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.
|
|
Нелинейные искажения сопровождаются появлением в спектре сигнала новых гармонических составляющих из-за наличия в цепи нели- нейных элементов. Искажается форма сигнала. Случайные искажения вызываются помехами в канале, которые могут создать ложный сигнал или подавить основной сигнал. Изменения видеоимпульсов возникают из-за краевых искажений и дробления. Из-за краевых искажений возникает сдвиг переднего фронта импуль- са. Краевые искажения делятся на искажения преобладания, характеристи- ческие и случайные. При преобладаниях импульсы одного знака полярно- сти удлиняются за счет укорочения импульсов другого знака. Характери- стические искажения проявляются в виде выбросов, обусловленных харак- тером переходного процесса, искажений формы импульсов и смещений их фронтов код воздействием переходного процесса от предыдущей посылки, который не успевает закончиться. Смещения фронтов импульсов возника- ют под воздействием случайных помех. В видео и радиоимпульсах наблюдаются: - дробления: изменения полярности импульса, как на части импуль- са, так и на всей его длительности; - искажения по соседнему каналу (переходные искажения) вычиты- ваются влиянием смежных каналов, т.к. реальные фильтры не полностью отфильтровывают одну полосу частот от другой; - перекрестные искажения возникают при одновременной передаче информации от многих источников в различных частотных диапазонах вследствие нелинейности ряда общих для всех каналов элементов и узлов схемы (усилители, демодуляторы и т.п.). 2.6. Организация каналов связи для передачи информации Для передачи телемеханической информации применяют линии про- водной связи, линии электроснабжения и радиотракт (радиорелейные ли- нии, радиопередатчики, радиоприемники, микроволновую и сотовую связь), оптическую связь. Наиболее широко распространены проводные линии связи. Если они используются только для передачи ТМ-информации, то называются физи- ческими проводниками линиями связи. Эту пару проводов (воздушную или экранированную) можно использовать для передачи многих сообще- ний методами временного или частичного разделения сигналов (уплотне- ние линии связи). Физическая цепь или самостоятельная двухпроводная линия связи – лучший вариант для организации каналов связи, по которым можно передавать телемеханические сообщения. Однако он дорог, и про- 31 кладка самостоятельной (воздушной или кабельной) линии связи на боль- шие расстояния производят в исключительных случаях. Как правило, по проложенным проводам передается информация связи (телеграфные и фототелеграфные сообщения, телефонная связь, пе- редача данных, звуковое вещание и т.д.), а для целей ТМ предназначается телеграфный или телефонный канал, то есть выделяется определенная по- лоса частот. При небольших скоростях передачи сигналов ТМ (50-75 Бод) приме- няют телеграфные каналы (обычно каналы тонального телеграфирования), а при скоростях до 4800 Бод требуется телефонный канал. При более вы- соких скоростях передачи используют телевизионные каналы. ТМ информацию можно передавать в разных диапазонах частот: то- нальном (300-3400 Гц), надтональном (3400-5300 Гц), высокочастотном (свыше 5300 Гц), а иногда и в подтональном (40-300Гц). Передача одного или двух телемеханических сообщений можно осуществлять по занятому телефонному каналу, не прерывая разговора, то есть без выделения специальной полосы частот (упрощенное уплотнение). Линии должны быть надежными, помехоустойчивыми и безотказ- ными. Каналы связи по физическим проводным линиям связи. Основные характеристики Воздушные линии связи Воздушные линии связи состоят из металлических проводов, подве- шенных с помощью изоляторов и специальной арматуры на столбах. В за- висимости от условий, в которых находятся подвешенные провода (голо- лед, ветер и т.п.), различают воздушные линии связи 4-х типов: обессиленного, нормального, усиленного, особо усиленного. В качестве проводов (линейной проволоки) применяют провода: Стальной D 5;4;3;2.5;2;1.5 мм; Медный D 4;3.5;3мм; Биметаллический сталемедный (покрытие меди 0,2 мм) D 4;3;2;1.6мм. Биметаллический сталеалюминиевый D 2.6-6.5мм. Стальная воздушная линия f max до 30 Гц. Медная воздушная линия f max до 180 Гц. Недостатки: подверженность внешним помехам, малая надежность, большая утечка при ухудшении атмосферных условий (гроза, дожди, голо- 32 лед), большие затраты материалов при сооружении и необходимость по- стоянного профилактического обслуживания. При снижении tº на 80°С. R акт меняется в 1, 5 раза. Кабельные линии связи Кабель состоит из изолированных параллельных проводников, за- ключенных в общую влагозащитную оболочку и иногда в броневые покро- вы. Различают подземные, подводные и воздушные кабели, симметричные и коаксиальные Первичные параметры проводных линий связи Первичными параметрами проводных линий связи являются актив- ное сопротивление R (Ом/км), индуктивность L (Гн/км), емкость C (Ф/км), проводимость изоляции G (1/Ом Хкм) Активное сопротивление R=R 0 +R п.