Kompetencje laboratorium akredytowanego, a problemy wzorcowania rozproszonych systemów pomiarowych

Autorzy:

Grzegorz Grzegorzyca, Tomasz Guzy, Tadeusz Wypych
Laboratorium Przyrządów Pomiarowych - Certyfikat Akredytacji AP 063
ZPBE Energopomiar-Elektryka Gliwice

Wstęp

Przy obecnym rozwoju techniki, jej jakości oraz ceny coraz to nowe zastosowania znajdują rozbudowane - w większym bądź mniejszym stopniu - układy pomiarowe, w których prosty bezpośredni pomiar zostaje zastąpiony złożonym szeregiem działań jak: zbieranie danych pomiarowych, ich przetwarzanie, transmitowanie i akwizycja. Układ taki jest skomplikowanym systemem pomiarowym wykorzystującym często bardzo zaawansowane technologie inżynierii technicznej i informatycznej. System pomiarowy wypiera więc zastosowanie zwyczajnego miernika jako źródła informacji na temat stanu mierzonego obiektu. System, choć może np. zbierać informacje na temat napięcia sieci elektroenergetycznej, to oprócz podstawowej zasady pomiaru niewiele ma już wspólnego z tradycyjnym woltomierzem.

Pomimo znaczącego zaawansowania technologicznego system pomiarowy nie zawsze jest absolutnie bezawaryjny, w takim stopniu by mógł być „zostawiony samemu sobie”. Niezmiernie istotne jest okresowe uruchamianie występujących w takich systemach procedur samotestowania, jak również „zewnętrzne” potwierdzenie zachowania zarówno parametrów funkcjonalnych, jak i metrologicznych systemu, gdyż bywa on źródłem ważnych danych roboczych, które mogą być przesłane w stosowne miejsca np. systemu elektroenergetycznego, w celu podjęcia często bardzo odpowiedzialnych decyzji.

Autorzy artykułu, w dalszej jego części, przedstawiają koncepcję potwierdzenia parametrów rozległego systemu pomiarowego, jak również swój punkt widzenia w kwestii możliwości realizacji tego typu prac przez laboratorium pomiarowe.
Zdaniem autorów wiedzę tę warto wykorzystywać w duchu akceptowanego poziomu kultury technicznej, określonej między innymi przez obowiązujące dokumenty normatywne i oczekiwania potencjalnych nabywców wszelkich dóbr, w których wytworzeniu znaczącą pozycję mają produkty laboratorium specjalistycznego – akredytowanego i godnego zaufania.

Wybrane, podstawowe sformułowania dotyczące akredytacji, metrologii i pomiarów

Aby uzyskać pełną jasność w kwestiach, które zostaną zaprezentowane w dalszej części treści niezbędne jest przypomnienie i przybliżenie kilku podstawowych pojęć dotyczących akredytacji, teorii pomiaru i tzw. Metrologii prawnej oraz naświetlenie relacji między nimi. Szczególny nacisk zostanie położony na przybliżenie kwestii dotyczących akredytacji rzyznawaneg rzyznawane, a także sformułowanie takich pojęć jak: pomiar, błąd, legalizacja, wzorcowanie, potwierdzenie metrologiczne i sprawdzenie (weryfikacja) [1].

1. Akredytacja jest procesem w wyniku, którego jednostka akredytująca (w Polsce Polskie Centrum Akredytacji), nadaje organizacji poddającej się auditom certyfikat na zgodność z wymaganiami normy PN-EN ISO/IEC 17025: 2001 [2] oraz innymi dokumentami normatywnymi i wytycznymi jednostki akredytującej stanowiącymi kryteria akredytacji. Wytyczne te dotyczą m.in. sposobów realizacji pomiarów, prezentacji ich wyników, szacowania niepewności itp. Trzeba zaznaczyć, że proces akredytacji to nie tylko sprawdzenie spełnienia wymagań systemu jakości, ale także praktyczne potwierdzenie kompetencji laboratorium, co w przypadku laboratorium pomiarowego wiąże się z kwestią tzw. akredytacji personelu. Uzyskanie certyfikatu akredytacji wiąże się z ogromnym nakładem pracy, której celem jest spełnienie wszelkich obostrzeń nakładanych na laboratorium. Jakiekolwiek odstępstwa od tych obostrzeń mogą wiązać się z konsekwencją zawieszenia lub utraty akredytacji.
2. Znane są dwa podstawowe określenia pojęcia pomiaru:
   • w drodze eksperymentu parametrów wielkości mierzonej,
   • w drodze porównania wielkości mierzonej z wzorcem.

