Разработка системы ТИ-ТС-ТУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Технологический институт - филиал НИЯУ МИФИ

Кафедра Технических Систем Контроля и Управления

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

Тема: «Разработка системы ТИ - ТС - ТУ»

по курсу:

«Передача данных в информационно-управляющих системах»

Студент Костренков Е.В.

Группа 3АУ-56Д

Руководитель проекта

Новиков Л.Г.

г. Лесной

2010



Содержание

1. Техническое задание

2. Введение

3. Формулировка задач, которые должна выполнять система

4. Процедуры управления, методы их реализации и синтез систем контроля

4.1 Общая схема сети

4.2 Обоснование выбранной топологии сети

4.3 Структура канала связи между ЦКП и КП

4.4 Метод управления сетью. Протокол сетевого уровня

4.5 Структурные схемы контролируемого пункта (КП) и ЦПК

4.6 Выбор системы команд

4.7 Протокол физического уровня

4.8 Протокол канального уровня

4.9 Алгоритм доступа к сети

5. Детализация системы контроля

5.1 Детализация схемы устройства ЦКП

5.1.1 Формирователь синхрокода

5.1.2 Формирователь адреса

5.1.3 Передатчик ТУ

5.1.4 Приёмник ТИ - ТС

5.2 Детализация схемы устройства КП

5.2.1 Приёмник адреса

5.2.2 Приёмник команд ТУ

5.2.3 Передатчик ТИ-ТС

5.2.4 Структурная схема УПС

6. Технико-экономическое обоснование системы контроля

6.1 Расчёт частоты дискретизации и предельно допустимой скорости передачи

6.2 Оценка погрешности измерительных устройств, выработка рекомендации по улучшению метрологических характеристик

7. Заключение

8. Список литературы

9. Приложение «Схемы разрабатываемых устройств»

9.1 Приложение 1 « Топологическая схема сети»

9.2 Приложение 2 «Алгоритм доступа к сети»

9.3 Приложение 3 « Принципиальная схема ЦКП»

9.4 Приложение 4 « Принципиальная схема КП»

9.5 Приложение 5 « Временная диаграмма »



1. Техническое задание

Разработка на основании своего варианта ТЗ информационной системы ТИ-ТС-ТУ на основе изученных систем аналогичных по назначению и принципу действия, на основе анализа изобретений или ранее выполненных научных исследований.

Вариант № 11

Число ОКУ и схема их расположения	11	Схема № 11
Контролируемая величина (табл. №5)	1 3	Величина	Диапазон	Скорость изменения	Погрешность уровней контроля
		Ток (I)	0…10мА	104 мА/сек	1 %
		Температура (0)	0..100 С	10-1 град/сек	5 %
Число уровней контроля	1	1, X < Xm * 0.5 X > Xm * 0.5	Вероятность состояний:
			P< = 0.8 P> = 0.2
Синхронизация	3	Циклическая
Физическая линия связи	2	Выделенные 2 пары
Модуляция	1	Частотная
Тип АЦП	2	Последовательного счёта
Тип ЦАП	1	Суммирующая токовая матрица типа « - 2»
Защита информации от помех	4	Циклический код
Устройства индикации и сигнализации	1	Дисплей
Вероятность ошибочного приёма сигналов	3	P де = 10-3 P ош = 10-3
Принцип организации ТИ	2	Передача приращений
Метод доступа к каналу связи КП	3	Система постоянно находится в режиме ТС-ТИ и переходит в режим ТУ по команде с ЦПК

ОКУ - устройство, имеющее 4 управляющих дискретных входа и 2 выхода непрерывных контролируемых физ.величин. Параметры сигналов указаны в таблице:

Вх.и вых. сигналы	Функции	Условные обозначения	Параметры и вых.сигналы
А	отключить	?	0…+ 3 В
B	включить		«-»
C	увеличить	«^»	0… + 3 В
Д	уменьшить	«v»	«-»

Схема № 11



2.Введение

На сегодняшний день невозможно представить не одно современное предприятие, где бы не применялись системы ТС-ТИ-ТУ.

