряжение, активное сопротивление, комплексное сопротивление, электрическая емкость, частота.

Унифицированный сигнал — сигнал, который характеризуется неизменностью вида носителя информации и диапазона его изменения, независимо от типа измеряемой величины, метода измерения и диапазона изменения величин.

Совместимость технических средств (ТС) — способность автоматического взаимодействия технических средств в предусмотренных сочетаниях для создания более сложных комплексных устройств и систем без необходимости применения дополнительных средств или их модификации.

Нормирующий преобразователь — устройство, преобразующее естественный сигнал в унифицированный сигнал.

Интерфейс — совокупность средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств цифровой вычислительной системы и/или программного обеспечения (согласно ГОСТ 15971-84).

Работоспособность устройства — состояние, при котором устройство способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных технических характеристик в определенных фиксированных пределах, известных как область работоспособности.

Системы автоматизации — совокупность систем автоматического контроля, регулирования и управления (САКРиУ). Они подразделяются на следующие категории:

• Локальные системы
• Централизованные системы
• Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП)

Иерархический принцип управления в технике — принцип построения многоступенчатых систем управления, при котором функции управления распределяются между подчиненными уровнями системы.

Нормативно-техническая документация (НТД) — графические и текстовые конструкторские и технологические документы, устанавливающие обязательные и рекомендуемые требования, нормы, методы или конструкцию изделия, используемые при проектировании, изготовлении, испытаниях, эксплуатации или ремонте. К основным видам НТД относятся:

• Стандарты всех категорий
• Методические указания
• Руководящие технические материалы и методики институтов
• Общие технические требования
• Правила и руководства по применению
• Типовые технологические процессы
• Типовые методики испытаний
• Ограничительные перечни

Принципы построения ГСП

Основой для разработки средств ГСП служит блочно-модульный принцип. Этот принцип позволяет создавать сложные функциональные устройства из ограниченного числа простых унифицированных блоков и модулей. Благодаря этому возможно создавать новые измерительные и автоматизированные устройства из уже существующих компонентов, что ведет к значительной экономии. Структура, основанная на этом принципе, включает:

1. Модуль – устройство, выполняющее одну элементарную функцию.
2. Блок – устройство, выполняющее определенный набор функций и состоящее из нескольких модулей.
3. Прибор – комплекс из блоков и модулей, выдающий сигнал, воспринимаемый человеком.

Системотехническая основа создания и развития ГСП строится на следующих принципах и методах, регламентированных ГОСТ 26.207-83:

• агрегатирование;
• унификация;
• минимизация номенклатуры;
• формирование гибких, перестраиваемых компонентов системы;
• реализация эстетических и эргономических требований.

Принцип агрегатирования заключается в расширении и изменении функций отдельных технических средств (ТС) и создании на их основе автоматизированных систем путем соединения унифицированных блоков и модулей без внесения дополнительных конструктивных изменений. Этот принцип позволяет создавать более сложные устройства из простых унифицированных компонентов методом наращивания и стыковки.

Агрегатный комплекс (АК) представляет собой совокупность ТС, характеризующихся полной совместимостью и предназначенных для решения задач автоматического контроля и регулирования. Изделия АК строятся на унифицированной базе по блочно-модульному принципу с использованием базовых модулей. Различные комбинации устройств в АК позволяют реализовывать новые функции.

Принцип унификации обеспечивает совместимость изделий благодаря однообразию сигналов, интерфейсов, конструкций, элементной базы, модулей и блоков. Существует несколько видов совместимости изделий АК:

• энергетическая (использование одного вида энергии носителя сигналов в измерительных устройствах);
• функциональная (четкое определение, разграничение и увязка средств ГСП для обеспечения совместной работы);
• метрологическая (сопоставимость метрологических характеристик и возможность расчета характеристик всего измерительного тракта по характеристикам отдельных узлов);
• конструктивная (согласованность конструктивных параметров и механическое сопряжение средств);
• эксплуатационная (согласованность характеристик под внешними воздействиями);
• информационная (согласованность входных и выходных сигналов).

Изделия АК с указанными видами совместимости позволяют создавать измерительные системы (ИС) методами проектной компоновки, что значительно упрощает и ускоряет процесс создания систем. Унифицированный комплекс (УК) объединяет изделия нескольких типов, предназначенных для измерения различных величин или выполнения разных функций, строящиеся по блочно-модульному принципу на базе унифицированных конструкций.

Особенность изделий УК заключается в том, что соединение ТС комплекса в любых комбинациях не приводит к созданию новых функций. Принцип минимизации номенклатуры изделий ГСП предполагает максимальное удовлетворение потребностей в ТС за счет выпуска АК и унифицированных комплексов, соответствующих параметрическим рядам.

Реализация этих принципов позволяет создавать технические комплексы, изменять и расширять их функции на базе унифицированных конструкций и типовых модулей ГСП, изменяя характер их соединения и структурного сочетания. Принцип агрегатирования способствует рациональному использованию конструктивных элементов, взаимозаменяемости приборов и их узлов, упрощает и удешевляет обслуживание и ремонт, позволяет компоновать системы автоматизации с заданными характеристиками и совершенствовать изделия ГСП без полного обновления. Принцип совместимости при построении АК позволяет создавать системы автоматизации для различных отраслей промышленности, используя изделия различных АК.

