автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка методов передачи данных в системах управления технологическими процессами с использованием PLC сети

На правах рукописи

Наинг Лин Зо

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ PLC СЕТИ

Специальность: 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 ОКТ 2015

Москва-2015 г.

005563475

005563475

Работа выполнена на кафедре «Систем автоматического управления и контроля» в Национальном исследовательском университете «МИЭТ».

Научные руководители: Анатолий Васильевич Щагин

Зав. кафедрой САУ и К, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кобзарь Александр Иванович

доктор технических наук, профессор, советник генерального директора ЗАО «НТЦ ЭЛИНС»

Красовский Андрей Александрович кандидат технических наук, руководитель проектов ООО "Интеллектуальные системы управления бизнесом"

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт точного машиностроения».

С -/¿г

Защита диссертации состоится «£>£» нСЯ±_кЯ015 г. в ч. мин. на заседании диссертационного совета Д212Л34.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, площадь Шокина, д. 1, НИУ МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ и на сайге http://miet.ru/.

Автореферат разослан « 1 <0 • 2015 г.

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время несколько видов оборудования и станков с ЧПУ объединяют в автоматизированную производственную систему, которая, в свою очередь, входйг в состав автоматической производственной линии, что позволяет отслеживать производственный процесс на всем его протяжении.

Для создания каналов передачи данных при объединении станков и технологического оборудования могут быть использованы PLC (силовые линии) (Power Line Communication).

PLC-техиология позволяет использовать сети подачи электроэнергии для целей связи, а в настоящее время также услуг широкополосной связи. Основная идея PLC - это снижение эксплуатационных расходов и расходов на реализацию новых телекоммуникационных сетей. Таким образом высоковольтные и низковольтные сети были использованы для внутренних связей в электрических приборах и для реализации задач дистанционного измерения и контроля. PLC также используется во внутренних электрических установках, внутри зданий и домов (так называемые домашние PLC), для различных коммуникационных приложений. Как правило, системы PLC можно разделить на две группы: узкополосные PLC, которые обеспечивают передачу данных со скоростью до 100 Кбит/с и реализацию различных приложений автоматизации и управления, а также широкополосные системы PLC.

Широкополосные PLC в сетях низкого напряжения питания являются экономически эффективным решением для сетей связи «последней мили», так называемых PLC сетей доступа. В настоящее время есть много примеров, связанных с развитием и применением технологии PLC в зоне доступа. Однако использование PLC технологий для организации каналов передачи данных в АСУ ТП изучено недостаточно полно и требует дополнительных исследований.

Таким образом, разработка алгоритмов и анализ методов передачи информации по силовым сетям с созданием математических моделей для передачи информации, создание серверного оборудования силовых сетей и расширение области применения требует проведения моделирования режимов роботы и функционирования PLC модемов, анализа взаимного влияния элементов системы и разработки математических моделей для расчета показателей достоверности передачи информации по силовым сетям и связанным с этим параметров. Разработанные алгоритмы и используемые методы

передачи обеспечивают качественно новые характеристики устройств и снижают себестоимость систем управления оборудованием.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод об актуальности создания теоретических основ и прикладных методов анализа и повышения эффективности передачи данных в системах управления технологическими процессами с использованием PLC - технологий.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов передачи данных в системах управления технологическими процессами, используя технологию PLC.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

1. Сравнению различных видов модуляции в системах PLC сети, а также выбора оптимального метода модуляции.

2. Разработке модели PLC канала с OFDM системой кодирования.

3. Имитационному моделированию PLC канала передачи данных при воздействии источников помех и шумов в канале, с использованием различных методов модуляции и разработанных алгоритмов обработки, обеспечивающих снижение уровня ошибок.

4. Моделированию режимов работы модема передачи данных по PLC сети.

5. Разработке системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

6. Разработке аппаратно-программной модели системы передачи данных в АСУ ТП по PLC.

7. Экспериментальной отработке системы управления роботом манипулятором с использованием PLC технологии.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования и методы передачи информации с использованием PLC - технологии.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

1. Предложена и разработана система передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC технологий.

