Ващишак С.П., Мельничук С.І., Романів В.М.

 

ТЕЛЕМЕХАНІКА І ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ В НАФТОГАЗОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний

Університет нафти і газу

Кафедра інформаційно-вимірювальної техніки

Ващишак С.П., Мельничук С.І., Романів В.М.

 

ТЕЛЕМЕХАНІКА І ПЕРЕДАЧА ІНФОРМАЦІЇ В НАФТОГАЗОВІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Для студентів напряму підготовки 6.051001

“Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології”

Рекомендовано методичною радою

Університету

Івано-Франківськ

УДК 621.398:622.323

ББК 32.968

В 23

 

Рецензент:

М.А.Кононенко, кандидат технічних наук, доцент кафедри інформаційно-вимірювальної техніки ІФНТУНГ

 

Рекомендовано методичною радою університету для студентів напряму підготовки 6.051001 “Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології” (протокол №14

Від 20 жовтня 2011р.)

МВ 020708555-3580-2011

Ващишак С.П.

В 23 Телемеханіка і передача інформації в нафтогазовій промисловості: конспект лекцій / С.П.Ващишак, С.І.Мельничук, В.М.Романів. – Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2010. - 136 с.

 

Конспект лекцій розроблено відповідно до навчального плану підготовки фахівців та робочої програми навчальної дисципліни «Телемеханіка і передача інформації в нафтогазовій промисловості».

У конспекті лекцій викладено основи та принципи побудови та експлуатації сучасних телемеханічних систем (ТС), методи захисту вимірювальної інформації в ТС та способи організації каналів та ліній зв’язку в НГП.

Конспект лекцій призначено для підготовки бакалаврів за напрямом 6.051001 – «Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології».

 

УДК 621.398:622.323

ББК 32.968

МВ 020708555-3580-2011

 

© Ващишак С.П., Мельничук С.І. Романів В.М.

© ІФНТУНГ, 2010

ЗМІСТ

ВСТУП....................................................................................... 6

1 Загальні питання телемеханіки та передачі даних......... 8

2 Повідомлення та інформація............................................ 18

2.1 Ансамблі та джерела повідомлень................................... 20

2.2 Кількісна міра інформації................................................. 22

2.3 Ентропія та її властивості................................................. 23

2.4 Безумовна ентропія........................................................... 26

2.5 Умовна ентропія................................................................ 28

3 Характеристики дискретних джерел інформації.......... 38

3.1 Продуктивність дискретного джерела та швидкість передачі інформації 38

3.2 Інформаційні втрати при передачі інформації по дискретному каналу 41

3.3 Пропускна здатність дискретного каналу...................... 44

4 Інформаційні характеристики джерел даних................ 46

4.1 Інформаційні втрати при кодуванні неперервних джерел 46

4.2 Продуктивність неперервного джерела та швидкість передачі інформації 50

4.3 Пропускна здатність неперервного каналу.................... 52

5 Характеристики кодів....................................................... 54

5.1 Класифікація кодів та їх характеристики........................ 54

5.1 Системи числення................................................................ 56

5.3 Основні операції над елементами поля........................... 57

5.4 Способи подання кодів..................................................... 59

5.5 Надмірність повідомлень і кодів...................................... 65

5.6 Оптимальне кодування..................................................... 69

6 Кодування повідомлень.................................................. 75

6.1 Класифікація первинних кодів........................................ 69

6.2 Нерівномірні двійкові первинні коди...................................... 69

6.2.1 Код Морзе......................................................................... 76

6.2.2 Число – імпульсні коди........................................................ 77

6.3 Рівномірні двійкові первинні коди.................................. 77

6.3.1 Числові двійкові коди.......................................................... 77

6.3.2 Двійково-десяткові коди................................................ 80

6.3.3 Двійково-десяткові коди з самодоповненням......................... 83

6.3.4 Двійково-шістнадцятковий код............................................. 84

6.3.5 Рефлексні коди..................................................................... 85

