Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы научных исследований в электроэнергетике. Учебное пособие
.pdf
параметров движения (скорости и направления движения и т.д.) для наземных, водных и воздушных объектов.
В настоящее время наиболее развитыми являются две спутниковые
навигационные системы:
- global positioning system (GPS) – система глобального позиционирования, она разработана, реализована и эксплуатируется Министерством
обороны Соединённых штатов Америки (США), при этом в настоящее
время доступна для использования в гражданских целях – нужен только
навигатор или другой аппарат (например, смартфон) с GPS-приёмником;
- глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) –
российская спутниковая система навигации.
Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо
получить) до спутников, положение которых известно с большой
точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом,
которым должен располагать любой спутниковый приёмник до начала
измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со времени
последнего выключения и если он не устарел – мгновенно использует его.
Каждый спутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом,
зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных
геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Метод измерения расстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, используя точно синхронизированные с системным временем
атомные часы. При работе спутникового приёмника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приёмник вычисляет координаты антенны.
Основные элементы спутниковой системы навигации:
- орбитальная группировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30)
спутников, излучающих специальные радиосигналы;
- наземная подсистема управления и контроля, включающая блоки
измерения текущего положения спутников и передачи на них полученной
информации для корректировки информации об орбитах;
- наземная подсистема радиомаяков, позволяющая значительно повысить точность определения координат;
- информационная подсистема для передачи пользователям поправок, позволяющих значительно повысить точность определения координат;
121
- спутниковые навигаторы, используемые для определения местоположения и параметров движения объектов.
GPS-приёмник – радиоприёмное устройство для определения
географических координат текущего местоположения антенны приёмника,
на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR (GPS).
Устройства, использующие в своей работе сигнал со спутников GPS,
можно разделить на профессиональные, обладающие высокой точностью
определения местоположения, и бытовые. Первые в основном используются в военных целях, для геодезии и картографии, а вторые получили широкое применение в различных сферах современной жизни.
Профессиональное GPS-оборудование отличается качеством изготовления компонентов (особенно антенн), используемым программным
обеспечением, поддерживаемыми режимами работы, алгоритмами подавления интерференционных зависимостей, солнечной активности (влияние
ионосферы), поддерживаемыми системами навигации, например,
NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличенным запасом электропитания, и высокой ценой.
Профессиональные GPS-приёмники классифицируются как приёмники геодезического класса и приемники ГИС-класса:
- геодезические приёмники – устройства, используемые для геодезических работ, они состоят из приёмного блока (геодезической антенны, совмещённой с приёмо-передающим устройством) и контроллера. Общее название для таких приёмников – полевой комплект или ровер.
- приемники ГИС-класса представляют собой промышленный вариант карманного персонального компьютера (КПК), в который встроено
приёмо-передающее устройство и антенна, с предустановленным специализированным программным обеспечением.
В целом, геодезические приёмники дают лучшую точность определения координат, однако развитие технологий позволяет некоторым моделям ГИС-класса успешно их заменять.
Основа любого GPS-приёмника – чипсет, на котором он работает.
Долгое время все приёмники выпускались с 12-канальными чипсетами. На
сегодняшний день все подобные приёмники считаются устаревшими и
сняты с производства. В настоящий момент максимальное число каналов
на профессиональном приемнике – 440 (два чипсета по 220 каналов). Поскольку навигационные спутники вещают на разных частотах, для повышения точности, профессиональное оборудование определяет координаты
с помощью всех доступных каналов всех видимых в данный момент времени спутников.
Бытовые GPS-приёмники можно классифицировать следующим образом:
122
- портативные устройства (автомобильные, туристические, спортивные), которые имеют собственный процессор для выполнения навигационных функций;
- встроенные как функциональный узел в другие устройства (КПК,
ноутбук, мобильный телефон), они оснащены собственными GPSчипсетами, но используют для своей работы навигационные приложения,
предназначенные для конкретной операционной системы основного устройства;
- GPS-трекеры, GPS-логгеры, они не оснащаются собственными дисплеями для отображения информации, и служат исключительно для сбора,
передачи и хранения данных, которые впоследствии могут быть обработаны и использованы в самых разных целях.
