автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Модели и устройства передачи данных в автоматизированных системах управления и контроля параметров технологических процессов производств

"государственный комитет российской федерации по высшему образованию

курский государстве!mil,iii технический университет

■ На правах рукописи

1 г, т

Боицова Елена Алексеевна

МОДЕЛИ И УСТРОЙСТВА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 11РОЦЕССОВ IIРО11ЛВОДСТВ

Специально«!. ОГ>. ] 3.07 - Аптоматп.ип'ии /ivxiio-'mni'ierKiix процессов

и производств

' АВТОРЕФЕРАТ нп соискание учено» степени кандидата темжчееких наук

Курск 1Я96

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете на кафедре электротехники и а1ектроники.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Захаров И. С.; кандидат технических нате, доцент Некрасов И. С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор .

Сизов Л. С. кандидат технических наук, доцент Довгаль В. М.

. Ведущее предприятие: ОКБ "Авиаавтоматика" АО "Прибор"

Защита диссертации состоится 25 декабря 1996г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета К.064.50.01 по защитам диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Курском государственном техническом университете (305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94, коифереиц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы ка • автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 305040 г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, • ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан ¿{3, //• 1996г.

Ученый секретарь диссерационного совета канд. фнз.-мат. наук, доцент ,

Старков Ф. А.

3 -----------

_________________- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время автоматизация технологических процессов в производстве играет важнейшую роль. Для контроля за технологическим процессом производства и принятая правильных управленческих решений необходима достоверная и оперативная информация. Только высокий уровень организации систем информационного обеспечения, технической базой которой являются средства связи и автоматического контроля технологических процессов, измерительные приборы, вычислительная техника, позволяет своевременно получать и обрабатывать требуемые объемы информации.

Системы передачи информации привлекают внимание специалистов разной профессиональной ориентации: от инженеров, занимающихся эксплуатацией и проектированием систем (Бабицкий II.- А., Базилевич К. В., Крестовский В. А., Махрай Е. В. и др.), до математиков (Эрланг А. К., Хннчин А. Я., Башарнн Г П., Колмогоров А. Н., Харкевнч А. Д., Шнепс М. А. и др.). Это отражается н на характере выполненных работ, который менялся, начиная от публикаций, где предлагаются эвристические методы расчета, основанные на инженерной практике или моделировании, до теоретических исследований, пропеденных на высоком математическом уровне.

Широкое развитие получают телематические службы - передача данных (ПД), видеотекст, факсимильная связь, телетекст. Цифровая система сотовой радиосвязи имеет несомненные преимущества перед аналоговой, главными из которых являются се большая емкость, возможность реализации услуг, предоставляемых в цифровых сетях интегрального обслуживания (ЦС110), простота сопряжения с ЦСПО, высокая помехоустойчивость. Между тем создание таких сетейИ развитие услуг связи сопряжено то значительными материальными затратами,'которые недоступны многим промышленным предприятиям. Поэтому необходимы решения, которые позволят удовлетворить потребности информационного обеспечения промышленных предприятий экономически выгодным способом.

Стандартная телефонная сеть в сравнении с сетями данных общего пользования (ДОП ) позволяет создать максимально упрощенные системы передачи данных. Кроме того, и случае телефонного телетрафнка,телефонный канал имеет огромный резерв .времени,' поэтому возможность максимально использовать этот временной резерв телефонной линии связи представляет собой огромный интерес, особенно дли предприятий, производственные подразделения которых уже оснащены стандартными телефонными коммутируемыми сетями общего пользования (ТФ-ОП).

Для предприятий, производственные цеха которых не оснащены каналами ТФ-ОП, целесообразно создание локальных информационных сетей передачи данных п автоматизированной системе управления и контроля параметров технологических процессов производств (АСУ КПТПГ1).

При проектировании и эксплуатации информационных сетей, а так же сетей связи особое внимание уделяется организации прохождения заявок через срть.. Критериями оценки эффективности функционирования сети служат: качество обслуживания заявки, пропускная способность сети, вероятность потерн заявки н ряд других характеристик. Как правило, значения практически всех характеристик функционирования сети зависят от выбранного алгоритма организации прохождения заявок через сеть.

Поскольку передача информации через систему электросвязи начинается с использования терминальных устройств, то создание устройств передачи и классификации сообщений, имеющих высокую помехоустойчивость, линейность модуляционной характеристики и отсутствие паразитной ' модуляции, а также обеспечивающих минимальную аппаратную сложность представляет огромный практический интерес. В связи с этим решение проблемы создания экономически выгодных и гибких АСУ КПТПП на основе телефонных и проводных линий связи представляет собой актуальную и перспективную задачу.

