Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций развития автоматизированных систем контроля и измерения технологических процессов объектов энергетики 13
1.1 Основные структуры автоматизированных систем контроля и измерения технологических процессов объектов энергетики 13
1.2 История развития и основные функции автоматизированных систем контроля и измерения технологических процессов . 23
1.3. Анализ функциональных возможностей современных автоматизированных систем контроля и измерения в энергетике 38
1.4 Постановка задач диссертационного исследования 45
Выводы по главе 1. 49
Глава 2. Разработка способов и устройств измерений и вычислений электрических параметров распределенных энергообъектов 51
2.1. Разработка устройства и способа прямых текущих телеизмерений электрических параметров распределенных энергообъектов 51
2.2 Алгоритм работы канала прямых текущих телеизмерений 59
2.3 Методика вычисления электрических параметров в процессе прямых текущих телеизмерений 65
2.4 Разработка способа снижения искажений, связанных с паразитной третьей гармоникой частоты напряжения электрической сети 72
Выводы по главе 2 80
Глава 3. Разработка средств повышения эффективности информационных обменов канала текущих телеизмерений электрических параметров распределенных промышленных энергообъектов 81
3.1 Разработка методов снижения загрузки канала текущих телеизмерений при стационарном режиме 82
3.2 Разработка методов снижения загрузки канала текущих телеизмерений в аварийной режиме 91
3.3 Разработка способа ретрансляции текущих телеизмерений в магистральных каналах связи 98
3.4 Разработка методики проектирования логической структуры базы данных текущих телеизмерений 106
Выводы по главе 3 115
Глава 4. Техническая реализация и результаты экспериментальных исследований эффективности предложенных решений 116
4.1 Техническая реализация устройства прямых текущих телеизмерений 116
4.2 Методика экспериментальных исследований по оценке точности измерений МТТ 120
4.2.1 Результаты экспериментальных исследований по оценке точности измерений силы тока 122
4.2.2 Результаты экспериментальных исследований по оценке точности измерений силы электрического напряжения 138
Выводы по главе 4 148
Заключение 149
Список литературы 151
Приложение 1 162
Листинги программного обеспечения 162
Приложение 2 183
Акты внедрения результатов диссертационной работы 183
Приложение 3 186
Дипломы, полученные на научных конференциях и свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ 186
- История развития и основные функции автоматизированных систем контроля и измерения технологических процессов
- Методика вычисления электрических параметров в процессе прямых текущих телеизмерений
- Разработка методов снижения загрузки канала текущих телеизмерений в аварийной режиме
- Результаты экспериментальных исследований по оценке точности измерений силы электрического напряжения
Введение к работе
Актуальность темы. Автоматизация и управление технологическими процессами объектов энергетики, например, электрических подстанций, водонасосных и пожарных станций, нефтедобывающих установок, магистральных нефте и газопроводов, с использованием современных средств телемеханики, автоматики, вычислительной техники является одним из главных направлений научно-технического прогресса любого государства .
Разработка систем и устройств измерения, контроля и управления технологическими процессами объектов энергетики основывается на переходе от решения относительно несложных задач автоматизации к созданию на основе современной элементной базы устройств автоматики с программным управлением, которые обеспечивают надежный режим работы комплекса устройств, входящих в автоматизированные системы контроля и измерений технологических процессов (АСКИТП) объектов энергетики, решающих сложные функциональные задачи, обрабатывая при этом значительные объемы информации .
Весомый вклад в развитие теоретических основ и практических аспектов построения автоматизированных систем контроля и измерений, принципов повышения их надежности, методов обработки и передачи информации по каналам связи, способов повышения быстродействия и точности измерений внесли В.А. Котельников, А.А. Харкевич, Ф.Е. Темников, А.В. Фремке, П.П. Орнатский, П.В. Новицкий, М.П. Цапенко, Х. Харт , А.З. Гамм Прангашвили И.В., Митюшкин К.Г., Ф. Мейзда, К. Б. Клаассен, А.С. Бондаревский, Н.Д. Дубовой.
