Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

(очистка газов, воздуха, водоподготовка, терморегулирование, бесперебойное питание и т.п.).

В настоящее время, когда идет активная цифровизация практически любой деятельности человека в любой сфере, включая добычу и переработку сырья, производство объектов техносферы и т.п., массовое внедрение датчиков во все технологические объекты и процессы отражает смысл такойновойконцепции, как цифровыедвойники(а такжецифровые тени), т.е. виртуального представления физического или технического объекта или системы на протяжении их жизненного цикла с использованием данных интеллектуальных датчиков в реальном времени3 [19].

Датчики как измерительные преобразователи, трансформирующие неэлектрические физические величины в электрические сигналы, стали важнейшими элементами ИИС и ИУС. Во многих случаях это сложные устройства, созданные с применением сигнальных процессоров. Именно они и УОИ в значительной степени определяют качество и стоимость ИИС и систем управления. Особенно перспективны по метрологическим и эксплуатационным характеристикам датчики, созданные по технологии микроэлектроники и микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Не менее важна в измерительной технике и роль УОИ, которые обеспечивают эффективное взаимодействие оператора и вычислительных средств в ИУС и в определяющей степени влияют на процесс принятия решений. В этой области наблюдается невиданный прогресс на основе новых дисплейных технологий.

Для современного этапа развития ТС характерны следующие ориентировочные стоимостные оценки ИИС:

–датчики – 40 % общей стоимости ИИС;

–устройства обработки данных – 20 % стоимости ИИС;

–устройства регистрации и отображения информации – 40 % стоимости ИИС. Многоканальные ИИС. Структурная схема такой ИИС (рисунок 4.40) состоит

из n независимых измерительных каналов. Она обладает высокой надежностью, наиболее высоким быстродействием, возможностью подбора средств измерения к конкретным измерительным величинам. Недостаток: громоздкость, сложность, большая стоимость.

3 В рамках технологии цифровых двойников (digital twin) для физического или технического объекта, единицы оборудования или целого процесса создается математическая модель, которая используется для анализа поведения объекта. Цифровая модель постоянно обновляется, чтобы максимально полно соответствовать текущему рабочему режиму реальной установки. Это дает возможность выявить непредусмотренные изменения в процессах, оптимизировать режимы работы оборудования, предотвращать поломки и аварии, что в итоге существенно повышает надежность и эффективность эксплуатации.

Цифровая копия пространств, активов, оборудования и процессов позволяет удаленно управлять объектами, эксплуатировать и устранять неполадки в системах дистанционно. По данным Eutech Cybernetics, компании могут сократить расходы более чем на 30 %, перейдя на интеллектуальную эксплуатацию и управление.

66

Многоточечные ИИС. Эти системы (рисунок 4.43) применяются для исследования сложных объектов с большим числом измеряемых параметров. Измерительный коммутатор (ИК) последовательно подключает к сравнивающему устройству датчики, число которых может достигать нескольких тысяч. Возможно использование параллельно-последовательного принципа организации системы, наращивание числа измеряемых величин за счет коммутатора. Недостаток – меньшее быстродействие, чем у параллельных систем. Но эти системы имеют меньший аппаратный объем.

Рисунок 4.43 – Многоточечная информационно-измерительная система

Телеизмерительные системы (ТИС). ТИС осуществляют измерения на объектах, удаленных от места обработки информации (движущиеся объекты, объекты атомной энергетики, объекты, рассредоточенные на больших площадях, и т.д.). Особенностью ТИС является наличие канала связи, под которым понимается совокупность технических средств, необходимых для передачи информации от различных источников по линиям связи. Различают проводные линии связи, радиолинии и оптические линии. Основные характеристики канала связи – полоса пропускаемых частот (определяется видом канала и наличием помех) и принцип разделения каналов. Наиболее часто используют временное и частотное разделение каналов.

При временном разделении каналов передача информации от различных источников производится последовательно во времени с помощью коммутаторов. При частотном разделении возможна параллельная передача информации нескольких измерительных каналов с использованием для каждого канала своей полосы частот.

Наиболее распространены:

1)токовые ТИС, в которых сигнал передается по проводной линии связи постоянным током 0–5 мА. Используется временное разделение каналов. Дальность действия по воздушным линиям связи составляет 7–10 км, по кабелю – 20–25 км;

2)частотные ТИС, в которых информация заложена в частоте синусоидального или импульсного сигнала. Может передаваться как по проводным, так и по радиолиниям связи. Разделениеканалов частотное. Дальность действия сотни километров. Из-за перекрестных искажений и помех по соседнему каналу число одновременно передаваемых сообщений обычно не превышает нескольких десятков;

3)времяимпульсные ТИС, в которых информационным параметром является длительность импульсов постоянного тока или длительность интервалов между импульсами. Используется временное разделение каналов. Системы дальнего

68

действия работают с радиоканалом. При этом дальность действия составляет сотни

итысячи километров;

4)цифровые ТИС (кодоимпульсные), в которых информация передается в виде комбинации импульсов, т.е. кодовой комбинацией. Из-за помех применяются специальные коды – с обнаружением и исправлением ошибок. Достоинства: высокие метрологические характеристики и помехозащищенность, работа с различными линиями связи, возможность непосредственного ввода информации в ЭВМ. Недостатком является относительная сложность.