Цель данной работы заключается в разработке и исследовании моделей и устройств передачи информации о контролируемых технологических параметрах производств по каналам ТФ-ОП с использованием времени свободного от речевого телетрафпка и проводным линиям связи для автоматизации технологических процессов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка моделей передачи данных в АСУ КПТПП по каналам ТФ-ОП и проводным линиям связи,

2. Создание и исследование устройств передачи и обработки информации, имеющих высокие метрологические характеристики.

5. Проведение анализа и разработка методики расчета основных характеристик амплитудно-фазового модулятора.

А. Разработка и исследование достоверности устройства классификации сообщений центрального диспетчерского пункта в интересах создания АСУ КПТПП.

Методы исследования основаны на использовании методов системного анализа, математического моделирования, аппарата теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, теории телетрафпка. Проверка теоретически выводов проводилась путем экспериментального моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены и программно реализованы модели передачи информации по каналам ТФ-ОП н проводным линиям связи для АСУ КПТПП;

5_________________________ ------ -----

_________- предложены методы адаптации разработанных моделей передачи информации.по каналам ТФ-ОП и проводным линиям связи в АСУ КГГГИП;

- разработаны методики анализа и расчета устройств передачи и обработки информации;

- созданы устройства для передачи и анализа передаваемой информации в исследуемых областях применения;

- проведен анализ вероятности правильного определения номера канала, вероятности пропуска сигнала и вероятности ложной тревоги созданного устройства.

Па защиту шгтослтаг.

1. Модели передачи данных по каналам ТФ-ОП и проводным линиям связи в АСУ КПТПП применительно к реализации конкретных технологических процессов.

2. Методы организации сигналов при передаче информации по каналам ТФ-ОП и проводным линиям связи в АСУ КПТПП.

3. Результаты технических решений в виде обоснованных методов и устройств передачи информации по каналам ТФ-ОП и проводным линиям связи в ЛСУ'КПТПП.

•4. Методики анализа и расчета созданных технических решений передачи п обработки информации по каналам ТФ-ОП и проводным лшшпм связи в АСУ КПТПП.

5. Оценки вероятности правильного определения номера канала, вероятности пропуска сигнала и вероятности ложной треноги устройства классификации сообщений.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в разработке структуры сетей передачи информации, имеющей минимальную аппаратную сложность при млкснмальнодопуст11м6й помехоустойчивости, в АСУ КПТПП но каналам ТФ-ОП с использованием временных рсзериов этих капало» и по проводным линиям связи с учетом технико-экономических требований, предъявляемым к- таким системам, а также в разработке устройств передачи и классификации сообщений, имеющих высокие показатели помехоустойчивости по отношению к известным устройствам.

Результаты работы могут быть пенолмопаны на промышленных предприятиях с различными технологическими процессами, в региональных службах экологического контроля и т. п. -

Практическая реализации результатов работы:

Полученные в диссертационной работе результаты реализованы в автоматизированных системах контроля технологических параметров птичников на птицефабриках "Пригородная" и "Медвенская" Курской области и к автоматизированной системе контроля технологических параметров производства сахара »а Кшснском сахарном заводе Курской области.

Работа выполнена по Региональной научио-техннческой программе "Черноземье" Миннауки России на 1994-1995/т. Per. Л"о 0194000165, 01950001652.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на юбилейной научно-технической конференции Курского государственного технического университета (г. Курск, май 1995), на научно-практической конференции "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" Курского государственного технического университета (г. Курск, декабрь 1995г.), на Всероссийском семинаре " Актуальные проблемы математнчесеого моделирования н автоматизированного проектирования в машиностроении" (г. Чебоксары, июнь 1996г.).

Публикации: Результаты, полученные в диссертационной работе, нашли отражение в 10 печатных работах.'

Структура и объел/ работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 103 страницах, содержит 38 рисунков, 132 наименования используемой литературы и 6 страниц приложении, всего страниц 150, таблиц 5.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая ценность работы, перечислены основные положения н результаты, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ состояния и тенденции развития систем и устройств передачи информации. Рассмотрены различные способы передачи информации в АСУ КПТПП по проводным каналам связи, по существующим стандартным радиоканалам, по запятым каналам телефонной связи и звукового вещания, а также технические устройства, обеспечивающие помехоустойчивую передачу информации.