2. Предложена модель PLC канала с OFDM системой кодирования, обеспечивающая достоверную передачу данных при воздействии помех и шумов в канале.

3. Разработаны алгоритмы обработки, обеспечивающие снижение уровня ошибок.

4. Разработана модель сети электропередачи для узкополосной PLC коммуникации. Проведенные методом математического моделирования исследования позволили определить влияние интерференции на перестановку символов в диаграмме созвездия. Определено, что наиболее устойчивой к влиянию интерференции является модель OFDM с QPSK и 16-QAM.

5. Разработаны схемы и последовательность этапов кодирования и обработки данных при работе с PLC каналом.

6. Разработана система передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

7. Разработана структурная схема системы передачи данных по существующим силовым кабельным линиям электропередачи машиностроительного предприятия.

Практическую значимость работы имеют:

1. Результаты математического моделирования передачи данных по PLC сети.

2. Разработанные системы передачи данных в автоматизированной системе управления технологическими процессами на базе PLC.

3. Разработанные алгоритмы и методы передачи, обеспечивающие качественно новые характеристики устройств и снижающие себестоимость систем управления оборудованием.

4. Разработанная модель PLC канала в MATLAB.

5. Результаты математического моделирования PLC модема схемы связи и блок питания с использованием MULTISIM.

6. Разработанные системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

7. Результаты исследований диссертационной работы, используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ и

с

внедрены в систему управления промышленным освещением производственных площадей светодиодными светильниками на машиностроительном предприятии.

На защиту выносятся:

1. Результаты математического моделирования передачи данных на основе PLC сети.

2. Структурная схема моделирования эффекта интерференции помощью 16-QAM и результаты моделирование эффекта интерференции QPSK и 16-QAM.

3. Алгоритм работы разработанной модели PLC- системы.

4. Алгоритм работы системы связи по линии электропередачи.

5. Разработанная математическая модель PLC модема, схемы связи и блока питания в среде MULTISIM и результаты их моделирования.

6. Разработанная математическая модель PLC канала с использованием MATLAB и результаты моделирования PLC канала.

7. Структурная схема и алгоритмы работы системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC.

Апробация-работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:

1. Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград МИЭТ, 2011-2012-2013 -2015 г.). '

2. Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2012 - 2013 - 2014 г.).

3 Перспективы развития науки и образования «Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции», (ТАМБОВ 2012 г.).

4. Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (Пенза ПГТА

2012 г.).

5. Инновационные процессы технологии в современном мире «Международной научно- практической конференции» ГУЛа

2013 г.). v ф '

6. Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Москва МИФИ 2012-2013 г.).

Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 24 опубликованных работах, в том числе 5 статьях в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 16 работ. Автором получены 2 свидетельства РФ на программу для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 132 страницы основного текста, 94 рисунков и 12 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и приводится ее краткая характеристика. Формулируются цель работы, задачи исследования и представляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ системы передачи данных по PLC. Технология PLC (Power Line Communications - коммуникации по силовым линиям), также называемая PLT (Power Line Telecoms), является проводной технологией, направленной на использование кабельной инфраструктуры силовых электросетей для организации высокоскоростной передачи данных и голоса. В зависимости от скорости передачи делится на широкополосную (BPL) со скоростью более 1 Мбит/с и узкополосную до 100 Кбит/с (NPL).

В настоящее время для передачи энергии и информации применяются, прежде всего, металлические кабели. Принцип построения сети абонентского доступа на базе PLC следующий.

Сети низкого напряжения питания состоят из блока трансформатора и какого-то количества кабелей питания, соединяющих конечных пользователей, которые подключены к сети через блоки измерителя. Система PLC, применяемая к сети низкого напряжения использует его как средство для реализации сетей доступа PLC.

Сети низкого напряжения питания подсоединены к средне и высоковольтным сетям через трансформатор рис. 1. Сети доступа PLC подключены к магистральным коммуникационным сетям (WAN) через базовую/главную станцию (BS) обычно расположенную в блоке трансформатора. Многие приборы поставляющие электроэнергию, имеют свои собственные телекоммуникационные сети, связывающие

блоки трансформатора, и они могут использоваться в качестве магистральной сети. Если это не так, то блоки трансформатора могут подключаться к обычной телекоммуникационной сети.

