Введение

Развитие АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами) и СОДУ (системы оперативно-диспетчерского управления), создание автоматизированных систем управления отдельными технологическими процессами и установками приводят к возрастанию требований к техническим средствам передачи информации, которые должны обеспечивать передачу больших объемов информации с повышенными требованиями к быстродействию и достоверности передачи информации, использовать высокоэффективные каналы связи, обеспечивать искробезопасное присоединение к датчикам и исполнительным устройствам, информационное и электрическое сопряжение с электронно-вычислительными машинами, устройствами представления и регистрации информации и др.

В данном дипломном проекте выполнена разработка оптического канала связи, который обладает некоторыми из вышеперечисленных требований и, в некоторых случаях, гораздо оптимальней кабельной линии связи.

1. Информационный обмен в производственных условиях

Создание материальных благ, необходимых для жизни человека, осуществляется в процессе производства. Очевидно, что в производственном процессе человеку приходится затрачивать и умственную энергию, причем тем большую, чем сложнее процесс. Умственная энергия используется и при управлении производственным процессом. Здесь человек в нужные моменты времени должен вмешиваться в ход производственного процесса и принимать соответствующие решения. Например, на нефтехимическом заводе происходит переработка солярового масла отделением летучих углеводородов.

Поступающее в ректификационную колонну сырье предварительно подогревается до определенной температуры, величина которой должна изменяться в зависимости от состава сырья. Оператору, управляющему этим процессом, прежде чем вмешаться в ход процесса, нужно иметь полную информацию о ходе этого процесса, т.е. иметь данные о температуре, давлении, составе сырья и т.п. Для этого при помощи контрольно-измерительной аппаратуры и датчиков необходимо сначала получить информацию. Устройства для получения информации иногда называются устройствами сбора информации. Иногда для получения более полной информации производится анализ перерабатываемых продуктов.

Далее нужно передать информацию оператору. В простейшем случае оператор сам снимает показания приборов. В другом случае информация доставляется оператору из лаборатории, где производится анализ. Если же оператор управляет несколькими установками, которые разбросаны на большой территории, то для передачи информации о ходе производственного процесса могут быть использованы специальные устройства, называемые устройствами телемеханики.

Получив всю информацию, оператор, прежде чем принимать решение, должен переработать информацию. Переработка информации может быть простейшей, и оператор, основываясь на своем опыте и инженерной интуиции, производит ее либо в уме, либо путем несложных вычислений на бумаге. Однако в ряде случаев вследствие изобилия полученных данных их переработка может занять значительный промежуток времени. В этом случае для переработки информации могут применяться вычислительные машины.

Если вычислительная машина или оператор находится вдали от процесса, то переработанную информацию нужно вновь передать средствами телемеханики к уставкам автоматических регуляторов и исполнительным механизмам, где происходит использование информации (изменение температуры, скорости, давления и т.п.).

Таким образом, при управлении производственным процессом происходит получение, переработка и использование информации.

В системах телемеханики циркулирует много сообщений, причем циркуляция осуществляется от многих источников к многим приемникам. Кроме того, системы телемеханики могут передавать информацию на многие десятки и сотни километров. Поэтому, чтобы не удорожать все устройство путем прокладки многих линий связи для передачи сообщений между многими источниками и приемниками, целесообразно использовать линию связи многократно.

Многократное использование линии связи означает, что по одной линии связи (например, по одной паре проводов) можно передавать сообщения между многими источниками и приемниками. Это достигается применением каналов связи.

При управлении производственным процессом всегда возникают сообщения, которые произошли в ходе производственного процесса и которые необходимо передавать от одного звена автоматического устройства к другому. Эти сообщения порождаются различными событиями, например изменением состава подаваемого сырья, повышением температуры окружающей среды и т.п. сообщения о событии могут быть многообразны; одно и тоже событие можно охарактеризовать по-разному.

Например, сообщение об изменении состава сырья может быть передано данными об изменении веса, давления, химического состава, температуры и т.д. В полученном сообщении может оказаться больше сведений, чем это необходимо оператору или вычислительной машине для принятия решений некоторые из них уже были известны, а какая-то часть сообщения содержит новизну.