ГЛОНАСС-приёмник – радиоприёмное устройство для определения
местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы
ГЛОНАСС. В России с развитием системы ГЛОНАСС начался серийный
выпуск ГЛОНАСС-приёмников, при этом государство активно лоббирует
продвижение ГЛОНАСС-технологий.
3.4.14. Измерительные системы
Измерительные системы включают датчики и соединённые с ними
линиями или каналами связи вторичные приборы. Это позволяет удалить
исполнителя и средство воспроизведения результатов измерений (вторичный прибор) от объекта исследования.
Измерительные системы делятся на два вида:
- системы автоматического измерения;
- системы автоматического сбора информации.
В системах автоматического измерения используются показывающие и суммирующие вторичные приборы, такие системы осуществляют
измерение мгновенных и интегральных значений параметров.
Системы автоматического сбора информации оснащаются регистрирующими вторичными приборами, осуществляющими запись (регистрацию) результатов измерений на носители информации, а также комбинированными вторичными приборами, которые одновременно являются показывающими и регистрирующими.
Датчики (сенсоры) – измерительные устройства, преобразующие
измеряемые величины (давление, температуру, влажность, уровень, частоту, скорость, перемещение и т.п.) в сигналы. Иногда датчики называют измерительными преобразователями. В конструкцию датчика входят:
- чувствительный (воспринимающий) элемент, реагирующий на из-
менения измеряемой величины;
- преобразователь, преобразующий изменение чувствительного эле-
мента в изменение выходного сигнала датчика.
123
Датчики, используемые в измерительных системах, классифицируются по следующим признакам:
- вид входной величины;
- энергетический признак;
- род энергии выходного сигнала;
- характер изменения во времени выходного сигнала.
В зависимости от вида входной величины различают датчики: перемещения, усилия, температуры, давления, влажности, размеров, расхода,
уровня и т.д. Следует отметить, что восприятие и преобразование одних и
тех же входных величин может осуществляться датчиками, основанными
на различных принципах действия.
По энергетическому признаку датчики классифицируются на пассивные (параметрические) и активные (генераторные). Пассивные датчики
имеют источник энергии, активные не имеют источника энергии.
По роду энергии выходного сигнала датчики бывают: электрические,
пневматические и гидравлические. Среди электрических датчиков выделяют телеметрические датчики, имеющие встроенные передатчики, и выдающие модулированные сигналы.
По характеру изменения во времени выходного сигнала различают
датчики непрерывного и дискретного действия, а также цифровые датчики.
К показателям, характеризующим датчики, относятся: диапазоны
изменения измеряемой величины и выходного сигнала, статическая и динамическая характеристики, чувствительность, разрешающая способность,
погрешность.
Диапазон изменения измеряемой величины – значения измеряемой
величины, которые датчик может воспринять и преобразовать, не выходя
за пределы допустимой погрешности.
Диапазон изменения выходного сигнала – значения выходного сигнала в интервале от значения сигнала, соответствующего минимальному
значению измеряемой величины, до значения сигнала, соответствующего
максимальному значению измеряемой величины.
Под статической характеристикой датчика понимают зависимость
между установившимися значениями выходного сигнала и измеряемой величины. Эта зависимость называется тарировочной кривой или функцией
преобразования, которая может быть линейной, нелинейной, релейной.
Гистерезисом называется неоднозначность хода статической характеристики датчика при увеличении и уменьшении измеряемой величины, это
явление носит случайный характер и ухудшает работу датчиков.
Под динамической характеристикой датчика понимают поведение
выходного сигнала во время переходного процесса в ответ на мгновенное
(ступенчатое) изменение измеряемой величины.
Чувствительностью датчика называется отношение изменения выходного сигнала к изменению измеряемой величины. Диапазон значений
124
измеряемой величины, не оказывающих воздействие на значение выходного сигнала, называется зоной нечувствительности (мёртвой зоной), чем
больше зона нечувствительности, тем хуже датчик.
Разрешающая способность – минимальное изменение измеряемой
величины, способное вызвать изменение выходного сигнала. Разрешающая
способность характеризует минимальное изменение измеряемой величины,
которое может почувствовать датчик. При непрерывном изменении внешнего воздействия в пределах диапазона измеряемых значений выходные
сигналы датчиков не будут всегда абсолютно гладкими, даже при отсутствии шумов. На них всегда будут видны небольшие ступеньки. Особенно
отчетливо это видно в потенциометрических датчиках, инфракрасных датчиках контроля территории с сетчатой маской и других устройствах, в которых выходные сигналы меняются только при определённых изменениях
внешних воздействий. Например, для инфракрасного датчика контроля
территории можно дать следующее определение разрешающей способности: возможность обнаружения объекта на расстоянии 5 м при его перемещении на 20 см.
