Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)»

СиА.А. Руппель, Ю.Б. Тихонов

ТЕЛЕМЕХбАНИКА

УчебноеДпособие И

Омск • 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ТЕЛЕМЕХАНИКЕ…………………………… 4

1.1.Этапы управления производственными процессами………............. 4

1.2.Классификация систем телемеханики………………………............. 7

2.ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ…………………. 10

2.1.Сообщение и информация…………………………………………… 10

2.2.Квантование…………………………………………………………... 15

2.3.Кодирование………………………………………………………….. 27

2.3.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.2. Цифровые коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.3. Простые двоичные коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.4. Оптимальные коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.5. Корректирующие коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.4.Методы модуляции…………………………………………………... 65

2.5.Достоверность передачи информации………………………............ 69

3.2.Датчики автоматических систем……………………………............. 80

3.3.Сельсины………………………………………………………............ 84

3.4.Дешифраторы, шифраторы, триггеры и счетчики…………………. 87

3.5.Регистры, распределители и коммутаторы…………………............. 96

4.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ………………………….... 98

4.1.Передача и прием телемеханических сигналов…………………….. 98

4.2.Телеуправление и телесигнализация………………………………... 100

4.3.Телеизмерение………………………………………………………... 101

4.4.Представление информации в системах телемеханики……............. 102 Библиографический список……………………………………………………. 105

3

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ТЕЛЕМЕХАНИКЕ

1.1.Этапы управления производственными процессами

Телемеханика – область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приё-

СибАДИма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии [6].

пец ф ческ ми особенностями телемеханики являются:

• удалённость объектов контроля и управления;

• необход мостьвысокойточности передачиизмеряемыхвеличин;

• недопуст мость ольшого запаздывания сигналов;

• высокая надёжность передачи команд управления;

• высокая степень автоматизации процессов сбора информации. Назначен е. Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объед н ть разо щённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, железнодорожным узлом) ли о когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управ-

лении непилотируемой ракетой).

Внедрение телемеханических систем позволяет сократить численность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях.

Особое значение телемеханика приобретает в связи с созданием автоматизированных систем управления ( СУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия «телемеханика» всё чаще чаще используется сокращение АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом. Современная система телемеханики также немыслима без компьютера, поэтому можно сказать, что телемеханика 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.

4

В англоязычных источниках аналогом понятия «телемеханика» является сокращение SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл. Области применения: предприятия химической, атомной, металлургической, горнодобывающей промышленности, электрические станции и подстанции, насосные и

СибАДИкомпрессорные станции (на нефте- и газопроводах, в системах ирригации, тепловодоснабжения), железнодорожные узлы и аэропорты, усилительные ретрансляционные установки на линиях связи, системы охранной с гнал зации и т. д.

Истор я. Терм н «телемеханика» был предложен в 1905 г. французск м 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 Первой мировой войне.

Практ ческое пр менение телемеханики в мирных целях началось в 20-х гг. ХХ в., главным о разом на железнодорожном транспорте: телеуправление железнодорожной сигнализацией и стрелками было впервые осуществлено в 1927 г. на железной дороге в Огайо (США). В 1933 г. в московской энергосистеме (Мосэнерго) было введено в эксплуатацию первое устройство телесигнализации. Серийное заводское производство устройств телемеханики в СССР впервые было организовано в 1950 г. на заводе «Электропульт».

Развитие телемеханики шло параллельно с развитием электроники и средств связи. Первые системы строили на релейных схемах. В 50-х гг. на смену реле пришли более надежные полупроводниковые элементы. В конце 60-х гг. началось использование интегральных схем.

Тенденции развития. В современной системе телемеханики большое внимание уделяется программному обеспечению системы и интеграции с действующими системами программными комплексами. Стандартом стало графическое представление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с «живым» отображением текущего состояния, управление объектом с кадров мнемосхем.

В программном обеспечении наблюдается тенденция к стандартизации программных интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ, возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирова-

5

ния, аналитические, АРМ специалистов). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки.

технической стороны в системах всё чаще используются современные скоростные каналы связи (оптоволокно, Ethernet) и беспроводные технологии (например, транкинговая и сотовая связь). Вместе с тем сохраняется потребность стыковки с морально (а иногда

СибАДИи физически) устаревшими «унаследованными» системами, с сохранением х протоколов связи. На контролируемых объектах всё чаще возникает необход мость стыковки с локальными технологическими системами.

