Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛАРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра систем управления

I-53 01 07 “Информационные технологии и управление в технических системах”

Конспект лекций

ТЕЛЕМЕХАНИКА

Часть 1. Сообщения и сигналы

Н.И.Сорока, Г.А.Кривинченко

Минск 2015

УДК 621.398 (075.8)

ББК 32.968 я 73

С65 Телемеханика: Конспект лекций для студентов специальности

Рецензент: нач. кафедры электротехники Военной академии Республики Беларусь канд.техн.наук доц. В.Е.Гурский

Сорока Н.И., Кривинченко Г.А.

Т.11.01.00 “Автоматическое управление в технических системах”. Ч. 1:

Сообщения и сигналы. - Мн.: БГУИР, 2001.-215 с.: ил. 98.

ISBN 985-444-091-5 (ч.1).

УДК 621.398 (075.8)

ББК 32.968 я 73

ISBN 985-444-091-5 (ч.1)

ISBN 985-444-151-2

C Н.И.Сорока, Г.А.Кривинченко,

2001

Cодержание

сигнал модуляция частота

• Введение
• 1. Общие сведения о сигналах
• 1.1 Основные типы сигналов
• 1.2 Периодические сигналы
• 1.3 Спектры периодических сигналов и необходимая ширина полосы частот
• 1.3.1 Дискретный спектр
• 1.3.2 Практическая ширина спектра
• 1.4 Спектр одиночного прямоугольного импульса
• 1.5 Преобразование непрерывных сообщений в дискретные сигналы
• 1.5.1 Квантование по времени (дискретизация)
• 1.5.2 Дискретизация двумерной функции
• 1.5.3 Квантование по времени и по уровню
• 1.6 Модуляция. Основные понятия и определение
• 2. Непрерывная модуляция
• 2.1 Амплитудная модуляция
• 2.2 Частотная модуляция (ЧМ)
• 2.3 Фазовая модуляция (ФМ)
• 2.3.1 Различие ЧМ- и ФМ-колебаний
• 2.4 Спектры сигнала с угловой модуляцией
• 2.5 Сравнение АМ-, ЧМ- и ФМ- сигналов
• 2.6 Одновременная модуляция по амплитуде и по частоте
• 3. Импульсная модуляция
• 3.1 Амплитудно-импульсная модуляция
• 3.2 Фазоимпульсная модуляция
• 3.3 Широтно-импульсная модуляция
• 4. Цифровая модуляция
• 4.1 Амплитудная манипуляция
• 4.1.1 Двоичная АМП
• 4.1.2 М-ичная амплитудная манипуляция
• 4.2 Фазовая манипуляция
• 4.2.1 Двоичная фазовая манипуляция
• 4.2.2 Квадратурная фазовая манипуляция (КФМП)
• 4.2.3 Квадратурная фазовая манипуляция со смещением
• 4.2.4 КФМП-8 сигналы
• 4.2.5 р/4 - квадратурная относительная фазовая манипуляция
• 4.2.6 Спектр сигнала с ФМП
• 4.3 Частотная манипуляция
• 4.3.1 Двоичная частотная манипуляция
• 4.3.2 Частотная манипуляция с минимальным сдвигом
• 4.3.3 Гауссовская частотная модуляция с минимальным сдвигом
• 4.3.4 Многопозиционная частотная манипуляция (МЧМП)
• 4.4 Квадратурная амплитудная модуляция
• 4.4.1 Квадратурная амплитудная модуляция с подавленной несущей (КАМ-ПН)
• 4.5 Двукратная модуляция
• 4.5.1 АМ-АМ-сигналы
• 4.5.2 АМ-ЧМ-сигнал
• 4.5.3 ЧМ-АМ-сигнал
• 4.5.4 ЧМ-ЧМ сигналы
• 4.6 Спектры радиоимпульсов
• 5. Модуляторы и демодуляторы
• 5.1 Амплитудные модуляторы
• 5.1.1 Затворная модуляция
• 5.1.2 Стоковая модуляция
• 5.2 Детекторы АМ-сигналов
• 5.3 Модуляторы однополосного сигнала
• 5.3.1 Фильтровый метод получения ОАМ-сигнала
• 5.3.2 Фазовый метод получения ОАМ-сигнала
• 5.4 Детекторы ОАМ-сигнала
• 5.5 Частотные модуляторы
• 5.5.1 Индуктивно-емкостный генератор, управляемый реактивным током
• 5.5.2 Частотный модулятор на варикапе
• 5.5.3 Генератор с индуктивностью, управляемой током
• 5.5.4 Управление частотой генератора изменением сопротивления
• 5.5.5 Управление частотой генератора изменением емкости
• 5.6 Детекторы ЧМ-сигналов
• 5.6.1 Частотные дискриминаторы на расстроенном контуре
• 5.6.2 Частотный дискриминатор с двумя связанными контурами
• 5.6.3 Дробный детектор
• 5.6.4 Импульсно-счетный частотный детектор
• 5.7 Фазовые модуляторы
• 5.7.1 Фазовый модулятор с изменением расстройки колебательного контура
• 5.7.2 Импульсно-фазовый модулятор (ИФМ)
• 5.8 Фазовые детекторы (ФД)
• 5.8.1 Перемножающие детекторы
• 5.8.2 Фазовые измерители
• 5.9 Амплитудно-импульсные модуляторы
• 5.9.1 Модулятор на биполярных транзисторах
• 5.9.2 Модулятор на полевых транзисторах и операционном усилителе (рисунок 5.47)
• 5.9.3 Многоканальный модулятор
• 5.10 Детекторы АИМ-сигналов
• 5.10.1 Демодуляция АИМ-сигналов фильтром нижних частот (ФНЧ)
• 5.10.2 Пиковые детекторы
• 5.10.3 Типовой детектор на ОУ с запоминанием
• 5.11 Широтно-импульсный модулятор
• 5.11.1 Суммирующий широтно-импульсный модулятор
• 5.11.2 Широтно-импульсный модулятор развертывающего типа
• 5.12 Демодуляторы ШИМ-сигналов
• 5.12.1 Детектор на основе ФНЧ
• 5.12.2 Детектор ШИМ на основе интегратора
• 5.12.3 Детектор ШИМ-сигнала сравнивающего типа
• 5.13 Фазоимпульсные модуляторы
• 5.14 Детекторы ФИМ-сигналов
• 5.15 Дискретный амплитудный модулятор
• 5.16 Детектор АМП-сигналов
• 5.17 Модуляторы ЧМП-сигналов
• 5.17.1 Частотный модулятор с непосредственным воздействием на частоту колебаний (рисунок 5.61)
• 5.17.2 Частотный модулятор дискретного действия
• 5.18 Демодуляторы ЧМП-сигналов
• 5.18.1 Частотный детектор при приеме по огибающей
• 5.18.2 Частотный детектор дискретного действия
• 5.19 Модуляторы ФМП-сигналов
• 5.20 Детекторы ФМП-сигнала
• 5.20.1 Фазовые детекторы дискретного действия
• 5.20.2 Формирование опорного напряжения по Пистолькорсу
• 5.20.3 Фазовращатель203
• 5.21 Демодуляторы М-ичной амплитудной манипуляции
• 5.22 Демодуляторы М-ичной фазовой манипуляции
• 5.23 Демодулятор квадратурной амптитудной манипуляции
• 5.24 Демодуляторы многопозиционной частотной манипуляции
• Приложение 1
• Приложение 2
• Приложение 3