э. +R бл +R м , где R 0 – сопротивление постоянного тока; R п.э – сопротивление поверхно- стного эффекта; R бл – сопротивление эффекта близости; R м – сопротивле- ние потерь в металле (в соседних кабельных цепях и свинцовой оболочке). Для кабеля учитывают все 4 составляющие, для воздушных линий – только первые два, так как R бл и R м малы. R 0 зависит от D провода материала t° и способа скрутки жил. R п.э сопротивление переменному току. R бл эффект близости, так же как и поверхностный эффект, возникает за счет взаимного влияния рядом расположенных токонесущих проводов, так как магнитное поле каждого из двух проводов создает вихревые токи в соседнем проводе. Взаимодействие вихревых токов с основным током приводит к увеличению плотности тока на обращенных друг к другу по- верхностях проводов. R бл увеличивается при уменьшении расстояния между проводами. R м возникает из-за того, что вихревые токи, создаваемые внешним магнитным полем цепи, нагревает окружающие металлические части. L зависит от расстояния между проводами D (уменьшается с увели- чением D), от материала (у стали L больше, чем у меди) и f. С зависит от расстояния между проводами (увеличивается с умень- шением расстояния) D и материала диэлектрика между проводами цепи. LC=µε, где µ и ε - магнитная и диэлектрическая проницаемости. Для воздушной линии LC=1, для кабеля LC= ε. Проводимость изоляции (утечка) зависит от типа изоляции, частота тока (возрастает с увеличением ƒ) и климатических условий. Для воздуш- ных цепей на утечку влияют также гололед и иней. Различают однородные и неоднородные линии. Вторичные параметры проводных линий - волновое сопротивление Z В и постоянная передача γ. 33 Сопротивление, которым можно заменить отрезанную часть беско- нечно длинной линии так, что при этом в любых точках оставшейся линии значения тока и напряжения будут прежними, называют волновым или ха- рактеристическим сопротивлением. Z В =√ (R+jωL)/(G+ jωC) При частотах больше 10 кГц R и G весьма малы по сравнению с ωL и ωС, поэтому можно считать, , что Z B =√L/C. Для медных воздушных линий связи Z b =600-900 Ом. Сопротивление, измеренное в начале линии, называется входным со- противлением Z B= U вх /I вx , где U вх и I вx – напряжение и ток на входе линии. Входное сопротивление линии зависит от волнового сопротивления линии, затухания линии и величины нагрузки в конце линии. Входное сопротивление совпадает с волновым сопротивлением только тогда, когда сопротивление нагрузки Z H =Z B . Только в этом случае будет наилучшая передача электромагнитной энергии, т. е. будет наи- больший к. п. д. передачи, так как будет отсутствовать отражение волн. Постоянная передачи, или коэффициент распространения: γ= , (21) где коэффициент затухания, коэффициент сдвига фазы. Обычно затухание в линии измеряют в децибелах: 2 1 20 P P lg = α [дБ]. (22) Каналы связи в выделенной полосе частот проводной линии связи При передаче небольшого количества ТМ сообщений на большие расстояния иногда оказываются экономически нецелесообразной проклад- ка отдельной линии, то есть осуществление передачи по физическим лини- ям связи. Стоимость таких линий связи может значительно превышать стои- мость самой системы ТМ. В этом случае целесообразно использовать уже проложенные линии для передачи сообщений связи: телеграф, телефоны и др. При этом полоса пропускания, которой обладает линия, разделяются на ряд телефонных каналов (первичное уплотнение), каждый из которых в свою очередь может делиться на телеграфные каналы (первичное уплотне- ние), каждый из которых в свою очередь может делиться на телеграфные каналы с шириной полосы частот, как правило, до 140 Гц (вторичное уп- лотнение) ∆t телеграфного канала достаточна для передачи обычного ТМ со- общения, тем более что для образования телеграфных каналов существует хорошо налаженная аппаратура для передачи телеграмм и других сообще- ний связи. Поэтому в этом случае происходит простая замена сообщений. 