7 Коди, що виявляють помилки...................................... 90

7.1 Двійкові коди, що виявляють помилки.......................... 90

7.1.1 Код із перевіркою на парність....................................... 90

7.1.2 Код із перевіркою на непарність................................... 91

7.1.3 Код із простим повторенням................................................ 92

7.1.4 Інверсний код................................................................. 92

7.1.5 Кореляційний код........................................................... 93

7.1.6 Код зі сталою вагою...................................................... 94

7.1.7 Код із кількістю одиниць у комбінації, кратноютрьом 95

8 Коди, що виправляють помилки................................... 97

8.1 Двійкові групові коди....................................................... 97

8.1.1 Лінійний систематичний груповий (блоковий код) 110

8.1.2 Коди Хеммінга................................................................. 110

8.1.3 Циклічні коди............................................................... 115

8.1.4 Ітеративні коди............................................................. 128

Список використаної та рекомендованої літератури... 132

 

Вступ

В основі любої технічної або біологічної системи керування і функціонування лежать інформаційні процеси, які зв’язані з первинним відбором, збором, попередньою обробкою інформації, її передачею, зберіганням, обробкою, розподілом, відображенням, реєстрацією, зчитуванням і виконання команд керування.

У простих локальних системах, які займають порівняно невелику територію, часто відсутній чіткий розподіл інформаційних процесів між окремими частинами системи. Із збільшенням взаємозв’язаного комплексу, збільшенням складності системи та відстаней між різними її частинами та збільшенням її інформаційної ємності, виникає потреба для застосування спеціалізованих пристроїв збору, передачі та виконання команд керування. Комплекс цих пристроїв з передачею інформації на відстань являє собою систему телемеханіки.

У зв’язку із широким розвитком автоматизованих систем управління, значення систем телемеханіки і потреба в них суттєво збільшується, особливо коли об’єкти територіально розкидані на великі відстані. Завдяки використанню телеметричних систем значно полегшуються дослідження нафтових та газових свердловин, різних процесів на дні океанів та на тяжко доступних об’єктах. Особливо є потреба у дослідженні швидкопротікаючих процесів і передача широкосмугових сигналів.

При проектуванні телемеханічної апаратури попри вимоги до точності і надійності важливу роль мають і такі фактори, як економічність, малогабаритність і мале споживання енергії.

Метою даного конспекту є ознайомлення студентів спеціальності “Метрологія та вимірювальна техніка” з принципами побудови та експлуатації сучасних телемеханічних систем (ТС), методами захисту вимірювальної інформації в ТС та способами організації каналів та ліній зв’язку в НГП.

 

1 Загальні питання телемеханіки

Та передачі даних

Термін телемеханіка був введений в 1905 році французьким вченим Е.Бранлі і складається з двох грецьких слів: tele – відстань (далеко) і mechanike – механіка (майстерність) або наука про машини.

Телемеханіка – галузь науки і техніки, яка охоплює теорію і технічні засоби контролю і керування об’єктами на відстані з використанням спеціальних перетворювачів сигналів для ефективного використання каналів зв’язку (ГОСТ 26.005 – 82).

Крім телемеханіки є ряд галузей техніки, де використовується передача інформації (телефон, телебачення, телеграф та інші). Однак використання промислової телемеханіки має свої специфічні особливості:

а) необхідність великої точності передачі інформації телевимірювання (до 0,005%);

б) велика швидкодія при передачі інформації при телеуправлінні, інакше може виникнути аварійна ситуація;

в) необхідність великої надійності при передачі команд телеуправління та вимірювальної інформації при телевимірюваннях;

г) відмінність вхідних та вихідних пристроїв ТС від таких самих пристроїв у системах зв’язку. Наприклад, у ТС - давачі, а у системах зв’язку – мікрофон;

д) централізованість передачі інформації.

У телемеханіці при передаванні інформації виникають наступні проблеми:

1) надійності, тобто передачі інформації з малими спотвореннями, які виникають в апаратурі та при передачі по лінії зв’язку через завади;

2) ефективності, тобто знаходження способів кращого використання апаратури і лінії зв’язку при передачі великої кількості інформації;

3) економічності – побудова простих і дешевих пристроїв телемеханіки, які б забезпечували найбільшу кількість інформації, яка передається при найменшій собівартості.

