Гришечко Сергей Владимирович, Теоретические основы автоматики и телемеханики (ТОАТ) ОмГУПС доцент кафедры «Автоматика и телемеханика»
Литература: Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для вузов ж. д. транспорта. / Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В./ Под ред. В. В. Сапожникова. Москва, 2008. 394 с. С19. 2. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для вузов ж. д. транспорта. / Сапожников В.В., Переборов А.С., Брылеев А.М./ Под ред. А.С. Переборова. Москва, 1985. 3. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики. В. В. МИХАЙЛОВ, Ю. И. СЛЮЗОВ, В. Я. ТРЕБИН Часть2. Конспект лекций для дистанционной формы обучения. 4. Синтез автоматической системы передачи кодированных сигналов. Методические указания по выполнению курсового проекта. С.В. Грищечко, Ю.И. Слюзов, С.А. Сушков. 2010г. 5. Основные элементы устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Методические указания к лабораторным работам. Слюзов Ю.И., Сушков С.А., Михайлов В.В. 2005г.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕЛЕМЕХАНИКИ Способы управления удаленными объектами Телемеханика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и технические средства контроля и управления объектами на расстоянии с применением специальных преобразований сигналов для эффективного использования каналов связи. C пособы управления объектами в зависимости от степени удаления объектов от пункта управления: 1. местный; 2. дистанционный; 3. телемеханический.
Схемы местного способа управления ПУ - пункт управления, КП - контролируемый пункт, УО - управляемые объекты, ЛС – линия связи. S 1- S 3 – ключи (органы управления); Д1-Д3 - электродвигатели (управляемые объекты); ЛБ - линейная батарея.
Местный способ управления называется прямопроводным управлением. Достоинства местного способа: простота, отсутствие какой-либо дополнительной аппаратуры, высокая надежность по передаче информации, - высокая помехоустойчивость. Недостатки местного способа: – невысокая дальность управления из-за потерь энергии в линии связи; многоканальность (многопроводность). Для N объектов, требуется N + 1 провод (один провод обратный). В ж.д. автоматике местный способ управления применяют в системах электрический централизации (ЭЦ) с центральным питанием. Местный способ применяют на небольших расстояниях (десятки, сотни метров) при небольшом числе объектов (десятки объектов).
Схемы дистанционного способа управления Центральный источник энергии (ЛБ) используется для питания промежуточных реле, а управляемые объекты (двигатели) имеют местное питание от местного источника энергии (МБ).
При дистанционном способе управления по линии связи передается информация о том, какой объект надо включить, а не энергия включения этого объекта. Недостатком данного способа является многоканальность схемы управления. Дистанционный способ применяют на средних расстояниях (сотни метров, километры) при небольшом числе объектов (десятки объектов). Структурная схема электрической централизации с местным питанием
Структурная схема телемеханического способа управления ОУ - органы управления; ПС - первичный сигнал; КУ - кодирующее устройство; ПерУ - передающее устройство; КС - кодированный сигнал; ЛС - линейный сигнал; ПрУ - приемное устройство; СУ - сигнал управления; ДУ - декодирующее устройство; ДС - декодированный сигнал; ВП - выходные преобразователи; УО - управляемые объекты.
Виды телемеханических систем Телемеханическая система – совокупность устройств пунктов управления и контролируемых пунктов, периферийного оборудования, необходимых линий и каналов связи, предназначенных для совместного выполнения телемеханических функций. Дискретные телемеханические системы. Применяют если управляемые объекты являются дискретными, т.е. имеют конечное множество состояний. Наиболее распространены двухпозиционные объекты, имеющие два состояния: включено и выключено (стрелочные электроприводы, светофоры, рельсовые цепи и др.). 2. Непрерывные телемеханические системы. Применяют, если состояние объектов управления изменяется непрерывно (напряжение генератора, температура в электропечи, уровень воды в шлюзе и др.).
Телемеханические функции включают в себя: телеуправление, телесигнализацию и телеизмерение. Система телеуправления (ТУ) служит для управления положением или состоянием дискретных и непрерывных объектов. Управление разделяется на: двухпозиционное, – многопозиционное; - телерегулирование с непрерывным множеством состояний (ТР). Система телесигнализации (ТС) осуществляет получение информации о состоянии контролируемых и управляемых объектов. Имеет структуру, аналогичную структуре системы ТУ. ТУ–ТС - дискретная система, выполняющая функции телеуправления и телесигнализации одного и того же множества объектов (диспетчерская централизация - ДЦ). Система телеизмерения (ТИ) осуществляет получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых или управляемых объектов.
Структурные схемы телемеханических сетей соединение пункт-пункт радиальная структура Схема станционной кодовой централизации РПУ – район прямого управления; РКУ – район кодового управления.
Цепочная структура (применяется в диспетчерских централизациях) Комбинация из радиальной и цепочечной структур Кольцевая структура
Организация обмена информацией между ПУ и КП (протокол обмена). Спорадический принцип -передача только новой информации в момент ее возникновения + минимальная загрузка канала связи, - возможна потеря команда ТС из-за сбоев и отказов аппаратуры ; 2. Циклический принцип - осуществляется последовательное поочередное подключение к каналу связи всех КП и выделение временно́го интервала для обмена информацией + восстановление утерянной информации в следующем цикле работы устройств; 3. Принцип «по запросу» - вся текущая информация накапливается на КП и передается только тогда, когда на данный КП поступает команда запроса из ПУ; 4. Принцип приоритета - устанавливает неравноправие между различными командами ТУ и ТС, а также между различными КП.
Показатели телемеханических систем Информационная емкость - число объектов измерения, сигнализации, управления и регулирования, от (для) которых может передавать информацию устройство телемеханики. Быстродействие системы - интервал времени с момента появления события на передающем пункте телемеханической системы до представления информации о нем на приемном пункте. Достоверность передачи информации (три категории). Вероятностная характеристика Вероятность события, не более, для категорий комплексов 1 2 3 Вероятность потери команды 10 -14 10 -10 10 -7 Вероятность потери контрольной информации 10 -8 10 -7 10 -6 Вероятность трансформации команды 10 -14 10 -10 10 -7 Вероятность трансформации контрольной информации 10 -8 10 -7 10 -6
Телемеханические сигналы Материальными носителями информации в телемеханических системах являются некоторые физические процессы в канале связи – сигналы. Наиболее широко используются амплитудные, временные, частотные, фазовые, полярные импульсные качества. Использование импульсных признаков для построения сигналов ТУ, ТС
Схема линейной цепи линии связи Недостатком амплитудного качества является слабая помехозащищенность. Амплитудные качества импульсов
ВЗС - времязадающие схемы Достоинство временно́го качества - для передачи информации можно использовать и интервалы (длинные и короткие), что сокращает время передачи команд примерно в 2 раза. Недостаток временно́го качества - слабая помехозащищенность. Временные качества импульсов и схема линейной цепи линии связи
Частотные качества импульсов Изменение частоты следования Изменение частоты Схемы генератора переменного тока и включения фильтров Достоинства частотных качеств: - хорошая помехозащищенность (трансформация одной частоты в другую маловероятна), простота аппаратуры (легко настроить генератор или фильтра на заданную частоту), возможность передачи импульсов с неограниченным количеством качеств, возможность передачи по линии связи импульсов с несколькими качествами одновременно (частотное уплотнение).
