Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
Н.И. Сорока, Г.А. Кривинченко ТЕЛЕМЕХАНИКА Конспект лекций для студентов специальности 1-53 01 07 «Информационные технологии и управление в технических системах» всех форм обучения Часть 4 Системы телемеханики Минск 2 ВВЕДЕНИЕ Интенсивное развитие народного хозяйства требует прогрессивных сдви- гов в его структуре, разработки и внедрения новых методов производства и управления. В этой связи все большую роль начинают играть комплексная ме- ханизация и автоматизация производственных процессов. Одной из суще- ственных сторон этой большой и сложной задачи является проблема сбора, пе- редачи и обработки информации, необходимой как непосредственно для управления процессом производства, так и для решения связанных с ним науч- но-технических вопросов. В решении этой сложной комплексной задачи важную роль играют теле- механические методы контроля и управления. В ряде случаев телемеханиче- ские системы становятся незаменимым средством при важнейших научных ис- следованиях. Так, благодаря применению телеметрических систем значительно облегчается исследование земных глубин, становится возможным детальное изучение процессов, протекающих на труднодоступных объектах. Исключительное значение приобрела радиотелеметрия, с помощью кото- рой можно получить информацию при исследованиях верхних слоев атмосфе- ры и космоса, при испытаниях движущихся объектов, самолетов, космических кораблей, автомобилей и т.п. Развитие новых областей и научных исследова- ний постоянно расширяет круг задач, решаемых радиотелеметрическими мето- дами, предъявляет все более высокие требования к точности, надежности, быстродействию и экономичности телемеханической аппаратуры. Наряду с этими требованиями развитие науки и техники ставит телемеха- нике новые, все более сложные задачи и в отношении характера исследуемых физических процессов. Особую важность приобретает исследование быстро- протекающих процессов и передача широкополосных сигналов. При проектировании телемеханической аппаратуры наряду с требования- ми точности и надежности важную роль имеют и такие факторы, как эконо- мичность, малогабаритность и малое потребление энергии. Целью настоящего конспекта является ознакомление студентов с принци- пами построения систем телеизмерения, телеуправления, телерегулирования и передачи дискретных сообщений. Конспект будет полезен как при изучении теоретических основ телемеха- ники, так и при разработке конкретных систем телемеханики. 3 Помеха U Д1 U С1 U У1 U Д2 U С2 U У2 1. ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЕ 1.1. Основные понятия. Классификация Телеизмерение (ТИ) – получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых и управляемых объектов методами и средствами телемеханики (ГОСТ 26.005-82). Таким образом, телеизмерение определяется как область автоматических измерений на расстоянии через каналы связи без непосредственного участия человека в процессе измерения. ТИ как область техники и технических наук одновременно является частью измерительной техники и телемеханики. В связи с этим в ТИ развиваются и применяются од- новременно методы и технические средства измерений и телемеханика. Теле- измерение отличается от обычных электрических измерений, которые не могут быть применены для измерения на расстоянии вследствие возникновения по- грешностей из-за изменения параметров линии связи, окружающей среды и действия помех. Даже если бы указанные погрешности находились в допусти- мых пределах, передача большого числа показаний потребовала бы большого числа проводов. Кроме того, в некоторых случаях (передача измерения с по- движных объектов – самолетов, спутников, ракет и др.) обычные методы прин- ципиально не могут быть использованы. Методы телеизмерения позволяют уменьшить погрешность при передаче измеряемых величин на большие рас- стояния, а также многократно использовать линию связи. Сущность телеизме- рения заключается в том, что измеряемая величина, предварительно преобра- зованная в ток или напряжение, дополнительно преобразовывается в сигнал, который затем передается по линии связи. Таким образом, передается не сама измеряемая величина, а эквивалентный ей сигнал, параметры которого выби- рают так, чтобы искажения при передаче были минимальными. Структурная схема телеизмерения приведена на рис. 1.1. Рис. 1.1. Структурная схема телеизмерения Датчик Преобра- зователь Передат- чик Линия связи Прием- ник Преобра- зователь Регистриру- ющий прибор x 4 Измеряемая величина X (давление, влажность, уровень, скорость, вибра- ция и т.