1. Огляд та аналіз інформаційних джерел

Термін «телемеханіка», введений в 1905 р. французом Е. Бранлі, складається з двох грецьких слів: tele - далеко і mechanike - майстерність, або наука про машини.

Телемеханіка - галузь науки і техніки, що охоплює теорію і технічні засоби контролю і управління обєктами на відстані з застосуванням спеціальних перетворювачів сигналів для ефективного використання каналів звязку.

Управління обєктами забезпечується командною інформацією, яка спрямована до обєктів і включає в себе телекерування і телерегулювання, контроль обєктами - оповіщувальною інформацією, спрямованої від обєктів і включає телевимірювання, телесигналізацію та статистичну інформацію.

В телемеханіці передача інформації здійснюється без участі людини або з її участю в пункті управління. Проте в деяких областях застосування телемеханіки (медицина, космос, спорт і т. п.) людина знаходиться по обидві сторони передачі, але на одній із сторін вона являється обєктом дослідження. Розглянемо особливості телемеханіки.

Крім телемеханіки є ряд галузей техніки, що займаються передачею інформації, - телеграф, телефон, телебачення та інші. Хоча наукові основи всіх методів та засобів передачі інформації, в тому числі телемеханіки, базуються на загальній теорії звязку та теорії інформації, промислова телемеханіка має специфічні особливості, що відрізняють її від телеграфу, телефону, телебачення та інших засобів звязку. Перелічимо ці особливості:

1) необхідність великої точності передачі інформації телевимірювання(до 0,05%);

2) недопустимість великого запізнювання в передачі інформації при управлінні, так як тривала затримка переданих повідомлень в телемеханіки в ряді випадків може викликати аварію;

3) необхідність великої надійності в передачі команд, так як помилки при передачі команд можуть призвести до аварії. Звідси - вимоги до більшої достовірності передачі інформації. Так, в телеуправлінні допустима ймовірність виникнення помилкової команди 10^-10, що набагато вище вимог щодо достовірності передачі в інших видах звязку;

4) відмінність вхідних і вихідних пристроїв від таких же пристроїв в системах звязку. Джерелами інформації в пристроях телемеханіки є датчики, ключі, а в системах звязку - мікрофон, іконоскоп і т. п. На виході в пристроях телемеханіки застосовуються сигналізатори, прилади, реле, а в системах звязку - телефон, гучномовець, кінескоп і т. п.;

5) централізованість передачі інформації. У телемеханіки передача інформації, як правило, здійснюється від обєктів, які можуть бути розосереджені, в якийсь один пункт управління (до диспетчера або обчислювальної машині) і, навпаки, з одного пункту управління до багатьох обєктів.

В телемеханіці при передачі інформації виникають наступні проблеми:

1) достовірності, тобто передачі інформації з малими спотвореннями, що виникають як в апаратурі, так і при передачі по лінії звязку через перешкоди;

2) ефективності, тобто знаходження способів кращого використання апаратури та лінії звязку при передачі великої кількості інформації;

3) економічності, тобто побудови простих і дешевих пристроїв телемеханіки, що забезпечують найбільшу кількість переданої інформації при найменшій витраті засобів.

Перш ніж перейти до класифікації систем телемеханіки, дамо ряд визначень:

Пристрій телемеханіки - сукупність технічних засобів телемеханіки, розташованих на телемеханічному пункті управління або контрольованому телемеханічному пункті.

Комплекс пристроїв телемеханіки - сукупність пристроїв пунктів управління і контрольованих пунктів, призначених для спільного застосування в телемеханічних системах.

Телемеханічних система - сукупність пристроїв пунктів управління і контрольованих пунктів, периферійного обладнання, необхідних ліній і каналів звязку, призначених для спільного виконання телемеханічних функцій.

Наведемо класифікацію систем телемеханіки

За виконуваними функціями:

Система телевимірювань (ТВ) - система, що здійснює передачу безперервних величин, що вимірюються. Наприклад, потрібна передача даних з великою точністю про рівень продукту (солярового масла, бензину), що знаходиться в ємності. Інформація передасться з контрольованого пункту КП на пункт управління ПУ. Прийняті дані можуть бути занесені в ЕОМ і представлятися диспетчеру для візуальних спостережень на цифрових індикаторах і стрілочних приладах, а також реєструватися спеціальними приладами.