Przytaczając drugie z tych określeń należy mieć na uwadze możliwość bezpośredniego lub pośredniego udziału wzorca w procesie pomiarowym.

1. Rozpoczynając definiowanie pojęcia błędu, nie można pominąć istotnej kwestii sklasyfikowania błędów, gdyż wówczas przytoczone zdefiniowania poszczególnych rodzajów błędów będą bardziej klarowne. Zatem błędy można podzielić ze względu na sposób ich obliczania oraz ze względu na źródła ich pochodzenia. I tak w pierwszym podziale rozróżnić można:
   • błąd bezwzględny – czyli różnicę między wynikiem pomiaru a prawdziwą (poprawną) wartością wielkości mierzonej,
   • błąd względny – czyli błąd bezwzględny odniesiony do wartości poprawnej (lub zmierzonej).

Natomiast w drugim podziale rozróżnić można:

• błąd systematyczny – tzn. taki, który może być znany co do wartości i można go wyeliminować (przez zastosowanie właściwej poprawki, w drodze analizy wyników surowych) aby nie obciążał wyniku pomiaru,
• błąd przypadkowy - nie znany co do wartości i nieusuwalny z wyniku pomiaru.

Dla dalszych rozważań, zawartych w tej treści, najistotniejsze znaczenie będzie mieć pojęcie błędu bezwzględnego.

1. Legalizacja - sprawdzenie, stwierdzenie i poświadczenie dowodem legalizacji, że przyrząd pomiarowy spełnia wymagania metrologiczne określone we właściwych przepisach.
   Legalizacja dotyczy wybranych przyrządów, jest dla nich obowiązkową formą prawnej kontroli metrologicznej, określonych w rozporządzeniu ministra właściwego dla gospodarki, na wniosek Prezesa GUM.
2. Wzorcowanie - czynności ustalające relację między wartościami wielkości mierzonej wskazanymi przez przyrząd pomiarowy a odpowiednimi wartościami wielkości fizycznych, realizowanymi przez wzorzec jednostki miary. Wzorcowanie jest wymieniane jako forma kontroli metrologicznej w ustawie Prawo o miarach [3], stanowi jednak czynność techniczną i dobrowolną.
3. Potwierdzenie metrologiczne zdefiniowane jest w normie PN-EN ISO 10012 z 2004 r. jako: zbiór operacji wymaganych do zapewnienia, że wyposażenie pomiarowe jest zgodne z wymaganiami, związanymi z jego zamierzonym użyciem.
4. W punkcie 4 występuje pojęcie: sprawdzenie, które najczęściej jest definiowane jako: potwierdzenie, poprzez zbadanie i zabezpieczenie dowodu spełnienia określonych wymagań.

Podane powyżej sformułowania znajdują zastosowanie w ewentualnym dokonywaniu metrologicznej weryfikacji (sprawdzeniu) systemu pomiarowego. Polegać miałaby ona na potwierdzeniu, że system zachowuje parametry deklarowane przez jego producenta lub narzucone przez użytkownika. Wyraźnego i bardzo mocnego podkreślenia wymaga stwierdzenie, że w przypadku zlecania potwierdzeń metrologicznych systemu pomiarowego (i wszelkiej aparatury pomiarowej) należy dołożyć starań by jednoznacznie określić wymagania, jakie mają być spełnione, gdyż w przeciwnym razie uzyskanie zamierzonego celu nie będzie możliwe.