В процессе анализа показано, что все рассмотренные способы передачи информации по радиоканалам и по занятым каналам звукового вещания имеют или высокую сложность технической реализацией, или не обеспечивают передачу информации без помех для ауднального восприятия. Поэтому использование радиоканалов и занятых каналов звукового вещанпл в автоматизированных системах управления и контроля параметров технологических п|Юцессов производств представляется нецелесообразным, и то время как ориентация на телефонную сеть для передачи информации в АСУ КПТПП представляется обусловленной как технической, так и экономической целесообразностью. Между тем организация такого типа передачи информации в АСУ КПТПП выгодна с экономической точки зрения лишь в

___________________- - -----------7 -----------------------

том случае, когда структурные подразделения производства уже имеют стандартную телефонную связь. В связи с этим возникает необходимость создания различных алгоритмов передачи информации в АСУ КПТПП с использованием временного резерва телефонного канала связи и выбора оптимального варианта такой связи по заданному критерию.

В результате анализа определены основные критерии эффективности специализированных сетей передачи данных (СПД) и обоснована необходимость организации АСУ КПТПП по проводным линиям связи на предприятиях, производственные цеха которых не оснащены стандартными телефонными каналами связи. Разработка моделей такой связи представляет собой важную научную задачу, имеющую народнохозяйственное значение. Проведен анализ существующих устройств передачи сообщений (УПС). Показано, что при разработке помехоустойчивых УПС необходимо решить задачу создания такого модулятора, который, имея высокую линейность модуляционной характеристики и отсутствие паразитной модуляции, при незначительном изменении схемы выполнял бы функции как фазового, так и амплитудного модуляторов. Отмечено так же, что при больших скоростях передачи . информации известные УПС обладают высокой вероятностью пропуска'сигнала, поэтому в современных АСУ КПТПП для повышения помехоустойчивости при передачи данных целесообразно использовать способы организации сигналов, обеспечивающие требуемую помехоустойчивость и создать устройства классификации сообщении.

Во агорой гнию диссертации разработаны алгоритмы и математические модели перед«1!!! информации о контролируемых технологических параметрах производств по каналам 'ГФ-ОП, используя временной резерв (время, свободное от передачи речи) телефонного канала.

Передача информации о контролируемых параметрах осуществляется следующим образом: через определенные, строго фиксированные промежутки времени н каждом цехе снимаются показания контролируемых параметров датчиков, которые кодируются п передаются на центральный диспетчерский пункт (ЦДП).

Так как адекватными математическими моделями сетей передачи информации, как и других информационных сетей, являются системы массового обслуживания (СМО), то в данной главе связь между цехом к ЦДП представлена как одноканальпал система массового обслуживания с отказами.

Рассмотрены следующие состояния системы:

S¡)- канал свободен;

S|- канал занят, исправен (идет передача информации);

52- канал неисправен (занят телефон в цехе, информация не поступает на цдп);

53- капал иснепрапен (занят телефон на ЦДП, информация не поступает). '

Заявка, заставшая канал ненсправным (занятым или по причине занятое™ телефона в цехе, или по причине занятости телефона на ЦДП), покидает систему необслужеиной.

Граф состоянии такой системы представлен на рис.1.

Рис.1

Получены финальные вероятности такой системы

-1

Р > Е

РI =

Р1 =

Р 5 =

I + ---

у (1 + 2 V

Л

ц + 2 V

V X

Р о >

Г

V

О)

(I + 2 V

г I М + 2 v ) ' где Х- интенсивность потока информации; ц- интенсивность потока об-служиванпй; V- интенсивность потока отказов; у- интенсивность потока занятости.

Заявка, заставшая канал занятым по причине занятости телефона в цехе, покидает систему, в случае занятости телефона на ЦДП, заявка опять возвращается в систему.

Граф состояний такой системы представлен на рис.2.

Рис.2

Получены финальные вероятности состояний такой системы

у + А 2у У + А v у + р у р + у у] *

Ро = Л = Рг =

1-+Я -Ро

ц + V V V + А

/ Р+г'

:Л>

Рз

= -М +-Ро

XV /1+.У)

Определена вероятность того, что заявка, принятая к обслуживанию будет обслужена, т.е. определена вероятность получения информации из цеха. Она определяется по формуле

О-ТГ^А. (3)

м + 2У

На основе этих СМО составлены различные математические модели организации передачи информации нз всех цехов производства: последовательная передача информации из всех цехов, последовательная передача с обязательным получением информации нз каждого цеха, выборочная передача информации.