Важность развития методов и средств повышения эффективности автоматизированных систем технической диагностики объясняется исключительно важной ролью, которую играет ЭО (энергообъект) в процессах энергообеспечения объектов промышленных производств и непромышленной сферы.
Повсеместное применение микроконтроллеров, ПЭВМ микропроцессорных систем для обработки информации, совершенствование программного обеспечения, тенденции к миниатюризации малые габариты и снижению энергопотребления расширяет сферы применения подобных систем.
Вместе с тем возрастающие требования к уровню автоматизации технологических процессов, повышению сложности и распределенности контролируемого оборудования энергетических объектов, увеличению объемов информационных потоков в системе приводит к ужесточению требований к точности измерений, надежности и скорости передачи информации по каналам связи произвольной структуры.
Современные автоматизированные системы контроля и измерения параметров технологических процессов распределенных энергообъектов, не достаточно эффективны с точки зрения точности и быстродействия
телеизмерений, существуют значительные возможности для повышения эффективности информационных обменов для сложных конфигураций каналов связи. К их основным недостаткам можно отнести: использование промежуточных преобразователей при измерении электрических величин, низкая эффективность информационных обменов в разветвленных структурах с комбинированными каналами связи, высокий уровень искажения измеряемых сигналов паразитными сигналами, соответствующими третьей гармонике частоты напряжения сети, нерациональное использование информационно-вычислительных ресурсов при обработке аварийных потоков измерений.
Таким образом, актуальной является разработка новых способов, алгоритмов и устройств, которые обеспечивают повышение точности, быстродействия и надежности измерения технологических параметров распределенных энергообъектов со сложной конфигурацией каналов связи.
Решение указанных задач позволит повысить эффективность и надежность функционирования технологического оборудования распределенных промышленных энергообъектов.
Целью диссертационной работы являются разработка новых способов, алгоритмов и устройств, которые обеспечивают повышение точности, быстродействия и надежности измерения технологических параметров распределенных энергообъектов со сложной конфигурацией каналов связи.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.
провести анализ современного состояния автоматизированных систем контроля и измерений технологических процессов объектов энергетики;
разработать средства автоматизированного измерения и вычисления электрических параметров распределенных энергообъектов;
разработать средства повышения эффективности информационных обменов в канале текущих телеизмерений электрических параметров распределенных промышленных энергообъектов;
осуществить техническую реализацию устройства прямых текущих телеизмерений;
разработать методику и провести экспериментальные исследования по оценке эффективности предложенных в работе решений.
Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследований составили основные положения теории вероятности, теории массового обслуживания, теории измерений, теории автоматизированного управления технологическими процессами, методы передачи информации по каналам связи, методы расчета электроизмерительных схем.
Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой
совокупность научно обоснованных технических разработок, направленных на совершенствование автоматизированных систем контроля и измерений технологических процессов объектов энергетики, создание новых способов, алгоритмов и устройств, которые обеспечивают повышение точности,
быстродействия и надежности измерения технологических параметров распределенных энергообъектов со сложной конфигурацией каналов связи.
В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты.
-
Разработан способ и устройство прямых текущих телеизмерений электрических параметров распределенных промышленных энергообъектов, обеспечивающий относительную погрешность измерений, не превышающую 0,2%.
-
Предложена методика вычисления электрических параметров в процессе прямых текущих телеизмерении, основанная на однократном сканировании измеряемого сигнала в каждом полупериоде частоты электрической сети, позволяющая упростить процедуры обработки и вычисления электрических параметров.
-
Предложен способ, позволяющий повысить точность измерений и вычислений параметров электрической сети, в частности, минимизировать влияние на результат измерений паразитной третьей гармоники частоты напряжения сети.
-
Разработан универсальный метод ввода текущих телеизмерений который позволяет обеспечить обработку стационарных, аварийных и “предаварийных” потоков данных без образования очереди в центре обработки информации.
-
Предложены способ и устройство, обеспечивающие прием, промежуточное усиление, нормализацию и ретрансляцию нормализованных сигналов в магистральный канал связи. обеспечивающий повышение устойчивости информационных обменов для магистрально-древовидных структур систем, инвариантных к количеству и месторасположению УСО (устройств связи с объектом).
