Разработка системы телеизмерений. Устройство контролируемого телемеханического пункта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ФГБОУ ВПО «СамГТУ»)

Кафедра «Автоматика и управление в технических системах»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕЛЕМЕХАНИКА»

НА ТЕМУ:

Разработка системы телеизмерений. Устройство контролируемого телемеханического пункта

Проект выполнил: студент IV-АИТ-1

Томин М.А.

Проверил:

Абросимов А.А.

Самара 2012



Содержание

Введение

1. Обоснование и выбор типа системы телеизмерения

2. Описание структурной схемы системы

3. Информационный расчет

4. Описание модели системы в CONCEPT

5. Структурная схема системы

Список использованных источников



Введение

Тематика курсового проекта связана с разработкой системы телеизмерений. Среди всех телемеханических функций телеизмерения являются наиболее сложной, так как требуется обеспечить заданную точность измерений.

Современные системы телеизмерений являются кодоимпульсными и их параметры определяются исходя из требований точности. Поэтому в курсовом проекте предусмотрен информационный расчёт, в результате которого определяются основные параметры функциональных блоков по заданным требованиям.

Реализация системы телеизмерений ориентирована на применение программируемых логических контроллеров, поэтому предусматривается разработка программы работы проектируемого устройства с использованием программной среды «Сoncept». Разработанная программа подлежит обязательной отладке с последующей её демонстрацией при защите курсового проекта.



1. Обоснование и выбор типа системы телеизмерения

Телеизмерение является самой сложной функцией систем телемеханики, так как передача информации об измерениях технологических параметров должна осуществляться с большой точностью. В настоящее время, самыми точными и самыми лучшими с точки зрения экономики являются кодоимпульсные системы телеизмерений. Систему телеизмерений такого типа мы и будем проектировать.

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).



Рис.1.1 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 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.

Системы телеизмерения (СТИ) можно классифицировать по различным признакам. Наиболее распространена классификация по параметру, с помощью которого передается значение измеряемой величины по линии связи (рис.1.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.2 Классификация систем телеизмерения

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.

2. Описание структурной схемы устройства

Цифровые и кодоимпульсные системы ТИ отличает дискретная структура сигнала у, подаваемого в линию или в канал связи, не подчиняющаяся линейной зависимости от измеряемой величины А.

Сигнал у, отображающий значение измеряемой величины А, в цифровых системах ТИ представляет собой кодовую комбинацию одного из используемых кодов.

Для преобразования измеряемой величины в код непрерывная функция времени А(t), а точнее Х(t), подвергается дискретизации по времени и по уровню. Каждому дискретному уровню Х присваивается свой порядковый номер, который представляется в том или ином коде. Через равные промежутки времени текущее значение параметра Х отожествляется с ближайшим уровнем квантования Х, кодируется и передаётся в приёмник. В приёмнике производится дешифрация принятого кода, т.е. определение посланного номера уровня, по которому в выходном приборе воспроизводится в той или иной форме телеизмеряемая величина.

На рис.2.1 приведена структурная схема многоканальной цифровой системы ТИ, поясняющая принцип построения подобных систем.

Эти схемы описываются в два этапа:

1. описание всех элементов и их входные и выходные величины;

2. описание их взаимодействия в динамике.

Рассмотрим сначала принцип работы устройства КП (рис.2.1).



Рис.2.1. Структурная схема устройства контролируемого пункта цифровой системы телеизмерения

Структурная схема устройства контролируемого пункта цифровой системы телеизмерения (рис. 2.1) содержит следующие элементы:

ГТИ - генератор тактовых импульсов, вырабатывает импульсы для работы.

К_э - коммутатор элементов кода. На входе тактовые импульсы, выходной сигнал - сигнал логической единицы, последовательно появляющийся на выходах от 1 до к+1.

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

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

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

Кл₁ - Кл_n - аналоговые ключи, имеют один выход и два входа. Первый вход управляющий, который разрешает подключение к выходу информационного сигнала, подаваемого на второй аналоговый вход.

D₁ - D_n - аналоговые датчики телеизмерения величины.

К_к - коммутатор каналов, тоже что и К_э с учётом замены величины К на N.

УПД - устройство повышения достоверности - кодер помехозащищённого кода. На входе двоичный код в последовательной форме, а на выходе код, способный обнаруживать или исправлять ошибки (помехозащищённый код) в последовательной форме.

ФСС - формирователь синхронизирующего сигнала. По входному сигналу вырабатывается синхронизирующий сигнал, отличающийся от информационного сигнала с выхода УПД, одним из трёх признаков:

1) полярностью;

2) длительностью;

3) числом единиц.

Рассмотрим работу схемы в динамике. Пусть исходным состоянием будет: К_э находится в положении (к+1), К_к находится в положении 1.

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

На втором такте аналогично в линию связи поступает символ из ячейки 2 регистра. 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, в 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 И_в поступает в линию связи. Вместо схемы И_в можно применить схему “ИЛИ”.