Система телесигналізації (ТС) - система, здійснює передачу різних дискретних величин, які можуть вводитися в ЕОМ або повідомляти диспетчеру про стан контрольованих обєктів за допомогою звукової та світлової сигналізації. На прикладі вимірювання рівня ємності можна вказати, що якщо потрібно передати інформацію про те, чи порожня ємність або її рівень максимальний (ємність наповнена), то в цьому випадку замість системи телевимірювань доцільно застосувати систему телесигналізації.

Система телеуправління (ТУ) - система, що здійснює передачу інформації у вигляді команд на включення або відключення різних механізмів. Ці команди або надсилаються диспетчером з ПУ, або подаються з ЕОМ на зміну уставок в регуляторах. При цьому якщо обєкти управління знаходяться поблизу диспетчера, необхідність у зворотній сигналізації відпадає: диспетчер візуально спостерігає за виконанням посланих команд. Прикладом такої системи є система ТУ будівельним краном: оператор, що стоїть на землі подаючи команду, безпосередньо спостерігає за рухом крана.

Однак сфера застосування подібних систем ТУ обмежена. Зазвичай керовані обєкти знаходяться поза полем зору диспетчера, і про те, включилися або відключилися вони після подачі команди, потрібна сигналізація. Для цього потрібно підключення системи телекерування з системою телесигналізації.

Система телеуправління і телесигналізації (ТУ - ТС) - система, що дозволяє передавати команди з ПУ на КП і отримувати сповіщувальну сигналізацію про виконання команди, що посилається з КП на ПУ, і сигналізацію про зміну стану обєкта.

Система телевимірювань і телесигналізації (ТІ - ТЗ) - система, що передає тільки сповіщувальну інформацію з КП на ПУ. У такій системі можлива і передача виробничо-статичної інформації.

Поряд з розглянутими найпростішими системами є системи, які виконують всі або майже всі телемеханічних функції. Так, до ТВ, ТС і ТУ іноді додається і телерегулювання (ТР), яке представляє собою телекерування обєктами з безперервним безліччю станів. Здійснюється ТР за допомогою систем телекерування і телевимірювань. Наприклад, необхідно збільшити кількість рідини в цистерні до певного рівня. Диспетчер посилає команду на включення відповідного насоса, нагнітаючого рідину в бак, і за даними телевимірювань рівня перевіряє ступінь його наповнення. Коли бажаний рівень буде досягнуто, диспетчер посилає команду на відключення насоса.

З трьох основних телемеханічних функцій (телекерування, телесигналізації і телевимірювань) телевимірювання (ТВ) є найбільш складним, що обумовлено вимогою передачі інформації з великою точністю.

Телевимірювання - отримання інформації про значення параметрів, що вимірюють контрольований або керований обєкт методами і засобами телемеханіки.

Телевимірювання за викликом - телевимірювання по команді, що посилаються з пункту управління на контрольований пункт і викликає підключення на контрольованому пункті передавальних пристроїв, а на пункті управління - відповідних приймальних пристроїв.

Телевимірювання за викликом дозволяє використовувати одну лінію звязку (канал телевимірювань) для почергового спостереження за багатьма обєктами телевимірювань. Диспетчер за допомогою окремої системи телеуправління може підключати до каналу телевимірювань бажаний обєкт телевимірювань. На пункті управління показання можна спостерігати на загальному вихідному приладі. Якщо свідчення мають різні шкали, то вимірювані величини підключаються до різних приладів. При телевимірюванні за викликом можна застосовувати автоматичне опитування обєктів телевимірювання циклічно за заданою програмою.

Телевимірювання за вибором - телевимірювань шляхом підключення до пристроїв пункту управління відповідних прийомних приладів при постійно підключених передавальних пристроях на контрольованих пунктах.

Телевимірювання поточних значень - одержання інформації про значення вимірюваного параметра в момент опитування пристроєм телемеханіки.

Телевимірювання мають особливості, що відрізняють їх від звичайних електричних вимірювань, які не можуть бути застосовані для вимірювання на відстані внаслідок виникнення похибок через зміну опору лінії звязку при вимірюванні параметрів навколишнього середовища - температури і вологості. Навіть якщо б зазначені похибки знаходилися в припустимих межах, передача великої кількості інформації потребувала б великого числа провідників. Крім того, в деяких випадках (передача вимірювання з рухомих обєктів - літаків, ракет і ін) Звичайні методи вимірювання принципово не можуть бути використані. Методи телевимірювання дозволяють зменшити похибку при передачі вимірюваних величин на великі відстані, а також багатократно використовувати лінію звязку.