-
Предложена методика проектирования логической структуры базы данных текущих телеизмерений, основанная на определении несвязных и слабо связных компонентов графа логической структуры , обеспечивающая снижение общего времени обработки запроса в среднем на 15%.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке методов и средств, которые в составе автоматизированных систем обеспечивают повышение точности, быстродействия и надежности измерения технологических параметров распределенных энергообъектов со сложной конфигурацией каналов связи. Гибкость предложенных решений делает возможным их применение в АСКИТП для приборостроения, электроэнергетики, атомной энергетики, электрифицированного железнодорожного транспорта, магистральных нефте- и газопроводов, крупных промышленных предприятий, мегаполисах и др.
Проведенные экспериментальные исследования по оценке метрологических характеристик модуля текущих телеизмерений при проверке работы в контуре оборудования вторичного водяного контура участка проектирования и
производства фотошаблонов Центра коллективного пользования МИЭТ «Микросистемная техника и электронная компонентная база» показали, что : относительная приведенная погрешность измерения силы тока не превышает 0,2 %; основная погрешность преобразования аналоговых сигналов в код не превышает ± 0,2%; относительная приведенная погрешность измерения напряжения не превышает 0,19 %; средняя относительная приведенная погрешность по шести измерениям напряжения не превышает 0,17 %.
Полученные параметры подтверждают высокие метрологические характеристики созданного в ходе выполнения диссертационной работы модуля текущих телеизмерений.
В процессе проведения диссертационных исследований получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2014618019.
Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением теоретически рассчитанных и практически полученных данных, что доказывает корректность предложенной автором методологии.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
исследование и разработка способа и устройства прямых текущих телеизмерений электрических параметров распределенных промышленных энергообъектов;
создание методики вычисления электрических параметров в процессе прямых текущих телеизмерении;
разработка способа снижения искажений, связанных с паразитной третьей гармоникой частоты напряжения электрической сети;
создание методики расчета и снижения загрузки центра обработки информации потоками канала текущих телеизмерений;
разработка способа ретрансляции текущих телеизмерений в магистральных каналах связи;
создание методики проектирования логической структуры базы
данных текущих телеизмерений.
Внедрение результатов работы. Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, внедрены в учебный процесс Национального исследовательского университета “МИЭТ” (акт внедрения прилагается), а также использованы при выполнении НИР «Разработка способов и устройств измерения и управления параметрами силового энергетического оборудования» (шифр “Прорыв”) (акт внедрения прилагается).
На защиту выносятся : способ и устройство прямых текущих телеизмерений электрических параметров распределенных промышленных энергообъектов;
методика вычисления электрических параметров в процессе прямых текущих телеизмерений;
способ снижения искажений, связанных с паразитной третьей гармоникой частоты напряжения электрической сети;
методика расчета и снижения загрузки центра обработки информации потоками канала текущих телеизмерений;
способ ретрансляции текущих телеизмерений в магистральных каналах связи;
методика проектирования логической структуры базы данных
текущих телеизмерений;
результаты экспериментальных исследований по оценке
метрологических характеристик модуля текущих телеизмерений.
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции
"Микроэлектроника и информатика” (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2013- 2015,
2017 г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической
конференции “Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике”(Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2013-2016 г.г.), Международной заочной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные вопросы науки и образования» (Тамбов, 2013 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Информационно-телекоммуникационные системы и технологии» (Кемерово, КузГТУ, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Наука и образование в жизни современного общества» (Тамбов, 2014 г.), IEEE NW Russia Young Researches in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW) (St. Petersburg, , 2016), 18TH IASTEM INTERNATIONAL CONFERENCE (Berlin,Germany, 2016), 126th International Conference on Science, Technology and Management (ICSTM) (Los Angeles, USA, 2017), IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Moscow, MET, 2017), 46-й Международной конференции “Информационные технологии в науке, образовании и управлении” IT + S&E`17 (Гурзуф, 2017 г.)
Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 32 опубликованных работах, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК и 3 в материалах конференций, включенных в международную реферативную базу данных SCOPUS и 9 статей. Без соавторов 9 опубликовано работ. Автором получено 1 свидетельство РФ на программу для ЭВМ, а также 14 тезисов докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 188 страниц основного текста, 28 рисунков и 17 таблицы, список литературы из 103 наименований, 3 приложения на 27 страницах.
История развития и основные функции автоматизированных систем контроля и измерения технологических процессов
Современные крупные технологические объекты и производства структурно представляют собой совокупность распределенных производственно- технологических энергообъектов (ПТЭО), различных по своему назначению, параметрам и т.д.
Среди наиболее распространенных ПТЭО можно выделить заводы, фабрики, авиа-, морские и военные терминалы, ж/д тяговые подстанции; подстанции шахтных систем жизнеобеспечения и шахтного оборудования; электроподстанции; насосные и противопожарные установки; водозаборные станции; инженерное оборудование коммунального хозяйства; установки поддержания микроклимата и многие другие. Одной из основных составляющих, обеспечивающих устойчивое протекание технологических процессов, является непрерывное энергообеспечение [34] .
Автоматизированные системы контроля и измерений технологических процессов осуществляют прием, передачу и обработку информации, полученной от датчиков состояния энергообъектов (включен-выключен) и измерений параметров технологических процессов распределенных энергообъектов и производств (температура, сила тока и напряжения, электрическая мощность), которые отражают процесс энергообеспечения и управления энергообъектами с целью обеспечения их исправности и безотказной работы .
Таким образом, одной из основных функций рассматриваемого класса систем является автоматизированное измерение параметров технологических процессов распределенных энергообъектов.
Автоматизация измерений предполагает резкое повышение производительности труда, обеспечивая относительно высокую достоверность получаемых результатов за счет исключения погрешностей измерений, которая вносится оператором системы. Процесс автоматизации измерений направлен на обеспечение [35]:
сбора измерительной информации в местах, которые недоступны для ручного процесса измерения и контроля;
длительных, многократно повторяющихся измерений большого числа физических величин;
измерений параметров быстропротекающих процессов, для которых время изменения параметров сопоставимо со временами измерения, обработки полученных результатов и выработки управляющих воздействий;
измерений, которые характеризуются значительными массивами получаемой информации и сложными методами ее обработки.
Стремление получить все более обширные и точные сведения о физических объектах, интенсификация потоков получаемой и перерабатываемой измерительной информации стимулируют непрерывный процесс развития средств измерений, выражающийся в повышении точности измерений и увеличении быстродействия средств измерений, что обеспечивает повышение достоверности полученной при измерениях информации [36].
К настоящему времени выделяются три основные этапы развития автоматизированных средств измерений и контроля, которые применяются в АСУТП распределенных энергообъектов и производств [14].
Первый этап развития связан с автоматизацией только средств сбора измерительной информации, а также ее регистрацией на аналоговых индицирующих и регистрирующих приборах. Обработка результатов измерений и выработка управляющих воздействий и исполнительных команд осуществлялась оператором. Подобные системы управления распределенными энергообъектами являлись набором отдельных измерительных приборов.
В итоге, в процессе измерения значительного количества технологических параметров энергообъектов оператор оказывался не в состоянии оценить всю полученную информацию и выработать оптимальное управляющее воздействие. Второй этап развития характеризуется все возрастающими требованиями к средствам измерения, которые обусловлены повышением интенсивности потоков измерительной информации, что привело к созданию автоматизированных информационно-измерительных систем. В отличие от измерительных приборов автоматизированные информационно измерительные системы обеспечивают измерение большего количества технологических параметров распределенных энергообъектов с автоматической обработкой получаемой информации на основе встроенных в систему средств вычислительной техники [37].
Операторы автоматизированных информационно-измерительных систем только принимают решения по результатам измерений и вырабатывают команды управления.