Системы непрерывного автоматического контроля. Структурная схема одного канала приведена на рисунке 4.44. Один канал содержит сравнивающие устройства СУ1,…,СУn, устройствоиндикации отклоненияИО1,…,ИОn. Числоэтих устройств в канале определяется числом установленных границ измерения параметра. Таких границ (норм) может быть от одной до четырех: предупредительная«меньше», предупредительная«больше», аварийная«меньше», аварийная«больше». Устройство выработки и хранения норм Н может быть общим для многих каналов или индивидуальным для отдельных каналов. Системы с непрерывным контролем требуют большого объема оборудования и поэтому применяются для контроля наиболее ответственных параметров.

Рисунок 4.44 – Система непрерывного автоматического контроля

Системы с дискретным контролем. Структурная схема приведена на рисунке 4.45. Такая система требует меньше оборудования и её стоимость меньше. Контролируемые величины (чаще всего преобразованные в цифровые сигналы) через измерительный коммутатор ИК поочередно поступают на сравнивающее устройство СУ, где сравниваются с нормами. Изменение в случае необходимости норм и переключение ИК осуществляется устройством управления УУ. Индикатор ИНД отображает информацию о контролируемых параметрах.

Недостатком этих систем является избыточность операций контроля, так как частота контроля выбирается с учетом экстремальных динамических свойств контролируемых параметров. При недостатке сведений о динамических свойствах возможен пропуск аварийного состояния параметра вследствие ожидания обслуживания. Обычно выпускаемые промышленностью системы контроля являются

69

комбинированными, т.е. наиболее важные параметры контролируются непрерывно, а остальные – дискретно.

Рисунок 4.45 – Системы с дискретным контролем

Перспективы развития. Измерительные системы развиваются по следующим направлениям [20].

1.Использованиеновых физических явлений и свойств материалов для создания современных ИС, особенно первичных преобразователей (датчиков). В настоящее время известно более 3000 физических эффектов, однако при проектировании ИС используется лишь 300–400 из общего числа этих достижений. Значительное внимание уделяется оптоэлектронике.

2.Дальнейшее использование микропроцессорной техники для создания новых структур ИС, сочетающих рациональное распределение аппаратных и программных средств.

3.СозданиеИС с текущей диагностикой и самоконтролем. Текущая диагностика

исамоконтроль ИС во время их функционирования за счёт использования встроенных элементов является одним из ведущих направлений. Проблема применения методов встроенного контроля стоит при создании датчиков. Сущность методов проектирования таких датчиков заключается в том, что в состав ИС вносятся элементы, с помощью которых выполняется коррекция реальных функций преобразователей. Например, при измерении температуры такая коррекция осуществляется путём применения встроенных датчиков-калибраторов температуры.

4.Создание новых ИС с адаптацией. Это обусловлено изменениями решаемых задач, повышением качества и достоверности информации по измерению, контролю

идиагностике. Задачи адаптации ИС наиболее эффективно могут быть решены за счет алгоритмических и программных средств, без обращения к аппаратному обеспечению ИС.

Источники вторичного электропитания

Структурные электрические схемы. Если рассматривать ЭРЭС как систему, потребляющую электрическую энергию, то в общем виде она может быть представлена состоящей из трех частей: устройства (системы), источника электропи-

70

тания и нагрузки. Если ЭРЭС размещается на подвижном объекте, то в его состав входит также система автономного электроснабжения, которая преобразует различные виды энергии (механическую, тепловую, световую, химических реакций и др.) в электрическую. Система электропитания обеспечивает позаданной программе электропитанием все цепи электронного средства, а источники электропитания – отдельные цепи или самостоятельные приборы.

Системы и источники электропитания содержат функциональныеузлы, которые в зависимости от назначения выполняют функции выпрямления, усиления, стабилизации, защиты, коммутации, сигнализации и др. В зависимости от качества выходного напряжения различают источники вторичного электропитания (ИВЭП) стабилизирующие и нестабилизирующие. Стабилизирующие ИВЭП обеспечивают постоянствовыходногонапряжения на заданном уровнепри воздействии, например, изменений входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды и др. Они имеют в своём составе функциональный узел, осуществляющий стабилизацию выходного напряжения. В нестабилизирующих ИВЭП функциональный узел стабилизации напряжения отсутствует [21].