п.) преобразуется с помощью датчика (первичного преобразователя) в электрическую величину U Д1 (ток, напряжение, сопротивление, емкость, ин- дуктивность). Сигнал с выхода датчика не может быть непосредственно ис- пользован для передачи по информационному каналу. В таких случаях выход- ные сигналы от датчиков подаются на канальные преобразователи, где преоб- разуются к единому (унифицированному) параметру U C1 (напряжение 0…5 В, напряжение 0…10 В, ток 0…100 мА), принятому для данной системы. Пара- метр U C1 преобразуется в передатчике методом кодирования и модуляции в па- раметр сигнала U У1 , пригодный для передачи по линии связи. Следовательно, передатчик согласовывает параметр U C1 с линией (каналом) связи. На прием- ной стороне сигнал U У2 (он отличается от U У1 за счет воздействия помех в ли- нии связи) поступает на вход приемника и преобразуется (демодулируется и декодируется) в величину U C2 , которая приемным преобразователем преобра- зуется в значение тока или напряжения, которое эквивалентно измеряемой ве- личине и воспроизводит ее на регистрирующем приборе. Совокупность техни- ческих средств на передающей, приемной сторонах и канале связи, необходи- мых для автоматического измерения одного или ряда параметров на расстоя- нии, включая датчик и регистрирующий прибор, называется телеизмеритель- ной системой (СТИ). А технические средства, предназначенные для осуществ- ления телеизмерений путем ряда автоматических преобразований и передачи сигналов через канал связи, называются телеизмерительным устройством. Процесс телеизмерения производится без непосредственного участия человека. Различают телеизмерение по вызову и по выбору, текущих и интеграль- ных значений. Телеизмерение по вызову – телеизмерение по команде, посылаемой с пункта управления (ПУ) на контролируемый пункт (КП) и вызывающей под- ключение на КП передающих устройств, а на ПУ – соответствующих прием- ных устройств. Телеизмерение по вызову позволяет использовать одну линию связи (канал телеизмерения) для поочередного наблюдения за многими объек- тами телеизмерения. Диспетчер с помощью отдельной системы телеуправле- ния может подключать к каналу ТИ желаемый объект ТИ. На ПУ показания можно наблюдать на общем выходном приборе. Если показания имеют раз- личные шкалы, то измеряемые величины подключаются к разным приборам. При ТИ по вызову можно применять автоматический опрос объектов ТИ цик- лически по заданной программе. Телеизмерение по выбору – ТИ путем подключения к устройствам ПУ соответствующих приемных приборов при постоянно подключенных переда- ющих устройствах на КП. Телеизмерение текущих параметров (ТИТ) – получение информации о значении измеряемого параметра в момент опроса устройством телемеханики. 5 Телеизмерение интегральных значений (ТИИ) – получение информа- ции об интегральных значениях измеряемых величин, проинтегрированных по заданному параметру, например времени, в месте передачи. 1.1.1. Характеристики систем ТИ. Основной характеристикой СТИ яв- ляется точность. Точность характеризуется статической погрешностью, или просто погрешностью. Погрешность – степень приближения показаний приемного прибора к действительному значению измеряемой величины. Согласно ГОСТ 26.205-83, классы точности каналов ТИ должны быть установлены для устройств и ком- плексов при цифровом и аналоговом воспроизведении измеряемых параметров из следующего ряда: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,6; 2,5. Основная приведенная по- грешность устройства ТИ в процентах от конечного значения рабочей части шкалы выходного прибора