Телемеханика. Телемеханика_4. Конспект лекций для студентов специальности 153 01 07 Информационные технологии и управление в технических системах
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
# # Передача ееее Рис. 1.42. Структурная схема КП телеметрической системы c автоматическим регулированием частоты опроса датчиков Датчик 1 Устройство защи- ты от ошибок Счетчик Блок считыва- ния Датчик n Аналого- цифровой преобразова- Коммутатор Блок управления Запоминающее устройство Схема сравне- ния Ключ 2 Формирователь синхросигнала Ключ 1 Устройство задержки Дешифратор Синтезатор частот 76 77 Применяя в данных устройствах микроконтроллеры, можно реализовать любой алгоритм автоматического регулирования частоты опроса датчиков: по максимальной погрешности, по наиболее быстро изменяющимся входным сиг- налам, по суммарной погрешности и т.д. 1.6.4. Телеметрические системы с рациональным построением теле- метрического кадра. Рассмотрим телеметрическую систему с сокращением количества информации не за счет предварительного вычисления погрешности аппроксимации, а за счет рационального построения телеметрического кадра. Данное устройство позволяет передать код параметра и коды адресов тех дат- чиков, сигналы которых в данный момент равны между собой, с погрешно- стью, определяемой квантованием сигнала по уровню, в одном телеметриче- ском кадре. Структурная схема КП системы с рациональным построением те- леметрического кадра представлена на рис. 1.43. Устройство работает следующим образом. По сигналу с БУ входные па- раметры поступают через коммутатор на АЦП, где происходит их преобразо- вание в код. Код входного параметра сравнивается с кодом этого же параметра в предыдущей точке отсчета, записанного в ЗУ. Если абсолютное значение разности данного и предыдущего отсчетов меньше шага квантования, то СС закрывает ключ и не пропускает текущую кодовую комбинацию на вход бу- ферной памяти (БП). Если эта разность оказывается больше шага квантования, то текущая кодовая комбинация передается в БП. Таким образом осуществля- ется адаптивная дискретизация входных сигналов и все неизбыточные отсчеты записываются в БП. Далее, с одного из выходов БУ поступает сигнал на анали- затор сигналов (АС), разрешающий сравнение кодов всех входных параметров, записанных в БП, между собой. Предположим, что сравнение начинается с ко- довой комбинации параметра первого канала. Эта кодовая комбинация сравни- вается с кодовыми комбинациями всех других каналов, и, если такая же кодо- вая комбинация встречается в одном или нескольких других каналах, то АС последовательно выдает сигнал для формирования кодов адресов каналов, ко- торым принадлежит рассматриваемая кодовая комбинация. По окончании формирования кода адреса последнего канала, входящего в это группу каналов, в БП от блока памяти адресов (БПА) подается сигнал считывания данной кодо- вой комбинации, которая вслед за кодами адресов каналов, соответствующих этой кодовой комбинации, через формирователь кадра поступает в БС. При от- сутствии кодовой комбинации данного канала в остальных каналах БПА выда- ется сигнал на формирование кода адреса только данного канала, а измери- тельная кодовая комбинация подмешивается к коду вышеуказанным способом. Затем производится анализ кодовой комбинации второго канала с кодо- выми комбинациями остальных каналов и т.д. Учитывая, что устройство рабо- тает в относительном масштабе времени, то в начале каждого телеметрическо- го кадра передается кодовая комбинация текущего времени. В работе рассматриваемого передающего устройства можно выделить два граничных случая. Рис. 1.43. Структурная схема КП телеметрической системы с рациональным построением телеметрического кадра 78 79 - Мгновенные значения сигналов датчиков в одном телеметрическом кад- ре одинаковы. При этом будет достигнута максимальная эффективность, так как будут переданы все номера датчиков и лишь один код параметра. - Мгновенные значения сигналов датчиков распределены по всем воз- можным уровням квантования. Эффективность передающего устройства в этом случае минимальна. Определим коэффициент сжатия для граничных случаев по числу двоичных знаков, передаваемых устройством за все время работы. Введем следующие обозначения: M – число уровней квантования; N – число датчиков; m =logM – число разрядов кода параметра; n = longN – число разрядов кода но- мера датчика. Число двоичных знаков в одном телеметрическом кадре, передаваемых неадаптивной адресной многоканальной телеметрической системой, определя- ется выражением ). ( n m N H + = (1.83) Для рассматриваемой адаптивной системы минимальное число двоичных знаков, получающихся в первом граничном случае, будет min nN m H ад + = (1.84) Максимальное число двоичных знаков для рассматриваемой адаптив- ной системы (второй граничный случай) при M<N определяется выражением max nN mM H ад + = (1.85) Коэффициент сжатия данных определяется отношением числа двоичных знаков в неадаптивной системе к числу двоичных знаков в адаптивной системе и изменяется в этом случае от , ) ( max min nN mM n m N H H K ад c + + = = (1.86) до ) ( min max nN m n m N H H K ад c + + = = (1.87) Если все сигналы датчиков независимы и имеют равномерное распреде- ление мгновенных значений, то среднее число различных уровней квантова- ния, передаваемых в одном телеметрическом кадре, будет равно [4] ). 