Разработка аппаратуры системы телеизмерений. Устройство КП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

Факультет автоматики и информационных технологий

Кафедра «Автоматика и управление в технических системах»

Контрольная работа по дисциплине: "Телемеханика"

На тему: "Разработка аппаратуры системы телеизмерений. Устройство КП"

Выполнила:

студентка 4-АИТ-1

Розенталь А.А.

Проверил: Абросимов А.А.

Самара 2014



Содержание

1. Техническое задание

2. Обоснование и выбор типа системы телеизмерения

3. Описание структурной схемы

4. Информационный расчет цифровой системы телеизмерения

Заключение

Список использованных источников



1. Техническое задание

1. Диапазон и единицы измерения телеметрической величины: D=0-190 кВт

2. Сигнал с датчика Dx=0-5мА

3. Максимальная частота измерения телеметрической величины:

f макс. = 0,045Гц

4. Число измерительных каналов: N=4

5. Требуемая точность телеизмерения: у= 0,2%

6. Требуемое быстродействие системы телеизмерения: ф=75с

7. Скорость передачи информации по каналу связи: В = 650 Бод

8. Вероятность искажения в канале связи одного двоичного символа:

9. Вид интерполяции - параболическая.

2. Обоснование и выбор типа системы телеизмерения

Из четырёх основных телемеханических функций (телеуправление, телесигнализация, телерегулирование и телеизмерение) телеизмерение (ТИ) является наиболее сложным, что обусловлено требованием передачи информации с большой точностью. В настоящее время применяются кодоимпульсные системы телемеханики вообще и системы телеизмерений в частности, что соответствует современному состоянию теории и техники.

Виды телеизмерений

Телеизмерение -- получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых или управляемых объектов методами и сред-ствами телемеханики.

Телеизмерение по вызову - телеизмерение по команде, посылаемой с пункта управления на контролируемый пункт и вызывающей подключение на контролируемом пункте передающих устройств, а на пункте управления -- соответствующих приемных устройств.

Телеизмерение по вызову позволяет использовать одну линию связи (канал телеизмерения) для поочередного наблюдения за многими объек-тами телеизмерения. Диспетчер с помощью отдельной системы телеуправления может подключать к каналу телеизмерения желаемый объект телеизмерения. При телеизмерении по вызову можно применять автоматический опрос объектов телеизмерения циклически по заданной программе.

Телеизмерение по выбору -- телеизмерение путем подключения к устройствам пункта управления соответствующих приемных приборов при постоянно подключенных передающих устройствах на контролируемых пунктах.

Телеизмерение текущих значений (ТИТ) -- получение информации о значении измеряемого параметра в момент опроса устройством телемеханики.

Телеизмерение интегральных значений (ТИИ) -- получение информации об интегральных значениях измеряемых величин, проинтегрированных по заданному параметру, например, времени, в месте передачи.

Телеизмерения имеют особенности, отличающие их от обычных электрических измерений, которые не могут быть применены для измерения на расстоянии вследствие возникновения погрешностей из-за изменения сопротивления линии связи при изменении параметров окружающей среды -- температуры и влажности. Даже если бы указанные погрешности находились в допустимых пределах, передача большого числа показаний потребовала бы большого числа линий связи. Кроме того, в некоторых случаях (передача измерения с подвижных объектов -- самолетов, ракет и др.) обычные методы измерения принципиально не могут быть использованы. Методы телеизмерения позволяют уменьшить погрешность при передаче измеряемых величин на большие расстояния, а также многократно использовать линию связи.

Сущность телеизмерения заключается в том, что измеряемая величина, предварительно преобразованная в ток или напряжение вторичного прибора датчика, дополнительно преобразуется в сигнал, который затем передается по линии связи. Таким образом, передается не сама измеряемая величина, а эквивалентный ей сигнал, параметры которого выбирают так, чтобы искажения при передаче были минимальными. Совокупность технических средств, необходимых для осуществления телеизмерений называют системой телеизмерения (СТИ).

Обобщённая структура системы телеизмерений.

Обобщённая структура системы ТИ приведена на рис. 1. На рисунке видно, что система ТИ представляет собой комплекс технических средств, в который входит датчик D, передатчик Прд, линия связи ЛС, приёмник Пр и индикатор И.

Рисунок 1 - Обобщённая структурная системы телеизмерений: D - датчик; Прд - передатчик; ЛС - линия связи; Пр - приёмник; И - индикатор; КП - контролируемый телемеханический пункт; DП - диспетчерский пункт или телемеханический пункт управления

Выходным сигналом Х датчика является стандартный сигнал, часто это сигнал постоянного тока 0 - 5мА или напряжение постоянного тока 0 - 10В. Передатчик осуществляет преобразование параметра Х в сигнал, У, который передаётся по линии связи

В линии связи информационный сигнал У искажается случайным воздействием помех и климатических условий, сигнал поступает в приёмник, где подвергается преобразованию к виду , удобному для отображения на индикаторе.

