Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи диссертационной работы 15
1.1. Роль электротехнического оборудования в реализации производственных технологических процессов 15
1.2. Вероятностно-информационное представление измерения, контроля и управления 18
1.3. Основные функциональные устройства систем автоматического измерения и управления 30
1.4. Архитектура и основные функции систем автоматического измерения и управления производственным электротехническим оборудованием, 38
1.5. Особенности современных систем автоматического измерения и управления , 45
1.6. Анализ недостатков и разработка требований к перспективным системам автоматического измерения и управления производственным электротехническим оборудованием. Постановка задачи диссертации 50
Выводы по главе 1 55
Глава 2. Исследование и разработка способов информационных обменов и устройств автоматического измерения и управления 57
2.1. Структуры информационных каналов связи 57
2.2, Разработка способов и устройств автоматической нормализации, ретрансляции и усиления информационных сигналов 64
2.3, Исследование и разработка способов прямых измерений электрических параметров электротехнического оборудования 73
2.4, Способ передачи информационных сообщений для систем прямых измерений электрических параметров 80
2.5. Межмодульный внутренний интерфейс с высокими динамическими, характеристиками для контроля состояния функциональных устройств 84
2.6; Анализ процесса' и разработка устройства формирования команд управления электротехническим оборудованием 96
2.6.1. Схема управления электротехническим оборудованием, 96
2,6.2. Разработка устройства формирования команд управления 102
Выводы по главе 2 114
Глава 3. Исследование и разработка способов повышения быстродействия и уменьшения погрешностей измерения основных параметров электротехнического оборудования 116
3.1. Структура измерительных преобразователей 116
3.2.. Создание быстродействующих измерительных преобразователей на основе инерционных чувствительных элементов 122
3.3. Исследование и разработка способов снижения погрешностей автобалансных мостовых измерителей параметров электротехнического оборудования 127
3.4. Компенсация погрешностей компариругощих преобразователен 132
3.5. Разработка устройства и математической, модели частотно-импульсного- измерителя дисперсии случайного стационарного сигнала- 142
3.6, Разработка автоматического измерительного преобразователя элек тротехнического оборудования 146
Выводы по главе 3 150
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и испытаний устройств автоматического измерения и управления 152
4.1.. Создание экспериментальной установки и алгоритма проверки функциональных характеристик системы 152
4.2- Результаты экспериментальной проверки коэффициента эффективности информационных обменов 161
4.3, Методика поверки и диагностики функциональных устройств 163
43.1. Устройство аналогового ввода,- 167
4.3.2. Устройство дискретного ввода 170
4.3.3. Устройство формирования команд управления 174
4.3.4. Устройство измерения 177
4.4, Результаты экспериментальной проверки точности устройства прямых измерений 179
4.5, Алгоритм обработки информации и формирования динамограммы при измерении и управлении параметрами электродвигателя штанговой глубинно-насосной установки 185
Выводы по главе 4 193
Заключение 194
Список используемой литературы 196
- Роль электротехнического оборудования в реализации производственных технологических процессов
- Разработка способов и устройств автоматической нормализации, ретрансляции и усиления информационных сигналов
- Создание быстродействующих измерительных преобразователей на основе инерционных чувствительных элементов
- Создание экспериментальной установки и алгоритма проверки функциональных характеристик системы
Введение к работе
Автоматизация технологических процессов и управление производством предприятий на основе применения современных средств автоматики, вычислительной техники и микроэлектроники, составляет одно из главных направлений научно-технического прогресса во всех отраслях науки и техники.
Создание средств измерения, контроля^ управления оборудованием и технологическими : процессами характеризуется переходом от решения частных, относительно, простых задач автоматизации'= к созданию на основе микропроцессорных БИС и другой.микроэлектронной элементной базы устройств автоматики с программным управлением, обеспечивающих автоматический режим; работы как автономно, так и в составе систем автоматического измерения и управления (САИУ) технологическими, параметрами электротехнического ^ оборудования, решающих сложные функциональные задачи1 контроля; и управления при большом объеме перерабатываемой информации .
Значительный вклад в развитие теории и создание систем автоматического измерения и управления;, методов повышения достоверности, быстродействия1 и точности измерений внесли В.А. Котельников [1],.С.Е. Shanon [2], Б.Н: Петров [3,4], В.М. Глушков [5], С.А. Лебедев, Ю.В. Гуляев;[6], L.D: Grey [7], W.W. Peterson [8]J B.C. Бурцев [9]; К.Б. Карандеев [10], А;Д. Нестеренко [11].