Введение

Переход на автоматизированное управление характеризуется широким внедрением методов и средств автоматики и телемеханики.

Как известно, в основе любой технической, биологической и социальной системы управления и функционирования лежат информационные процессы, связанные с первичным отбором, сбором, предварительной обработкой информации, ее передачей, хранением, обработкой, распределением, отображением, регистрацией, считыванием и исполнением команд управления. В соответствии с указанными процессами средства автоматизации можно подразделить на четыре группы:

- средство для получения информации - устройство сбора информации: чувствительные элементы, датчики, измерительные приборы и т.п.;

- средство для передачи информации на расстояние - система телемеханики. При малых расстояниях передача информации осуществляется без использования систем телемеханики;

- средство для переработки информации - специализированные и универсальные вычислительные машины;

- средство для использования информации - автоматизированные регуляторы и исполнительные механизмы.

В зависимости от степени использования средств автоматизации различают следующие ступени автоматизации: местная автоматизация, телемеханизация, автоматизированная система управления.

Местная автоматизация. Местную автоматизацию часто называют автоматикой. Получив информацию о ходе производственного процесса, оператор производит ее обработку и, приняв решение, через исполнительные механизмы воздействует на ход процесса. Частично управление процессом производится простейшими регуляторами (рисунок В.1, показано пунктиром).

Система управления, в которой вес функции управления процессом перекладываются с человека на автоматические устройства (электронно-вычислительные машины), называется автоматической системой (рисунок В.2). В данной системе циркуляция информации происходит по замкнутому контуру. Человек не принимает участия в процессе управления и его деятельность ограничена контролем работы и устранением возникающих недостатков.

Телемеханизация. Если производственный процесс рассредоточен на большой площади, то к средствам местной автоматики добавляется система телемеханики. При этом управление технологическим процессом возлагается на диспетчера (рисунок В.3). Системы телемеханики (СТМ) применяются не только при управлении производственными процессами, но и при испытаниях вооружений, исследованиях космического, воздушного пространства и морских глубин, в медицине, сельском хозяйстве и т.п. Принципы построения систем телемеханики одни и те же, изменяется лишь объем и сложность аппаратуры и программного обеспечения. При большом и сложном управляемом процессе переработка возлагается на специализированные и универсальные вычислительные машины (рисунок В.4). Зачастую совокупность системы телемеханики и вычислительной машины называют телеинформационной системой (ТИС). В ТИС информация обрабатывается сначала компьютером, а затем в обобщенном виде представляется диспетчеру, что уменьшает вероятность ошибки при управлении. В этом случае вычислительная машина используется в качестве машины-советчика. Если управление производственным процессом производится без участия человека, то такая система называется телеавтоматической.

Автоматизированные системы управления (АСУ). В этих системах используются как средства вычислительной техники, так и человек (оператор, диспетчер). Различают автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) и автоматизированные системы управления производством (АСУП). АСУТП и АСУП отличаются как объектами управления, так и задачами. Если в АСУТП объектами управления являются приборы, механизмы, машины, регуляторы, то в АСУП информация поступает от людей в форме документов (данные о наличии материала на складе, выпуске продукции, бухгалтерские данные и т.п.) управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия. Различия между АСУТП и АСУП имеется также и в аппаратуре. В настоящее время устанавливается единая интегрированная автоматизированная система управления (ИАСУ), охватывающая планирование производства, а также контроль и управление технологическими процессами (рисунок В.5).

В тех случаях, когда объекты территориально разобщены и требуется автоматическая передача информации, системы телемеханики выполняют функции систем автоматического сбора и передачи для АСУ информации с нижних ступеней контроля и управления.

Определив место телемеханики в процессе управления, перейдем к определению самого понятия.

В.1 Определение, задачи и проблемы

Термин телемеханика происходит от двух греческих слов: tele - расстояние, mechanica - механика. Он был введен в 1905 году французским инженером Э.Бранли.