Одним из стопным критериев оценки оптимального варианта системы передачи информации является критическое время доставки неискаженных сообщении от наибольшего числа абонентов к адресату.

Сравнение этих моделей по выбранному критерию показывает, что оптимальной является модель с. последовательной выборочной передачей информации. Эффективность и качество функционирования средств телефонной связи зависят от нагрузки ни линии связи.

Использование свободного времени стандартных каналов ТФ-ОП для передачи служебной информации увеличивает нагрузку на .пиши связи и тем самым снижает показатели эффективности работы телефонной сети, основной функцией которой ¡шляется установление соединения между абонентами. В данной главе определена вероятность соединения пользователей при исследуемой нагрузке на линии связи

Р, = --^-А* (4)

где: -вероятность соединения без дополнительно» нагрузки на лшнш гвя.ш; Т- промежутки времени, через которые посылаются запросы В. цех, 1,^.- время обслуживания заявки (получения информации). Доказана возможность использования телефонного канала в АСУ КПТПП н выбора оптимального варианта организации связи дой) производства с любым технологическим циклом по заданному критерию.

Для предприятий, производственные цеха которых не оснащены телефонной сетью, разработаны алгоритмы и математические модели передачи

информации о контролируемых технологических параметров производств по проводным линиям связи и методы их оптимизации по технико-экономическим показателям. При отсутствии на производстве каналов ТФ-ОП для управления и контроля за основными параметрами технологического процесса производства необходимо создание локальных малоканальных систем с равнодоступными проводными каналами связи. Такие системы обычно состоят из одной центральной А'-канальной станции, каналы которой тем или иным способом сделаны равнодоступными для большего числа или для всех цеховых станций.

Основными факторами, определяющими объем оборудования, являются число канатов .V и интенсивность поступления вызовов Л, продолжительность занятости канала связи вызовом и показатель качества обслуживания. При организации системы управления .1106011 сети связи необходимо обеспечить заданное качество обслуживания, которое зависит от способа обслуживания заявок в данной системе связи.

Разработаны алгоритмы и математические модели, передачи информации в АО' КПТГ1П по проводным линиям связи.

Модель с числам каналов, равным числу пользователе//. В этом случае заявка обслуживается немедленно, но такая система экономически невыгодна, особенно для предприятий с большим количеством цехов.

Модель с числом каналов меньше числа пользователем. Заявка обслуживается в порядке очереди, и пропускная способность такой модели определяется формулой

Модель системы обслуживания с выделением дополнительных каналов для удовлетворения приоритетных вызовов. Данная модель обеспечивает более высокое качество передачи информации для приоритетных цехов, т.к. некоторое количество из общего числа каналов системы доступно только приоритетным цехам, а остальные каналы являются равнодоступными для всех остальных цехов.

Пропускная способность для приоритетных пользователей такой модели определяется как

Модель системы обслуживания с ограничением числа свободных каналов для неириоритетных пользователей. В данной модели приоритетность обеспечивается за счет выделения приоритетным пользователям определенного числа свободных каналов.

Пропускная способность приоритетных пользователей такой модели определяется как

(5)

<7п

о О

I!

11

'(Я/,)'

(7)

Модель системы оба п исшшшт с очередью для приоритетных пользо-впте.ки. В данной модами при занятости всех каналов приоритетные пользователи получают право па очередь. Граф состоянии такой системы представлен на рнс.З.

-

2ц

Г1|юнускиая способность для приоритетных пользователей такой модели определяется как

_ ^ (Л1„у (яр* *т-'-(ла1ь)т" :г '

¡.О- а N ! N - Яп/4 1 (8)

Зависимости пропускной способности моделей от телстрафнка сети изображены на рис, 4.

<7п = /Х

ь > Зрп-

Рис.4

Анализ показывает, что систему сбора информации о контролируемых технологических параметрах, производства целесообразно строить но принципу систем обслуживания с. использованием "очереди", что позволяет повысить качество обслуживании без существенного снижения уровня качества для ненрнорнтстных пользователей.

П г/няъсИ г.чаис разработаны и исследованы помехоустойчивые устройства передачи и обработки информации, основанные на использовании

амплитудной и фазовой модуляции несущей частоты сигнала, т. к. они обеспечивают высокую помехоустойчивость, решена задача создания модулятора, который, имея высокую чувствительность, линейность модуляционной характеристики и отсутствие паразитной модуляции, выполняет функции и фазового и амплитудного модуляторов. Разработано устройство классификации сообщений центрального диспетчерского пункта с высокой помехоустойчивостью и предложена методика ее расчета.

