Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок
 Скачать 2.3 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Директор ФТИ В.П. Кривобоков « » 2010 г. А.Г. Горюнов, С.Н. Ливенцов, Ю.А. Чурсин ТЕЛЕКОНТРОЛЬ И ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЕ Курс лекций по специальности 140306 «Электроника и автоматика физических установок» направления 140300 «Ядерная физика и технологии» Издательство Томского политехнического университета 2010 УДК 66.011 ББК 00000 А00 Горюнов А.Г. А00 Телеконтроль и телеуправление: курс лекций по специальности 140306 «Электроника и автоматика физических установок» направления 140300 «Ядерная физика и технологии» / А.Г. Горюнов, С.Н. Ливенцов, Ю.А. Чурсин; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 161 с. УДК 66.011 ББК 00000 Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры электроники и автоматики физических установок ФТИ « 9 » сентября 2010 г. Зав. кафедрой ЭАФУ доктор технических наук _________С.Н. Ливенцов Председатель учебно-методической комиссии _________ В.Д. Каратаев Рецензент Доктор технических наук, профессор, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники Н.В. Замятин © ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 2010 ©Горюнов А.Г., Чурсин Ю.А., 2010 © Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2010 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7 ЛЕКЦИЯ 1. Введение в курс лекций «Телеконтроль и телеуправление» ...... 9 1.1. Предмет «Телеконтроль и телеуправление» .......................................... 9 1.2. История телемеханики ............................................................................ 10 1.3. Место телемеханики в процессе управления ....................................... 11 1.4. Основные понятия и терминология ....................................................... 13 1.5. Основные задачи телемеханики ............................................................. 16 ЛЕКЦИЯ 2. Функции телемеханики ................................................................ 21 2.1. Функции телемеханики ........................................................................... 21 2.2. Пользовательские функции .................................................................... 23 2.3. Функции оперативной обработки сигналов. ........................................ 24 2.4. Функции транспортировки (передачи сообщений) ............................. 25 ЛЕКЦИЯ 3. Телемеханические сообщения ..................................................... 28 3.1. Телемеханическое сообщение и его характеристики .......................... 28 3.2. Телемеханический канал связи и условия обеспечения передачи сигнала ................................................................................................................ 29 3.3. Виды сигналов и их характеристики ..................................................... 31 3.4. Преобразования сигналов ....................................................................... 32 3.5. Модуляция сигналов ............................................................................... 33 3.6. Амплитудная модуляция ........................................................................ 33 3.7. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Общие понятия» ............................................................................................................. 37 ЛЕКЦИЯ 4. Реализация амплитудной модуляции .......................................... 38 4.1. Осуществление амплитудной модуляции ............................................. 38 4.2. Демодуляция амплитудно-модулируемых сигналов ........................... 43 4.3. Амплитудная манипуляция .................................................................... 47 4.4. Полярная модуляция ............................................................................... 48 ЛЕКЦИЯ 5. Частотная и фазовая модуляции .................................................. 49 5.1. Частотная модуляция .............................................................................. 49 4 5.2. Частотная манипуляция .......................................................................... 52 5.3. Демодуляция частотно-модулируемых сигналов ................................ 53 5.4. Фазовая модуляция .................................................................................. 56 5.5. Сравнение методов непрерывной модуляции ...................................... 57 5.6. Фазовая манипуляция ............................................................................. 58 5.7. Преимущества и недостатки фазовой манипуляции по сравнению с частотной манипуляцией .................................................................................. 61 5.8. Относительная фазовая манипуляция (фазоразностная модуляция) . 61 5.9. Двукратная непрерывная модуляция .................................................... 62 ЛЕКЦИЯ 6. Импульсные методы модуляции ................................................. 63 6.1. Введение ................................................................................................... 63 6.2. Амплитудно-импульсная модуляция .................................................... 63 6.3. Широтно-импульсная модуляция .......................................................... 65 6.4. Фазоимпульсная модуляция ................................................................... 66 6.5. Частотно-импульсная модуляция .......................................................... 67 6.6. Кодоимпульсная модуляция ................................................................... 68 6.7. Дельта-модуляция ................................................................................... 69 6.8. Разностно-дискретная модуляция.......................................................... 70 6.9. Лямда-дельта модуляция ........................................................................ 71 6.10. Многократные методы модуляции ........................................................ 72 6.11. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Модуляция сигналов» ............................................................................................................ 