7 Системы телемеханики и передачи данных
7.1 Телемеханика – основные понятия и определения
В рассмотренных ранее САУ все составляющие их элементы были пространственно сосредоточены, расстояние между ними существенного влияния на работу системы не оказывало и разделить систему на составные части можно было лишь по функциональным признакам.
Иначе обстоит дело, когда УУ и ОУ расположены достаточно далеко друг от друга. Например, в АСУП (см. § 7-8) расстояние между пунктом управления (ПУ), где сосредоточена аппаратура управления, и контролируемым пунктом (КП), где размещены ОУ, может составлять от десятков метров до десятков километров и более, а в космических системах телеуправления это расстояние достигает миллиардов километров.
В этих случаях окружающая физическая среда оказывает очень сильное мешающее воздействие на передаваемые между ПУ и КП сигналы. Чтобы снизить влияние помех до допустимого уровня и обеспечить работоспособность таких систем, необходимо согласовать параметры передаваемых сигналов с параметрами среды, по которой они распространяются. С этой целью передаваемые сигналы подвергают специальным преобразованиям.
Область науки и техники, охватывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применением специальных преобразований сигналов, называется телемеханикой (см. ГОСТ 22232 – 76).
Рис. 7.1
Для осуществления таких преобразований используют специальные передающие и приемные устройства. Совокупность приемо-передающих устройств и физической среды, обеспечивающая материальное соединение ПУ и КП между собой, образует линию связи (рис. 7.1). Таким образом, принципиальная особенность систем телемеханики заключается в наличии линии связи. Роль линии связи настолько велика, что ее параметры являются определяющими для параметров всей телемеханической системы ее точности, быстродействия, дальности действия, надежности и стоимости.
Источниками передаваемой по линии связи информации на КП. могут быть различные датчики, машинные носители информации (перфоносители, магнитные носители), передающие телевизионные трубки, различные устройства ручного ввода (кнопки, клавиатуры), периферийные ЭВМ, а на ПУ – устройства ручного ввода на пульте, с которого осуществляется управление, центральная ЭВМ и машинные носители. Получателями информации на КП могут быть различные исполнительные устройства, периферийные ЭВМ и машинные носители, а на ПУ – устройства индикации различного рода на пульте управления, центральная ЭВМ и машинные носители
Системы телемеханики обеспечивают управление из одного ПУ большим числом КП, расположенных самым различным образом и на самых различных расстояниях. Соответственно видоизменяются и соединяющие их линии связи. В зависимости от взаимного расположения ПУ и КП различают линии связи радиальной, цепочечной и древовидной структур (рис. 7.2).
Современные телемеханические системы обеспечивают взаимодействие в рамках одной большой системы многих сотен и даже тысяч ПУ и КП. В этом случае приходится говорить уже не об отдельных линиях связи, соединяющих ПУ со своими КП, а о сетях связи. Оптимизация структуры таких сетей связи по времени передачи сигналов, надежности, стоимости и другим параметрам является весьма сложной задачей.
В больших телемеханических системах возникает задача передачи сигналов между определенной парой ПУ и КП, т. е. от конкретного источника к конкретному получателю информации. Совокупность технических средств, обеспечивающих независимую передачу сигналов между одним ПУ и одним КП, называется каналом связи. Таким образом, канал включает в себя линию (или сеть) связи и каналообразующую аппаратуру.
В зависимости от выполняемых функций телемеханические системы принято делить на системы телеизмерения, телесигнализации, телеуправления и телерегулирования.
Задачей систем телеизмерения (ТИ), или телеметрии, является передача от КП к ПУ информации о значении каких-либо параметров контролируемого объекта (например, скорости перекачки нефти в системе АСУ нефтепровода или температуры в отсеках космического корабля в системе космической телеметрии). Системы ТИ принято делить на системы телеизмерения текущих параметров и системы телеизмерения интегральных параметров (например, расход горючего или электроэнергии за определенный промежуток времени). Измеряемый параметр в системах ТИ в общем случае имеет непрерывный ряд значений. Следовательно, от КП к ПУ по линии связи необходимо передавать информацию о значении аналоговых величин.
Рис. 7.2
Системы телесигнализации (ТС) служат для получения с помощью устройств телемеханики информации о дискретных состояниях контролируемых объектов (например, включен или выключен исполнительный двигатель, укладываются ли размеры детали в заданные пределы и т. д.).
Задачей систем телеуправления (ТУ) является передача от ПУ к КП управляющих воздействий команд. В системах ТУ могут передаваться как простейшие двухпозиционные команды (типа «Включить – выключить»), так и многопозиционные (например, «Повернуть антенну радиолокационной станции на определенный угол или «Включить двигатели космического корабля на заданное время»). Пункты управления систем ТУ могут выдавать команды как непосредственно на исполнительные органы контролируемых объектов, так и записывать их в запоминающие устройства для последующего выполнения.
Во многих случаях на КП имеются местные САУ, поддерживающие необходимый режим работы контролируемого объекта (например, угол поворота рулей, требуемое давление или температуру и пр.). При этом с ПУ эпизодически передаются лишь заданные значения управляемых параметров – так называемые уставки, а в остальное время местные САУ работают автономно. Такая функция систем телемеханики называется телерегулированием (ТР).
В настоящее время не применяются системы телемеханики, выполняющие какую-либо одну из перечисленных функций: ТИ, ТС, ТУ или ТР. Практически все современные телемеханические системы являются многофункциональными, или комплексными, системами. Так, например, на основании измерения параметров ориентации космического корабля по системе ТИ пункт управления выдает команды на двигатели ориентации по системе ТУ; выполнение этих команд контролируется по системе ТС. Для реализации всех этих функций используется общее оборудование, т. е. одна система выполняет функции ТИ – ТУ – ТС.
Независимо от конкретных выполняемых функций все теле- механические системы являются системами передачи информации, главная задача которых – передать информацию на необходимое расстояние с минимальными затратами (часто и за минимальное время). В этом плане системы телемеханики все теснее смыкаются с чисто информационными системами передачи данных (СПД). Специфическими особенностями систем телемеханики по сравнению с СПД остаются меньший объем передаваемой информации, но значительно более высокие требования к ее достоверности. Так, в системах ТУ вероятность возникновения ложной команды не должна превышать 10-7 – 10-13, а в системах ТИ требуется точность до 0,1 – 0,05 %.
Тенденциями развития систем телемеханики являются расширение возможностей систем по управлению контролируемыми объектами, увеличение числа ПУ и КП, рост объемов передаваемой информации наряду с повышением требований к надежности и точности систем. Для решения этих задач все более широкое применение в системах телемеханики находят ЭВМ различных классов и производительности. В качестве ПУ используют универсальные ЭВМ с соответствующими приемо-передающими устройствами, пультами управления и устройствами индикации. Применение встроенных микропроцессоров и микро-ЭВМ на КП позволяет производить предварительную обработку и отбор информации, что повышает оперативность и гибкость управления и разгружает каналы связи.
Широкое внедрение ЭВМ приводит к тому, что, как и в САУ, задачей телемеханики становится не разработка соответствующей аппаратуры, а поиск алгоритмов оптимального управления объектами.