' доступа к сети PLC---—-

низкое напряжение

Рис. 1. Структура PLC

Подключение к магистральной сети также может быть реализовано с помощью абонента или трансформатора, особенно если есть удобная возможность для его установки. В любом случае, коммуникационный сигнал от магистральной сети должен быть преобразован в форму, которая делает возможной передачу его в сеть с более низким напряжением. Преобразование происходит в основной/базовой станции системы PLC.

PLC абоненты подключены к сети через модем PLC, размещённый в устройстве измерителя электрической мощности М (рис. 1), или подключены к любой розетке во внутренней электрической сети. В первом случае, абоненты внутри дома или здания подключены к модему PLC, используя другую коммуникационную технологию (например, DSL, WLAN). Во втором случае, внутренняя электрическая установка используется в качестве среды передачи, что приводит к так называемому решению PLC на дому.

В большинстве случаев, системы PLC классифицируются в соответствии с напряжением силовой сети, на которой они используются и зоной действия (территорией): применяемые на высоковольтных линиях (HV); применяемые на средневольтных линиях (MV); применяемые на низковольтных линиях (LV); последняя миля; внутри здания; внутри помещения (квартиры).

PLC включает канал, обеспечивающий передачу данных со скоростью более 1 Мбит в секунду, и NPL с намного меньшими скоростями передачи данных.

При передаче сигналов по электросети могут возникать большие затухания на определенных частотах, что может привести к потере данных. В технологии PowerLine предусмотрен специальный метод

решения этой проблемы - динамическое включение и выключение передачи сигнала (dynamically turning off and on data-carrying signals). Суть данного метода заключается в том, что устройство осуществляет постоянный мониторинг канала передачи с целью выявления участка спектра с превышением определенного порогового значения затухания. В случае обнаружения данного факта, использование этих частот на время прекращается до восстановления нормального значения затухания.

Таким образом, существующие системы линий электропередач, использующие электрические энергосистемы, как среду передачи, обеспечивают относительно высокую скорость передачи данных (выше 2 Мбит). PLC может быть применен к сетям высокого, среднего и низкого напряжения, а также в зданиях. Однако, технология PLC в настоящее время используется в основном для сетей доступа и в домашних сетях связи. Это связано с высокой стоимостью сетей доступа (необходимо около 50 % инвестиций в сетевую инфраструктуру для зоны обеспечения доступа) и либерализацией рынка телекоммуникаций во многих странах. Использование PLC технологий для организации передачи данных в АСУ ТП требует дополнительных исследований.

Во второй главе проводится исследование передачи данных в системах управления оборудованием методами математического моделирования PLC канала. Существуют многочисленные варианты классификации PLC технологии передачи данных по электрической сети, которые принято разделять на широкополосные и узкополосные по ширине частотного спектра.

Для построения полной системы PLC необходимо создать модель каналов, а также модели шума передатчика и модели приемника. Полная модель PLC создана на основе конкретных моделей. Таким образом будет возможно создать конкретную линию электропередачи на основе моделирования системы с различными моделями линий и оценить с точки зрения возможности использования различных комбинаций PLC технологии: безопасность передачи, модуляцию, кодирование и т.д. Таким образом могут быть получены наилучшие параметры канала передачи данных. Систему PLC можно разделить на определенные части для целей моделирования: PLC модели коммуникации, модель линии электропередачи, модель шума.

Модель PLC включает блок передатчика, приемника и канала. Она служит для создания источника и узла передачи данных. Для

последующего моделирования модель линии заменяют на блок канала. Базовая PLC модель с системой OFDM показана на рис.2.

Источник

Циклический префикс(СР)

Входны данные

Прием

Принимаемые данные

Удаление CP

Рис. 2. Базовая модель PLC коммуникации с OFDM системой На рис. 2 показана упрощенная модель блока канала связи PLC, в который включены описанные характеристики и параметры. Параметры помехи, за исключением шума, представлены в виде временной переменной линейного фильтра, описанного частотными параметрами. Шум изображается как процесс дополнительной случайной интерференции.