3. Информационный расчет системы телеизмерений

Исходные данные информационного расчета:

Диапазон и единицы телеметрической величины:

D = 0 - 250 м³/с

Сигнал с датчика:

D_x = 0 - 10 В

Максимальная частота измерения телеметрической величины:

f_max= 0,005 Гц

Число измерительных каналов:

N=7

Требуемая точность телеизмерения:

Требуемое быстродействие системы телеизмерения:

1. Скорость передачи информации по каналу связи:

В = 350 Бод

2. Вероятность искажения в канале связи одного двоичного символа:

Вид интерполяции - ступенчатая.

Для последующего проектирования принимаем многоканальную цифровую систему телеизмерений с временным разделением сигналов. Полагаем, что структурная схема проектируемой цифровой системы ТИ соответствует схеме, изображенной на рис. 2.1 и 2.2, а в качестве первичного кода выбран натуральный двоичный код.

Определяем отдельные составляющие погрешности телеизмерения по заданной величине :

= 0,5*0.33% = 0,165%

Определяем коэффициент аппроксимации для ступенчатой интерполяции:

;

Определяем шаг дискретизации по времени:

.

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

Задаваясь значением коэффициента , определяем канальное время по следующему выражению:



где к_з= 1.01.5 - коэффициент, учитывающий защитный интервал Т_защ между каналами.

По условию проектирования разрешено принять Т_защ=0

Находим частоту коммутации каналов и скорость выдачи кодовых словпо следующей формуле:

Определяем максимально возможный шаг квантования по уровню: .

Рассчитываем требуемое минимальное число уровней квантования:

.

Необходимая разрядность первичного k-кода:

.

Полагая , уточняем шаг квантования по уровню:

рассчитываем масштабные коэффициенты М_xи М_m:

Так как величина М_m отображается числом с семью разрядами и округлена, то проверяем правильность округления.

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

телеизмерение цифровой concept

Проверяем правильность округления масштабного коэффициента.

Шаг квантования, приведённый к измеряемой величине

ДA=

Тогда

Следовательно, округление масштабного коэффициента выполнено правильно.

По величине определяем абсолютную погрешность и её дисперсию , используя соотношения (3.22) и (3.23):

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

Примем вначале , , . Тогда находим:



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

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

Возьмем , to =1, tи = 0, n = 9, l = 1. повторим расчет и получим:

получили , что меньше допустимого.

Полученные значение Dш заносим в таблицу 1.



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

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:

; ;

;

,

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

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

.

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



4. Описание блоков модели в программной среде CONCEPT

Моделирование блоков будем осуществлять с помощью программной среды CONCEPT от SCHNEIDER ELECTRIC, используя язык DFB.

Моделирование блока Генератора тактовых импульсов (ГТИ). Данный блок вырабатывает тактовые импульсы, необходимые для синхронизации работы элементов схемы. Блок имеет 2 входа и 1 выход. Вход C служит для запуска генерации импульсов, а вход R служит для остановки генерации тактовых импульсов.

Блок RE. Блок реализует функцию распределителя элементов. Он имеет два входа и 10 выходов. На вход С подаются тактовые импульсы, и в зависимости от числа пришедших импульсов логическая единица подается на один из выходов. При подаче на вход R сигнала происходит сброс текущего состояния распределителя элементов.

Рис. 3.1 Блок RE

Программа имеет вид:

IF R THEN

a:=10;

out1:=FALSE; out2:=FALSE; out3:=FALSE; out4:=FALSE; out5:=FALSE; out6:=FALSE; out7:=FALSE; out8:=FALSE; out9:=FALSE; out0:=FALSE;

ELSIF C AND C_1=FALSE THEN

C_1:=TRUE;

out1:=FALSE; out2:=FALSE; out3:=FALSE; out4:=FALSE; out5:=FALSE; out6:=FALSE; out7:=FALSE; out8:=FALSE;

out0:=FALSE;

a:=a+1;

CASE a OF 0: out0:=TRUE;

1: out0:=TRUE;

2: out0:=TRUE;

3: out0:=TRUE;

4: out0:=TRUE;

5: out0:=TRUE;

6: out0:=TRUE;

7: out0:=TRUE;

8: out0:=TRUE;

9: out0:=TRUE;

ELSE

a:=0;

out0:=TRUE;

END_CASE;

END_IF;

C_1:=C;

Блок 2-И-8-ИЛИ. Данный блок реализует логическую схему 2-И-8-ИЛИ, и осуществляет коммутацию выходов АЦП с линией связи в соответствии с данными на выходе распределителя элементов.

Программа имеет вид:

temp:=( (in11 AND in12)OR(in21 AND in22)OR(in31 AND in32)OR(in41 AND in42)OR(in51 AND in52) );

out1:=(temp OR(in61 AND in62)OR(in71 AND in72)OR(in81 AND in82)OR(in91 AND in92)OR(in101 AND in102)

Рис. 3.2 - Блок 2AND8OR

Блок ADC Данный блок осуществляет аналогово-цифровое преобразование, переводя аналоговую величину на входе, в соответствующий ей цифровой код на выходе. Вход R - сброс.