Наряду с усложнением самих систем и их программного обеспечения наблюдается зменение требований к реализуемым функциям. К трад ц онным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерен е, телеуправление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с локальных автоматических приборов. К обычным функц ям контроля за изменением состояния и превышения предельных значен й до авляются возможности текущих расчетов и логического анал за (например, алансные расчеты).

Автоматизация производства – этап развития машинного производства, характеризующийся передачей функций управления производственными процессами от человека устройствам и системам автоматического управления. В отличие от предшествующего ей этапа механизации производства как средства замены ручного (физического) труда машинным автоматизация производства имеет целью освобождение человека от всех видов деятельности, поддающихся алгоритмизации.

Автоматизация производства развивалась и развивается непрерывно от частичной автоматизации, т. е. автоматического выполнения отдельных производственных операций, к комплексной автоматизации целых технологических процессов – к полной автоматизации с переходом к цехам-автоматам заводам-автоматам, обеспечивающим наивысшую технико-экономическую эффективность. Автоматизация производства связана с ростом масштабов производства, увеличением быстродействия технологических процессов, интенсификацией производства. Высокое быстродействие, отсутствие утомляемости и невосприимчивость к посторонним, не имеющим отношения к управляемому процессу, воздействиям позволяют управляющим системам выполнять свои функции несравненно эффективнее, чем это может делать человек.

6

Наибольший эффект автоматизация дает в тех случаях, когда технологическое 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

СибАДИавтоматизация значительно уменьшает влияние субъективных факторов человека (мастерство, утомляемость, быстрота реакции и т. п.) на технолог ческ й процесс и позволяет достигнуть более ритмичной и высокопро звод тельной работы.

В с лу орган ческой связи отдельных участков производства между собой согласование их ра оты должно быть централизованным и сосредоточенным в руках одного человека. Это связано с тем, что для выбора реж мов ра оты отдельных агрегатов необходимо иметь полную карт ну о о всем производстве в целом. Поэтому среди систем управлен я в дное место занимают устройства, обеспечивающие организац ю связи человека с машинами. Эти устройства должны облегчить человеку управление производственными процессами, разгрузить его нервную систему, освободить мозг от напряженной и рутинной механической ра оты.

Полное исключение влияния субъективных особенностей человека на показатели процесса тре ует автоматизации и оперативного управления. Создание систем автоматического оперативного управления является завершающим звеном полной автоматизации производства (создания цехов предприятий-автоматов). В настоящее время для оперативного управления производством во все возрастающих масштабах применяются электронные вычислительные машины.

1.2. Классификация систем телемеханики

Системы телемеханики получили значительное применение в производственных отраслях, где остро стоит вопрос организации централизованного управления территориально удалёнными системами. Это железнодорожный транспорт, крупные промышленные предприятия, энергетическая отрасль и т.д. [1].

Особо важную роль играют модули телеуправления, модули телесигнализации и так называемые контроллеры присоединения именно в энергетической отрасли, которую можно смело назвать уникальной по сравнению со всеми другими производственными отраслями.

7

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 производители и потребители должны быть объединены в единую систему. Если взять Россию, то в ЕЭС входят сотни электростанций, которые расположены на территории восьми часовых поясов. При этом их общая мощность превышает 170 ГВт. Для решения задач управлен я коорд нации энергетических систем необходимы со-

СибАДИГлавной особенностью систем телемеханики является наличие устройств, обеспеч вающих передачу информации на большие расстояния. При этом нео ходимо, чтобы модули телеуправления получали как можно менее скажённую информацию. В условиях значительной терр тор альной разо щённости элементов энергосистем и налич я знач тельного количества помех это создаёт наибольшую проблему для ра оты с стемы телемеханики.

временная автомат ка телемеханика.

По заложенным в них функциям и типу передаваемых данных системы телемеханики, применяемые в энергетической отрасли, классифицируются на:

- модули телеуправления, управляющие отдельными единицами оборудования или целыми комплексами;

- модули телесигнализации, на которые возложена функция дистанционного контроля состояния и положения объектов;

- системы телеизмерения, проверяющие показатели различных величин;

- 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 технических средств (модули телесигнализации, управления, модули телеизмерения, модули дискретной сигнализации 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 эксплуатации как самой системы, так и программного обеспечения, а также поддержка основных протоколов обмена дан-

8

ных. Важным показателем, которым должны обладать автоматика и телемеханика, является доступность совокупной стоимости владения, куда входит стоимость самой системы 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 функционирования автоматических систем необходимо, чтобы информац я в процессе передачи претерпевала наименьшие искажения. В услов ях же терр ториальной разобщенности частей системы и действ я помех это затруднительно.

