Основные принципы построения и работы систем телеуправления

Средством для исключения многопроводности при большом числе объектов управления, является шифрация (кодирование) передаваемой и дешифрация (декодирование) принимаемой информации.

Перед поступлением в линию связи сообщение должно быть сформировано таким образом, чтобы его передача осуществлялась с наибольшей эффективностью: заданной надежностью и максимальной скоростью (подробнее см. п. 2.9).

Процесс преобразования сообщений из одной формы в другую, производимый по определенным законам или правилам для наиболее рациональной передачи по линиям связи, называется кодированием. В свою очередь коды – это законы или правила, в соответствии с которыми осуществляются указанные преобразования. Так, например, коды Бауэра, циклические коды, коды с постоянным весом – это правила преобразования сообщений.

Кроме того, кодами называют полученные в результате кодирования упорядоченные множества логических переменных, несущих командную или контрольную информацию. Так, когда мы говорим: «Сформирован код команды…», под кодом понимаем именно результат кодирования безотносительно к тому, в соответствии с каким правилом это кодирование осуществлялось. В этом случае уместнее было бы говорить «кодовая комбинация». Каждая кодовая комбинация обычно состоит из фиксированного набора символов (равномерные коды) и соответствует одному сообщению.

Цели и результаты кодирования проиллюстрируем с помощью следующего примера. Допустим, из пункта А в пункт Б необходимо передавать восемь различных команд: объект управления №1 включить; объект управления №1 выключить; объект управления №2 включить; … объект управления №4 выключить. Поскольку перечень команд заранее определен и неизменен, (т.е. какая-то иная команда, не входящая в данный список, передаваться не будет) по линии связи можно передавать только номер команды из списка, предварительно их пронумеровав. Например:

объект управления №1 включить 1;

объект управления №1 выключить 2;

объект управления №2 включить 3;

…................................................................................

объект управления №4 выключить 8.

Приведенный список команд и соответствующий им десятичный номер (в данном случае одноразрядная кодовая комбинация) представляют собой правило кодирования для упомянутой выше системы управления, например, с телефонным каналом связи. Если бы потребовалось передавать большее количество команд, то очевидно, потребовалось бы и большее количество разрядов для кодирования номеров команд: до десяти команд включительно - достаточно одного разряда десятичного кода: 0-9 (рассмотренный пример); до ста команд включительно - два разряда десятичного кода: 00-99; до тысячи команд - три разряда десятичного кода: 000-999 и т.д. Правило присвоения командам номеров (правило кодирования) выбирает разработчик системы управления, руководствуясь определенными соображениями (см. п.п. 2.9.1). Так, приведенный список команд мог бы выглядеть иначе:

объект управления №4 выключить 1;

объект управления №4 включить 2;

объект управления №3 выключить 3;

объект управления №3 включить 4 и т.д.

Очевидно, что для правильного функционирования системы управления правила кодирования информации на передающей стороне и правила декодирования на приемной должны быть одинаковыми. Т.е., если кодирующее устройство при вводе команды «объект управления №3 включить» формирует на своем выходе «3», декодирующее устройство после приема «3» на приемном конце должно создать условия для включения объекта управления №3, а не какого-то другого.

В рассмотренных примерах для кодирования команд использовалась десятичная система счисления. Однако ее применение в технических системах управления проблематично. Объясняется это сложностью представления значений разрядов кодовых комбинаций (0, 1, 2, … 9) и в шифраторе, и в линии связи.

Иначе обстоит дело при использовании для построения кодов двоичной системы счисления. Её основное преимущество по сравнению с десятичной заключается в том, что схемная реализация устройств для операций с двоичными числами не вызывает особых затруднений, поскольку большинство элементов, используемых для построения схем, имеют два устойчивых состояния. Это электромагнитные реле, триггеры, транзисторы, работающие в ключевом режиме. Одно из этих состояний обозначают «1», другое «0». Кроме того, для построения телемеханических сигналов достаточно двух импульсных признаков: амплитуда U1 или U0, частота f1 или f0, фаза Ф1 или Ф0 для передачи элементов сообщений, которые имеют значения «1» или «0» соответственно.