Стремление автоматизировать всё на предприятии двигало человеком ещё с конца XIIX века. Автоматизированные системы помогают человеку, сокращают его физический труд, выполняют работу наиболее качественно и безошибочно.

Проектирование систем контроля сегодня актуально, выгодно и престижно.



3. Формулировка задач, которые должна выполнять система контроля

Система контроля должна надёжно выполнять следующие функции:

ь Измерение заданных физических величин

ь Оповещение оператора об отклонении заданных физических величин

ь Давать возможность оператору системы оперативно устранять отклонения физических величин на контрольных пунктах с помощью команд ТУ.

Сегодня на рынке огромное количество подобных систем совершенно разнообразной структуры. Не стоит изучать тонкости работы и проектирования каждой из них.

Под успешным выполнением курсовой работы можно считать понимание принципов проектирования и работы систем контроля.



4. Процедуры управления, методы их реализации и синтез систем контроля

4.1 Общая схема сети

Система контроля включает: 1 Центральный Контрольный пункт

16 Контролируемых пунктов

Связь между объектами осуществляется через 2 выделенные пары, синхронизация - циклическая.

Необходимо контролировать изменение тока и температуры

Система постоянно находится в режиме ТС - ТИ и переходит в режим ТУ по команде с ЦКП.

4.2 Обоснование выбранной топологии сети

С учётом расположения КП удобно воспользоваться алгоритмом Мелзака (Штейнера).



ЦПК (ЦПУ) - центральный пункт контроля(управления)

КП1…КП16 - контролируемые пункты

Для данной схемы наиболее часто применяют оптимизацию длины сети по алгоритму Штейнера - Мелзака.



4.3 Структура канала связи между ЦКП и КП

Выбранную топологию сети разумно реализовать методом «Общая шина»

Пунктиром выделен КС - «Общая шина». Все контролируемые пункты подключаются к общей шине, которая реализована как 2 симплексных канала связи.

4.4 Метод управления сетью. Протокол сетевого уровня

Система постоянно находится в режиме ТС - ТИ и переходит в режим ТУ по команде с ЦКП. Система работает одним большим циклом и 16 маленькими подциклами. Во время одного подцикла ЦКП принимает 1 сигнал ТИ от КП, адрес которого равен номеру подцикла, и 16 сигналов ТС с каждого КП. За 16 подциклов система опрашивает и принимает все сигналы ТИ с каждого КП. Оператор набирает на пульте управления адрес КП, который необходимо регулировать, команду ТУ, и нажимает кнопку «Регулировать». Команда ТУ отправляется в сеть. Все КП принимают данную команду ТУ и адрес, который был набран оператором. Если адрес равен адресу ТУ, происходит регулирование данного ТУ, в противном случае команда ТУ игнорируется.

По ФЛ1 передаются: SYN, SC , address + ТУ

По ФЛ2 передаются: ДТИ, ТС

Время подцикла :

Тпц = SC + ТИ(Ток) + ТИ ( Температура) + 16*ТС + Адрес ТУ + ТУ = 5 +7 + 5 + 32 + 5 + 3 = 57 бит

Время цикла :

Тц = 57 * 16 = 912 бит

4.5 Структурные схемы контролируемого пункта (КП) и ЦПК

Структурнаяя схема ЦКП:



Структурнаяя схема КП:

4.6 Выбор системы команд

Режим Телеуправления

В режиме телеуправления необходимо передавать 4 команды: «Отключить», «Включить», «Увеличить», «Уменьшить».

Логично выбрать следующие коды:

Функции	Коды
Отключить	001
Включить	010
Увеличить ток / Увеличить Температуру	011
Увеличить ток / Уменьшить Температуру	100
Уменьшить ток / Увеличить Температуру	101
Уменьшить ток / Уменьшить Температуру	110
Без изменений	000



Также сообщение ТУ должно содержать адрес объекта КП, который мы регулируем. Необходимо регулировать 16 объектов, т.е. 16 индивидуальных адресов.

1610 = 100002 , следовательно 5 бит необходимо для передачи адреса КП.