Właściwości charakterystyczne dla rozproszonych systemów pomiarowych

Jedna z pierwotnych teorii charakteryzujących systemy rozproszone w informatyce zauważyła pojawienie się sieci telekomunikacyjnych służących do łączenia oddzielnych komputerów oraz rozwój odpowiednich narzędzi, a później i systemów operacyjnych, obsługujących organizację zwaną wielomaszynową. Organizacja wielomaszynowa stanowi zespół samodzielnych komputerów (procesor, pamięć, wejście-wyjście itp.) połączonych ze sobą siecią. Systemy takie nazywamy systemami rozproszonymi. Tyle na temat definicji z punktu widzenia informatyki.

Analogie pomiędzy klasycznym komputerowym systemem rozproszonym, a rozproszonym systemem pomiarowym są obecnie już bardzo wyraźne, a ewentualne występujące jeszcze różnice będą się stopniowo zacierały. Tendencje, które zostały kiedyś zauważone dla rozwiązań informatycznych obserwuje się w chwili obecnej dla systemów pomiarowych. Można powiedzieć, że eksploatowane w chwili obecnej systemy sterowania i nadzoru typu SCADA i DCS są bardzo charakterystycznymi przykładami rozwiązań technicznych zawierających w sobie elementy rozproszonych systemów pomiarowych.

Rozproszone systemy pomiarowe możemy klasyfikować pod wieloma względami, z których do najważniejszych można zaliczyć:

• rozległość systemu pomiarowego (systemy lokalne, rozległe, globalne);
• stopień rozproszenia (jednorodny, niejednorodny);
• pojemność informacyjną systemu określającą możliwości magazynowania wyników pomiarów w określonym przedziale czasu;
• warunki środowiskowe pracy (środowiska z zakłóceniami elektrycznymi i mechanicznymi, środowiska niebezpieczne np. zagrożone wybuchem itd.);
• zastosowane technologie telekomunikacyjne (sieci przewodowe i bezprzewodowe, globalne połączenia teleinformatyczne, rozwiązania mieszane);
• zastosowane rozwiązania informatyczne (np. systemy operacyjne czasu rzeczywistego, rozwiązania quasi-deterministyczne czasowo, rozwiązania bez zapewnienia determinizmu czasowego itd.).

Ponadto z punktu widzenia czysto metrologicznego rozproszone systemy pomiarowe powinny charakteryzować się:

• wielkością systemu mierzoną ilością kanałów pomiarowych;
• szybkością systemu mierzoną wymaganym czasem reakcji na zmiany w układzie kontrolowanym;
• zapewnieniem wymaganej dokładności pomiarowej w wybranych punktach kontrolowanego układu;
• rodzajem mierzonych wielkości (wielkości elektryczne, wielkości nieelektryczne, wielkości pochodne);
• realizowanymi funkcjami pomiarowymi (wizualizacją pracy nadzorowanych układów, rejestracją zmian mierzonych parametrów w funkcji czasu, sterowaniem i kontrolą procesów w oparciu o dokonane pomiary itd.).

Konstruowane współcześnie urządzenia pomiarowe są terminalami, często bardzo skomplikowanymi, których funkcjonalność daleko wykracza poza podstawowe funkcje systemu. Pomimo, że podstawową funkcją omawianych urządzeń jest realizacja pomiarów to ze względu na zastosowane rozwiązania techniczne z pewnością można zaliczyć je do bardzo wyrafinowanych układów komputerowych posiadających możliwości współpracy z innymi heterogenicznymi systemami informatycznymi.

Łącząc nowe terminale pomiarowe ze sobą oraz integrując z innymi systemami tworzymy klasyczny rozproszony system pomiarowy.
Należy zwrócić uwagę, że zastosowane techniki komputerowe są przy tym często nowocześniejsze od typowych rozwiązań informatycznych ogólnego przeznaczenia.

Wzorcowanie i potwierdzenie parametrów rozproszonych systemów pomiarowych

Rozproszony system pomiarowy jest skomplikowanym organizmem technicznym.

Zagadnienie wzorcowania i potwierdzenia parametrów takich systemów wymaga, zatem współpracy interdyscyplinarnych zespołów specjalistów. Z całą pewnością nie można poprawnie wykonać tego jakże trudnego zadania skupiając się jedynie na zagadnieniach czysto metrologicznych. Ze względu na duże nasycenie technologiami informatycznymi oraz niejednorodność całego układu należy uwzględnić wszelkie powiązania pomiędzy zastosowanymi podsystemami technicznymi, a cały proces wzorcowania powinien być poprzedzony gruntownymi przygotowaniami technicznymi i organizacyjnymi.