Телемеханика вместе с такими научно-техническими отраслями, как связь и автоматика, определяет принципы построения автоматизированных и автоматических систем управления пространственно распределенными техническими процессами. Международный электротехнический словарь [1] определяет: «Телемеханика - контроль и управление оперативными объектами на расстоянии посредством преобразования управляющих воздействий и контролируемых параметров в сигналы, передаваемые по каналам связи».

Средства телемеханики решают две основные задачи:

- передачу технологической, известительной и командной информации (измерение текущих и интегральных значений контролируемых параметров, сигнализация состояния оборудования, буквенно-цифровые сообщения о ходе процессов, команды управления и регулирования);

- передачу производственно-статистической информации для целей планирования и управления работой промышленных и торговых предприятий, продажи билетов на автомобильный, авиационный и железнодорожный транспорт, бронирования мест в гостиницах и т.п.

Вторая задача решается также специальной аппаратурой передачи данных.

Научной основой телемеханики является теория передачи информации.

Отличительной особенностью систем телемеханики от традиционных систем связи является:

- повышенная точность (порядка 0,05 %);

- недопустимость запаздывания в получении информации;

- высокая надежность;

Кроме того, в системах телемеханики человек присутствует не более чем на одной из сторон, а в системах связи человек присутствует на обеих сторонах.

Характеристики, отличающие системы телемеханики от местных систем управления, следующие:

- использование каналов связи с ограниченной шириной полосы пропускания в условиях высокого уровня помех;

- требование оптимального соотношения между скоростью и надежностью передачи информации для обеспечения передаваемого количества данных и заданного времени передачи;

- проблемы, связанные с высоким уровнем помех из-за большой протяженности каналов связи и сети и в ряде случаев разнотипных каналов связи;

- централизованность управления многочисленными территориально распределенными объектами.

В телемеханике при передаче информации возникают следующие проблемы:

- достоверности, т.е. передачи информации с малыми искажениями;

- эффективности, т.е. нахождения наилучших методов и способов использования аппаратуры и линии связи при передаче большого количества информации;

- экономичности, т.е. построения простых и дешевых устройств обеспечивающих наибольшее количество передаваемой информации при наименьших затратах.

Телемеханика применяется практически во всех сферах деятельности человека. В первую очередь в труднодоступных местах и вредных для здоровья человека производствах. В последнее время широкое применение нашла в логистике, телематике, навигации и управлении беспилотными летательными аппаратами.

В.2 Типовая структура и конфигурации систем телемеханики

Структуру системы следует понимать как иерархический порядок ее основных элементов и их взаимодействий, что в совокупности составляет систему и определяет ее характеристики. Конфигурация системы представляет собой определенное расположение телемеханических станций и связей между ними.

Основные элементы систем телемеханики (СТМ) - это аппаратные и поддерживающие их работу программные средства, выполняющие функции сбора, передачи, обработки и отображения информации о состоянии обслуживаемого технологического процесса. Состав структурных элементов показан на рисунке В.6 на примере простейшей СТМ с конфигурацией типа «точка-точка»: аппаратура связи с процессом, выполняющая функции ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов измерения, сигнализации, управления и регулирования; устройства телемеханики (УТМ) контролируемого пункта (КП); аппаратура передачи данных (АПД) со стороны контролируемого и контролирующего пунктов; УТМ контролирующего пункта (далее - пункта управления, ПУ); аппаратура автоматизированных рабочих мест (АРМ) лиц, принимающих управленческие решения (операторов/диспетчеров), решающая задачи обработки и архивирования данных и организации человеко-машинного интерфейса (HMI/SCADA). В структуре СТМ «в широком смысле» выделены канал данных и СТМ «в узком смысле». Структурное выделение канала данных предполагает, что среда передачи передачи сигнала выбирается из ряда альтернатив:

Рисунок В.6 - Типовая структура СТМ (конфигурация «точка-точка»)

она может быть выделенной, арендуемой или общего пользования. СТМ в узком смысле - это уровень создания телемеханической сети.

Для передачи информации в канале данных определены три типа трафика: симплексный (передачи производятся только в одном направлении - от КП к ПУ); полудуплексный (передача от КП к ПУ и от ПУ к КП осуществляется поочередно); дуплексный (передачи по каждому направлению осуществляются по независимым каналам связи).

Исходя из определения «Телемеханика» и структурной схемы (см. рисунок В.1) приведем определения основных понятий в области телемеханики.

Центральный телемеханический пункт управления (ЦПУ) - это телемеханический пункт управления, с которого осуществляется контроль и управление всеми объектами иерархической телемеханической сети.

Телемеханический пункт управления (ПУ) - пункт, с которого осуществляется управление объектами контролируемых телемеханических пунктов и контроль их состояния.

Контролируемый телемеханический пункт (КП) - место размещения объектов, контролируемых или управляемых средствами телемеханики.

Комплекс устройств телемеханики - совокупность устройств ПУ и КП, предназначенных для совместного применения в телемеханических системах.

Телемеханическая система - совокупность устройств ПУ и КП, периферийного оборудования, необходимых линий и каналов связи, предназначенных для совместного выполнения телемеханических функций.

Телемеханическая сеть - совокупность устройств телемеханики и объединяющих их каналов связи.

В конфигурацию сети передачи данных входят основные функциональные элементы, указанные в таблице В.1, которые в совокупности составляют основу для построения всех конфигураций.

Таблица В.1 - Символы конфигурации телемеханической сети

Основная функция символа	Обозначение
1 Главный центральный пункт управления (ЦПУ)
2 Пункт управления (ПУ), в состав которых входят один или более линейных терминалов. Примечание - маленькие окружности показывают число линейных терминалов на этом ПУ.
Продолжение таблицы В.1
3 Контролируемый пункт (КП), удаленный терминал.
4 Пункты сбора, концентрации и обмена информации.
5 Канал передачи данных.

Ниже иллюстрируются возможные варианты конфигураций каналов СТМ.

