1601

Сопротивление, измеренное в начале линии, называется входным сопротивлением ZB=Uвх/Iвx, где Uвх и Iвx – 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 ZH=ZB. Только в этом случае будет наилучшая передача электромагнитной энергии, т.е. будет наибольший КПД передачи, так как будет отсутствовать отражение волн.

Постоянная передачи, или коэффициент распространения:

где α – коэффициент затухания; ψ – коэффициент сдвига фазы. Обычно затухание в линии измеряют в децибелах [дБ]:

где Р1 и Р2 – мощность сигнала соответственно в начале и в конце линии связи.

Каналы связи в выделенной полосе частот проводной линии свя-

зи. При передаче небольшого количества телемеханических сообщений на большие расстояния иногда оказывается экономически нецелесообразной прокладка отдельной линии, т.е. осуществление передачи по физическим линиям связи.

Стоимость таких линий связи может значительно превышать стоимость самой системы телемеханики. В этом случае целесообразно использовать уже проложенные линии для передачи сообщений связи: телеграф, телефоны и др. При этом полоса пропускания, которой обладает линия, разделяется на ряд телефонных каналов (первичное уплотнение), каждый из которых в свою очередь может делиться на телеграфные каналы с шириной полосы пропускания до 140 Гц (вторичное уплотнение).

Полоса пропускания телеграфного канала достаточна для передачи обычного телемеханического сообщения, тем более что для образования телеграфных каналов существует хорошо налаженная ап-

50

паратура для передачи телеграмм и других сообщений связи. Поэтому в этом случае происходит простая замена сообщений.

Телеграфная связь – низкоскоростная передача данных и команд для различных счетных и управляющих машин.

Симплексная связь – поочередная двусторонняя связь между двумя пунктами по одному каналу, при которой в каждом из них передача и приём сообщений ведутся поочерёдно.

Телеграфирование постоянным током. Дуплексная связь – од-

новременная двусторонняя связь по одной линии связи, когда передача и приём телемеханических сообщений ведутся одновременно.

Телеграфирование переменным током называется частотным телеграфированием. Частотное телеграфирование является более совершенным, так как обеспечивает передачу большего числа сообщений и на большее расстояние, чем постоянным током.

Телефонная связь используется для двусторонней передачи речи на расстояние в тональном диапазоне (300–3400 Гц), который уже нормального звукового диапазона (30–16000 Гц).

Каналы связи в зоне тонального телеграфирования. Для переда-

чи телемеханических сообщений в этом диапазоне (0,3–3,4 Гц) используют телеграфные каналы, организуемые различной серийно выпускаемой каналообразующей аппаратурой. В каждом телеграфном канале вместо телеграфных посылок можно передавать телемеханические сообщения.

Уже сейчас сотовую связь можно рассматривать как один из вариантов обмена информацией в распределенных системах АСУТП. В ряде случаев GSM-радиотелемеханика экономически эффективнее. При этом у GSM есть некоторые преимущества: качество связи, охваченная территория, 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 комплексы, состоящие из отдельных функциональных узлов, блоков и аппаратов, связанных в единую электрическую схему.

51

Телемеханическая аппаратура, выпускавшаяся отечественной промышленностью до 60-х гг., комплектовалась в основном из релей- но-контактных электромеханических элементов. Наиболее широкое распространение среди них получили электромагнитные реле постоянного тока, нейтральные и поляризованные, шаговые искатели различных типов. Релейно-контактная аппаратура позволяет легко реализовать разнообразные функции в устройствах телемеханики, такие, например, как переключение различных цепей, формирование и усиление импульсных сигналов, элементарные логические функции, создание временных задержек, разделение электрических цепей и др. Опыт эксплуатации телемеханических систем с релейно-контактной аппаратурой показал, что они при соответствующем обслуживании вполне надежно работают, хорошо контролируются, сравнительно удобны в эксплуатации. Схемы, построенные на релейно-контактной аппаратуре, достаточно просты и четки.

Вто же время релейно-контактная аппаратура обладает рядом существенных недостатков, с одной стороны, препятствующих совершенствованию характеристик телемеханических устройств, а с другой – требующих постоянного наблюдения за ее состоянием и тщательного обслуживания. Такая аппаратура вследствие наличия в ней подвижных частей и контактов требует индивидуальной регулировки, имеет ограниченное быстродействие, характеризуется относительно невысокой максимально допустимой частотой переключений, имеет значительные размеры и массу, потребляет больше энергии, недостаточно вибростойка, предъявляет высокие требования к среде,

вкоторой она работает, требует постоянного проведения профилактических мероприятий.

