Системы телемеханики

Введение 

     Системы телемеханики служат для передачи сообщений. Сообщения могут быть либо непрерывными, либо дискретными, и передача их осуществляется по линиям связи, в которых действуют помехи. От состояния линии связи зависит и качество передачи сообщений. Качество систем телемеханики, принцип их по строения в достаточной степени характеризуют помехоустойчивость и пропускная способность. Эти основные характеристики тесно связаны между собой, так как улучшение одной из них достигается за счет снижения другой. В зависимости от назначения систем телемеханики требования к ним могут быть различными: в системах телеметрии наиболее существенной является пропускная способность, а в системах телеуправления – помехоустойчивость.

     Помехоустойчивость  по своему определению должна характеризовать систему телемеханики в целом. Однако исследование системы в целом, а тем более ее синтез, является сложной задачей. Поэтому целесообразно оценивать помехоустойчивость отдельных звеньев системы, например, кодов, видов модуляции, приемников. При этом достаточно оперировать относительной помехоустойчивостью, что позволяет сравнить между собой различные варианты технических решений.

     Для оценки помехоустойчивости систем телемеханики используются два критерия: вероятностный, когда помехоустойчивость оценивается вероятностью правильного приема информации, и критерий среднеквадратичной ошибки, когда помехоустойчивость оценивается средним квадратом ошибки воспроизведения переданного сообщения.

     Как правило, вероятностным критерием  оценивается передача дискретных сообщений, критерием среднеквадратичной ошибки – передача непрерывных  сообщений.

История телемеханики

     Термин "телемеханика" был предложен  в 1905 году французским учёным Э. Бранли. Первоначально с понятием телемеханики связывали представление об управлении по радио подвижными военными объектами. Известны случаи применения боевой техники, оснащенной устройствами управления на расстоянии, в 1-й мировой войне.

     Практическое  применение телемеханики в мирных целях  началось в 20-х годах 20 века, главным  образом на ж.-д. транспорте: телеуправление ж.-д. сигнализацией и стрелками было впервые осуществлено в 1927 на железной дороге в Огайо (США). В 1933 в Московской энергосистеме (Мосэнерго) введено в эксплуатацию первое устройство телесигнализации. Серийное заводское производство устройств телемеханики в СССР впервые было организовано в 1950 на заводе "Электропульт".

     Развитие  телемеханики шло параллельно с  развитием электроники и средств связи. Первые системы строили на релейных схемах. В 50-х годах на смену реле пришли более надежные полупроводниковые элементы. В конце 60-х годов началось использование интегральных схем.

     В конце 80-х годов в схемотехнике систем телемеханики произошел качественный скачок. Вместо микросхем жесткой логики в контроллерах стали использовать микропроцессоры. Это позволило гибко адаптировать аппаратуру под решение конкретной задачи путем замены программного обеспечения. В 1992 году был изготовлен первый в Беларуси комплекс телемеханики "Сириус", построенный на восьмиразрядных микропроцессорах. Часть программного обеспечения и конфигурация системы загружалась в память контроллеров с ПЭВМ.

     Современные программно-технические комплексы (например, ПТК АРКОНА, разработанный в 2001 году) строят также на основе микропроцессорных контроллеров. В настоящее время это 16 и 32-разрядные системы с высоким быстродействием и достаточным объемом памяти. Всё большее значение имеет программное оснащение контроллеров. Для хранения программ и данных применяют FLASH-память, позволяющую легко менять программу и обеспечивать быстрый перезапуск системы в случае сбоя.

     Тенденции развития

     В современной системе телемеханики большое внимание уделяется программному обеспечению системы и интеграции с действующими системами и программными комплексами. Стандартом стало графическое пред-ставление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с "живым" отображением текущего состояния, управление объектом с кадров мнемосхем.

     В программном обеспечении наблюдается  тенденция к стандартизации программных  интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ (технология OPC), возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирования, аналитические, АРМ специалистов). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки.

     С технической стороны в системах всё чаще используются современные скоростные каналы связи (оптоволокно, Ethernet) и беспроводные технологии (например, транкинговая и сотовая связь). Вместе с тем сохраняется потребность стыковки с морально (а иногда и физически) устаревшими "унаследованными" системами, с сохранением их протоколов связи. На контролируемых объектах всё чаще возникает необходимость стыковки с локальными технологическими системами.

     Наряду  с усложнением самих систем и  их программного обеспечения наблюдается  изменение требований к реализуемым  функциям. К традиционным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, телеуправление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с локальных автоматических приборов. К обычным функциям контроля за изменением состояния и превышения предельных значений добавляются возможности текущих расчетов и логического анализа (например, балансные расчеты).

     Современная автоматизация индустрии предъявляет  все большие требования к центральному управлению всеми приводами, также как и датчиками и актуаторами (например, фотодатчики, температурные датчики, бесконтактные датчики и т. д.).

     Эти требования могут быть реализованы  стандартным параллельным соединением  компонентов системы или интеллектуальной последовательной сетью. Идет тенденция к использованию сетевых систем, КЕВ предлагает не-сколько решений в зависимости от платы управления:

• обычный RS 485-интерфейсс протоколом DIN 66019 Profibus - интерфейс
• CAN-Bus - интерфейс I nterBus-S - интерфейс LON - интерфейс

     ANSI протокол Х3.28 (DIN 66019) встроен во  все стандартные карты управления. Он позволят организовать последовательную  сеть до 30 инверторов без дополнительного аппаратного оборудования. Разнообразные протоколы отличаются аппаратно (например, интерфейсами и соединениями), программно ( например, передающим протоколом), возможностью подсоединения контроллеров разных производителей, а также различные технические данные (например, допустимо Применение сетей для преобразователей частоты предоставляют пользователю разнообразные преимущества: меньшее расходование кабеля по сравнению с традиционным соединением, большее число инверторов объединены в сеть друг с другом. Также установка становится существенным образом проще.

