телемех. Конспект лекций по основам телемеханики. Омск Сибади, 2012. 63 с. Рассматриваются общие вопросы систем телемеханики, основные понятия, пе редача сообщений, элементы и узлы, основные принципы построения
 Скачать 1.19 Mb.
|
|
Конспект лекций по основам телемеханики 2012 УДК 621.398 ББК 32.968 Т 46 Тихонов Ю.Б. Т 46 Конспект лекций по основам телемеханики. – Омск: СибАДИ, 2012. – 63 с. Рассматриваются общие вопросы систем телемеханики, основные понятия, пе- редача сообщений, элементы и узлы, основные принципы построения. Настоящее издание предназначено для студентов направления 220700 «Автома- тизация технологических процессов и производств» и специальности 220301 «Автома- тизация технологических процессов и производств», всех форм обучения. Табл. 6. Ил. 31. Библиогр.: 5 назв. 2 СОДЕРЖАНИЕ Раздел 1. Основные понятия в телемеханике………………………………………… 4 Тема 1.1. Этапы управления производственными процессами………....................... 4 Тема 1.2. Классификация систем телемеханики………………………....................... 7 Раздел 2. Передача телемеханической информации………………………………… 9 Тема 2.1. Сообщение и информация………………………………………………….. 9 Тема 2.2. Квантование…………………………………………………………………. 14 Тема 2.3. Кодирование………………………………………………………………… 24 Тема 2.4. Методы модуляции…………………………………………………………. 26 Тема 2.5. Достоверность передачи информации………………………...................... 29 Тема 2.6. Организация каналов связи для передачи информации………………….. 31 Раздел 3. Состав телемеханических устройств………………………………………. 35 Тема 3.1. Элементы, используемые в телемеханике………………………………… 35 Тема 3.2. Датчики автоматических систем……………………………....................... 39 Тема 3.3. Сельсины………………………………………………………...................... 44 Тема 3.4. Дешифраторы, шифраторы и счетчики……………………………………. 46 Тема 3.5. Регистры, распределители и коммутаторы…………………....................... 54 Раздел 4. Основные принципы телемеханики…………………………....................... 56 Тема 4.1. Передача и прием телемеханических сигналов…………………………… 56 Тема 4.2. Телеуправление и телесигнализация………………………………………. 58 Тема 4.3. Телеизмерение………………………………………………………………. 59 Тема 4.4. Представление информации в системах телемеханики……...................... 60 Библиографический список…………………………………………………………… 63 3 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ТЕЛЕМЕХАНИКЕ 1.1. Этапы управления производственными процессами Телемеханика – область науки и техники, предметом которой явля- ется разработка методов и технических средств передачи и приёма инфор- мации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии. Специфическими особенностями телемеханики являются: • удалённость объектов контроля и управления; • необходимость высокой точности передачи измеряемых вели- чин; • недопустимость большого запаздывания сигналов; • высокая надёжность передачи команд управления; • высокая степень автоматизации процессов сбора информации. Назначение Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объединить разобщённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, ж. -д. узлом), либо когда присутствие че- ловека на объекте управления нежелательно (например, в атомной про- мышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой). Внедрение телемеханических систем позволяет сократить числен- ность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, ос- вобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях. Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием ав- томатизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полу- ченных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улуч- шить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия "телемеханика" всё чаще и чаще используется сокращение АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом. Современная система телемеха- ники также немыслима без компьютера, поэтому можно сказать, что теле- механика и АСУТП – близнецы-братья. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Например, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях – АСУТП. В англоязычных источниках аналогом понятия "телемеханика" явля- ется сокращение SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – дис- петчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл. 4 Области применения Предприятия химической, атомной, металлургической, горнодобы- вающей промышленности, электрические станции и подстанции, насосные и компрессорные станции (на нефте- и газопроводах, в системах иррига- ции, тепло- и водоснабжения), ж.