не должна превышать указанных значений классов точности. Так, для класса точности 1,0 основная приведенная погрешность % 1 £ d Различают абсолютную D , относительную отн d и приведенную пр d по- грешности: д и х х - = D ; д отн х / 100 % × D = d ; ) /( 100 % min max х х прив - × D = d , (1.1) где д х – действительное значение телеизмеряемой величины (измеряемое образцовым прибором); и х – измеренное значение (показания регистрирующего прибора); max х , min х – предельное значение измеряемой величины (по шкале регистрирующего прибора). Основная погрешность зависит от принципа действия, конструкции и технологии изготовления устройства ТИ, определяемая при нормальных усло- виях. Это соответствует номинальным напряжению и частоте, отсутствию по- мех, работе при температуре окружающего воздуха 20±3 °C и относительной влажности 30…80 %, отсутствию внешних и других полей, нехарактерных для нормальных условий, и т.п. Дополнительные погрешности вызываются различными отклонениями от нормальных условий работы. Согласно ГОСТ 26.205-83, допускается отклонение напряжения питания от плюс 10 до минус 15 % (класс устройств АСЗ) и от плюс 15 до минус 20 % (класс устройств АСИ) от номинальных параметров питания. Номинальные параметры питания устройств от электрических сетей переменного тока часто- той 50 Гц должны быть следующие: напряжение однофазной сети – 220 В; напряжение трехфазной сети – 220/380 В. Допускается отклонение частоты 50 Гц от плюс 2 до минус 2 % (класс 3) и от плюс 5 до минус 5 % (класс 4). Устройства должны выполнять заданные функции при отклонениях уровня 6 сигнала на входе приемного устройства на плюс 50 и минус 50 % от номиналь- ного значения входного сигнала. Телеизмеряемые величины должны воспроизводиться аналоговым или цифровым прибором в абсолютных значениях измеряемых величин. Это зна- чит, что если передаваемая величина выражается в тоннах, то прибор на при- емной стороне должен быть отградуирован в тоннах. Лишь в особых случаях допускается воспроизведение в процентах. Устройство ТИ состоит из многих преобразователей, усилителей и других узлов, включенных последовательно и работающих в различных во многих случаях независимых между собой условиях. Тогда средняя квадратичная по- грешность системы равна 2 2 2 2 1 n d + + d + d = d å , где i d – значение средней квадратической погрешности i -го преобразователя или последовательно включенного блока. Результирующая погрешность преобразователей или узлов, включенных последовательно, для которых погрешности имеют между собой стопроцент- ную корреляцию, равна алгебраической сумме: å = d = d å n i i 1 (1.2) Для устройств телеизмерений в ряде случаев определяется только по- грешность телепередачи, в которую не входят погрешность первичных преоб- разователей и погрешности регистрирующих устройств. Одним из существенных источников погрешностей для многих устройств ТИ являются помехи в канале связи. Помехоустойчивость устройств телеизме- рений оценивается по средней квадратической ск d и средней ср d погрешностям [1]. Для случайных непрерывных величин они характеризуются интегральны- ми выражениями: ò - ¥ ® d = d 2 / 2 / ) ( 1 lim T T T ср dt t T ; ò - ¥ ® d - d = d 2 / 2 / 2 ) ) ( ( 1 lim T T ср T ск dt t T (1.3) где T – время наблюдения; ) (t d – мгновенное значение приведенной погрешности. При слабых флуктуационных помехах преобладает средняя квадратиче- ская погрешность, в то время как при сильных флуктуационных помехах мо- жет преобладать средняя помеха. К важнейшим характеристикам устройства ТИ относятся время установ- ления показаний ТИ, называемое быстродействием и определяемое как интер- вал между моментом скачкообразного изменения ТИ параметра и моментом, начиная с которого показания воспроизводящего и записывающего прибора 7 достигает нового значения с заданной погрешностью (обычно % 2 ± устано- вившегося значения). Допустимое время установления в промышленных устройствах ТИ 5 3 = доп T с. По времени установления показаний системы телеизмерений делятся на три группы: со временем установления показаний до 1 с, от 1 до 