Oczywiście z punktu widzenia tradycyjnego sposobu wzorcowania elementów pomiarowych należy dokonać sprawdzenia zgodnie z dostępnymi i stosowanymi z powodzeniem procedurami:

• pierwotnych układów pomiarowych (przekładników napięciowych i prądowych, dzielników napięciowych itd.),
• prostych czujników i przetworników (analogowych lub cyfrowych) bezpośrednio podłączonych do nadzorowanego obiektu,
• terminali pomiarowych podłączonych bezpośrednio do nadzorowanego obiektu lub też pośrednio poprzez wymienione wyżej czujniki i przetworniki.

Proces wzorcowania wymienionych elementów i ocena uzyskanych wyników mogą być bardzo utrudnione, głównie wtedy, gdy trzeba uwzględnić niedostosowaną do tego konstrukcję specjalistycznego oprogramowania urządzeń pomiarowych.

Sprawa komplikuje się jednak jeszcze bardziej, jeżeli procesowi wzorcowania ma podlegać cały rozproszony system pomiarowy zawierający wyżej wymienione, nawet zweryfikowane już komponenty oraz inne współpracujące podsystemy techniczne (sieci telekomunikacyjne, komputery komunikacyjne, obliczeniowe i sterujące, urządzenia wizualizacyjne itd.). Dla układów takich należy, bowiem uwzględnić wszelkie powiązania pomiędzy elementami składowymi systemu, często bardzo zróżnicowanymi technicznie, a są to powiązania nie tylko natury wprost metrologicznej.

Podstawowa analiza całego rozproszonego układu może na przykład wykazać, że zastosowane elementy składowe nie są ze sobą prawidłowo zestawione (np. w dziedzinie dokładności, czasu działania, determinizmu działania itd.).
Użytkownik drogiego systemu jest bardzo często przekonany, co do doskonałości technicznej zastosowanych rozwiązań i nie do końca zdaje sobie sprawę z występujących mankamentów metrologicznych układu pomiarowego traktowanego jako całość. Układ pomiarowy mierzy interesujące dla użytkownika parametry (ale też często nieistotne wielkości nadmiarowe, powodując przez to szereg niepotrzebnych komplikacji), wizualizuje wyniki na ekranach komputerów, rejestruje w plikach dyskowych zmiany parametrów i pozornie sprawia wrażenie doskonałego. Czasami system „zawiesi się”, czasami poda wyniki budzące wątpliwość, po czym ze względu na skomplikowanie zagadnienia przechodzi się nad tymi faktami do porządku dziennego. Cóż z tego, że mamy np. bardzo dokładne terminale pomiarowe (np. terminale elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej EAZ) skoro poawaryjne, dokładne (a bezwzględnie wymagane) powiązanie wyników pomiarów kilku terminali jest często niemożliwe w dziedzinie czasu ze względu na chociażby:

• źle zaprojektowane powiązania telekomunikacyjne, które nie zapewniają (w pełni) synchronizacji czasowej oraz determinizmu działania całego systemu pomiarowego,
• niewłaściwe oprogramowanie, które nie pozwala prawidłowo powiązać ze sobą wyników pracy różnych urządzeń (często różnych producentów), lub też nieprawidłowo je interpretując i wykorzystując w dalszych istotnych analizach.

Jak widać procesowi potwierdzania prawidłowego funkcjonowania należałoby poddawać wszystkie elementy składowe rozproszonego systemu pomiarowego takie jak przetworniki, terminale, oprogramowanie ale również istniejące między nimi bezpośrednie i pośrednie powiązania, co czyni całą procedurę niezwykle trudną i skomplikowaną.

Jakie zatem środki należy zastosować, aby móc prawidłowo zrealizować postawione zadanie?