Главное требование, предъявляемое к СТИ, заключается в том, что она должна обеспечить заданную точность телеизмерения. Поэтому основной характеристикой СТИ является точность.

Точность характеризуется различными видами погрешностей, важнейшей из которых является статическая погрешность или просто погрешность.

Погрешность -- степень приближения показаний индикатора к действительному значению измеряемой величины. Погрешность телеизмерения определяется как максимальная разность между показаниями индикатора на приёмной стороне и действительным значением телеизмеряемой величины, определяемым по показаниям образцового прибора.

Классы точности каналов телеизмерения должны быть установлены для устройств и комплексов при цифровом и аналоговом воспроизведении измеряемых параметров из следующего ряда: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5.

Абсолютная основная погрешность канала телеизмерения устройства (комплекса) -- наибольшая разность выходной величины, приведенной ко входной в соответствии с градуировочной характеристикой, и входной величины:

Д = y - x

где Д -- абсолютная погрешность,

y - выходная величина, приведенная ко входной в соответствии с градуировочной характеристикой,

x - входная величина.

Относительная погрешность d' -- отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах.

Приведенная погрешность d -- отношение абсолютной погрешности к величине диапазона шкалы измерений (Xmax-Xmin):

d = Д/(Xmax-Xmin) (2)

Абсолютная дополнительная погрешность канала телеизмерения устройства -- наибольшая разность значений входной (выходной) величины при нормальных условиях и при воздействии влияющего фактора.

Дополнительные погрешности вызываются различными отклонениями от нормальных условий работы, например изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания за допустимые пределы, появлением помех, внешних магнитных полей и т. п.

Телеизмеряемые величины должны воспроизводиться на индикаторах в абсолютных значениях измеряемых величин. Это значит, что если передаваемая величина выражается в тоннах, то, несмотря на все промежуточные преобразования этой величины, неизбежные при передаче, индикатор на приемной стороне должен быть отградуирован в тоннах. Лишь в особых случаях допускается воспроизведение телеизмерений в процентах.

Классификация систем телеизмерений

Системы телеизмерения (СТИ) можно классифицировать по различным признакам. Наиболее распространена классификация по параметру, с помощью которого передается значение измеряемой величины по линии связи (рис.2).

Рисунок 2 - Классификация систем телеизмерения

В системах интенсивности величина, подлежащая телеизмерению, датчиком преобразуется в сигнал постоянного тока или напряжения постоянного тока, поступает в устройство контролируемого пункта, далее передаётся по линии связи в устройство пункта управления, где отображается индикатором. Таким образом, по линии связи передаётся интенсивность сигнала постоянного тока, откуда и произошло название этого типа систем.

Система интенсивности проста по своему устройству и была в своё время первым реализованным типом систем телеизмерения. Основной недостаток систем интенсивности - низкая точность, погрешность телеизмерения систем интенсивности вследствие воздействия помех и изменения сопротивления линии связи в пределах 2--3%.

В частотных системах переменного тока сигнал постоянного тока датчика поступает в устройство контролируемого пункта, где модулируется методами частотной модуляции, далее частотно - модулированный сигнал передаётся по линии связи в устройство пункта управления, где демодулируется и измеряемая величина отображается индикатором.

Точность частотной системы переменного тока выше, чем системы интенсивности, так как частотная модуляция обладает более высокой помехоустойчивостью по сравнению с прямой передачей сигнала постоянного тока.

В частотно - импульсных системах применяется не частотная, а частотно - импульсная модуляция, по линии связи передаётся частотно - импульсный модулированный сигнал. Помехоустойчивость этого типа модуляции несколько выше по сравнению частотной модуляцией.

Во время - импульсных системах применяются время - импульсные методы модуляции, обеспечивающие чуть более высокую помехоустойчивость по сравнению с частотно - импульсной модуляцией.

В кодоимпульсных системах применяется кодоимпульсная модуляция. Сигнал постоянного тока датчика в устройстве контролируемого пункта преобразуется в кодовую комбинацию и каждый символ кодовой комбинации передаётся по линии связи в устройство пункта управления, где кодовая комбинация декодируется и отображается индикатором.

Кодоимпульсные системы обладают наибольшей точностью по сравнению с другими типами систем телеизмерения. В них не происходит уменьшение точности при передаче информационных сигналов на большие расстояния благодаря комплексу мер, применяемых для повышения помехоустойчивости телемеханической передачи. Поэтому точность кодоимпульсных систем телеизмерения определяется точностью датчика.