Таблица адресов:

№ КП	Address
1	00001
2	00010
3	00011
4	00100
…	…
16	10000

Режим телеизмерения

Контролируемые величины: Ток (I) и Температура (T). В режиме ТИ используется передача приращений.

Величина	Диапазон	Скорость изменения	Погрешность
Ток ( I )	0…10 мА	104 мА/сек	1 %
Температура (Т)	0…100 С	0.1 град/сек	5 %

Шаг между измерениями тока: Hi =

Шаг между измерениями температуры: HT =

Для передачи приращений тока потребуется + 1 (нулевое значение тока) + 1 (максимальное значение с погрешностью = 10.1 мА) = 10210 = 11001102, а следовательно, 7 бит.

Значение тока	Код
0	0000000
0.1	0000001
…	…
10.1	1100110

Для передачи приращений температуры потребуется + 1 (нулевое значение температуры) + 1 (максимальное значение с погрешностью = 105 С) = 2210 = 101102, а следовательно, 5 бит.

Значение температуры	Код
0	00000
5	00001
…	…
105	10110

Режим телесигнализации

В нашем случае 1 уровень контроля: «Меньше уровня» и «Больше уровня». Т.е. достаточно 1 бита для передачи сообщения телесигнализации для каждого из параметров, для передачи 2х параметров используем 2 бита:

Сообщение	Код
Ток меньше, температура меньше	00
Ток меньше, температура больше	01
Ток больше, температура меньше	10
Ток больше, температура больше	11

4.7 Протокол физического уровня

Размещено на http://www.allbest.ru/



4.8 Протокол канального уровня

Для синхронизации нужно использовать отдельный канал. Необходимо обеспечить циклическую синхронизацию. Т.е. необходимо 3 канала связи при том ,что имеется всего 2 физические линии. Для разделения физического канала будем использовать частотную модуляция. В итоге получается следующая схема:

ФЛ1 : SYN (Частота 1) + SC (Частота 2) + Address (Частота 2) + КТУ (Частота 2)

ФЛ 2: ТИ (Частота 1) + ТС ( Частота 1)

4.9 Алгоритм доступа к сети

Алгоритм доступа к сети находится в Приложении 2 «Алгоритм доступа к сети»



5. Детализация системы контроля

5.1 Детализация схемы устройства ЦКП

5.1.1 Формирователь синхрокода

Формирователь синхрокода (SC) состоит из генератора, одного 6-ти разрядного счётчика, 2-х логических элементов «И» и одного RS - Триггера.

На одном из логических элементов «И» установлено число 510 = 0001012.

На другом логическом элементе «И» установлено число 5710 = 1110012.

Когда счётчик досчитает до 57, на вход SET триггера поступит 1, и на выходе триггера установится 1 уровень.

Затем счётчик начинает считать с «0». После того, как счётчик досчитает до 5, на вход RESET триггера поступит «1», и счётчик сбрасывается в «0» уровень.

Таким образом, будет сформирован сигнал синхрокода: 5 бит = «0 уровень»

52 бит = «1 уровень»

Принципиальная схема «Формирователя синхрокода» находится в Приложении 3.

5.1.2 Формирователь адреса

Адрес КП, которому будут отправлены команды ТУ, задаёт оператор на клавиатуре.

После чего он поступает на регистр RG и на мультиплексор для последующей передачи.

Так как, в системе контроля 16 КП, необходимо иметь 16 адресов:



Таблица адресов:

№ КП	Address
1	00001
2	00010
3	00011
4	00100
…	…
16	10000

Из таблицы можно увидеть, что адрес нужно задавать 5 битами, т.е. на пульте оператора будет расположено 5 кнопок.

Принципиальная схема «Формирователя адреса» находится в Приложении 3.

5.1.3 Передатчик ТУ

Передатчик команд телеуправления состоит из:

1. Кнопочная панель задания команд

2. Кодер CD

3. Регистр RG [ТУ]

4. Мультиплексор MS1

5. 4-х разрядный счётчик Сч

Оператор на пульте управления задаёт сначала адрес КП, который необходимо регулировать, затем задаёт команду ТУ и нажимает кнопку «Регулировать». Сигнал с кнопки регулировать поступает на разрешающие входы регистров RG, после чего на мультиплексор поступают сигналы Address + КТУ. К адресным входам мультиплексора подключен счётчик. Схема счётчик + мультиплексор преобразует параллельный код в последовательный.

