О метрологии цифровых АСКУЭ и границах метрологической экспансии

 

Автор

Гуртовцев Аркадий, Ведущий научный сотрудник РУП "БЕЛТЭИ" (Минск), к. т. н.

 

    О метрологии измерительных систем
    Рекомендации расплывчато определяют измерительную систему (ИС) как "совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях". В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные информационные (ИИС), измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др. Заметим, что по определению ИС содержит, помимо средств измерений, и другие технические средства, в частности ЭВМ.
    Метрологическое обеспечение ИС регламентирует ГОСТ Р 8.596-2002, введенный в действие 30 сентября 2002 г. взамен МИ 2438-972. Этот стандарт распространяется на ИС двух видов:

  • ИC-1 - системы, выпускаемые изготовителем как законченные укомплектованные изделия с эксплуатационной документацией, содержащей нормированные метрологические характеристики измерительных каналов;
  • ИС-2 - системы, проектируемые для конкретных объектов из компонентов различных ИС различных изготовителей с приемкой системы в целом как законченного изделия непосредственно на объекте эксплуатации, причем нормирование ее метрологических характеристик должно производиться в соответствии с проектной документацией и эксплуатационной документацией на ее компоненты. Разрешается выделение на функциональном уровне измерительной системы в случае ее использования в более сложных структурах, например ИИС.
        Данный стандарт дает несколько иное, чем рекомендации, и более детальное определение ИС: это "совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы (ИК), и вспомогательных устройств (компонентов измерительных систем), функционирующих как единое целое, предназначенная для получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях".
        Сам измерительный канал ИС определяется как "конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого - функция измеряемой величины". В примечаниях отмечается, что "ИК могут быть простыми и сложными. В простом ИК реализуется прямой метод измерений путем последовательных измерительных преобразований. Сложный ИК в первичной части представляет собой совокупность нескольких простых ИК, сигналы с выхода которых используются для получения результата косвенных, совокупных или совместных измерений..."
        ИС включает следующие компоненты ("компонент ИС - входящее в состав ИС техническое устройство, выполняющее одну из функций, предусмотренных процессом измерений"):
  • "измерительный компонент ИС - средство измерения, для которого отдельно нормированы метрологические характеристики, например измерительный прибор, измерительный преобразователь, мера";
  • "связующий компонент ИС - техническое устройство или часть окружающей среды, предназначенные или используемые для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине от одного компонента ИС к другому";
  • "вычислительный компонент ИС - цифровое вычислительное устройство (или его часть) с программным обеспечением, выполняющее вычисления результатов прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений по результатам первичных измерительных преобразований в ИС, а также логические операции и управление работой ИС";
  • "комплексный компонент ИС - конструктивно объединенная или территориально локализованная совокупность компонентов, составляющая часть ИС, завершающая, как правило, измерительные преобразования, вычислительные и логические операции, предусмотренные процессом измерений и алгоритмом обработки результатов измерений в иных целях, а также выработки выходных сигналов системы";
  • "вспомогательный компонент ИС - техническое устройство, обеспечивающее нормальное функционирование ИС, но не участвующее непосредственно в измерительных преобразованиях".
        Стандарт устанавливает, что ИС являются разновидностью средств измерений и на них распространяются все общие требования к средствам измерения. Метрологическое обеспечение ИС включает в себя, в частности, следующие виды деятельности: нормирование и расчет метрологических характеристик (МХ) ИК (для каждого ИК, а при необходимости для комплексных и измерительных компонентов ИС), испытания ИС с целью утверждения типа, утверждение типа ИС и испытания на соответствие утвержденному типу, сертификация ИС, поверка и калибровка ИС.
        Для программ, реализуемых вычислительным компонентом ИС, если свойства этих программ не учтены при нормировании МХ соответствующих измерительных компонентов, нормируются характеристики погрешности вычислений, обусловленной алгоритмом вычислений и его программной реализацией, а при необходимости также и другие характеристики с учетом особенностей вычислительного компонента, которые влияют на характеристики составляющей погрешности ИК, вносимой программой обработки результата измерений.
        Для связующих компонентов ИС нормируют характеристики, которые либо обеспечивают пренебрежимо малое значение составляющей погрешности ИК, вносимой связующим компонентом, либо позволяют определить значение этой составляющей. Нормирование МХ компонентов ИС влечет остальные высокозатратные виды метрологической деятельности: испытания, калибровку, утверждение типа, сертификацию.
        Процесс измерения в ИС понимается слишком широко, включая в себя процессы связи, вычислений и др. Но должны ли они подвергаться метрологической аттестации?
        Несмотря на неоднозначность ситуации, ни один метрологический документ не определяет границы измерения.