Принимая во внимание вышеупомянутые особенности, выбираем для контроля над рабочими параметрами цифровую систему телеизмерения с кодоимпульсным способом передачи информации.

3. Описание структурной схемы

Рассмотрим сначала принцип работы устройства КП (рис.3).

Рисунок 3 - Структурная схема устройства контролируемого пункта цифровой системы телеизмерения.

Работа схемы описываются в два этапа:

• 1. На первом этапе приводится описание всех элементов, входящих в схему: назначение, их входные и выходные величины.
• 2. На втором этапе рассматривается их взаимодействия в динамике.
• Перейдем к первому этапу:

1. ГТИ - генератор тактовых импульсов, вырабатывает импульсы для работы всего устройства.

2. К_э - коммутатор элементов кода. Это функциональный блок, на вход которого поступают тактовые импульсы, а на выходным сигналом является сигнал логической единицы, последовательно появляющийся на выходах от 1 до К+1, где К - число разрядов кодовой комбинации.

3. И₁, И₂, И_к, И_в - схемы 2И - выходной сигнал равен логической единице при наличии логических единиц одновременно на двух входах.

4. RG - регистр памяти (параллельный регистр), служит для хранения кодовой комбинации, поступающей на его вход с АЦП.

5. АЦП - аналого - цифровой преобразователь, преобразует входную аналоговую величину в цифровой код.

6. Кл₁ - Кл_n - аналоговые ключи, имеют один выход и два входа. Первый вход управляющий, при наличии на нём логической единицы он разрешает подключение к выходу информационного сигнала, подаваемого на второй аналоговый вход.

7. D₁ - D_n - аналоговые датчики телеизмеряемой величины.

8. К_к - коммутатор каналов, тоже, что и коммутатор элементов кода К_э с заменой величины К на величину N, где N - число информационных каналов системы телеизмерений.

9. УПД - устройство повышения достоверности - кодер помехозащищённого кода. На его вход поступает двоичный код в последовательной форме, а на выходе код, способный обнаруживать или исправлять ошибки (помехозащищённый код) в последовательной форме. Работа УПД определяется типом принятого помехозащищённого кода.

10. ФСС - формирователь синхронизирующего сигнала. По входному сигналу он вырабатывает сигнал, синхронизирующий работу распределителя пункта управления или синхронизирующий сигнал, отличающийся от информационного сигнала (с выхода УПД) одним из трёх признаков:

· полярностью;

· длительностью;

· числом единиц.

11. Элемент ИЛИ - служит для логического суммирования двух входных сигналов, выходной сигнал этого элемента поступает в линию связи.

Перейдем ко второму этапу:

На втором этапе составим алгоритм работы данной схемы.

Алгоритм работы схемы (Рис.2):

Пусть исходным будет состояние, когда коммутатор элементов кода К_э находится в положении (к+1), а коммутатор каналов К_к находится в положении 1.

В этом состоянии коммутатор каналов К_к имеет логическую единицу на выходе позиции “1”. Она открывает Кл₁ и сигнал с выхода датчика первого подключен к входу АЦП, который преобразует его в цифровой код и этот код записывается и хранится в регистре RG. С приходом следующего тактового импульса К_э переходит с позиции “к+1” в позицию “1”. Поэтому на управляющий вход И₁ поступает логическая единица и открывает схему И₁, следовательно, символ из ячейки 1 регистра RG через элементы И₁, УПД, ИЛИ поступает в линию связи. телеизмерение канал цифровой

На втором такте аналогично в линию связи поступает символ из ячейки 2 регистра RG. По истечении “К” тактов завершается посылка в линию связи информационной “К” разрядной кодовой комбинации. На “К+1” такте из УПД в линию связи сдвигается контрольный разряд помехозащищенного кода. Одновременно коммутатор каналов переходит на позицию 2, на которой через ключ 2 на вход АЦП поступает сигнал с датчика 2. Далее для второго канала все процессы повторяются аналогично первому. Таким образом, в линию связи последовательно передаётся информация по всем N каналам.

В позиции N+1 коммутатора каналов на вход ФСС поступает логическая единица, которая включает в работу формирователь синхросигнала. Синхронизирующий сигнал через схему ИЛИ поступает в линию связи.

4. Информационный расчет цифровой системы телеизмерения

Целью информационного расчёта является определение параметров функциональных блоков системы, обеспечивающих требования заданной точности телеизмерения. Состав функциональных блоков был определён при разработке структурной схемы.

Оптимальное распределение погрешностей:

(1)

Так как из формулы (1) найдем чему равны :

(2)

Величина используется для выбора датчика телеизмеряемой величины, в дальнейших расчётах примем, что в системе используется датчик требуемой точности.

Источником погрешностей и является аналого-цифровой преобразователь.

По величине рассчитывается шаг квантования по времени.

