Файл: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
В.П. Кривобоков
« » 2010 г.
А.Г. Горюнов, С.Н. Ливенцов, Ю.А. Чурсин
ТЕЛЕКОНТРОЛЬ И ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЕ
Курс лекций по специальности 140306 «Электроника и автоматика физических установок» направления 140300 «Ядерная физика и технологии»
Издательство
Томского политехнического университета
2010

УДК 66.011
ББК 00000
А00
Горюнов А.Г.
А00
Телеконтроль и телеуправление: курс лекций по специальности
140306 «Электроника и автоматика физических установок» направления 140300 «Ядерная физика и технологии» / А.Г. Горюнов,
С.Н. Ливенцов, Ю.А. Чурсин; Национальный исследовательский
Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 161 с.
УДК 66.011
ББК 00000
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры электроники и автоматики физических установок ФТИ
« 9 » сентября 2010 г.
Зав. кафедрой ЭАФУ доктор технических наук
_________С.Н. Ливенцов
Председатель учебно-методической комиссии
_________ В.Д. Каратаев
Рецензент
Доктор технических наук, профессор,
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Н.В. Замятин
© ГОУ ВПО «Национальный исследовательский
Томский политехнический университет», 2010
©Горюнов А.Г., Чурсин Ю.А., 2010
© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2010

3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 7
ЛЕКЦИЯ 1.
Введение в курс лекций «Телеконтроль и телеуправление» ...... 9 1.1.
Предмет «Телеконтроль и телеуправление» .......................................... 9 1.2.
История телемеханики ............................................................................ 10 1.3.
Место телемеханики в процессе управления ....................................... 11 1.4.
Основные понятия и терминология ....................................................... 13 1.5.
Основные задачи телемеханики ............................................................. 16
ЛЕКЦИЯ 2.
Функции телемеханики ................................................................ 21 2.1.
Функции телемеханики ........................................................................... 21 2.2.
Пользовательские функции .................................................................... 23 2.3.
Функции оперативной обработки сигналов. ........................................ 24 2.4.
Функции транспортировки (передачи сообщений) ............................. 25
ЛЕКЦИЯ 3.
Телемеханические сообщения ..................................................... 28 3.1.
Телемеханическое сообщение и его характеристики .......................... 28 3.2.
Телемеханический канал связи и условия обеспечения передачи сигнала ................................................................................................................ 29 3.3.
Виды сигналов и их характеристики ..................................................... 31 3.4.
Преобразования сигналов ....................................................................... 32 3.5.
Модуляция сигналов ............................................................................... 33 3.6.
Амплитудная модуляция ........................................................................ 33 3.7.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Общие понятия» ............................................................................................................. 37
ЛЕКЦИЯ 4.
Реализация амплитудной модуляции .......................................... 38 4.1.
Осуществление амплитудной модуляции ............................................. 38 4.2.
Демодуляция амплитудно-модулируемых сигналов ........................... 43 4.3.
Амплитудная манипуляция .................................................................... 47 4.4.
Полярная модуляция ............................................................................... 48
ЛЕКЦИЯ 5.
Частотная и фазовая модуляции .................................................. 49 5.1.
Частотная модуляция .............................................................................. 49

4 5.2.
Частотная манипуляция .......................................................................... 52 5.3.
Демодуляция частотно-модулируемых сигналов ................................ 53 5.4.
Фазовая модуляция .................................................................................. 56 5.5.
Сравнение методов непрерывной модуляции ...................................... 57 5.6.
Фазовая манипуляция ............................................................................. 58 5.7.
Преимущества и недостатки фазовой манипуляции по сравнению с частотной манипуляцией .................................................................................. 61 5.8.
Относительная фазовая манипуляция (фазоразностная модуляция) . 61 5.9.
Двукратная непрерывная модуляция .................................................... 62
ЛЕКЦИЯ 6.
Импульсные методы модуляции ................................................. 63 6.1.
Введение ................................................................................................... 63 6.2.
Амплитудно-импульсная модуляция .................................................... 63 6.3.
Широтно-импульсная модуляция .......................................................... 65 6.4.
Фазоимпульсная модуляция ................................................................... 66 6.5.
Частотно-импульсная модуляция .......................................................... 67 6.6.
Кодоимпульсная модуляция ................................................................... 68 6.7.
Дельта-модуляция ................................................................................... 69 6.8.
Разностно-дискретная модуляция.......................................................... 70 6.9.
Лямда-дельта модуляция ........................................................................ 71 6.10.
Многократные методы модуляции ........................................................ 72 6.11.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Модуляция сигналов» ............................................................................................................ 73
ЛЕКЦИЯ 7.
Каналы связи.................................................................................. 74 7.1.
Введение ................................................................................................... 74 7.2.
Частотное разделение каналов связи ..................................................... 75 7.3.
Временное разделение каналов связи ................................................... 77 7.4.
Способы синхронизации и синфазирования при временном разделении каналов связи ................................................................................. 80 7.5.
Временно-кодовое разделение каналов связи ...................................... 82 7.6.
Фазовое разделение каналов связи ........................................................ 83