Таким образом, в зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к ИВЭП, отдельные функциональные узлы могут отсутствовать.

Например, если напряжение сети соответствует требуемому значению выпрямленного напряжения, то может отсутствовать трансформатор, а в отдельных случаях – стабилизатор постоянного напряжения

[22].

Таким образом, значительная часть ЭРЭС потребляет электрическую энергию в виде постоянного тока. Если первичным источником служит сеть переменного тока, то ИВЭП чаще всего имеет структуру, приведенную на рисунке 4.46 [22].

Рисунок 4.46 – Структурная схема классического источника вторичного электропитания

На схеме обозначено: Тр – трансформатор; В – выпрямитель;

Ф – фильтр нижних частот; Ст – стабилизатор; Н – нагрузка.

Структурная электрическая схема ИВЭП определяется входными и выходными параметрами. На рисунке 4.47 приведены типовые структурные схемы ИВЭП, содержащие следующие функциональные узлы: трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф, стабилизатор напряжения С, делитель выходного

71

напряжения ДН, помехоподавляющий фильтр ППФ, инвертор регулирующий Ир, инвертор нерегулирующий И.

Трансформатор на входе ИВЭП (рисунок 4.47,а,б) рассчитывается на частоту тока системы электроснабжения. Такие схемы используются при малой выходной мощности, так как трансформатор при работе на частоте тока сети имеет завышенныегабаритныеразмерыи массу. В схемахна рисунке4.47,в–евовходныхцепях используются узлы ППФ, осуществляющие фильтрацию высокочастотных помех как со стороны сети, так и со стороны инвертора в сеть.

В схемах на рисунке 4.47,в,г применяется инвертор, регулирующий выходное напряжение источника по сигналу обратной связи с делителя напряжения. В схеме на рисунке 4.47,д инвертор И выполняет лишь функцию преобразования постоянного тока в переменный, а стабилизацию напряжения осуществляет стабилизатор С по сигналу обратной связи с трансформатора (от дополнительной обмотки).

На рисунке 4.47,е приведена схема многоканального ИВЭП. Обратная связь на регулирующий инвертор может быть подана только с одного выхода, поэтому остальные каналы при необходимости стабилизации их выходных напряжений должны быть снабжены узлами стабилизации С1 и С2. Обратная связь на инвертор обычно подается с выхода канала, рассчитанного на больший ток.

а

б

в

г

д

е

Рисунок 4.47 – Типовые структурные схемы источников электропитания при входном напряжении переменного (а–в, е) или постоянного (г, д) тока

72

Способы регулирования выходного напряжения источников электропита-

ния. Выходное напряжение ИВЭП изменяется в процессе работы под воздействием изменений тока нагрузки, входного напряжения, температуры окружающей среды, а также под влиянием ионизирующих излучений, времени непрерывной работы, влажности окружающего воздуха, механических воздействий.

Регулирование выходного напряжения может осуществляться вручную (оператором) или автоматически. Источник называют стабилизирующим, если в нём поддерживается уровень напряжения или тока неизменным с заданной степенью точности. В зависимости от вида регулирования стабилизирующие источники

(дроссели).

Компенсационные стабилизирующие источники представляют собой устройства автоматического регулирования с отрицательной обратной связью. В этих устройствах сигнал обратной связи с выхода источника воздействует на регулирующий компонент. В компенсационных стабилизаторах напряжения сигнал обратной связи определяется уровнем выходного напряжения, в стабилизаторах тока – уровнем выходного тока.

В зависимости от принципа регулирования различают компенсационные источники непрерывного и импульсного действия. В источниках электропитания непрерывного действия регулирующий компонент включен последовательно с нагрузкой или параллельно ей. В соответствии с этим различают последовательные или параллельные стабилизаторы.

При регулировании выходного напряжения источника используются следующие способы модуляции:

а) амплитудная модуляция (АМ), когда регулирование осуществляется изменением амплитуды напряжения;

б) частотная импульсная модуляция (ЧИМ), когда регулирование напряжения осуществляется изменением частоты следования импульсов напряжения;

в) фазоимпульсная модуляция (ФИМ), когда регулирование напряжения осуществляется изменением его фазы;

73

г) широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда регулирование выходного напряжения осуществляется изменением длительности импульсов при постоянной частоте следования;

д) частотно-широтно-импульсная модуляция (ЧШИМ), когда в одной части диапазона регулирование напряжения осуществляется в режиме ШИМ, а в другой части диапазона происходит переход в режим ЧИМ;

е) интегральная широтно-импульсная модуляция (ИШИМ), когда длительность импульсов определяется всей совокупностью значений управляющего сигнала на тактовом промежутке времени.

Наиболее широкое распространение в ИВЭП ЭРЭС получил способ ШИМ. Также представляет интерес способ ИШИМ, обеспечивающий высокую точность разомкнутых широтно-импульсных устройств регулирования и стабилизации.