1 ( M N ср e M M - - = (1.88) 80 Среднее число двоичных знаков в одном кадре рассматриваемой ТИС: nN mM H ср ср ад + = (1.89) При этом коэффициент сжатия информации: N M e N M MN K M N c log log ) 1 ( log + - = - (1.90) Анализ выражения (1.90) показывает, что для получения высоких коэф- фициентов сжатия информации необходимо сочетание методов рационального построения телеметрического кадра и адаптивной дискретизации в каждом ка- нале (рис. 1.43). 1.6.5. Использование сжатия данных для улучшения характеристик телеметрических систем. В системах ТИ сжатие данных не является самоце- лью, а применяется для улучшения какой-либо характеристики. Наибольшее распространение получило: уменьшение полосы частот в канале связи; умень- шение расхода энергии, необходимой для передачи измерительной информа- ции; повышение помехоустойчивости. В ряде случаев погрешность, обусловленная шумами канала связи, являет- ся доминирующей, поэтому вопросы повышения помехоустойчивости стано- вятся первостепенными. Это относится, в первую очередь, к радиотелеметри- ческим системам, в частности космическим, в которых энергетические ограни- чения должны учитываться прежде всего. Для таких систем повышение поме- хоустойчивости – это выигрыш в дальности действия и в габаритах источников питания, повышение достоверности передаваемых данных и экономический эффект [4]. Возможными путями для использования сокращения избыточности с це- лью повышения помехоустойчивости систем телеизмерения могут быть сле- дующие: регулирование пиковой мощности передатчика при сохранении сред- ней мощности или средней потребляемой энергии; изменение параметров мо- дулятора либо переход на более помехоустойчивый вид модуляции; целена- правленное введение временной избыточности после сокращения избыточно- сти первоначального сигнала. 81 2. ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЕ И ТЕЛЕСИГНАЛИЗАЦИЯ 2.1. Основные понятия Согласно ГОСТ 26.005-82 телеуправление (ТУ) – управление положением или состоянием дискретных объектов и объектов с непрерывным множеством состояний методами и средствами телемеханики. Телеуправление подразделя- ется на двухпозиционное и многопозиционное. Двухпозиционное телеуправление – телеуправление объектами, имею- щими два возможных состояния. Многопозиционное телеуправление – телеуправление объектами, име- ющими более двух возможных состояний. Для выполнения телеуправления согласно ГОСТ 26.005-82 могут быть ис- пользованы следующие приказы: Команда телеуправления – телемеханическое сообщение, передаваемое с пункта управления на контролируемые пункты и вызывающее изменение по- ложения или состояния объектов. Групповая команда телеуправления – команда телеуправления, адресо- ванная нескольким объектам одного контролируемого пункта. Циркулярная команда телеуправления – команда телеуправления, адресо- ванная объектам нескольких или всех контролируемых пунктов телемеханиче- ской системы. Команда-инструкция – команда телеуправления, передаваемая с пункта управления на контролируемые пункты оперативному персоналу, где она вы- водится на устройства отображения в виде стандартных инструкций. Телемеханическая команда опроса – телемеханическое сообщение, требующее от контролируемого пункта передачи информации о состоянии объектов. Телесигнализация (ТС) – получение информации о состоянии контроли- руемых и управляемых объектов, имеющих ряд возможных дискретных состо- яний, методами и средствами телемеханики (ГОСТ 26.005-82). В связи с этим устройства телеуправления обычно совмещаются с устрой- ствами телесигнализации и называются устройствами ТУ-ТС. К исключениям относятся, например, устройства ТУ строительными и другими кранами со зрительным контролем, заменяющим ТС и системы циркулярной передачи ко- манд по силовой сети. При ТУ промышленными объектами во многих случаях передаются про- стейшие двухпозиционные дискретные команды типа «включить», «выклю- чить» либо «прибавить», «убавить» (давление, расход, напряжение, уровень и т. д.). Такие же простейшие сигналы передаются и при телесигнализации, например, «включен» или «отключен» данный объект. 