Принципиальная схема «Передатчик ТУ» находится в Приложении 3.

5.1.4 Приёмник ТИ - ТС

На декодер ТИ поступает 7 бит ТИ (по току) и 5 бит ТИ (по температуре). Как только прошло 12 бит, на логическом элементе «И» появляется единица, регистр ТИ перестаёт принимать сигнал.

От этой же единицы открывается второй элемент «И» и начинает принимать сигналы Декодер ТС.

Как только декодер примет 16кп х 2 = 32 бита, на логическом элементе «И» появится 1 и счётчик Сч4 перестанет считать.

Таким образом будут приняты и отправлены на дисплей :

1. ТИ (по току) - 7 бит

2. ТИ (по температуре) - 5 бит

3. ТС - 32 бит

После того как будет принят последний ТС, на логическом элементе «И» появится 1, которая поступит на последний элемент «И» (обозначен пунктиром).

Последний элемент «И» обнуляет всю схему, после чего схема снова может принимать сигналы.

Принципиальная схема «Приёмник ТИ-ТС» находится в Приложении 3.

сеть управление протокол передача

5.2 Детализация схемы устройства КП

5.2.1 Приёмник адреса

5.2.2 Приёмник команд ТУ

Приёмник адреса и приёмник команд ТУ проще рассматривать как одно устройство, которое состоит из:

1. Декодер ТУ

2. 3-х разрядный счётчик

3. 6-ти разрядный счётчик

4. Логические элементы «И»

5. Сравнивающее устройство

6. Регистр ТУ

Принцип работы приёмника адреса и команд ТУ:

По ФЛ последовательно от ЦКП поступает:

1. Синхрокод

2. Адрес КП, который необходимо регулировать

3. Сигнал регулирования - ТУ

Когда на декодер поступает сигнал синхрокода SC = 111112 , на логическом элементе «И» появляется единица и начинает работать счётчик.

Счётчик нужен для того чтобы организовать задержку , которая располагается между синхрокодом и началом регулирования, в моём случае она равна

4410 = 1011002.

Когда счётчик досчитает до 44, на логическом элементе «И» появится 1, Устройство сравнения начнёт принимать сигнал с декодера.

Устройство сравнения необходимо для того, чтобы сравнить полученный адрес с адресом данного КП, и если они равны, разрешить приём сигнала ТУ.

На декодер поступает какой то адрес. Если этот адрес равен адресу данного КП, на выходе устройство сравнения появляется 1, и регистр ТУ начинает принимать сигналы телеуправления и пересылать их на ОКУ.

Принципиальные схемы «Приёмник адреса КП» и «Приёмник КТУ» см. в Приложении 4.

5.2.3 Передатчик ТИ-ТС

Передатчик ТИ - ТС состоит из следующих элементов:

1. Объект контроля и управления - ОКУ

2. АЦП по току

3. АЦП по температуре

4. Регистр RG [Ток]

5. Регистр RG [Температура]

6. Устройство сравнения №1 (сравнивает ток с номинальным значением тока)

7. Устройство сравнения №2 (сравнивает температуру с номинальным значением темп.)

8. Устройство сравнения № 3 ( сравнивает значение счётчика с адресом данного КП)

9. Мультиплексор MS1 (передача сигналов ТС)

10. Мультиплексор MS2 ( передача сигналов ТИ)

11. 2-х, 5-ти разрядные счётчики

Принцип работы:

1. По ФЛ1 приходит SC

2. При приёме каждого SC устройство «И» генерирует 1, и отправляется сигнал ТС

3. При приёме каждого SC счётчик прибавляется на 1, когда значение счётчика будет равно адресу данного КП, от устройства сравнения придёт 1 на разрешающий вход мультиплексора и будут отправлены сигналы ТИ.