Конфигурация «точка-точка» (пункт-пункт) (рисунок В.7). Эта конфигурация связывает между собой две телемеханические станции и является простейшей из всех возможных типов конфигураций.

Рисунок В.7 - Конфигурация «точка-точка»

Конфигурация радиальная «точка-точка» (рисунок В.8). ПУ связан с каждым КП индивидуальным каналом передачи данных. При этом количество линейных терминалов (АПД) на ПУ равно количеству подключенных КП, что позволяет ПУ одновременно и независимо передавать сообщения одному, группе или всем КП, а каждый КП может одновременно и независимо передавать данные на ПУ.

Рисунок В.8- Конфигурация радиальная «точка-точка»

Конфигурация радиальная многоточечная (рисунок В.9). На ПУ установлен один линейный терминал (АПД), к которому индивидуальными линиями связи подключены более одного КП. При этом одновременно только один КП может передавать данные на ПУ, а ПУ может передавать данные одному или нескольким КП одновременно.

Рисунок В.9 - Конфигурация радиальная многоточечная

Конфигурация цепочечная (магистральная) (рисунок В.10). На ПУ установлен один линейный терминал (АПД), к которому общей линией подключено более одного КП. При этом одновременно только один КП может передавать данные на ПУ, а ПУ может передавать данные одному или нескольким КП одновременно.

Рисунок В.10 - конфигурация цепочечная

Конфигурация многоточечная кольцевая (рисунок В.11). Линия связи, проходящая через все КП, образует кольцо, по которому информация от ПУ любому КП (и обратно) может быть отправлена в одну или другую сторону (например, при обрыве линии связи).

Рисунок В.11 - Конфигурация многоточечная кольцевая

Конфигурация смешенная (рисунок В.12). Комбинация различных конфигураций. Наряду с ПУ и КП в структуре СТМ могут использоваться пункты сбора, концентрации информации и обмена ею.

Рисунок В.12 - Конфигурация смешенная

Взаимодействие оборудования ПУ и КП инициируется в СТМ одной из перечисляемых далее процедур запуска передачи телемеханических сообщений.

- По факту изменения состояния (спорадическая передача). Передачу инициирует КП по факту события на объекте, что позволяет минимизировать время представления информации оператору. При этом спорадически может передаваться как высокоприоритетная информация (например, аварийная), так и низкоприоритетная (например, данные амплитудной дискретизации контролируемых процессов, находящихся в пределах рабочей зоны).

- Передача по запросу. Инициируется ПУ путем адресного обращения к КП с запросом информации о текущем состоянии объекта или с командой управляющего воздействия на объект адресуемого КП в той или иной форме. Если ПУ периодически осуществляет последовательный опрос всех или какой-то группы КП, то такая операция определяется как циклоопрос.

- Периодическая (циклическая) передача. Инициируется КП для передачи информации на ПУ с заданным временным разделением (временная дискретизация контролируемых процессов). Периодическая передача определяет временные задержки обновления информации в АРМ. Эти задержки тем больше, чем дольше передается информация от одного КП и чем большее количество КП в составе СТМ. Следует отметить, что при периодической передаче сообщений из КП потеря некоторых сообщений в канале связи не является критичной, так как обновление информации будет выполнено в процессе следующих передач.

Кроме того имеются телемеханические системы с общим автоматическим опросом - телемеханические системы, в которых после обнаружения ошибки автоматически посылается команда запроса всей информации о состоянии контролируемых объектов.

В телемеханических системах с квинтированием посылается квинтация после приема спорадического сообщения без обнаружения ошибки.

В.3 Классификация систем телемеханики

Телемеханические системы классифицируются по выполняемым функциям, виду и расположению объектов, управления и контроля, конфигурации линий связи, используемым каналам связи, дальности, характеру и способу передачи сообщений.

Под выполнением функций понимается исполнение системой различных категорий информационных сообщений. В зависимости от этого системы телемеханики подразделяются на системы телеуправления (ТУ), телесигнализации (ТС), телеизмерения (ТИ), телерегулирования (ТР) и передачи данных (ПД) по каналам (линиям) связи телемеханической сети.

При этом число объектов измерения, сигнализации, управления и регулирования, число источников данных, от (для) которых может передавать информацию устройство телемеханики принято называть информационной емкостью устройства телемеханики.

ТУ - управление положением или состоянием дискретных объектов и объектов с непрерывным множеством состояний методами и средствами телемеханики. В связи с этим ТУ подразделяется на двухпозиционное телеуправление и телеуправление объектами, имеющие более двух возможных состояний.

ТС - получение информации о состоянии контролируемых и управляемых объектов, имеющих ряд возможных дискретных состояний, методами и средствами телемеханики.

ТИ - получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых и управляемых объектов методами и средствами телемеханики.

ТР - телеуправление объектами с непрерывным множеством состояний.

ПД - получение информации, представленной в форме, воспринимаемой для формальной обработки автоматическим устройством или человеком.

При ТУ различают следующие виды команд и сообщений:

- команда ТУ - телемеханическое сообщение, передаваемое с ПУ на КП и вызывающее изменение положения или состояния объектов;

- групповая команда ТУ - команда ТУ, адресованная нескольким объектам одного КП;

- циркулярная команда ТУ - команда ТУ, адресованная объектам нескольких или всех КП телемеханической системы;

- команда-инструкция - команда ТУ, передаваемая с ПУ на КП оперативному персоналу, где она выводится на устройства отображения в виде стандартных инструкций;

- телемеханическая команда опроса - телемеханическое сообщение, требующее от КП передачи информации о состоянии объектов;

- оперативная телеинформация - часть телемеханического сообщения, содержащая команды ТУ или информацию о состоянии объектов;

- служебная телеинформация - телемеханическое сообщение или часть его, необходимая для контроля состояния телемеханической системы и управления ею;

- квитирование телемеханического сообщения - операция, производимая оператором или автоматом для подтверждения приема информации от устройства телемеханики.

