СТА 2/2010

www.cta.ru СТА 2/2010 110 Подведены итоги конкурса на лучшую статью , опубликованную в журнале «Современные технологии автоматизации» за 2009 год. Голосование проводи лось среди читателей журнала «СТА» и участников форума на сайте www.cta.ru . Победителем конкурса стал В. Денисенко со статьями «Беспроводные локальные сети» («СТА» 1–2/2009) и «По вышение точности путём многократных измерений. Часть 1» («СТА» 4/2009). Высокую оценку получили статьи Глизенте Ландрини «Критерии выбора компонен тов с уровнем SIL 3 для РСУ и систем ПАЗ в соответствии со стандартами МЭК» («СТА» 3–4/2009) и Джорджа Томаса «Вве дение в протокол Modbus» («СТА» 2–3/2009). Большой интерес читателей вызвали статьи «Бумажные» особенности национальной военной электроники» (Олег Писаренко, Виктор Бабарыкин, «СТА» 3/2009), «Новые упрочнённые ЖК дисплеи i sft для про мышленных применений» (Виктор Ждан кин, «СТА» 1/2009), «Компьютерные моду ли: стандарты, спецификации и основ ные принципы использования» (Алек сандр Буравлёв, «СТА» 1 2/2009), «Масшта бируемые мультипроцессорные вычисли тельные системы высокой производи тельности» (Александр Буравлёв, Марк Чельдиев, Александр Барыбин, Валерий Костенко, Денис Тумакин, Галина Петрова, «СТА» 3/2009). Мы поздравляем победителя и объявляем конкурс на лучшую статью, опублико ванную в журнале «СТА» в течение 2010 года. Победитель получит премию. Подведение итогов конкурса — во втором номере журнала за 2011 год. В качестве жюри будут высту пать читатели «СТА», указавшие лучшую статью в карточке обратной связи или в форуме на сайте www.cta.ru . электромагнитных помех значи тельно сильнее, чемпроводные. ● Надёжность связи: при несвоевре менной смене батарей питания, изменении расположения узлов сетиилипоявленииобъектов,вно сящих затухание, отражение, пре ломление или рассеяние радио волн, связьможетисчезнуть. ● Ограниченная дальность связи без использования ретрансляторов (обычноне более 100м внутрипо мещений). ● Резкое падение пропускной спо собности сети при увеличении ко личества одновременно работаю щих станций и коэффициента ис пользования канала. ● Безопасность: возможность утечки информации, незащищённость от искусственно создаваемых помех, возможность незаметного управ ления технологическимпроцессом враждебными лицами. Уникальным достоинством бес проводных сетей является отсутст вие кабелей, что и определяет выбор областей их применения в системах промышленной автоматизации. Рассмотрим физические причи ны возникновения перечисленных проблем и методы борьбы с ними. Основными причинами являются интерференция, дифракция, ломление, отражение, рассеяние (переизлучение)и снижениеплотно сти мощности излучения при увели чении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном про странстве. Зависимостьплотности мощностиизлучения отрасстояния Известно, что плотность мощно сти радиоволны уменьшается поме ре удаления от антенны вследствие расхождения пучка, рассеяния и по глощения волн препятствиями на путиихраспространения.Плотность мощностиP(d) волнына расстоянии dотисточникаприближённоописы вается следующей зависимостью [7]: (1) где d 0 — некоторая константа, опре деляемая экспериментально; пара метр γ= 2...6 [7] зависитотконструк ции антенны, диапазона частот, на личия препятствий на пути распро странения электромагнитной волны. 0 () ( ), t Pd Pd d γ ≈ В условиях промышленного пред приятия γ= 2…3 [7]. По указанным причинам каждый участник беспроводной сети имеет ограниченную зону уверенного приёма, которая представляется приближённо в форме сферы. Это приводиткнеобходимостипланиро вания расположения беспроводных станций таким образом, чтобы зоны уверенного приёма непосредственно связывающихся станций перекрыва лись.