Основы, теории построения управляющих вычислительных комплексов и информационно-измерительных систем изложены в работах Ф.Е. Темникова [12], А.В. Фремке [13], П.П; Орнатского [14,15], П.В: Новицкого [16,17], М.П. Цапенко [18], Ю.М: Коршунова[19] и др. Существенное значение для.развития теоретических основ и математического аппарата анализа и синтеза автоматических систем управления и регулирования сложных производственных процессов имеют широко известные труды советских ученых А.А. Воронова [20]; В.А. Бессекерского [21,22], ЯЗ. Цыпкина [23]; В.В. Солодовникова [24] и др:
Основы теории: нового класса САИУ для АСУ ТП в различных отраслях
промышленности разработаны во Всесоюзном центральном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации (ЦНИИКА) [25], в Институте проблем управления (автоматики и телемеханики) Российской: Академии Наук (ИПУ) [26], в Центральном научно-исследовательском институте Министерства: путей сообщения (ЦНИИМПС) [27], во Всесоюзном научно-исследовательском институте электроэнергетики! (ВНИИЭ) [28, 29]; во Всесоюзном: научно-исследовательском институте комплексной автоматизации нефтегазовой промышленности (ВНИИКА Нефтегаз) [30]:
Теоретическими вопросами автоматизации технологических производственных процессов и разработкой специализированных распределенных микропроцессорных вычислительных систем управления, измерения:и контроля: занимаются ученые.Рязанской государственной радиотехнической академии под руководством профессора В.П.Корячко [31].
В і научных подразделениях Московского института электронной техники (МИЭТ) под руководством д.т.н., профессора, члена-корреспондента РАН Л.Н. Преснухина разработана серия принципиально новых типов преобразователей,, в том числе многофункциональных, для измерения, различных физических величин , что позволило существенно расширить рамки традиционного применения информационно-измерительных и управляющих систем [32].
Большую известность получили, исследования зарубежных фирм: ABB (Asea Brown Bovery, США-Швеция) ; Valmet, Nokia (Финляндия) ; Motorola , Foxboro (США); AEG., Siemens (Германия); Telemecanic , АСЕС (Франция),; Nippon Electric Co, Hitachi (Япония) ; Videoton (Венгрия) и др. [33-37];
В'настоящее время в технологических процессах, связанных с производством-и потреблением электроэнергии, широко используется; электротехническое оборудование (ЭО), что обусловлено необходимостью преобразования одного вида энергии в другой, (электрической, механической, тепловой и др.) .
Очень разнообразно применение электротехнического оборудование в устройствах автоматики и вычислительной техники; которое может использо-
ваться как в качестве двигателей, так и тахогенераторов, сельсинов, вращающихся трансформаторов и т. п.
Важная роль, которую в настоящее время играет электротехническое оборудование в системах управления и * контроля сложными технологическими процессами: подавляющего большинства промышленных производств і и непромышленной сферы делает весьма актуальной-задачу надежного и.; достоверного' контроля, управления и высокоточного измерения параметров ЭО с целью повышения эффективности технологических процессов.
В последние годы наметилась тенденция к практически повсеместной.автоматизации* производственных процессов, увеличению, пространственному рассредоточению и усложнению электротехнического оборудования, возрастанию потоков, циркулирующей в системе различного вида информации,' что привело к значительному ужесточению требований к точности измерений'и устойчивости управления в совокупности с универсальностью систем по многим параметрам.
Современные виды и модификации САИУ для измерения, контроля, защиты: и диагностики электротехнического оборудования и управления ими, несмотря на. очевидные достоинства,, не в полной мере обеспечивают устойчивость управления, точность и быстродействие измерительных операций. Вместе с тем существуют значительные, возможности для повышения эффективности информационных; обменов.. В'связи с. этим необходимо постоянно увеличивать интенсивность работ по повышению уровня автоматизации технологических процессов и эффективности управления электротехническим оборудованием.
Все это требует разработки новых управляющих устройств, измерительных. преобразователей, алгоритмов формирования, способов передачи^ и; обмена информации-при контроле технологических параметров электротехнического оборудования.
Решение указанных задач: позволит полностью автоматизировать процесс
управлениями контроля ЭО, обеспечив при этом высокие динамические характеристики системы,.в первую очередь, быстродействия, точности'измерений, тем* самым значительно повысив эффективность и надежность функционирования электротехнического оборудования, обеспечивающего автоматизацию технологических процессов и производств.
Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на исследование и разработку высокоэффективных устройств автоматического, измерения'и управления- производственным электротехническим оборудованием, определяющиеся, необходимостью; устойчивого'энергообеспечения, достоверного контроля и управления, высокоточного измерения, высоким быстродействием контрольно-измерительных и управляющих процессов.
Цель, работы заключается в разработке новых высокоэффективных устройств автоматического измерения и управления параметрами электротехнического оборудования, создании новых алгоритмов обработки'информации, обеспечивающих повышение -эффективности-информационных обменов, создании средств повышения точности измерений, быстродействия информационных обменов и достоверности управления и контроля. Естественно, что указанные меры должны повысить устойчивость и надежность работы производственного электротехнического оборудования.
Для решения поставленных проблем используются методы исследования, основанные на: информатике, теории интегральных и-дифференциальных уравнений, теории вероятности^ теории автоматического управления и теории, погрешностей; методах расчета электроизмерительных схем, преобразованиях Лапласа.
