Как известно, реализация требуемой функции при заданных граничных условиях вовсе не обязательно предполагает единственное техническое решение. Развитие средств автоматизации все время открывает новые возможности для решения возникающих задач. Однако в выборе возможных технических решений за последние годы произошло известное изменение, которое будет кратко освещено ниже.
Традиционные технические решения. Для реализации какой-либо функции автоматизации с помощью определенного технического средства первоначально в каждой конкретной задаче искали отдельного технического решения (индивидуальное решение проблемы). При этом применяемые конструктивные элементы и функциональные узлы объединялись в специальных аппаратах с собственным корпусом. Таким путём возникло множество одноцелевых устройств с самым разнообразным конструктивным исполнением и с различными параметрами входных и выходных сигналов.
Так как для решения одной даже небольшой задачи автоматизации, как правило, необходимо несколько устройств, последние должны быть приспособлены к соединению между собой. В условиях индивидуальности отдельных устройств такое приспосабливание обеспечивалось в ограниченной мере, вследствие чего создание более сложных систем автоматизации было сопряжено с известными трудностями. Кроме того, увеличивающееся многообразие устройств усложняло условия эксплуатации таких установок из-за усложнившегося ухода за ними и трудностей обеспечения запасными частями. Усложнялись также условия изготовления’устройств. Так, например, многообразие типов при малых партиях изготовления препятствовало введению рациональной технологии производства и испытаний. С другой стороны, для удовлетворения возрастающей потребности в устройствах автоматизации при прежних способах их создания необходимо было бы увеличить объем производства в ближайшие двадцать лег более чем в десять раз.
Системные решения. Изложенное положение привело к необходимости поиска новых путей создания средства автоматизации. Решение этой задачи нашли в последовательном применении системного подхода.
В последующий период в различных высокоразвитых странах возникали так называемые «сложные» системы. Они отличаются друг от друга как по объему (количеству реализуемых функций), так и по широте их применения. Известными примерами этому являются системы Translog (управление промышленными установками), Transresch или Thyresch (управление приводов), Teleperm (регут лирование технологических процессов), ISIS (централизованная регистрация и обработка измерений на судах) и т. д. В ГДР наиболее универсальная сложная система для автоматического контроля, регулирования и управления разработана под названием ursamat (сокращенно URS), основные параметры которой согласованы в международном плане со странами членами СЭВ.
а) Основы системы приборов. Технические устройства, такие, как устройства автоматизации, сами по себе могут рассматриваться как системы. Их составными частями (элементами системы) являются конструктивные узлы, которые находятся в определенной взаимосвязи. При таком подходе любая реализация определенной функции представляет собой прежде всего техническую систему.
Однако в системных решениях имеется еще один дополнительный аспект — оптимальности по критерию совокупности подлежащих реализации задач. Основная идея здесь заключается в следующем. Анализ разнообразных функций комплексной автоматизации показывает, что их можно свести к относительно небольшому числу. Это означает, что количество элементарных конструктивных элементов (представляющих собой одновременно функциональные элементы), необходимое для построения технической системы, предназначенной для удовлетворения определенной совокупности условий, также может быть сильно ограничено. Исходя из этого конструктивные элементы с одинаковой технической функцией могут быть разбиты на классы. При этом образуются, например, классы усилителей, устройств сравнения, счетчиков и т. д. В этом плане говорят о горизонтальной структуре сложной системы.
Часто к конструктивным элементам одного класса, при конкретном их применении, предъявляются различные функциональные и эксплуатационные требования. Поэтому для облегчения возможности использования элементов в каждом классе должен быть еще предусмотрен определенный ассортимент принципиально однородных, но различающихся по свойствам функциональных элементов. Это означает, что должны, например, быть предусмотрены конструктивные элементы с различными классами точности, быстродействиями, мощностями и т. д.
Другой подход к построению структуры сложных систем заключается в том, что целесообразно конструктивно объединять типовые исполнения функциональных элементов в укрупненные узлы (сборки). На основе таких решений существенно упрощается проектирование. Критерием для образования укрупненных функциональных узлов является частота их использования. Такое подразделение технической системы на подсистемы различной сложности, которые в свою очередь, состоят из менее сложных узлов, можно назвать вертикальной структурой системы.
Согласно различают следующую последовательность укрупнения узлов: функциональные элементы (например, интегральные коммутационные схемы, трансформаторы), функциональные группы (измерительные датчики, системы питания), функциональные узлы (например, узел—стабилизатор и усилитель с подводом) и устройства (например, централизованные устройства регистрации и обработки данных измерений).
Следует также заметить, что при таком принципе построения сложных систем разработка отдельных элементов и узлов все больше превращается в комплексное проектирование.
Поскольку различные конструктивные элементы системы используются в самых разнообразных комбинациях (мультивалентное использование), естественно, возникают особые требования к их «взаимоувязываемое™». Это означает, что места соединений (краевые зоны) конструктивных элементов должны быть максимально унифицированы.
Параметрами унификации, с одной стороны, являются входные и выходные сигналы, и с другой стороны, — некоторые важные конструктивные размеры краевой зоны элемента.
б) Стандартизация системы. Выполнение требований в отношении универсальной взаимоувязываемое элементов системы достигается путем максимальной стандартизации параметров связи. При этом предметом стандартизации являются носители сигналов (унифицированные электрические и пневматические сигналы; постоянный или переменный ток и т. д.), вид сигналов (непрерывные, дискретные), способы кодирования (амплитуда, частота, код), внутреннее сопротивление источника сигналов, входное сопротивление, нагрузка и т. д. Далее стандартизация распространяется на характеристики конструктивных элементов (статические, динамические, показатели надежности), параметры вспомогательной энергии, условия испытания и т. д.
Наряду с этими техническими требованиями необходимо также установить определенные конструктивные величины. Наилучшими геометрическими соединительными свойствами обладает, очевидно, система, которая набирается из стандартных элементов. С этой целью за основу принимается исходный (фиксированный) размер, из которого, выводятся все другие размеры в виде целых кратных. При последовательном соблюдении этого принципа образуется система взаимно соразмеренных балок и корпусов для различных функциональных элементов, на основе которой могут быть выполнены самые разнообразныетребования в отношении объема устройства автоматизации, места его установки и условий эксплуатации устройства.
Самым мелким конструктивным элементом современных электронных систем автоматизации считается насыщенная функциональными элементами плата. Из таких плат образуются стандартные блоки, которые устанавливаются на выдвижных рамах (шасси). Более крупные узлы выполняются сами в виде вставных (выдвижных) конструкций с унифицированными лицевыми панелями, которые вдвигаются в каркасы из направляющих балок.
Вставные рамы или балки сложных систем, состоящих из стандартных корпусов, могут располагаться в различных по виду кожухах. Из них образуются щиты управления, которые могут крепиться на переборках (при необходимости с проходом с задней стороны), на специальных (монтажных) каркасах, а также изготавливаться в виде шкафов или пультов.