Погрешность датчика – отклонение статической характеристики датчика от статической характеристики идеального датчика; разница между
значениями выходного сигнала реального и идеального датчиков при одном и том же значении измеряемой величины. Погрешность датчика может
увеличиваться в процессе эксплуатации в результате изменения его внутренних свойств (старение, износ) или влияния внешних факторов (воздействие температуры, влажности, питающего напряжения и т.д.). Погрешность датчика складывается из основной и дополнительных погрешностей.
Основная погрешность датчика – максимальная разность между получаемым выходным сигналом и его номинальным значением, определяемым по
статической характеристике эталонного датчика при нормальных условиях. Дополнительные погрешности – погрешности, вызываемые изменением внешних условий по сравнению с их нормальными значениями. Они
выражаются в процентах, соответствующих изменению мешающего фактора на определённое значение, например, температурная погрешность 1,5
% на 10 °С.
Погрешность датчиков может быть установлена в следующих видах:
- непосредственно в единицах измеряемой величины;
- в процентах от максимального значения измеряемой величины;
- в единицах выходного сигнала.
Например, погрешность датчика давления с диапазоном измерений
0…100 кПа и диапазоном выходных сигналов 4…20 мА можно определить
следующим образом: ±500 Па; ±0,5 %; ±0,1 мА.
Вторичные приборы получают сигналы от датчиков и воспроизводят значения измеряемых величин, они представлены следующими видами:
- показывающие (стрелочные, цифровые, осциллографы);
- суммирующие (счётчики);
125
- регистрирующие;
- комбинированные.
Вторичные приборы могут быть одноканальными и многоканальными. Количество каналов – это количество датчиков, которое можно подключить к прибору.
Показывающие приборы воспроизводят измеренные значения измеряемых величин в данный момент времени в виде: показаний стрелки на
шкале, цифровых значений на электронном табло, осциллограмм. Стрелочные вторичные приборы могут иметь несколько съёмных шкал для разных величин. Суммирующие приборы показывают интегральные значения
измеряемых величин. Регистрирующие приборы осуществляют запись
контролируемых параметров. Комбинированные приборы, воспроизводят
значения измеряемых величин и регистрируют их на носители. К регистрирующим и комбинированным приборам относятся:
- электромеханические регистраторы или самописцы, осуществляю-
щие запись результатов измерений на бумажную ленту или плёнку;
- процессорные регистрирующие приборы, осуществляющие процессорную обработку результатов измерений по нескольким каналам и их
запись на бумажную ленту, а также представление результатов измерений
посредством цифрового табло;
- видеографические (электронные) регистраторы, записывающие
информацию в свою память и воспроизводящие её.
Канал связи – совокупность технических средств связи, соединённых линиями связи, и осуществляющих передачу сигналов между удалёнными друг от друга устройствами, в рассматриваемом случае между датчиками и вторичными приборами. Технические средства связи представлены двумя видами устройств:
- оконечные устройства (передатчики, приёмники и приёмопередат-
чики);
- промежуточные устройства, осуществляющие преобразование сиг-
налов и их направление.
Линии связи могут быть проводными и беспроводными. В состав
проводных линий связи входят кабели, устройства для их соединения между собой и с оборудованием. В качестве проводных линий связи могут
использоваться ЛЭП (приёмопередатчики подключаются к ЛЭП через
фильтр присоединения, образованный из конденсатора малой ёмкости и
высокочастотного трансформатора (автотрансформатора); это используется в автоматизированных системах диспетчерского управления (АСДУ)
энергосистемами). Если линия связи беспроводная, то устройства, объединённые такой линией связи, должны иметь в конструкции специальные
элементы, излучающие и принимающие радиоволны или инфракрасные
волны.
