Основные положения базовых стандартов ГОСТ Р МЭК на устройства и системы телемеханики. Часть 1

Часть 1

Телемеханика вместе с такими научно-техническими отраслями, как связь и автоматика, определяет принципы построения автоматизированных и автоматических систем управления пространственно распределёнными технологическими процессами. Международный электротехнический словарь [1] определяет: «Телемеханика – контроль и управление оперативными объектами на расстоянии посредством преобразования управляющих воздействий и контролируемых параметров в сигналы, передаваемые по каналам связи».

Разработка устройств телемеханики с советских времен нормируется ГОСТ 26.205-88 «Комплексы и устройства телемеханики. Общие технические условия». Но в 90-х годах в стране дополнительно была введена серия стандартов ГОСТ Р МЭК 870 на устройства и системы телемеханики, которая разработана Техническим комитетом 57 Международной электротехнической комиссии (МЭК). Эта серия включает в себя базовые стандарты и обобщающие стандарты, выполненные на основе базовых. МЭК продолжает разработку стандартов, и предполагается, что по мере их выпуска они будут переводиться на русский язык и вводиться в действие в нашей стране с той целью, чтобы отечественные разработки устройств и систем телемеханики отвечали международным требованиям.

Целью данной статьи является рассмотрение основных положений базовых стандартов ГОСТ Р МЭК 870 (60870) с позиции формирования общих требований для разработки согласованных решений, которые в перспективе должны привести к созданию телеинформационных систем проектным путём на базе продукции различных изготовителей. Статья подготовлена в качестве «путеводителя» по содержимому базовых стандартов, общий объём которых превышает 250 страниц и по этой причине затруднителен для изучения в условиях производственной текучки.

Базовые стандарты

Областью распространения базовых стандартов являются вновь разрабатываемые устройства телемеханики (УТМ) и системы телемеханики (СТМ) с передачей информации кодированной последовательностью битов для контроля и управления территориально-распределёнными процессами. Стандарты описывают возможные конфигурации СТМ, определяют функциональные требования, логические характеристики, интерфейсы устройств и правила, по которым УТМ должны взаимодействовать друг с другом, а СТМ должна взаимодействовать с автоматизируемым объектом и с лицами, принимающими управленческие решения. При этом базовыми стандартами не устанавливаются ни внутренние физические характеристики, ни конструктивные решения, ни используемые материалы (комплектация) УТМ. Вне области их применения находятся системы циркулярного управления, характеристики каналов связи и систем местных шин связи устройств ввода-вывода, функции местной автоматики, даже если они являются частью функций СТМ.

Рассматриваемые стандарты разрабатывались для телемеханизации систем электроснабжения, но поскольку основные аспекты управления территориально-распределёнными технологическими процессами, такими как производство, передача и распределение различных видов продукции (вода, нефть, газ, электроэнергия), оказываются весьма схожими, то нет никаких ограничений их общепромышленного распространения.

Перечень базовых стандартов семейства ГОСТ Р МЭК 870 (60870) представлен в табл. 1, в соответствии с которой в статье осуществляется изложение обзорного материала.

Основные положения

Каждая СТМ характеризуется структурой, под которой понимается иерархический порядок её основных элементов, и конфигурацией, под которой понимается расположение телемеханических контролирующих и контролируемых станций (пунктов) и организация связи между ними.

Основные элементы СТМ — это аппаратные и поддерживающие их работу программные средства, выполняющие функции сбора, передачи, обработки и отображения информации о состоянии обслуживаемого технологического процесса. Состав структурных элементов показан на рис. 1 [2] на примере простейшей СТМ с конфигурацией типа «точка-точка»: аппаратура связи с процессом, выполняющая функции ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов измерения, сигнализации, управления и регулирования; УТМ контролируемого пункта (КП); аппаратура передачи данных (АПД) со стороны контролируемого и контролирующего пунктов; УТМ контролирующего пункта (далее — пункта управления, ПУ); аппаратура автоматизированных рабочих мест (АРМ) лиц, принимающих управленческие решения (операторов/диспетчеров), решающая задачи обработки и архивирования данных и организации человеко-машинного интерфейса (HMI/SCADA). В структуре СТМ «в широком смысле» выделены канал данных и СТМ «в узком смысле». Структурное выделение канала данных предполагает, что среда передачи сигнала выбирается из ряда альтернатив: она может быть выделенной, арендуемой или общего пользования. СТМ в узком смысле — это уровень создания телемеханической сети, которая в ГОСТ 26.005-82 «Телемеханика. Термины и определения» определяется как совокупность устройств телемеханики и объединяющих их каналов связи.

