В системах управления и автоматизации

Материальным носителем информации при автоматизации управления технологическими объектами является сигнал. Сигналы текущей информации о состоянии ТОУ вырабатываются датчиками и далее обрабатываются каналами обратной связи.

В преобразовании сигналов прямой и обратной связи можно выделить два аспекта:

- преобразование природы, формы и параметров сигнала (усиление, формирование, модуляция, квантование и пр.);

- установление однозначного соответствия между отдельными видами сигналов и состояниями управляемого и контролируемого параметров (кодирование: состояние – сигнал; перекодирование: сигнал – сигнал; декодирование: сигнал – состояние).

Для управления ТОУ наиболее часто используются электрические сигналы, реже – механические, пневматические, гидравлические. Классификация представления сигналов в системах управления (СУ) ТОУ приведена на рис.1.2.

Рис.1.2. Классификация представления сигналов в СУ ТОУ

В соответствии с классификацией сигналы делятся на две группы:

- аналоговые или непрерывные, способные в определенном диапазоне находиться в бесконечно большом количестве состояний;

- дискретные, способные в определенном интервале находиться в конечном числе состояний (ток в цепи, коммутируемой реле; выходной сигнал логического элемента или узла цифровой схемы и т.д.).

Аналоговые сигналы могут быть потенциальными с линейным и нелинейным преобразованиями первичного состояния параметра и гармоническими, отрабатывающими изменение первичного состояния параметра соответствующим изменением амплитуды, частоты или фазы сигнала. Получение первых осуществляется более простыми устройствами, вторые являются более гибкими, устойчивыми к помехам, позволяют осуществлять гальваническую развязку цепей.

Дискретные сигналы бывают квантованными по уровню и времени. Они являются лишь определенным приближением к аналогу параметра, измеряемого датчиками или полученного в преобразованном виде.

Для источников аналоговых сигналов характерна большая, чем у дискретных, чувствительность к помехам и инструментальным погрешностям преобразователей (дрейф нуля, температурные колебания коэффициентов усиления и т.п.). Источники дискретных сигналов лишены этих недостатков, т.к. образующие их элементы работают не в усилительном, а в релейном режиме.

Квантование сигналов по уровню (рис.1.3, а) сводится к замене текущих значений непрерывного сигнала конечным числом его уровней. В результате непрерывный сигнал y(t) заменяется ступенчатой функцией . Разность уровней Dy(t) называется разрешающей способностью сигнала или шагом квантования по уровню.

Квантование непрерывного сигнала y(t) по времени сводится к замене большого числа значений непрерывного сигнала конечным числом мгновенных значений, фиксируемых через определенный промежуток времени Т = Dt. Последний называется шагом квантования или периодом квантования по времени и может быть постоянным или переменным. Дискретные сигналы могут быть представлены в виде импульсов, модулированных по амплитуде А, частоте f = 1/Т и скважности g=t/T, как показано на рис.1.3, б, в, г.

При амплитудной модуляции в моменты времени t_к значение амплитуды импульса А_к равно значению непрерывного сигнала в данный момент времени. При модулировании по частоте – частота импульсов пропорциональна аналоговому сигналу; при модуляции по скважности – скважность пропорциональна измеряемому сигналу.

Следовательно, при модуляции по частоте и скважности амплитуды дискретного сигнала А_f и остаются неизменными (рис.1.3, в, г), а изменяются пропорционально исходному аналоговому сигналу соответственно период квантованного сигнала Т_i (на рис.1.3, в Т_i уменьшается, т.е. увеличивается ) и длительность импульсов (на рис.1.3, г возрастает, т.е. возрастает ).

а) б )

в) г)

Рис.1.3. Квантование сигналов:

а – по уровню, б, в,г - по времени, где б – модулирование по амплитуде;

в – по частоте; г – по скважности

Кодирование сигналов

Кодирование сигналов служит для обмена информацией между отдельными составляющими СУ ТОУ (САУ или АСУ) (схемами, узлами, устройствами, блоками), ее обработки и хранение с требуемой точностью и надежностью (самая высокая помехозащищенность). Кодирование состоит в использовании кода – универсального способа отображения информации при ее передаче, обработке и хранении. Код представляет собой систему соответствий между элементами сообщений и сигналами, при помощи которых эти элементы можно зафиксировать. В коде различные виды сигналов одной физической природы называются символами. Конечная совокупность символов, выбранная для передачи конкретного сообщения, называется словом. Кодовый сигнал (код) - особый вид сигналов (цифровой сигнал). Кодирование может производиться либо от аналоговых, либо от дискретных сигналов (рис.1.2).

пример: 0 или 1 – символы в одном разряде двоичного кода (1 бит информации);

байт содержит 8 бит информации (8 разрядов), т.е. например, 10001001 байтовое слово.

В АСУ так же как в любых информационно-измерительных системах (ИИС) применяются два способа передачи сообщений (совокупности слов): параллельным кодом – все символы одного слова передаются одновременно по каналам, число которых соответствует количеству символов, т.е. длине слова (для передачи байтового слова нужно 8 каналов); последовательным кодом - символы одного слова передаются друг за другом по одному каналу.

Выбор кодов определяется спецификой восприятия и преобразования информации, характерной для данного уровня АСУ ТП и ее составляющих.