Схема фазового модулятора с повышенной линейностью модуляционной характеристики приведена на рис.5.

Она содержит параллельный ¿Сконтур I, имеющий индуктивную связь с источником сигнала, канальный транзистор 77, дополнительный параллельный ЬС~ контур II с индуктивной связью с нагрузкой.

В этой схеме конденсатор С1 выбирается таким, чтобы его сопротивление было равно по модулю сопротивлению 1/2 катушки индуктивности ¿2 ¿Сконтура 1 (\Хс1\ = \Х1г /2\). При этом катушка индуктивности Ь2 ' имеет отвод от средней точки, к которой подсоединены катушка ¿5 второго контура и конденсатор С2.

Равенство по модулю сопротивлений Л'с, и Хи / 2, а так же наличие отвода от средней точки у катушки £.2 обеспечивают при изменении сопротивления ЛЛ. канала нолевого транзистора от 0 до Ик » 0 постоянство амплитуды и ее фазовый сдвиг на угол больше %.

Наличие конденсатора С2 позволяет настраивать второй ¿¿^контур и 1>езонанс. Это минимизирует энергию, потребляемую контуром, и устраняет паразитную амплитудную модуля дню.

На основании проведенного анализа рассматриваемой схемы рис.5 показано, что при изменении сопротивления Лк канала нолевого транзистора от 0 до Пк » 0 амплитуда выходного напряжения в ней остается постоянной, а фаза изменяется на угол я. В связи с тем, что сопротивление канала полевого транзистора под воздействием управляющего напряжения, подводимого на его затвор, может меняться практически линейно в больших пределах, удается получить фазовый сдвиг в рассматриваемой схеме на угол порядка одного радиана, при котором отсутствуют заметные нелинейные искажения модулирующего сигнала.

Приведены результаты исследований по расширению функциональных возможностей этого модулятора путем использования его в качестве как фазового, так и амплитудного модуляторов без изменения параметров элементов. Для расширения функциональных возможностей в схему введен переключатель на два положения и два направления. Схема такого модулятора приведена на рис.6.

Схема модулятора, имеющего повышенные функциональные возможности

Данная схема содержит параллельный LC -контур I, имеющий индуктивную связь с источником сигнала, униполярный транзистор VTI, дополнительный параллельный LC- контур И с индуктивной связью с нагрузкой, переключатель Я/. Катушка индуктивности контура I имеет две полуоб-моткн L2 и L3, а переключатель Ш- два положения (Ш и 2П) и два направления (/Ян 2Н ). Параметры элементов схемы выбираются таким образом, чтобы выполнялось условие |<VU| = |.Vn| = |Л'(Л| = |2.V1(| = (2Л'„(, где Л'/г, Х13-индуктивные сопротивления обмоток L2 и L3, соответственно; Л'С1

а

I!

ВД -L

Рис. 6

и Хп-емкостные сопротивления конденсаторов С1 и С2, соответственно; Л'и -индуктивное сопротивление катушки индуктивности L4.

При нахождении переключателя III в положении 1П гюлуобмоткн первого контура включаются согласно. В этом случае устройство работает как фазовый модулятор, а процессы, протекающие в нем, описаны выше.

При нахождении переключателя И1 в положении 2П начало "а" полуобмотки L2 соединяется с началом "в" полуобмотки L3 . Конец "е" полуобмотки L2 через конденсатор С1 соединяется со стоком транзистора I '77. В этом случае L 2 u L3 первого LC -контура включаются встречно, и устройство работает как амплитудный модулятор.

На оснопашш проведенного анализа рассматриваемой схемы рис.6 видно, что ее можно использовать как в качестве фазового, так и амплитудного модуляторов без изменения параметров элементов. В обоих случаях она обладает высокой чувствительностью и линейностью модуляционных характеристик, а так же малым уровнем паразитных модуляций. При использовании этой схемы в качестве амплитудного модулятора при изменении сопротивления RK канала транзистора от 0 до ЛА » 0 в ней можно осуществлять 100%-ную амплитудную модуляцию. При этом практически отсутствует паразитная фазовая модуляция. В связи с тем, что сопротивление канала транзистора под воздействием управляющего напряжения, подводимого на его затвор, меняется практически линейно в больших пределах, на практике удастся получить величину амплитудной модуляции порядка 90%, при которой отсутствуют заметные нелинейные искажения.

