Relines Apsaugos Mikroprocesoriniai Itaisai Ir Nuotolinis Valdyams

Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 __________________________________________________________________________________________ KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA ELEKTROMECHANIKOS FAKULTETAS ENERGETIKOS IR ELEKTRONIKOS KATEDRA Relinės apsaugos mikroprocesorinių įtaisų ir nuotolinio valdymo mokymo/si medžiagos rinkinys Studijų programa: Elektros energetika Parengė: lekt. Valdas Paulauskas KAUNAS, 2011 Recenzentai: UAB Bioprojektas Prjektų dalies vadovas Lukas Židonis UAB Elinvision Projektų vadovas inži. Vladas Sabalaiuskas Spausdinta iš autorių originalų. Už mokymo/si medžiagos rinkiniuose pateiktos medžiagos turinį atsako autoriai. Mokymo/si medžiagos rinkinių kalba netaisyta. KTK Ekspertų Tarybos rekomenduota spausdinti 2011 m. balandžio mėn. 05 d. Nr. 89 ISBN 978-9955-572-97-8 © Kauno technikos kolegija © 2011 lekt. Valdas Paulauskas Tvirtovės al. 35, LT-50155 Kaunas Tel.: 8 37 308620 , faksas: 8 37 333120 El. paštas: ktk @ ktk.lt 3 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 ĮŽANGINIS ŽODIS Dalyko „Relinės apsaugos mikroprocesoriniai įtaisai ir nuotolinis valdymas“ studijų medžiagos rinkinys parengtas atsižvelgiant į dalyko kuris yra studijuojamas Elektros energetikos studijų programoje Elektros tinklai ir sistemos šakoje tikslus. Siekiama suteikti žinias apie, relinės apsaugos mikroprocesorinius įtaisus ir nuotolinį valdymo sistemas, jų panaudojimo galimybes bei šių sistemų sudarymo ypatumus, kurių pagrindu formuojami pažintiniai gebėjimai suprasti ir atpažinti relines apsaugas ir nuotolinio valdymo įtaisus, elektros energetikos sistemose, ugdomi praktiniai gebėjimai naudotis valymo ir apsaugos įranga, įtvirtinami perkeliamieji gebėjimai, pasirinkti reikiamą įrangą ir sudaryti nuotolinio valdymo sistemą pritaikant ją valdymo ir relinės apsaugos uždaviniams spręsti Rinkinys susideda iš: Modulio aprašo. Jame pateikiamas bendrasis modulio aprašas, detali mokymo/si užsiėmimų struktūra, užsiėmimų vedimo planai bei vertinimas; Paskaitų konspekto. Jame surinkta pagrindinė teorinė mokymo/si medžiaga, kurią visi besimokantieji privalo studijuoti savarankiškai, siekiant gerai įsisavinti modulio turinį. Ši konspekto dalis parengta pagal knygas: Doc.dr. Turauskas Z. Elektros tinklo relinė apsauga. Šiauliai, 2008. Bendžius A., Skaitmeninės relės. Kaunas KTK 2009. ir kt.; Laboratorinių praktinių darbų užduotčių. Modulyje yra numatyti Laboratoriniai darbai ir praktiniai darbai, jų metu bus lavinami praktiniai įgūdžiai; Savarankiško darbo užduotys – jų metu bus patikrinamos įsisavintos teorinės žinios. Studijuojant šį modulį yra pasiekiami šie rezultatai: Studentas turi: - žinoti pagrindinius relinės apsaugos ir distancinio valdymo mikroprocesorinius įtaisus; - žinoti pagrindinius duomenų perdavimo principus, sistemas ir komunikacijas; - išmanyti pagrindinių ryšio, informacijos ir televaldymo panaudojimo galimybes automatinės sistemose; - gebėti atlikti objekto ar proceso analizę, ją apibendrinti; - gebėti parinkti mikroprocesorinius valdymo įrenginius pagal veikimo paskirtį; - gebėti pasirinkti duomenų surinkimo ir valdymo sistemą. Tikimės, kad ši medžiaga bus efektyvi mokymo/si priemonė studijuojantiems ir padės prasmingiau formuoti studijų programoje suformuluotas kompetencijas bei įsisavinti modernias technologijas. 4 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 TURINYS 1. DALYKO PROGRAMA.................................................................................................................... 6 2. STUDIJŲ REZULTATŲ VERTINIMAS .......................................................................................... 8 3. PASKAITŲ KONSPEKTAS............................................................................................................ 12 3.1. Mikroprocesorius ....................................................................................................................... 12 3.1.1. Mikroprocesorinės sistemos struktūra ................................................................................ 12 3.2. Iintegruota realinė apsauga ir automatika .................................................................................. 17 3.2.1. Gedimai elektros sistemose................................................................................................. 17 3.2.2. Nenormalūs darbo režimai .................................................................................................. 