■И

Рис. 3. Влияние SNR на созвездие OFDM модуляции с QPSK и 16-QAM Разработана модель сети электропередачи для узкополосной PLC коммуникации. В предложенной модели было смоделировано влияние интерференции на перестановку символов в диаграмме созвездия. Наиболее устойчивым методом против влияния интерференции была установленная модель OFDM с QPSK и 16-QAM. Базовая схема символа в диаграмме созвездия и ее поведение для различных уровней отношения шума (SNR), показана на рис. 3 для OFDM с QPSK и 16-QAM. Использование OFDM-16 QAM модуляции позволяет увеличить скорость передачи данных на 25 %.

Передатчик т т

Рис. 4. Модель PLC канала На рис. 4 приведена модель PLC канала. Модель охватывает весь диапазон параметров, которые необходимы для модели системы связи с соответствующими характеристиками, хотя эта модель схематично упрощена на рисунке. Функция передачи и шум могут быть либо вычислены из измерений или выведены из теоретического анализа.

Линия может быть описана с помощью R ', L', С ', G ' параметров. Эти параметры обозначают сопротивление, индуктивность, емкость и утечку по отношению к длине линии. Тогда можно определить основные параметры с помощью уравнений:

1 (1)

(2) (3)

¿=^coS h-'C—), к к2а

С' - KS'eo ■

cosh-'C—)

2 а

Q - InfCisaS. (4)

Где d - расстояние между центрами проводников, а - радиус проводника, сг - проводимость меди, Бг - относительная диэлектрическая проницаемость изоляции, Е0 - проницаемость

вакуума, tan 5 - фактором дисперсии, ¡лг~- относительная магнитная проницаемость меди.

Распространение сигнала в надземной модели линии электропередачи приведено на рис. 5.

источник.

замена модели линии _электропередачи

нагрузка

1 Я'Л ¿Л Л

\аг СА _ 01

и,

и, - с/

Рис. 5. Распространение сигнала в надземной линии электропередач Напряжение и ток на линии получаются из теории элементарного участка линии:

Ц^АГ+А^-, (5)

+ , , (б)

/ =

(А1"+А1е-гх).

I Я + ¿шЬ

Параметры, которые описывают участок линий, характеристический импеданс и специфический коэффициент передачи:

' (7)

Д' + ^ в' + ¡а>С

у = а + ]Р = + + }0>С') ■ (8)

Если рассмотреть линию, которая эквивалентна волне, распространяющейся от источника к истоку, то функцию передачи линии длиной 1 можно определить:

Я(/) = И£гЛ = е-г- =е-«(/)'е-жл-. (9)

^ 1 и{х = Ъ)

К (/)« 2л Д'(/)о С (Л « 2,т ус'(/); СЮ)

для

/ = (1,30)Л/#2- (11)

Установлено, что зависимость ¿и С от частоты незначительна. Таким образом, можно упростить характеристический импеданс и данный коэффициент передачи:

^ (12)

Ус"

Г = \ Ц^ + С/)2, +

(13)

Заменим Я (/) уравнения (14) для описания реальной части коэффициентов передачи как функцию зависимости от частоты.

R-(/)= Щ., (14)

V кг

где и К постоянная проницаемости электропроводности, г -радиус проводника. Известно, что G'(/)~/- Теперь можно определить формулировку реальной части коэффициента передачи:

Если заменить строку параметров (z , Г и др.) с помощью констант

к{, к2 и къ, то можно получить реальную и мнимую части коэффициента передачи:

a(f) = RS{y}=klJf+k1f. (16)

Ж/) = Ьп{г} = Аз/Уравнение (16) было аппроксимировано с помощью констант а0,а1 и к:

a(f) = a0+ajk; (18)

коэффициент передачи представляет собой потери на линии относительно длины линии в уравнении (16). Таким образом, коэффициент передачи является функцией длины I. Можно определить затухание линии как амплитуду передаточной функции канала, определенного в уравнении (19), соответствующим подбором параметров а0, ах и к .