СибАДИТелемехан ческ е системы получили большое распространение при централ зованном управлении территориально развитыми системами в энергет ке, на железнодорожном транспорте, газо- и нефтепроводах т. д. Только с использованием средств телемеханики возможно исследование космоса, а также создание автоматизированных систем управления производственными процессами на транспорте и в промышленности.

Для решен я задачи передачи информации сформировалась особая область науки техники – телемеханика, которая охватывает

По выполняемым функциям и характеру передаваемой информации телемеханические системы подразделяют на системы:

• телеуправления, управляющие оборудованием или целыми производственными комплексами;

• телесигнализации, контролирующие на расстоянии состояние и положение объектов;

• телеизмерения, контролирующие на расстоянии параметры различных величин (ток, напряжение, давление, скорость);

• передачи данных, передающие на расстояние цифровую другую информацию о работе производственных объектов для использования ее в вычислительных или управляющих машинах;

• комбинированные, объединяющие некоторые из перечисленных выше систем.

Все системы телемеханики являются системами передачи информации. Эти системы содержат совокупность технических средств, передающих информацию от источника к исполнительному устройству.

9

В наиболее общем виде в систему для передачи информации входят:

- источник сообщения; - кодирующее устройство, которое формирует из сообщения

сигнал;

- передатчик-модулятор, преобразующий сигнал в вид, удобный СибАДИдля передачи по линии связи (физической среды, по которой переда-

ются с гналы); - пр емн к-демодулятор, преобразующий сигнал в первона-

чальный в д; - декод рующее устройство, формирующее из сигнала сообщение.

По пр нятому соо щению должны быть сформированы сигналы реализац . Эту задачу решает отдельное устройство (формирователь сигнала реал зац ), воздействующее на исполнительное устройство. Цель с стемы: передача соо щения от источника к получателю, т. е. исполн тельному устройству. Она считается выполненной, если сообщен е Б, пр нятое получателем, полностью соответствует переданному сообщен ю .

2. ПЕРЕДАЧА ТЕЛЕМЕХ НИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

2.1. Соо щение и информация

При управлении производственным процессом всегда возникают сообщения о ходе производственного процесса, которые необходимо передавать от одного звена устройства управления к другому. Эти сообщения порождаются различными событиями, например: изменением состава подаваемого сырья, повышением температуры окружающей среды, изменением нагрузки на подстанциях электросети. В полученном сообщении может оказаться больше сведений, чем это необходимо оператору или ЭВМ для принятия решения. Некоторые из них были известны, а какая-то часть сообщения содержит новизну.

Под сообщением понимается все то, что передается о ходе производственного процесса (или, более широко, событии) [6].

Под информацией понимается лишь та часть сообщения, которая имеет новизну и ранее не была известна данному получателю (оператору или машине).

10

Примеры:

1)сведения о ходе плавки в мартеновской печи из лаборатории – информация;

2)письмо – сообщение, телеграмма – информация.

В автоматических устройствах сообщения передаются из одного звена устройства к другому в ходе сигналов. Для передачи сигналов используются такие физические процессы, которые обладают свойством перемещен я в пространстве. К ним относятся звуковые и электромагн тные колебан я, движения струй воздуха и т. д. Это так называемые переносч ки информации. Переносчик должен обладать свойством зменять свою форму или параметры под воздействием сообщен я. Сам по се е переносчик не является сигналом.

гнал – это переносчик с нанесенным на нем сообщением или информац ей. С гналы должны образовываться по определенному закону. С гнал подается в линию и поступает к получателю (абоненту), где он снова прео разуется в сообщение или информацию. Такова общая схема передачи соо щений применительно к теории связи.

Рис. 2.1.1. Идеальный (а) и реальный (б) случаи передачи телемеханической информации

Из-за помех необходимо передавать избыточную информацию (например, повторяем сообщение несколько раз), чтобы информация была достоверной.