18 3.2.3 Relinės apsaugos parametrai................................................................................................ 19 3.2.4 Relių jungimo būdai............................................................................................................. 21 3.2.5. Relinės apsaugos poveikio būdai ........................................................................................ 21 3.2.6. Operatyvinė srovė, reikalavimai ir paskirtis ....................................................................... 22 3.3. Apsaugos ir distancinio valdymo automatikos įtaisai................................................................ 27 3.3.1. Indukcinių relių sandara ir veikimo principas..................................................................... 27 3.3.1. Elektromagnetinės tarpinės relės ........................................................................................ 32 3.4. Mikroprocesorinė elementiai relinėje apsaugos automatikoje............................................... 33 3.4.1. Pagrindiniai mikroprocesorinės elementinės bazės privalumai .......................................... 33 3.4.2. Skaitmeninių apsaugos įrenginių struktūrinė schema......................................................... 34 3.4.3. Generatorių ir blokų generatorius-transformatorius apsauga.............................................. 35 3.4.4. Elektros perdavimo linijų integruota relinė apsauga ir priešavarinė automatika................ 38 3.5. Transformatorių apsaugos ypatumai .......................................................................................... 41 3.6. Televaldymas ir intelektualios sistemos. ................................................................................... 44 3.7. Duomenų perdavimo sistemos, komunikaciniai protokolai, modeliai....................................... 48 3.7.1. Skaitmeninės komutacijos principai ................................................................................... 48 3.7.2. Informacijos paketavimas ................................................................................................... 49 3.7.3. Skaitmeninės komutacijos principų klasifikavimas............................................................ 49 3.7.4. Grandinių ir kanalų komutacija........................................................................................... 50 3.7.5. Paketų komutacija............................................................................................................... 52 3.7.6. ATM ląstelių komutacija .................................................................................................... 54 3.7.7. Etaloninis OSI modelis ....................................................................................................... 58 3.7.8. Protokolai ir sąsajos ............................................................................................................ 59 3.7.9. OSI modelio lygių paskirtis ................................................................................................ 60 3.7.10. Duomenų perdavimo tinklų architektūra .......................................................................... 62 3.7.11. Srautų susiejimas duomenų perdavimo tinkluose............................................................. 68 3.7.12. SCADA sistema ................................................................................................................ 75 3.10. Ryšio linijos ir sistemos elektros tinklų automatikoje ............................................................. 79 3.10.1. Fiziniai procesai optinėje gijoje ........................................................................................ 83 3.10.2. Signalų slopinimas optinėje gijoje .................................................................................... 85 3.10.3. Lūžio rodiklių pasiskirstymas optinėje gijoje ................................................................... 86 3.10.4. Optinės gijos kritinis dažnis ir normuotas dažnis ............................................................. 88 3.10.5. Modos optinėje gijoje........................................................................................................ 88 3.10.6. Signalų dispersija optinėje gijoje...................................................................................... 89 3.10.7. Skaitinė apertūra ............................................................................................................... 