Частотные качества применяют в системах диспетчерской централизации ПЧДЦ, ЧДЦ, Нева, Луч. Построение команды ТУ в системе ЧДЦ.
Фазовые качества импульсов Сдвиг по фазе на 180º Сдвиг по фазе на 120º (ДЦ «Луч») Достоинство фазовых качеств -хорошая помехозащищенность.
Полярные качества импульсов Схема передачи импульсов с полярными качествами ПП - плюсовой передатчик МП – минусовой передатчик ПЛ - плюсовое и МЛ минусовое линейные реле, поляризованные с преобладанием.
Достоинства полярных качеств: хорошая помехозащищенность, простота формирования и приема. Недостаток - имеют ограниченное число качеств (два).
Виды селекции Селекция – это метод выбора объекта из множества объектов, подлежащих управлению. Виды селекции различаются видом сигнала и видом разделения сигналов. Сигналы подразделяют на одноэлементные и многоэлементные. Линейное разделение сигналов. Временно́е разделение сигналов.
Разделительная селекция – линейное разделение одноэлементных сигналов. Схемы разделительной селекции
Виды селекции характеризуются информационной емкостью N и временем передачи сообщения (быстродействием) T. Для разделительной селекции где k – число качеств импульсов тока, n – число прямых проводов, t пр – время притяжения линейного реле Л. В данном случае . , Достоинства разделительной селекции: минимальное время передачи сообщения; - возможность независимой и одновременной передачи приказов различным объектам. Недостатки: – небольшая емкость; - многопроводность (многоканальность). сообщений, если , то . Для
Качественно-комбинационная селекция – линейное разделение многоэлементных сигналов. , . Емкость системы быстродействие В данном случае, . Если и , то (вместо 50). Схемы качественно-комбинационной селекции Недостаток качественно комбинационной селекции - многопроводность.
Распределительная селекция – временно́е разделение одноэлементных сигналов. Р – распределители, ПК - подвижный контакт. Схемы распределительной и кодовой селекции Синхронность - одинаковое время прохождения распределителей по всем позициям (время оборота). Синфазность – это положение распределителей на одной и той же позиции.
Емкость распределительной селекции , где n – число позиций распределителя. Временная диаграмма работы распределительной селекции. Время передачи сообщений переменное, при этом и где t ср – среднее время нахождения распределителя в одной позиции ( ). Достоинством распределительной селекции является малопроводность. Недостатки – увеличение времени передачи сообщений, - усложнение аппаратуры из-за наличия распределителей - небольшая емкость. Если и , то .
Кодовая селекция – временно́е разделение многоэлементных сигналов. За время одного цикла работы распределителей в кодовой селекции передается приказ на включение только одного объекта Для кодовой селекции , . В данном случае . Кодовая селекция имеет наибольшую емкость при наименьшем числе каналов связи.
Кодово-распределительная селекция применяется, если управляемые объекты расположены отдельными группами на большом расстоянии друг от друга. Структурная схема диспетчерской централизации
Команда ТУ в системе ПЧДЦ Ч исло групп , где n 1 – число импульсов в избирательной части. В данном случае . Ч исло приказов, которые можно передать в одну группу объектов , где n 2 – число импульсов в исполнительной части. Общая емкость системы при кодово-распределительной селекции . В данном случае . Достоинством кодово-распределительной селекции является возможность с помощью одной команды ТУ передать приказы нескольким объектам в одной группе.
КОДИРОВАНИЕ Классификация и характеристики кодов Преобразование на пункте управления сообщения («включить объект 1») в линейный сигнал (три импульса тока положительной полярности) называется кодированием (шифрация). Обратное преобразование на контролируемом пункте– декодирование (дешифрация). Кодовое слово, или кодовая комбинация - конкретная совокупность импульсов тока, образующих линейный сигнал. Кодом называется множество кодовых слов, используемых для передачи сообщений. n - число импульсов тока в кодовом слове ( n – длина кода), k – число качеств импульсов тока (основание кода). В одноэлементных кодах n = 1. В многоэлементных кодах n > 1 В двоичных (бинарных, двухпозиционных) кодах k = 2. В многопозиционных кодах k > 2.
По помехоустойчивости коды делятся на обыкновенные и корректирующие. Обыкновенные коды не обеспечивают защиту от искажений сигналов в результате воздействия помех в линии связи. Корректирующие коды обеспечивают защиту от искажений. Основные характеристики кодов: емкость кода S – число сообщений, которые передаются данным кодом; это число равно числу используемых кодовых слов. - избыточность кода где n – число элементов кода; m – минимальное число элементов кода, необходимое для передачи S сообщений.
Обыкновенные коды Емкость двоичного обыкновенного кода Пример трехэлементного кода, емкость которого 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Число разрядов обыкновенного кода где ] a [ - обозначение ближайшего к a целого числа . Например, если S = 50, то . Избыточность кода Избыточность обыкновенного кода Для передачи сообщений используются все возможные кодовые слова.
P – вероятность правильного приема кодового слова, Q - вероятность неправильного приема кодового слова. Если q < 0,1, то можно принять, что и Недостаток обыкновенного кода вероятность возникновения ошибки при передаче сообщений обыкновенным кодом линейно возрастает с увеличением длины кода. где q – вероятность искажения одного элемента кода при передачи по линии связи. Неизбыточный код не имеет защиты от искажений.
Коррекция ошибок в избыточных кодах Коррекция ошибок может быть двух видов: обнаружение и исправление. Условие избыточности двоичного кода 1) СЛКВО (запрещенное слово) 2) СЛОВО (разрешенное слово) ↑ ↓ СЛОВО (разрешенное слово) ОЛОВО (разрешенное слово) Ошибка обнаруживается Ошибка не обнаруживается Разрешенные слова Запрещенные слова 001 010 100 111 000 011 101 110 001 Разрешенное 001 Разрешенное ↓ ↓↓ 011 Запрещенное 010 Разрешенное Кратность ошибки t - число искаженных разрядов. Кодовое расстояние d, или расстояние по Хэммингу - минимальное число разрядов, которыми различаются два кодовых слова. Для 4 сообщений условие избыточности выполняется
Условие обнаружения кодом ошибок кратности t : Если , то . 3) КЛОВО ↑ ОЛОВО СЛОВО Условие исправления ошибок кратности t : При получим . Разрешенные слова 11010 01001 00110 10101 Запрещенные слова 01010 11001 10110 00101 10010 00001 01110 11101 11110 01101 00010 10001 11000 01011 00100 10111 11011 01000 00111 10100 Множества запрещенных слов, в которые переходят разные разрешенные слова, не должны пересекаться. Необходимое условие исправления ошибки - однозначность восстановления смысла, т.е. отождествления запрещенного слова с разрешенным.
Соотношение между кодовыми словами при исправлении ошибок A i и A j - разрешенные слова условно обозначеные в виде точек B i и B j – запрещенные слова (спутники) Число запрещенных слов при d=1 - На внешней сфере с радиусом t расположены запрещенных слов.