4 с и более 4 с. Погрешность, возникающая во время установления показаний, обусловлена наличием в тракте ТИ узкополосных фильтров, инер- ционных и интегрирующих звеньев, а в дискретных и кодовых (цифровых) устройствах – также временем прямого и обратного преобразований непрерыв- ного сигнала в цифровой эквивалент, периодичностью отсчетов в циклических системах ТИ и временем передачи. При квантовании возникает погрешность квантования, определяемая шагом квантования U D . При равномерном квантовании максимальное значе- ние приведенной погрешности: прив max min 100 1 100 50 % 2( ) 2( 1) 2 1 n U x x N D × × d = = = - - - , (1.4) где min max x x - – диапазон измерения параметра; N – число интервалов квантования; n – число разрядов двоичного кода. 1.1.2. Суммирование измеряемых величин. В системах телеконтроля в ряде случаев возникает задача суммирования измеряемых величин на переда- ющей и приемной стороне. Суммирование необходимо, например, при ТИ суммарной мощности пространственно рассредоточенных электростанций или потребителей электроэнергии, суммарного расхода воды, нефти, газа и т.п. Для уменьшения числа телеизмеряемых параметров суммирование целе- сообразно применять на приемной стороне. Однако это удается осуществить только на крупных сосредоточенных пунктах. При рассредоточенных пунктах суммирование телеизмеряемых величин производится на приемной стороне. В процессе суммирования измеряемые величины x (см. рис. 1.1) преобразуются в соответствующие вспомогательные величины Д U , так что ) ( 1 1 1 x f U Д = ; ) ( 2 2 2 x f U Д = ; … ; ) ( n n n x f U Д = (1.5) Для суммирования необходимо выполнить условие å å = = = n i n i i i x K U Д 1 1 (1.6) Это условие выполняется, если зависимость между Д 1 U и x линейная: i i i i i A K x f U Д = = ) ( , (1.7) где i K – постоянный коэффициент, при этом все коэффициенты равны между собой, т.е. 8 K K K K n = = = = 2 1 (1.8) Коэффициент K называется постоянной суммирования. Очевидно, что å å å = = = = + + + = n i n i n i i n i x K x x x K U Д 1 1 1 2 1 ) ( (1.9) Для суммирования наиболее часто используются такие вспомогательные величины, как электрический ток или напряжение и число импульсов (кодо- вые комбинации). 1.1.3. Классификация систем телеизмерения. Все системы могут быть одноканальными, когда по одной линии связи передается только одно изме- рение, и многоканальными, когда по одной линии связи передается много измерений (классификация по числу измеряемых величин). Многоканаль- ность достигается с помощью частотного и временного способов разделения сигналов. По методам воспроизведения измеряемой величины системы ТИ подраз- деляются на аналоговые и цифровые. К аналоговым системам относятся систе- мы, у которых сигналы модулированы с помощью непрерывных и импульсных модуляций. В аналоговых системах может применяться дискретизация по вре- мени, но отсутствует квантование по уровню. В аналоговых системах регистра- ция сигнала осуществляется, как правило, в аналоговой форме электроизмери- тельными приборами. В случае, когда необходимо произвести обработку ре- зультатов на ЭВМ, на приемной стороне производится преобразование в цифро- вой эквивалент с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Наибольшее применение находят цифровые системы, где телеизмеряемый па- раметр преобразуется в цифровой эквивалент. Преимущества этих систем при- ведены во введении [2]. В настоящее время широкое применение находят си- стемы с кодоимпульсной модуляцией и сложными (псевдослучайными) сигна- лами. Системы ТИ можно классифицировать по виду программы, по которой они работают. Подавляющее большинство СТИ работают по жесткой (заранее заданной) программе, по которой передаются все измеряемые сообщения неза- висимо от того, несут ли они информацию получателю или являются избыточ- ными. В настоящее время широко применяются адаптивные телеизмеритель- ные системы, автоматически изменяющие программу работы в зависимости от изменения характеристик передаваемых сообщений и внешних условий. По температурным условиям устройства ТИ делятся на три группы: |