91 3.10.8. Optinių kabelių konstrukcijos ........................................................................................... 91 3.10.9. Optinių kabelių sujungimai............................................................................................... 93 3.10.10. Koaksialiniai kabeliai ir prijungimo įranga .................................................................... 94 3.10.11. Koaksialinių kabelių tipai, sandara ................................................................................. 95 3.11. Komunikacijos tipinėmis kompiuterinės sąsajos linijomis...................................................... 98 5 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.11.1. RS–232 sąsaja ................................................................................................................. 100 3.11.2. Srovės kilpos tipo sąsaja ................................................................................................. 101 3.11.3. Infraraudonoji sąsaja....................................................................................................... 101 3.11.4. COM uostai ..................................................................................................................... 102 3.11.5. Bendrosios žinios apie SCSI ........................................................................................... 104 4. SAVARANKIŠKO DARBO UŽDUOTYS ................................................................................... 106 4.1. Praktinė užduotis (namų darbas).............................................................................................. 107 4.2. Laboratoriniai darbai................................................................................................................ 111 4.2.1. Metodinės nuorodos laboratoriniams darbams ................................................................. 111 1. Laboratorinis darbas.................................................................................................................... 113 2. Laboratorinis darbas.................................................................................................................... 114 3. Laboratorinis darbas.................................................................................................................... 119 4. Laboratorinis darbas.................................................................................................................... 121 5. Laboratorinis darbas.................................................................................................................... 125 6. Laboratorinis darbas.................................................................................................................... 127 6. TIPINĖS REZULTATŲ VERTINIMO UŽDUOTYS ................................................................... 130 LITERATŪRA ................................................................................................................................... 131 6 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 1. DALYKO PROGRAMA Eil. Nr. Temos pavadinimas, turinys, pobūdis P PR K SD Viso Mikroprocesorinė įranga. Mikroprocesorių raida 2 2 Mikroprocesorių ir mikrovaldiklių paskirtis ir veikimas tipai 2 2 Mikroprocesoriaus prijungimo pagrindai 2 2 1. Programavimas 2 2 1 Praktinis darbas 2 2 4 8 Apsaugos ir distancinio valdymo automatikos įtaisai. Apsaugos aparatai 2 2 2. Valdymo įranga 2 2 Generatorių ir generatorius-transformatorius integruota mikroprocesorinė apsauga. Generatorių apsaugos pagrindai 2 2 3. Relinės mikroprocesorinės apsaugos 2 4 6 1 Tarpinis atsiskaitymas 6 6 Integruota relinė apsauga ir priešavarinė automatika elektros perdavimo linijose. Gedimai ir normalus darbas linijose 2 2 Relių parametrai ir prijungimas 2 2 4. Srovės relės ir matavimo ypatumai sistemose 2 2 2 Praktinis darbas 2 2 4 8 3 Praktinis darbas 4 4 8 Transformatorių mikroprocesorinės apsaugos ypatumai. Transformatorių reguliavimo pagrindai 2 2 5. Reguliavimo parinkimas 2 2 Elektrinių savų reikmių ir skirstomųjų tinklų integruotos apsaugos ir automatikos ypatumai. Elektrinės savų reikmių sistemos ir apsaugos 2 2 Skirstomojo tinklo apsauga 2 2 6. Apsaugos parinkimas 2 2 4 Praktinis darbas 4 2 4 10 Namų darbas 16 16 Televaldymas, pastočių nuotolinis valdymas ir intelektualios sistemos. 