Третий этап развития связан с появлением информационно управляющих систем и информационно-вычислительных комплексов, которые осуществляют полный цикл обращения измерительной информации: сбор, обработка и формирование управляющих воздействий без участия оператора. Подобные системы в своем составе имеют различные классы вычислительных машин- универсальных или специализированных, обладающие различной производительностью, что позволяет осуществлять обработку огромных массивов измерительной информации. Их основным достоинством является наличие программно управляемого алгоритма работы, что обеспечивает высокую адаптированность и перестраиваемость системы в процессе изменения режима работы или условий эксплуатации энергообъектов [37].
Задачей оператора таких систем является диагностика состояния, обеспечение ее работоспособности, разработка методик измерения и программ функционирования.
По результатам проведенного анализа методов получения и обработки измерительной информации на рисунке 1.7 представлена обобщенная структурная схема средств измерений технологических параметров энергообъектов [38].
На основе представленной обобщенной структурной схемы средств измерений сформулируем основные виды измерительных задач .
1. Задачи автоматизированного сбора измерительной информации предполагает необходимость обеспечения унификации выходных сигналов первичных измерительных преобразователей физических величин, программно-управляемой коммутации данных сигналов в общую линию связи, автоматического выбора диапазонов измерения.
2. Задача автоматизации операций измерительной цепи. Под измерительной цепью понимается совокупность преобразовательных элементов, которые обеспечивают полный цикл преобразования сигнала измерительной информации, включая:
- сбор информации с энергообъекта;
- фильтрацию;
- предварительную аналоговую обработку сигналов,
- усиление,
- аналого-цифровое преобразование,
- сравнение с технологическими уставками и т.д.
Процесс автоматизации представленных операций необходимо производить без ручных операций настройки, регулирования и переключения.
3. Задача автоматизации передачи измерительной информации на устройство обработки (ЭВМ, микроЭВМ и т.д.). Для этого необходимо согласовать параметры измерительной цепи и информационной магистрали устройства обработки информации, то есть реализовать интерфейс передачи информации. Интерфейс определяет формат передаваемых и принимаемых данных, уровень сигналов, импеданс каналов связи, а также временные параметры передачи команд управления [39-41].
4. Задача автоматизации обработки измерительной информации предполагает использование в измерительной цепи средств вычислительной техники, чем обеспечивается значительное повышение точности устройств измерения.
5. Задача автоматизации процессов индикации и регистрации результатов измерения осуществляется оснащением приборов измерения средствами отображения и регистрации информации (цифровыми индикаторными табло, дисплеями и т. д).
Методика вычисления электрических параметров в процессе прямых текущих телеизмерений
Как было указано выше для АСКИТП в энергетике актуальной является проблема использования прямых текущих телеизмерений сигналов переменного тока, то есть удаление инерционных звеньев из измерительных каналов .
В рассмотренном выше способе прямых текущих телеизмерений сигналов переменного тока было использовано многократное сканирование мгновенных значений измеряемых параметров в течение одно периода частоты электрической сети с последующим вычислением на основании полученных отсчетов действующих (амплитудных) значений.
Несмотря на высокую точность прямых текущих телеизмерений предложенный способ обладает достаточно высокой вычислительной сложностью. В частности, действующее значение напряжения (Uд), отображающее значение электрического тока в обмотках силового оборудования, определяется в соответствии с формулой (2.16):
При использовании в процессе вычисления однокристальных микро ЭВМ расчеты по формуле (2.16) приводят к значительным затратам времени и, как следствие уменьшение количества отсчетов и уменьшение точности измерений.
Автором предлагается методика, использующая альтернативный принцип прямых текущих телеизмерений, позволяющий не только исключить дополнительные измерительные преобразователи сигналов переменного тока в постоянный, но и значительно упростить процесс вычислений, повышая тем самым надежность измерительной аппаратуры [73].
Для упрощения вычислений электрических параметров в процессе прямых телеизмерений с учетом малых нелинейных искажений напряжения электрической сети предложено перейти от многократных к однократному измерению амплитудных значений параметров для каждого периода. После процесса измерений производится усреднение полученных мгновенных значений и определяется амплитудное значение измеряемого сигнала .