Для передачи информации в канале данных определены три типа трафика: симплексный (передачи производятся только в одном направлении – от КП к ПУ); полудуплексный (передачи от КП к ПУ и от ПУ к КП осуществляются поочередно); дуплексный (передачи по каждому направлению осуществляются по независимым каналам связи).

Возможные варианты конфигураций каналов данных в стандарте [2] определены табл. 2.

Взаимодействие оборудования ПУ и КП инициируется в СТМ одной из перечисляемых далее процедур запуска передачи телемеханических сообщений.

• По факту изменения состояния (спорадическая передача). Передачу инициирует КП по факту события на объекте, что позволяет минимизировать время представления информации оператору. При этом спорадически может передаваться как высокоприоритетная информация (например, аварийная), так и низкоприоритетная (например, данные амплитудной дискретизации контролируемых процессов, находящихся в пределах рабочей зоны).

• Передача по запросу. Инициируется ПУ путём адресного обращения к КП с запросом информации о текущем состоянии объекта или с командой управляющего воздействия на объект адресуемого КП в той или иной форме. Если ПУ периодически осуществляет последовательный опрос всех или какой-то группы КП, то такая операция определяется как циклоопрос.

• Периодическая (циклическая) передача. Инициируется КП для передачи информации на ПУ с заданным временным разделением (временная дискретизация контролируемых процессов). Периодическая передача определяет временные задержки обновления информации в АРМ. Эти задержки тем больше, чем дольше передаётся информация от одного КП и чем большее количество КП в составе СТМ. Следует отметить, что при периодической передаче сообщений из КП потеря некоторых сообщений в канале связи не является критичной, так как обновление информации будет выполнено в процессе следующих передач.

Условия эксплуатации

В стандарте [5] регламентируются требования к источникам питания и электросовместимости.

Параметры источников питания УТМ: однофазная сеть переменного тока (АС) с номинальным напряжением 220 В при допустимых отклонениях напряжения в диапазонах ±10%, от –15 до +10%, от –20 до +15% и частоты в пределах ±0,2%, ±1,0%, ±5,0%; сеть постоянного тока (DC) с номинальным напряжением 12, 24, 48, 60, 115, 220 В при допустимых отклонениях ±10%, ±15%, от –20 до +15% и с определёнными классами условий заземления (плюсового полюса, минусового полюса, центральной точки, без заземления). Нормируются также значения несинусоидальности для источников переменного тока и уровней пульсаций напряжения для источников постоянного тока.

Требования электромагнитной совместимости определяются перечнем испытаний, представленным в табл. 3. Перечисленным испытаниям на помехоустойчивость в этой таблице поставлены в соответствие определённые электромагнитные явления и уровни испытательного напряжения для разных классов жёсткости условий электромагнитной обстановки, в которых должно работать испытуемое устройство.

В [6] определяются допустимые условия эксплуатации УТМ в части влияния климатических, механических и других неэлектрических величин.

Нормируются климатические параметры окружающей среды: допустимое изменение температуры воздуха и скорость её изменения, относительная и абсолютная влажность воздуха, атмосферное давление, солнечное излучение, интенсивность дождя, а также характер влияния (да/нет) конденсации, осадков, образования инея и гололёда. В табл. 4 [6] показаны наиболее активно используемые климатические параметры условий эксплуатации УТМ, которые незначительно, но отличаются от групп климатического исполнения по ГОСТ 26.205-88.