Соотношение между кодовыми словами при обнаружении и исправлении ошибок условие исправления ошибок кратности t и обнаружения ошибок кратности
Схема передачи избыточного кода по каналу связи
Число всех возможных случаев передачи SS 0 S – число случаев безошибочной передачи. Ч исло случаев необнаруживаемых ошибок Доля обнаруживаемых ошибок от общего числа ошибок Например , т.е. 112 ошибок из 124. Ч исло случаев обнаруживаемых ошибок Число слов избыточного кода -
Доля исправляемых ошибок от общего числа обнаруживаемых ошибок Множества M 1 M 2 M 3 M 4 Разрешенные слова 11010 01001 00110 10101 Слова с одиночными ошибками 11001 00001 01101 01011 01000 10110 01110 00010 00100 00111 00101 11101 10001 10111 10100 Слова с двойными ошибками 01100 01111 00011 00000 10000 10011 Каждое подмножество ставится в соответствие разрешенному слову Ap, входящему в это подмножество. Число случаев приема слова Bj, входящего в подмножество Mp, при передаче слова Ap -. - Ошибка исправляется, если слово Bj действительно получилось из слова Ap в результате искажений. Код, исправляет 25% обнаруживаемых ошибок, т.е. 28 ошибок из 112.
Определение длины оптимального кода n для исправления ошибок кратности t. Общее число ошибок, которое требуется исправить, или При . Если . то при n=5 :
Коды с обнаружением ошибок Три основные задачи построения кодов: код должен корректировать заданный класс ошибок; процедуры кодирования и декодирования должны быть формализованы, т.е. выполняться по определенным правилам; 3) схемы кодирования и декодирования должны быть простыми. Код с контролем на четность. При третий контрольный разряд определяется исходя из четности числа единиц в слове: 1 2 3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Код, у которого разряды делятся на информационные, служащие для передачи сообщения, и контрольные (избыточные), служащие для коррекции ошибок, называется разделимым.
Схема декодера кода с контролем на четность Характеристики кода с контролем на четность: Обнаруживающая способность:
Вероятность правильного приема слова: где p – вероятность отсутствия искажения одного элемента кодового слова. Вероятность приема с обнаружением ошибки: по всем нечетным вероятность приема с необнаружением ошибки: по всем четным . В данном примере При достоверность передачи информации
Равновесный код (код с постоянным числом единиц). У этого кода каждое слово имеет m единиц из n разрядов. Число m - вес кода. Параметры кода Пример код а «2 из 4», имеющ его кодовых слов: 1 2 3 4 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0. Код не является разделимым, т.е. его разряды нельзя разделить на информационные и контрольные.
Схема декодера равновесного кода Обнаруживающая способность кода В коде «2 из 4» обнаруживаются 66,7% всех ошибок. Не обнаруживаются ошибки четной кратности, у которых число искажений вида равно числу искажений вида .
Корреляционные коды. К од с повторением для передачи сообщений: 1 2 3 4 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1. Код разделимый. Параметры кода Схемы декодера кода с повторением В примере 80%. Пусть .
Инверсный код. Если в исходном слове обыкновенного кода содержится четное число единиц, то контрольные разряды повторяют информационные. Если нечетное число единиц, то контрольные разряды являются инверсными, соответствующим информационным разрядам. Для S=4 {0000, 0110, 1001, 1111}. П арафазн ый код. Каждый разряд слова обыкновенного кода заменяется двумя разрядами по правилу: При парафазный код содержит слова {0101, 0110, 1001, 1010}.
Код с суммированием (код Бергера). О бнаружива ет однонаправленные ошибки любой кратности. Однонаправленными называются кратные ошибки, содержащие только искажения вида или . П ример однонаправленной ошибки кратности 3 вида . Правила построения кода: Число информационных разрядов где N – число передаваемых сообщений; 2) Ч исло контрольных разрядов .
Информационные разряды Контрольные разряды 1 2 3 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 4 5 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 Двойная ошибка вида : о бнаруживается : и 3) В контрольных разрядах записывается двоичное число, десятичный эквивалент которого равняется числу нулей в информационных разрядах:
Схемы декодера кода с суммированием
Код Хемминга Код Хэмминга исправляет ошибки кратности 1 и является разделимым. Число информационных разрядов , где N -число сообщений. Пусть N = 32. Тогда т = 5 Общее число разрядов п = 9, т = 5,к = 4. Из возможных кодовых слов надо выбрать 32 разрешенных слова так, чтобы исправлялись одиночные ошибки. За контрольные разряды принимаются разряды, десятичный номер которых равен степени числа два. Это разряды а 1, а2, а4 и а 8. Код Хэмминга состоит из двух частей. Первая часть кодирует исходное сообщение, вставляя в него в определённых местах контрольные биты (вычисленные особым образом). Вторая часть получает входящее сообщение и заново вычисляет контрольные биты (по тому же алгоритму, что и первая часть). Найдем длину кода из неравенства
Разряд К К И К И И И К И Десятичный номер разряда 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Двоичный номер разряда 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 Буквенное обозначение разряда a 1 а 2 a 3 a 4 а 5 a 6 а 7 a 8 а 9 Переданное слово 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Принятое слово 0 1 1 0 1 1 1 0 0 Пример для передачи кодового слова 10110. Контрольная сумма Si —это сумма по модулю два значений разрядов, двоичные номера которых имеют 1 на i -м месте справа:
10110 —> 011001100 Получено следующее соответствие Контрольные суммы значений разрядов принятого слова при искажении 5 разряда Если S i =0,
Схема расчета контрольных сумм СФК—схема фиксации качеств
Номер искаженного разряда - Контрольные суммы это разряды двоичного числа, десятичный эквивалент которого указывает номер искаженного разряда. О шибка содержится в битах, принадлежащих группам соответствующим .
Схема определения номера искаженного разряда
Схема исправления искаженного разряда Выразим число т через п: ,
Тогда Для построенного кода: S = 32; R = 1,8; F = 93,9 %; G = 3,1 %. При п = 9 Если p = 0,9, то Р= 0,775. Обыкновенный код имеет п = 5 и Вероятность правильного приема кодового слова
Для одновременного исправления кодом Хэмминга одиночных ошибок и обнаружения двойных, необходимо придать ему кодовое расстояние d = 1 + 2 + 1 = 4. Добавляется (десятый) дополнительный контрольный разряд
Сменно-качественный код О снование кода ; ; Емкость сменно-качественного кода В данном примере . Формирование кодовых слов
Циклические коды Относятся к классу разделимых (n, m)-кодов Кодовые слова получаются путем циклического сдвига одного кодового слова, которое называется образующим для данного кода. 7-разрядный вектор (n = 7) 6543210 1100101 записывается в виде многочлена
1. Операция сложения - «сложение по модулю 2»: 2. Операция умножения: 3. Операция деления:
F(x) = P(x)Q(x) + R(x), где F(x) —делимое, Р(х) —делитель, Q(x) — частное, R(x) — остаток. Принцип построения циклических кодов В качестве разрешенных кодовых слов F(x) длины n выбираются такие, соответствующие многочлены которых делятся без остатка на некоторый порождающий многочлен Р(х) степени k (число контрольных разрядов кода). F ( x ) = P ( x ) Q ( x ) Для N = 12 сообщений число информационных разрядов. Число контрольных разрядов определяется из неравенства. Для кода (7,4) порождающий, неприводимый многочлен (делитель) Р(х ) . Циклический сдвиг некоторого образующего многочлена в матрице без переноса 1 соответствует умножению на х. Сдвиг с переносом равносилен умножению на х с одновременным сложением результата умножения с многочленом .
