Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Тема 7 Основы телемеханики План лекции 1. Основные понятия и определения. Классификация систем телемеханики. Функциональная структура телемеханической системы 2. Признаки сигналов 3. Методы селекции (избирания) 4. Интерфейсы 1. Телемеханикой называют область науки и техники, охватывающую теорию и средства автоматической передачи на большие расстояния команд управления и информации о состоянии объектов контроля и управления. Комплекс технических средств, обеспечивающих передачу на расстояние по каналам связи значительного числа команд от оператора или УВМ (контроллера) к объектам управления и контрольной информации в обратном направлении, называется системой телемеханики. В зависимости от выполняемых функций системы телемеханики принято различать: телесигнализации (ТС), телеизмерения (ТИ), телеуправления (ТУ) и телерегулирования (ТР). Современные системы телемеханики, как правило, комбинированные, совмещающие свойства систем ТУ-ТС-ТИ. Структура телемеханической системы включает в себя: диспетчерский пункт – телемеханическое устройство – линии связи – телемеханическое устройство – исполнительный пункт. В общем случае линии связи можно разделить на проводные и беспроводные. В свою очередь проводные линии связи делятся на: воздушные, кабельные и волоконно-оптические. Последние являются в настоящее время наиболее перспективными среди проводных линий связи. К беспроводным линиям относятся радиорелейные, спутниковые и лазерные. Для лазерной связи необходим комплект, состоящий из пары приемопередатчиков. Передатчик – полупроводниковый лазер преобразует электрические сигналы в модулированное оптическое излучение мощностью не более 40…50 мВт в инфракрасном диапазоне (0,82 мкм). Испускаемый передатчиком лазерный луч достигает (дальность связи – порядка 1200 м) приемника, представляющего собой инфракрасный фотодиод. Приемник производит обратное преобразование, и на выходе получается исходный электрический сигнал. В качестве линии связи в подземных условиях используют жилы контрольных, телефонных и силовых кабелей, а в ряде случаев – трубопроводы, подъемные канаты, контактный провод и рельсовый путь. Для сокращения затрат часто прибегают к многократному использованию выделенных или занятых линий связи одним из следующих способов: создание искусственных цепей; частотное разделения (уплотнение); временное разделения (уплотнение). Метод частотного разделения или уплотнения каналов заключается в переносе сигнала каждого канала при помощи индивидуальной несущей частоты. При этом каналы располагаются в неперекрывающихся полосах частот. Общее количество каналов, объединяемых таким образом, может составлять сотни и тысячи, при суммарном спектре в единицы и десятки МГц. При временном разделении каналов информация каждого канала передается дискретными отсчетами поочередно. Данный способ уплотнения характерен для цифровых (импульсных) систем. 2. Носителями информации в системах телемеханики являются сигналы, как правило, импульсы тока с различными качественными признаками. К таким признакам относят: полярность и амплитуду сигналов, длительность посылок и интервалов между ними, частоту и фазу посылок. Полярность импульса определяется направлением тока в цепи и обеспечивает два качественных признака (рис. 1, а). Импульсы посылок различной амплитуды (рис. 1, б) можно получить изменением напряжения источника питания. Длительность посылок импульсов (рис. 1, в) характеризуется изменением продолжительности очередного сигнала. Создание частотных признаков (рис. 1, г) посылок на передающей стороне осуществляется генераторами, а расшифровка на приемной стороне – приемниками, настроенными на соответствующие частоты генераторов. Фаза посылки (рис. 1, д) определяется по отношению к какому-либо периодическому опорному процессу, в качестве которого обычно принимается сигнал синусоидальной формы. Преобразование любого сообщения в электрический сигнал одного из указанных признаков производится кодированием. Рисунок 1 – Качественные признаки импульсов сигналов 3 . Процесс преобразования сигналов в телемеханических устройствах в вид, удобный для следования их по линии связи, и повторного преобразования на исполнительном пункте для дальнейшего использования называют избиранием или селекцией. Распространение получили качественный, комбинационный, распределительный и кодовый методы избирания. Качественный метод характеризуется посылкой сигналов разных качественных признаков, причем каждый импульс может быть послан по отдельной линии связи или все импульсы посылаются по одной линии связи. Комбинационный метод обеспечивается тем, что в качестве одного сигнала передается комбинация разных качеств импульсов, проходящих по отдельным линиям связи. Распределительный метод позволяет передавать по двухпроводной линии связи сигналы в виде поочередно следующих импульсов с заданными признаками полярности. Кодовый метод является разновидностью распределительного метода, когда передача сигнала осуществляется комбинацией нескольких импульсов – кодом с заданными качественными признаками. 4. Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участ- вующими в обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс. Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов телемеханической системы. Устройства подсоединяются к системе сопряжения и объединяются по определенным правилам, относящимся к физической реализации сопряжения. Конструктивное исполнение этих устройств, характеристики вырабатываемых и принимаемых блоками сигналов и последовательности выдаваемых сигналов во времени позволяют упорядочить обмен информацией между отдельными функциональными блоками. Под интерфейсной системой понимают совокупность логических уст- ройств, объединенных унифицированным набором связей и предназначен- ных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости. Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаи- модействия функциональных модулей в соответствии с установленными нормами и правилами. Интерфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее распространенные интерфейсы определены международными, государ- ственными и отраслевыми стандартами. Стандарт(ГОСТ 26016—81) включает четыре признака классификации: способ соединения комплектов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, комбинированный); способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный); принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный); режим передачи информации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача). Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществляется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в группы для выполнения одной из операций в программно- управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе (топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования любого интерфейса. В цепочечной структуре (рис. 2, а) каждая пара источник-приемник соединена попарно линиями от выходов предыдущих функциональных блоков ко входам последующих, обмен данными происходит непосредственно между блоками или приборами. Функции управления распределены между этими устройствами. Цепочечную структуру интерфейсов используют, как правило, в несложных системах с несколькими функциональными устройствами. В системе, выполненной по радиальной структуре (рис. 2, б), имеется центральное устройство – контроллер, с которым каждая пара источник- приемник связана с помощью индивидуальной группы шин. Блоки и приборы, подключаемые к контроллеру, могут изменять свои места при соответствующем изменении программы работы контроллера. Под управлением контроллера происходит обмен данными между каждым устройством и контроллером. Связи между управляющим устройством и одним из устройств-источников или приемников сигналов могут осу- ществляться как по инициативе контроллера, так и по инициативе устройств- абонентов. В последнем случае одно из устройств вырабатывает сигнал запроса на обслуживание, а контроллер идентифицирует запрашиваемое устройство. Когда контроллер готов к обмену данными, логически подключаются цепи связи и начинается процесс обмена. Эти цепи остаются подключенными, пока не будет передана нужная порция информации. Рисунок 2 Контроллер может производить обмен данными только с одним из устройств. В случае одновременного поступления запросов от двух и более абонентов по системе приоритетов будет установлена связь с устройством, имеющим наивысший приоритет. Приоритет присваивается приборам и блокам в зависимости от их типа, технических характеристик и важности поступающей информации. В интерфейсах с радиальной структурой чаще всего приоритет зависит от места подключения кабеля, соединяющего абонента с контроллером. Радиальное соединение функциональных блоков позволяет достаточно просто и быстро осуществлять адресацию и идентификацию требуемого функционального блока. а) ФУ 1 ФУ 2 ФУ N б) ФУ 1 ФУ 2 ФУ N Контроллер в) ФУ 1 ФУ 2 ФУ N Контроллер Магистраль К недостаткам радиальной структуры можно отнести большую длину соединительных линий, а также сложность контроллера, что приводит к увеличению стоимости всей системы. В системах с магистральной структурой (рис. 2, в) вместо группы индивидуальных шин имеются коллективные шины, к которым подсоеди- няются все источники и приемники информации и контроллер. К основным характеристикам интерфейса относятся следующие: функциональное назначение; структура или тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена данными; номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи. По принципу обмена информацией интерфейсы подразделяют на па- раллельные, последовательные и параллельно-последовательные. При параллельной передаче цифровых данных численное значение величины, содержащее k-битов, транслируют по k-информационным линиям. Это сообщение одновременно может быть введено в интерфейс, а также воспринято приемником. Интерфейсные устройства параллельного ввода- вывода информации позволяют согласовать во времени процесс обмена данными между ЭВМ и периферийным устройством. Для связи датчиков информации, исполнительных элементов, терри- ториально удаленных от процессора на десятки и сотни метров, в телемеханике применяют интерфейсы периферийных устройств. В таких интерфейсах используются как параллельный, так и последовательный способы обмена информацией. При этом последний по причине существенного упрощения собственно линии связи, а следовательно, и снижения стоимости, наиболее предпочтителен, если при этом обеспечивается необходимая скорость передачи информации. В последнее время в связи с развитием микро- и мультипроцессорных систем связи, отдельные микропроцессоры или устройства ввода-вывода которых могут отстоять друг от друга территориально на сотни метров (на- пример, заводская или цеховая система телемеханики), все более широко применяются системные интерфейсы или интерфейсы локальных сетей. Системный интерфейс, как правило, имеет многоуровневую архитектуру (совокупность) аппаратных и программных средств. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стандартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает передачу цифровой информации поверх стандартного ана- логового сигнала 4...20 мА. Бурно развивается системная интеграция первичных преобразователей с использованием различных разновидностей промышленных сетей Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др. При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи информации в обоих направ- лениях между датчиками и системами управления, существенно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых производителей. В отечественных и зарубежных микропроцессорных измерительно- управляющих вычислительных системах распространены асинхронные мультиплексные интерфейсы с параллельным способом передачи информации 8-разрядные интерфейсы Microbus, 16-разрядные интерфейсы общая шина (Unibus, Microbus). В последние годы при реализации информационно-измерительных сетей преобладают цифровые интерфейсы последовательной передачи данных RS- 232С и RS-485, а также интерфейс параллельной передачи IEEE-488. До сих пор используютсявыходящие из применения ДДПК (двоично-десятичный параллельный код) и ИРПС (интерфейс радиальный последовательный), разработанные в 1980-е годы. Для последовательной передачи цифровых данных существует три формы связи: А) симплексная связь предполагает наличие одного передатчика и одного приемника; информация передается в одном направлении, связь осуществляется через отдельную пару проводов; Б) полудуплексная связь допускает двунаправленную передачу данных, но не одновременно; связь осуществляется по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов; В) дуплексная связь обеспечивает одновременную двунаправленную передачу данных, а связь осуществляется также по кабелю, состоящему из двух или четырех проводов. Для каждой из указанных выше форм связи необходимо, чтобы приемное устройство было готово принять и идентифицировать каждый набор данных, переданный передатчиком. Существуют два способа решения этой задачи. При асинхронной передаче каждому пакету данных предшествует старт- бит, а по окончании передачи этого пакета данных следует стоп-бит. Таким образом, приемник четко определяет начало и конец сообщения. Однако из- за необходимости постоянной проверки старт- и стоп-битов скорость передачи при данном виде связи ограничена и, как правило, не превышает 1200 бит/с. Асинхронная передача используется в условиях неуверенного приема и высокого уровня помех. Синхронная передача не требует старт- и стоп-битов, передатчик и приемник синхронизированы. Начало приема-передачи данных предварительно синхронизируется синхроимпульсом, а затем каждое слово пакета данных распознается как блок из семи или восьми бит. Синхронная передача данных может обеспечивать скорость более 1200 бит/с и наиболее часто применяется для передачи таких потоков данных, как программные файлы. Современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным интерфейсом RS-232C могут иметь также в своем составе подсистему последовательного ввода-вывода на базе интерфейса RS-485. Программируемые логические контроллеры большинства производителей в качестве средств организации территориально-распределенных систем сбора Потенциал линии А Потенциал линии В Разность потенциалов линий А и В данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS- 422А/RS-485. RS-232C – широко распространенный стандартный последовательный интерфейс. Он может быть использован для синхронной передачи данных со скоростью до 20 000 бит/с на расстояние до 15 метров; на более длинные дистанции скорость передачи уменьшается. Интерфейс RS-449 – это более поздний стандарт, он обладает улучшенными по сравнению с RS-232 характеристиками по скорости и расстоянию передачи; здесь достижима скорость до 10 000 бит/с на расстояние до 1 км. Уровни напряжения, соответствующие стандарту RS-232, составляют +12 В для логического “0“ и – 12 В для логической “1“. Интерфейс RS-232 является в настоящее время стандартным для com-портов персональных компьютеров. Поскольку подавляющее большинство микропроцессоров построено на ТТЛ-структуре (транзисторно-транзисторная логика), где уровень логического нуля составляет 0 В, а логической единицы +5 В, то, очевидно, что уровни сигналов необходимо преобразовывать для согласования. Последнее достигается использованием интегральных микросхем – преобразователей уровня, таких как МС1488 для преобразования ТТЛ-уровней в уровни RS-232 и МС1489 для преобразования уровней RS-232 в ТТЛ-уровни. Интерфейс RS-485 (EIA–485) – один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи (канал связи + способ передачи сигнала). Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары – двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) – его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе логическая "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов (рис. 3). Рисунок 3 Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе, действующей на оба провода линии одинаково. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS- 232, то наводки на этот провод могут исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов общих точек как дополнительный источник искажений. При дифференциальной передаче таких искажений не происходит, поскольку в витой паре наводка на оба провода одинакова. Таким образом, потенциал в одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений. Аппаратная реализация интерфейса – микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART-контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS- 422 и RS-485. RS-422 – дуплексный интерфейс. Прием и передача обеспечиваются по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику. RS-485 – полудуплексный магистральный аналог интерфейса RS-422. Прием и передача выполняются по одной паре проводов с разделением во времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема. Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому. Входное сопротивление приемника со стороны линии обычно составляет 12 кОм. Поскольку мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии. Согласно стандарта RS-485, c учетом согласующих резисторов, передатчик может вести до 32 приемников. Однако, применяя микросхемы с повышенным входным сопротивлением, можно подключать к линии значительно большее количество устройств (более 100 приборов). При этом приборы подключаются к линии параллельно, а контроллер (компьютер) должен быть снабжен дополнительным устройством – преобразователем последовательного порта RS-485/ RS-232 . Максимальная скорость связи в RS-485 может достигать 10 Мбит/сек, а максимальная длина линии связи – 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии, превышающем 1200 м, или подключить большее число устройств, нежели допускает нагрузочная способность передатчика, то применяют специальные повторители (репитеры). Диапазон напряжений логических “1“ и “0“ в передатчика RS-485 составляют, соответственно, +1,5...+6 В и –1,5...-6 В, а диапазон синфазного напряжения передатчика – (–1...+3 В). Значения параметров определены таким образом, что любое устройство, входящее в состав измерительной информационной системы, сохраняет работоспособность при наличии на его клеммах, подключенных к линии связи, помехи общего вида, напряжение которой находится в диапазоне от –7 до +7 В. Для параллельной передачи данных в измерительных информационных системах часто используется стандартный интерфейс IEEE-488 (Institute of Electrical and Electronics Engineers ), называемый также HP-IB (Hewlett- Packard Interface Bus) или GPIB (General Purpose Interface Bus – интерфейсная шина общего применения). Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендовала данный стандарт в качестве международного, по этой причине на постсоветском пространстве он носит название цифрового интерфейса МЭК. Интерфейс IEEE-488 был разработан для программируемых и непрограммируемых электронных измерительных приборов и преобразователей. Он рассчитан на асинхронный обмен информацией, ориентирован на сопряжение устройств, располагаемых относительно друг друга на расстоянии до 20 м, и обеспечивает работу в ИИС приборов различной сложности, допускает прямой обмен информацией между ними, дистанционное и местное управление приборами. Описываемый интерфейс имеет магистральную структуру (рис. 4). Магистраль интерфейса состоит из 24 сигнальных линий, восемь из которых – линии заземления, а остальные линии разбиты на три группы. Первая группа, состоящая из восьми двунаправленных сигнальных линий, является шиной данных. Она предназначена для передачи данных и команд между различными приборами, присоединенными к интерфейсу. Другая группа из пяти сигнальных линий – шина общего управления, по ней передаются сигналы управления и состояния. Последняя группа из трех линий используется для управления передачей данных (шина квитирования). Приборы, подсоединенные к интерфейсу, могут работать как приемники либо источники сообщений. В каждый момент времени только одно устройство может быть источником информации, тогда как приемниками Шина данных Шина управления передачей данных Рисунок 4 − Структура интерфейса IEEE-488 Контроллер Передающее устройство Принимающее устройство Приемо- передающее устройство Шина управ- ления сообщений могут работать одновременно несколько устройств. Одно из устройств на магистрали является контроллером интерфейса. Общее количество приемников и источников информации в IEEE-488 не должно превышать 31 при однобайтовой адресации, а число параллельно подключаемых приборов – 15 (включая контроллер). В стандарте IEEE-488 высокому уровню сигнала в линии соответствует значение напряжения, равное или больше 2 В, а низкому уровню – значение, равное или меньше 0,8 В. Рекомендуемая литература 1. Тутевич В.Н. Телемеханика: Учеб. для ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1985. С.3-120. 2. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение: Учеб. для ВУЗов. – М.: Энергоиздат, 1982. – 560 с. 3. Демченко Н.П. Технические средства передачи информации в системах управления угольных шахт. – М.: Недра,1990. – 206 с. 4. Метрология и радиоизмерения: Учеб. для ВУЗов / В.И. Нефедов, В.И. Хахин, В.К. Битюков и др., Под ред. проф. В.И. Нефедова. – М.: Высш. шк., 2003. С.411-427. 5. Эм Г.А., Потемкина Е.Б. Информационно-измерительная техника: Учеб. пособие. – Караганда, Изд-во КарГТУ, 2006. С.103-118. Контрольные задания для СРС [1-3] 1. Проанализировать современное состояние и перспективы развития промышленных телемеханических средств 2. Основные методы селекции (избирания), используемые в промышленной телемеханике |