Po pierwsze instytucja sprawdzająca powinna być godną zaufania i dysponować:

• doświadczoną kadrą techniczną specjalizującą się od lat w dziedzinach pomiarów i badań układów będących przedmiotem wzorcowania, znającą zjawiska fizyczne charakterystyczne dla tych układów,
• wysokiej klasy nowoczesnym wielokanałowym certyfikowanym systemem pomiarowym o stosownie dużej dokładności i szybkości działania. Systemy takie (przewyższające metrologicznie w wymaganym stopniu sprawdzane rozproszone systemy pomiarowe Klientów) są w stanie zapewnić najbardziej zaawansowani technicznie producenci systemów pomiarowych i oprogramowania pomiarowego,
• udokumentowaniem kompetencji na realizację wyżej wymienionych prac przyznawanym przez uprawnione do tego niezależne instytucje.

Po drugie proces wzorcowania rozproszonego systemu pomiarowego powinien uwzględniać następujące niezwykle ważne okoliczności:

• prace powinny być w każdym przypadku poprzedzone gruntowną analizą techniczną badanego układu pomiarowego, wykrywającą wszystkie jego ewentualne mankamenty. Należy z góry założyć, że praktycznie każdy rozproszony system pomiarowy jest inny i posiada swoją specyfikę,
• prace powinny być bezwzględnie realizowane przez interdyscyplinarny zespół specjalistów, również zajmujących się zagadnieniami technik informatycznych i telekomunikacyjnych,
• badania należy wykonywać w większości przypadków na rzeczywistym obiekcie klienta, co rodzi szereg problemów zarówno natury technicznej jak i organizacyjnej.

Dlaczego wzorcowanie rozproszonych systemów pomiarowych jest tak ważne?

Korzyści, które mogą wyniknąć z tytułu profesjonalnie wykonanego auditu dużego rozproszonego systemu pomiarowego mogą być bardzo istotne:

• jak już wspomniano użytkownik bardzo drogich rozproszonych systemów pomiarowych może być często nieświadomy ich mankamentów technicznych. Proces sprawdzenia tych układów przez niezależnych ekspertów, których kompetencje techniczne zostały potwierdzone przez właściwe instytucje, może uzmysłowić Klientowi szereg nieznanych do tej pory, a niezwykle istotnych faktów technicznych na temat eksploatowanego systemu, a poprzez to dać możliwość konstruktywnego oddziaływania na producenta lub producentów konkretnych rozwiązań w celu poprawy funkcjonowania ich działania,
• dla producentów systemów sama możliwość weryfikacji ich wyrobu może mieć duże znaczenie i uczynić te produkty doskonalszymi technicznie. Przy okazji powstaje naturalne oddziaływanie np. na komisje normalizacyjne oraz producentów w celu doskonalenia i wykorzystanie otwartych technologii,
• potwierdzony metrologicznie system pomiarowy może stać się dla Klienta istotnym elementem większej całości np. poprzez możliwość wiarygodnego zintegrowania tego systemu z innymi systemami przedsiębiorstwa w tym ekonomicznymi (np. w celu bezpośredniego wykorzystania wyników systemu pomiarowego w systemach rozliczeniowych).

Zgodnie z myślą prekursorów wprowadzania auditów jakość produktu to „zbiorcza charakterystyka wyrobu lub usługi z uwzględnieniem marketingu, projektowania, wykonania, które powodują, że dany produkt lub usługa spełniają oczekiwania użytkownika”. Siłą rzeczy wzorcowanie i potwierdzanie parametrów rozproszonych systemów pomiarowych jako czynnik stymulujący działania Klienta i producenta w konsekwencji niesie za sobą oczywiste polepszenie jakości i efektywności produktu finalnego.

Podsumowanie

Można przyjąć, że istnieją, co najmniej dwa warianty działań mających na celu zapewnienie sprawdzenia poprawności działania systemu pomiarowego:

• zlecanie potwierdzania parametrów jednostce niezależnej, przy czym istotne jest sprecyzowanie wymagań, jakie mają być spełnione i określenie parametrów, które podlegać mają potwierdzeniu, między innymi w drodze wzorcowania;
• samodzielne potwierdzanie parametrów, związane również z wzorcowaniem, przy czym wzorcowanie można przeprowadzać we własnym zakresie, spełniając należne temu wymagania lub zlecić go do odpowiedniego, godnego zaufania laboratorium.