Если под сообщением понимать все то, что передается о ходе производственного процесса (или, более широко, о событии), то под информацией нужно понимать лишь ту часть сообщения, которая представляет новизну и ранее не была известна получателю (оператору или машине).

В автоматических устройствах сообщения передаются от одного звена устройства к другому также в виде сигналов. Для передачи сигналов используются такие физические процессы, которые обладают свойством перемещения в пространстве. К ним относятся звуковые или электромагнитные колебания, движение струй воздуха и т.п. Это так называемые переносчики информации. Переносчик должен обладать свойством изменять свою форму или параметры под воздействием сообщения. Сам по себе переносчик не является сигналом. Однако если на переносчик соответствующим образом воздействует сообщение, то он превращается в сигнал.

Передаваемые сообщения о различных показателях производственного процесса по своему характеру можно разбить на две большие группы: непрерывные сообщения и дискретные сообщения. Сигналы, передающие сведения о таком непрерывном процессе, как плавное изменение уровня, должны быть непрерывными, так как они предают бесконечно большое число амплитуд и соответствующих им уровней. Если же, например, об уровне продукта нужно передать только два значения: минимальное и максимальное, то такие сообщения будут дискретными. В этом случае передается конечное число уровней, и соответствующие сигналы будут дискретными.

Циркуляция потоков информации лежит в основе процесса управления. Для того чтобы с наибольшей эффективностью передать сообщение, нужно, во-первых, наилучшим образом использовать возможности сигнала и, во-вторых, обеспечить максимальную пропускную способность канала связи. Последнее означает, что к каналам связи следует подходить не только с энергетической точки зрения, т.е. входное и волновое сопротивление канала связи, коэффициент полезного действия генератора передаваемых сигналов и т.п. Но главное, для чего создается канал связи – это передать наибольшее количество информации без искажения в единицу времени.

Под пропускной способностью канала связи понимается максимальное количество двоичных единиц информации, которое можно передать за 1 сек.

Помехи уменьшают пропускную способность канала вследствие того, что они искажают часть передаваемой информации. Под помехоустойчивостью телемеханического устройства понимается его способность правильно принимать информацию в условиях действия помех. Помехоустойчивость зависит от метода передачи (способа кодирования, вида модуляции), относительного уровня помех в линии связи, типа помех и способов приема сигналов.

В теории помехоустойчивости вводится понятие предельно достижимой (потенциальной) помехоустойчивости. Это понятие позволяет определить, насколько фактическая помехоустойчивость устройства отличается от потенциальной. Потенциальная помехоустойчивость зависит от способов передачи и приема сигналов, а также уровня и типа помех.

Помехи – это посторонние воздействия, мешающие правильному приему сигналов. Помехи можно классифицировать по типу (случайные и периодические), по характеру происхождения (промышленные, атмосферные).

Периодические помехи чаще всего возникают от различных промышленных устройств или других систем передачи информации и носят периодический характер. Примером периодической помехи могут служить различные наводки от промышленной сети переменного тока. Борьба с периодическими помехами относительно проста.

Гораздо чаще встречаются случайные помехи. Случайные помехи принято делить на импульсные и флуктуационные (иногда выделяют еще промежуточный между ними тип помех). Характерной особенностью импульсных помех является отсутствие наложений в приемном устройстве переходных процессов от отдельных импульсов. Импульсные помехи в общем случае представляют собой последовательность импульсов случайной амплитуды, длительности и со случайными моментами появления отдельных импульсов.

Флуктуационные помехи (иногда их называют гладкими) имеют вид непрерывной случайно изменяющейся функции времени. Важнейшими характеристиками таких помех являются: мощность помех, закон распределения амплитуд, вид энергетического спектра и функция корреляции. Наиболее часто встречаются помехи, амплитуда которых подчинена нормальному закону распределения. У таких помех вероятность того, что амплитуда выброса превысит значение утроенной величины эффективного значения, мала.

Помехи, действующие в линии связи, можно разделить на промышленные и атмосферные, а также на помехи от посторонних радиостанций и организованные помехи.