Классификация средств измерения и автоматизации

Технические средства ГСП классифицируются по следующим признакам:

1. По выполняемым функциям:
   • Изделия получения, передачи, ввода и вывода информации.
   • Изделия преобразования, обработки и хранения информации.
   • Изделия использования информации.
   • Вспомогательные изделия (например, источники питания).
2. По виду энергии носителя сигналов в канале связи:
   • Электрические изделия.
   • Пневматические изделия.
   • Гидравлические изделия.
   • Комбинированные изделия.
   • Изделия, работающие без использования вспомогательной энергии.
3. По метрологическим свойствам:
   • Средства измерений.
   • Изделия, не являющиеся средствами измерений, которые подразделяются на:
     1. Изделия с нормируемыми точностными характеристиками (влияние на точность управляющих воздействий).
     2. Изделия без точностных характеристик.
4. По эксплуатационной законченности:
   • Изделия первого порядка.
   • Изделия второго порядка.
   • Изделия третьего порядка.
5. По защищенности от воздействия окружающей среды:
   • Обычные изделия.
   • Изделия, защищенные от попадания твердых тел.
   • Изделия, защищенные от попадания воды.
   • Изделия, защищенные от агрессивной среды.
   • Взрывозащищенные изделия.
6. По устойчивости к механическим воздействиям:
   • Виброустойчивые изделия.
   • Вибропрочные изделия.
   • Удароустойчивые изделия.
7. По одновременной защищенности от воздействия окружающей среды и устойчивости к механическим воздействиям.

Исполнение – это совокупность изделий одного типа с конструктивными особенностями, влияющими на эксплуатационные характеристики. Например, существуют тропические исполнения многих изделий, отличающиеся повышенной влагостойкостью пропиточных и изоляционных материалов, а также устойчивостью к разрушающему воздействию тропических живых организмов.

Функциональные группы изделий ГСП

По функциональному признаку технические средства ГСП разделяются на четыре группы устройств, каждая из которых предназначена для выполнения определенных функций:

Первая функциональная группа – устройства получения информации о состоянии технологического процесса.

• Включает: датчики и нормирующие преобразователи.

Вторая функциональная группа – устройства приема, преобразования и передачи информации.

• Включает: коммутаторы измерительных цепей, преобразователи сигналов и кодов, шифраторы и дешифраторы, согласующие устройства, телемеханические устройства измерения, сигнализации и управления.
• Назначение: преобразование сигналов, несущих измерительную информацию, и сигналов, несущих команды управления.

Третья функциональная группа – устройства обработки информации, формирования команд управления и предоставления информации операторам.

• Включает: анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, логические устройства, устройства памяти, регуляторы, задатчики, управляющие вычислительные устройства и комплексы.

Четвертая функциональная группа – устройства использования командной информации на объекте управления.

• Включает: исполнительные механизмы, усилители мощности, электрические преобразователи.

Классификация измерительных устройств ГСП по виду входных и выходных сигналов:

• По виду входных сигналов: электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные, без использования вспомогательной энергии.
• По виду выходных сигналов: аналоговые, цифровые, кодовые, комбинированные.

Эта структуризация позволяет четко определить функциональные роли различных технических средств в системах автоматизации и измерений, обеспечивая их эффективное взаимодействие и выполнение заданных задач.

Примеры агрегатных комплексов

Агрегатные комплексы (АК) представляют собой совокупность различных технических средств, разработанных для выполнения определенных функций в системах автоматизации и контроля. Например, агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования на микроэлектронной базе (АКЭСР) включает в себя регулирующие устройства, как аналоговые, так и релейные (П, ПИ, ПИД), а также функциональные преобразовательные и вспомогательные устройства. Такие комплексы применяются в автоматизированных системах управления (АСУ) непрерывными и полунепрерывными технологическими процессами, которые включают сложные перекрестные связи и каскадные схемы регулирования.

Другой пример – агрегатный комплекс средств контроля и регулирования (АСКР). Он состоит из центральных устройств обработки информации, устройств преобразования информации в аналоговой форме, устройств уплотнения информации и передачи по каналам связи, а также устройств связи с оператором и установок непрерывного избирательного контроля и позиционного регулирования. Этот комплекс широко используется для централизованного контроля и управления работой различных агрегатов, таких как перекачивающие агрегаты для магистральных газопроводов, турбо- и гидрогенераторы, циклические агрегаты текстильных производств и процессы выращивания кристаллов.

Комплекс щитовых электрических средств регулирования «Каскад-2» включает аналоговые и релейные регулирующие устройства, функциональные блоки и вспомогательные устройства. Он предназначен для локальных и централизованных систем контроля и автоматизации с относительно небольшим числом контролируемых параметров.