82 2.1.1. Требования, предъявляемые к устройствам ТУ-ТС: 1. Операция ТУ обязательно должна сопровождаться ответной телесиг- нализацией, которая используется для контроля правильности выполнения операции ТУ. 2. Посылка приказа ТУ должна состоять как минимум из двух операций: подготовительной (выбор объекта и характера операции) и исполнительной (запуск передачи). 3. Любое одно- или двукратное искажение сигнала при ТУ или поврежде- ние любого элемента должно сопровождаться защитным отказом, т.е. при этом не допускается исполнение ложных приказов. 4. Исполнение приказов не должно происходить при повреждении канала связи в спокойном состоянии системы или в процессе передачи. 5. Выход из строя канала связи, а также потеря питания системы не долж- ны приводить к ложным приказам и должны сигнализироваться на ПУ; канал связи должен непрерывно контролироваться. 6. Посылка приказов ТУ должна производиться методом спорадической передачи; передача ответной ТС допускается как спорадическим, так и цикли- ческим методом. 7. В случае нарушения приема известительной ТС на ПУ схема должна обеспечивать повторные передачи с КП на ПУ до тех пор, пока эти сигналы не будут сквитированы дежурным персоналом ПУ. 8. Приказы ТУ, не выполняемые по каким-либо причинам, не должны за- поминаться на КП. Для их выполнения необходим повторный запуск устрой- ства с ПУ. 9. Должно быть предусмотрено предпочтение известительной ТС перед посылкой приказа ТУ. 10. Сигналы, возникающие на КП во время повреждения устройства либо канала связи, при передаче других сигналов должны запоминаться и затем при ликвидации повреждений либо окончании передачи других сигналов автома- тически передаваться на ПУ. 11. Приход каждого известительного сигнала на ПУ должен сопровож- даться общим вызывным сигналом (звуковым или световым), квитируемым вручную. 12. Одна исполнительная операция ТУ предназначена, как правило, для одного объекта управления. Фиксация приема только одного приказа является дополнительной гарантией его правильности. В отдельных, особых случаях си- стема должна допускать возможность циркулярного управления, т.е. передачу приказов нескольким объектам одной исполнительной операцией ТУ. По быстродействию устройства ТУ-ТС разделяются на группы: со време- нем передачи команды до 1 с – первая группа, до 4 с – вторая группа, более 4 с – третья группа. По помехоустойчивости системы ТУ-ТС подразделяются на три катего- рии (ГОСТ 26.205-83). Требования к достоверности контрольной и управляю- щей информации приведены в табл. 2.1. 83 Таблица 2.1 Требования к достоверности контрольной и управляющей информации Вероятностные характеристики Вероятность события Р, не более Категория систем 1 2 3 Вероятность трансформации команды ТУ 10 -14 10 -10 10 -7 Вероятность трансформации сообщений ТС 10 -8 10 -7 10 -6 Вероятность образования ложной ко- манды или контрольного сообщения 10 -12 10 -7 10 -4 2.1.2. Виды команд. Команды разделяются на следующие: – однопозиционные – «включить» или «отключить»; – двухпозиционные – «включить» и «отключить»; – трехпозиционные – «прибавить», «убавить» и «стоп», воздействующие во многих случаях на уставки автоматических регуляторов и называемые теле- регулированием; – многопозиционные – передача значения телеуправляемого параметра в аналоговой или дискретной форме (например, открыть на 35 % затвор иррига- ционного канала). Передача таких команд получает более широкое применение и осуществляется главным образом путем спорадических адресных передач кодовыми комбинациями, содержащими адрес и текст для объекта управления. Они называются многопозиционными кодовыми комбинациями и относятся к телерегулированию; – спорадические – передаются по мере возникновения необходимости их передачи. Такие команды составляют подавляющее большинство в промыш- ленной телемеханике; – циклические – повторение передачи одной команды в течение ряда цик- лов до прихода известительных сигналов. Такие команды реализуются в цик- лических системах с временным разделением сигналов. Каждому сигналу при этом отводится свой временной интервал; – в зависимости от источников – команды формируемые диспетчером (оператором), управляющим устройством и ЭВМ; – по методу разделения сигналов – временные, частотные и кодовые. 