Основными требованиями, которые выдвигаются при выборе способа кодирования, являются: экономичность отображения информации, простота технической реализации устройств кодирования, удобство выполнения вычислительных операций и надежность передачи сообщений.

Для выполнения этих требований, особенно связанных с удобством выполнения вычислительных операций, наиболее пригоден цифровой код (алфавит), число символов в котором зависит от основания системы счисления и обычно не превышает 10 или 16. Такой подход позволяет осуществлять кодирование не только чисел, но и понятий.

При помощи кода с основанием n любое число можно представить в виде:

(1.1)

где N – количество разрядов; a_j – количество символов в одном разряде.

Если опустить n^j , то получим более компактную запись N – разрядного (от N –1 до 0) числа М:

. (1.2)

Пример:М = 123 = 1×10^3-1 + 2 × 10^2-1+ 3 ×10° (n=10).

Из формул (1.1) и (1.2) следует, что одно и то же число М в зависимости от основания n при кодировании формируется из разного количества символов в одном разряде (a_j)и количества разрядов (N). Например, цифровой 3-разрядный десятичный вольтметр, представляющий информацию в коде с основанием 10, имеет в каждом разряде 10 различных цифр (символов), может с точностью до 1 младшего разряда выдать 1000 (0, 1, …, 999) различных значений измеряемого параметра (напряжения). для осуществления той же операции в двоичном коде (коде с основанием 2) потребуется 10 разрядов с двумя значащими цифрами в каждом из них (2¹⁰ = 1024).

Пусть n – максимальное число символов в разряде (основание кода), а N – число разрядов.

Тогда возможное количество различных сообщений составляет

. (1.3)

Например, 1024 = 2¹⁰; в двоичном коде с помощью 10 разрядов можно записать максимальное число 1024, т.е. для передачи числа 1024 понадобится 10 каналов (разрядов) двоичного кода.

Экономичность кодирования будет тем выше, чем меньше знаков следует затратить на передачу одного и того же сообщения. При передаче сообщений по каналу связи количество знаков определяет также и необходимое для этого время.

По соображениям простоты технической реализации явное преимущество на стороне кода с n = 2, при котором для хранения, передачи и обработки информации необходимы дискретные элементы с двумя устойчивыми состояниями.

Пример: логические функции: «да» - «нет», состояние блока ТОУ: «включено» - «отключено», действие (операция): «выполнено» – «не выполнено», техническое состояние узла ТОУ: «исправен» - «неисправен», кодируется цифрами «1» - «0».

Поэтому двоичный код получил широкое распространение в цифровых устройствах измерения контроля, управления и автоматизации.

При вводе двоично-кодированной информации в ЭВМ для компактной записи часто используют коды, основание которых являются целой степенью чисел 2:2³ = 8 (восьмеричный) и 2⁴ = 16 (шестнадцатеричный).

Для примера рассмотрим формирование чисел в различных системах счисления (табл.1.1).

Таблица 1.1

Система счисления
Десятичная n = 10	Двоичная n = 2	Восьмеричная n = 8	Шестнадцатеричная n = 16
			А
			В…F

Рассмотрим двоичные позиционные коды. Среди них широко используются специальные коды: прямой, обратный, дополнительный. Во всех этих кодах введен специальный знаковый разряд.

В прямом коде знак кодируется 0 для положительных и 1 – для отрицательных чисел. Пример 1100 (+12) в прямом коде 0.1100. Прямой код удобен для выполнения операций умножения, т.к. знак произведения получается автоматически. Однако затруднено вычитание. Этот недостаток устраняется применением обратного и дополнительного кодов, отличающихся от прямого способом представления отрицательных чисел. Обратный код отрицательного числа образуется инвертированием всех значащих разрядов (-1100 (– 12) в обратном коде: 1.0011). В дополнительном коде после инвертирования разрядов в младший размер добавляется 1. Пример: - 1100 в дополнительном коде: 1.0100.

В системах и устройствах отображение информации (цифровой индикации) нашли применение двоично-десятичные коды. В этих кодах каждая десятичная цифра представляется четырьмя двоичными (тетрадой).

Системы кодирования в 2-10 кодах показаны в табл.1.2.

Таблица 1.2

Код	Десятичные числа	Использование
											В системах ЧПУ станков
2 и 5											Для контроля и коррекции информации
Код Грея											Для повышения надежности в АЦП и кодовых датчиках

Выбор частоты квантования для аналого-цифрового преобразователя (АЦП). При квантовании и последующем кодировании сигналов, например в случае квантования по времени в виде импульсов, модулированных по амплитуде (рис.1.3, б), дальнейшее преобразование сигналов в АЦП заключается в представлении амплитуды импульсов двоичным кодом. При этом установление частоты квантования усложняется в тех случаях, когда исходный аналоговый сигнал y(f) является произвольной функцией времени и не поддается аналитическому выражению. Тогда частота квантования определяется на основании теоремы В.А.Котельникова. В этой теореме рассматривается непрерывная функция, имеющая ограниченный спектр частот, т.е. содержит частоты от 0 до f_mаx. Такую функцию можно представить с достаточной точностью при помощи чисел, следующих друг за другом через интервалы времени

. (1.4)

Следовательно, исходя из формулы (1.4), определяющей шаг квантования, при частоте квантования

(1.5)

функция, содержащая ограниченный спектр частот воспроизводится достаточно точно.