34 Телеграфная связь - низкоскоростная передача данных и команд для различных счетных и управляющих машин. Симплексная поочередная двусторонняя связь между 2 пунктами по одному каналу, при которой в каждом из них передача и приём сообщений ведутся поочерёдно. Телеграфирование постоянным током Дуплексная одновременная двусторонняя связь по одной линии свя- зи. Двусторонняя передача ТМ-сообщений, когда передачи по линии ве- дутся одновременно. Телеграфирование переменным током называется частотным теле- графированием. Частотное телеграфирование является более совершенным, так как обеспечивает передачу большего числа сообщений и на большее расстоя- ние, чем постоянным током. Телефонная связь используется для двусторонней передачи речи на расстояние в тональном диапазоне (300-3400 Гц), который уже нормально- го звукового диапазона (30-16000 Гц) Каналы связи в зоне тонального телеграфирования Для передачи ТМ сообщений в этом диапазоне (0,3-3,4 Гц) исполь- зуют телеграфные каналы, организуемые различной серийно выпускаемой каналообразующей аппаратурой. В каждом телеграфном канале вместо те- леграфных посылок можно передавать ТМ сообщения. Уже сейчас сотовую связь можно рассматривать как один из вариан- тов обмена информацией в распределенных системах АСУТП. В ряде слу- чаев GSM-радиотелемеханика экономически эффективнее. При этом у GSM есть некоторые преимущества: качество связи, охваченная террито- рия, доступность, меньшая цена оборудования, простота обслуживания и эксплуатации, сокращение первоначальных вложений, мобильность. 3. СОСТАВ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 3.1. Основные элементы, узлы и схемы телемеханики Телемеханические устройства представляют собой сложные ком- плексы, состоящие из отдельных функциональных узлов, блоков и аппара- тов, связанных в единую электрическую схему. Телемеханическая аппаратура, выпускавшаяся отечественной про- мышленностью до 60-х годов комплектовалась в основном из релейно- контактных электромеханических элементов. Наиболее широкое распро- странение среди них получили электромагнитные реле постоянного тока, нейтральные и поляризованные, шаговые искатели различных типов. Релейно-контактная аппаратура позволяет легко реализовать разнообраз- 35 ные функции в устройствах телемеханики, такие, например, как переклю- чение различных цепей, формирование и усиление импульсных сигналов, элементарные логические функции, создание временных задержек, разде- ление электрических цепей и др. Опыт эксплуатации телемеханических систем с релейно-контактной аппаратурой показал, что они при соответст- вующем обслуживании вполне надежно работают, хорошо контролируют- ся, сравнительно удобны в эксплуатации. Схемы, построенные на релейно- контактной аппаратуре, достаточно просты и четки. В то же время релейно-контактная аппаратура обладает рядом суще- ственных недостатков, с одной стороны, препятствующих совершенство- ванию характеристик телемеханических устройств, а с другой – требую- щих постоянного наблюдения за ее состоянием и тщательного обслужива- ния. Такая аппаратура вследствие наличия в ней подвижных частей и кон- тактов требует индивидуальной регулировки, имеет ограниченное быстро- действие, характеризуется относительно невысокой максимально допус- тимой частотой переключений, имеет значительные размеры и массу, по- требляет больше энергии, недостаточно вибростойка, предъявляет высокие требования к среде, в которой она работает, требует постоянного поведе- ния профилактических мероприятий. В связи с бурным развитием автоматики, полупроводниковой техни- ки и радиоэлектроники релейно-контактная аппаратура и в устройствах те- лемеханики все больше вытесняется бесконтактными элементами. Бескон- тактные элементы обладают значительно большим сроком службы, высо- кой скоростью переключения, повышенной надежностью, небольшими размерами и массой, потребляют незначительное количество энергии, тре- буют меньшего, но в то же время более квалифицированного, обслужива- ния, могут работать во влажных и запыленных местах, агрессивных средах и достаточно вибростойки. Из бесконтактных элементов в устройствах телемеханики наиболее широко применяются полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы), магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса и магнитные усилители. Для создания некоторых типов телемеханических устройств на базе отдельных бесконтактных элементов разработаны специальные суб- блоки, или модули, каждый из которых выполняет одну или несколько ло- гических, переключательных, импульсных и других функций. Таким набо- ром субблоков является система «Спектр», положенная в основу группы телемеханических устройств, выпускаемых заводом телемеханической ап- паратуры (г. Нальчик). Дальнейшим совершенствованием элементной базы устройств телемеханики является использование микроэлектроники, на- пример интегральных микросхем. Интегральные схемы представляют со- бой комплекс устройств, объединяющий в полном блоке несколько функ- циональных устройств (генератор импульсов, усилитель и т. п.). На инте- 36 гральных микросхемах построены агрегатные средства телемеханической техники (АСТТ). Основными