Промышленные помехи создаются различными электрическими установками. Основной причиной этих помех является резкое изменение и прерывание тока в электрических цепях с искрообразованием. В зависимости от характера источника помехи могут носить флуктуационный или импульсный характер. Промышленные помехи проникают в телемеханическое устройство через антенну, цепи питания, а также через емкостные и индуктивные связи. На воздушные линии связи помехи наводятся от линий высокого напряжения.

Атмосферные помехи обусловлены перемещением электрических зарядов в атмосфере. Помехи от молнии создают разряды с напряжением в десятки киловольт и токами в десятки тысяч ампер и носят импульсный характер. Однако, если количество разрядов молний в единицу времени велико и приемное устройство реагирует на достаточно дальние разряды, помехи на выходе узкополосного приемника могут иметь флуктуационный характер.

Основная энергия промышленных и атмосферных помех заключена в низкочастотном диапазоне волн. С увеличением частоты на которой передается сигнал, воздействие этих помех падает. В диапазоне коротких и особенно ультракоротких волн такие помехи почти не оказывают мешающего действия.

Рассмотренные выше помехи являются активными помехами. Существуют и так называемые пассивные помехи, действие которых выражается в относительно медленном изменении коэффициента передачи линии связи (например, замирания при приеме коротких радиоволн).

Следует остановиться еще на одном типе помех, которые имеют место только в многоканальных устройствах телемеханики. Это так называемые перекрестные помехи. При изменении сигналов в различных каналах многоканальной системы телемеханики с частотным разделением каналов из-за неидеальности характеристик фильтров будут наблюдаться взаимные помехи. Если число каналов достаточно велико, а изменения сигналов в различных каналах независимы, то перекрестные помехи будут по своему характеру приближаться к флуктуационным.

Аналогичное взаимное влияние будет наблюдаться и в системах с временным разделением сигналов. В таких системах перекрестные помехи возникают из-за относительно большой длительности переходных процессов. Переходные процессы в электрических процессах приемника от предыдущих сигналов будут накладываться на последующие сигналы и вызывать их искажение.

Телемеханическая система состоит из двух частей (передающей и приемной), соединенных между собой линией связи. В ряде случаев линия связи стоит значительно дороже всей системы телемеханики. От состояния линии связи зависит качество работы системы телемеханики. Для передачи информации применяются проводные линии связи (воздушные и кабельные), линии электроснабжения (промышленная электросеть 380 – 6000 В, высоковольтные линии электропередач свыше 6 кВ) и радиотракт.

Обычная радиосвязь для целей передачи информации на длинных и коротких волнах, хотя и привлекает к себе простотой ее организации (отсутствие линейных сооружений), все же не находит себе применения из-за своей неустойчивости. Надежность и качество радиосвязи зависят от метеорологических условий времени года и суток и помех. Применяется лишь иногда передача на 30 – 50 км. Кроме того длинноволновый диапазон (200 – 2000 м) и коротковолновый диапазон (11 – 75 м) заняты под радиовещание. Надежнее радиосвязь происходит в ультракоротковолновом (УКВ) диапазоне на волнах от 3 см до 10 м (10000 – 30 МГц). Ультракороткие волны распространяются по прямой, и их распространение ухудшается при тумане, дожде и снеге. Однако с этим можно бороться увеличением мощности передатчика. При передаче на УКВ на расстояние, превышающее 50 – 70 км, применяется ретрансляция, т.е. так называемые радиорелейные связи.

1.1.  Виды промышленных объектов и технологическая информация необходимая для обеспечения автоматизации производственных процессов

В угольной промышленности предусматривается дальнейшее развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) угольных шахт и систем оперативно-диспетчерского управления (СОДУ) за счет расширения функций действующих систем, создания новых автоматизированных систем управления отдельными технологическими процессами, новых технических средств сбора, передачи и обработки информации повышенной надежности и быстродействия с применением интегральных схем, микропроцессоров и волоконно-оптической техники.