A{fJ) = e-a{f),=e{a°+aJk)'. (19)

Модель PLC

канала состоит из OFDM коммуникационной модели, модели линии электропередачи и модели шума. PLC модель может быть использована для сравнения эффективности различных схем модуляции и кодирования.

Выбор метода модуляции для заданной системы связи сильно зависит от природы и характеристик среды, на которой она должка работать. Канал линии электропередачи проявляет враждебные свойства для передачи сигнала связи, такие как шум, многолучевая, сильная селективность канала.

При передаче информации по технологии PLC используются преимущественно один из трех физических методов модуляции; FSK

(Frequency Shift Keying) - изменение частоты сигнала в зависимости от передаваемой информации; OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - "разбиение" спектра передаваемого сигнала на несколько частот (каналов), передача в каждом канале информации независимо и последующий сбор на стороне приемника принятой информации в единый информационный поток; SSM (Spread Spectrum Modulation) -"расширение" спектра сигнала в больший, чем требуется диапазон, модулирование шумоподобным сигналом и корреляционная обработка на стороне приемника.

При современном уровне развития компьютерной техники и сетевых технологий, к сетям предъявляются жесткие требования. Сеть должна обеспечивать требуемую для конкретных условий скорость передачи; так же она должна быть технологией PLC (Power Line Communication) -инновационной телекоммуникационной технологией, основанной на использовании силовых электросетей для информационного обмена.

На рис. 6 показана схема и последовательность этапов формирование и передачи данных в линию PLC канал.

Рис. б. Схема и последовательность этапов формирования и передачи данных в линию PLC канал

Рис. 7. Схема и последовательность этапов обработки данных приёма из линии PLC канала На рис.7 представлена схема и последовательность этапов обработки данных приёма из линии PLC канала. Процесс начинается с приема сигнала с линии электропередачи. Сигнал усиливается и фильтруется. Отфильтрованные данные далее преобразуются из аналоговой формы в цифровую форму. Полученный в результате цифровой сигнал преобразуется из последовательного кода в параллельный. Затем OFDM символы преобразуются в данные. Данные (сигналы) демодулируются в биты. Происходит оценка канала. Декодирование ошибки выполняется с использованием декодера прямой коррекции ошибки. Полученные в результате исправленные данные хранятся в буфере приема. Сохранённые данные передаются в цифровое устройство связи, в котором данные хранятся, расшифровываются и расшифрованные данные хранятся в памяти компьютера.

Таким образом, рассмотренные методы кодирования обеспечивают увеличение скоростей передачи данных без пропорционального увеличения диапазона частот среды передачи или ширины информационных магистралей и необходимую достоверность.

Методы модуляции, которые необходимо применять для физического уровня PLC, должны преодолеть сильные нарушения PLC канала для того, чтобы реализовать высокие скорости передачи данных.

Кроме того, схема модуляции должна реализовать приемлемый ВЕЯ с БИЯ как можно более низким, чтобы иметь возможность сосуществовать с другими системами, уже развернутыми в своей среде и гарантировать удовлетворительное качество обслуживания.

Третья глава посвящена разработке структуры системы передачи данных по электрической сети в системе управления технологическим процессом. Система АСУ ТП - это автоматизированная человеко-машинная система управления, предназначеная для автоматизирования технологических процессов (комплексов технологического оборудования) и производств. Система включает в себя средства автоматизации и оперативный персонал (операторов, диспетчеров).

АСУ ТП имеют, как правило, два-три уровня управления, может работать как в автоматизированном, так и автоматическом режимах управления. В современных АСУ ТП реализуется принцип распределенного управления на базе программируемых управляющих устройств (контроллеров, компьютеров), связанных между собой промышленными шинами (коммуникационными средствами).

Структура АСУ ТП, поясняющая принцип распределенного

Рис. 8. Структурная схема АСУ ТП MTU - главный терминал; УК - управляющий компьютер; CS -коммуникационная система (система связи между программируемыми устройствами); RTU - удаленный терминал; М- PLC модем; Кь К2...К„ - программируемые контроллеры; ЦР - цифровой регулятор; Д -датчик; ИУ - исполнительное устройство; ИД, ИП - интеллектуальные датчики и приводы; ТОУ - технологический объект управления; О,, 02,... 0„ - технологические участки (звенья) объекта управления.