Для определения действующего значения измеряемого сигнала вычисленное максимальное амплитудное значение синусоидального напряжения делят на коэффициент К=V2. Следовательно, вместо многократных измерений входного сигнала применяется точное определение длительности половины периода измеряемого сигнала.
Получаемое первой половине периода значение используют во второй половине периода с целью точного определения момента времени, который совпадает с серединой второй половины периода. В полученный таким образом момент времени производится измерение максимального мгновенного амплитудного значения сигнала от датчика. Таким образом время вычисления искомого значения составляет примерно 1 с, что удовлетворяет требованиям к регистрации нештатных ситуаций.
На рисунке 2.3 представлены временные диаграммы устройства измерений и вычислений параметров электрической сети.
На рисунке 2.3 а представлена временная диаграмма измеряемый сигнала, поступившего от ИТТ или ИТН и согласованного по уровню с используемым АЦП.
На рисунке 2.3б представлена временная диаграмма сигналов электрической сети питания контролируемого энергетического оборудования. На рисунке 2.3 показаны преобразованные с помощью компаратора 1 (рисунок 2.4) синусоидальные сигналы от источника в прямоугольные импульсы. За счет высокой чувствительности компаратора на его выходе формируются сигналы, с длительностью порядка величины текущего периода сигналов от источника.
Инверторы И1 и И2 служат для отделения цепей, в которых формируются прямоугольные импульсы от цепей, управляющих первым и вторым реверсивным счетчиком .
Для каждой половины периода на выходах инверторов формируются противоположные сигналы «1» и «0» соответственно.
С выхода инверторов сигналы поступают на второй вход каждого счетчика, тем самым определяя прямой или обратный счет входных импульсов.
Счетчик, у которого на входе оказывается сигнал «1», функционирует в режиме прямого счета импульсов, а счетчик, у которого на входе оказывается сигнал «0» работает в обратном режиме . На первые, тактовые входы первого и второго счетчика подаются импульсы от тактового генератора .
На рисунках 2.3 г и д показано, что в первой половине 1-го периода первый счетчик функционирует в режиме прямого счета, а второй счетчик в режиме обратного счета. Выходные сигналы счетчиков имеют «пилообразный» вид, причем если счетчик работает в прямом режиме то при поступлении очередного сигнала к «пиле» добавляется одна «ступеньку», представляющая собой квант кода, если счетчик работает в обратном режиме, то ступенька от пилы отнимается.
Поскольку первый счетчик в начале рассматриваемого периода работает в режиме прямого счета, то мере поступления каждого импульса от генератора код в счетчике увеличивается на единицу.
Второй счетчик в рассматриваемом периоде переводится в обратный режим. По мере поступления каждого импульса значение его выходного кода уменьшается с максимума, соответствующего числу импульсов от генератора, которые поступили на его тактовый вход в течение предшествующей половины периода частоты электрической сети. В середине половины периоды коды на выходах первого и второго счетчиков в точности совпадут, в этот момент времени на выходе первого компаратора формируется сигнал «1» (рисунок 2.3 е), который разрешает передачу текущего значения сигнала на выход.
Величина сигнала, поступившего на выход коммутатора, соответствует амплитудному значению измеряемого сигнала. С выхода коммутатора сигнал поступает на вход АЦП, после чего формируется код, который совместно с сигналом управления коммутатором направляются в вычислитель.
Импульсом на выходе элемента формирователя, триггер переводится в состояния «0», а по сигналу первого компаратора в состояние «1».
Сигнал от триггера, поступающий на один вход первого и второго элемента И, оказывается на выходе элемента, подключенного 3-му входу счетчика, который переведен в обратный режим.
На рисунке 2.3 д показано, что счетчик, работающий в режиме обратного счета, удерживается в нем до начала следующего полупериода и переводится в прямой режим в очередном полупериоде. Аналогичным образом устройство функционирует во всех смежных полупериодах.
Предполагая, что отличие между смежными полупериодами пренебрежимо мало, временные моменты сканирования сигналов от датчика и формирования максимального значения сигнала совпадут. При этом момент сканирования подстраивается под момент формирования в случае девиации частоты электрической сети.