126
3.5. Автоматизированные системы научных исследований
3.5.1. Структура и виды АСНИ
Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ)
включают персонал, технические и программные средства, осуществляющие измерение параметров объектов исследований, передачу, регистрацию, обработку, хранение, воспроизведение результатов измерений, сопутствующей видео и аудиоинформации, а также управление экспериментами. АСНИ могут быть автономными системами или встроенными в другие автоматизированные системы (управления технологическими процессами (АСУТП); движением (АСУД); АСДУ; АСКУЭ; АИИС КУЭ) для
проведения производственных экспериментов или наблюдений за действующими производствами, технологическими линиями, установками и т.д.
Электроэнергетика относится к областям науки и техники, в которых
применение АСНИ является наиболее эффективным.
Основными техническими средствами АСНИ являются компьютеры,
осуществляющие регистрацию, обработку, хранение, воспроизведение результатов измерений и сопутствующей информации, а также выработку
управляющих сигналов для устройств, воздействующих на объекты исследований. Таким образом, АСНИ – компьютерные информационные системы (КИС). Для АСНИ характерно наличие следующих обеспечений, присущих КИС: техническое, лингвистическое, математическое, программное,
информационное, кадровое, эргономическое, организационное, правовое.
Наиболее важными являются: техническое, программное и информационное обеспечения.
Техническое обеспечение АСНИ представлено техническими средствами и технической документацией. Технические средства, входящие в
АСНИ:
- персональные (настольные, панельные, портативные) и промыш-
ленные компьютеры;
- съёмные носители информации;
- измерительные средства;
- коммуникационные устройства;
- средства промежуточной обработки информации;
- исполнительные устройства.
Программное обеспечение АСНИ подразделяется на системное, прикладное и инструментальное. К программному обеспечению также относят
документацию на используемые программы.
Информационное обеспечение АСНИ включает базы данных, информацию на различных носителях, а также совокупность единой системы
классификации и кодирования информации, унифицированных систем до-
127
кументации, схем информационных потоков, методы построения баз данных. Информационные подсистемы должны обеспечивать своевременное
представление достоверной информации, находящейся в базах данных, архивах и т.д.
АСНИ по архитектуре (степени распределённости) делятся локальные и распределённые. В локальных АСНИ все информационные и программные ресурсы сосредоточены в одном компьютере, в распределённых
АСНИ – на нескольких компьютерах.
В зависимости от выполняемых функций АСНИ можно разделить на
две группы:
- информационные, осуществляющие измерения параметров объектов исследований и окружающей среды, передачу, регистрацию, обработку, хранение, воспроизведение результатов измерений;
- информационно-управляющие, которые помимо сбора, обработки,
хранения и воспроизведения информации об объектах исследований и окружающей среды, управляют экспериментами.
3.5.2. Технические средства АСНИ
Компьютеры. Настольные и портативные персональные компьюте-
ры описаны в пункте 2.8.1. Панельный персональный компьютер (моноблок-компьютер) – компьютер, функциональные элементы которого заключены в корпусе монитора. Сенсорные моноблок-компьютеры с успехом применяются в АСНИ, АСУТП, системах мониторинга, платёжных и
информационных терминалах, общественных помещениях, где используются для показа презентаций, видеофильмов и роликов. Сенсорные моноблок-компьютеры в отдельных случаях устанавливаются в эргономичные
вандалостойкие напольные стальные корпуса и дополнительно оснащаются: USB-портами, аудиосистемами, проекторами, фискальными регистраторами, термопринтерами, сканерами штрих-кодов, RFID-приемниками,
видеомониторами, и прочим оборудованием.
Мониторы (они же – сенсоры) в панельных персональных компьютерах могут быть двух типов: резистивный и ёмкостной (мультитач). Преимущество резистивного сенсора – реакция на нажатие любым твердым
предметом, что удобно в условиях производства. Особенность мультитача
– реакция на одновременное касание в нескольких точках экрана, что делает удобным операции пролистывания и масштабирования. Мультитач реагирует только на касания руки.
Промышленные компьютеры предназначены для работы в условиях
производства, они в основном представлены персональными компьютерами и серверами в специальном исполнении и с повышенной защитой корпуса. Многие промышленные компьютеры оборудованы дополнительным
программно-аппаратным контролем за работоспособностью, а также интерфейсами промышленных сетей (MPI, Profibus, CAN). Для них исполь-
128
зуются специальные (Windows CE, Windows XP Embedded) и универсальные (Microsoft Windows (2000, XP), Linux, FreeBSD, QNX) операционные
системы.