Если станции расположены на расстояниинеуверенногоприёма, то небольшие изменения окружающей обстановкимогут привести к потере сообщений или снижению скорости передачи. Ограниченность радиуса действия передатчиковпривелак возникнове нию ячеистых сетей [8], в которых информацияпередаётсяне через об щийканалсвязикаквпроводныхсе тях, а от узла к узлу, используя про межуточные узлы сети в качестве ретрансляторов и маршрутизаторов. При выходе из строя или удалении из сетинекоторых узлов сеть автома тически находит новый маршрут, чтобы доставить данные адресату. Добавлениек сетиновогоустройства также может происходить автомати чески, то есть ячеистые сети облада ют свойством самоорганизации. Влияниеинтерференцииволн Электромагнитная волна передаю щей станции на пути следования ис пытывает интерференцию, цию, отражение,преломлениеи рас сеяние.Поэтому в точкеприёма вол наявляется суперпозициеймножест ва волн, имеющих разные фазы и направления волнового вектора. ложение волн приводит к интерфе ренции, которая может быть конст руктивной (когда сигнал в точке приёма усиливается)илидеструктив ной (когда сигналослабляется— эф фект «замирания»). Деструктивная интерференция приводит к несколь ким отрицательным следствиям. первых, сигналв точкеприёмаможет оказаться ниже порога чувствитель ностиприёмника,чтоприведёткпо тере связи. при щемся источнике или приёмнике в точке приёма возможны многократ ныесменысильногоислабогосигна ла, что может привести к потере не скольких битов информации или уменьшению скорости передачи за счёт повторных передач кадров с ошибкой. если разность времени задержки волн, прошедших разными путями, превысит ность символа, соседние символы в сообщениимогутнакладыватьсядруг на друга, вызывая эффект межсим вольнойинтерференции. Источникипомех Существуют также другие причи ны искажений передаваемого сигна ла: паразитное взаимовлияние с седних каналов, эффект Допплера, помехи от работающих двигателей, разряды статического электричества и др. Это может привести к потере пакета, повторной передаче и, как следствие, непредвиденной задерж ке в канале. Интенсивность потока ошибок зависит отмощностиисточ ников помех, типа модуляции и мощностипередатчика, от частотно годиапазона,другихпричиниобыч ноизменяется с течением времени. Измерения, выполненные в работе [7], показали, что чипсет, соответст вующий стандарту IEEE 803.11b, в индустриальном окружении даёт п ток кратковременных ошибок, ха рактеризующийся вероятностью 10 –4 ...10 –2 при скорости передачи 2Мбит/с и использовании квадра турной фазовой модуляции QPSK (Quadrature Keying).Кро ме того, в процессе измерений эпи зодически возникали периоды про должительностьюдо1мин,когдапо тери данных доходили до 10 и даже 80%. Аналогичные результаты н блюдалисьивдругихэкспериментах. Следствием помех в канале может быть не только потеря данных или замедление скорости передачи, но и проблема пространственной непро тиворечивости. Она заключается в следующем. Когда система исполь зуетшироковещательный режим пе редачи без уведомления о получе нии, предполагается, что все ёмники должны получить одни и те же данные одновременно. Однако вследствие ошибок в канале некото рые потребители могут получить ошибочные данные. Такая ошибка особенно нежелательна, еслиширо ковещательный режим используется дляобеспечения синхроннойработы нескольких контроллеров в одном и том же технологическом процессе, поскольку она приведёт к рассин хронизациипроцесса. 91 СТА1/2009 www.cta.ru ВЗАПИСНУЮКНИЖКУИНЖЕНЕРА 90 СТА1/2009 www.cta.ru Существует много объектов авто матизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их при менение явножелательно: ● датчики и исполнительные ус ройстванаподвижных частях кон вейеров, мельниц, лифтов, миксе ров,тележекдляперемещения гру зовпо цеху,на крыльяхи лопастях самолетов,наподшипниках телей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики вибрации на контейнерах дляперевозки гру зов, а также датчики на теле чело векаиживотных; ● объекты, в которых нежелательно сверлитьстеныилипортитьдизайн, например офисные здания, в рых устанавливаются пожарная и охранная сигнализация, датчики для системобогреваикондициони рованиявоздуха,датчикидлямони торинга механических напряжений в конструкциях зданий,жилые п мещения со статусом «умного до ма», в которых развёрнуты системы управления бытовыми приборами, освещением,микроклиматом, кон тролемдоступаипр.,а такжемузеи, памятники архитектурыи т.