Научная новизна работы состоит, в разработке способов и устройств автоматического измерения и управления электротехническим оборудованием,, обеспечивающих повышение точности и скорости измерений параметров технологических процессов, достоверность управления и эффективность информационных обменов по каналам связи сложной конфигурации. В ходе выпол-
нения диссертационной работы получен ряд новых научных результатов - При этом разработаны:
-новые устройства автоматического управления и-измерения, измерительные преобразователи, алгоритмы и* способы информационных обменов при контроле параметров электротехнического оборудования;
способ и устройство автоматической нормализации информационных сигналов, позволяющие контролировать большее количество параметров электротехнического оборудования;
способ прямых измерений электрических параметров производственного электротехнического оборудования по мгновенным отсчетам значений измеряемого напряжения, обеспечивающий снижение суммарной погрешности измерений в 2,5 раза и уменьшение длины передаваемого сообщения на 1-2 порядка;
межмодульный внутренний интерфейс с высокими динамическими характеристиками, обеспечивающий засчет замены шин' управления информационными сигналами, уменьшение времени передачи.информационных сообщений не менее, чем в 2 раза;
устройство формирования команд управления, позволяющее уменьшить общую информационную длину команды управления более чем в 2 раза при значительном повышении достоверности управления;.
быстродействующий измерительный преобразователь на основе инерционных чувствительных элементов, позволяющий существенно уменьшить, постоянную времени и, следовательно, время установления результата преобразования;
- математические модели, измерителя дисперсии случайного стационарного сигнала и определения погрешностей автобалансных мостовых измерителей;:
автоматический измерительный преобразователь и методика расчета параметров компарирующих преобразователей мощности, позволяющие по-
высить их быстродействие на 10-20 % , а точность измерений технологических параметров электротехнического оборудования на 30-40%;
экспериментальные методики и алгоритмы поверки в динамическом режиме устройств измерения, дискретного и аналогового ввода и формирования команд управления;1
программное обеспечение модуля прямых измерений;
алгоритм.обработки информации и-формирования динамограммы при измерении и управлении параметрами электродвигателя штанговой глубинно-насосной установки;
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке способов и устройств автоматического измерения и управления электротехническим оборудованием, базирующихся на использовании современной элементной базьти.передовых достижений электроники и микроэлектроники, в составе САИУ обеспечивающих полную автоматизацию технологического процесса контроля, измерения и устойчивое управление технологическими процессами на заводах, фабриках, авиа-, морских и военных терминалах, ж/д тяговых подстанциях; подстанциях шахтных систем'жизнеобеспечения и шахтного оборудования; электроподстанциях; насосных и противопожарных установках; водозаборных станциях; инженерном оборудовании коммунального хозяйства; установках поддержания микроклимата и многих других. Разработанные алгоритмы передачи и обработки информации, способы прямых измерений, а также функциональные устройства и интерфейсы обеспечивают повышение эффективности систем автоматического измерения и управления ЭО многоотраслевого применения с высокими информационными и эксплуатационными характеристиками.
Результаты экспериментальных исследований автора показали, что относительная приведенная погрешность измерения силы тока равна 0,5%, а напряжения- 0,3 %, что как минимум в 2-3 раза ниже погрешности при традиционных способах измерений.
Экспериментально установлено,. что применение: разработанного быстродействующего измерительногопреобразователя с обратной связью.на основе инерционных чувствительных элементов существенно уменьшает постоянную времени; время установления и, коэффициент передачи , например, при использовании терморезистора типа СТЗ-19 с постоянной времени.7^=0,5 с введение обратной связи при коэффициенте.передаче Ку- 150 позволяет получить время установления хуст ~ 50 мс.
Разработанные математические модели измерителя дисперсии случайного стационарного сигнала и определения погрешностей автобалансных мостовых измерителей позволяют рационально спроектировать измерительные устройства с компенсацией.влияния, погрешностей на результат измерения'технологических параметров электротехнического оборудования
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 новых устройств автоматического управления и измерения, измерительных преобразователей, алгоритмов и способов информационных обменов при; контроле параметров. электротехнического оборудования;
разработка способа и устройства автоматической нормализации информационных сигналов;
исследование и, разработка способов прямых измерений электрических параметров электротехнического оборудования;.
создание межмодульного внутреннего интерфейса с высокими динамическими характеристиками;
разработка устройства формирования команд управления;
создание быстродействующего измерительного преобразователя с об-
ратной связью на основе инерционных чувствительных элементов;
создание математических моделей измерителя,дисперсии случайного стационарного сигнала и определения погрешностей автобалансных мостовых измерителей;
разработка автоматического измерительного преобразователя и методики расчета параметров компарирующих преобразователей мощности;
создание экспериментальных методик и.алгоритмов поверки устройств измерения, дискретного и аналогового ввода и формирования команд управления.
Внедрение результатов работы.
Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, внедрены в следующие объекты и процессы: -ЗАО "Микроком-Софт" в систему автоматического контроля и управления ГЗУ "Электрон А-400" и проверки работоспособности контроллеров ТК и ПИК на Южно-Сургутском месторождении;
-Центром компьютерных технологий "Связь-Телеком-Софт" в НИР за №01/2004 от 17.05.2004;
-учебный процесс в Московском государственном институте электронной техники (технического университета) при чтении лекций кафедрой "Электротехника",
Внедрение подтверждено актами (см, приложение 2).