Развитие АСУ ТП и СОДУ угольных шахт, создание автоматизированных систем управления отдельными технологическими процессами и установками приводят к возрастанию требований к техническим средствам передачи информации, которые должны обеспечивать передачу больших объемов информации с повышенными требованиями к быстродействию и достоверности передачи информации, использовать высокоэффективные каналы связи, обеспечивать искробезопасное присоединение к датчикам и исполнительным устройствам, информационное и электрическое сопряжение с электронно-вычислительными машинами, устройствами представления и регистрации информации и др.

Электрические сигналы на выходе фотоприборов (ток и напряжение), как правило, весьма слабы для того, чтобы их можно было использовать для непосредственного управления исполнительными механизмами, например реле, двигателями и т.п. поэтому фотоприборы применяют совместно с усилителями.

Фоточувствительные приборы – “глаза” роботов и целого ряда автоматических устройств. Фотоприборы позволяют использовать бесконтактные методы обнаружения, классификации деталей, управление размещением предметов и т.д.

Одно из наиболее интересных практических применений фоточувствительных приборов – использование их в качестве приемников сигналов в системах дистанционного управления бытовой радиоаппаратурой – радиовещательными приемниками, телевизорами, магнитофонами, управляемыми моделями, игрушками и другими устройствами. Функции передатчика сигналов выполняет ИК светодиод, излучающий кодированную последовательность световых импульсов. Приемником служит фоточувствительный прибор, например фотодиод.

Принятый сигнал после дешифрации и усиления подает на исполнительные механизмы, выполняющие различные функции, например включение и выключение, выбор телевизионной программы, регулирование громкости, яркости, контрастности изображения. Таким образом можно регулировать скорость, изменять направление движения управляемой модели, подавать другие команды.

Система ДУ на основе ИК излучателя и приемника отличается от традиционного радиоканала простотой практического выполнения. Она работает при дневном и искусственном освещении, обеспечивают необходимую для практических целей дальность передачи сигналов.

С точки зрения функциональных возможностей оптопары позволяют решать те же задачи, что и отдельно взятые излучатель ‑ фотоприемник, однако на практике они, как правило, более удобны, поскольку в них уже оптимально подобраны характеристики излучателя и фотоприемника и их взаимное расположение.

Если говорить о наиболее очевидном применении оптопары, не имеющем аналогов среди других приборов, так это элемент гальванической развязки. Оптопары применяют в качестве устройств связи между блоками аппаратуры, находящимися под различными потенциалами, для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уровней. В этих случаях оптопара передает информацию между блоками, не имеющими электрической связи, и самостоятельной функциональной нагрузки не несет.

Не менее интересно применение оптопар в качестве элементов оптического бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными устройствами. На оптопарах удобно строить узлы запуска мощных тиратронов, распределительных и релейных устройств, устройство коммутации электропитания и т.д.

Оптопары с открытым оптическим каналом упрощают решение задач контроля параметров различных сред, позволяют создавать различные датчики (влажности, уровня и цвета жидкости, концентрации пыли и т.д.).

1.2. Существующие системы передачи информации в производственных условиях, их достоинства и недостатки

В соответствии с основными видами информации о ходе производственного процесса существующие средства информации можно разделить на четыре основные группы:

• Средства для получения информации: чувствительные элементы и регулирующие приборы, контрольно-измерительные приборы (КИП).
• Средства для передачи информации: устройства телемеханики (УТМ).
• Средства для переработки информации: устройства вычислительной техники (УВТ).
• Средства для использования информации: автоматические регуляторы, исполнительные механизмы (ИМ).

От КИП к УВТ устройства телемеханики передают измерения (телеизмерения ТИ) и сигнализацию (ТС), тогда как от УВТ и ИМ передаются команды управления (телеуправления ТУ).

В том случае, если оказывается целесообразным передавать информацию без ее преобразования, то можно обойтись и без средств телемеханики. В этом случае мы имеем дело просто с автоматической системой управления производственным процессом. Заметим, что отказ от применения устройств телемеханики происходит, когда все средства управления либо соединены с объектом управления, либо находятся в непосредственной близости с ним. Однако само по себе расстояние между звеньями не является основным критерием для применения телемеханики. Важно еще количество информации, которое передается. Устройства, осуществляющие процесс управления без средств телемеханики, называют устройствами автоматики.