Всвязи с бурным развитием автоматики, полупроводниковой техники и радиоэлектроники релейно-контактная аппаратура и в устройствах телемеханики все больше вытесняется бесконтактными элементами. Бесконтактные элементы обладают значительно большим сроком службы, высокой скоростью переключения, повышенной надежностью, небольшими размерами и массой, потребляют незначительное количество энергии, требуют меньшего, но в то же время более квалифицированного, обслуживания, 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 гистере-

52

зиса и магнитные усилители. Для создания некоторых типов телемеханических устройств на базе отдельных бесконтактных элементов разработаны специальные субблоки, или модули, каждый из которых выполняет одну или несколько логических, переключательных, импульсных и других функций. Таким набором субблоков является система «Спектр», положенная в основу группы телемеханических устройств, выпускаемых заводом телемеханической аппаратуры (г. Нальчик). Дальнейшим совершенствованием элементной базы устройств телемеханики является использование микроэлектроники, например интегральных микросхем. Интегральные схемы представляют собой комплекс устройств, объединяющий в полном блоке несколько функциональных устройств (генератор импульсов, усилитель и т. п.). На интегральных 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 представление о различных способах реализации этих узлов на базе как контактных, так и бесконтактных элементов, далее приведены примеры выполнения основных функциональных узлов телемеханических устройств, даны соответствующие пояснения.

Особое значение в устройствах телемеханики имеют так называемые защитные узлы. С помощью этих узлов обеспечиваются электрическая защита оборудования, защита устройств от различных сбоев в работе, от помех, вызывающих искажение передаваемых сигналов и команд, а также контроль за состоянием и работой функциональных узлов устройства и каналов связи.

Генераторы импульсов. Назначение генераторов импульсов в устройствах телемеханики состоит в образовании серии импульсов, передаваемых в линии связи между полукомплектами устройства.

Релейно-контактные генераторы импульсов представляют собой устройства, собранные из электромагнитных реле. Наиболее элементарными являются генераторы, построенные на двух реле. Такие генераторы принято называть пульс-парами (рис. 3.1.1,а).

После нажатия кнопки КП через размыкающий контакт реле 2П.1 подается питание на обмотку реле 1П и последнее срабатывает; через его замыкающий контакт 1П.1 получает питание обмотка реле 2П, которое, срабатывая, во-первых, размыкающим контактом 2П.2

53

реле 1П.1 – размыкающий контакт реле Д.1 – обмотка реле 2П – минус», и, во-вторых, замыкающий контакт 1П.2 подготавливает к срабатыванию реле Д. При нажатии пусковой кнопки КП запускается в работу также шаговый искатель ШИ (обмотка ШИ на рис. 3.1.2 не показана), щетки которого начинают 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 2П.1 в цепи «ШИ-I.1 – обмотка реле 1П» разомкнут. Реле 1П контактом 1П.1 включает реле 2П. Последнее, замыкая контакт 2П.1 в цепи обмотки реле 1П, вновь включает это реле, и, таким образом, в линию связи через замыкающий контакт реле 2П.2 будет поступать импульсная серия.

+

–

Рис. 3.1.2. Трехрелейный генератор импульсов

При нажатии, например, ключа управления 2КУ, соответствующего ламели 2 ШИ-II, в момент, когда щетка ШИ-II попадает на ламель 2, при включенном реле 1П срабатывает реле Д. Далее при отключении реле 1П замыкается контакт 1П.1, подготавливая цепь включения реле 2П, и размыкается контакт 1П.2, отключая реле Д. Так как реле Д имеет задержку на отпускание, контакт Д.1 замкнется с задержкой, что приведет к задержке включения реле 2П. Такая задержка обеспечивает поступление в линию связи удлиненной паузы, соответствующей выбранному объекту (в данном случае объекту 2).

Основными достоинствами бесконтактных генераторов по сравнению с рассмотренными релейно-контактными являются неограниченное число срабатываний, строгое постоянство параметров импульсов при изменениях в широких пределах напряжения питания и температуры окружающего воздуха, практически мгновенный переход из нерабочего режима в рабочий, и наоборот. Схемы бесконтактных генераторов импульсов достаточно хорошо описаны в технической литературе по электронике и телемеханике.