На защиту выносятся :
Ь Исследование существующих и.разработка новых более эффективных устройств автоматического измерения и управления производственным электротехническим оборудованием.
2. Исследование и разработка способов и устройств формирования команд управления, прямых измерений,. автоматической нормализации информационных сигналов,
3- Межмодульный внутренний интерфейс.с высокими динамическими характеристиками.
4; Быстродействующий измерительный преобразователь с обратной связью на основе инерционных чувствительных элементов.
Математические модели- измерителя дисперсии1 случайного стационарного сигнала и определения погрешностей автобалансных мостовых измерителей.
Автоматический измерительный преобразователь, и методика расчета параметров компарирующих преобразователей мощности,
7- Результаты практических испытаний основных характеристик функциональных устройств, экспериментальные методики и. алгоритмы. поверки:уст-ройств автоматического измерения и управления.
Апробация-работы: Основные положения; и результаты, диссертационной. работы были доложены на. 11-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов."Микроэлектроника и ин-форматика-2004" (г. Москва, Зеленоград, Московский государственный, институт электронной техники)..
Публикации* Основное содержание диссертации отражено в> 9 работах, в том числе-7 статьях и 1 тезисе доклада на Всероссийской конференции. Автор принимал участие в НИР в качестве исполнителя.
Диссертационная работа проводилась с целью достижения результатов,.соответствующих " Приоритетным направлениям развития науки, технологий: и техники Российской Федерации " и решению проблем " Критических технологий Российской Федерации ".
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 163 страницы основного текста, 42 страницы с рисунками и таблицами, список литературы из 122 наименований, приложения на 23 страницах,
Б первой главе обзорного характера проводится анализ современных, систем автоматического измерения и управления и их основных функциональных устройств. На основе проведенного анализа выявлены основные недостатки' САИУ, сформулированы требования к перспективным высокоэффективным
системам. На этой, основе конкретизируются теоретические и научно-технические задачи, требующие решения в диссертационной работе. Во второй главе исследуются структуры информационных каналов связи, способы передачи информационных сообщений и схемы управления электротехническим оборудованием. Разработаны способы и устройства управления, нормализации и усиления, а также прямых измерений, обеспечивающие повышение достоверности управления и эффективность информационных обменов по каналам связи сложной конфигурации. Разработан межмодульный: внутренний интерфейс с высокими динамическими характеристиками. В третьей главе исследованьги разработаны способы повышения быстродействия и уменьшения погрешностей измерения электрических параметров электротехнического оборудования. Разработаны быстродействующие измерительные преобразователи с компенсацией дестабилизирующих факторов, математические модели измерителя дисперсии случайного стационарного сигнала и определения погрешностей автобалансных мостовых измерителей' методика расчета параметров компарирующих преобразователей мощности. В четвертой главе представлены результаты практических испытаний основных характеристик функциональных устройств, предложены экспериментальные методики и алгоритмы поверки устройств автоматического измерения и управления,.алгоритм обработки информации и формирования динамо-граммы.при измерении и управлении параметрами электродвигателя - штанговой глубинно-насосной установки:
В заключении приведены основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы . В приложениях представлены документы о внедрении результатов диссертационной работы и фрагмент программного обеспечения модуля прямых измерений.
Роль электротехнического оборудования в реализации производственных технологических процессов
Автоматизация технологических процессов на основе применения современных средств автоматики; вычислительной техники и микроэлектроники составляет одно из главных направлений научно-технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства [38,39]:
Современный этап автоматизации производства опирается в первую очередь на последние достижения электронно-вычислительной техники и микроэлектроники, обеспечивающей выпуск элементной базы дляустройств автоматического контроля и управления электротехническим оборудованием технологических производств.
Создание средств измерения, контроля и управления оборудованием, и технологическими процессами характеризуется переходом1 от решения частных, относительно простых задач автоматизации (например, исключение ручных. операций оператора) к созданию на основе микропроцессорных БИС и другой микроэлектронной элементной базы устройств автоматики с программным управлением,,обеспечивающих автоматическийфежим работы как автономно, так ив составе системавтоматического измерения и управления (САИУ) технологическими І режимами электротехнического оборудования , решающих сложные функциональные задачи контроля и управления при большом объеме перерабатываемой информации [40].