Устройства всех классов должны работать при изменении атмосферного давления в пределах от 70 до 106 кПа, что соответствует высоте до 3000 м над уровнем моря.

Классификационные параметры допустимых механических воздействий для условий хранения, эксплуатации и транспортирования представлены в табл. 5 [6] четырьмя классами.

В стандарте [6] для УТМ, устанавливаемого в неизвестном месте, определены три класса сейсмического воздействия (по шкале Меркалли).

Интерфейсы (электрические характеристики)

В [7] объектом стандартизации являются электрические характеристики интерфейсов на границах между УТМ и внешним оборудованием согласно рис. 2, но без установления требований к интерфейсу внешнего источника питания, к логическим характеристикам интерфейсов и протоколам взаимодействия.

При рассмотрении интерфейса между УТМ и АПД не исключается возможность включения АПД в состав УТМ. Интерфейс сопряжения УТМ с каналом связи в стандарте определяется в соответствии с требованиями рекомендаций Международного консультативного комитета по телефонной и телеграфной связи (МККТТ, ныне Международный телекоммуникационный союз – ITU-T) серий R и V. Цепи обмена между УТМ и АПД должны соответствовать рекомендациям ITU-Т V.24 (1989) «Перечень определений линий стыка между оконечным оборудованием данных и аппаратурой оконечного канала данных». Электрические характеристики интерфейса должны соответствовать рекомендациям:

• ITU-Т V.28 (1989) для несимметричных двухполярных цепей обмена с оконечной аппаратурой, выполненной по технологии дискретных элементов;

• ITU-Т V.10 (1989) для несимметричных двухполярных цепей обмена с оконечной аппаратурой, выполненной на интегральных схемах;

• ITU-Т V.11 (1989) для симметричных двухполярных цепей обмена с оконечной аппаратурой, выполненной на интегральных схемах.

Механические (разъёмные) соединения рекомендуется выполнять в соответствии со стандартами международной организации по стандартизации ISO (ИСО) и ГОСТ, указанными в табл. 6 [7].

Большая часть [7] посвящена интерфейсу аппаратуры процесса при использовании дискретных и аналоговых сигналов. Некоторым специалистам может показаться, что нет ничего проще, чем, например, решить задачу ввода дискретных сигналов, так как они решали её неоднократно с незапамятных времён. И тем не менее, следование данному стандарту и в этом вопросе поможет защитить создаваемые УТМ от непредвиденных проблем.

Дискретные двоичные сигналы нормируются по уровню и по длительности.

Различают следующие уровни: уровни верхнего и нижнего диапазонов нормальных значений; уровни промежуточного диапазона (между верхним и нижним диапазонами нормальных значений), длительное нахождение сигнала в котором свидетельствует о нарушении нормальной работы; перегрузочный уровень, определяемый пределами, находящимися выше верхнего или ниже нижнего диапазонов нормальных значений (этот уровень опасен возможным повреждением аппаратуры).

Нормирование по длительности осуществляется для дискретного ступенчатого сигнала (например, высокий уровень сигнала определяет состояние «ВКЛ» исполнительного устройства, а низкий – «ОТКЛ») и для импульсного сигнала, который реализует импульсную команду управления, передаёт информацию о приращении или о кратковременном состоянии.

В соответствии с рис. 3 [7] определяются следующие временные параметры двоичных сигналов: длительность, время восстановления и переходное время. Правильный выбор значений перечисленных параметров сигналов позволяет исключать влияние дребезга и состязаний при приёме и обработке дискретных сигналов.

Стандартом определяется состав спецификации дискретных сигналов: номинальные уровни (напряжение или ток); расположение (внутри или вне аппаратуры) и полное сопротивление генерирующей цепи; форма импульсов (уровень, время перехода, длительность, полярность, остаточная пульсация); тип гальванической развязки и предельные напряжения помех (нормального вида, общего вида).

Типы аналоговых сигналов в стандарте определяются как одно- и двухполярные.

Уровни аналоговых сигналов нормируются в номинальной области, определяющей рабочие условия функционирования, включая возможные рабочие перегрузки, а также в аварийной области, в которой выделяются верхний и нижний пределы устойчивости к повреждению аппаратуры.