73 ЛЕКЦИЯ 7. Каналы связи.................................................................................. 74 7.1. Введение ................................................................................................... 74 7.2. Частотное разделение каналов связи ..................................................... 75 7.3. Временное разделение каналов связи ................................................... 77 7.4. Способы синхронизации и синфазирования при временном разделении каналов связи ................................................................................. 80 7.5. Временно-кодовое разделение каналов связи ...................................... 82 7.6. Фазовое разделение каналов связи ........................................................ 83 5 ЛЕКЦИЯ 8. Линии связи ................................................................................... 84 8.1. Классификация линий связи................................................................... 84 8.2. Проводные линии связи .......................................................................... 87 8.3. Каналы связи по воздушным линиям электропередач высокого напряжения ........................................................................................................ 90 8.4. Радиорелейные линии связи ................................................................... 91 ЛЕКЦИЯ 9. Спутниковые каналы связи .......................................................... 93 9.1. Спутниковые системы связи .................................................................. 93 9.2. VSAT-станция спутниковой связи ........................................................ 96 9.3. Радиосигналы в спутниковых системах связи ................................... 107 ЛЕКЦИЯ 10. Оптические каналы связи ....................................................... 118 10.1. Особенности оптических систем связи ............................................... 118 10.2. Оптическое волокно .............................................................................. 121 10.3. Волоконно-оптический кабель ............................................................. 125 10.4. Оптические соединители ...................................................................... 128 10.5. Электронные компоненты систем оптической связи ........................ 130 10.6. Применение волоконно-оптических линий связи .............................. 131 10.7. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Каналы связи» .. ................................................................................................................. 136 ЛЕКЦИЯ 11. Помехи в каналах связи .......................................................... 137 11.1. Типы помех ............................................................................................ 137 11.2. Классификация аддитивных помех и источников ............................. 138 11.3. Флуктуационные помехи и их характеристики ................................. 140 11.4. Сосредоточенные помехи ..................................................................... 141 11.5. Помехоустойчивость передачи сигналов ............................................ 142 11.6. Помехоустойчивость порогового приѐмника ..................................... 143 11.7. Помехоустойчивость идеального приѐмника Котельникова (потенциальная помехоустойчивость) .......................................................... 146 11.8. Методы повышения помехоустойчивости дискретных сигналов .... 148 6 11.9. Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Помехи в каналах связи» ................................................................................................. 150 ЛЕКЦИЯ 12. Микропроцессорные телемеханические системы ................ 151 12.1. Общие сведения о микропроцессорных телемеханических системах .. ................................................................................................................. 151 12.2. Информационно-вычислительные сети в телемеханике ................... 153 12.3. Стандартные кодовые форматы передачи данных в телемеханических системах ........................................................................................................... 156 12.4. Микропроцессорная телемеханическая система на примере комплекса «Гранит» ........................................................................................ 157 ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................... 159 Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление» 7 ВВЕДЕНИЕ Телемеханика является быстроразвивающейся областью техники сбора, передачи, обработки и отображения информации, необходимой для оперативного централизованного контроля и управления различными процессами. В настоящее время в таких отраслях промышленности, как энергетика, транспорт, нефтяная и газовая промышленность, формируются иерархические автоматизированные системы диспетчерского управления с применением микро-ЭВМ и использованием локальных вычислительных сетей. Это приводит к существенному изменению, как в технических средствах, так и в методах передачи телемеханической информации. Системы телемеханики можно рассматривать как комплекс, включающий элементы трех систем: автоматизированного управления, информационно-измерительной и связи. При этом основной отличительной чертой систем телемеханики является передача на большие расстояния информации между контролируемыми пунктами и пунктами управления. Студенты специальности 140306 достаточно подробно изучают теоретические и практические аспекты информационно-измерительных и управляющих систем в ряде курсов в соответствии с учебным планом. Поэтому основной задачей настоящего курса является ознакомление будущих специалистов по электронике и автоматике физических установок с общими основами и особенностью систем телемеханики, состоящими в передаче технологической и управляющей информации на большие расстояния. После изучения курса студент должен понимать основные аспекты различий телемеханических систем и систем