Сутність телевимірювань полягає в тому, що вимірювана величина, попередньо перетворена на струм або напруга, додатково перетворюється в сигнал, який потім передається по лінії звязку. Таким чином, передається не сама вимірювана величина, а еквівалентний їй сигнал, параметри якого вибирають так, щоб спотворення при передачі були мінімальними. Вимірювана величина х (наприклад, тиск газу) перетворюється за допомогою датчика (первинного перетворювача) в електричну величину z (струм, напруга, опір, індуктивність або ємність). Далі відбувається вторинне, телемеханічне перетворення: електрична величина в передавачі перетвориться в сигнал який передається в лінію звязку. На приймальній стороні знову проводиться перетворення прийнятого сигналу (він може дещо відрізнятися від переданого сигналу за рахунок дії перешкод в лінії звязку) в значення струму або напруги, яке еквівалентно вимірюваній величині і відтворює її на вихідному приладі. Сукупність технічних засобів, необхідних для здійснення телевимірювань, включаючи датчик і показуючий пристрій називають телевимірювальною системою (СТВ). Головна вимога, що висувається до СТВ, полягає в тому, що вона повинна забезпечити задану точність телевимірювань. Тому основною характеристикою СТВ є точність.

Класифікація систем телевимірювань:

Системи телевимірювань (СТВ) можна класифікувати за різними ознаками. Найбільш поширена класифікація за параметром, тобто методів, за допомогою яких передається значення вимірюваної величини. При такій класифікації системи телевимірювання діляться на імпульсні і частотні. Спільною для цих груп являється частотно-імпульсна система.

Всі ці системи можуть бути одноканальним, коли по одній лінії звязку передається тільки один вимір, і багатоканальними, коли по одній лінії звязку передається багато вимірів (класифікація за кількістю вимірюваних величин). Багатоканальність досягається тими ж методами, що і в телекерування, тобто за допомогою частотного та часового способів розділення сигналів. Багатоканальна система дозволяє вести спостереження за показаннями багатьох вимірюваних величин одночасно на відміну від систем, що використовують телевимірювання за викликом, в яких спостереження свідчень різних обєктів телевимірювань відбувається почергово.

За методами відтворення вимірюваної величини системи телевимірювання підрозділяють на аналогові та цифрові.

У аналогових системах використовуються безперервні (аналогові) сигнали. Параметр аналогового сигналу є однозначною безперервної функцією вимірюваної величини. До аналогових відносять сигнали, модульовані за допомогою безперервних модуляцій і таких імпульсних модуляцій, як широтна, фазова і частотна. У аналогових системах може застосовуватися квантування за часом, але відсутній квантування по рівню.

У аналогових системах відтворення сигналу здійснюється в аналоговій формі, тобто у вигляді електричної величини (струму або напруги), яка вимірюється звичайним електровимірювальним приладом.

У цифрових системах використовуються дискретні, квантовані за рівнем сигнали, як правило, кодові комбінації, що представляють собою певне значення вимірюваної величини. Такими системами є кодоімпульсні системи телевимірювань. Системи з цифровим відліком вимірюваної величини одержують все більше поширення за рахунок точності показань і зручності зчитування.

Крім зазначених систем ТВ існують також системи інтенсивності. У системах інтенсивністі вимірювана величина після перетворення її в струм або напругу в подальшому в сигнал не перетворюється. Перетворювач вимірюваної величини в струм або напругу включений безпосередньо в лінію, а на приймальній стороні до цієї ж лінії підключається прилад, що вимірює струм або напругу. Похибка телевимірювань систем інтенсивності внаслідок вимірювання опору лінії звязку в межах 2-3%. Зазначені недоліки звузили сферу застосування цих пристроїв, і їх виробництво припиняється.

Розглянемо детальніше кодоімпульсні системи:

Особливість імпульсних систем полягає в тому, що методи передачі імпульсних сигналів, покладені в основу цих систем, роблять вимірювання амплітуди імпульсів, що виникають від зміни параметрів лінії звязку, які не впливають на результат телевимірювань. В імпульсних системах переносником сигналу є послідовність імпульсів, на яку наноситься інформація про вимірювану величину за допомогою різних видів імпульсної модуляції. Такі системи називаються системами далекої дії. Дальність передачі залежить від рівня сигналу та чутливості приймача.