Различают ТИ по вызову и выбору. ТИ по вызову - это ТИ по команде, посылаемой с ПУ на КП и вызывающей подключение на КП передающих устройств, а на ПУ - соответствующих приемных устройств. ТИ по выбору - это ТИ путем подключения к устройству ПУ соответствующих приемных приборов при постоянно подключенных передающих устройствах на КП.

Разновидностью телемеханических систем является телеавтоматическая система - совокупность устройств телемеханики, каналов связи и устройств автоматики, обеспечивающая управление объектом на расстоянии без воздействия человека. В этой системе функции управления обычно возлагаются на ЭВМ.

По виду объекты управления и контроля могут быть разделены на подвижные (краны, локомотивы и т.п.) и стационарные. По расположению стационарные объекты подразделяются на сосредоточенные и рассредоточенные. В первом случае технически и экономически целесообразна установка одного устройства телемеханики контролируемого пункта для значительной группы объектов. Во втором - установка отдельных устройств телемеханики контролируемых пунктов для небольших групп и даже одиночных объектов.

Используемые в телемеханике каналы связи подразделяются на проводные, радио и ВЧ каналы по ВЛ. Скорости передачи данных систем телемеханики находятся в пределах от 50 до 2400 бит/с. Скорости 4800 и 9600 бит/с используются реже. Для скоростей передачи свыше 9600 бит/с требуются специальные широкополосные каналы, которые используют стандартную технику на различных каналах связи.

Следует различать следующие понятия каналов: канал связи, канал передачи данных и канал функций. Канал связи - совокупность технических средств и тракта (среда, кабель, проводная линия и т.д.) для передачи сообщений на расстояние. Канал передачи данных - совокупность канала связи и расположенных на его входе и выходе устройств передачи данных. Канал функции - часть устройства телемеханики, обеспечивающая прием или передачу одного параметра заданной функции (ТУ, ТС, ТИ, ПД и т.д.).

Различают периодический и непрерывный режимы работы устройств телемеханики. Периодический режим работы изделия - это режим, при котором изделие включается периодически по сменам, сезонам и т.п. Непрерывный режим работы - это режим, при котором изделие постоянно находится во включенном состоянии за исключением времени, необходимого для технического обслуживания.

Существуют два типа процедур передачи сообщений: небалансная и балансная.

Небалансная процедура передачи используется в СТМ, в которых ПУ контролирует трафик данных последовательным опросом КП. В этом случае ПУ всегда является первичной станцией, инициирующей передачу всех сообщений, а КП - вторичной станцией, передающей сообщения только по вызову. Областью использования данной процедуры являются конфигурации СТМ всех типов.

Балансная процедура передачи используется в СТМ, в которых каждая станция может быть как первичной, инициирующей передачу сообщений, так и вторичной. Область использования такой процедуры передачи ограничивается конфигурациями типа «точка-точка» и радиальной многоточечной структуры.

По способу передачи сообщения СТМ подразделяются на одноканальные и многоканальные. В первых сигнал соответствует одному сообщению об определенном объекте управления или контроля, во вторых - ряду сообщений, относящихся к различным объектам управления и контроля.

По характеру сообщения СТМ делятся на дискретные и непрерывные.

Полная классификация систем телемеханики приведена на рис. В.13.

В.4 Технические требования

В стандарте [5] регламентируются требования к источникам питания и электросовместимости.

Параметры источников питания УТМ: однофазная сеть переменного тока (АС) с номинальным напряжением 220 В при допустимых отклонениях напряжения в диапазонах 10 %, от -15 до +10 %, от -20 до +15 % и частоты в пределах 0,2 %, 1,0%, 5,0 %; сеть постоянного тока (DC) с номинальным напряжением 12, 24, 48, 60, 115, 220 В при допустимых отклонениях 10 %, 15 %, от -20 до +15 %

В [6] определяются допустимые условия эксплуатации УТМ в части влияния климатических, механических и других неэлектрических величин.

В таблице В.2 [6] показаны наиболее активно используемые климатические параметры условий эксплуатации УТМ.

Устройства всех классов должны работать при изменении атмосферного давления в пределах от 70 до 106 кПа, что соответствует высоте до 3000 м над уровнем моря.

Классификационные параметры допустимых механических воздействий для условий хранения, эксплуатации и транспортирования представлены в таблице В.3 [6] четырьмя классами.

В стандарте [6] для УТМ, устанавливаемого в неизвестном месте, определены три класса сейсмического воздействия (по шкале Меркалли) (таблица В.4).

Шкала Меркалли, ассоциируется с действительной интенсивностью в данной географической местности и имеет диапазон от 1 (ощущений нет) до XII баллов (катастрофа).

В [7] объектом стандартизации являются электрические характеристики интерфейсов на границах между УТМ и внешним оборудованием.

При рассмотрении интерфейса между УТМ и АПД не исключается возможность включения АПД в состав УТМ. Интерфейс сопряжения УТМ с каналом связи в стандарте определяется в соответствии с требованиями рекомендаций Международного консультативного комитета по телефонной и телеграфной связи (МККТТ, ныне Международный телекоммуникационный союз - ITU-T) серий R и V. Цепи обмена между УТМ и АПД должны соответствовать рекомендациям ITU-T V.24 (1989) «Перечень определений линий стыка между оконечным оборудованием данных и аппаратурой оконечного канала данных». Электрические характеристики интерфейса должны соответствовать рекомендациям:

- ITU-T V.28 (1989) для несимметричных двухполярных цепей обмена с оконечной аппаратурой, выполненной на по технологии дискретных элементов;

-ITU-T V.10 (1989) для несимметричных двухполярных цепей обмена с оконечной аппаратурой, выполненной на интегральных схемах;

-ITU-T V.11 (1989) для несимметричных двухполярных цепей обмена с оконечной аппаратурой, выполненной на интегральных схемах.