В настоящее время в технологических процессах промышленных производств, связанных с производством и потреблением электроэнергии, наиболее широко используется электротехническое оборудование (ЭО), что связано с взаимным: преобразованием электрической, механической и. других видов энергий. Применение электротехнического оборудования в устройствах автоматики и вычислительной техники очень разнообразно, [41]
Важная роль которую в настоящее время играет электротехническое оборудование в системах управления и контроля сложными технологическими процессами подавляющего большинства промышленных производств, и непромышленной сферы делает весьма актуальной задачу надежного и достоверного контроля, управления и измерений параметров ЭО с целью повышения эффективности технологических процессов [42-44]. Современные виды и. модификации САИУ дпяизмерепия, контроля; защиты и диагностики электротехнического оборудования, и управления ими должны постоянно совершенствоваться чтобы соответствовать-непрерывному повышению требований к производительности и степени автоматизации. Кроме того нередки случаи отказов и выхода из строя оборудования, что повышает вероятность нештатной ситуации или техногенных аварий, В связи.с этим необходимо постоянно увеличивать интенсивность работ по повышению уровня; автоматизации.технологических режимов и эффективности управления электротехническим оборудованием. Ведущие фирмы предлагают своиг методы. решения проблемы, чередуя успехи с неудачами [33-39,45], Важность и;актуальность развития новых принципов и подходов к построению САИУ объясняется как широкой сферой применения электротехнического оборудования, так и их значительно отличающимися принципами функционирования. Из всего многообразия существующего ЭО мы рассмотрим наиболее распространенные - трансформаторы и электрические машины, так как именно состояние этого вида оборудования дает основную информацию об исправности и возможности проведения технологических процессов [46,47], Основной характеристикой эффективности работы трансформатора является его коэффициент трансформации Ктр, определяемый как отношение напряжения на вторичной обмотке ІІ2 к напряжению первичной обмотки Uit. К =Чг Ктр. . Другую большую группу широко распространенного электротехнического оборудования составляют электрические машины. Электрические машины переменного тока составляют основу современной электроэнергетики как в сфе 17 ре производства, так и в сфере потребления электроэнергии- За небольшимис-ключениемвсе эти машины являются бесколлекторными, в свою очередь под-разделяющиеся а асинхронные машины,, применяющиеся преимущественно в качестве двигателейіи синхронные — как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов [46,47], Принцип действия электротехнических двигателей (синхронных или. асинхронных) основан на преобразовании электрической энергии, поступающей из электрической сети, в механическую энергию вращения ротора двигателя. Необходимо отметить, что как синхронные, так и асинхронные машины обладают, свойством обратимости;, т.е. каждая., из-них может работатькак в.режиме генератора, так и в режиме двигателя.. Таким образом проведенный краткий анализ основных типов электротехнического оборудования для.производственных процессов показал их исключительно важную роль в обеспечении автоматизациипроизводственных процессов и устойчивости их работы. В настоящее время одной из основных составляющих, обеспечивающих устойчивое протекание технологических процессов заводов, фабрик, авиа-, морских невоенных терминалов, ж/д тяговых подстанций; подстанций шахтных систем жизнеобеспечения и шахтного-оборудования; электроподстанций; насосных и противопожарных установок; водозаборных станций; инженерного оборудования коммунального хозяйства; установок поддержания микроклимата и многих других является:непрерывное энергообеспечение,. Основными- функциями; электротехнического оборудования; включенного в технологическую цепочку производственных процессов, являются взаимное преобразование, распределение и . регулирование электроэнергии; Таким І образом именно благодаря ЭО и обеспечивается; автоматизация и: энергообеспечение производственных технологических процессов.
Необходимо подчеркнуть, что в большинстве отраслей науки и производства наряду с контролемИ управлением конечным продуктом технологического процесса или параметрами технологических операций необходимо контролировать, своевременно и достоверно управлять основными параметрами и тех 18 нологическими режимами генерирующих, трансформирующих, коммутирующих, распределяющих и.замещающих устройств. Задача.контроля измерения и управления параметрами технологических производственных процессов является весьма актуальной, поскольку во многом определяет эффективность работы промышленных предприятий и отраслей непромышленной Деятельности, Повышение точности, быстродействия , достоверности передачи информации позволит повысить эффективность процесса управления и контроля автоматизированных производств, обеспечив безаварийную І работу электротехнического оборудования, а следовательно и надежность протекания технологических процессов. Из всего многообразия параметров электротехнического оборудования в дальнейших исследованиях остановимся на их наиболее важных электрических характеристиках; силе тока, напряжении и мощности, являющихся, наиболее информативными с точки зрения качества технологических производственных процессов.
Разработка способов и устройств автоматической нормализации, ретрансляции и усиления информационных сигналов
Проведенный технико-экономический анализ показал, что затраты средств на создание каналов связи минимальны для магистрально — древовидных каналов связи (МДКС). При использовании МДКС все устройства связи с объектов и обслуживаемые ими электротехнические агрегаты по территориальному размещению разделяются на "кусты" [25-28,95].
Для УСО одного куста организуется общий магистральный канал связи с произвольно расположенными точками присоединения к нему отдельных устройств; для разных кустов используются радиальные выделенные линии связи или высокоскоростные радиоканалы связи, организованные с помощью цифровых радиомодемов или базовых УКВ радиостанций- Однако экономические преимущества древовидных магистральных каналов связи нивелируются снижением надежности реализации информационных обменов [25-28, 51,52];
Технические сложности обусловлены тем, что суммарная длина древовидного магистрального канала связи (с учетом ответвлений ко всем устройствам связи с объектом) может достигать сотни километров. При значительной эквивалентной длине канала связи затухание рабочих сигналов в цепи между центральным диспетчерским пунктом (ЦДП) и контролируемым электротехническим оборудованием (ЭО),. расположенным на периферийном пункте. УСО, достигает 30 -50 дБ. Обычно, чтобы избежать уменьшения уровня рабочего сигнала, поступающего от контролируемого ЭО; ниже порога устойчивого приема, в состав системы вводятся ретрансляторы (Р) [94].