        Где же кончается измерение?
        В современных цифровых АСКУЭ существует множество способов определения измеряемых величин электроэнергии (и мощности) в различные интервалы времени и, в частности, за отчетный период (месяц, год). Один из них основан на использовании суточных почасовых графиков, или профилей, нагрузки, которые фиксирует в своей памяти электронный счетчик и хранит, как правило, несколько месяцев или лет. Профили формируются в процессе измерения из усредненных значений энергии за более короткие интервалы времени (например, 3 мин или меньше) путем вычислительных операций - суммированием трехминутных приращений. Если DЕ3jkl - трехминутное приращение за j-ый трехминутный интервал k-го часа l-х суток конкретного месяца (j = 1_20; k = 0_23; l = 1_31), то DЕ60kl = SDЕ3jkl (часовой расход энергии за k-час l-суток), а DЕмес = SSDЕ60kl (искомый месячный расход). Примем, что в рассмотренной цепочке SDЕ3jkl - результат прямого измерения (на самом деле это результат косвенного измерения), а DЕ60kl и DЕмес - косвенного.
        Каждое из указанных значений энергии (DЕ3, DЕ60, DЕмес) формируется в счетчике в виде десятичного числа определенной значности в формате с фиксированной или плавающей точкой, но доступно через цифровой интерфейс на среднем и верхнем уровнях АСКУЭ, где все вышеуказанные операции могут быть воспроизведены с заданной точностью в УСПД и/или ПК (рис. 1). Все интервальные значения электроэнергии, полученные на выходе счетчика, независимо от способа их формирования внутри счетчика, относятся к результатам измерения, а сам счетчик является средством измерения со всеми вытекающими из этого факта метрологическими последствиями (основанием для такого вывода служит функциональная и конструктивная целостность счетчика).
        Но являются ли значения DЕ60 и DЕмес, вычисленные вне счетчика другими техническими средствами по результатам измерений DЕ3 счетчика, продуктом процесса измерения или вычисления? Если принять, что любые вычисления, производимые техническими средствами, и их результаты, в которых хотя бы одно из исходных чисел является результатом измерения, также относятся к процессу и результату измерения (а именно так понимается большинством метрологов косвенное измерение), то УСПД и ПК превращаются в средства измерения с соответствующими последствиями. Однако как только вычисления отрываются от процесса измерения и выносятся за пределы средства измерения, понятие "косвенное измерение" теряет фундамент.
        Второй вопрос: являются ли значения DЕ3, DЕ60 и DЕмес, полученные УСПД и/или ПК на верхнем уровне цифровой АСКУЭ, продуктом процесса измерения или передачи? Если допустить, что любое техническое средство, принимающее и сохраняющее результат измерения, автоматически становится средством измерения, то ответ ясен. Тогда и УСПД, и ПК вновь становятся средствами измерения. Только при чем здесь процесс измерения?
        Таким образом, существующая метрологическая терминология и стандарты по ИС, созданные в годы, когда измерительные средства строились по принципу сильно связанных систем, связь между элементами которых осуществлялась посредством аналоговых и дискретных сигналов, пришли в противоречие с новой действительностью. В современных цифровых системах, включая цифровые АСКУЭ, все измерительные операции (и необходимые вычислительные) сосредоточены в интеллектуальных ПИП, а неизмерительные - вычисления, сравнения, выборки, передачи, хранения и т. д. - вынесены за пределы ПИП, в специализированные системы (контроллеры) или компьютеры, причем связь между этими частями сложных (слабосвязанных) систем производится по цифровым интерфейсам с передачей измерительных и неизмерительных данных в виде чисел фиксированной точности. Прежние метрологические понятия при внедрении новых систем порождают противоречия и неоправданные издержки при создании масштабных и дорогостоящих измерительных систем.
        Вернемся к вопросу, обозначенному в заголовке. Измерение кончается там и тогда, где и когда появляется число как результат измерения. Тонкость заключается в том, что это должно быть не любое, а рациональное число с фиксированной точностью, представленное в позиционной системе исчисления (как правило, двоичной или десятичной для существующих вычислительных средств). Точность представления численного результата измерения должна соответствовать классу точности измерительных средств или предельной относительной погрешности измерительного канала, в который входят эти средства. Такое представление результата измерения позволяет выполнять все последующие вычисления производных результатов измерения (в нашем примере это DЕ60 и DЕмес) посредством вычислительных операций арифметики ограниченной точности, производимых техническими средствами неизмерительного назначения3.
        Там, где появляется такое число, должны закончиться измерение, измерительный канал и компетенция метрологии. Требования по точности дальнейших вычислений (не измерений!) должны быть предметом вычислительной техники, а не метрологии. На практике данные требования выполняются путем выбора соответствующей разрядной сетки для представления исходных чисел (в том числе и результатов измерений), промежуточных чисел и результатов вычислений, способов и форматов представления чисел (с фиксированной или плавающей точкой) и методов округлений результатов вычислений.
        Метрология не должна вмешиваться в область цифровых вычислений. Следует скорректировать метрологические терминологию и методы в соответствии с новым цифровым подходом.