Исходное кодовое слово S(х) = 1001 Процедура кодирования циклического кода
Разрешенное кодовое слово: Многочлен F(x) соответствует разрешенному кодовому слову циклического кода, то есть что он делится на R(x) без остатка.
Процедура декодирования циклического кода Если R(x) = 0 нет ошибки, если R(x) ≠ 0, то ошибка есть. Искажение разряда х5: 1001011→ 1101011 R(x) = х+1 ≠ 0. Процедура исправления одиночной ошибки Многочлен, соответствующий искаженному слову в разряде, При искажении разряда в любом кодовом слове остаток от деления будет один и тот же. Этот остаток называется «синдромом ошибки». Одиночная ошибка в разряде кода х i представляется многочленом Е i (х) = х i.
Синдромы одиночных ошибок кода 7/4 Вектор ошибки Многочлен ошибки Синдром ошибки многочлен код 1000000 X 6 X 2 +X 110 0100000 X 5 X+1 011 0010000 X 4 X 2 +X+1 111 0001000 X 3 X 2 +1 101 0000100 X 2 X 2 100 0000010 X 1 X 010 0000001 X 0 1 001
C индром ошибки в пятом разряде кода (7,4):
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УЗЛОВ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Структура телемеханической системы ПУ - пункт управления, П- пусковой узел, Г- генератор, К- кодер (шифратор), Р - распределитель, Л - линейный узел. КП - контрольный пункт, Д - декодер, З – защитный узел, УО – управляемый объект. Приказы, передаваемые от центрального пункта к исполнительному, называют управляющими (или сигналами ТУ), а передаваемые в обратном направлении – известительными (или сигналами ТС).
Линейные устройства Схема линейной цепи с последовательным включением реле Достоинства - постоянный контроль исправности линии. Недостатки: -при размыкании линии полностью прекращается работа по передаче сигналов ТУ, требуется высокое напряжение линейной батареи. Является нормально-замкнутой, поскольку в исходном положении обтекается током.
Схема линейной цепи с параллельным включением линейных реле Общий недостаток ЛЦ, у которых в качестве линейных приборов используют реле, низкое быстродействие. + Не требуется высокое напряжение линейной батареи. - Отсутствует контроль обрыва линии. Цепь, применяемая в полярно-частотной диспетчерской централизации является нормально разомкнутой. ПП - плюсовой передатчик, МП - минусовой передатчик. ГЧ - генератор частоты, К - кодер. У – усилитель, Д декодер.
Схема бесконтактной линейной цепи + более высокое быстродействие, - низкая помехоустойчивость.
Распределители Структурная схема распределителя с пространственно-временным разделением. Распределитель осуществляет временно́е или пространственное разделение импульсов тока. С - счетчик импульсов, Д - декодер.
1. Распределители с прямым ходом - 2. Распределители с обратным ходом- 3. Распределители с двойным ходом – во время импульсов и во время интервалов переключение происходит в момент поступления импульсов переключение в момент наступления интервалов между импульсами
Схема релейного распределителя двойного хода Л- линейное реле нормально включено. Реле-счетчики 1-4 считают импульсы и интервалы. Реле 1,3 включаются в интервалах, реле 2,4 – в импульсах. Б - вспомогательное реле. Распределители делятся на: двоичные, в которых счет осуществляется с использованием двоичного кода, и программируемые, в которых счет осуществляется по специальной программе.
Схема бесконтактного распределителя Схема асинхронного счетчика с последовательным переносом.
Недостатки: невысокое быстродействие; наличие многократных переходов схемы через промежуточные состояния. Каждая вертикальная шина матрицы с тремя диодами образует схему И на три входа и реализует логическую формулу выходной цепи Счетчик построен на трех асинхронных триггерах RST -типа, а декодером является диодная матрица. Число интервалов на входе Состояние триггеров Логическая формула выходной цепи Число интервалов на входе Состояние триггеров Логическая формула выходной цепи Т2 Т1 Т0 Т2 Т1 Т0 0 0 0 0 4 1 0 0 1 0 0 1 5 1 0 1 2 0 1 0 6 1 1 0 3 0 1 1 7 1 1 1 М одул ь счета -
Схема синхронного счетчика с параллельным переносом Работа триггеров синхронизируется тактовыми импульсами по входам С. Каждый триггер переключается в противоположное состояние только при нахождении всех триггеров младших разрядов в состоянии 1.
Микросхема К155ИЕ5 - четырехразрядный двоичный асинхронный счетчик. Вход C 0 – выход Q 0 - делитель на два, вход C 1 – выходы Q 1, Q 2, Q 3 - делитель на восемь. Микросхема К155ИЕ5
Схема распределителя на основе сдвигового регистра с использованием синхронных D -триггеров. Временная диаграмма работы распределителя на основе сдвигового регистра Тактовые импульсы Информационный вход Сброс Выходы
Микросхема К155ИР13 Универсальный восьмиразрядный синхронный регистр сдвига Вход DSR - для сдвига вправо, DSL - для сдвига влево, входы данных D 0 – D 7 для параллельной загрузки, входы управления S 0, S 1.
Преобразование параллельного кода в последовательный с помощью регистра
Преобразование последовательного кода в параллельный с помощью регистра.
Программируемые распределители Схема программируемого счетчика по модулю 10 со сбросом С брос счетчика, когда счетчик по модулю 2 n имеет элемент И, который фиксирует конец счета (число ). Т ри способа программирования счетчика на произвольный модуль счета . CR = Q 0х Q 3.
2. П редварительн ая (до начала счета) загрузк а дополнения (числа ).
3. Исключение промежуточных состояний. При S 1 и S 2 = 1 счетчик устанавливается в состояние .
Схема реверсивного счетчика С четчик работает как суммирующий, если сигнал равен 1, и как вычитающий, если равен 0. CR - сигнал переноса, BR - сигнал заема. Условие переключения триггеров при вычитании: каждый триггер переключается в противоположное состояние только при нахождении всех триггеров младших разрядов в состоянии 0. C игналы управления трактом переноса снимаются с прямых выходов триггеров при сложении и с инверсных при вычитании.
Микросхема К155ИЕ6 - четырехразрядный реверсивный программируемый счетчик Выходы переноса и заема позволяют осуществлять каскадное соединение счетчиков Имеет два счетных входа на сложение (+1) и вычитание (–1).
Схема каскадного соединения микросхем К155ИЕ6 и диаграмма ее работы (двухразрядный десятичный счетчик с модулем 100).