Следует отметить, что линейность модуляционной характеристики растет при увеличении отношения (A'i3 /2)//fA„4V, при этом характеристика становится уже практически линейной, когда такое отношение равно 8. Необходимое соотношение между Хп / 2 и Ккшч в схеме легко выбирается путем регулирования напряжения смещения униполярного транзистора.

В современных системах управления технологическими процессами производств при передаче информации о контролируемых технологических параметрах используют помехоустойчивое кодирование, которое, может быть осуществлено за счет пропадания в исходной детерминированной импульсной последовательности одного или нескольких подряд импульсов в соответствии с передаваемым сообщением. При этом для передачи сообщений о различных контролируемых параметрах технологических процессов могут нсноличоваться исходные детерминированные импульсные последовательности с различными периодами их следования. В этом случае для классификации сообщений на центральном диспетчерском пункте необходимо знать в принятом случайном импульсном сигнале начальный период его следовании. Между тем на практике он, как правило, оказывается неизвестным. Поэтому важное значение приобретает задача его оценки. Показано, что, располагая некоторой априорной информацией о структуре входных случайных импульсных сигналов, с помощью автокорреляционной

обработки можно получить оценку их исходных периодов, обеспечивая при этом высокую помехоустойчивость по отношению к взаимным помехам.

Существо предложенного метода заключается в следующем, Анализируемый сигнал описывается наиболее часто встречающейся на практике моделью наблюдения

Y(t)=s(l)+r(t) (9)

где >yi) = ^fft-t„); th=T¡/h, Л=1,2.3,..., 7>период следования нм-

пульсов /' импульсной последовательности; г=! ,2,3,....л ;

Т, = 77 Т, = Г / 2; Г, = Т / 3; ... ; 7"Л = Г / п; г^-флуктуацнонный шум.

В импульсной последовательности s(t) возможно пропадание одного или нескольких импульсов подряд. Вероятность появления в соответствующий момент времени (с началом следующего периода) нуля или единицы (импульса или его отсутствия) представляет собой случайную функцию, распределенную по нормальному закону

f<t)=ll/(orl2Í)lc"r-""'/'"''", (10)

где тт -математическое ожидание; а-с|>еднее квадратическое отклонение.

11а рйс.7 приведена структурная схема устройства, реализующая предложенный метод оцемкп исходного периода случайных импульсных сигналов.

N (тройство содержит п -каналов обработки сигналов (1.2,3,..., /г), схему управления 1. При этом число каналов определяется числом импульсных сигналов в пределах заданной группы. Каждый канат включает в себя последовательно соединенный ключ (1-1, 2-1,..., л-I), усилитель (1-2, 2-2,...,

л-2), схему "/Г (1-3, 2-3..... /;-3), счетчик (1-4, 2-4,..., л-4), пороговое

устройство (1-5, 2-5..... л-5), триггер (1-6, 2-6..... п-6), а также линию

задержки (1-7, 2-7,..., /1-7), вход которой подключен к выходу усилителя (1-2, 2-2,..., /7-2), а выход соединен со вторым входом схемы "//" (1-3, 23,..., п-З). Входом устройства являются соединенные между собой первые входы ключей (1-1, 2-1,..., /7-1) и л+1 - вход схемы управления 1. Выходами устройства служат выходы триггеров (1-6, 2-6,..., л-6), которые соединены, соответственно, с 1,2,..., и-1 входами схемы управления 1.

Проведен анализ этой схемы, цслыо которого было определение вероятности правильного определения номера канала, вероятности пропуска сигнала н вероятности ложной тревоги, которая обуславливается возможностью срабатывания /- канала при наличии на входе схемы сигнала более высокого капала, т.е. сигнала Л-1 капала, либо Л-2 канала, . . либо п - канала.

Показано, что с увеличением порога к от 1 до 3 вероятность правильного определения номера канала резко уменьшается (от 1 до 0,3). При дальнейшем увеличении к уменьшение этой вероятности имеет меньшую крутизну. Так, например, при увеличении к от 3 до 7 вероятность правильного обнаружения номера канала уменьшается от 0,3 до 0,2.

К уменьшению вероятности ложно» тревоги приводит увеличение порога к и увеличение отношения /}+т/У/.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследовании, разработанных в диссертации алгоритмов и устройств передачи и обработки информации.

Разработан действующий макет АСУ КПТПП, включающий в себя проводной канал связи, а также фазовый и амплитудный модуляторы и устройство классификации сообщений центрального диспетчерского пункта, проведены их экспериментальные исследования.