-д. узлы и аэропорты, усилительные и ретрансляционные установки на линиях связи, системы охранной сигнали- зации и т. д. История Термин "телемеханика" был предложен в 1905 году французским учёным Э. Бранли. Первоначально с понятием телемеханики связывали представление об управлении по радио подвижными военными объектами. Известны случаи применения боевой техники, оснащенной устройствами управления на расстоянии, в 1-й мировой войне. Практическое применение телемеханики в мирных целях началось в 20-х годах 20 века, главным образом на ж.-д. транспорте: телеуправление ж.-д. сигнализацией и стрелками было впервые осуществлено в 1927 на железной дороге в Огайо (США). В 1933 в Московской энергосистеме (Мосэнерго) введено в эксплуатацию первое устройство телесигнализации. Серийное заводское производство устройств телемеханики в СССР впер- вые было организовано в 1950 на заводе "Электропульт". Развитие телемеханики шло параллельно с развитием электроники и средств связи. Первые системы строили на релейных схемах. В 50-х годах на смену реле пришли более надежные полупроводниковые элементы. В конце 60-х годов началось использование интегральных схем. Тенденции развития В современной системе телемеханики большое внимание уделяется программному обеспечению системы и интеграции с действующими сис- темами и программными комплексами. Стандартом стало графическое представление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с "живым" отображением текущего состояния, управление объектом с кадров мнемо- схем. В программном обеспечении наблюдается тенденция к стандартиза- ции программных интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ (технология OPC), возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирова- ния, аналитические, АРМ специалистов). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки. С технической стороны в системах всё чаще используются совре- менные скоростные каналы связи (оптоволокно, Ethernet) и беспроводные технологии (например, транкинговая и сотовая связь). Вместе с тем сохра- няется потребность стыковки с морально (а иногда и физически) устарев- шими "унаследованными" системами, с сохранением их протоколов связи. 5 На контролируемых объектах всё чаще возникает необходимость стыковки с локальными технологическими системами. Наряду с усложнением самих систем и их программного обеспечения наблюдается изменение требований к реализуемым функциям. К традици- онным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, теле- управление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с ло- кальных автоматических приборов. К обычным функциям контроля за из- менением состояния и превышения предельных значений добавляются возможности текущих расчетов и логического анализа (например, баланс- ные расчеты Автоматизация производства – этап развития машинного производ- ства, характеризующийся передачей функций управления производствен- ными процессами от человека устройствам и системам автоматического управления. В отличие от предшествующего ей этапа механизации произ- водства как средства замены ручного (физического) труда машинным, ав- томатизация производства имеет целью освобождение человека от всех видов деятельности, поддающейся алгоритмизации. Автоматизация производства развивалась и развивается непрерывно от частичной автоматизации, т. е. автоматического выполнения отдельных производственных операций, к комплексной автоматизации целых техно- логических процессов – к полной автоматизации с переходом к цехам- автоматам и заводам-автоматам, обеспечивающим наивысшую технико- экономическую эффективность. Автоматизация производства связана с ростом масштабов производства, увеличением быстродействия технологи- ческих процессов, интенсификацией производства. Высокое быстродейст- вие, отсутствие утомляемости и невосприимчивость к посторонним, не имеющим отношения к управляемому процессу воздействиям позволяют управляющим системам выполнять свои функции несравненно эффектив- нее, чем это может делать человек. Наибольший эффект автоматизация дает в тех случаях, когда техно- логическое оборудование уже на стадии проектирования рассчитывается не на ручное, а на автоматическое управление. Точно так же наибольший эффект от использования систем автоматического управления достигается при комплексном охвате автоматизацией всех машин и технологических агрегатов цеха или участка. Комплексная автоматизация значительно уменьшает влияние субъективных факторов человека (мастерство, утом- ляемость, быстрота реакции и т. п.) на технологический процесс и позво- ляет достигнуть