д.; ● системы, предполагающие дическое программирование и ди агностикуПЛК (прокладка посто характера его использования здесь чаще всего просто невыгодна) или дистанционное считывание пока заний счётчикови самописцев; ● объекты с агрессивными средами, вибрацией, а также объекты,нахо дящиесяпод высокимнапряжени ем или в местах, неудобных для прокладкикабеля; ● системыотслеживания траектории движения транспорта, охраны ниц государства, мониторинга на пряжённости автомобильного фика в городах и условий на доро гах,мониторинга леса,моря, сель скохозяйственных угодий, мони торинга вредных для экологии выбросови т.п.; ● любые объекты, для которых из вестно, что стоимость кабелей, к бельных каналов, опор или тран шей, а также работ по монтажу и обслуживанию существенно пре вышает стоимость заменяющей беспроводной системы при усло вии отсутствия жёстких требова ний к надёжности доставки сооб щений в реальном времени; ● объекты во взрывоопасных зонах [1]. В большинстве применений бес проводные сети позволяют достичь следующих преимуществ по сравне нию спроводными [1]: ● существенно снизить стоимость установки датчиков; ● исключить необходимость лактического обслуживания лей; ● исключить дорогостоящие узлы разветвлений кабеля; ● уменьшить трудозатраты, а также время на монтаж и обслуживание системы; ● снизить стоимость системы за счёт исключения кабелей; ● снизить требования к обучению персонала монтажной ции; ● ускорить отладку системы и поиск неисправностей; ● обеспечить удобную модерниза цию системы. Поскольку реконфигурация систе мы и её монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традицион ныхобластяхприменениякабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем ус тановка беспроводной сети. Беспроводные сетиделятсяна сле дующие классы: ● сотовые сетиWWAN (WirelessWide AreaNetwork); ● беспроводные LAN (Wireless LAN—WLAN); ● беспроводные сети датчиков. В промышленной автоматизации наибольшее распространение полу чили три типа беспроводных сетей: Bluetooth [2] на основе стандарта IEEE 802.15.1, ZigBee [3] на основе IEEE 802.15.4 [4] иWi на основе IEEE 802.11 [5, 6].Физические уров нимоделиOSI [1] для этих сетей ос нованы на соответствующих стан дартах IEEE, а протоколы верхних уровней разработаны и п ваются организациями Bluetooth, ZigBee иWi соответственно. П этому в названии сетей обычно ука зывают ссылки на стандарт. Все три сети используют нелицензируемый диапазон ISM (Industrial, Scientific, andMedical) 2,4ГГц. П РОБЛЕМЫБЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙИПУТИИХРЕШЕНИ Я С точки зрения требований к про мышленнымсетямбеспроводныес ти уступают проводным по ряду ха рактеристик. ● Время доставки сообщений: и пользуемый механизм случайного доступа к каналуCSMA/CA не га рантирует доставку в заранее из вестное время [7], и эту проблему нельзя решить с помощью комму таторов, как впроводных сетях. ● Помехозащищённость: беспровод ные сети подвержены влиянию В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Беспроводные локальные сети Часть1 ВикторДенисенко стандарта IEEE 802.15.4 может иметь одну из двух топологий: звёздную, по казаннуюнарис.7 а ,илиодноранговую («равный с равным»), показанную на рис.7 б . Все устройства в сети независимо от топологии должны иметь уникальный расширенный адрес. Этот адрес используется для коммуникации в пределах сети или может быть изме деляемый координатором в процессе подключения устройств к сети. динаторможет быть подключён