Схема недвоичного счетчика Джонсона Триггер с раздельной установкой состояний 0 и 1, JK-триггер имеет входы J и К. При поступлении импульса на вход J триггер переходит в состояние 1. Если импульс поступит на вход K, то триггер переходит в состояние 0. При одновременном поступлении импульсов на оба входа (J = 1; К = 1) триггер переходит в противоположное состояние (Q), т. е. в этом случае JK-триггер работает как триггер со счетным входом. JK-триггеры относятся к универсальным, так как на их основе путем внешней коммутации цепей управления можно изменять логические связи и получать RS, Т, D-триггеры.
Временная диаграмма работы счетчика Джонсона Если счетчик Джонсона имеет n триггеров, то его модуль счета М = 2 n. При поступлении первых четырех импульсов счетчик работает на сложение в унитарном коде. При поступлении следующих четырех импульсов происходит вычитание в унитарном коде.
Схема состояний счетчика Джонсона Имеет более высокое быстродействие,чем двоичные счетчики. Имеет простой дешифратор состояний, так как выход дешифратора зависит только от двух триггеров Недостаток - использует существенно большее число счетчиков чем двоичный.
Генераторы Генератором называется устройство, которое, благодаря энергии непериодического источника питания, создает периодически изменяющееся электрическое напряжение или ток и обеспечивает периодическое замыкание и размыкание электрической цепи. Генераторы в системах ТУ–ТС имеют два назначения: - генераторы тактовых импульсов управляют работой счетчика или распределителя и обеспечивают синхронизацию, генераторы качеств формируют импульсы тока с определенным качеством и воздействуют на линейные устройства.
Генераторы подразделяются на: генераторы синусоидальных колебаний; релаксационные – прямоугольные, - экспоненциальные, - пилообразные (с времязадающими элементами, определяющими время релаксации, т.е. восстановления условий регенерации) :
Характеристики импульсных последовательностей: t и - длительность импульса; t п - длительность паузы; - период колебаний; - частота следования; - скважность, - коэффициент заполнения.
Два условия образования самовозбуждающейся схемы из двух усилителей: модуль общего коэффициента передачи системы должен превышать 1 (условие положительного баланса амплитуд): суммарный сдвиг фаз колебаний усилителя и устройства обратной связи должен быть кратен 2π (условие баланса фаз):
Структуры, реализующие эти условия: блокинг-генераторы, в которых на выходе усилителя для создания обратной связи использован трансформатор, - мультивибраторы, где используются два усилителя с обратной связью.
Структурная схема тактового генератора ИП - источник питания, УУ - устройство управления, Н - накопитель энергии, ОС - обратная связь. схема переключательного ключа графики изменения напряжения на элементах схемы
Контактные генераторы: маятниковые трансмиттеры, кодовые путевые трансмиттеры, релейные генераторы. Однорелейный генератор импульсов Параметры генератора – длина импульсов и интервалов зависит от значений R 1, R 2 и С.
Схема мультивибратора на динисторе и графики напряжения на конденсаторе и выходе схемы Когда напряжение u c = u вкл динистора, он открывается. Сопротивление динистора резко уменьшается, конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки R н.
Мультивибратор на логических элементах
Временные диаграммы генератора, выполненного на логической микросхеме К155ЛА3.
Схема генератора частот системы ЧДЦ Генераторы качеств или импульсных признаков
Кодеры Построение кодера при передаче восьми сообщений обыкновенным кодом, кодом с контролем на четность и кодом с суммированием. Номер сообщения Информационные разряды Контрольные разряды Обыкновенный код Код с контролем на четность Код с суммированием Q0 Q1 Q2 R3 S3 S4 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 2 0 1 0 1 0 1 3 1 1 0 0 1 0 4 0 0 1 1 0 1 5 1 0 1 0 1 0 6 0 1 1 0 1 0 7 1 1 1 1 0 0 Кодер (шифратор) – формирует всё множество кодовых слов, используемых в системе ТУ–ТС. Совместно с распределителем осуществляет управление генератором качеств,
Вычисление значений информационных и контрольных разрядов Схема кодера
Микросхема К155ИВ1 Кодер инверсного двоичного кода С игнал на входе 5 преобразуется в код . Обычно интегральные кодеры являются приоритетными. Приоритетный кодер имеет два дополнительных выхода: , если на входах нет ни одного нуля; , если на входах есть хотя бы один нуль.
Декодеры Декодер (дешифратор) выполняет две функции – фиксирует качества импульсов тока в порядке их следования и осуществляет декодирование сообщения. Прямоугольный декодер трехэлементного обыкновенного кода Кодовые слова Состояние приемных элементов памяти Логическая формула выходной цепи Номер выхода 000 0 0 0 0 001 0 0 1 1 010 0 1 0 2 011 0 1 1 3 100 1 0 0 4 101 1 0 1 5 110 1 1 0 6 111 1 1 1 7
Недостатком такого декодера является большое число контактов, которое определяется по формуле: где – число выходных цепей, n – число контактов в одной цепи. Пирамидальный декодер N – сумма геометрической прогрессии с основанием и последним слагаемым :
Схемы прямоугольного и пирамидального декодеров
Микросхема К155ИД7 ( К555ИД7) является декодером трехэлементного кода и демультиплексором. Наличие трех входов управления позволяет получать декодеры четырехэлементного (на 16 выходов) и пятиэлементного (на 24 и 32 выходов) в результате параллельного соединения микросхем. При значениях сигналов на управляющих входах , микросхема работает как декодер.
Мультиплексоры Мультиплексор (коммутатор каналов) осуществляет подключение одного из нескольких каналов к общему выходу. Микросхема К155КП7 Ч исло адресных входов — где n- число входных каналов. S 2, S 1, SO - 3 адресных входа.
Внутренняя структура микросхемы К155КП7 Выходная функция мультиплексора
Мультиплексорное дерево
Демультиплексор - передает последовательные данные с одного входа D на несколько выходов Q0...Q7.
Внутренняя схема демультиплексора
Временное уплотнение каналов передачи последовательных данных Данные передаются последовательно во времени по одному проводу с использованием мультиплексора и демультиплексора, однако это уменьшает скорость передачи данных.
Схема включения и временная диаграмма работы мультиплексора К561КП2 Х1-Х8 - информационные входы, А1,А2,А3 - адресные входы Х - информационный выход - вход разрешения работы.
Коммутатор на логических элементах. Выходная функция работы коммутатора: где Y 0, Y 1,… Y n – входное параллельное слово; Q 0, Q 1,… Q n – сигналы управления; D – выходной последовательный алфавит. Позволяет выполнять микширование каналов.
Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) Укорачивающие одновибраторы Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения Uпор.
Расширяющие одновибраторы Длительность выходного импульса одновибратора где Rвых — выходное сопротивление первого элемента. Uпор — пороговое напряжение логического элемента.