Для снижения себестоимости при организации информационной сети станки с ЧПУ для приема-передачи технологических программ и мониторинга их работы могут быть подключены к PLC сети. На рис. 9 показан пример подключения станка с ЧПУ к PLC сети.

ч ~~ ь

Ч h

Рис. 9. Схема подключения станка с ЧПУ к PLC сети

Электросеть

220 В/ЗОГц

Рис. 10. Схема системы передачи данных по PLC сети в АСУ ТП машиностроительного предприятия

Система числового программного управления (ЧПУ) — компьютеризованная система управления, управляющая приводами подач, главного движения и другими системами технологического оборудования, собирая информацию с датчиков и анализируя их показания в режиме реального времени. На рис. 10 приведена схема системы передачи данных по PLC сети машиностроительного предприятия.

В четвертой главе проведено математическое моделирование и экспериментальные исследования методов передачи данных. Конструкция модема линии электропередачи делится на 3 основные узла, которые включают цифровой блок, блок питания и цепь связи.

Для проверки результатов расчета идеальной и реальной схем сборки до реализации реальной схемы модема, используется моделирование в среде Multisim. Для анализа схемы связи используется принцип суперпозиции.

В результате моделирования показана возможность получения затухания 133,25 дБ, что превышает требование 85 дБ на RX входе TDA5051A и реализация модема.

Рис. 11. Эквивалентная схема соединения в Multisim Проектируя аппаратное обеспечение PLC модема, можно сделать вывод о том, что создание PLC модема является сложной задачей, которая требует детального понимания принципов цифровой связи, и проектирования схем. В работе, рассмотрены вопросы использования ИС TDA5051А в устройствах в PLC модема, рассмотрена схема связи и узла питания PLC модема.

Графические результаты сценария S_FSK_Tx представлены ниже. Они относятся к байтам и к сигналу, смодулированному в рамках визуализации (рис. 12).

Ж- ■:£»;• 1

; - Ш

!ЙШ

Тх спектра

РНУ_ рамы

Рис. 12. Графические результаты сценария 8_Р8К_Тх В качестве примера рассмотрена скорость 300 бит, частота сигнализации 10 и 22 кГц при частоте дискретизации 200 кГц. Унитарные амплитуды были использованы для сигнализации результирующих сигналов, смодулированных мощностью сигнала и отфильтрованных ~ -3,8 дБ. Канал

Реализация и моделирование канала А^УОМ осуществляется в З-Р^К-СЬ. Шум оценивается на основе ЭИВ. набора в файле конфигурации и расчетной мощности сигнала. Результат расчета сигнала в канале с А\УОЫ с ЗЖ = -7 дБ показан на рис. 13.

- * 01«) ' ~ Л*' '

Рис. 13. Результат расчета сигнала в канале с А^ШИ с ЭИЛ = -7 дБ Приёмник- 1Ъс

Демодуляция проводилась с помощью полосовых фильтров с центром на двух частотах передачи сигналов. Результат демодуляции показан на рис. 14 для двух значений £N11, -7 и -12 дБ, соответственно. Это приводит к ошибкам 0,027778 и 0,05 соответственно.

ь

1

II

[II .III

и

III

ЯКЯ- -7дЬ, ВЕкК),027778 ¡ЗШ= -12 дБ, ВЕЯ= 0,05 ' Рис. 14. Результаты демодуляции для двух значений ЗЫЯ, -7 и -12 дБ

На рис. 15 представлена структурная схема системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема. PLM-1 представляет собой полностью цифровой приемопередатчик данных для линии электропередачи с использованием частоты манипуляции (FSK). Реализация PHY (физический уровень) и MAC (управление доступом к среде) уровней модели OSI (сетевая модель OSI), PLM-1 предоставляет возможность эффективной модуляции и демодуляции пакетов данных. Она отображает обнаружение столкновений, а также автоматическую прямую коррекцию ошибки и CRC-16 (циклический избыточный код) и проверку целостности данных. Функции более высокого уровня, такие как адресация и работа сети обрабатываются пользователем, если это необходимо.