Ретранслятор, целесообразно размещать на устройстве связи с объектом, эквивалентное удаление которого от ЦДЛ приближается к предельно допустимому. Ясно, что может оказаться необходимой установка не одного, а нескольких ретрансляторов.
Структурная схема традиционной системы автоматического измерения и управления1 с ретрансляторами показана на рис.2Л 1.
Устройства ЦДП и УСО контролируемого электротехнического оборудования yCOi yCOj одного куста соединены магистральным каналом! связи (МКС), Информационные обмены по МКС реализуют входящие в ЩЩ и УСО устройства обмена информацией (УОИ). Для анализа прохождения рабочих сигналов в системе с традиционной структурой примем, что участки МКС между смежнымиУСО характеризуются сопротивлением i?w, а входные, цепи УСО-внутренним сопротивлением Ню Сопротивления приводят к затуханию рабочих сигналов, передаваемых от ЦДЛ в направлении УСО, а от УСО - в направлении ЦЛД. Для обеспечения устойчивого приема рабочих сигналов между йя и "/+7"-м УСО , а также послеу-го УСО устанавливаются ретрансляторы (Р);
Очевидно, что в месте включения ретрансляторов единый канал связи расчленяется на два участка — входящий и выходящий. Информационные обмены между УСО, на котором размещен ретранслятор, и УСО, подключенными к выходящему участку МКС, ведутся с помощью устройств Р. Очевидно, что при выходе ретранслятора из строя выходящий участок МКС за любым Р оказывается неработоспособным» Следовательно, введение Р снижает эффективность и устойчивость информационных обменов между ЦДП и несколькими УСО, расположенными за неисправным ретранслятором.
Таким образом, экономически наиболее предпочтительный способ организации каналов связи в системе управления и измерения параметров технологических процессов отрицательно сказывается на важнейших технических характеристиках системы [94].
Для устранения отмеченного недостатка в диссертационной работе предложена новая структура системы, в которой усилители — ретрансляторы заменены устройствами автоматического усиления и нормализации (УАУН) уровня рабочих сигналов в линии связи. УАУН включаются в состав УОИ каждого УСО{рис.2.12),
Важнейший положительный эффект от введения УАУН — сохранение целостности общего для куста УСО магистрального канала связи,
Работа.УАУН основана на применении принципиально нового метода организации информационных обменов; который можно сформулировать следующим образом - УАУН в режиме "реального времени" выделяет сигналы, поступающие из канала.связи, передает выделенные сигналы в приемник, одновременно нормализует уровень принятых сигналов и возвращает нормализованные сигналы в магистральный канал связи [94].
Рассмотрим работу УАУН, представленного на рис.2.13- Сигналы из магистрального канала связи поступают через входы 1 и 2 на нормирующий резистор К2\- Величина сопротивления резистора для УАУН каждого УСО выбирается таким образом, чтобы-уровень рабочих сигналов, поступающих из капала связи, был примерно одинаковым и не зависел от взаимного расположения УСО,
Входные цепи:УАУН рассчитаны на выделение рабочих сигналов и автоматическое ослабление сигналов с недопустимо высоким уровнем, например, при воздействии на канал связи грозового разряда.
Если уровень входных сигналов не выходит за предельно допустимое значение, импульсный.стабилитрон VDn остается в нерабочем состоянии и не влияет на работу УАУН. При существенном повышении уровня входных сигналов стабилитрон VDj j переводится в рабочее состояние и ограничивает сигнал на безопасном для элементов схемы уровне.
Создание быстродействующих измерительных преобразователей на основе инерционных чувствительных элементов
В основе действия любых средств измерений от самого простейшего прибора до сложной: автоматической измерительной системы лежат последовательно выполняемые преобразования измеряемой физической величины в сигнал, удобный для передачи и обработки, а также изменения его вида или формы.. Совокупность таких операций определяют исходя.из метода измерений той или иной физической величины. Осуществляются;эти операции измерительными преобразователями, имеющими нормированные метрологические характеристикИ [14-18, 78].