более ритмичной и высокопроизводительной работы. В силу органической связи отдельных участков производства между собой согласование их работы должно быть централизованным и сосредоточен- ным в руках одного человека. Это связано с тем, что для выбора режимов работы отдельных агрегатов необходимо иметь полную картину обо всем 6 производстве в целом. Поэтому среди систем управления видное место за- нимают устройства, обеспечивающие организацию связи человека с ма- шинами. Эти устройства должны облегчить человеку управление произ- водственными процессами, разгрузить его нервную систему, освободить мозг от напряженной и рутинной механической работы. Полное исключе- ние субъективных особенностей человека на показатели процесса требует автоматизации и оперативного управления. Создание систем автоматиче- ского оперативного управления является завершающим звеном полной ав- томатизация производства (создания цехов и предприятий-автоматов). В настоящее время для оперативного управления производством во все воз- растающих масштабах применяются электронные вычислительные маши- ны. 1.2. Классификация систем телемеханики Системы телемеханики получили значительное применение в произ- водственных отраслях, где остро стоит вопрос организации централизо- ванного управления территориально удалёнными системами. Это железно- дорожный транспорт, крупные промышленные предприятия, энергетиче- ская отрасль и т. д. Особо важную роль играют модули телеуправления, модули теле- сигнализации и так называемые контроллеры присоединения именно в энергетической отрасли, которую можно смело назвать уникальной по сравнению со всеми другими производственными отраслями. Ведь нигде, ни в одном другом производстве нет настолько чёткой и согласованной деятельности между поставщиками и потребителями готовой продукции. Так как продукцией является электроэнергия, то все крупные произ- водители и потребители должны быть объединены в единую систему. Если взять Россию, то в ЕЭС входят сотни электростанций, которые расположе- ны на территории 8 часовых поясов. При этом их общая мощность превы- шает 170 ГВт. Для решения задач управления и координации энергетиче- ских систем необходимы современная автоматика и телемеханика. Рассмотрим, какие системы телемеханики применяются в энергети- ке, и их классификацию. В первую очередь разберёмся, чем автоматика и телемеханика различаются между собой. Главной особенностью систем телемеханики является наличие уст- ройств, обеспечивающих передачу информации на большие расстояния. При этом необходимо, чтобы модули телеуправления получали как можно менее искажённую информацию. В условиях значительной территориаль- ной разобщённости элементов энергосистем и наличия значительного ко- личества помех это создаёт наибольшую проблему для работы системы те- лемеханики. 7 По заложенным в них функциям и типу передаваемых данных сис- темы телемеханики, применяемые в энергетической отрасли, классифици- руются на: - модули телеуправления, управляющие отдельными единицами обо- рудования или целыми комплексами; - модули телесигнализации, на которые возложена функция дистан- ционного контроля состояния и положения объектов; - системы телеизмерения, проверяющие показатели различных вели- чин; - модули передачи данных, предназначенные для передачи на расстояние информации об управляемых объектах в цифровой или другой форме. Если говорить в общем, то все системы телемеханики представляют собой системы передачи данных. В них содержится совокупность техниче- ских средств (модули телесигнализации, управления, модули телеизмере- ния, модули дискретной сигнализации и т. д.), которые должны обеспечить передачу информации от источника к рабочему органу и выполнение всех возложенных на неё функций. Основными критериями при выборе системы телемеханики являются обеспечение максимальной функциональности, высокая надёжность в экс- плуатации как самой системы, так и программного обеспечения, а также поддержка основных протоколов обмена данных. Важным показателем, которым должны обладать автоматика и телемеханика, является доступ- ность совокупной стоимости владения, куда входит стоимость самой сис- темы и её эксплуатации. Отличительной особенностью систем телемеханики по сравнению с системами автоматики является наличие в них устройств для передачи- информации на значительные расстояния. Для правильного функциониро- вания автоматических систем необходимо, чтобы информация в процессе передачи претерпевала наименьшие искажения. В условиях же территори- альной разобщенности