узлами устройств телемеханики являются генераторы импульсов, распределители, шифраторы и дешифраторы, а в устройствах телеизмерения, кроме того, датчики и преобразователи. Назначение и функции некоторых из этих узлов рассмотрены ниже. Чтобы иметь пред- ставление о различных способах реализации этих узлов на базе как кон- тактных, так и бесконтактных элементов, далее приведены примеры вы- полнения основных функциональных узлов телемеханических устройств, даны соответствующие пояснения. Особое значение в устройствах телемеханики имеют так называемые защитные узлы. С помощью этих узлов обеспечиваются электрическая за- щита оборудования, защита устройств от различных сбоев в работе, от по- мех, вызывающих искажение передаваемых сигналов и команд, а также контроль за состоянием и работой функциональных узлов устройства и ка- налов связи. Генераторы импульсов Назначение генераторов импульсов в устройствах телемеханики со- стоит в образовании серии импульсов, передаваемых в линии связи между полукомплектами устройства. Релейно-контактные генераторы импульсов представляют собой уст- ройства, собранные из электромагнитных реле. Наиболее элементарными являются генераторы, построенные на двух реле. Такие генераторы приня- то называть «пульс-парами» (рис. 12,а). Рис. 12. Двухрелейный генератор импульсов. а — принципиальная схема; б — временная диаграмма импульсов; Через размыкающий контакт реле подается на обмотку реле 1 и по- следнее срабатывает; через его замыкающий контакт получает питание обмотка реле 2, которое, срабатывая, своими размыкающими контактами, во-первых, обрывает цепь питания линии связи, нормально обтекаемой то- ком, а, во-вторых, обесточивает реле 1. Реле 1, отпадая, обрывает питание 37 обмотки реле 2П, что приводит схему в исходное положение. Таким обра- зом, в линии связи образуется серия пауз и импульсов тока. На временной диаграмме (рис. 12,б) стрелками показана последователь- ность срабатывания элементов схемы. В схемах устройств телемеханики генератор импульсов содержит специальные элементы, которые образуют в серии импульсный избираю- щий признак (например, удлиненную паузу или импульс), соответствую- щий определенной команде или положению объекта. Применяя в схемах пульс-пары реле с выдержкой времени, можно регулировать длительность импульса или паузы. В качестве примера рассмотрим работу еще одной схемы генератора импульсов (рис. 13), используемой в телемеханическом устройстве УТМ-1. Схема состоит из пульс-пары (реле 1П, 2П); дополнительного реле (Д), имеющего выдержку времени на отпускание; кнопок управления: объект- ных КУ и общей пусковой КП для устройства телемеханики; шагового ис- кателя ШИ. Когда устройство находится в работе (кнопка КП нажата), по цепи «плюс – ламель ШИ-I – кнопка КП – обмотка реле 1П – минус» подается питание на реле пульс-пары. Это реле, срабатывая, во-первых, разрывает цепь питания обмотки реле 2П, ранее обтекавшейся током по цепи: «плюс – размыкающий контакт реле 1П – размыкающий контакт реле Д – обмот- ка реле 2П – минус», и, во-вторых, подготавливает к срабатыванию реле Д. При нажатии пусковой кнопки КП запускается в работу также шаговый искатель ШИ (обмотка ШИ на рис. 13 не показана), щетки которого начи- нают переходить с одной ламели на другую. При переходе щетки ШИ-I с ламели 0 на ламель 1 обесточивается реле 1П, так как реле 2П отпущено и, следовательно, его замыкающий контакт в цепи «ШИ-I/1 – обмотка реле 1П» разомкнут. Реле 1П, отпадая, включает реле 2П. Последнее, замыкая свой контакт в цепи обмотки реле 1П, вновь включает это реле, и, таким образом, в линию связи через замыкающий контакт реле 2П будет посту- пать импульсная серия. При нажатии ключа управления КУ (например, ключа 1КУ, соответ- ствующего ламели 2 ШИ-II) в момент когда щетка ШИ-II попадает на ла- мель 2, при включенном реле 1П срабатывает реле 2П. Такая задержка обеспечивает поступление в линию связи удлиненной паузы, соответст- вующей выбранному объекту. Бесконтактные генераторы импульсов представляют собой различ- ные переключающиеся схемы, построенные на полупроводниковых эле- ментах или магнитных элементах с прямоугольной петлей гистерезиса. Основными достоинствами бесконтактных генераторов по сравне- нию с релейно-контактными являются неограниченное число срабатыва- ний, строгое постоянство параметра импульсов при изменениях в широких 38 пределах напряжения питания и температуры окружающей воздуха, прак- тически мгновенный переход из нерабочего режима в рабочий и наоборот. Рис. 13. Релейный генератор импульсов. Схемы бесконтактных генераторов импульсов (мультивибраторы, триггеры и т. п.) достаточно хорошо описаны в технической литературе по электронике и телемеханике. |