При разработке высокоэффективных автоматических систем измерения параметров электротехнического оборудования одной из основных проблем. яв ляется создание измерительных устройств измерения малых уровней контролируемых электрических параметров, прежде всего величин токов; напряжений и мощностей, автоматизация которой весьма затруднительна в силу специфичности преобразуемого сигнала и существующих в настоящее время измерительных преобразователей [78;,96, Л12], Всвязи с этим для.поиска наиболее эффективных способов и,устройств измерения электрических парамет-ров необходимо провести анализ структур и основных типов измерительных преобразователей, являющихся важной составной частью систем измерения:
Преобразование одной и той.же физической;величины может выполняться: различными но принципу действия.измерительными.преобразователями [14-18, 78, 96,112]. Так, например, преобразование температуры в электрический сигнал может осуществляться либо термоэлектрическим: преобразователем —-термопарой ТП, преобразующим температуру в ЭДС, либо с помощью терморезистора, включенного в одно из плеч измерительного моста, который изменяет свое сопротивление при изменении температуры, что вызывает соответствующее изменение напряжения1 в диагонали моста. ИП, обеспечивающие осуществление всех заданных преобразований измерительного сигнала с.целью получения конечного результата образуют измерительную цепь (измерительный канал). В такую цепь помимо ИП могут входить различные измерительные устройства (для проведения;таких операций, как сравнение, масштабирование и др.) и.имеющие отдельно.нормированные метрологические характеристики, при этом требования к их погрешностям определяются метрологическими характеристиками всего измерительного канала. Первым в измерительной цепи преобразователь, на который поступает от технологического объекта контроля физическая величина; расположен первичный измерительный преобразователь (ПИП), иногда называемый датчиком [78,113].
В отличие от первичного.преобразователя все остальные ИП; расположенные в измерительной цепи вслед за ним, называются промежуточными (вторичными), последний в измерительной цепи преобразователь - передающим, к выходу которого подключается отсчетное или регистрирующее устройство; В-современных сложных автоматических системах измерениями контроля выходной сигнал передающего преобразователя используется для ввода информации в вычислительное или управляющее устройство, поэтому в. большинстве случаев он должен иметь цифровую форму представлений.
Измерительные преобразователи в основу которых положены различные структурные принципы могут значительно отличаться друг от друга по уровню (пределам изменений) входных и выходных сигналов, но значению входного н выходного импеданса ил\ д. Измерительный преобразователь может состоять из нескольких преобразовательных элементов (ПЭ), в каждом из которых происходит одна из последовательных элементарных операций, преобразования измерительного сигнала. Первый в данной последовательности ПЭ, на который непосредственно воздействует измеряемая величина; называется чувствительным элементом (ЧЭ). Различие между измерительным преобразователем и преобразовательным элементом состоит в том, что сам ПЭ не имеет нормированных метрологических. характеристик. Номенклатура ПЭ, входящих в состав ИП, а также вид структурных связей между ними определяются методом преобразования, положенным в основу функционирования измерительного преобразователя [78], Несмотря на многообразие структур ИП, все они с точки зрения принципа их действия основаны на методах прямого и уравновешивающего преобразо-вания.[14,15,78]. Метод прямого; преобразования характеризуется тем, что все преобразования производятсяв одном, прямом направлении -от входной величины х через цепочку преобразовательных элементов.ПЭь ПЭз, ..., ПЭП к выходной величине (рис, 3.1). Этот метод преобразования обладает максимальным,быстродействием и простотой схемной реализации: Однако общая- погрешность преобразователя определяется в равной мере погрешностями всех ПЭ входящих в схему, что в большинстве случаев может обеспечить сравнительно невысокую точность измерения. С помощью обратного преобразовательного элемента создается уравновешивающий сигналу -Fl(y)t (где F - функция преобразования ОПЭ, обратная по -отношению к F), однородный, с входным измеряемым сигналом х,. либо.неоднородный с сигналом х. Но при этом эффект воздействия ху напреоб-разовательный элемент сравнения (ЭС).—чувствительный элемент измерительного уравновешивающего преобразователя— идентичен воздействию сигнала х На вход элемента ПЭ поступает сипіал рассогласования Лхь равный либо разности величин х—хуі либо функционалу от разности воздействия этих сигналов. В зависимости от функциональной схемы цепей прямого и обратного преобразования и типов ЭС и ПЭ связь между входным и выходным сигналами.может быть либо линейной у=Кх, либо нелинейной y=F(x), Погрешность данного метода преобразования определяется степенью уравновешивания х, зависящей, в свою очередь, от функциональной схемы цепи прямого преобразования. Так, например, наличие вэтой цепиинтегрирующего ПЭ сводит к нулю статическую погрешность преобразования [78].
Создание экспериментальной установки и алгоритма проверки функциональных характеристик системы
Испытания проводились.на экспериментальной установке в нормальных условиях эксплуатации системы, а также при имитации основных факторов, влияющих на эффективность информационных обменов: затухания рабочих сигналов в каналах связи; мешающего действия помех в каналах связи между ЦДЛ и УСО; мешающего действия помех в.цепях связи УСО с датчиками и исполнительными устройствами. Программой проведения эксперимента учитывалась- возможность появления задержек при формировании: и передаче; информации по всейарассе.от датчиков до.исполнительных устройств; вероятностные характеристики реального электротехнического оборудования;
Структурная схема установки для. экспериментальной проверки функциональных характеристик системы приведена на рис.4 Л. Структурная схема УСО и имитатора канала связиЦДП — УСО для экспериментальнойпроверки характеристик системы приведена на рис.4,2- Установка состоит из периферийных УСО, разбитых на три группы — по четыре УСО в каждой; Группы УСО подключены к имитаторам магистральных каналов связи №№ 1» 2, 3 . Выбор магистральной структуры канала связи позволяет провести эксперименты при наиболее жестких ограничениях к скорости информационных обменов. Имитаторы линий связи выполнены.на наборах резисторно- конденсаторных цепочек со следующими характеристиками - R,ropM =100 Ом/км и Сумки = 0,04 мкФ/км, что соответствует параметрам реальных каналов связи. Для подключения источника помех ил измерения их уровня в состав имитатора включен нормирующий резистор R HopM. Величина4 нормирующего резистора выбирается равной 20 Ом, т.е.- существенно меньшей общего сопротивления линии связи.