     Инвертор  становится "прозрачным" для контроллера, т. е. все параметры могут быть введены в инвертор и/или считаны по шине. Считываемые параметры (например, загрузка инвертора) могут быть прочитаны контроллером, и использованы, например, в качестве основы для изменения входных параметров. Загрузка полной параметризации происходит в течении короткого промежутка времени без каких-либо трудностей:

     • Установленное значение устанавливается  в цифровом виде и, таким образом, точно, и может быть воспроизведено без фоновых наводок и помех  напряжений.

     • Диагностировать ошибки проще, потому что ошибки могут быть сохранены. Также ранняя диагностика ошибок (например, значительное увеличение нагрузки в результате недостачи смазки в подшипниках и последующая поломка машины) может быть реализована при сетевом соединении инверторов с соответствующим программным управлением. Добавление оборудования обычно не вызывает каких-либо проблем, поскольку дополнительные элементы легко подсоединяются к шине. И в основном, нет необходимости прокладывать длинные кабели от каждого инвертора к контроллеру.

     Благодаря цифровой передаче сигнала возможна передача на большие расстояния без особых проблем (в зависимости от способа передачи и интерфейса). Повышенная надежность против неправильной работы, поскольку все параметры могут быть перезагружены программно в любой точке (Функция загрузки). С помощью встроенных функций диагностики, например, можно сразу же определить прерывание линии. Не нужны аналоговые входные и выходные модули PLC, следовательно, меньшие денежные и программные расходы, расстояние, скорость передачи, число участников).

     Назначение, виды и функции  телемеханических систем

     Телемеханика  — область науки и техники, предметом которой является разработка методов и технических средств  передачи и приёма информации (сигналов) с целью управления и контроля на расстоянии.

     Специфическими  особенностями телемеханики являются:

     • удалённость объектов контроля и управления;

     • необходимость высокой точности передачи измеряемых величин;

     • недопустимость большого запаздывания сигналов;

     • высокая надёжность передачи команд управления;

     • высокая степень автоматизации процессов сбора информации.

     Назначение

     Телемеханизация применяется тогда, когда необходимо объединить разобщённые или территориально рассредоточенные объекты управления в единый производственный комплекс (например, при управлении газо- и  нефтепроводом, энергосистемой, ж. -д. узлом), либо когда присутствие человека на объекте управления нежелательно (например, в атомной промышленности, на химических предприятиях) или невозможно (например, при управлении непилотируемой ракетой). Внедрение телемеханических систем позволяет сократить численность обслуживающего персонала, уменьшает простои оборудования, освобождает человека от работы во вредных для здоровья условиях.

     Особое  значение телемеханика приобретает  в связи с созданием авто-матизированных систем управления (АСУ). Обработка данных, полученных по каналам телемеханики, на ЭВМ позволяет значительно улучшить контроль за технологическим процессом и упростить управление. Поэтому в настоящее время вместо понятия "телемеханика" всё чаще и чаще используется сокращение АСУТП — автоматизированная система управления технологическим процессом. Современная система телемеханики также немыслима без компьютера, поэтому можно сказать, что телемеханика и АСУТП — близнецы-братья. Разница между этими понятиями улавливается лишь по времени появления и по традиции использования. Например, в энергетике предпочитают использовать слово телемеханика, на промышленных предприятиях — АСУТП.

     В англоязычных источниках аналогом понятия "телемеханика" является сокращение SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных, в которое вкладывается, по сути, тот же смысл.

     Области применения

     Предприятия химической, атомной, металлургической, горнодобывающей промышленности, электрические станции и подстанции, насосные и компрессорные станции (на нефте- и газопроводах, в системах ирригации, тепло- и водоснабжения), ж.-д. узлы и аэропорты, усилительные и ретрансляционные установки на линиях связи, системы охранной сигнализации и т. д.

     Пример  построения телемеханической системы

     Рассмотрим  основные понятия, используемые в телемеханических си-стемах, на примере так называемой двухуровневой системы, ставшей классической схемой. Контроль и управление системой осуществляют с Пункта Управления (ПУ), где находится диспетчер, аппаратура телемеханики, ЭВМ, мнемонический щит. Объекты контроля и управления находятся на Контролируемых Пунктах (КП), одном или нескольких.

     Взаимодействие  между ПУ и КП происходит по каналу связи. Это может быть простая физическая линия, оптоволокно, выделенный телефонный канал, радиоканал и т.п. При подключении к одному каналу связи нескольких КП каждый из них должен иметь уникальный номер. Часто под ПУ и КП подразумевают саму аппаратуру телемеханики.

     Данные  между ПУ и КП передают короткими  массивами, которые называют кадрами, фреймами, посылками. Посылки вместе с данными со-держат адресную часть и проверочный код для выявления искажений в процессе передачи. Адрес должен однозначно идентифицировать измеряемый параметр в рамках всей системы, например, номер контроллера ПУ - номер КП - номер группы в КП - номер параметра в группе. Для защиты данных обычно используют один из вариантов подсчета контрольной суммы.