Погрешность , вносимая устройством дискретизации по времени, возникает вследствие замены непрерывной функции решетчатой функцией. Величина погрешности зависит от шага дискретизации по времени и неразрывно связана с обратной проблемой - восстановлением непрерывной функции времени по её мгновенным значениям, известным только в дискретные моменты времени . Шаг дискретизации в соответствии с теоремой В.А. Котельникова определяется граничной частотой спектра непрерывной функции :

,(3)

где - коэффициент аппроксимации или восстановления сообщения, его величина зависит от типа интерполяции, применяемого при восстановлении непрерывной функции;

- максимальная частота измерения телеметрической величины (дано по заданию ).

Так как по заданию вид интерполяции дан параболический, тогда находим по формуле (4):

(4)

(5)

Теперь по формуле (3) можем найти :

(6)

Принимая убеждаемся в том, что расчётное значение не превышает быстродействия системы, т. е. , .

Шаг дискретизации по времени принято называть циклом опроса и обозначать.

При числе измерительных каналов (датчиков) время, отводится на опрос одного датчика при равномерной дискретизации, будет находиться по формуле (7):

,(7)

где - коэффициент, учитывающий защитный интервал между каналами ( возьмем равный 1,0);

- число измерительных каналов;

- цикл опроса.

(8)

Тогда частота коммутации каналов (скорость выдачи кодовых слов):

(9)

(10)

Определяем из формулы (11) максимально возможный шаг квантования по уровню:

(11)

(12)

По формуле (13) рассчитываем требуемое минимальное число уровней квантования:

(13)

Необходимая разрядность первичного k - кода определится из соотношения (14):

(14)

Полагая , уточняем по формуле шаг квантования по уровню:

По соотношениям (15) рассчитываем масштабные коэффициенты М_x и М_m:

(15)

Определяем кодовую комбинацию первичного k-кода на последнем j-ом уровне квантования и рассчитываем значение измеряемой величины на этом уровне

(16)

(17)

По соотношению (18) проверяем правильность округления масштабного коэффициента.

Шаг квантования, приведённый к измеряемой величине:

Тогда:

(18)

Следовательно, округление масштабного коэффициента выполнено правильно.

По величине определяем абсолютную погрешность и её дисперсию , используя формулы

(19)

(20)

Задаваясь и корректирующей способностью и помехозащищённого (n, k) - кода в соответствии с Таблицей 1, рассчитываем величину дисперсии ошибки, вызываемой помехами в канале связи.

Примем в начале , , и найдем по формуле (24):

(21)

Реализация формулы (24) в MATHCAD:

Полученное значение Dш заносим в Таблица I.

Таблица 1.

Итерации	1	2	3
dмин	1	2	3
t0	0	1	2
tи	0	0	0
Dш

Сравниваем полученное значение с и получаем: , т. е. >

Таким образом, безызбыточный код не может быть использован для передачи телеметрической информации с ошибкой .

Полагаем , тогда получим to =1, tи = 0, n = 9, l = 1.

Сравниваем полученное значение с и получаем: , т. е. <

Таким образом, помехозащищённый код может быть использован для передачи телеметрической информации с ошибкой .

Для дальнейшего проектирования следует использовать помехозащищённый код с минимальным кодовым расстоянием dмин = 2, который обнаруживает одну ошибку и не исправляет ни одной ошибки. Примем далее, что этим кодом будет код с проверкой на чётность.

Уточняем значения отдельных составляющих погрешности телеизмерения по результатам расчёта параметров системы, используя формулы:

;

; (22)

(23)

, (24)

где - принятые при расчёте и выборе параметров значения соответствующих величин.

В заключение расчёта вычисляем значение и сравниваем его с заданным значением :

. (29)

Таким образом, рассчитанные параметры цифровой системы телеизмерения обеспечат требуемую точность телеизмерения.

Для дальнейшего проектирования принимаем способ кодирования синхронизирующего сигнала числом единиц



Заключение

В данном проекте была спроектирована система телеизмерений, как части интегрированной автоматизированной системы управления технологическими процессами. Было разработано устройство пункта управления.



Список использованных источников

1. Телемеханика: Конспект лекций/Самар. гос. техн. ун-т; Сост. А. А. Абросимов. Самара, 2011. - 202с.

2. Проектирование нижнего уровня АСУТП. (Основы работы с инструментальным комплексом Concept для программирования ПЛК Schneider-Electric): Учебное пособие/ Ю.А. Осипова, А.В. Тычинин, П.В. Тян, Самар. гос. техн. ун-т, Самара, 2005. - 90 с.

3. Абросимов А.А. Методическое пособие по курсовому проекту. Самара: СамГТУ, 2012 - 47 с.

Размещено на Allbest.ru

...