Затухание рабочих сигналов, вносимое имитаторами линий связи, регулируется в пределах от 0 до -30 дБ путем включения в имитатор,различного числа RC звеньев, что соответствует параметрам реального телефонного кабеля длиной 15 -20 км или реальной воздушной линии связи длиной 100-130 км .С помощью имитатора помех ("белого шума") к рабочим сигналам с амплитудным значением +5,2 дБ, поступающим в линии связи от передатчика, аддитивно добавляются сигналы помех. Соотношение уровней рабочих сигналов и помех измеряется-по величине сигнала на нормирующем резисторе R n0pM и регулируется. в; пределах 8/1 3/1 (по ГОСТ 26205-88 основные параметры системы должны определяться при соотношении амплитудного значения рабочих сигналов к эффективному значению помех (шума в полосе частот приема сигналов), равном 7/1),
Для имитацишвоздействия помех в цепи связи с датчиками включается генератор синусоидальных сигналов, обеспечивающий регулирование уровня помех в каналах ввода дискретных сигналов в пределах от 0 до 1,5 В (что при рабочем уровне сигналов; равном 12В; обеспечивает соотношение: сигнал/помеха 12/1,5 = 7) в частотном диапазоне от 50 до 1000 Гц, а для имитации воздействия помех, действующих в цепях связи с исполнительными устройствами - аналогичный генератор с уровнем сигналов до 3,5 В (соотношение сигнал/помеха - 24/3,5 =7 при уровне рабочих сигналов, равном 24В);
Имитаторы объектов УСО позволяют практически одновременно изменять состояние дискретных сигналов R16 датчиков, сигналы от которых поступают на разные модули одного УСО:.
Так как высокую скорость информационных обменов системы труднее всего обеспечить для магистральных каналов связи, в установке предусматривается подключение всех УСО к трем магистральным линиям связи. В.результате: достигается: возможность.проверки основных параметров; в наиболее. жестких условиях и оценки-приемлемости полученных результатов для измерения и управления электротехническим оборудованием.
Данные всех УСОпоступают на общий;, для них центральныйдиспетчер-ский пункт., включающий модем: ММ- для магистрального (или MP- для радиального) канала связи и линейный адаптер (ЛА), согласующий выходные сигналы ММ(МР) с параметрами рабочих сигналов остальных модулей ЦДЛ; Устройства сопряжения (УС) выполняют функцию автономного контроля; принятой или передаваемой информации и, сопрягаются с внутренней магист-ральюЦДП. Контроллер внутренней, магистрали - супервизор ЦДЛ, обеспечивает, буферирование всей полученной информации и программно - аппаратный ввод данных в ПЭВМ.,При проведении эксперимента для регистрации; информации использовались две ПЭВМ, входящие в состав ЦДЛ.
Bv состав устройств УСО (рис.4.2) включены два устройства дискретного ввода (УДВ) - одно из них.воспринимает данные по 32 цепям от имитатора состояния 16 исполнительных механизмов, а во второй УДВ вводятся данные от имитатора 64 дискретных сигналов. Имитатор дискретных сигналов включает. 64 двухпозиционных переключателя, состояние: которых можно изменять произвольным образом 10 60 раз в час, имитатор позволяет практически одновременно изменить состояние 1- 16 «датчиков». Чтобы повысить информационную нагрузку на канал ввода дискретных сигналов, от ЦДЛ каждые 40 секунд подавалась команда "Вызов", при приеме которойв.УСО имитировалось изменение состояния контролируемых объектов, а в ЦДЛ контролировалось поступление данных от всех модулей УСО. Кроме.того, в состав изготовленных УСО включены также устройства аналогового ввода (УАВ) для измерения элеюрических параметров, сопряженных с имитаторами 32 датчиков (первичных измерительных преобразователей);
Команды управления, автоматически формируемые в ЦДЛ:программой эксперимента, направлялись в УСО; обрабатывались устройством; формирования, команд управления (УФКУ) и воспринимались имитаторами? 16 исполнительных, устройств, в качестве которых использовались блоки управления моторными приводами (БУМП) разъединителей контактной сети- В состав БУМП входят промежуточные реле, контакты каждого из которых формируют отдельные цепи вывода команды «включить» и «отключить». Сформированные каждой указанной цепью сигналы использовались в качестве: имитатора датчика двух дискретных сигналов. Следовательно, общее число "датчиков" дискретных сигналов указанного типа:в каждом;УСО равно 32; Полученные дискретные сигналы воспринимались вторым УДВ, включенным в состав УСО:
