1601

Ю.Б. Тихонов

ОСНОВЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Конспект лекций

Омск • 2013

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»

Ю.Б. Тихонов

ОСНОВЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Конспект лекций

Омск

СибАДИ

2013

1

УДК 621.398 ББК 32.968 Т 46

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Галдин Н.С. (СибАДИ), канд. техн. наук, проф. В.Г.Шахов (ОмГУПС)

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве конспекта лекций для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств».

Тихонов Ю.Б.

Т 46 Основы телемеханики: конспект лекций / Ю.Б. Тихонов. – Омск:

СибАДИ, 2013. – 82 с.

Рассматриваются общие вопросы систем телемеханики, основные понятия, передача сообщений, элементы и узлы, основные принципы построения.

Конспект лекций предназначен для студентов направления 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» и специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Табл. 12. Ил. 30. Библиогр.: 5 назв.

©ФГБОУ ВПО «СибАДИ»,2013

2

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………………………………………………………….. 26

2.4.Методы модуляции…………………………………………………... 41

2.5.Достоверность передачи информации………………………............ 45

3.2.Датчики автоматических систем……………………………............. 56

3.3.Сельсины………………………………………………………............ 60

3.4.Дешифраторы, шифраторы, триггеры и счетчики…………………. 63

3.5.Регистры, распределители и коммутаторы…………………............. 72

4.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ТЕЛЕМЕХАНИКИ………………………….... 74

4.1.Передача и прием телемеханических сигналов…………………….. 74

4.2.Телеуправление и телесигнализация………………………………... 76

4.3.Телеизмерение………………………………………………………... 77

4.4.Представление информации в системах телемеханики……............. 78 Библиографический список……………………………………………………. 81

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 приёма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

Специфическими особенностями телемеханики являются:

•удалённость объектов контроля и управления;

•необходимость высокой точности передачи измеряемых вели-

чин;

•недопустимость большого запаздывания сигналов;

•высокая надёжность передачи команд управления;

•высокая степень автоматизации процессов сбора информации. Назначение. Телемеханизация применяется тогда, когда необ-

ходимо объединить разобщённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, железнодорожным узлом) либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении 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 (АСУ). 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 и 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 пред-

4

почитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях – АСУТП.

Ванглоязычных 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 компрессорные станции (на нефте-

игазопроводах, в системах ирригации, тепло- и водоснабжения), железнодорожные узлы и аэропорты, усилительные и ретрансляционные установки на линиях связи, системы охранной сигнализации и т. д.

История. Термин «телемеханика» был предложен в 1905 г. французским 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.

Практическое применение телемеханики в мирных целях началось в 20-х гг. ХХ в., главным образом 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 и программными комплексами. Стандартом стало графическое представление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с «живым» отображением текущего состояния, управление объектом с кадров мнемосхем.

Впрограммном обеспечении наблюдается тенденция к стандартизации программных интерфейсов систем сбора данных и обрабаты-

5

вающих программ, возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирования, аналитические, АРМ специалистов). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки.

С 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 и физически) устаревшими «унаследованными» системами, с сохранением их протоколов связи. На контролируемых объектах всё чаще возникает необходимость стыковки с локальными технологическими системами.

Наряду с усложнением самих систем и их программного обеспечения наблюдается изменение требований к реализуемым функциям. К традиционным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, телеуправление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с локальных автоматических приборов. К обычным функциям контроля за изменением состояния и превышения предельных значений добавляются возможности текущих расчетов и логического анализа (например, балансные 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, поддающейся 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 и 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

6

выполнять свои функции несравненно эффективнее, чем это может делать человек.

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 автоматизация значительно уменьшает влияние субъективных факторов человека (мастерство, утомляемость, быстрота реакции и т. п.) на технологический процесс и позволяет достигнуть более ритмичной и высокопроизводительной работы. В силу органической связи отдельных участков производства между собой согласование их работы должно быть централизованным и сосредоточенным в руках одного человека. Это связано с тем, что для выбора режимов работы отдельных агрегатов необходимо иметь полную картину обо всем производстве в целом. Поэтому среди систем управления видное место занимают устройства, обеспечивающие организацию связи человека с машинами. Эти устройства должны облегчить человеку управление производственными процессами, разгрузить его нервную систему, освободить мозг от напряженной и рутинной механической работы. Полное исключение влияния субъективных особенностей человека на показатели процесса требует автоматизации и оперативного управления. Создание систем автоматического оперативного управления является завершающим звеном полной автоматизации производства (создания цехов и 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.

Особо важную роль играют модули телеуправления, модули телесигнализации и так называемые контроллеры присоединения именно в энергетической отрасли, которую можно смело назвать уникаль-

7

ной по сравнению со всеми другими производственными отраслями. 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 управления и координации энергетических систем необходимы современная автоматика и телемеханика.

Разберёмся, чем автоматика и телемеханика различаются между собой.

Главной особенностью систем телемеханики является наличие устройств, обеспечивающих передачу информации на большие расстояния. При этом необходимо, чтобы модули телеуправления получали как можно менее искажённую информацию. В условиях значительной территориальной разобщённости элементов энергосистем и наличия значительного количества помех это создаёт наибольшую проблему для работы системы телемеханики.

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 и т. д.), которые должны обеспечить передачу информации от источника к рабочему органу и выполнение всех возложенных на неё функций.

8

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 данных. 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 информация в процессе передачи претерпевала наименьшие искажения. В условиях же территориальной разобщенности частей системы и действия помех это затруднительно.

Для решения задачи передачи информации сформировалась особая область науки и техники – телемеханика, которая охватывает теорию и технические средства преобразования и передачи на расстояние информации для управления техническими системами.

Телемеханические системы получили большое распространение при централизованном управлении территориально развитыми системами в энергетике, на железнодорожном транспорте, газо- и нефтепроводах и т. д. Только с использованием средств телемеханики возможно исследование космоса, а также создание автоматизированных систем управления производственными процессами на транспорте и в промышленности.

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

•телеуправления, управляющие оборудованием или целыми производственными комплексами;

•телесигнализации, контролирующие на расстоянии состояние

иположение объектов;

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

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

•комбинированные, объединяющие некоторые из перечисленных выше систем.

9