ведущии

PLC modem

5в до 3,3в

МК

ведомый

220в

PLC modem

3,3в до5в

Рис. 15. Структурная схема системы передачи данных в системах

управления технологическими процессами на базе PLC Для физического моделирования системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC использована отладочная плата ME-EASYPIC6, микроконтроллер

PIC16F887. На рис. 16 представлена структурная схема системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании двух PIC16F887 микроконтроллеров, двух PLC модулей, двух L233D драйверов, ULN2003APG шагового двигателя, GP 2D12 датчика расстояния и трёх двигателей. Микроконтроллер PIC16F887 может быть заменен на любой микроконтроллер, который имеет внутренний аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и минимально 6 портов ввода/вывода. В данном случае использованы четырехканальный драйвер двигателя L293D и двигатель.

•IV

Программирование микроконтроллера Р1С16Р887 осуществляется на языке Си. Алгоритм управления роботом-манипулятором представлен на рис. 17.

Рис. 17. Алгоритм управления роботом-манипулятором Используя технологии передачи сигнала по существующим силовым кабельным сетям (PLC- технологии), удалось решить проблему автоматизации сбора данных с удаленных объектов и контроля их эксплуатационных и технологических параметров. Основным преимуществом PLC является возможность использования существующей инфраструктуры, без создания промышленной сети передачи данных, что позволяет экономить время и уменьшает стоимость работ, а также обеспечивает гибкость в решении проблем.

Основные результаты работы

В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы были получены следующие результаты:

1. Предложена схема системы передачи данных по PLC сети в АСУ ТП машиностроительного предприятия.

2. Разработана физическая модель для моделирования PLC канала с использованием MATLAB.

3. Предложена схема моделирования эффекта интерференции с помощью 16-QAM. Использование OFDM-16 QAM модуляции, позволяет увеличить скорость передачи данных на 25 %.

4. Проведено математическое моделирование PLC модема, схемы связи и блока питания в среде MULTISIM.

5. Разработана модель системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема.

6. Разработана структурная схема системы передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC с использованием микроконтроллера PIC16F887.

7. Разработано устройство, алгоритмы, программное обеспечение и проведены исследования системы управления роботом-манипулятором по PLC каналу с использованием отладочной платы ME-EASYPIC6.

Проведенное аппаратно-программное моделирование показало возможность использования силовых сетей электропередачи для создания канала передачи данных АСУ ТП.

По результатам работы получены два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015617576 от 15.07.2015 г. и №2015618221 от 03.08.2015 г.

Опубликованные работы по теме диссертации Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Наинг Лиин Зо. Устройство передачи данных по электрической сети. «Естественные и технические науки» № 6, 2012 г., с. 485 - 487.

2. Вей Ян Лвин, Mo Зо Тве, Наинг Лиин Зо. Микропроцессорная система слежения на базе PIC микроконтроллера. «Естественные и технические науки» № 6, 2012 г., с. 483 - 484.

3. А.В.Щагин, Наинг Лиин Зо, Вэй Ян Лвин, Пьо Хылам Хтут. Методы обеспечения достоверности передачи информации в информационно-управляющих PLC сетях предприятий. Научно-технический журнал "Информационные системы и технологии"

«Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (Госуниверситет - УНПК) № 4 (78) июль-август 2014 г с 107-113.

4. А.В.Щагин, Вэй Ян Лвин, Наинг Лиин Зо, Пьо Хылам Хтут. Модель микропроцессорного устройства управления углом тангажа и крена беспилотного летательного аппарата. Научно-технический журнал « Известия Высших Учебных Заведений ЭЛЕТРОНИКА » - №5(109) М.:МИЭТ, 2014 г., 2014 г., - с. 88 - 92. ISSN- 1651-5405.

5. Тайк Аунг Чжо, Наинг Лиин Зо. К вопросу создания модели обнаружения и технической диагностики неисправностей объектов в автоматизированных системах. Журнал «Научное обозрение» входит в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ, №5,2014 г., с. 150- 155.