55

3.2. Датчики автоматических систем

Основой любого управления является информация. Информацию о состоянии объекта воспринимает датчик.

Датчик – устройство, предназначенное для восприятия измеряемого параметра и преобразования его в величину, удобную для дальнейшего использования.

Датчики имеют различную конструкцию, зависящую в основном от физической природы измеряемой величины, принципа измерения.

В общем случае датчик можно рассматривать состоящим из чув-

ствительного, преобразующего и кодирующего элементов.

Чувствительный элемент (ЧЭ), являющийся необходимым элементом датчиков систем автоматики, непосредственно взаимодействует с контролируемым процессом.

Главная характеристика чувствительного элемента – коэффициент соответствия

где Jчэ – количество информации о процессе, полученное с помощью чувствительного элемента; Рчэ – значение отрицательного влияния метода и средства измерения на процесс.

Преобразующий элемент (ПЭ) –второй за ЧЭ элемент, который преобразует сигнал ЧЭ в механический, гидравлический, пневматический, удобный для дальнейшего координирования и передачи.

Основная характеристика ПЭ – коэффициент чувствительности

где Хвх – сигнал на входе ЧЭ; Хвых – сигнал на выходе ЧЭ.

При линейной статистической характеристике преобразующего элемента

56

Кодирующий элемент (КЭ) преобразует выходной сигнал ПЭ в информационный сигнал, удобный для восприятия последующими устройствами.

В большинстве случаев на выходе ПЭ бывает непрерывный аналоговый сигнал, в то время как усилительно-преобразующее устройство (УПУ) использует элемент с прерывистым (дискретным) сигналом (промежуточное реле, электромагнит). Поэтому КЭ преобразует аналоговый сигнал в дискретный (рис. 3.2.1).

Хвых КЭ

Хвх КЭ

0 Х0

0 Х’0 -1

Рис. 3.2.1. Временные диаграммы кодирующего элемента

Классификация датчиков. Классификация датчиков может осуществляться по различным признакам.

По виду контакта:

٧контактные;

٧бесконтактные. По принципу действия:

• параметрические;

• генераторные;

• комбинированные.

57

Параметрические датчики преобразуют изменение неэлектрической величины в изменение какого-либо параметра электрической цепи (например, разрыв или короткое замыкание электрической цепи, изменение активного сопротивления, индуктивности, взаимной индуктивности, емкости).

Генераторные датчики под действием измеряемой величины сами генерируют электрическую энергию, поэтому для своей работы не требуют питающего напряжения (например, термоэлектрические датчики, фотогенераторы, тахогенераторы, вибродатчики).

Комбинированные датчики – это датчики с промежуточным преобразованием. Измеряемая величина первоначально преобразуется в световой, звуковой или какой-либо иной сигнал, который в дальнейшем трансформируется в электрический сигнал (фотоэлектрические, радиоактивные).

Статические и динамические характеристики датчиков.

Статической характеристикой датчика называется зависимость установившегося значения выходной величины Хвых от соответствующего установившегося значения входной величины Хвх.

Уравнение статической характеристики датчика имеет вид

Хвых=ƒ(Хвх). (3.2.1)

Динамической характеристикой датчика называют зависимость выходной величины Хвых от времени.

В общем случае динамическая характеристика описывается дифференциальным уравнением связи

Чувствительность, порог чувствительности, основная погрешность преобразования, динамический режим работы датчи-

ка. Для оценки работы датчиков в установившемся режиме используются понятия: чувствительность, порог чувствительности, вид статической характеристики, погрешность преобразования.

Чувствительность S – это отношение приращения выходной величины к приращению входной, когда последнее стремится к нулю:

Чувствительность характеризуется крутизной статической характеристики датчика (рис. 3.2.2) и постоянна только в случае линейной статической характеристики.

Хвых2

Хвых

Хвых1

Рис. 3.2.2. Статические характеристики датчиков

Порог чувствительности Хп – это наименьшее значение входной величины, способное вызвать изменение выходного сигнала (рис. 3.2.3).

Хвых

Хвх

Хп

Рис. 3.2.3. Статическая характеристика: Хп – порог чувствительности

Желательно, чтобы Хп было как можно меньше.

Основная погрешность преобразования – это максимальная раз-

ность между фактическим значением выходного сигнала Хвых ф и его

59