При проведении экспериментальных исследований основное внимание уделялось испытанию разработанного макета н изучению эффективности использования предложенных схем модуляторов на частотах до 40 МГц и классификатора сообщений центрального диспетчерского пункта. При выборе структуры системы контроля и способа передачи в ней информации были рассмотрены, в первую очередь, различные, указанные во второй главе диссертации, модели построения систем передачи информации. Для передачи информации был выбран способ передачи информации но проводным линиям связи, основанный на том, что поступающая информация с цеховых датчиков немедленно или п порядке очередности может 'передаваться на центральный диспетчерский пункт. При этом информация, поступающая с цеховых датчиков в периферийный модуль, преобразуется в нем из параллельной в последовательную форму и передается на ЦДП, где обратно преобразуется в последовательную форму.

Проведены исследования характеристик разработанного для передачи информации фазового модулятора (крутизна и линейность модуляционной характеристики, рабочий диапазон частот, простота технической реализации). Доказано, что разработанная схема обладает большой крутизной модуляционной характеристики, равной 0,001 рад/мВ, большой линейностью модуляционной характеристики. При изменении модуляционного напряжения в пределах от 0,1 В до 1,1 В нелинейные искажения в схеме отсутствуют.

Исследованы характеристики разработанного для передачи информации амплитудного модулятора (крутизна и линейность модуляционной характеристики, рабочий диапазон частот, простота технической реализации). Показано, что разработанная схема обладает большой крутизной модуляционной характеристики, равной 0,001 рад/мВ, большой линейностью модуляционной характеристики. При изменении модуляционного напряжения в пределах от 0,2 В до 1,2 В нелинейные искажения в схеме отсутствуют.

Проведены исследования устройства классификации сообщений центрального диспетчерского пункта (помехоустойчивость по отношению к взаимным помехам, а также вероятность ложной тревоги). Полученные результаты согласуются с теоретическими.

В заключении обобщаются основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях представлены расчеты индуктивности и емкости фазового и амплитудного модуляторов, акты внедрения полученных в работе результатов.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании теории массового обслуживания с использованием теории вероятности разработаны модели использования каналов ТФ-ОП на предприятиях для передачи данных в автоматизированных системах управления и контроля параметров технологических процессов производств (АСУ КПТПП): модель с последовательным опросом пользователей, модель с последовательным опросом пользователей и с обязательным получением информации, модель с последовательным выборочным опросом пользователей.

В качестве критерия эффективности моделей организации передачи контролируемых параметров технологического процесса выбран интервал времени, за который от наибольшего количества пользователей хотя бы одни раз получена информация, что позволяет выбрать варианты технической реализации, для оптимальной организации информационного обеспечения.

2. Предложена перспективная для технической реализации при выбранном критерии оффективностп модель с последовательным опросом всех цехов производства, которую целесообразно .использовать на предприятиях с длительным (4-5 час. и более) технологическим пшеном.

На предприятиях с малым количеством цехов (до 10) целесообразнее использовать модель с последовательным опросом пользователей и с обязательным получением информации. Предприятиям с большим количеством цехов (более 50) или с малым временем длительности технологического цикла (0,5-1,5 час.) целесообразно использовать модель с последовательным выборочным опросом пользователей.

3. Базируясь на теорию телетрафпка и теорию массового обслуживания разработаны модели передачи данных в АСУ КПТПП по проводным линиям связи: модель с числом каналов, равным числу пользователей; модель с числом каналов меньше числа пользователей; модель с выделением дополнительных каналов для приоритетных пользователей; модель с ограничением числа свободных каналов для неирнорптетных пользователей; модель с очередью для приоритетных пользователей. В качестве критерия выбора модели определена пропускная способность системы ( вероятность получения информации в зависимости от числа каналов и интенсивности потока вызовов).

Перспективной для технической реализации по выбранному критерию является модель с числом каналов равным, числу пользователей. В тоже

-------- ------------------------------ ------------

время она наименее экономична на предприятии с большим числом цехом (более 50), т. к. стоимость системы передачи данных прямопроиорцпо-нальна числу каналов. В случае, если предприятие имеет среднее число цехов 30-40 и среднее критическое время технологического цикла до 1,5 час., то достаточно эффективно использование модели с числом каналов меньше числа пользователей. Наиболее универсальными являются модели с использованием очереди и среди них модель с очередью для приоритетных пользователей, позволяющая повысить качество обслуживания для приоритетных пользователей без существенного снижения уровня качества для неприоритетных пользователей.