В итоге получается, что все КП за один подцикл передают сигналы ТС и 1 из КП передаёт сигнал ТИ, адрес этого КП равен номеру подцикла в двоичной форме. Всего подциклов 16.

Устройства сравнения №1 и №2 нужны для формирования сигнала ТС.

Принципиальная схема «Передатчик ТИ-ТС » см. в Приложение 4.

5.2.3 Структурная схема УПС

УПС - устройства преобразования сигнала обеспечивают возможность по одной физической линии передавать большое количество сигналов, т.е. организуют логические каналы передачи данных на одном физическом проводнике. Следуя моему заданию, необходимо осуществить частотное разделение канала. К сожалению, электрическая принципиальная схема Частотного УПС не приведена в лекциях по курсу «Информационные сети и телекоммуникации». Ниже приведена структурная схема частотного УПС.



Структурная схема. УПС с разделением каналов по частоте.

С - смеситель

ЛЧ - линейная часть

У - усилитель



6. Технико - экономическое обоснование системы контроля

6.1 Расчёт частоты дискретизации и предельно допустимой скорости передачи

Режим Телесигнализации

Скорость изменения тока I = 104 мА/сек, диапазон изменения 0 … 10 мА, погрешность уровней контроля в режиме ТС 1%, т.е. не более 0.1 мА. Найдем время, за которое ток может измениться на 0.1 мА: t = 0.1 / 104 = 10 -5 сек .

Полученное время является максимальным периодом ТС: ТТС = 10 мкс.

В системе 16 объектов контроля и управления, цикл ТС = 16х2 = 32 бита, в результате получаем:

ТSYN = 10 / 32 = 0.3125 мкс

SYN = 1 / ТSYN = 3.2·106 Гц.

Режим Телеизмерения

Скорость изменения температуры ? = 10-1 град/сек, диапазон изменения 0 … 100оС , погрешность уровней контроля 5%, т.е. не более 5 оС . Найдем время, за которое напряжение может измениться на 5 оС: t = 5 / 10-1 = 50 сек. Полученное время является максимальным периодом ТИ: ТТИ = 50 с. Учитывая, что цикл ТИ равен 12 битам, найдем время, за которое передается один бит и частоту следования SYN сигнала:

ТSYN = 50 / 12 = 4170 мс

SYN =1/ТSYN = 0,2 Гц.

Режим Телеуправления

Система переходит в режим ТУ по команде с ЦКП, следовательно частота дискретизации в этом режиме не существенна.

Выбираем частоту работы генератора равной : SYN = 3.2·106 Гц.

6.2 Оценка погрешности измерительных устройств, выработка рекомендации по улучшению метрологических характеристик

Погрешность измерительных устройств определяется конкретными типами и моделями устройств. Изучение рынка и подбор необходимых микросхем выходит за рамки данного курсового проекта. Погрешность измерений можно уменьшить более совершенными и , в то же время , более дорогими датчиками, это же касается и АЦП по току и температуре.

В контексте данной работы, целями которой является :

1. Закрепление теоретических знаний

2. Умение составлять технические описания и пояснительные записки

3. Умение выполнять расчётные, аналитические и графические работы

4. Умение оформлять техническую документацию по рассматриваемому вопросу

5. Умение защищать свою работу

достаточно остановиться на теоретических рекомендациях по уменьшению погрешности датчиков и увеличению разрядности АЦП, использованию более совершенных элементов схемы с сохранением приемлемого соотношения «Цена - Качество».



7. Заключение

В процессе выполнения курсового проекта были закреплены знания по курсу «Информационные сети и телекоммуникации», изучены подобные работы и предложения на рынке, созданы уникальные схемы, которые вряд ли удастся найти « где то ещё». Это является подтверждением самостоятельности выполнения работы, глубины изучения вопроса и проявленного интереса со стороны студента.



8. Список литературы

1. Лекции по курсу «Информационные сети и телекоммуникации»

2. Методическое пособие «Передача данных в информационно-управляющих системах» г. Лесной 1998 г.

3. Поисковая система «Yandex»

4. Поисковая система «Google»

Размещено на Allbest.ru