к сети питания, а остальные сетевые устрой ствамогутиметьбатарейноепитание. Одноранговая сеть такжеимееткоор динатора, однако она отличается тем, что любое устройство может ваться данными с любым другим, если оно находится в зоне досягаемости р диосвязи, в то время как в звёздной то пологии любое устройствоможет взаи модействоватьтолькоскоординатором. Отметим, что одноранговая сеть полу чаетсявсегдадороже,посколькуонасо держит только полнофункциональные устройства,ноблагодаряэтомуонапоз воляеторганизовыватьсетиболееслож ной топологии, в том числе ячеистые. Большинство промышленных прило женийтребуютпримененияодноранго вых сетей.Книмотносятся управление и мониторинг, сенсорные сети, отсле живаниеместоположения имущества и товара, «интеллектуальное» сельское хозяйство, системы безопасности. О норанговые сетимогут быть специали зированными, самоорганизующимися и самовосстанавливающимися. Они позволяют передавать информацию между узлами сети независимо от рас стояниямеждуними,используя жуточные узлы в качестве ретранслято ров. Эти функции выполняются уров немприложениймоделиOSI. Несколько сетей могут взаимодей ствовать друг с другом.Для этого дая сеть должна иметь уникальный се тевой идентификатор. Благодаря ему внутри сетимогут использоваться сок ращённые адреса.Поэтомуполный ад рес устройства для доступа извне (из другой сети) состоит из адреса сети и короткого адреса устройства. Базоваяструктурасетизвёзднойтопо логиипоказананарис.7 а .Послеперво го включения полнофункционального сетевого устройства оно может о зоватьсвоюсобственнуюсетьистатьсе тевым координатором. Все сети звёзд ной топологиифункционируютнезави симо одна от другой. Это достигается выбором сетевого идентификатора, ко торыйнеиспользуется другими сетями, находящимися в пределах радиуса действияданнойсети.Послевыборас тевого идентификатора координатор можетпринятьв состав сетидругие ус ройства,какFFD, такиRFD. Водноранговойсети (рис.7 б )каждое устройство может взаимодействовать с любым другим устройством, находя щимсявпределахегорадиусадействия. Одноиз устройств натором,например то,котороепервым включено в сеть.При дальнейшем рас ширении сети можно отойти от ранговой топологии и создать ную топологию,вкоторойбудут жаться и устройства с сокращённой функциональностью. Примером применения одноранго вой коммуникации между устройства ми может быть кластерное дерево (рис.8). Кластерное дерево является специальным случаем одноранговой сети,вкоторойбольшинство устройств являются полнофункциональными. Устройства с сокращённой нальностью могут быть подключены к кластерномудереву толькокак ные узлы на концах ветвей, поскольку они могут быть подключены только к одному полнофункциональному ус ройству. Одно (любое) из циональных устройств в сети должно играть роль сетевого координатора и обеспечивать синхронизацию с миустройствами.Сетевойкоординатор должен иметь повышенные в тельныересурсы. При формировании сети типа терного дерева сетевой координатор назначает себя главойпервогокластера (CLaster Head – CLH), присваивает своемукластеруидентификатор0 ter er – CID, CID=0) и выбирает идентифи катор всего формиру мого клас терного де рева. После этого коор динатор посылает всем соседним ус ройствам широковещательную ду с маячковым фреймом. Устройства, получившие маячок, могут запросить разрешения присоединиться к руемому кластеру. Если сетевой динатор разрешает присоединение, он добавитновоеустройствовсвойсписок соседних устройств. Затем вновь соединившееся устройство добавит CLH в качестве родительского устрой 97 СТА2/2009 www.cta.ru ВЗАПИСНУЮКНИЖКУИНЖЕНЕРА 96 СТА2/2009 www.cta.ru Модельпередачи данных В IEEE 802.15.4 существует три типа обменныхпроцессов: ● передача от устройства к сетевому координатору; ● передача от сетевогокоординатора к устройству; ● передача между двумя выми устройствами. В звёздной топологии используются только двапервых варианта,поскольку внейне существуетобменовмежду норанговыми устройствами. Когда устройство собирается дать данные координатору в сети см ячками, оно сначала пытается о жить маячок. Когда маячок найден, устройство подстраивается к структуре суперфрейма.