11

Информация. Циркуляция потоков информации лежит в основе управления процессами. Для того чтобы с наибольшей эффективностью передать сообщение, нужно, во-первых, наилучшим образом использовать возможности сигнала и, во-вторых, обеспечить максимальную пропускную способность канала связи, т.е. передать наи-

большее количество информации без исключений в единицу времени. В основе управления лежит выбор. Если процесс происходит по заранее заданному закону, который нельзя менять, то и управлять нечем. Напр мер, если поезд от одной станции к другой идет с заданной скоростью по прямому пути без всяких ответвлений, то никаких команд (с гналов) ему посылать не надо. Если на его пути есть стрелка, переключ в которую, можно направить поезд на один путь или на

СибАДИРис. 2.1.2. Передача двух сообщений одним сигналом (а); четырех сообщений двумя сигналами (б);

восьми сообщений тремя сигналами (в)

Для выбора одного из двух путей (рис. 2.1.2,а) нужен один элементарный сигнал, который обеспечит передачу одного из двух сообщений: для переключения стрелки а на путь 1 нужно послать частоту f1, а для переключения этой же стрелки на путь 2 нужно послать f2.

12

Для выбора одного из четырех путей (рис. 2.1.2,б) нужны два элементарных сигнала, каждый из которых может принимать те же значения f1 и f2. Переключение любой из стрелок осуществляется налево частотой f1, направо – частотой f2. Этими двумя элементарными сигналами можно передать четыре сообщения, т.е. выбрать один из

четырех путей, или поочередно каждый из них. Например, чтобы выбрать путь 3, нужно послать сигналы f2, f1.

СибАДИЕсли необходимо сделать выбор из двух возможных вариантов, например направить поезд на первый или второй путь, поехать напра-

Для выбора одного из восьми путей (рис. 2.1.2,в) нужны три элементарных с гнала: для выбора первого пути – f1, f1, f1, для третьего пути – f1, f2, f1. Так м образом, тремя элементами можно передать

уже восемь с гналов.

Из пр меров следует, что число направлений (вариантов, состояний с стемы, соо щений) растет быстрее числа элементарных сигналов, которыми эти направления выбираются. Так, для передачи

во или налево и т.п., то это значит, что перед нами имеется какая-то неопределенность. Когда выбор сделан, то эта неопределенность снимается мы получаем информацию. Информация увеличивается, если неопределенность больше, т.е. если перед нами стоит, например, задача осуществить выбор несколько раз, например трехкратный выбор направления поезда на один из восьми путей. Если из этого трехкратного выбора осуществлен только один выбор, то получим недостаточное количество информации о сообщении объекта, т.е. у нас о нем не будет полной определенности.

Таким образом, количество информации о каком-либо событии следует оценивать степенью определенности наших знаний об этом событии (объекте). За единицу количества информации принимают

13

такое ее количество, которое получается при выборе из двух равновероятных возможностей или содержится в ответе «да» или «нет» на простой вопрос и т. п. Поэтому в уравнении (2.1.2) основание логарифма выбрано равным двум.

В качестве устройств, запоминающих информацию, применяют-

ся реле, триггеры, магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса и другие устройства, обладающие двумя устойчивыми состояниями. Одно реле, один триггер или другое подобное устройство способно запомн ть одну единицу количества информации. Такая единица называется двоичной единицей или битом (от анг. bit - binary digit – дво чная ц фра). Для направления поезда на одно из двух рав-

СибАДИφ – начальная фаза.

разуют од н байт.

Устройство, позволяющее записать количество информации, равное ед н це, ли одному иту, называется двоичной ячейкой. Если система для запом нания информации имеет, например, 32 состояния, то ее информационная емкость равна c=log232=5 двоичным единицам, т.е. равна по емкости пяти двоичным ячейкам. Проще выполнить пять двоичных ячеек, каждая из которых обладает двумя со-

стояниями, чем одну, имеющую 32 состояния.

Переносчики информации. В телемеханике в качестве переносчиков информации используются электромагнитные колебания в виде

переменного тока или импульсов:

а) переменный ток; аналитическое выражение переменного си-

Переменный ток характеризуется амплитудой, частотой и фазой. Изменение этих параметров переменного тока при наложении на него информации осуществляется при помощи модуляции;

б) импульс, спектр, полоса частот; импульсы постоянного тока или напряжения называются видеоимпульсами (рис. 2.1.3,а). Радиоимпульсами (рис. 2.1.3,б) называются импульсы переменного тока,

14