5
ЛЕКЦИЯ 8.
Линии связи ................................................................................... 84 8.1.
Классификация линий связи................................................................... 84 8.2.
Проводные линии связи .......................................................................... 87 8.3.
Каналы связи по воздушным линиям электропередач высокого напряжения ........................................................................................................ 90 8.4.
Радиорелейные линии связи ................................................................... 91
ЛЕКЦИЯ 9.
Спутниковые каналы связи .......................................................... 93 9.1.
Спутниковые системы связи .................................................................. 93 9.2.
VSAT-станция спутниковой связи ........................................................ 96 9.3.
Радиосигналы в спутниковых системах связи ................................... 107
ЛЕКЦИЯ 10.
Оптические каналы связи ....................................................... 118 10.1.
Особенности оптических систем связи ............................................... 118 10.2.
Оптическое волокно .............................................................................. 121 10.3.
Волоконно-оптический кабель ............................................................. 125 10.4.
Оптические соединители ...................................................................... 128 10.5.
Электронные компоненты систем оптической связи ........................ 130 10.6.
Применение волоконно-оптических линий связи .............................. 131 10.7.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Каналы связи» ..
................................................................................................................. 136
ЛЕКЦИЯ 11.
Помехи в каналах связи .......................................................... 137 11.1.
Типы помех ............................................................................................ 137 11.2.
Классификация аддитивных помех и источников ............................. 138 11.3.
Флуктуационные помехи и их характеристики ................................. 140 11.4.
Сосредоточенные помехи ..................................................................... 141 11.5.
Помехоустойчивость передачи сигналов ............................................ 142 11.6.
Помехоустойчивость порогового приѐмника ..................................... 143 11.7.
Помехоустойчивость идеального приѐмника
Котельникова
(потенциальная помехоустойчивость) .......................................................... 146 11.8.
Методы повышения помехоустойчивости дискретных сигналов .... 148

6 11.9.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Помехи в каналах связи» ................................................................................................. 150
ЛЕКЦИЯ 12.
Микропроцессорные телемеханические системы ................ 151 12.1.
Общие сведения о микропроцессорных телемеханических системах ..
................................................................................................................. 151 12.2.
Информационно-вычислительные сети в телемеханике ................... 153 12.3.
Стандартные кодовые форматы передачи данных в телемеханических системах ........................................................................................................... 156 12.4.
Микропроцессорная телемеханическая система на примере комплекса «Гранит» ........................................................................................ 157
ЛИТЕРАТУРА ..................................................................................................... 159

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление»
7
ВВЕДЕНИЕ
Телемеханика является быстроразвивающейся областью техники сбора, передачи, обработки и отображения информации, необходимой для оперативного централизованного контроля и управления различными процессами. В настоящее время в таких отраслях промышленности, как энергетика, транспорт, нефтяная и газовая промышленность, формируются иерархические автоматизированные системы диспетчерского управления с применением микро-ЭВМ и использованием локальных вычислительных сетей. Это приводит к существенному изменению, как в технических средствах, так и в методах передачи телемеханической информации.
Системы телемеханики можно рассматривать как комплекс, включающий элементы трех систем: автоматизированного управления, информационно-измерительной и связи. При этом основной отличительной чертой систем телемеханики является передача на большие расстояния информации между контролируемыми пунктами и пунктами управления.
Студенты специальности 140306 достаточно подробно изучают теоретические и практические аспекты информационно-измерительных и управляющих систем в ряде курсов в соответствии с учебным планом.
Поэтому основной задачей настоящего курса является ознакомление будущих специалистов по электронике и автоматике физических установок с общими основами и особенностью систем телемеханики, состоящими в передаче технологической и управляющей информации на большие расстояния.
После изучения курса студент должен понимать основные аспекты различий телемеханических систем и систем связи общего назначения:

достоверность;

быстродействие, обеспечение режима реального времени.
После изучения курса студент должен знать:

основные задачи телемеханики;

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление»
8

основные пользовательские функции телемеханических систем;

вторичные пользовательские функции телемеханических систем;

современные принципы построения систем телеуправления и телеконтроля;

методы уплотнения каналов связи, удовлетворяющие требованиям телемеханических систем.
После изучения курса студент должен уметь:

оценивать объем информации, передача которой необходима для обеспечения функционирования системы управления;

разрабатывать требования к каналу связи;

выбирать метод образования сигнала из телемеханического сообщения для обеспечения его передачи по имеющемуся каналу связи с заданной достоверностью в реальном времени;

выполнять предварительный выбор канала связи по разработанным требованиям;

выбирать тип локальной вычислительной сети для реализации основных функций телемеханики.
Средствами, обеспечивающими достижение целей обучения, являются:

изучение теоретических принципов функционирования промышленных систем телеуправления и телеконтроля в аудитории;

самостоятельное выполнение цикла лабораторных работ на натурных моделях элементов телемеханических систем;

проверка усвоения материала с помощью контрольных вопросов в учебной аудитории и домашних заданий.
Изучение курса базируется, прежде всего, на изученных ранее курсах высшей математики, основ теории электрических цепей, электроники и микроэлектроники, теории автоматического управления, теории информации в объеме учебного плана специальности.