Устройствопередаётдан ные координатору, используя интер вальный (слотовый, "Time Slot") низм CSMA/CA. В ответ координатор отсылаетфреймуведомленияополуче нии.Наэтомциклобменазаканчивает ся. Если устройство собирается дать данные в сети без маячков, оно передаёт данные, используя безынтер вальныйметодCSMA/CA. Когда координатор желает передать данныеустройствувсетисмаячками,он помещает вмаячокинформацию о том, чтоимеютсяданные,готовыекпередаче. Устройство периодически анализирует содержаниемаячкаи, если внёмимеет ся информация о наличии сообщения, готовогокпередаче,устройствопередаёт команду запроса данных,используяи тервальный метод CSMA/CA. Коорди натор подтверждает приём запроса дан ных с помощью фрейма уведомления. Вслед за этим координатор отсылает данные, используя интервальныйметод доступаCSMA/CA.Устройствоподтвер ждаетприём данных отправкой уведом ления (рис.5). Если координатор собирается п дать данные без использованиямаячка, онзапоминаетданныеиждётзапросаот устройства. Устройство может передать команду запроса данных координатору, используя безынтервальный метод CSMA/CA.Координатор сначалапосы лает уведомление о получении (в том жецикле обмена), затем, используя CSMA/CA,отсылаетданныеиполучает уведомлениеополученииотустройства. Структурафреймов Структурафреймовбыласпроектиро вана по критерию минимальной ности, обеспечивающей надёжную п редачу данных в зашумлённом канале. Всоответствии с модельюOSI каждый токолу свой заголовок. Стандарт пре дусматриваетчетыре типафреймов: ● фрейммаячка; ● фрейм данных; ● фрейм уведомления ополучении; ● фрейм командMA Фрейм данных (рис. 6) начинается с преамбулы, которая совместно сполем «Старт» служит для синхронизации данныхвприёмнике.Поле«Длина»со держит длину поляMA в байтах (октетах).Поле «У равление»содержитслужебную мацию об управлениифреймами, поле «Номер»– порядковыйномер данных, поле«Адрес»–адреснуюинформацию, поле «Данные»– N байт передаваемой информации. Завершается фрейм по лемконтрольной суммыКС. Сетевойуровень Особенностью сетей ZigBee является возможность выполнять ретрансляцию передаваемых данных через множество промежуточныхузловвсети,причёмпри выходеизстрояиливыключенииодного гойпутьдляпередачиинформации.При включении питания устройства сеть за нововключаетеговсвойсостав. Стандарт различает два типа уст ройств:полнофункциональныеустрой ства (FFD – Device) и устройства с сокращённым набором функций (RFD – Re n Devices). FFD могут работать в сети с древовидной топологиейвкачестве ординатора сетииливкачестве устрой ства. FFD могут обмениваться мацией с другими FFD или RFD, но RFD могут связываться только с FFD. RFD гораздо проще и дешевле, чем FFD.Любая сетьдолжна содержать,по крайней мере, одно нальное устройствоFFD. В зависимости от требований ретного применения сеть на основе В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Беспроводные локальные сети Часть2 ВикторДенисенко Координатор Устройство Маячок Запросданных Уведомление Уведомление Данные Преамбула Старт Длина Управление КС Данные Номер Адрес 4байт 1байт 1байт 2байт 1байт 4–20байт Nбайт 2байт Координатор Координатор Кластеры 1 2 3 4 0 5 6 7 8 0 CLH1 CLH2 CLH3 CLH5 CLH4 CID=0 CID=1 CID=2 CID=3 CID=4 CID=5 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 1 2 3 4 Рис.5.Процесспередачиданныхот координатора к устройству Рис.6.Форматфреймаданныхпо стандарту IEEE802.15.4 а б Рис.8.Пример сети с топологиейкластерного дерева (ветви указываетотношения подчинённости, ане каналы связи) Рис.7.Звёздная (а)иодноранговая (б) топологии сети (чёрныйкруг–полнофункциональное устройство FFD,белый круг– устройство с сокращённойфункциональностьюRFD) уменьшена до уровняМЗР путём многократных измере ний споследующим усреднениемрезультатов. Разрешающая способность не зависит от перечисленных факторов,и это объясняет её отличие отпорога чувствитель ностиипогрешности.Разрешающая способность увеличива етсяприуменьшениислучайнойсоставляющейпогрешности. Приведём несколько примеров, когда требования к решностинанесколькопорядковмогутотличатьсяот требо ванийкразрешающей способности. Пример 1 Предположим, имеется релейный регулятор, который в соответствии с алгоритмом своейработыдолженопределить знакразностимеждутемпературойвпечиизначениемустав ки.Если дляизмерения температурыиспользуется ра с датчиком температуры холодного спая с погрешностью измерений 2°C, то для измерения температуры в диапазоне 0...100°C достаточно 50 уровней квантования, что может быть обеспечено АЦП. Если же использовать АЦП, торазрешающая способностьпо темпе ратуре составит 100/2 16 = 0,0015°C. В случае применения АЦПколебаниятемпературывпроцессерегули рованиянемогутбытьменее2°С,в товремякакприисполь зовании АЦП амплитуда колебаний прибли жаетсяк 0,0015°C.Такойрегуляториспользуется,когда важ на стабильность во времени, а не точность соответствия ус тавке. Например, стабильность (а не точность) важна для термостатов, которые используются при калибровке датчиков методом сличения с показаниями образцового прибора.Напомним,чтоальтернативнымвариантомявляет сякалибровкаспомощьюкалибратора (задатчика),который должен иметь высокую точность (и одновременно стабиль ность) задания температуры. Пример 2 В элеваторах для хранения растительного сырьянаблюда ется эффект самосогревания, связанный в основном с дея тельностьюмикроорганизмов.Дляобеспечения го качества зерна абсолютное значение температуры доста точно знать с погрешностью в несколько градусов, нофакт её роста желательно фиксировать с разрешающей способ ностью0,1...0,01°С.Высокаяразрешающаяспособностьпоз воляетпредупредить развитие очага самосогреванияна ней стадииирасположитьдатчики температурынабольшом расстоянииодинот другого. Пример 3 Если требуется обнаружитьмомент времениначала ческой реакции по признаку начала роста температуры, то необходим прибор с высокой разрешающей способностью, нонеобязательно с высокой точностью. Пример 4 Пусть требуется оценить параметры колебательного про цесса: декремент затухания колебаний, период колебаний, коэффициент нелинейных искажений, длительность пере ходного процесса, величину помехинафоне полезного нала.Дляоценкивсехперечисленныхпараметровнаходится соотношениеординатилиабсциссфункциивразных её точ ках, то естьпропорциимеждуотдельнымичастями графика, которые не зависят от самого значения функции.Поэтому такие измерения могут быть выполнены прибором, щим низкую точность, но высокую разрешающую способ ность.Дополнительным требованием в этом примере явля ется достаточная линейность измерительного канала в рас сматриваемом диапазоне. Для улучшения разрешающей способности при низкой точностииспользуется «электроннаялупа» (аналогичнаяоп ция вфотоаппаратах называется zoom).В основе принципа работы«электроннойлупы»лежитсвойстволюбых ностей f ( x )приближатьсяклинейным зависимостям прималых Δ x , что обеспечивает отсутствие нелинейных и каженийформыисследуемогосигнала.Работа «электронной лупы» состоит в том, чтоизисследуемого сигнала вычитает сянекоторыйпостоянный уровень f ( x 0 ), а разность усилива ется спомощью аналогового усилителяиликвантуетсяАЦП с высокой разрядностью. При этом величина постоянного уровня может быть задана с низкой точностью, поскольку цельюявляетсяизмерениесоотношенийотдельныхучастков сигналамежду собой, а не относительно единицыфизичес кой величины. Отметим,чтопонятие разрешающаяспособность отсутству ет вруководствепометрологииРМГ [2].Причина, в роятно, в том, что данное понятиене связано с измерением как операцией сличения с эталоном, но связано с оценкой отношениймеждуфизическимивеличинами,ниоднаизко носитсякизмерениям. Точность,разрешающаяспособностьипорогчувствитель ностивобщемслучаевышеуАЦПсбольшимчисломдвоич ных разрядов, хотя прямой связи здесь нет.АЦП с высокой разрядностью может иметь большой уровеньшумов, в куюнестабильностьисточникаопорногонапряженияи свя занную с этимиособенностяминизкую точность. Усреднениерезультатов некоррелированныхизмерений Рассмотримнекоторое средствоизмерений,например мерительный модуль аналогового ввода (НИЛ АП) дляизмеренияи ввода в компьютер значенийнапряжения x (рис. 2).В общем случаена датчик, линию связимежду дат чикомимодулеми саммодульдействуютэлектромагнитные помехи и собственные шумы операционных усилителей, АЦП, резисторов, микропроцессорной части модуля и т.п. [3].Мы не будем рассматривать помехи, действующие на объектизмерений,поскольку онне входит в составизмери тельногоканала. 97 СТА4/2009 www.cta.ru ВЗАПИСНУЮКНИЖКУИНЖЕНЕРА 96 СТА4/2009 www.cta.ru М НОГОКРАТНЫЕИЗМЕРЕНИЯ В системах промышленной автоматизации в некоторых случаях измерения выполняют многократно, а полученные результаты усредняют с целью повышения точности. При этом возникает вопрос, существует ли граница повышения точности. Сколько измерений нужно делать на практике? Интуитивно ясно, что усреднение приводит к уменьшению погрешности, поскольку результаты отдельных измерений имеюткакположительные, такиотрицательныеотклонения от точного значенияипоэтому частично взаимнокомпенси руются.Сростомчислаизмеренийсреднее значениеотрица тельных отклонений приближается по модулю к среднему значениюположительныхи точностьихвзаимнойкомпенса ции улучшается.Дляпрактикиважнополучитьколичествен ную зависимостьмежду числом измерений и погрешностью усреднённогорезультата.Вопросамповышения точностип тём многократных измерений посвящён ГОСТ [1], однакооннедаётответанапоставленныевопросы. Понятиякорреляции, точности,разрешающей способностиипорогачувствительности Погрешностиизмерениймогутбытькоррелированнымии некоррелированными случайными величинами.Поскольку многократные измерения выполняются последовательно во времени, то серию измерений можно представить как вы борки из реализации некоторого случайного процесса x ( t ). Еслифункция x ( t )имеетограниченныйпочастотеспектр,то при растяжении графика во временинаступаетмомент, даонначинает выглядетьнекакшум, акакизвилистая вая (рис. 1 а ).При достаточно малом сдвиге по времени τ функции относительно самой себя значения функции на рис. 1 а будут различаться слабо (при нулевом сдвиге не б дут отличаться вообще), ана рис. 1 б – сильно дажепри как угодно малом τ . Количественно эти свойства случайных функцийописываютсяфункцией автокорреляции: , где m x – математическое ожидание случайного процесса, T → ∞ –интервалнаблюдения. Внашемпримеренарис.1 а случайныйпроцессназывают коррелированным, а на рис. 1 б – некоррелированным (бе лымшумом). Частоиспользуетсяпонятие интервалкорреляции ,или вре мякорреляции ,подкоторымпонимаетсявеличина го сдвига τ к ,припревышении которого корреляциейможно пренебречь в условиях конкретного эксперимента.Обычно интервалкорреляцииопределяюткак . цесс называют некоррелированным, или белым шумом. В противном случае он считается коррелированным. Все ре альные процессы являются коррелированными, поскольку имеют ограниченную мощность и, следовательно, ченную полосу частот. Однако на определённом интервале времени (частот) их можно приближённо считать некорре лированными. Рассмотримтеперьпонятияточности,разрешающейспо собности и порога чувствительности. Точность (погреш ность) характеризуетстепеньотличиярезультатаизмерения от точного значения, связанного с эталоном единицыф зической величины. Разрешающая способность показывает, какоеминимальное отклонение измеряемой величиным жет быть зарегистрировано измерительным прибором. рог чувствительности –этонаименьшее значениефизичес кой величины, начиная с которого может осуществляться её измерение данным средством. Например, если модуль ввода в диапазоне измерений –10...