Вернемся к рассмотренной ранее задаче (из п. А в п. Б необходимо передавать восемь различных команд), но для построения кодов воспользуемся двоичной системой счисления.

Таблица 2.1 Пример неизбыточных кодов для восьми команд

Как и в первом случае кодирование, по своей сути, представляет собой нумерацию команд, но теперь уже в двоичной системе счисления. Предполагается, что читатель имеет хотя бы общее представление о правилах преобразования десятичных чисел в двоичные и наоборот. Обратим только внимание на тот факт, что для кодирования восьми команд достаточно было одного разряда десятичного кода, а при использовании двоичного потребовалось три. В общем случае, максимальное количество кодовых комбинаций N, которое может быть получено для n-разрядного кода с основанием М:

Для десятичного кода М=10, а для двоичного М=2. Нетрудно определить минимальную разрядность двоичного кода для десяти, ста или тысячи команд (как мы это делали для десятичного кода): для десяти команд - 4 разряда (0000–1010), для ста команд - 7 разрядов (0000000–1100100), для тысячи команд - 10 разрядов (0000000000-1111101000). Однако в реальных системах управления выбором правила (закона) кодирования решаются не только вопросы нумерации команд, а еще и вопросы эффективной (максимально достоверной и с минимальными затратами) доставки. Поэтому разрядность кодов (длина) в технических системах всегда больше минимальной (подробнее см. п. 2.9.1, 2.9.2).

Независимо от принятого правила присвоения командам двоичных номеров сформированный шифратором код команды должен быть передан из п. А в п. Б для последующей дешифрации и формирования необходимого управляющего воздействия на объект управления. Эта задача может быть решена различными способами.

Для передачи сообщений по линии связи необходим переносчик, который с заданной скоростью и наименьшими искажениями доставил бы получателю адресованное ему сообщение. Передача сообщений в системах телемеханики происходит по каналам связи, где в качестве переносчика сообщений выступает постоянный или переменный ток. Постоянный ток характеризуется такими параметрами, как амплитуда и полярность, переменный – амплитудой, частотой и фазой. Изменяя один или несколько параметров (признаков) переносчика по определенному правилу в соответствии со структурой исходного сообщения (кода) можно осуществить его доставку в пункт приема.

Таким образом, для передачи по каналу связи сообщение как бы накладывается на переносчик, изменяя его параметры. Переносчик с «нанесенным» на него сообщением называется сигналом. Очевидно, что каждое сообщение, будь то команда или извещение о состоянии контролируемых объектов, образует свой собственный сигнал, отличный от других. Это необходимо для различения сообщений на приемном конце.

При ограниченном количестве сообщений каждому сообщению можно поставить в соответствие определенное значение признака переносчика: например, первую команду из табл.2 будем передавать, используя частоту f1 переменного тока, вторую команду - f2 и т.д. Т.е., при нажатии кнопки К1 некое устройство в пункте управления генерирует и передает в линию связи переменный ток с частотой f1 (по нажатой кнопке К2 – частоту f2, К3 - f3…). Прием этой частоты в пункте приема должен обеспечить включение соответствующего объекта управления. Если же число сообщений больше числа признаков, которые могут быть использованы (так, в выделенной линии связи можно использовать не более 15-20 различных частот), каждому сообщению ставится в соответствие сложный сигнал, состоящий из совокупности признаков, используемых на определенных интервалах времени. Такой подход может быть использован для поразрядной передачи двоичных кодов команд. Если значениям логических переменных (0 и 1) двоичного кода присвоить определенные значения признаков, например, f1 и f2, передача сообщений будет сводиться к последовательному (через фиксированные интервалы времени) чередованию частотных импульсов переносчика. Импульсами называются кратковременные воздействия электрического напряжения или тока на линейную цепь. В течение одного импульса значение признака переносчика не изменяется. Временной интервал, в течение которого передается один импульс сложного сигнала называется длительностью импульса, а используемые для построения сигналов характеристики переносчика – импульсными признаками сигнала.