Таблица В.2 - Классы климатических требований к исполнениям УТМ

Класс	Температура, °С	Относительная влажность, %	Скорость изменения температу-ры, °С/мин	Размещение
А1	от +20 до +25	от 20 до 75	0,1	Кондиционирование
В1	от +15 до +30	от 10 до 75	0,5	Обогреваемые или охлаждаемые помещения
В2	от +5 до +40	от 5 до 85
В3	от +5 до +40	от 5 до 95 с конденсацией
С1	от -25 до +45	от 5 до 95 с конденсацией	0,5	Под крышей или в закрытых помещениях
С2	от -25 до +55	от 10 до 100 с конденсацией	0,5
С3	от -40 до +70	от 10 до 100 с конденсацией	1
D1	от -33 до +40	от 15 до 100 с конденсацией	0,5	На открытом воздухе
D2	от -50 до +40

Таблица В.3 - Классы механических требований к исполнениям УТМ

Механические параметры	Класс
	Am	Bm	Cm	Dm
Стационарная синусоидальная вибрация:
-амплитуда перемещения, мм	0,3			3			7			15
-амплитуда ускорения, м/с2		1			10	15		20	15		50	40
-диапазон частот, Гц	2-9	9-200	200-500	2-9	9-200	200-500	2-9	9-200	200-500	2-9	9-200	200-500
Удары:
-длительность половины синусоид, мс	22	11	11	6
-пиковое ускорение, м/с2	40	100	300	1000
Свободное падение, м	-	-
-масса менее 20 кг			0,25	1,5
-масса от 20 до 100 кг			0,25	1,2
-масса более 100 кг			0,1	0,5
Статическая нагрузка, кПа	-	-	5	10

Таблица В.4 - Классы сейсмического воздействия

Класс	Описание интенсивности	Интенсивность по шкале Меркалли, баллов
S1	От легкого до среднего землетрясения	До VI
S2	От среднего до сильного землетрясения	До VIII
S3	От сильного до очень сильного землетрясения	До X

Механические (разъемные) соединения рекомендуется выполнять в соответствии со стандартами международной организации по стандартизации ISO (ИСО), указанными в таблице В.5.

Таблица В.5 - Описание внешних соединений УТМ

МККТТ - ITU-T	ISO (ИСО)
Функции	Электрические характеристики	Соединения
V.24	V.28	ISO 2110 (25-контактный разъем)
V.24	V.10	ISO 4902 (37-контактный разъем)
V.24	V.11	ISO 4902 (37-контактный разъем)

Рекомендуемые значения аналоговых сигналов предлагается выбирать из числа токовых сигналов в диапазонах: 0-5 мА, 0-10 мА, 4-20 мА, 5 мА, 10 мА.

Физическая реализация интерфейса между УТМ и аппаратурой процесса - это линия связи, по которой передается информация с помощью дискретных и аналоговых сигналов.

Основные характеристики интерфейсных сигналов определяются номинальными значениями напряжений и классами токов для двоичных сигналов, а также предельными значениями напряжений и требованиями к изоляции для дискретных и аналоговых сигналов.

Значения двоичных сигналов в стандарте ограничиваются номинальными напряжениями (U_ном) постоянного тока: 12 В, 24 В, 48 В, 60 В. Для пассивного двоичного входа номинальные значения напряжения могут быть определены по согласованию между изготовителем и пользователем.

Классы токов для двоичных входных и выходных сигналов согласно [7] представлены в таблице В.6.

Таблица В.6 - Классы токов для двоичных входных и выходных сигналов

Класс тока	Двоичные входные сигналы постоянного и переменного тока, мА	Двоичные выходные сигналы
		Постоянный ток, А	Переменный ток, А
	мин	макс	мин	макс	мин	макс
1	1	5	-	0,1	-	0,2
2	5	10	0,05	0,5	0,1	1
3	10	50	0,1	1	0,2	2
4	50	-	0,25	2,5	0,5	5

Двоичные входные и выходные сигналы различаются как активные и пассивные. Временные диаграммы двоичных сигналов показаны на рисунке В.14.

Рисунок В.14 - Временные параметры двоичных сигналов

Таблица В.7 - Активные двоичные входные и выходные сигналы

Характеристика	Значение
	Входной сигнал	Выходной сигнал
Сигнал низкого уровня (L)	Минимальное: -5 % от Uном Номинальное: 0 % от Uном Максимальное: +15 % от Uнорм	Минимальное: 0 % от Uном Номинальное: 0 % от Uном Максимальное: +10 % от Uнорм
	Ток максимальный: 0,2 мА
Сигнал высокого уровня (H)	Минимальное: +75 % от Uном Номинальное: +100 % от Uном Максимальное: 125 % от Uном	Минимальное: +80 % от Uном Номинальное: +100 % от Uном Максимальное: +120 % от Uном
Длительность сигнала	Минимальная: 10 мс (3 мс - для специального применения)
Время восстановления	Минимальное: 10 мс (3 мс - для специального применения)
Время перехода ()	Минимальное: 8 мс (1 мс - для специального применения)

К активным относятся сигналы, источник питания которых находится вне УТМ. Характеристики активных входных и выходных сигналов представлены в таблице В.7.

К пассивным относятся сигналы, источник питания которых находится внутри УТМ. Эти сигналы подаются в аппаратуру в виде контактов, размыкающих или замыкающих цепи определенного сопротивления. При этом для надежной работы нормируется значение тока, протекающего через контакты и нагрузку. Характеристики пассивных входных и выходных сигналов представлены в таблице В.8

Объектом стандартизации [8] являются показатели, определяющие технические требования к УТМ и СТМ и предназначены для использования при сравнительном выборе УТМ и оценке их конкурентной способности.

