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

Государственная система приборов (ГСП)
Поделится:
Содержание

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

    • XVIII век: Появление первых государственных мер и весов. В России в 1725 году Петр I учредил Главную палату мер и весов, которая занималась стандартизацией мер.
    • XIX век: Развитие метрологии. В 1845 году по указу Николая I был создан Департамент мер и весов, который стал основным органом по стандартизации измерений.

    Советский период

      • 1920-е годы: После революции 1917 года и гражданской войны возникла необходимость в восстановлении и развитии системы метрологии. В 1923 году был основан Государственный институт мер и весов (ГИМВ).
      • 1930-1940-е годы: Активное развитие промышленности и науки потребовало создания новых стандартов и контроля качества приборов. В этот период создаются специализированные научно-исследовательские институты, занимающиеся метрологией и приборостроением.
      • 1950-1970-е годы: Совершенствование государственной системы приборов. Разрабатываются и внедряются новые стандарты и методики измерений, создаются новые виды приборов. В 1968 году был принят Закон о метрологии, который стал основой для дальнейшего развития системы.

      Постсоветский период

        • 1990-е годы: Переходный период, связанный с распадом СССР и переходом к рыночной экономике. В этот период происходят реформы системы стандартизации и метрологии, вводятся новые нормативные акты, соответствующие международным требованиям.
        • 2000-е годы и до настоящего времени: Современный этап развития государственной системы приборов. Активное внедрение международных стандартов, развитие новых технологий и инноваций в приборостроении. Укрепление системы сертификации и контроля качества.

        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.

                        Классификация измерительных устройств ГСП по входным и выходным сигналам

                        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:

                        Вид сигналаФизическая величинаПараметры сигнала
                        ЭлектрическийПостоянный ток0…5 мА; 0…±5 мА; 0…20 мА; 4…20 мА
                        Постоянное напряжение0…10 мВ; 0…±10 мВ; 0…20 мВ; 0…0,1 В; 0…±1 В; 0…10 В
                        Переменное напряжение-1…0…1 В; 0…2 В
                        Частота2…4 кГц; 2…8 кГц
                        ПневматическийДавление0,2…1 кгс/см² (0,02…0,1 МПа)
                        ГидравлическийДавление0,1…6,4 МПа

                        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.

                        • 09.06.2024