4. Разработаны основные устройства передачи информации: фазовый модулятор и модулятор, имеющий высокие метрологические характеристики.

В фазовом модуляторе (ФМ) в качестве управляющего элемента использован полевой транзистор. Методика расчета основана на анализе эквивалентных схем фазового модулятора в предположении, что сопротивление канала полевого транзистора под воздействием модулирующего напряжения изменяется от 0 до со. ФМ имеет: высокую линейность (уровень 2 и Л гармоник составляет менее 0,5%), крутизну модуляционной характеристики 0,001 рад/мВ и малую (менее 0,5%) паразитную амплитудную модуляцию. Исследованы пути расширения его функциональных возможностей. Показано, что если в первом ¿С контуре фазового модулятора первую и вторую полуобмотки включить согласно, то схема работает- как фазовый модулятор, если их включить встречно, то схема работает как амплитудный модулятор. В связи с этим одну и ту же схему можно использовать как в канале фазового так и амплитудного модуляторов.

На основании теории электрических цепей с использованием векторного анализа разработана методика расчета схемы амплитудного модулятора. Он имеет линейную модуляционную характеристику (уровень 2 и Л гармоник составляет менее 1%), в нем отсутствует паразитная фазовая модуляция при изменении модуляционного напряжения в пределах от 0,2В до 1,2В.

5. Предложена методика расчета и создано устройство классификации сообщений центрального диспетчерского пункта (ЦДП). Устройство позволяет в условиях априорной неопренделенности о структуре входных случайных импульсных сигналов с датчиков с помощью автокорреляционной обработки получать оценку их исходных периодов, обеспечивая при этом высокую помехоустойчивость (вероятность ложной тревоги менее 0,1) по отношению к взаимным помехам. Методика расчета основана на анализе сигнала, представляющего собой случайную импульсную последовательность, на которую наложены помехи. Устройство с вероятностью 0,95 классифицирует сообщения, т. е. определяет принадлежность сигнала к тому или иному каналу.

6. На основе теории вероятности выполнен анализ вероятности правильного определения Номера канала, вероятности пропуска сигнала и вероятности ложной тревоги.

Показано, что вероятность Р, правильного определения номера канала максимальна при требуемой минимальной вероятности Рж ложной тревоги, при заданном отношении fi+a/C-, и оптимальном значении порога к, с увеличением отношения fj+n/fj при заданном к вероятность/^ ложной тревога уменьшается; увеличение отношения приводит к возмож-

ности уменьшения порога к и как следствие этого увеличение Р, при заданном значении Pv.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Бойнова Е. А., Некрасов П. С., Романченко А. С. Исследование высокочувствительного фазового модулятора/ Курск, гос. техн. ун-т. Кура;, 1990.*Деп. в ВИНИТИ 14.02.90. " "

2. Бойцова Е. А., Некрасов И. С., Прокопов В.Н. Оценка амплитуды модулирующей функции при обработке случайных импульсных сигналов СФНН/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1990. Деп. в ВИНИТИ 14.02.90, Л0869-В90.

3. Бойцова Е. А., Некрасов П. С. Расширение функциональных возможностей фазового модулятора с повышенной линейностью модуляционной характеристики/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1990. Деп. в ВИНИТИ 14.02.90, №859-вЬо.

4. Бойцова Е. А. Использование занятых телефонных каналов для передачи информации в автоматизированных системах контроля технологических параметров производств//Труды юбилейной научн. конф. (май 1095 г.)/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1995. С. GG-68. ч

5. Бойцова Е. А., Некрасов II. С., Овчинников А. Л. Способ органн-зацини передачи информации в автоматизированных системах контроля состояния окружающей среды// Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: Материалы науч. практ. конф./ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1995. С. 145-147.

6. Бойцова Е. А., Некрасов И. С. Алгоритм оценки периода следования случайной импульсной последовательности/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 199G. Деп. в ВИНИТИ Ii.l 1.96, №3279-В96.

7. Бойцова Е. А., Захаров И. С., Некрасов И. С. Передача информации по проводным линиям связи в системах контроля технологических параметров производств/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 199G. Деп, в ВИНИТИ 15.04.9G, №1207-1396.

8. Бойцова Е. А., Захаров И. f., Некрасов И. С. Передача информации но занятым стандартным телефонным каналам связи в системах контроля технологических параметров производств/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 199G. Деп. в ВИНИТИ 15.04.96, ЛЫ206-ВП6.