Стандартом определяется состав спецификации аналоговых сигналов: пределы диапазона, сопротивление нагрузки (максимальное для тока, минимальное для напряжения), тип гальванической развязки и предельные напряжения помех (нормального вида, общего вида). Ни точность, ни полоса частот сигнала (например, скорость изменения) не устанавливаются, так как они являются техническими характеристиками.

Рекомендуемые значения аналоговых сигналов предлагается выбирать из числа токовых сигналов в диапазонах: 0...5 мА, 0...10 мА, 4...20 мА, ±5 мА, ±10 мА.

Физическая реализация интерфейса между УТМ и аппаратурой процесса – это линия связи, по которой передаётся информация с помощью дискретных и аналоговых сигналов.

Основные характеристики интерфейсных сигналов определяются номинальными значениями напряжений и классами токов для двоичных сигналов, а также предельными значениями напряжений и требованиями к изоляции для дискретных и аналоговых сигналов.

Значения двоичных сигналов в стандарте ограничиваются номинальными напряжениями (U_ном) постоянного тока: 12 В, 24 В, 48 В, 60 В. Для пассивного двоичного входа номинальные значения напряжения могут быть определены по согласованию между изготовителем и пользователем.

Классы токов для двоичных входных и выходных сигналов согласно [7] представлены в табл. 7.

Предельные значения напряжений и требования к изоляции для аналоговых и дискретных сигналов приведены соответственно в табл. 8 и 9 [7].

Двоичные входные и выходные сигналы различаются как активные и пассивные.

К активным относятся сигналы, источник питания которых находится вне УТМ. Характеристики активных входных и выходных сигналов представлены в табл. 10 [7].

К пассивным относятся сигналы, источник питания которых находится внутри УТМ. Эти сигналы подаются в аппаратуру в виде контактов, размыкающих или замыкающих цепи определённого сопротивления. При этом для надёжной работы нормируется значение тока, протекающего через контакты и нагрузку. Характеристики пассивных входных и выходных сигналов представлены в табл. 11 [7].

Аналоговые входные и выходные сигналы в общем случае также могут быть активными и пассивными (например, переменные сопротивления), но в стандарте рассмотрены только активные сигналы. Использование пассивных сигналов отнесено к области согласования между изготовителем и заказчиком.

В стандарте определяется, что максимальное сопротивление нагрузки [кОм] должно быть ограничено:

• для входных токовых сигналов – отношением напряжения 5 В к номинальному значению тока [мА];

• для выходных токовых сигналов – отношением напряжения 10 В к номинальному значению тока [мА];

• для сигналов напряжения – 200 кОм/В.

Технические требования

Объектом стандартизации [8] являются показатели, определяющие технические требования к УТМ и СТМ и предназначенные для использования при сравнительном выборе УТМ и оценке их конкурентной способности.

В табл. 12 в соответствии с [8] приведены показатели безотказности, готовности, ремонтопригодности. В обязательном Приложении А к стандарту перечислены меры, рекомендуемые для улучшения этих показателей.

Безотказность нормируется средним временем между отказами в часах (То), которое должно рассчитываться изготовителем по данным о надёжности отдельных компонентов и подтверждаться в реальной эксплуатации за заданный период испытаний с исключением периода ранних отказов.

Готовность нормируется коэффициентом готовности (К_г), который должен определяться отношением общего времени работы УТМ к суммарному времени работы и простоя. К_г характеризует способность СТМ выполнять требуемые функции в данный момент времени в отличие от безотказности, характеризующей работу за заданный период времени.

Ремонтопригодность нормируется средним временем восстановления в часах (Т_в), вычисляемым как сумма организационного времени (промежуток от обнаружения отказа до уведомления службы ремонта), транспортного времени (от момента уведомления о повреждении до прибытия на объект с необходимым оборудованием), среднего времени ремонта Т_р (обнаружения и устранения отказа, а также проверки работоспособности). Это суммарное время нормируется 1, 6, 12 или 24 часами, начиная от момента обнаружения отказа УТМ, и характеризует возможность восстановления полной работоспособности УТМ при заданных условиях эксплуатации.