Общий принцип работы базируется на свойстве активного нелинейного элемента изменять спектральный состав поступающего напряжения промышленной частоты таким образом, чтобы в нём появилась постоянная составляющая, которая является полезной и выделяется с помощью фильтра нижних частот, в полосу прозрачности которого не должны попадать гармоники воздействия [22].

Алгоритм работы ИВЭП. Трансформатор Тр (см. рисунок 4.46), как правило, понижает напряжение, затем оно преобразуется вентильной группой В (собственно выпрямитель) в импульсное напряжение, пульсации которого сглаживаются фильтром Ф, и при необходимости уровень этого напряжения (на нагрузке Н) с помощью стабилизатора Ст поддерживается неизменным, не зависящим от изменений напряжения сети, тока нагрузки и других дестабилизирующих факторов.

ОбщиетребованиякИВЭПЭРЭС.ИВЭПЭРЭС характеризуютсяследующими основными параметрами:

–показателями надежности работы;

–значениями и отклонениями напряжения и тока входной сети (системы электроснабжения);

–значением, нестабильностью и пульсацией выходного напряжения при воздействии влияющих величин;

–наличием защиты при аварийных режимах;

–коэффициентом полезного действия;

–габаритными размерами и массой.

Степень важности отдельных показателей определяется видом нагрузки и условиями эксплуатации, однако для любого источника надёжность работы является его важнейшей характеристикой. Она оценивается временем наработки на отказ и вероятностью безотказной работы. Выбор показателей надёжности определяется назначением ЭРЭС. Так, наибольшую наработку на отказ должна обеспечивать аппаратура, размещаемая на необслуживаемых объектах (космические аппараты, морские буи и т.п.). Наибольшая вероятность безотказной работы требуется от ЭРЭС, функционирование которых в течение заданного (сравнительно небольшого) времени должно быть гарантировано. К таким объектам относятся медицинская аппаратура, ракетная техника и т.п. Наработка на отказ отдельных составных частей

74

(функциональных узлов) источников электропитания обычно находится в пре-

делах 50 100 103 ч, а наработка на отказ ИВЭП – в пределах 20 70 103 ч.

Вероятность безотказной работыисточников и ихфункциональныхузлов составляет примерно 0,95 за 1000 ч непрерывной работы.

Значение пульсаций выходного напряжения ИВЭП определяет его электромагнитную совместимость с нагрузкой. ЭРЭС, выполненные на цифровых компонентах, предъявляют умеренные требования к пульсациям ИВЭП. Так, для электропитания цифровых микросхем допустимо напряжение постоянного тока с переменной составляющей не более 1 %. Для аналоговой аппаратуры в большинстве случаев допустима пульсация 0,1–0,2 % от уровня выходного напряжения. К источникам электропитания высокого напряжения передающих устройств могут предъявляться требования по значениям и наличию гармонических составляющих выходного напряжения. Наличие этих требований определяется режимом обработки сигнала в приёмопередающей аппаратуре (непрерывный, квазинепрерывный, импульсный).

Изменение входного тока ИВЭП при динамическом характере нагрузки определяет возможность его электромагнитной совместимости с системой электроснабжения, особенно с системой ограниченной мощности. Уровень электромагнитных помех со стороны ИВЭП в систему электроснабжения в существенной степени зависит от значения реактивной составляющей входного тока, а при коммутации переменного тока – также от мгновенного значения входного напряжения. Применение входного фильтра уменьшает пульсации на входе источника как со стороны системы электроснабжения, так и со стороны самого источника. Помехи от ИВЭП не должны превышать значений, установленных в нормативно-технической документации.

Нестабильность выходного напряжения стабилизирующего ИВЭП до 2 % от номинального напряжения для многих видов нагрузок (в том числе передающих и индикаторных устройств) может быть приемлемой. В отдельных случаях требования могут быть более жесткими и отклонение напряжения от номинального не должно превышать 1 %. Наибольшее влияние на нестабильность выходного напряжения оказывают диапазоны изменения температуры окружающей среды и выходного тока. При импульсном характере и широком диапазоне изменения тока, потребляемого нагрузкой, обеспечение требований по нестабильности выходного напряжения может вызвать значительное усложнение схемы и конструкции. Нестабильность выходного напряжения в течение заданного промежутка времени (например, в течение 24 ч) может быть задана не более 0,02 %.

Нестабильность выходного напряжения высоковольтных ИВЭП должна обеспечиваться не только схемными, но и конструктивно-технологическими мерами. Это вызвано тем, что наличие высокого напряжения является предпосылкой для увеличения токов утечки. В маломощных устройствах под воздействием влияющих величин (в первую очередь повышенной влажности) токи утечки могут быть сравнимы с выходным током, что приводит к изменению выходного напряжения.

75