Загалом ТС складається із пункту управління (ПУ), лінії зв’язку і контрольованого пункту (КП).

Згідно ГОСТ 26.005 – 82, ПУ – це пункт, з якого здійснюється управління об’єктами контрольованих телемеханічних пунктів і контроль за їх станом. КП – місце розміщення об’єктів, які контролюються, або управляються засобами телемеханіки.

Пристрій телемеханіки – сукупність технічних засобів телемеханіки, розміщених на телемеханічному ПУ або КП.

Комплекс пристроїв телемеханіки – сукупність пристроїв ПУ і КП, які призначені для сумісного використання в ТС. ТС – сукупність пристроїв ПУ і КП, периферійного обладнання, необхідних ліній і каналів зв’язку, призначених для сумісного виконання телемеханічних функцій.

ТС можна класифікувати за видом виконуваних функцій: система телевимірювань (ТВ) - система, яка здійснює передачу неперервних вимірювальних величин; система телесигналізації (ТС) – система, яка здійснює передачу різних дискретних величин, які можуть вводитись в ПЕОМ або повідомляти диспетчера про стан КП з допомогою звукової та світлової сигналізації; система телеуправління (ТУ) – система, яка здійснює передачу інформації у вигляді команд на включення або виключення різних механізмів; система (ТУ – ТС) – дозволяє передавати команди з ПУ на КП і одержувати зворотню сигналізацію про виконання команди, яка посилається із КП на ПУ і сигналізацію про зміну стану об’єкта; система (ТВ і ТС) – передає тільки повідомляючу інформацію з КП на ПУ. У такій системі можлива передача виробничо-статистичної інформації (ВСІ); телерегулювання (ТР) – система, яка здійснює телеуправління об’єктами з неперервною множиною станів. Виконується за допомогою функцій ТУ і ТВ.

За температурними умовами пристрої ТС поділяються: для виробничих приміщень, закритих неопалювальних приміщень і для становлення на відкритому повітрі.

У залежності від виду використаного каналу зв’язку розрізняють радіо, провідні (в тому числі волоконно-оптичні) і гідроакустичні телеметричні системи.

Розрізняють ТС військового та промислового призначення, а також, які використовуються для наукових досліджень.

За завадостійкістю системи поділяються на три категорії (табл. 1.1).

 

Таблиця 1. 1 – Вимоги до достовірності систем

Ймовірнісні характеристики	Ймовірність Р події не більше
Категорії систем
Ймовірність трансформації повідомлення ТВ	10^-8	10^-7	10^-6
Ймовірність трансформації повідомлення ТС	10^-7	10^-6	10^-5

 

За надійністю ТС також поділяються на три категорії (табл. 1.2)

 

Таблиця 1. 2 – Вимоги до надійності системи

Характеристика за надійністю	Категорії систем
Час до першої відмови, год	не менше 10000	не менше 5000	не менше 2500

 

За структурою каналів зв’язку ТС поділяється на: ланцюгову (послідовну) – багатоточкова структура, в якій пристрої КП з’єднані загальним каналом зв’язку з пристроями ПУ (рис. 1. 1а); радіальну – багатоточкова структура, в якій пристрої телемеханіки на ПУ з’єднані окремим каналом зв’язку з кожним пристроєм КП (рис. 1. 1б); кільцеву – ланцюгова структура, в якій канал зв’язку утворює кільце і апаратура ПУ може бути зв’язана з кожним КП двома різним шляхами (рис. 1. 1в); деревовидну та кущову (рис. 1. 1д, г).

 

а)

 

б)

в )

г)

д)

Рис. 1.2 Основні схеми використання каналів зв’язку

 

Серед телемеханічних систем найпоширенішими є системи передачі інформації (СПІ). Розглянемо роботу одноканальної СПІ, структурна схема якої зображена на рис. 1. 2.