Микропроцессорные средства диспетчеризации, автоматики и телемеханики (микроДАТ) выполняют функции сбора, хранения и первичной обработки технологической информации, прямого цифрового регулирования и цифровой коррекции установок локальных регуляторов, а также программно-логического управления. Эти средства находят применение в распределенных АСУ ТП в металлургии, химии, нефтехимии, энергетике, машиностроении и приборостроении, а также в непромышленной сфере, такой как коммунальное хозяйство, транспорт и контроль окружающей среды.

Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ) включает устройства сбора и преобразования информации, коммутаторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также устройства измерения и представления информации. Этот комплекс широко используется в системах управления, научных исследованиях, испытательных и проверочных работах и технической диагностике.

Комплекс щитовых пневматических средств регулирования «Старт» состоит из аналоговых и позиционных регулирующих устройств, функциональных блоков и вспомогательных устройств. Он применяется в технологических процессах с агрессивной и пожароопасной средой, преимущественно в локальных системах контроля и регулирования.

Наконец, агрегатный комплекс средств гидравлического контроля и регулирования (АСГР) включает гидравлические аналоговые и дискретные элементы, датчики, регуляторы и поршневые исполнительные механизмы. Этот комплекс используется в локальных системах регулирования, где необходимо реализовывать большие перестановочные усилия в исполнительных устройствах.

Основные ветви системы

Обмен информацией между устройствами ГСП, которые входят в системы измерения и автоматизации, осуществляется через сигналы связи и интерфейсы. В зависимости от системы, используются разные виды сигналов.

В аналоговых системах контроля и регулирования применяются непрерывные измерительные сигналы, такие как ток, напряжение, световой поток или давление. Эти сигналы несут количественную информацию о измеряемой физической величине, на основе которой осуществляется управление объектом. Использование таких сигналов позволяет передавать информацию о состоянии технологического процесса в реальном времени и обеспечивает плавное регулирование параметров.

В цифровых системах контроля и регулирования применяется кодирование сигналов, что позволяет использовать их в цифровой форме. Этот подход существенно снижает вероятность потери информации, так как цифровые сигналы более устойчивы к помехам и искажениям. Цифровая обработка сигналов также обеспечивает более высокую точность и надежность при передаче данных.

Одновременно с формированием измерительной информации, сигналы связи обеспечивают дистанционную связь технических средств системы. Это позволяет организовывать централизованный контроль и управление технологическими процессами на больших расстояниях.

По характеру носителей информационных сигналов, ГСП подразделяются на две группы:

Группа 1: Энергетические носители

• Электрические сигналы: Используются в системах, где сигнал передается через электрические цепи.
• Пневматические сигналы: Применяются в системах, где информация передается через давление воздуха.
• Гидравлические сигналы: Используются для передачи информации с помощью давления жидкости.

Группа 2: Вещественные носители

• Перфокарты: Карты с перфорацией, используемые для хранения и передачи информации.
• Перфоленты: Ленты с перфорацией для аналогичных целей.
• Магнитные носители: Устройства для хранения и передачи информации с использованием магнитных полей.
• Печатные бланки: Бумажные носители информации, используемые для записи и передачи данных.

Энергетические носители сигналов предназначены для формирования измерительной информации и дистанционной связи технических средств. Для этих целей в ГСП применяются три вида энергии: электрическая (наиболее распространенная), пневматическая и гидравлическая. В зависимости от типа энергии устройства ГСП делятся на три ветви: электрическую, пневматическую и гидравлическую.

Пневматическая ветвь используется в особых условиях эксплуатации, например, во взрывоопасных помещениях. Гидравлическая ветвь необходима для создания больших перестановочных усилий. Вещественные носители предназначены для хранения и представления информации.

Электрические сигналы связи получили наибольшее распространение в системах автоматизации благодаря таким преимуществам, как высокая скорость передачи, низкая стоимость и простота прокладки линий связи, возможность передачи сигналов на большие расстояния, универсальность и доступность источников энергии. Однако, в некоторых случаях использование электрических сигналов может быть ограничено из-за опасности пожара и взрыва, а также недостаточной помехозащищенности.

Наибольшее распространение среди электрических сигналов получили унифицированные сигналы постоянного тока и напряжения. Они используются для передачи информации от датчиков к устройствам управления, а также для обмена информацией между устройствами управления и исполнительными устройствами.

Основные виды унифицированных аналоговых сигналов ГСП:

Частотные сигналы преимущественно используются в телемеханической аппаратуре, где они играют ключевую роль. В первичных преобразователях, предназначенных для измерения теплоэнергетических параметров, широко применяется сигнал, основанный на взаимной индуктивности.

Импульсные сигналы находят применение при передаче данных от сигнализирующих измерительных преобразователей, при мониторинге состояния двухпозиционных устройств, а также для передачи командных сигналов типа «включить – выключить».

Кодированные сигналы служат для обмена информацией между разнообразными цифровыми устройствами обработки данных. Эти сигналы используются для связи между датчиками и устройствами ввода, а также между блоками вывода и исполнительными устройствами, которые оснащены цифровым интерфейсом.