Показатель «защищённость от повреждений» определяет способность УТМ избегать попадания в опасную или нестабильную ситуацию. Он не нормируется, но в пункте А4 Приложения А к стандарту [8] перечислены меры, рекомендуемые для его улучшения.

Показатель «достоверность передаваемых данных» характеризуется вероятностью появления необнаруженных ошибок при вероятности искажения бита 10–4 и нормируется в соответствии с табл. 13 [8]. Меры для улучшения достоверности передачи данных описаны в пункте А5 Приложения А к стандарту.

Показатель «временные параметры» характеризует промежуток времени от момента появления события на передающем пункте до представления информации о нём на приёмном пункте. Этот параметр связан не только с характеристиками конкретных УТМ, но и с влиянием таких факторов, как конфигурация канала связи, методы передачи телемеханических сообщений, ширина частотной полосы канала связи, функции предварительной обработки на передающем пункте, уровень помех в канале связи, накопление событий за данный период времени, приоритеты в протоколе передачи данных.

Кроме полного времени передачи, при обработке информации о состоянии контролируемого процесса важны следующие параметры:

• разрешающая способность по очерёдности – минимальный промежуток времени между событиями, при котором правильно определяется последовательность их появления;

• разрешающая способность по времени – минимальное время между событиями, при котором различимы соответствующие метки времени;

• время подавления – промежуток времени, за который подавляется появившаяся неправильная информация об изменении состояния, вызванная помехой или дребезгом контактов;

• время опроса – минимальный промежуток времени, необходимый для правильного определения и обработки информации о состоянии.

Принятые методы определения характеристик и объёмов передаваемой информации в системах телемеханики приведены в пункте А6 Приложения А [8].

УТМ КП должны иметь интерфейс не менее чем с двумя видами управляющих устройств: быстро перемещающимися, достигающими нового определённого состояния менее чем за 250 мс; медленно перемещающимися, со временем перемещения от 250 мс до нескольких минут.

Полное время передачи команд должно быть возможно более коротким для обеспечения передачи и обработки команд с высоким приоритетом. Диспетчер (оператор) должен иметь возможность отслеживать исполнение команды управления, чтобы подтвердить приём и правильную передачу УТМ команд управления, а также выполнение команд управления периферийным оборудованием. В случае медленно действующих устройств оператору должна представляться промежуточная информация с выдачей информации об ошибке, если промежуточное состояние продолжается дольше определённого времени.

Временной параметр, связанный с обработкой измеряемых величин и команд уставок, – это полное время передачи. Выполнение функции интегральных измерений (телесчёт) требует, чтобы время обработки и передачи данных было меньше времени суммирования.

Классификационный признак «общая погрешность результатов обработки информации» определяется как разность между значениями величин в местах передачи и приёма, выраженная в процентах от номинального диапазона. Следует обратить внимание на то, что в [8] (см. п. 3.7.2.1) используется термин «общая точность» (overall accuracy) без выделения основной и дополнительных составляющих погрешностей, которого требует ГОСТ 26.205-88 [14]. Обобщённый подход к оценке точности измерения удобен для эксплуатационного персонала по следующим причинам:

• в большинстве проектов телемеханизации не предусмотрено отслеживание условий эксплуатации УТМ по месту их установки, а следовательно, в рабочих условиях эксплуатации оценка текущих значений дополнительных составляющих погрешностей принципиально невозможна;

• в производственных условиях УТМ связаны с объектом не только измерительными каналами, но также множеством каналов сигнализации и управления, поэтому большое значение имеет возможность проведения поверки/калибровки измерительных каналов УТМ без его демонтажа, что возможно только тогда, когда условия поверки/калибровки совпадают с рабочими условиями эксплуатации УТМ; следует отметить, что в этом случае существенно снижаются требования к поверочному оборудованию как по точности, так и по условиям его эксплуатации.