У частотно-імпульсних системах вимірювана величина пропорційна частоті імпульсів, тобто для передачі використовується частотно-імпульсна модуляція (ЧІМ).

Сутність частотно-імпульсного методу передачі телевимірювань можна прослідкувати на прикладі: протягом одного періоду телевимірювань (циклу) вимірювана величина напруга 50 В передається пятьма імпульсами постійної тривалості, то напруга 47 В за цей же час буде передано 4,7 імпульсами. Зворотне перетворення частотно-модульованих імпульсів на прийомі здійснюється шляхом перетворення їх у постійний струм, середня складова якого змінюється в залежності від кількості імпульсів, які проходять за час Т. Так як тривалість імпульсів не змінюється (змінюється лише інтервал між ними), то при збільшенні значення вимірюваної величини їх число на даному інтервалі часу збільшиться, в результаті збільшиться і постійна складова струму, яка додатково відхилить стрілку приймального приладу. В якості приймачів застосовують частотоміри, функція яких полягає в перетворенні частотно-модульованих сигналів в напругу (струм), значення якого визначається частотою.

В часовоімпульсних системах в залежності від значень вимірюваної величини передаючі імпульси змінюють або тривалість, або місце розташування. У першому випадку використовується широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) і пристрої називаються широтно-імпульснимі. В другому - фазоімпульсна модуляція (ФІМ) і пристрої називаються фазоімпульсними. Далі розглядаються тимчасові системи, в яких тривалість імпульсу пропорційна вимірюваній величині. Похибкою телевимірювань у часовоімпульсних системах утворюється за рахунок викривлення фронтів імпульсів при передачі їх по каналу звязку. Приймальний пристрій вимірює тривалість між моментом спрацьовування порогового пристрою і моментом його відпускання. Внаслідок непостійності параметрів лінії звязку, що призводять до зміни амплітуди та форми імпульсу, а також непостійності напруги спрацьовування і відпускання порогового пристрою величина змінюється. Зменшення відносної похибки досягається за рахунок розширення смуги частот, що збільшує крутизну фронтів імпульсів, і збільшення тривалості імпульсу. Тому для телевимірювань повільно змінюючихся величин раніше застосовувалися довгоперіодичні часовоімпульсні системи з періодом проходження імпульсів від 1 до 60 с. В інших випадках застосовуються короткоперіодні системи з періодом проходження імпульсів менше 1 с. Однак найбільш доцільним способом виключення похибки при передачі по каналу звязку у разі спотворення фронтів з різних причин є передача інформації не одним імпульсом, а двома. Однак цей метод передачі вимагає більш широкосмугового каналу. Приймачі часовоімпульсних систем здійснюють зворотне перетворення імпульсів, модульованих по тривалості в постійний струм, діляться на дві групи - електромеханічні і електричні. Перші, які представляють собою різні механічні пристрої для вимірювання тривалості імпульсів, застосовувались раніше в так званих довогоперіодичних пристроях. В електричних приймачах здійснюється середнього струму імпульса або відношення тривалості імпульса к періоду.

У кодоімпульсних системах (КІС) вимірювана величина передається у вигляді певної комбінації імпульсів (коду). Попередньо вона квантуються за рівнем і за часом. Далі здійснюється кодоімпульсна модуляція (КІМ).

Кодоімпульсні системи мають ряд переваг у порівнянні з іншими системами телевимірювань. Головними з них є:

1) велика завадостійкість, можливість передачі телевимірювань на великі відстані, особливо при використанні завадостійких кодів;

2) велика точність телевимірювань. Похибка в кодоімпульсних системах виникає при перетворенні вимірюваної величини в код. Точність перетворювачів, що перетворюють вимірювані величини в код, може бути менше 0,1%.

3) краще використання каналу звязку у разі застосування спеціальних кодів, статистично узгоджених з передаючими повідомленнями;

4) отримання інформації у цифровій формі, що дозволяє:

а) без складних перетворень вводити інформацію в цифрові

обчислювальні машини й пристрої обробки даних;

б) здійснювати цифрову індикацію показань, що забезпечує меншу похибку при зчитуванні і простоту цифрової реєстрації даних.

За рахунок вище перерахованих переваг ми й використовуємо даний тип імпульсних систем для побудови передавального полукомплект.