Для уменьшения погрешности измерения, связанной с дискретностью фиксирования момента равенства кодов от первого и второго счетчиков, устанавливается достаточно высокая частота импульсов от генератора.
Так при частоте сигналов генератора, равной 100 КГц, в течение одного полупериода частоты сети, которая составит порядка 10 мс, на вход счетчиков поступает примерно 1000 импульсов, тем самым обеспечивая пренебрежимо малую величину сдвига между моментов считывания сигнала от датчика и моментом формирования амплитудного значения сигнала.
Разработка методов снижения загрузки канала текущих телеизмерений в аварийной режиме
Рассчитаем интенсивность потока аварийной информации ТИТ при использовании разработанного устройства прямых текущих телеизмерений.
На основании анализа работы наиболее известных регистраторов аварийной информации [80-83] можно определить следующие технические характеристики: число точек контроля аварийных процессов- 64; время регистрации аварии- до 10 с; время между смежными отсчетами во время регистрации аварии- не более 2 мс (10 отсчетов за один период частоты промышленной сети); время регистрации предаварийной ситуации- 0.5 с; число каналов, которые требуют регистрации при одном аварийном процессе - от 10 до 100 % от общего числа каналов контроля .
С учетом сказанного общее время ввода аварийных данных канала ТИТ в ЦОИ ЦПУ (ТавТит) можно определить следующим образом [84]:
Время цикла ввода аварийных параметров ТИТ Тцикл не должно превышать 2-Ю-3 с , поскольку в соответствии с теоремой Котельникова, необходимо обеспечить сканирование 10 точек за один период частоты питающей сети (50 Гц). Для регистрации аварийных значений сигналов вполне достаточна погрешность представления величин токов и напряжений «1% , что позволяет перейти от 16-ти разрядных кодов М2 к 12-и (и даже к 8-ми) разрядным кодам М .
С учетом сказанного определим время ввода аварийных сигналов ТИТ в обрабатывающий центр устройства прямых измерений [79,84]:
Следовательно, при использовании разработанного устройства полученное значение относительной загрузки ЦОИ ЦПУ является вполне приемлемой. Подчеркнем, что при анализе потока информации не выдвигались ограничения по числу каналов ТИТ, “втянутых” в аварийную ситуацию, т.е. расчет велся для произвольного числа каналов. Это обеспечивает несомненные преимущества разработанного метода даже по сравнению со специализированными методами регистрации аварийных событий, в которых принимается число “аварийных” каналов меньшим общего числа контролируемых каналов.
Определим требуемый объем памяти для хранения аварийных значений при наихудших условиях, т.е. для максимально возможного числа “ аварийных” каналов, равного общему числу каналов. Отметим, что в разработанном методе ввода данных предполагается наличие в ОЗУ информации по всем, а не только по аварийным каналам. Это позволяет полнее оценить общую ситуацию во время аварии, анализируя данные “неаварийных” каналов в моменты регистрации данных по “аварийным” каналам. Будем исходить из того, что длительность аварии не превышает Тав=20 с. Тогда объем памяти для хранения аварийной информации ТИТ должен составить Для качественного анализа аварийной ситуации регистрирующее устройство должно оперировать как информацией, фиксируемой в течение собственно аварийного процесса, так и в предаварийный период, т.е. “предысторией” аварии. Обычно к регистраторам аварийных процессов выдвигаются требования фиксации предвестников отказов, как минимум за 0.5 с до начала аварии.
Как видно из анализа потока аварийной информации, непрерывный ввод данных, по сути, делает невозможным сочетание в одной системе канала регистрации аварийных событий с другими каналами. Однако, организация в разработанном методе ввода аналоговых сигналов ОЗУ для хранения предаварийных данных, позволяет избежать указанных затруднений [79,84]. Важно подчеркнуть необходимость не только фиксации предаварийной информации по всем контролируемым каналам, но и временных сдвигов между моментами начала аварии по каждому каналу. Данные о временных соотношениях моментов начала аварии должны представляться с дискретностью Тцикл= 2-Ю 3 с, т.е. соответствовать максимально допустимым интервалам между смежными отсчетами аварийной информации.