К настоящему времени создано также немало оптических радиосистем для целей связи, локации, навигации и др. Однако во всех областях применения еще далеко не реализованы потенциальные возможности оптического спектра. Так, например, вначале представлялось, что значительная ширина оптического спектра позволит легко создать весьма широкополосные системы связи и разместить огромное их число в этом спектре. Тем самым фундаментально решалась бы проблема “тесноты в эфире” в области радиоспектра. Однако по мере изучения распространения излучения в оптическом диапазоне стало очевидным, что создание оптических широкополосных систем связи весьма сложно. Оно наталкивается на ряд принципиальных физических трудностей, а также и на трудности конструктивного и технологического характера. Существенно, что к настоящему времени значительная часть этих трудностей выявлена, и поэтому дальнейшие научные и технические исследования могут быть более целенаправленными.

При создании высококачественных оптических радиосистем встречаются различного рода трудности. К ним относятся:

• большое затухание оптического излучения в атмосфере при тяжелых метеорологических условиях;
• конструктивные и технологические трудности в создании оптических волноводов с малым затуханием и их очень высокая стоимость;
• недостаточная ширина полосы частот модуляторов и неудовлетворительная линейность модуляционных характеристик;
• недостаточная ширина полосы частот демодуляторов и их малая квантовая эффективность.

Радиорелейные оптические линии связи с активными ретрансляторами. Для осуществления связи на больших расстояниях и для преодоления больших затуханий в атмосфере могут быть использованы радиорелейные системы с активными ретрансляторами. Применение таких систем особенно эффективно в оптическом диапазоне, поскольку затухание в атмосфере, выраженное в децибелах, пропорционально длине участка.

Радиорелейные линии с пассивными ретрансляторами (ПТ). Применение ПТ особенно эффективно в оптическом диапазоне, так как в этом случае теоретически показано, что модно в пределе получить нулевое затухание в свободном пространстве, чего невозможно достичь в радиодиапазоне. Для этого необходимо зеркало антенны приемника взять достаточно большого диаметра, чтобы оно перехватывало всю мощность узконаправленного луча. Однако такое затухание можно получить, лишь, если на линии оно определяется в основном рассеянием, а не поглощением.

Неотражающий волновод в виде трубы большого диаметра. Роль такой трубы заключается в том, чтобы создать закрытое пространство, защищенное от неблагоприятных атмосферных условий. Такая труба должна быть достаточно герметизирована и иметь прямолинейные участки большой длины, в пределах которых  нет линз или других коллимирующих устройств.

Метод “прострела”. Для преодоления тумана предложен также метод прострела трассы с помощью вспомогательного мощного импульсного или непрерывного ОКГ на волне поглощения водой.

Существуют и некоторые другие идеи снижения затухания на оптических линиях при неблагоприятных атмосферных условиях.

Устройства для управления ориентацией луча ОКГ необходимы для наземной и особенно космической оптической связи. Действительно, турбулентные процессы в атмосфере вызывают колебания направления распространения узкого лазерного луча, который вследствие этого может выйти за пределы диаграммы направленности приемной антенны, чтобы избежать этого, необходимо вовремя  соответствующим образом изменить направление излучение. Управление ориентацией луча необходимо также, когда оптическая связь осуществляется между неподвижным и подвижным объектами или между двумя подвижными объектами. В локационных системах требуется сканирование.

Основными требованиями, предъявляемыми к устройствам отклонения луча ОКГ, являются следующие:

1. большая скорость отклонения луча;
2. высокая точность отклонения луча;
3. малые потери энергии в отклоняющих устройствах;
4. минимальные искажения фазового фронта волны;
5. умеренный уровень управляющих напряжений;
6. линейность отклонения.

Системы оптической локации обладают рядом принципиальных преимуществ по сравнению с радиолокаторами, а именно:

• большей точностью определения координат наблюдаемого объекта;
• лучшим разрешением по углу без использования специальных методов обработки сигнала;
• большей точностью определения скорости измерением доплеровского сдвига частоты.