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №1 «Введение в курс лекций»
9
ЛЕКЦИЯ 1.
Введение
в
курс
лекций
«Телеконтроль
и
телеуправление»
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1.1.
Предмет «Телеконтроль и телеуправление»
1.2.
История телемеханики
1.3.
Место телемеханики в процессе управления
1.4.
Основные понятия и терминология
1.5.
Основные задачи телемеханики
1.1. Предмет «Телеконтроль и телеуправление»
Цель курса: знакомство с общими основами построения и особенностями систем телемеханики, отличающими эти системы от систем связи.
В курсе «Телеконтроль и телеуправление» будем рассматривать общие основы построения систем телемеханики как систем, обеспечивающих экономически эффективную передачу технологической и управляющей информации на большие расстояния.
Телемеханика (от теле… и механика), область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств передачи и приема информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии [1, 2, 3, 4].
Телемеханика отличается от других областей науки и техники, связанных с передачей информации на расстояние (телефония, телеграфия, телевидение и др.), рядом специфических особенностей, важнейшие из которых [1, 3, 4, 5]:
- передача сигналов с постоянной и переменной составляющими, и очень медленно меняющихся данных;

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №1 «Введение в курс лекций»
10
- необходимость высокой точности передачи измеряемых величин (до
0.1%);
- недопустимость большого запаздывания сигналов, возможность передачи данных в режиме реального времени [6, 7];
- высокая надежность передачи команд управления (вероятность возникновения ложной команды должна быть не более 10
-6

10
-10
);
- высокая степень автоматизации процессов сбора и использования информации;
- централизованность переработки информации.
Указанные особенности обусловлены спецификой задач, решаемых телемеханикой. Как правило, телемеханизация применяется тогда, когда необходимо и целесообразно объединить разобщенные или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс
(например, при управлении газо- и нефтепроводом, энергосистемой, железно-дорожным узлом, сетью метеостанций) либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (вследствие того, что работа на объекте сопряжена с риском для здоровья – например, в атомной промышленности и энергетики, на некоторых химических предприятиях) или невозможно (из-за недоступности объекта управления – например, при управлении непилотируемой ракетой, луноходом и т.д.).
Основное внимание в нашем курсе будем уделять рассмотрению принципов передачи сообщений на большие расстояния, использование микропроцессорной техники и информационно-вычислительных сетей.
1.2. История телемеханики
Первые попытки производить измерения и управлять работой машин на расстоянии относятся к концу XIX в.; термин «Телемеханика» был предложен в 1905 французским учѐным Э. Бранли. Первоначально с понятием телемеханика связывали представление об управлении по радио подвижными военными объектами. Известны случаи применения средств

Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №1 «Введение в курс лекций»
11 боевой техники, оснащенных устройствами управления на расстоянии, в 1-й мировой войне 1914 – 1918 г.г. Практическое применение телемеханики в мирных целях началось в 20-х гг. XX в. Главным образом на железно- дорожном транспорте: телеуправление железнодорожной сигнализацией и стрелками было впервые осуществлено в 1927 на железной дороге в Огайо
(США) на участке длиной 65 км. В 1930 в СССР был запущен первый в мире радиозонд с оборудованием для телеизмерений. В 1933 г. в Московской энергосистеме (Мосэнерго) введено в эксплуатацию первое устройство телесигнализации. В 1935 – 1936 г.г. началось практическое применение устройств телемеханики в Мосэнерго, Ленэнерго, Донбассэнерго. В 1935 г. реализовано телеуправление стрелками и сигналами на Московско-Рязанской железной дороги. В начале 40-х гг. в Москве было введено централизованное телеуправление освещением улиц. Серийное заводское производство устройств телемеханики в СССР впервые было организовано в 1950 г. на заводе «Электропульт». К 1955 г. выявилась тенденция к техническому переоснащению средств телемеханики: ненадѐжные релейно-контактные элементы начали с 1958 повсеместно заменять полупроводниковыми и магнитными бесконтактными элементами. Первая в СССР электронная система телеизмерений была разработана в 1955 – 1956 г.г. В конце 60 – начале 70-х гг. началось оснащение телемеханических систем аппаратурой с использованием интегральных схем [1, 2, 4].