 

 

Рисунок 1.2-Структурна схема одноканальної СПІ

 

Тут ДП і ОП – відповідно джерело і одержувач повідомлення; П _вх і П _вих – відповідно вхідний та вихідний перетворювачі; К1, К2 – кодери; ДК1, ДК2 – декодери; М – модулятор; ДМ – демодулятор.

Лінія зв’язку – це фізичне середовище, в якому поширюються сигнали.

Каналом зв’язку називається сукупність технічних засобів, що забезпечує передачу повідомлень від джерела до одержувача по одній лінії зв’язку незалежно від передачі повідомлення від інших джерел до інших одержувачів.

Сукупність лінії зв’язку, модулятора та демодулятора (пристроїв перетворення сигналів) утворює неперервний канал передачі інформації, а якщо до цієї сукупності додати ще кодер і декодер, то дістанемо дискретний канал цієї передачі.

Модулятор і демодулятор, конструктивно об’єднані в одному блоці, називаються модемом, а конструктивне об’єднання кодера та декодера – кодеком.

Нехай джерело повідомлень ДП за допомогою вхідного перетворювача П _вх створює випадково дискретну послідовність сигналів { x_i }, яка подається на кодувальний пристрій кодера К1, призначеного для перетворення первинної послідовності сигналів { x_i }, на послідовність { x_кі } (див. рис. 1.1). Це перетворення необхідне для більш ефективного використання лінії зв’язку, а також для перетворення дискретної послідовності сигналів одного алфавіту на дискретну послідовність іншого алфавіту.

Далі послідовність сигналів { x_кі } кодером К2 перетворюється на дискретну випадкову послідовність сигналів { x_к.зі }. Кодер К2 виконує функції пристрою захисту інформації від помилок, кодуючи комбінації первинного коду коректувальним кодом, який виявляє та виправляє помилки, що дає змогу зменшити вплив завад і спотворень на інформацію, яка передається. У свою чергу, послідовність сигналів { x_к.зі } після їх модуляції в модуляторі М перетворюється на випадкову послідовність сигналів { y_к.зі }, що однозначно відповідає послідовності { x_к.зі }.

Під способом передачі сигналів розуміють сукупність операцій перетворення повідомлення на сигнал [5], яку можна подати так:

, (1.1)

де - оператор способу передачі сигналів; - оператор їх модуляції; - оператор кодування сигналів.

Сигнали при передачі по лінії зв’язку загасають, піддаючись дії завад і спотворень, що спричиняє значні відхилення послідовності сигналів на вході приймача від переданої в лінію послідовності сигналів , тобто

, (1.2)

де - оператор лінії зв’язку.

Якщо в лінії є адитивна завада у вигляді випадкового процесу ɷ(t), то на вході приймача діятиме неперервний випадковий процес

. (1.3)

У приймачі після підсилення сигналів, яке необхідне для компенсації загасання їх у лінії зв’язку, сигнали демодулюються в демодуляторі ДМ. На виході останнього утворюється дискретна послідовність сигналів , яка має відповідати послідовності сигналів на виході модулятора М. Цього, однак, може й не бути через дію завад і спотворень у лінії та похибки перетворень сигналів у модуляторі та демодуляторі. Після декодування сигналів декодером ДК2 послідовність перетворюється на послідовність кодових комбінацій сигналів , яка має відповідати переданій послідовності сигналів . Ця послідовність залежатиме від властивостей лінії зв’язку, способу приймання сигналів і коректувального коду, що використовується для їх передачі.

Після декодера ДК1, який перетворює послідовність сигналів на послідовність , дискретна послідовність сигналів подається (в разі необхідності перетворення дискретних сигналів на неперервну форму) на вихідний перетворювач П_вих, з виходу якого вона спрямовується до одержувача повідомлення ОП.

Повідомлення та інформація

Під даними розуміють усі відомості, здобуті від навколишнього світу та подані у формалізованому вигляді (літерами, цифрами, символами тощо). Дані, що підлягають передачі, називаються повідомленнями. Повідомлення стають інформацією тільки в момент їх застосування, тобто інформація – це використовувані повідомлення, причому такі, які відзначаються новизною і раніше не були відомі одержувачеві (оператору ЕОМ). Є й інше, більш широке визначення інформації, згідно з яким інформація – це відомості, що є об’єктом зберігання, передавання та перетворення.