Применение обобщённого подхода к оценке точности измерительных каналов УТМ потребует разработки специальной методики их поверки/калибровки в рабочих условиях эксплуатации, которая должна быть увязана с регламентацией метрологических характеристик измерительных каналов измерительной системы [15], частью которой являются УТМ.

Различие требований [8] и [14] имеет место и в определении классов точности. В [8] они определяются из ряда (класс точности – общая погрешность): А1 – 5,0%; А2 – 2,0%; А3 – 1,0%; А4 – 0,5%; Ах – специальные классы. В [14] указано, что классы точности каналов измерения должны выбираться из ряда: 2,5 (по требованию потребителя); 1,5; 1,0; 0,6; 0,4; 0,25; 0,2; 0,15; 0,1; 0,06.

Классификационный параметр «возможность расширения системы телемеханики» определяет способность СТМ и УТМ к расширению или модернизации функций в целях адаптации к изменениям обслуживаемого технологического процесса. Возможность расширения УТМ как свойство конструкции следует рассматривать на начальной стадии разработки и проектирования, в том числе с определением технических требований к тем условиям, в которых расширение и модификация могут быть возможны.

Оценка возможности расширения должна учитывать следующие требования:

• минимизации изменений в установленном УТМ и его программном обеспечении;

• недопущения ухудшения надёжности и защищённости системы телемеханики;

• минимизации времени простоя системы, необходимого для выполнения изменений в системе и проведения испытаний.

Методы представления и оценки возможности расширения УТМ изложены в обязательном приложении к стандарту [8]. ●

Литература

1. МЭК 60050-371-84. Международный электротехнический словарь. Глава 371: Телемеханика. — IEC, 1984.

2. ГОСТ Р МЭК 870-1-1-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. Раздел 1. Общие принципы. — М. : Издательство стандартов, 1994.

3. ГОСТ Р МЭК 870-1-2-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. Раздел 2. Руководство по разработке технических требований. — М. : Издательство стандартов, 1995.

4. ГОСТ Р МЭК 870-1-4-98. Устройства и системы телемеханики. Часть 1. Основные положения. Раздел 4. Основные аспекты передачи телемеханических данных и руководство по использованию стандартов МЭК 870-5 и МЭК 870-6. — М. : Издательство стандартов, 1998.

5. ГОСТ Р 51179-98 (МЭК 870-2-1-95). Устройства и системы телемеханики. Часть 2. Условия эксплуатации. Раздел 1. Источники питания и электромагнитная совместимость. — М. : Издательство стандартов, 1998.

6. ГОСТ Р МЭК 60870-2-2-2001. Устройства и системы телемеханики. Часть 2. Условия эксплуатации. Раздел 2. Условия окружающей среды (климатические, механические и другие неэлектрические влияния). — М. : Издательство стандартов, 2001.

7. ГОСТ Р МЭК 870-3-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 3. Интерфейсы (Электрические характеристики). — М. : Издательство стандартов, 1994.

8. ГОСТ Р МЭК 870-4-93. Устройства и системы телемеханики. Часть 4. Технические требования. — М. : Издательство стандартов, 1994.

9. ГОСТ Р МЭК 870-5-1-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 1. Форматы передаваемых кадров. — М. : Издательство стандартов, 1995.

10. ГОСТ Р МЭК 870-5-2-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 2. Процедуры в каналах передачи. — М. : Издательство стандартов, 1995.

11. ГОСТ Р МЭК 870-5-3-95. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 3. Общая структура данных пользователя. — М. : Издательство стандартов, 1995.

12. ГОСТ Р МЭК 870-5-4-96. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 4. Определение и кодирование элементов пользовательской информации. — М. : Издательство стандартов, 1996.

13. ГОСТ Р МЭК 870-5-5-96. Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи. Раздел 5. Основные прикладные функции. — М. : Издательство стандартов, 1996.

14. ГОСТ 26.205-88. Комплексы и устройства телемеханики. Общие технические условия. —М. : Издательство стандартов, 1989.

15. МИ 2439-97. ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации, определения и контроля. — М. : ВНИИМС, 1997.