СТРУКТУРЫ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Методы синхронизации систем Нарушение синфазности по импульсам Нарушение синхронизации распределителей по циклу Синхронная и синфазная работа распределителей
Пошаговая синхронизация Р1 –ведущий,Р2 – ведомый. (при спорадической передаче команд ТУ и ТС) 2. Цикловая синхронизация F1=F2 Используются импульсы цикловой синхронизации ЦС (при циклической передаче команд в системе ТУ—ТС) 3. Жесткоцикловая синхронизация Когда на ПУ и КП имеется единая сеть переменного тока, кроме цикловой синхронизации распределителей осуществляется пошаговая синхронизация генераторов от каждой полуволны переменного тока. Схема синхронизации распределителей СТРУКТУРЫ ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Системы с временным разделением сигналов Структурная схема системы с распределительной селекцией ТГ1 - тактовый генератор, управляет работой распределителя Р1. М - модулятор, управляет работой генератора качеств ГК. ЛБ1 - линейный блок служит для согласования ГК с ЛС. ДМ - демодулятор. ТГ2 - тактовый генератор, управляет распределителем Р2. На ПУ команды от органов управления фиксируются в регистре 1.
Структурная схема системы с кодовой селекцией К – кодер, Д- декодер.
Структурная схема системы с кодово-распределительной селекцией Избирательная часть содержит n 1 импульсов тока, которые передаются по принципу кодовой селекции. Исполнительная часть содержит п2 импульсов тока, передаваемых по принципу распределительной селекции.
Структурная схема ДЦ Тракт ТУ. М – манипулятор, при помощи которого диспетчер формирует сигнал ТУ, (клавиатура). НГ – наборная группа, которая физически формирует сигнал (релейные системы, микропроцессоры). Ш – шифратор, служит для придания импульсов кода активных признаков. («+» активный признак, « - « пассивный признак). ТГ – тактовый генератор. Р – распределитель, синхронизирует работу ЦП и ЛП. Г(М) – генератор (модулятор). ЛУ – линейное устройство.
На линейном пункте: ДМ – демодулятор. РР – регистрирующее реле. (Определяет принят ли код). ДШ – дешифратор. УР – управляющее реле. ОУ – объект управления. Тракт ТС. Т – табло. КР – контролирующее реле, контролирует состояние объектов. НР – начальное реле, фиксирует начало передачи сигнала ТС.
Системы телеизмерения Системы телеизмерения - осуществляют передачу на расстояние информации о значении непрерывных (аналоговых) сигналов. Телеизмерение — получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых или управляемых объектов методами и средствами телемеханики.
Характеристики систем телеизмерения и предъявляемые к ним требования. Основной характеристикой СТИ является точность. Погрешность телеизмерения определяют как максимальную разность между показаниями выходного прибора на приемной стороне и действительным значением телеизмеряемой величины, определяемым по показаниям образцового прибора. Абсолютная основная погрешность канала телеизмерения - Относительная погрешность - Приведенная погрешность - Абсолютная дополнительная погрешность канала телеизмерения устройства — наибольшая разность значений входной (выходной) величины при нормальных условиях и при воздействии влияющего фактора.
Системы: 1- интенсивности (измеряемая величина -> уровень напряжения или тока), 2- импульсные (измеряемая величина -> параметр (амплитуда, длительность, частота) импульсной последовательности), 3- частотные (измеряемая величина -> частота переменного тока), 4- цифровые (измеряемая величина -> кодовое слово -> измеряемая величина). Цифровое преобразование состоит из 3 процессов: дискретизация, квантование и кодирование. Классификация систем телеизмерения.
Д искретизация - значение непрерывного сигнала передается дискретно во времени T —интервал дискретизации. Т еорем а Котельникова: любая непрерывная функция, спектр которой ограничен частотой F max, может быть полностью восстановлена по ее дискретным значениям, взятым через интервалы времени На практике теорему Котельникова можно применять с поправкой где η — коэффициент, зависящий от точности воспроизведения функции и способа интерполяции.
Квантование - значение непрерывного сигнала передается дискретно по величине. q - шаг квантования Чем меньше шаг q, тем меньше будет погрешность измерения сигнала. М аксимальная ошибка квантования по уровню
Если функция λ(t) ограничена диапазоном от λmin до λ m ах, то число интервалов где N число уровней квантования. При Т очност ь преобразования (квантования), обычно задается в виде приведенной относительной погрешности : . И шаг квантования При достаточно большом числе уровней квантования N среднеквадратичное значение погрешности квантования по уровню Суммарная ошибка
Неравномерное квантование по уровню. Некоторые функции, подлежащие квантованию, изменяются так, что их целесообразно квантовать с различными приращениями уровней, т. е. с переменным шагом квантования q 1, q 2,.... q n. Или если необходимо получить более точные значения в какой-либо части квантуемой функции, то в этом диапазоне шаг квантования следует уменьшить. На приемной стороне принятая квантованная функция в своем первоначальном («непрерывном») виде обычно не восстанавливается, хотя в принципе это возможно путем ступенчатой, линейной или более сложной интерполяции.
Кодирование - дискретные значения (уровни квантования) непрерывного сигнала преобразуются в двоичные кодовые слова. Преимущества цифровых систем по сравнению с другими системами телеизмерения: большая помехоустойчивость,, возможность передачи на большие расстояния, особенно при использовании помехозащищенных кодов; 2. большая точность телеизмерения. Точность преобразователей, может быть меньше 0,1 %, т. е. выше точности преобразователей других телеизмерительных систем, 0,5—1,5 %; 3. лучшее использование канала связи в случае применения специальных кодов, статистически согласованных с передаваемыми сообщениями; 4. получение информации в цифровой форме, что позволяет: а) без сложных преобразований вводить информацию в цифровые вычислительные машины и устройства обработки данных; б)осуществлять цифровую индикацию показаний.
При преобразовании электрических величин в код различают: преобразование с промежуточным параметром и непосредственное преобразование напряжения в код. В первых устройствах измеряемая электрическая величина преобразуется во вспомогательный параметр (временной интервал, частоту или фазу), преобразуемый, в число импульсов, которое далее кодируется. 1. Напряжение — временной интервал — число — код. ВИП – время-импульсный преобразователь.
2. Напряжение — фаза — временной интервал — число — код. ФСУ– фазо-сдвигающее устройство. 3. Напряжение —частота — число — код. – частотно-импульсный преобразователь.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП): 1- с последовательным приближением, 2- с параллельным преобразованием, 3- с двойным интегрированием следящего типа. 4- сигма-дельта АЦП Непосредственное преобразование напряжения в код. Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования (до 1Г SP S(отсчетов в секунду), при разрядности 6-8 бит). АЦП последовательного приближения (разрядность 12-18 бит При частоте преобразования 100KSPS-1MSPS). Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.
АЦП прямого или параллельного преобразования Для получения N разрядов нужно компараторов
Структурная схема АЦП следящего типа Если U BX > Uoc, Z = 1 и счетчик работает в режиме сложения до тех пор, пока не будет выполнено равенство Uoc = U вх. При Uoc > U BX счетчик начинает работать в режиме вычитания ( Z = 0) до тех пор, пока U ос = U вх и т.д. К- компаратор (схема сравнения)
Цифроаналоговый преобразователь Сопротивление резисторов в схеме ЦАП изменяется по закону.