7. Televaldymo paskirtis 2 2 7 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Eil. Nr. Temos pavadinimas, turinys, pobūdis P PR K SD Viso Pastočių nuotolinio valdymo organizavimo ypatumai 2 2 Duomenų perdavimo sistemos, komunikaciniai protokolai. Skaitmeninės komutacijos principai 2 2 Informacijos paketavimas, grandinių ir kanalų komutavimas 2 2 OSI modelio taikymas komunikacijose ir valdyme 2 2 Duomenų perdavimo tinklų architektūra 2 2 8. Relinės ryšio sistemos 2 2 5 Praktinis darbas 4 2 6 6 Praktinis darbas 4 4 4 12 2 Tarpinis atsiskaitymas 4 4 SCADA sistema. SCADA sistemos paskirtis ir panaudojimo galimybės 2 2 Sistemos struktūra, programinė įranga 2 2 9. Sistemos valdomos SCADA sudarymo ypatumai 2 4 6 Ryšio sistemos elektros tinklų automatikoje. Ryšio linijos komunikacijose 2 2 Optinės linijos 2 2 10. Kabelinės linijos 2 4 6 Elektros tiekimo tinklų automatikos struktūrinės sistemos, valdymo ir informacijos rinkimo sistemos. Elektros tinklų apsaugos automatikos sistemų sujungimai 2 2 Duomenų rinkimo sistemos 2 2 11. Pagrindinės sąsajos ir protokolai 2 2 3 Tarpinis atsiskaitymas 6 6 Iš viso: 64 20 12 64 160 P –paskaitos, PR – praktinis darbas, K-konsultavimas, SD-savarankiškas darbas 8 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 2. STUDIJŲ REZULTATŲ VERTINIMAS Vertinimui taikoma dešimtbalė kriterinė skalė ir kaupiamoji vertinimo schema, sudaryta iš laboratorinių darbų, kontrolinių darbų ir savarankiško darbo (namų darbo užduotis) vertinimo bei apibendrinančio vertinimo egzamino. Suminio balo skaičiavimo formulė: GB = 0,3LD + 0,2KD + 0,2ND+ 0,3E, čia LD – laboratoriniai darbai; KD – kontroliniai darbai; ND – namų darbai; E – egzaminas. Siekiant maksimaliai realizuoti dalyko tikslus, studentams organizuojamos individualios konsultacijos Vertinimo kriterijai Studijuojančiųjų dalyko tikslų pasiekimo lygis vertinamas integruotai, atsižvelgiant tiek į teorinių žinių įsisavinimo lygį, tiek į praktinių užduočių atlikimo bei atsiskaitymo už jas lygį. Vertinimo kriterijai, atsižvelgiant į dalyko tikslų pasiekimo lygį, susisteminti žemiau pateiktoje 2.1 lentelėje, o 2.2 lentelėje pateikta žinių ir įgūdžių vertinimo skalė. 9 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 2.1. lentelė. Vertinimo kriterijai Užduotis Kriterijai 1 kontrolinis darbas Teisingai paaiškinta mikroprocesoriaus paskirtis. Tiksliai nurodyti jų panaudojimo, prijungimo ir pasirinkimo kriterijai. Išsamiai apibūdinti ir paaiškintas apsaugos aparatų veikimas. Išsamiai ir argumentuotai apibrėžti skirtumai ir funkcijos tarp valdymo ir vykdymo įrangos. Teisingai ir išsamiai paaiškintos generatorių apsaugos. 2 kontrolinis darbas Teisingai paaiškinti relinės apsaugos ir priešavarinės automatikos elektros perdavimo linijose mikroprocesorių įrenginių tipai. Tiksliai nurodytos jų panaudojimo ir prijungimo schemos. Išsamiai apibūdintos ir paaiškintos savųjų reikmių ir skirstymo įrenginių funkcijos. Išsamiai ir argumentuotai apibrėžti skirtumai ir funkcijos tarp valdymo ir vykdymo įrangos. Teisingai ir išsamiai paaiškinta televaldymo pagrindinės funkcijos ir būdai. Išsamiai apibūdintas ir paaiškintas komunikacijų modelis ir ryšių tinklų topologija. 3 kontrolinis darbas Išsamiai paaiškintos SCADA sistemos pagrindinės funkcijos ir paskirtis. Išsamiai paaiškintas optinės linijos veikimas. Argumentuoti skirtingų ryšio linijų parinkimo ir panaudojimo būdai ir privalumai. Teisingai ir su pavyzdžiais paaiškinti sąsajų ir protokolų panaudojimo ypatumai. 1 praktinis darbas Išsamiai aprašytas įrenginio veikimas. Teisingai nubraižyta struktūrinė schema. Pateikti techniniai parametrai teisingi. Padarytos logiškos išvados. 2 praktinis darbas Teisingai pagal užduotį sujungtos schemos Teisingai pasirinkti matavimo prietaisai ir atlikti matavimai. Atlikti skaičiavimai teisingi. Pateikti techniniai aparatūros parametrai Padarytos logiškos išvados. 3 praktinis darbas Teisingai pagal užduotį sujungtos schemos Teisingai pasirinkti matavimo prietaisai ir atlikti matavimai. Pateikti techninės įrangos aprašymai išsamus. Atlikti skaičiavimai teisingi. Nubraižytos reikalingos vektorinės diagramos teisingos. Padarytos logiškos išvados. 4 praktinis darbas Išsamiai paaiškinta relės paskirtis ir atskirų jos modulių funkcijos. Taisyklingai nubraižytos relių prijungimo schemos. Padarytos logiškos išvados. 5 praktinis darbas Išsamiai aprašytas tyrimo eiga. Tiksliai apibrėžti kintamieji. Išsamiai paaiškinta protokolų paskirtis. Padarytos logiškos išvados. 