Для можливості технічного оброблення (передачі, запису та ін.) повідомлення має бути перетворене на сигнал – матеріальний носій, що відображує повідомлення.

Розрізняють сигнали звукові (акустичні), електричні, оптичні, гідравлічні та ін. Один вид сигналу можна перетворювати на інший (електричний на звуковий, оптичний на електричний тощо).

Будь-який сигнал характеризується такими основними параметрами: тривалістю, шириною частотного спектра та динамічним діапазоном.

Під тривалістю Т_с сигналу розуміють час, протягом якого він знаходиться в каналі зв’язку. Частотний спектр F_c сигналу визначає смугу частот, яку він охоплював під час передачі по каналу зв’язку. Залежно від виду сигналу (аналоговий, дискретний) частотний спектр може бути і нескінченним; тому на практиці його обмежують для можливості передачі по каналах з обмеженою смугою частот. Так, телефонні розмови ведуться по каналах зі смугою пропускання 3100 Гц (300…3400 Гц), хоча сам початковий сигнал займає спектр до 15…17 кГц.

Середньою потужністю P_c сигналу є потужність, яка забезпечується апаратурою під час його надходження до каналу зв’язку. На практиці частіше замість P_c користуються поняттям динамічного діапазону D_c, що визначається логарифмом відношення найбільшої (максимальної) миттєвої потужності сигналу (P_{c max}=P_c) до найменшої (мінімальної) P_{c min}, дозволене значення якої дорівнює потужності завад (P_{c min}=P_з):

D_c=log(P_c/P_з).

Усі ці параметри сигналу є його обсягом:

V_c=T_cF_cD_c.

Аналогічними параметрами характеризується також канал зв’язку. Ними є тривалість використання Т_к каналу, смуга його частот F_к та динамічний діапазон D_к. У цьому разі під Т_к розуміють час використання каналу для передачі сигналів, під F_к – смугу частот, яка забезпечується каналом, а під D_к - динамічний діапазон рівнів сигналів, які можуть бути передані ним. Добуток цих трьох параметрів визначає ємність каналу зв’язку

V_к=T_кF_кD_к.

Для забезпечення передачі сигналів по каналу зв’язку необхідно, щоб V_к >V_c; крім того, мають виконуватися такі умови:

T_к >T_c; F_к >F_c; D_к >D_c.

Якщо деякі з них не виконуються, треба досягти їх за рахунок інших. Так, якщо V_к >V_c, T_к >T_c і D_к >D_c, але F_к <F_c, то, збільшуючи T_c, можна зменшити частотний спектр F_c сигналу і виконати умову F_к >F_c.

Повідомлення та відповідні сигнали можуть бути неперервними (аналоговими) та дискретними (знаковими). Перші описуються неперервною функцією часу. До них належать такі повідомлення, як музика, телевізійне зображення, радіомовлення. За допомогою спеціальних пристроїв неперервні повідомлення перетворюються на неперервні електричні сигнали, якими передаються повідомлення по каналу зв’язку від передавача до приймача.

Дискретними повідомленнями є скінченна послідовність окремих символів (знаків, літер) з обмеженою тривалістю. Вони характерні для телеграфії, передачі даних, телекомунікацій. Для перетворення дискретного повідомлення на сигнал потрібна операція кодування.

Неперервні повідомлення можна передавати дискретними способами. В цьому разі неперервні сигнали, якими передаються ці повідомлення, перетворюються на дискретні за допомогою операцій квантування за рівнем та дискретизації в часі. На приймальному боці виконується оберенене перетворення: за прийнятими дискретними сигналами відновлюються передані неперервні сигнали.

Дискретні сигнали як засіб передачі повідомлень більш поширені, ніж неперервні, завдяки тому, що вони меншою мірою зазнають впливу завад і спотворень в каналах зв’язку, а в разі спотворення їх легше регенерувати (відновити) і, крім того, вони досить легко обробляються в ЕОМ.