Другие публикации

6. Наинг Лин Зо. Методы кодирования в PLC технологиях. Микроэлектроника и информатика. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. -М.: МИЭТ, 2011 г., с. 232.

7. Наинг Лин Зо. Модемы для передачи данных по электрической сети. Микроэлектроника и информатика. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2012 г., с, 182.

8. Наинг Лин Зо. Моделирование передачи информации с помощью PLC- технологий. XV Международная телекоммуникационная конференция и молодых ученых и студентов « Молодежь и наука»-М.: МИФИ. 2012 г., с. 120.

9. Наинг Лин Зо. Методы кодирования в каналах передачи информации. Сборник научных трудов по материалам, Международной заочной научно-практической конференции Часть 1-сентября. 2012г, с. 130 - 133.

10. Наинг Лин Зо. Устройства системы передачи данных по электрической сети. Микроэлектроника и информатика. 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2013 г., с. 79.

11. Наинг Лин Зо. Использование PLC -технологий для передачи данных в системах ЧПУ. Микроэлектроника и информатика. 21-я Всероссийская межвузовская научно- техническая конференция студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2013 г., с. 203.

12. Наинг Лин Зо. Передача широкополосных сигналов по электрической сети переменного тока. 16-Международная конференция студентов и молодых ученых. ЧастьЗ- М.: МИФИ. 2013 г., с. 131.

13. Наинг Лин Зо. Математическое моделирование передачи данных по PLC сети. Современные информационные технологии, (Сборник статей международной научно-технической конференции), Пенза.-2013 г. ЧастьЗ , с. 53 - 56.

14. Наинг Лин Зо. Моделирование канала передачи данных PLC технологии, б-я Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2013 ». -М.: МИЭТ, с. 91.

15. Naing Lin Zaw, Kyaw Zaw Ye, Htike Aung Kyaw. Power line cable transfer function for the broad-band power line communication channel. Horizon Research publishing corporation « Universal Journal of Control and Automation», Vol l.No 4, Dec 2013. P. 103 - 110.

16. Наинг Лин Зо. Структура пакетов данных в системах PLC ЧПУ металлообрабатывающих станков. Инновационные процессы и технологии в современном мире, Международная научно-практическая конференция, Уфа, 29-30 ноября 2013 г. с. 215 - 218.

17. Наинг Лин Зо. Сравнение различных видов модуляции в системах PLC сети. 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2014». — М.: МИЭТ, с. 193.

18. Наинг Лин Зо. MAC- уровень в широкополосных PLC сетях. Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине. Часть I. Сборник научных трудов Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине»29 апреля - 2 мая 2014 г. с. 192 - 197.

19. Наинг Лин Зо. Система передачи данных в системах управления тех-нологичеекими процессами на базе PLC при использовании PLM-1 модема. 7-я Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике — 2014» «МИЭТ» 13-14 ноября 2014 г., с. 169.

20. Kyaw Zaw Ye, Naing Lin Zaw. Modeling and analysis of the power line communication channel. Международная конференция « Инжиниринг

& Телекоммуникации- En&T 2014» тезисы докладов 26-28 ноября 2014 г., с. 101 - 110.

21. Наинг Лин Зо. Использование метода многотональной модуляции при реализации PLC канала. Международная конференция « Инновационные подходы к решению технико- экономических проблем»: сборник трудов.-М.:МИЭТ, 2014. -292 с. 196 - 201.

22. Наинг Лин Зо. Аппаратно-программное моделирование системы передачи данных в АСУ ТП. 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2015». - М.: МИЭТ, с. 234.

23. Наинг Лиин Зо, Вэй Ян Лвин, А.В.Щагин. Программа для передачи данных в системах управления технологическими процессами на базе PLC, №2015618221, 2015 г. Свидетельство.

24. А.В.Щагин, Вэй Ян Лвин, Наинг Лиин Зо. Программа для аппаратно-программного моделирования устройства управления беспилотным средством видеомониторинга, №2015617576, 2015 г. Свидетельство.

Подписано в печать: Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. ^ Тираж экз. Заказ № Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шокина, дом 1, МИЭТ.