Każdy z tych wariantów, z różnych względów, może być bardziej lub mniej korzystny dla użytkownika systemu.

Akredytowane laboratorium pomiarowe, choć może nie posiadać w zakresie swojej akredytowanej działalności tematu wzorcowania systemów pomiarowych (m.in. ze względu na fakt zbyt ogólnej definicji tego typu układów), to zdecydowanie może posiadać kompetencje techniczne do realizacji tego typu prac. Możliwość taka jest związana z ewentualnym posiadaniem, utrzymywanych na najwyższym z możliwych poziomie technicznym, odpowiednich wzorców; a także dzięki stosownie wykwalifikowanemu i doświadczonemu personelowi laboratorium. Dysponowanie zwłaszcza odpowiednimi wzorcami w przypadku bezpośredniego użytkownika systemu pomiarowego jest często znacząco ograniczone, zatem korzystanie z doświadczeń i zaplecza odpowiedniego laboratorium może być w tej mierze nadzwyczaj korzystne.

Najszerzej przyjętymi tendencjami, w dziedzinie utrzymania na odpowiednim poziomie jakości w zarządzaniu wszelkim wyposażeniem pomiarowym, są:

• powoływanie w pełni profesjonalnych, posiadających wysokokwalifikowany personel, zakładowych jednostek organizacyjnych, zajmujących się nadzorem nad wyposażeniem pomiarowym i opomiarowaniem eksploatacyjnym,
• udostępnianie wykonawstwa takich zadań (okresowo, stosownie do potrzeb) laboratoriom pomiarowym niezależnym, godnym zaufania, w celu potwierdzenia zachowywania deklarowanych parametrów lub wzorcowania i dopuszczania systemów pomiarowych do użytkowania na podstawie stosownego udokumentowania lub wyników pomiarów uzyskanych od tych laboratoriów.

Oczywiście każdy użytkownik przyrządów pomiarowych może i powinien szukać w tej mierze rozwiązania optymalnego dla siebie; niewyobrażalnym jest jednak, by tym rozwiązaniem mógł być nieodpowiedzialny, nadal często spotykany, brak zainteresowania tymi zagadnieniami.

Zastanowienia wymagają też kwestie, na ile zasygnalizowane tu wymagania, zawarte w stosownych dokumentach, w tym normatywnych, dotyczące wielu spotykanych, powszechnie eksploatowanych systemów i urządzeń pomiarowych określonego przeznaczenia, będą traktowane przez użytkowników jako właściwe, zasadne i do przestrzegania.

Przedstawione zagadnienia nurtują autorów tego artykułu, którzy zdążając w działalności zawodowej do oferowania i wykonywania usług w zgodzie z wymaganiami oficjalnie akceptowanymi, zawartymi w obowiązujących dokumentach normatywnych po raz kolejny pragną przedstawić je szerszemu gronu odbiorców, dla których bliskimi praktycznie są omawiane zagadnienia [4÷7].

Literatura

1. Norma PN-EN ISO 10012:2004 Systemy zarządzania pomiarami. Wymagania dotyczące procesów pomiarowych i wyposażenia pomiarowego.
2. Norma PN-EN ISO/IEC 17025:2001. Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących.
3. Ustawa z dnia 11 maja 2001 Prawo o miarach (Dz. U. Nr 63 poz. 636 i inne).
4. Tomasz Guzy, Tadeusz Wypych: Dylematy metrologa wdrażającego system zapewnienia jakości w laboratorium pomiarowym. Referat na konferencję Podstawowe Problemy Metrologii, Ustroń 2003.
5. Tomasz Guzy, Tadeusz Wypych: Rozważania metrologa wdrażającego system zapewnienia jakości w laboratorium pomiarowym. Energetyka 2003, nr 2
6. Grzegorz Grzegorzyca: Wybrane zagadnienia projektowania nowoczesnych, rozproszonych, przemysłowych systemów pomiarowych. Energetyka 2000, nr 9
7. Grzegorz Grzegorzyca: Rejestracja wielkości elektrycznych i nieelektrycznych w energetyce. Energetyka 2002, nr 9