Промышленные моноблок-компьютеры зарекомендовали себя высокой надёжностью. Повышенная влагозащита передних панелей класса IP65
и жёсткие диски SSD, стойкие к вибрациям и ударам, наличие портов RS232/422/485 и USB позволяют использовать эти моноблок-компьютеры в
качестве промышленных рабочих станций и операторских панелей на производстве. Сенсоры некоторых промышленных панельных компьютеров
способны реагировать на касание руки в перчатке (такими сенсорами
укомплектованы некоторые модели моноблок-компьютеров производства
Aplex).
Съёмные носители информации предназначены для хранения информации, а также для её передачи (вместе с носителем). Они обеспечивают возможность считывания, записи и удаления данных при помощи соответствующих устройств. К съёмным носителям информации относятся:
гибкие магнитные диски, флеш-диски, оптические диски.
Измерительные средства АСНИ представлены различными датчиками (см. пункт 3.4.14), а также регистраторами фактических значений
ПКЭ, цифровыми осциллографами, микропроцессорными счётчиками
электроэнергии (см. пункт 3.4.10), стационарными анализаторами качества
электроэнергии (см. пункт 3.4.9).
Регистраторы фактических значений ПКЭ – многофункциональные
приборы, осуществляющие сбор значений ПКЭ, и их передачу.
Регистратор ПКЭ ПАРМА РК 3.02 предназначен для измерения и регистрации ПКЭ в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97 в электрических сетях переменного трёхфазного (трёх- и четырёх проводных) и однофазного тока с номинальной частотой 50 Гц:
- действующего значения напряжения и его отклонения;
- установившегося действующего значения напряжения основной
частоты и его отклонения;
- частоты напряжения и ее отклонения;
- коэффициента несимметрии напряжений по нулевой и обратной
последовательности основной частоты;
- коэффициента искажения синусоидальности напряжения;
- коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, при
n от 2 до 40;
- коэффициента и длительности временного перенапряжения;
- глубины и длительности провала напряжения.
Регистратор ПКЭ ПАРМА РК 3.02 применяются при решении следующих задач:
129
- достоверный и оперативный автоматизированный контроль качества электроэнергии присоединений, питающих ответственных потребителей
или потребителей, имеющих неоднородный характер режима работы;
- обязательная сертификация электроэнергии на энергоснабжающих
предприятиях;
- оптимизация режимов работы электроэнергетического оборудования;
- создание информационной основы для проведения мероприятий по
снижению уровня «паразитных» гармоник (в частности, установка силовых компенсирующих фильтров) и улучшению качества электроэнергии;
- предпроектное обследование при проведении экономически обоснованных энергосберегающих мероприятий (снижение затрат на электроэнергию и ремонт оборудования может составлять до 5 % от установленной мощности предприятия);
- проведение расследований при разрешении споров между энергоснабжающими организациями и потребителями;
- обеспечение безаварийной работы автоматизированных систем
управления (АСУ) разного назначения;
- обоснование регрессивных исков для страховых компаний.
Поддержка регистраторами передачи данных по GSM-каналам и
единого времени на основе GPS-технологий позволяет на базе регистратора ПАРМА РК 3.02 создавать подсистемы автоматизированного контроля
ПКЭ с возможностью интеграции в АСКУЭ.
В комплект поставки регистратора ПАРМА РК 3.02 входят:
- TRANSDATA – программа удалённого управления, просмотра текущих значений, печати протокола соответствия ПКЭ установленным
нормам;
- TRANSCOP – универсальная программа анализа результатов и печати графиков;
- программное обеспечение для автоматизированной поверки.
Регистраторы ПКЭ ПАРМА РК 3.02 имеют:
- многоуровневую систему паролей и контроля доступа для конфигурирования и работы с прибором;
- уникальный идентификационный номер (modbus), это позволяет
организовать сбор информации на базовую рабочую станцию, путём периодического опроса («обзвона») через подключенные GSM-модемы, или
по интерфейсам RS-232, RS-485;
- степень защиты от проникновения твёрдых предметов и влаги не
ниже IP65.
Регистраторы ПКЭ ПАРМА РК 3.02 не имеют внешних органов
управления. Все программы доступа к прибору работают или через гальванически развязанный интерфейс RS-232/RS-485 или через опционально
130
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]