связи общего назначения: достоверность; быстродействие, обеспечение режима реального времени. После изучения курса студент должен знать: основные задачи телемеханики; Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление» 8 основные пользовательские функции телемеханических систем; вторичные пользовательские функции телемеханических систем; современные принципы построения систем телеуправления и телеконтроля; методы уплотнения каналов связи, удовлетворяющие требованиям телемеханических систем. После изучения курса студент должен уметь: оценивать объем информации, передача которой необходима для обеспечения функционирования системы управления; разрабатывать требования к каналу связи; выбирать метод образования сигнала из телемеханического сообщения для обеспечения его передачи по имеющемуся каналу связи с заданной достоверностью в реальном времени; выполнять предварительный выбор канала связи по разработанным требованиям; выбирать тип локальной вычислительной сети для реализации основных функций телемеханики. Средствами, обеспечивающими достижение целей обучения, являются: изучение теоретических принципов функционирования промышленных систем телеуправления и телеконтроля в аудитории; самостоятельное выполнение цикла лабораторных работ на натурных моделях элементов телемеханических систем; проверка усвоения материала с помощью контрольных вопросов в учебной аудитории и домашних заданий. Изучение курса базируется, прежде всего, на изученных ранее курсах высшей математики, основ теории электрических цепей, электроники и микроэлектроники, теории автоматического управления, теории информации в объеме учебного плана специальности. Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №1 «Введение в курс лекций» 9 ЛЕКЦИЯ 1. Введение в курс лекций «Телеконтроль и телеуправление» ПЛАН ЛЕКЦИИ 1.1. Предмет «Телеконтроль и телеуправление» 1.2. История телемеханики 1.3. Место телемеханики в процессе управления 1.4. Основные понятия и терминология 1.5. Основные задачи телемеханики 1.1. Предмет «Телеконтроль и телеуправление» Цель курса: знакомство с общими основами построения и особенностями систем телемеханики, отличающими эти системы от систем связи. В курсе «Телеконтроль и телеуправление» будем рассматривать общие основы построения систем телемеханики как систем, обеспечивающих экономически эффективную передачу технологической и управляющей информации на большие расстояния. Телемеханика (от теле… и механика), область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приема информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии [1, 2, 3, 4]. Телемеханика отличается от других областей науки и техники, связанных с передачей информации на расстояние (телефония, телеграфия, телевидение и др.), рядом специфических особенностей, важнейшие из которых [1, 3, 4, 5]: - передача сигналов с постоянной и переменной составляющими, и очень медленно меняющихся данных; Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №1 «Введение в курс лекций» 10 - необходимость высокой точности передачи измеряемых величин (до 0.1%); - недопустимость большого запаздывания сигналов, возможность передачи данных в режиме реального времени [6, 7]; - высокая надежность передачи команд управления (вероятность возникновения ложной команды должна быть не более 10 -6 10 -10 ); - высокая степень автоматизации процессов сбора и использования информации; - централизованность переработки информации. Указанные особенности обусловлены спецификой задач, решаемых телемеханикой. Как правило, телемеханизация применяется тогда, когда необходимо и целесообразно объединить разобщенные или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, железно-дорожным узлом, сетью метеостанций) либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (вследствие того, что работа на объекте сопряжена с риском для здоровья – например, в атомной промышленности и энергетики, на некоторых химических предприятиях) или невозможно (из-за недоступности объекта управления – например, при управлении непилотируемой ракетой, луноходом и т.д.). Основное внимание в нашем курсе будем уделять рассмотрению принципов передачи сообщений на большие расстояния, использование микропроцессорной техники и информационно-вычислительных сетей. 1.2. История телемеханики Первые попытки производить измерения и управлять работой машин на расстоянии относятся к концу XIX в.; термин «Телемеханика» был предложен в 1905 французским учѐным Э. Бранли. Первоначально с понятием телемеханика связывали представление об управлении по радио подвижными военными объектами. Известны случаи применения средств Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №1 «Введение в курс лекций» 11 боевой техники, оснащенных устройствами управления на расстоянии, в 1-й мировой войне 1914 – 1918 г.г. Практическое применение телемеханики в мирных целях началось в 20-х гг. XX в. Главным образом на железно- дорожном транспорте: телеуправление железнодорожной сигнализацией и стрелками было впервые осуществлено в 1927 на железной дороге в Огайо (США) на участке длиной 65 км. В 1930 в СССР был запущен первый в мире радиозонд с оборудованием для телеизмерений. В 1933 г. в Московской энергосистеме (Мосэнерго) введено в эксплуатацию первое устройство телесигнализации. В 1935 – 1936 г.г. началось практическое применение устройств телемеханики в Мосэнерго, Ленэнерго, Донбассэнерго. В 1935 г. реализовано телеуправление стрелками и сигналами на Московско-Рязанской железной дороги. В начале 40-х гг. в Москве было введено централизованное телеуправление освещением улиц. Серийное заводское производство устройств телемеханики в СССР впервые было организовано в 1950 г. на заводе «Электропульт». К 1955 г. выявилась тенденция к техническому переоснащению средств телемеханики: ненадѐжные релейно-контактные элементы начали с 1958 повсеместно заменять полупроводниковыми и магнитными бесконтактными элементами. Первая в СССР электронная система телеизмерений была разработана в 1955 – 1956 г.г. В конце 60 – начале 70-х гг. началось оснащение телемеханических систем аппаратурой с использованием интегральных схем [1, 2, 4]. |