        О метрологических особенностях цифровых АСКУЭ
        Цифровые АСКУЭ относятся к классу измерительных информационных систем, которые могут производить как моноресурсный энергоучет (учет по какому-то одному виду энергоносителей, например по электроэнергии), так и комплексный (по ряду энергоносителей одновременно, например по газу, воде, тепловой энергии и т. д.).
        Рассмотрим систему учета электроэнергии, которая реализует прямые и косвенные измерения количества электроэнергии, мощности и ряда других параметров через трехуровневую структуру, содержащую множество электронных счетчиков, УСПД, ПК и каналов связи между элементами этой структуры (рис. 1).
        Выше приводились вычисления в рамках АСКУЭ количества энергии за часовой DЕ60 и месячный DЕмес периоды времени на основе трехминутных приращений энергии DЕ3, измеренной счетчиком в одной конкретной точке учета. Сконцентрируем внимание на том, что эти операции производятся с привязкой к шкале времени того или иного технического средства. Если рассматриваемая задача целиком реализуется в рамках счетчика, то все вычисления привязываются к шкале времени данного счетчика с четкой фиксацией начала и конца соответствующего временного интервала. Поскольку АСКУЭ реализует одновременно измерение и учет не по одному счетчику, а по их совокупности, то в целях достижения единства измерений шкалы времени разных счетчиков должны совпадать.
        Таким образом, в АСКУЭ должны производиться синхронные измерения, что обеспечивается за счет синхронизации часов каждого счетчика от источника сигналов точного времени (непосредственно или через промежуточное передающее устройство). Точность хода часов счетчика определяется стабильностью частоты встроенного в счетчик генератора импульсов секундного или субсекундного диапазона (все остальные интервалы времени формируются путем вычислительных операций над базовым интервалом). Важно понять, что наличие в счетчике генератора меток времени (часов) не превращает счетчик в средство измерения времени. Измерительные данные привязываются к временной сетке, погрешность которой можно рассматривать для счетчика как влияющий фактор.
        Передача результатов измерений со счетчиков на верхние уровни АСКУЭ в УСПД и ПК может производиться с привязкой этих данных к временной шкале каждого счетчика (или их совокупности при наличии синхронизации) или временным шкалам УСПД и/или ПК, что упрощает передачу данных и их объем. В последнем случае речь идет о синхронизации временных шкал не только счетчиков, но и УСПД и ПК. При синхронизации всех элементов АСКУЭ измерения заканчиваются на нижнем уровне системы - в счетчиках. Вычисления на уровне УСПД или ПК следует относить, как показано выше, уже не к метрологии, а к вычислительной технике (арифметике ограниченной точности). Следовательно, в качестве типа средства измерения должен быть утвержден только счетчик, но не УСПД и ПК с программным обеспечением АСКУЭ. Последним следует иметь сертификаты соответствия установленным требованиям, но они не должны подвергаться метрологическим испытаниям и поверкам.
        В то же время каналы связи предназначены для передачи цифровых данных, длительное время хранящихся в базах данных технических средств нижнего уровня АСКУЭ (счетчиках, УСПД). Возможность многократных запросов, получения и верификации данных гарантирует полное соответствие данных верхнего уровня данным нижнего. Следовательно, нет оснований требовать метрологической аттестации каналов связи цифровых АСКУЭ.
        Сегодняшняя метрология должна учитывать продолжающийся процесс перехода от аналогового принципа измерений к цифровому, что предполагает приведение законодательной и практической метрологии в соответствие с действительностью и отказ от необоснованных метрологических требований к созданию цифровых измерительных систем, в частности цифровых АСКУЭ.


  •