Цифроаналоговое преобразование
Структурная схема кодоимпульсной системы телеизмерения: ГТИ – генератор тактовых импульсов; ПК – преобразователь параллельного кода в последовательный ; ЛБ – линейный блок; ФСС – формирователь синхронизирующего сигнала;
БМ – блок масштабирования; Р – регистр; ДШ – дешифратор; ВСС – выделитель синхронизирующего сигнала.
АЦП применяются в современных системах телеизмерений, как в виде отдельных элементов, так и интегрированными в состав микропроцессорных контроллеров. Например совместимый с широко распространенной серией MCS51 процессор ADUC812 полностью интегрированная 12 битная 8-канальная система сбора данных, содержащая в одном кристалле высококачественный многоканальный АЦП с самокалибровкой, двойной ЦАП и программируемый 8 битный µС (совместимый с 8051 системой команд). Системы диагностирования и мониторинга технического состояния устройств ЖАТ: - автоматизированная система диспетчерского контроля (АСДК); - аппаратно-программный комплекс диспетчерского контроля (АПК-ДК); - система автоматизации диагностирования и контроля устройств СЦБ (АДК-СЦБ).
Структурная схема АПК-ДК (аппаратно-программный комплекс диспетчерского контроля)
Центр диагностики и мониторинга(г. Новосибирск, управление ЗСЖД)
Для исключения возможности появления опасных отказов при подключении модулей дискретного и аналогового ввода к объектам контроля используются: высокоомный вход, защита от перенапряжения и гальваническая развязка. Схема сопряжения для ввода дискретной информации. Гальваническая развязка при вводе аналоговой информации производится по цифровому тракту; по каналу связи; или с использованием входных трансформаторов или аналоговых оптронов.
Схема сопряжения для ввода аналоговой информации.
Схема сопряжения для ввода аналоговой информации с использованием входных трансформаторов.
В случаях, когда необходимо получить спектр сигнала в реальном масштабе времени используются так называемые сигнальные процессоры. В этих процессорах математические операции умножения и сложения, необходимые для выполнения преобразования Фурье с целью получения спектра сигнала выполняются не программным способом, а аппаратным, благодаря особой внутренней архитектуре.
Особенности современных устройств автоматики и телемеханики связанные с проблемами надежности. 1. Рост сложности современных устройств. 2. Сложность условий, в которых эксплуатируются технические устройства. 3. Высокая цена отказа. ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения его эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.
Процесс возникновения отказов носит случайный характер. Поэтому при изучении вопросов надежности используется аппарат теории вероятности и математической статистики. Основными понятиями теории вероятностей являются опыт и событие, а также их вероятность. Опыт в теории вероятностей - совокупность явлений, при которых может наблюдаться некоторый количественный или качественный результат, именуемый исходом. Событие — ожидаемый исход наблюдаемого опыта. Вероятность события - такое число, которое тем больше, чем более возможно это событие.
Отдельные части системы, не имеющие самостоятельного эксплуатационного назначения, называют элементами. В ряде случаев один и тот же объект может выступать либо в роли системы, либо в роли элемента в зависимости от решаемой задачи и объекта исследования. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ Объект имеет два основных состояния — работоспособное и неработоспособное (отказ). Отказ - событие, исходом которого является переход объекта в неработоспособное состояние.
Классификация отказов Классификационный признак Характер изменения параметра до отказа Характер изменения параметра до отказа Внезапный Постепенный Восстанавливаемость полезных свойств Необратимый Обратимый (перемежающийся) Связь с другими отказами Зависимый Независимый Причина возникновения Конструктивный Технологический Эксплуатационный
Отказы делят на внезапные и постепенные. Внезапные, или полные, отказы – - резкое, скачкообразное изменение одного или нескольких параметров объекта. Постепенные, или параметрические, отказы – -зависимость сравнительно медленного изменения параметров объекта от времени эксплуатации и вызываются старением, изнашиванием, а также разрегулированием. Необратимый отказ свидетельствует о потере работоспособности. Перемежающийся - многократно возникающий самоустраняющийся отказ объекта одного и того же характера. Независимый отказ объекта не обусловлен отказом другого объекта.
Надежность — комплексное свойство, включает в себя: - Безотказность ; - Долговечность; - Ремонтопригодность; - Сохраняемость. 50% отказов устройств ЖАТ проявляются внезапно. Системы и элементы деляться на восстанавливаемые, и — невосстанавливаемые. Цена отказа - простой подвижного состава в случае восстановления работоспособности оборудования и невыполнение задания при отправке на ремонтную базу. В отдельных случаях - аварийный исход. Надежность — качество объектов, развернутое во времени.
Факторы, влияющие на надежность технических объектов: субъективные, зависящие от деятельности человека, и объективные, включающие внутренние за счет износа или старения, и внешние. Распределение отказов машин и механизмов на транспорте Внешние факторы Количество отказов, % Температура низкая 24,1 высокая 23,1 Влажность 13,9 Удары и вибрация 31,9 Прочие 7 Всего 100
. Режим работы оценивается коэффициентом нагрузки где — рабочая нагрузка ; — предельно допустимая нагрузка.
Требования к информации о работе устройств ЖАТ, которую необходимо получить от эксплуатационников: - достоверность и полнота. Достоверность информации достигается объективностью представленного материала и подготовленностью обслуживающего персонала. Полнота информации зависит от точного описания отказов и их причин, т. е. качества подготовки персонала и ясности инструкций по эксплуатации.
Способы соединения элементов с точки зрения надежности Последовательное соединение - если отказ хотя бы одного элемента системы приводит к отказу всей системы. 2. Параллельное соединение если отказ системы происходит тогда и только тогда, когда откажут все элементы системы. Параллельные элементы в системе являются избыточными. Резервирование - метод повышения надежности системы путем введения избыточных (резервных) элементов.
3. Смешанное (последовательно-параллельное) соединение элементов. 4. Мостиковая структура.
постоянное резервирование – основной и все резервные элементы находятся в одинаковых условиях и одновременно выполняют одни и те же функции По способу подключения: резервирование с замещением – отказавший основной элемент заменяется с помощью переключателя П, после чего резервный элемент начинает выполнять функции основного. Два основных режима работы резервных элементов: нагруженный (горячий), при котором резервный элемент находится в том же рабочем режиме, что и основной, и ненагруженный (холодный), при котором резервные элементы отключены.
ПОКАЗАТЕЛИ НАДЕЖНОСТИ И ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ Невосстанавливаемые объекты. Показатели невосстанавливаемых объектов являются характеристиками случайной величины Т — наработки объекта до отказа. Функция ненадежности (функция распределения случайной величины Т, вероятность отказа, или вероятность того, что наработка до отказа меньше заданной наработки t,) Приближенное значение где n - число объектов, отказавших к моменту времени t, N - общее число наблюдаемых объектов. Функция надежности ( вероятность безотказной работы )
Примерные графики зависимостей P(t) и q (t) условная вероятность безотказной работы объекта в течение интервала времени
Плотность распределения наработки до отказа (частота отказов) Статистически где n ( t ) — число объектов, отказавших в интервале времени
Интенсивность отказов λ(t) - вероятность того, что в некотором интервале времени произойдет отказ за единицу времени при условии, что отказ не произошел до момента времени t : Статистически:
Средняя наработка до отказа Т 0 — это математическое ожидание наработки до первого отказа. Математическое ожидание - среднее значение случайной величины: Статистически где t i —-наработка i -гo объекта до отказа.