2.2. Методы телеуправления В телемеханике применяют следующие методы управления: двухступен- чатое, иерархическое или многоступенчатое, циркулярное и циклический опрос. При двухступенчатом процессе управления диспетчер сначала осуществ- ляет подготовительную операцию – выбирает с помощью индивидуального ключа требуемый объект управления. Далее осуществляет исполнительную 84 операцию – посылает команду «включить» или «отключить» на объект управ- ления при помощи индивидуального либо общего ключа (кнопки). Двухсту- пенчатость управления уменьшает вероятность неправильной посылки коман- ды из-за поспешности, рассеянности или просто ошибки диспетчера. В системе должна быть предусмотрена сигнализация о выбранном объекте либо местная, либо поступившая с КП и подтверждающая выполнение подготовительной операции. Принцип иерархичности основан на разделении информации управления по определенным уровням, что позволяет создать многоступенчатые системы ТУ-ТС. Информация, возникающая в каждой ступени, почти полностью замыкает- ся в пределах этой ступени, и лишь часть ее передается на следующую ступень. В центральный диспетчерский пункт (ЦДП) поступают лишь некоторые харак- терные обобщающие показатели и данные о работе нижних ступеней управле- ния. Самым нижним рангом является местная автоматика, которая может само- стоятельно воздействовать на объект. В то же время наиболее важная инфор- мация передается непосредственно в ЦДП. В свою очередь из ЦДП на ниже- стоящие ступени управления поступают команды обобщающего характера, ти- па заданий, которые конкретизируются на месте. Циркулярное управление характеризуется одновременной передачей в те- чение одного цикла многих команд, т.е. осуществляется управление многими объектами. Причинами этого могут быть условия технологического процесса или необходимость сокращения времени управления, т.е. увеличение быстро- действия. Однако в большинстве случаев для обеспечения надежности управ- ления за один цикл посылается команда только одному объекту. При этом до- статочно просто осуществляется контроль над достоверностью принятого со- общения (по числу информационных импульсов). При циклическом опросе диспетчер может послать команду на КП, с кото- рого поочередно будет передаваться информация о состоянии всех или группы объектов. В системах телемеханики для рассредоточенных объектов такая связь может осуществляться с одним КП, несколькими или со всеми. Цикличе- ский опрос может производиться спорадически (по мере необходимости) или автоматически. Причем как КП, так и объекты на них могут подключаться по- очередно или по заданной программе. 2.3. Виды и методы сигнализации Различают следующие виды сигнализации: 1. Сигнализация о состоянии объектов и системы. Такая сигнализация имеет место как в устройствах ТС, предназначенных для сигнализации, так и в системах ТУ-ТС. Она может осуществляться либо автоматически, либо по вы- зову диспетчера. Сигнализация о состоянии объектов в устройствах ТУ-ТС является всегда адресной. Кроме сигнализации о состоянии объектов в системе предусматрива- 85 ется сигнализация об исправной работе отдельных устройств аппаратуры ДП, КП и линии связи. 2. Сигнализация, подтверждающая выполнение команд ТУ, или так назы- ваемая известительная сигнализация. Эта сигнализация может подтверждать как промежуточное исполнение команды, связанное с включением ряда устройств, предшествующих переключению объекта, так и извещать об изме- нении состояния непосредственно объекта. 3. Сигнализация о выходе измеряемого параметра за заранее установлен- ные пределы (предупредительная сигнализация). Сюда же можно отнести ава- рийную сигнализацию – когда сигнализируется появление аварийной ситуации на контролируемом объекте. Согласно ГОСТ воспроизведение дискретных сообщений при ТС должно обеспечиваться по методу «темного» либо «светлого» щита. 4. Сигнализация по методу «светлого» щита означает, что зажженная лам- почка на щите будет гореть до тех пор, пока объект включен. Если все объекты включены, то все индикаторы светятся. Это может создать неудобства для дис- петчера в случае большого числа объектов. От этого недостатка свободна сиг- нализация по методу «темного» щита, при которой о положении объекта судят не по индикаторной лампочке, которая обычно погашена, а по положению ключа. Индикатор светится лишь при изменении состояния объекта. Например, приходит сигнал, извещающий об изменении положения 4 объекта. При этом начинает светиться индикатор 4-го и подается акустический сигнал. Возникает состояние несоответствия между новым состоянием объекта и положением ключа, который повернут в положение, соответствующее предшествующему состоянию объекта. Диспетчер переводит ключ в положение, соответствующее новому состоянию объекта, индикатор гаснет и прекращается подача акустиче- ского сигнала. Следует отметить, что телесигнализация может осуществляться либо спо- радически (при изменении состояния объекта или по желанию диспетчера), ли- бо циклически. |