+10 В имеет ность±0,05%, то его порог чувствительности равен±5мВ. Однако благодаря наличию АЦП этот мо дульможет различить два входных сигнала, отличающихся на20/2 16 = 0,3мВ, то есть его разрешающая способность в±5/0,3=±16 раз выше порога чувствительности.Отметим, чтоэтосправедливоприус мовмодулявводанижевеличинымладшегозначащегоразряда (МЗР), тоестьпогрешностьявляетсячистосистематической. Порог чувствительности, который определяется погреш ностью измерений, может быть гораздо больше, чем разре шающая способность, поскольку при определении погреш ности учитывают: ● нелинейностьизмерительногоприбора во всём диапазоне измерений; ● динамикупроцесса старенияприбора; ● технологический разброс метрологических параметров от приборакприбору; ● не толькосистематическую,ноислучайнуюнекоррелиро ванную компоненту погрешности, которая может быть В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Повышение точностипутём многократныхизмерений Часть1 ВикторДенисенко Рис.1.Коррелированный ( а )инекоррелированный ( б ) случайный процесс (погрешностьизмерений) Время, t Мгновенное значениешума 0 0 а б 0 0 0 () ( ) ( ) xx dfx fx x fx x dx = +Δ ≈ + Δ Подписка на журнал «СТА» Мы предлагаем вам следующие варианты получения нашего журнала: Для гарантированного и регулярного получения журнала «CTA» необходимо оформить платную подписку через подписное агентство «Роспечать» по каталогу «Роспечать». Подписные индексы: на полугодие – 72419, на год – 81872. Подписка за рубежом Читатели из дальнего зарубежья могут оформить подписку через агентство «МК Периодика». Телефоны: +7 (495) 681 9137/ 8747, факс: +7 (495) 681 3798 Редакция журнала «Современные техноло гии автоматизации» приглашает к сотруд ничеству научных редакторов, авторов и рецензентов. Телефон: (495) 234 0635, факс: (495) 232 1653, e mail: info@cta.ru Уважаемые читатели, присылайте в редакцию вопросы, ответы на которые вы хотели бы увидеть на страницах журнала. Мы также будем благодарны, если вы сообщите нам о том, какие темы, по ваше му мнению, должны найти своё отражение в журнале. Даже если вы были ранее подписаны , ДЛЯ БЕСПЛАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ журнала «СТА» вам необходимо каждый год продлевать подписку (форма на стр. 111 или на сайте www.cta.ru) Страница Компания Индекс 39 AAEON #369 102 Addi Data #380 49 ADLINK #385 4 я обл. Advantech #113 15, 103, 105 #116 45 #127 91 #104 16 Belden #333 104 CRANE Aerospace&Electronics #132 3 я обл., 105–109 EtherWAN #277 16 #333 1 FASTWEL #236 27 #116 37 #232 47 #233 103 #449 67 GE DE #270 107 #269 51, 103 Getac #173 16 Hilscher #333 106 #181 11, 104, 108 Hirschmann #49 106, 107 #50 16 #333 17 iBASE #67 103, 105 #70 93 Iconics #252 107 IEE #362 95 iKey #381 95 Indukey #381 108 #193 25 InnoDisk #360 68 i SFT #227 78, 106 Litemax #190 105 #189 95 NSI #381 2 Panasonic #342 83 Pepperl+Fuchs #124 104 #178 104 Performance Technologies #387 57 RTD #417 41 Scaime #411 56 Schaefer #274 107, 108 #275 35 Schroff #85 71 #71 104 Sharp #266 33 Siemens #227 55 Signatec #463 69, 103, 105, TDK Lambda #220 106, 109 101 VIPA #282 59 WAGO #403 108 #408 2 я обл. Weintek #459 104 #458 81 XLight #368 73 XP Power #224 106 #225 109 НОРВИКС ТЕХНОЛОДЖИ #23 75 ПРОСОФТ #21 89 ПРОСОФТ Системы #24 105 Спектран #480 для карточки обратной связи ИНДЕКСЫ ПРОДУКЦИИ Уважаемые рекламодатели, журнал «СТА» имеет довольно большой для специализированного издания тираж до 20 000 экземпляров. Схема распространения журнала: по подписке, в розницу, через реги ональных распространителей, а также прямая рассылка ведущим компаниям стран СНГ — позволит вашей рекламе попасть в руки лю дей, принимающих решения о применении тех или иных аппаратных и программных средств. © СТА-ПРЕСС