частей системы и действия помех это затрудни- тельно. Для решения задачи передачи информации сформировалась особая область науки и техники – телемеханика, которая охватывает теорию и технические средства преобразования и передачи на расстояние информа- ции для управления техническими системами. Телемеханические системы получили большое распространение при централизованном управлении территориально развитыми системами в энергетике, на железнодорожном транспорте, газо- и нефтепроводах и т. д. Только с использованием средств телемеханики возможно исследование космоса, а также создание автоматизированных систем управления произ- водственными процессами на транспорте и в промышленности. 8 По выполняемым функциям и характеру передаваемой информации телемеханические системы подразделяют на системы: телеуправления, управляющие оборудованием или целыми произ- водственными комплексами; телесигнализации, контролирующие на расстоянии состояние и по- ложение объектов; телеизмерения, контролирующие на расстоянии параметры различ- ных величин (ток, напряжение, давление, скорость); передачи данных, передающие на расстояние цифровую и другую информацию о работе производственных объектов для использования ее в вычислительных или управляющих машинах; комбинированные, объединяющие некоторые из перечисленных вы- ше систем. Все системы телемеханики являются системами передачи информа- ции. Эти системы содержат совокупность технических средств передаю- щих информацию от источника к исполнительному устройству. В наибо- лее общем виде система для передачи информации состоит из источника сообщения, кодирующего устройства, которое формирует из сообщения сигнал, передатчика-модулятора, преобразующего сигнал в вид, удобный для передачи по линии связи (физической среды, по которой передаются сигналы), приемника-демодулятора, преобразующего сигнал в первона- чальный вид, декодирующего устройства, формирующего из сигнала со- общение. По принятому сообщению должны быть сформированы сигналы реализации. Эту задачу решает отдельное устройство — формирователь сигнала реализации, воздействующий на исполнительное устройство. Цель системы — передача сообщения от источника к получателю, т. е. исполни- тельному устройству. Она считается выполненной, если сообщение Б, принятое получателем, полностью соответствует переданному сообщению А. 2. ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 2.1. Сообщение и информация При управлении производственным процессом всегда возникает со- общения о ходе производственного процесса, которые необходимо переда- вать от одного звена устройства управления к другому. Эти сообщения по- рождаются различными событиями, например: изменением состава пода- ваемого сырья, повышением температуры окружающей среды, изменением нагрузки на подстанциях электросети. В полученном сообщении может оказаться больше сведений, чем это необходимо оператору или ЭВМ для 9 принятия решения. Некоторые из них были известны. А какая-то часть со- общения содержит новизну. Под сообщением понимается все то, что передается о ходе производ- ственного процесса (или, более широко, событии). Под информацией понимается лишь та часть сообщения, которая имеет новизну и ранее не была известна данному получателю (оператору или машине). Примеры: 1) сведения о ходе плавки в мартеновской печи из лаборатории - ин- формация; 2) письмо - сообщение, телеграмма - информация. В автоматических устройствах сообщения передаются из одного зве- на устройства к другому в ходе сигналов. Для передачи сигналов исполь- зуются такие физические процессы, которые обладают свойством переме- щения в пространстве. К ним относятся звуковые и э/м колебания, движе- ния струй воздуха и т.д. Это так называемые переносчики информации. Переносчик должен обладать свойством изменять свою форму или пара- метры под воздействием сообщения. Сам по себе переносчик не является сигналом. Сигнал – это переносчик с нанесенным на нем сообщением или ин- формацией. Сигналы должны образовываться по определенному закону. Сигнал подается в линию и поступает к получателю (абоненту), где он снова преобразуется в сообщение или информацию. Такова общая схема передачи сообщений применительно к теории связи. Различают идеальный (рис. 1,а) и реальный (рис. 1,б) случай переда- чи телемеханической информации. Рис. 1 Идеальный (а) и реальный (б) случаи передачи телемеханической информации 10 Из-за помех необходимо передавать избыточную информацию (на- пример, повторяем сообщение несколько раз), чтобы информация была достоверной. |