Разработанный алгоритм ввода информации в ЦОИ из буферного ОЗУ “предысторий” аварии представлен на рисунке 3.2.
Для каждого контролируемого канала в буферном ОЗУ устройства с помощью счетчика числа отсчетов выделяется зона в 28 байт, что позволяет хранить до 256 байт по каждому из измеряемых параметров (каналов).
Если период между смежными записями данных по каждому каналу в буферное ОЗУ равен Тцикл = 2-1 (У3 с, емкости ОЗУ хватит для хранения данных, получаемых за 0,512 с, т.е. в течение времени, большего требуемого (0.5с). Запись информации в ОЗУ ведется по мере поступления кодов от АЦП.
Ячейки буферного ОЗУ с нулевым адресом счетчика числа отсчетов выделяются для записи значений кода счетчика циклов таймера, который запускается в момент фиксации первого аварийного события.
Таймер тактируется сигналами с периодом в 512 мс и содержит восемь двоичных ячеек, что позволяет фиксировать в нем временные интервалы от 0 до 255 с дискретностью в 512 мс.
Запись в зону ОЗУ, выделенную для каждого контролируемого канала, прекращается при обнаружении в нем аварийного сигнала (запись в другие зоны продолжается до обнаружения в соответствующих им каналах аварийных сигналов). Само значение аварийного сигнала также вводится в ОЗУ (по нему ЦОИ определяет момент начала аварии). Формирование сигнала- требования ввода данных в ЦОИ относится к моменту, когда завершается цикл опроса всех контролируемых параметров.
Покажем, что по данным буферного ОЗУ можно восстановить соотношения между моментами времени возникновения аварии в разных каналах. С учетом времени формирования сигнала -запроса в ОЦ, астрономическое время фиксации первого аварийного события равно :
Таким образом разработанный метод ввода текущих телеизмерений является универсальным , способным обеспечить обработку стационарных, аварийных и “предаварийных” потоков данных ТИТ без образования очереди в ЦОИ ЦПУ.
Результаты экспериментальных исследований по оценке точности измерений силы электрического напряжения
На рисунке 4.3 представлена структурная схема прямых измерений напряжения.
Измеренное с помощью вольтметра напряжение эквивалентно количеству квантов выходного кода NKea„mi с некоторым масштабирующим коэффициентом (Кмасшт1). В общем случае UU3M = иидеал + A UU3M, где иидеал = Кмасшт1Ыквант1 ; Л UU3M - абсолютная погрешность измерения напряжения.
При измерении напряжения был выбран масштабирующий коэффициент 13,6 V/квант.
Результаты прямых измерений напряжений при проверке работы модуля текущих телеизмерений в контуре оборудования вторичного водяного контура участка проектирования и производства фотошаблонов Центра коллективного пользования МИЭТ «Микросистемная техника и электронная компонентная база» в представлены в таблицах 4.12-4.17.
Проведенные экспериментальные исследования по оценке метрологических характеристик модуля текущих телеизмерений при проверке работы в контуре оборудования вторичного водяного контура участка проектирования и производства фотошаблонов Центра коллективного пользования МИЭТ «Микросистемная техника и электронная компонентная база» показали, что :
- относительная приведенная погрешность измерения силы тока не превышает 0,2 %;
- основная погрешность преобразования аналоговых сигналов в код не превышает ± 0,2%;
- дополнительная погрешность преобразования от влияния изменений температуры окружающей среды относительно температуры + 20С в интервале от плюс 10 до плюс 30С не превышает 0,5 от величины основной погрешности;
- относительная приведенная погрешность измерения напряжения не превышает 0,19 %;
- средняя относительная приведенная погрешность по шести измерениям напряжения не превышает 0,17 %;
Полученные параметры подтверждают высокие метрологические характеристики созданного в ходе выполнения диссертационной работы модуля текущих телеизмерений.