Таблица В.8 - Пассивные двоичные входные и выходные сигналы

Характеристика	Значение
	Входной сигнал	Выходной сигнал
Разомкнутая цепь	Минимальное: 50 кОм при Uном Номинальное: Ом при Uном	Минимальное: 50 кОм при Uном Номинальное: Ом при Uном
	Ток максимальный: 0,2 мА при 125 % от Uном
Замкнутая цепь	Минимальное: 0 Ом Номинальное: 150 Ом	Минимальное: 0 Ом Номинальное: 0,05 Uном/Iмакс
	Для классов тока по таблице В.6
Длительность сигнала	Минимальная: 10 мс (3 мс - для специального применения)
Время восстановления	Минимальное: 10 мс (3 мс - для специального применения)
Время перехода ()	Минимальное: 8 мс (1 мс - для специального применения)

В таблице В.9 в соответствии с [8] приведены показатели безотказности, готовности, ремонтопригодности.

Безотказность нормируется средним временем между отказами в часах (T_o), которое должно рассчитываться изготовителем по данным о надежности отдельных компонентов и подтверждаться в реальной эксплуатации за заданный период испытаний с исключением периода ранних отказов.

Готовность нормируется коэффициентом готовности (K_r), который должен определяться отношением общего времени работы и простоя. K_r характеризует способность СТМ выполнять требуемые функции в данный момент времени в отличие от безотказности, характеризующей работу за заданный период времени.

Таблица В.9 - Показатели безотказности, готовности, ремонтопригодности

Класс безотказности	To, ч	Класс готовности	Kr, %	Класс ремонтоспособности	Тв, ч	Класс времени ремонта	Тр, ч
R1	2000	A1	99,00	M1	36	RT1	24
R2	4000	A2	99,75	M2	24	RT2	12
R3	8760	A3	99,95	M3	12	RT3	6
-	-	-	-	M4	6	RT4	1

Ремонтопригодность нормируется средним временем восстановления в часах (Т_в), вычисляемым как сумма организационного времени (промежуток от обнаружения отказа до уведомления службы ремонта), транспортного времени (от момента уведомления о повреждении до прибытия на объект с необходимым оборудованием), среднего времени ремонта Т_р (обнаружения и устранения отказа, а также проверки работоспособности). Это суммарное время нормируется 1, 6, 12 или 24 часами, начиная от момента обнаружения отказа УТМ, и характеризует возможность восстановления полной работоспособности УТМ при заданных условиях эксплуатации.

Показатель «достоверность передаваемых данных» характеризуется вероятностью появления необнаруженных ошибок при вероятности искажения бита 10^-4 и нормируется в соответствии с таблицей В.10 [8]. Меры для улучшения достоверности передачи данных описаны в пункте А5 Приложения А к стандарту [8].

При этом используются следующие термины и определения понятий, используемых для пояснения содержания показателя «достоверность»: Трансформация телемеханического сообщения - необнаруженное изменение телемеханического сообщения, возникшее в процессе передачи под воздействием помех и приводящее к приему ложного сигнала. Потеря телемеханического сообщения - необнаруженное телемеханической системой подавление переданного сообщения. Частотные потери телемеханических сообщений - отношение числа потерянных телемеханических сообщений к общему числу переданных телемеханических сообщений.

Таблица В.10 - Классы достоверности передачи данных

Класс достоверности данных	Вероятность появления необнаруженных ошибок
I1	10-6
I2	10-10
I3	10-14

Классификационный признак «общая погрешность результатов обработки информации» определяется как разность между значениями величин в местах передачи и приема, выраженная в процентах от номинального диапазона.

В [8] они определяются из ряда (класс точности - общая погрешность): А1 - 5,0 %; А2 - 2,0 %; А3 - 1,0 %; А4 - 0,5 %; Ах - специальные классы.

Полное время передачи команд должно быть возможно более коротким для обеспечения передачи и обработки команд с высоким приоритетом.

Временной параметр, связанный с обработкой измеряемых величин и команд установок, - это полное время передачи.

Для установления полного времени передачи можно использовать таблица В.11 и В.12 [8].

Таблица В.11 - Требования временного класса SP1 - SP4

Временной параметр	SP1	SP2	SP3	SP4
Разрешающая способность, мс	50	10	5	1

Таблица В.12 - Требования временного класса TR1 - TR4

Временной параметр	TR1	TR2	TR3	TR4
Разрешающая способность, мс	1000	100	10	1

В.5 Некоторые области применения систем телемеханики

1. Атомная промышленность

2. Нефтяная и газовая промышленность

3. Транспортный мониторинг

4. Электронные системы безопасности

5. Мониторинг окружающей среды

6. Спутниковые и охранные комплексы

7. Телемедицина

8. Телеобразование

9. Телесуды

10. Контроль грузоперевозок

11. Навигация транспортных средств

12. Энергетика и коммунальное хозяйство

13. Международные космические проекты

14. Бортовые информационно-телеметрические системы (БИТС) для искусственных спутников земли

15. БИТС для сложных высокодинамичных объектов

16. БИТС для ракет-носителей (РН)

17. БИТС для космических аппаратов

18. БИТС для разгонных блоков РН

19. Телеметрические системы для летательных аппаратов: самолетов, вертолетов, ракет