Рис. 3.3 - Блок ADC

Программа имеет вид:

IF R=FALSE THEN

PA1:=pa;

FOR K:=1 TO 8 DO

N:=FALSE;

IF PA1>1 THEN

IF (PA1 MOD 2)<>0 THEN

N:=TRUE;

END_IF;

PA1:=(PA1-PA1 MOD 2)/2;

ELSIF PA1=1 THEN PA1:=0;

N:=TRUE;

END_IF;

CASE K OF

1:OA8:=N;

2:OA7:=N;

3:OA6:=N;

4:OA5:=N;

5:OA4:=N;

6:OA3:=N;

7:OA2:=N;

8:OA1:=N;

END_CASE;

END_FOR;

ELSE

N:=FALSE;

FOR K:=1 TO 8 DO

CASE K OF

1:OA8:=N;

2:OA7:=N;

3:OA6:=N;

4:OA5:=N;

5:OA4:=N;

6:OA3:=N;

7:OA2:=N;

8:OA1:=N;

END_CASE;

END_FOR;

END_IF;

Блок RK Данный блок представляет собой распределитель каналов. Это устройство с двумя входами и многими выходами: на вход С подаются тактовые импульсы и в зависимости от числа пришедших импульсов логическая единица подается на один из выходов. При подаче на R-вход сигнала происходит сброс текущего состояния коммутатора элементов.

Рис. 3.4 - Блок RК

Программа имеет вид:

IF R THEN

a:=7;

out1:=FALSE;

out2:=FALSE;

out3:=FALSE;

out4:=FALSE;

out5:=FALSE;

out6:=FALSE;

out7:=FALSE;

ELSIF C AND C_1=FALSE THEN

C_1:=TRUE;

out1:=FALSE;

out2:=FALSE;

out3:=FALSE;

out4:=FALSE;

out5:=FALSE;

out6:=FALSE;

out7:=FALSE;

a:=a+1;

CASE a OF 1:out1:=TRUE;

2:out2:=TRUE;

3:out3:=TRUE;

4:out4:=TRUE;

5:out5:=TRUE;

6:out6:= TRUE;

7:out7:= TRUE;

ELSE

a:=1;

out1:=TRUE;

END_CASE;

END_IF;

C_1:=C;

Блок KL. Данный блок представляет собой аналоговый мультиплексор. Аналоговые входы up1-up7 - управляющие, разрешают подключение к выходу информационного сигнала, подаваемого на аналоговые входы in1-in7.

Рис. 3.5 - Блок KL.

Программа имеет вид:

IF up1 THEN

out:=in1;

IF up2 THEN

out:=in2;

IF up3 THEN

out:=in3;

IF up4 THEN

out:=in4;

IF up5 THEN

out:=in5;

IF up6 THEN

out:=in6;

IF up7 THEN

out:=in7;

ELSE

out:=0.0;

END_IF;

Блок DAT. Данный блок - устройство аналогового датчика. Преобразует аналоговую величину измерения, в пропорциональную ей величину, передаваемую постоянным током.

Рис. 3.6 Датчик (внешний вид).

Блок TR. Данный блок реализует работу ТТ триггера, с переключением по фронту сигнала. Сигнал на выходе out соответствует количеству поступивших на вход С импульсов (0-при четном, 1-при нечетном). При подаче на R-вход сигнала происходит сброс триггера в нулевое состояние.

Рис. 3.7 - Блок TR.

Программа имеет вид:

IF R THEN

Q:=FALSE;

ELSIF C AND C_1=FALSE THEN

IF Q=TRUE THEN

Q:=FALSE;

ELSE

Q:=TRUE;

END_IF;

END_IF;

C_1:=C;

Блок UPD. Данный блок представляет собой устройство повышения достоверности. Преобразует двоичный код в помехозащищенный код. При подаче на вход С элементов двоичного кода выходной сигнал будет изменяться при поступлении на вход символа «1» и не будет изменяться при поступлении символа «0». При поступлении двух «1» выходной сигнал будет равен «0». Т.е. если в комбинации двоичного числа число единиц четное, то по окончании их передачи на выходе будет «0», который представляет собой контрольный разряд кода с проверкой на четность. При подаче на вход R сигнала происходит сброс текущего состояния.

Рис. 3.8 - Блок УПД

Блок FSS. Данный блок формирует синхронизирующий сигнал, отличающийся от информационного сигнала числом единиц, Вход R - сброс.

Рис. 3.9 - ФСС

5. Структурная схема устройства

Список использованных источников

1. Абросимов А.А. Телемеханика. - методическое пособие по выполнению курсового проекта [эл. изд.], Самар. Гос. Тех .ун-т. 2011

Размещено на Allbest.ru

...