Оптический локатор, обладающий такими преимуществами, принципиально проигрывает радиолокатору в скорости нахождения цели, если не применять дополнительных специальных устройств, обеспечивающих нахождение.

Большая точность определения координат и скорости обуславливает преимущественное использование оптического локатора для измерения дальности до различных объектов, местонахождение которых в момент поиска и захвата известно.

Оптический дальномер. Функциональная схема оптического дальномера принципиально не отличается от функциональной схемы радиодальномера. Она включает в себя передающее и приемное устройства. Передающее устройство, основными составляющими которого являются лазер и коллиматор, излучает мощные импульсы малой длительности, если дальномер импульсного типа.

Отраженный объектом импульс оптического излучения принимается приемным устройством, включающим в себя оптическую фокусирующую систему, оптический фильтр для уменьшения влияния фона (посторонних излучений), ФЭУ и усилитель. Промежуток времени между моментом излучения импульса передатчиком и моментом его возвращения в приемник измеряется с помощью специального устройства хронирующих импульсов и счетчика этих импульсов.

1.3. Светоизлучатели и фотоприемники оптических систем

Светоизлучатели. В большинстве случаев использования лазерных передатчиков на их выходе устанавливаются специальные оптические устройства, выполняющие роль антенн оптического диапазона. Основное их назначение, как и в радиодиапазоне, ‑ формирование диаграммы направленности излучения. В информационных оптических системах такие оптические устройства применяют обычно для уменьшения угла расхождения светового пучка, вышедшего из ОКГ. Эти устройства называют в оптике коллимирующими. Практически не всегда возникает необходимость в их использовании, поскольку непосредственно ОКГ создает пучок с очень узкой диаграммой направленности.

В лазерных устройствах, применяющихся в промышленности для некоторых технологических операций, возникает задача концентрации лазерного излучения в пятно достаточно малых размеров.

В практике использования информационных систем встречается и такой случай, при котором необходимо расширить диаграмму ОКГ, например, для обеспечивания большей пространственной зоны приема излучения.

Когерентное излучение подчиняется тем же основным законам оптики, что и обычный некогерентный свет. Поэтому для формирования луча ОКГ или для изменения его направления используют обычные способы геометрической оптики.

Различают три группы оптических антенных систем: линзовые, отражательные и смешанные. Линзовые системы характерны для лазерных передатчиков. Отражательные и смешанные системы широко применяются в приемных устройствах.

Фотоприемники. На входе каждого приемника устанавливается оптическая система, в состав которой, прежде всего, входит антенна. Задача антенны оптического приемника – сфокусировать пришедшее излучение и направить его на чувствительный фотоэлемент. Кроме того, в комплекс оптической системы часто входит оптический фильтр, осуществляющий спектральную фильтрацию. Благодаря такому фильтру подавляется излучение фона, отличающееся по спектральному составу от полезного принимаемого оптического сигнала.

Таким образом, антенна значительно повышает облученность чувствительного элемента приемника полезным сигналом, а фильтр снижает облученность этого элемента посторонними сигналами. Вследствие этого повышается качество приема или увеличивается дальность передачи.

1.4. Место и роль оптического канала

Бурное развитие оптических систем связи объясняется их многочисленными преимуществами по сравнению с проводными системами связи. К основным из них относятся:

• высокая скорость передачи информации;
• низкое затухание сигнала;
• малые габариты и отсутствие кабеля;
• возможность работы во взрывоопасных средах, так как световой сигнал в линии связи исключает возможность возгорания и коротких замыканий, существующих в проводных линиях связи;
• не такое сильное влияние температуры и влажности;
• отсутствие переходных помех;
• отсутствие необходимости согласования волновых сопротивлений различных участков линии связи;
• при использовании оптического канала связи отпадает необходимость в использовании аппаратуры защиты от утечек, пробоев, замыканий на землю;
• возможность ретрансляции световых сигналов в линии связи при передаче информации на большие расстояния;
• экономия цветных металлов и отсутствие затрат на обслуживание проводной линии связи.