20. Комплексы для управления пусковыми установками ракет

21. Крупные животноводческие комплексы

22. Инкубаторы различного назначения

23. Измерение метеопараметров

24. Телемониторинг и управление тепловыми пунктами

25. IP-телефония

26. Автоматическое управление беспилотными летательными объектами

27. Автоматический контроль массы различных продуктов

28. Управление рассредоточенными объектами подвижными и неподвижными объектами

29. Управление движения поездов

30. Беспроводное управление автотракторной техникой

31. Телеметрия реакторной установки

32. Радиационная идентификация грузов

33. Автоматическое поддержание дистанции в транспортном потоке

34. Интеллектуальные транспортные системы

35. Системы управления железнодорожными объектами

36. Охранно-поисковые системы

37. Радиолокация

38. Радиотелеуправление ракетами

39. Передача факсимильных изображений

40. Системы жизнеобеспечения объектов коммерческой недвижимости

41. Системы АСКУЭ

42. Системы автоматизированного управления телескопами

43. Системы дистанционного контроля, диагностики и управления инженерными объектами

44. Системы управления технологическим оборудованием промышленных предприятий

45. Телематика

46. Трубопроводный транспорт

47. Георазведка

48. Биотелеметрия

49. Управление транспортными роботами

50. Биотелеметрия

51. Управление роботами

52. Другие области

В.6 Краткое описание базовых стандартов семейства ГОСТ Р МЭК 870 (60870)

Перечень действующих стандартов в области телемеханики с кратким описанием стандарта приведен в таблице В.13.

Таблица В.13 - Перечень базовых стандартов семейства ГОСТ Р МЭК 870 (60870)

Часть	Раздел. Содержание стандарта
1 Основные положения	1 Общие принципы [2] Дан обзор функциональных элементов, которые образуют структуру СТМ. Приведено описание типовых конфигураций, а также основные функции телемеханики.
	2 Руководство по разработке технических требований [3] Приведены руководящие указания по проектированию, установлены спецификации для УТМ и СТМ, согласовывающие индивидуальные требования пользователя.
	3 Основные аспекты передачи телемеханических данных и руководство по использованию стандартов МЭК 870-5 и МЭК 870-6 [4] Описана семиуровневая модель взаимодействия открытых систем ИСО и трёхуровневая модель повышенной производительности (ЕРА).
2 Условия эксплуатации	Источники питания и электромагнитная совместимость [5] Установлены требования к источникам питания и электромагнитной совместимости
	2 Условия окружающей среды [6] Определены условия окружающей среды, которым должны соответствовать УТМ. Установлены классы для различных условий эксплуатации.
3 Интерфейсы	Установлены требования к электрическим характеристикам интерфейсов, связывающих различные устройства, необходимые для создания СТМ [7].
4 Технические требования	Установлены характеристики, которыми должны обладать УТМ и СТМ, чтобы они могли непрерывно, точно и надёжно выполнять возложенные на них функции, обладать гибкостью и способностью адаптации к будущим запросам пользователей [8].
5 Протоколы передачи	Разделы 1-5 [9.10,11,12,13] Описываются функциональные характеристики передачи данных, обеспечивающие работу СТМ по линиям или сетям связи, требования к достоверности передачи информации, а также методы передачи информации и используемые при этом форматы данных и процедуры обмена, удовлетворяющие этим требованиям.

Литература к введению

1. МЭК 60050-371-84. Международный электротехнический словарь. Глава 371: Телемеханика. -- IEC, 1984.

2. ГОСТ Р МЭК 870-1-1-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. Раздел 1. Общие принципы. - М.: Издательство стандартов, 1994.

3. ГОСТ Р МЭК 870-1-2-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. Раздел 2. Руководство по разработке технических требований. -- М.: Издательство стандартов, 1995.

4.ГОСТ Р МЭК 870-1-4-98. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. Раздел 4. Основные аспекты передачи телемеханических данных и руководство по использованию стандартов МЭК 870-5 и МЭК 870-6. -- М.: Издательство стандартов, 1998.

ГОСТ Р 51179-98 (МЭК 870-2-1-95). Устройства и системы телемеханики. Часть 2.Условия эксплуатации. Раздел 1. Источники питания и электромагнитная совместимость. -- М. : Издательство стандартов, 1998.

ГОСТ Р МЭК 60870-2-2-2001. Устройства и системы телемеханики. Часть 2. Условия эксплуатации. Раздел 2. Условия окружающей среды (климатические, механические и другие неэлектрические влияния). -- М. : Издательство стандартов, 2001.

ГОСТ Р МЭК 870-3-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 3. Интерфейсы (Электрические характеристики). -- М.: Издательство стандартов, 1994.

ГОСТ Р МЭК 870-4-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 4. Технические требования. -- М. : Издательство стандартов, 1994

ГОСТ Р МЭК 870-5-1-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 1. Форматы передаваемых кадров. -- М. : Издательство стандартов, 1995.

ГОСТ Р МЭК 870-5-2-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 2. Процедуры в каналах передачи. ~ М. : Издательство стандартов, 1995.

ГОСТ Р МЭК 870-5-3-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 3. Общая структура данных пользователя. -- М. : Издательство стандартов, 1995.

ГОСТ Р МЭК 870-5-4-96. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 4. Определение и кодирование элементов пользовательской информации. -- М.: Издательство стандартов, 1996.

ГОСТ Р МЭК 870-5-5-96. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 5. Основные прикладные функции. -- М. : Издательство стандартов, 1996.

ГОСТ 26.205-88. Комплексы и устройства телемеханики. Общие технические условия. -- М. : Издательство стандартов,1989.

МИ 2439-97. ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и контроля. -- М. :ВНИИМС, 1997.

1. Общие сведения о сигналах

1.1 Основные типы сигналов

В системах автоматики и телемеханики, проводной и радиосвязи сигнал передается на более или менее далекое расстояние чаще всего в виде электромагнитного возмущения. Поэтому физической величиной, определяющей характер сигнала, обычно является напряжение (или ток), изменяющееся во времени по определенному закону, отображающему передаваемое сообщение. В теоретических исследованиях сигнал, независимо от его физической природы, заменяется математическим представлением в виде некоторой функции времени, опис...