Соотношение между вероятностью безотказной работы и интенсивностью отказов: При λ = const Экспоненциальный закон надежности. Экспоненциальная функция распределения служит для описания времени безотказной работы так называемых "нестареющих" объектов при внезапных отказах. Средняя наработка до отказа:
У словн ая вероятность безотказной работы объекта за наработку Б езусловная вероятность безотказной работы за наработку от 0 до Вероятность безотказной работы объекта в течение заданного промежутка времени не зависит от того, сколько времени он проработал до этого промежутка (λ = const, для внезапных отказов).
Кривая изменения интенсивности отказов. а — приработка; б — нормальная эксплуатация; в — старение.
Восстанавливаемые объекты. Характеристика процесса эксплуатации восстанавливаемого объекта. Для восстанавливаемых объектов используют три группы показателей: - безотказности, - ремонтопригодности и комплексные.
К показателям безотказности относятся: - Поток отказов ω( t ) - среднее число отказов в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени. - Вероятность безотказной работы для простейшего потока отказов - Наработка на отказ Тн определяется как отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки. К показателям ремонтопригодности относятся: Вероятность восстановления — то, что фактическая продолжительность работ по восстановлению работоспособности объекта Т в не превысит заданной: Среднее время восстановления — математическое ожидание времени восстановления работоспособности.
К комплексным показателям готовности относ я тся : Ф ункция простоя - вероятность нахождения объекта в неработоспособном состоянии в момент времени t. Функция готовности - вероятность нахождения объекта в работоспособном состоянии в момент времени t. К оэффициент готовности К оэффициент про стоя
C редний срок сохраняемости где Ри — значение вероятности безотказной работы деталей, элементов к моменту использования; Ро — значение вероятности безотказной работы детали, элемента в момент поступления на предприятие. определяется, как — интенсивность отказов при хранении на предприятии;
СТРУКТУРНАЯ НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ Система с последовательным соединением элементов Система с параллельным соединением элементов
Параллельно-последовательное соединение элементов - общее резервирование для одной цепочки для системы Вероятность безотказной работы группы Вероятность безотказной работы всей системы
Мостовая структура Определение показателей надежности систем со сложной структурой Метод перебора состояний. Номер состояния системы 9 11 13 14 15 18 19 21 22 23 25 26 27 29 30 31 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 3 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 4 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 Состояние системы 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Вероятности безотказной работы элементов вероятность любого состояния системы ( l и f — число соответственно работоспособных и неработоспособных элементов). Вероятность безотказной работы системы
Метод разложения структуры относительно базового элемента.
Методы повышения надежности телемеханических систем 1. Использование кодов с исправлением и обнаружением ошибок в линии связи. 2. Резервирование элементов и узлов системы для устранения ошибок в аппаратуре.
3. Резервирование с помощью мажоритарных элементов МЭ 4. Использование схем встроенного контроля СВК ССВК -самопроверямая схема встроенного контроля z 1 = z 2 при возникновении неисправностей в структуре контролируемого узла или контрольной схемы.
Самопроверяемый контроль кодов Слова 2/4-кода Выходы 2/4-СПТ Х 1 Х 2 Х 3 Х 4 Z 1 Z 2 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 Схема контроля кода или детектор решает задачу определения принадлежности кодового вектора рассматриваемому коду. Разрешенные комбинации кода 2/4
Запрещенные комбинации кода 2/4 Четырехразрядные слова Выходы 2/4-СПТ Четырехразрядные слова Выходы 2/4-СПТ Х 1 Х 2 Х 3 Х 4 Z 1 Z 2 Х 1 Х 2 Х 3 Х 4 Z 1 Z 2 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Функция F детектора 2/4
C амопроверяемый тестер (СПТ) имеет два выхода ( z 1 и z 2 ). Свойства: - контроль входного вектора, - самопроверка Характеристики самопроверяемых тестеров: сложность L - число логических элементов, необходимых для построения схемы тестера. - контролепригодность схемы СПТ длина проверяющего теста t, - быстродействие схемы СПТ число уровней схемы r, максимальное число элементов от входа до выхода схемы. L = 6, t = 4 и г = 2. Схема 2/4 СПТ.
В общем случае схема СПТ представляет собой преобразователь m / n -кода в 1/2 -код. Заданный m / n -код, преобразуется в 1/2 -код последовательно в несколько этапов по схеме: m / n -> m 1/ n 1 —> m 2/ n 2 -»... mk/nk —> 1/2.
Контроль кодеров и декодеров Схема контроля кодера Схемы контроля декодеров
Для обнаружения всех неисправностей структура декодера, включающая в себя ССВК с двумя выходами z1 и z2, должна обладать дополнительными свойствами: - контролем входного вектора на выходе ССВК; - самопроверкой ССВК; - обнаружением неисправностей декодера; - защищенностью декодера от неисправностей. Основные свойства декодеров избыточных кодов: - декодирование; - контроль входного вектора на выходе декодера (при поступлении на вход декодера не кодового слова на всех его выходах формируется сигнал логического 0).
Контроль распределителей Контроль работы счетчика: резервирование, детектор неиспользованных состояний, введение дополнительного разряда четности, использование СПТ (работающие в кодах с обнаружением ошибок). Для организации общего контроля телемеханической системы устанавливают контрольные схемы, проверяющие основные узлы системы. К ним относятся распределители, кодеры, декодеры и регистры хранения информации. Указанные контрольные схемы объединяются в одну контрольную схему для получения единого сигнала ошибки. Контролировать работу распределителя можно осуществляя раздельную проверку счетчика и декодера.
1. Способы управления удаленными объектами 2. Виды телемеханических систем 3. Организация обмена информацией между ПУ и КП (протокол обмена) 4. Показатели телемеханических систем. 5. Телемеханические сигналы. 6. Виды селекции объектов. 7. Кодовая и кодово-распределительная селекция. 8. Классификация и характеристики кодов. 9. Обыкновенные коды. 10. Коррекция ошибок в избыточных кодах. 11. Коды с обнаружением ошибок 12. Код Хемминга 13. Сменно-качественный код. 14. Циклические коды. 15. Структура телемеханической системы 16. Линейные устройства 17. Распределители 18. Программируемые распределители Экзаменационные вопросы по ТОАТ Часть 2
19. Генераторы 20. Кодеры и декодеры 21. Кодер и декодер для циклических кодов 22. Мультиплексоры и демультиплексоры 23. Одновибраторы 24. Методы синхронизации телемеханических систем 25. Системы с временным разделением сигналов 26. Системы телеизмерения, их классификация и характеристики 27. Цифровое преобразование измеряемой величины 28. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи 29. Структура телеизмерительных систем 30. Обеспечение условий безопасности при подключении систем ТУ и ТС 31. Основные понятия и термины надежности 32. Показатели надежности невосстанавливаемых элементов 33. Показатели надежности восстанавливаемых элементов 34. Структурная надежность систем 35. Методы повышения надежности телемеханических систем 36. Контроль кодеров, декодеров и распределителей