6 praktinis darbas Tiksliai apibrėžtos pagrindinės sąvokos. Tinkamai aprašytas OSI modelis. Teisingai atsakyti pateikti klausimai. Padarytos logiškos išvados. Darbo gynimo metu kalsimai atsakyti teisingai ir argumentuotai. Savarankiškas darbas (namų darbas) Išsamiai ir tiksliai aprašytas procesas. Atliktas teisingas valdymo parametrų aprašymas. Teisingai parinkti jutikliai ir matavimo priemonės. Taisyklingai nubraižytos elektrinės principinės schemos Tekstinė ir grafinė informacija pateikta pagal raštvedybos taisykles. Surinkta informacija logiškai apibendrinta pagrįsta išvadomis. Egzaminas Egzamino metu tikrinamas visų studijų dalyko rezultatų pasiekimo lygis, todėl taikomi užduočių vertinimo ir bendrieji kriterijai. 2.3. lentelė. Žinių ir įgūdžių vertinimo skalė 10 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 I š l a i k y m o s l e n k s t i s Pažymys ir trumpas žinių ir gebėjimų apibūdinimas* Išsamus žinių ir supratimo apibūdinimas Išsamus gebėjimų apibūdinimas Puikios, išskirtinės, visapusiškos žinios ir jų taikymas sprendžiant sudėtingas praktines problemas. Savarankiškai studijavo papildomą medžiagą. Puikiai supranta ir vartoja sąvokas, geba analizuoti jas platesniame dalyko kontekste. Originaliai ir nepriklausomai mąsto. Puikūs analitiniai ir vertinimo įgūdžiai, įžvalga. Puikus pasirengimas tolesnėms studijoms. Puikiai taiko teorines žinias. Puikiai atlieka sudėtingas nestandartines užduotis. Nepriekaištinga, išskirtinė atlikimo kokybė. Puikūs raiškos ir pristatymo įgūdžiai. Gerai supranta, ką ir kodėl daro. 10 (puikiai) Puikios, išskirtinės žinios ir gebėjimai Pasiekti visi studijų rezultatai Tvirtos, geros, visapusiškos žinios ir jų taikymas sprendžiant sudėtingas praktines problemas. Savarankiškai studijavo papildomą medžiagą. Puikiai supranta studijuojamą medžiagą, sąvokas vartoja tinkamai. Originaliai ir nepriklausomai mąsto. Labai geri analitiniai, vertinimo ir sintezės įgūdžiai. Labai geras pasirengimas tolesnėms studijoms. Labai gerai taiko teorines žinias. Lengvai atlieka sudėtingas tipines užduotis. Labai gera atlikimo kokybė. Labai geri raiškos ir pristatymo įgūdžiai. Supranta, kokius metodus, technikas taiko ir kodėl. 9 (labai gerai) Tvirtos, geros žinios ir gebėjimai Pasiekta ne mažiau kaip 90 proc. studijų rezultatų Geresnės nei vidutinės žinios ir jų taikymas sprendžiant praktines problemas. Susipažino su privaloma medžiaga. Geba savarankiškai dirbti su papildoma medžiaga. Supranta sąvokas ir principus, juos taiko tinkamai. Gerai argumentuoja ir argumentus pagrindžia faktais. Geras pasirengimas tolesnėms studijoms. Gerai taiko žinias. Teisingai atlieka vidutinio sudėtingumo ir sunkesnes užduotis. Gera atlikimo kokybė. Geri raiškos ir pristatymo įgūdžiai. Žino, kokius metodus, technikas taikyti. 8 (gerai) Geresnės nei vidutinės žinios ir gebėjimai Pasiekta ne mažiau kaip 80 proc. studijų rezultatų Vidutinės žinios, yra neesminių klaidų. Žinias taiko praktinėms problemoms spręsti. Susipažino su pagrindine medžiaga. Supranta ir vartoja sąvokas ir principus. Kelios esminės dalys susiejamos į visumą. Pakankamai gerai argumentuoja. Pakankamas pasirengimas tolesnėms studijoms. Žinios taikomos vadovaujantis pateiktais pavyzdžiais. Gera atlikimo kokybė. Teisingai atlieka vidutinio sunkumo užduotis. Pakankami raiškos ir pristatymo įgūdžiai. 7 (vidutiniškai) Vidutinės žinios ir gebėjimai, yra neesminių klaidų. Pasiekta ne mažiau kaip 70 proc. studijų rezultatų I š l a i k y t a 6 (patenkinamai) Žinios ir gebėjimai (įgūdžiai) žemesni nei vidutiniai, yra klaidų Žemesnės negu vidutinės žinios, yra klaidų. Žinias taiko nesudėtingoms praktinėms problemoms spręsti. Susipažino su pagrindine medžiaga. Patenkinamai suvokia sąvokas, geba savais žodžiais apibūdinti priimamą informaciją. Analizuojant susitelkiama į keletą aspektų, tačiau nesugebama jų Žinios taikomos vadovaujantis pateiktais pavyzdžiais. Patenkinama atlikimo kokybė. Moka veikti pagal analogiją. Teisingai atlieka lengvas užduotis, bet nesuvokia sudėtingesnių. Patenkinami raiškos ir pristatymo įgūdžiai. 11 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 I š l a i k y m o s l e n k s t i s Pažymys ir trumpas žinių ir gebėjimų apibūdinimas* Išsamus žinių ir supratimo apibūdinimas Išsamus gebėjimų apibūdinimas susieti. Patenkinamas pasirengimas tolesnėms studijoms. Pasiekta ne mažiau kaip 60 proc. studijų rezultatų Žinios tenkina minimalius reikalavimus. Žinias taiko nesudėtingoms praktinėms problemoms spręsti. Paprastas įsisavintų sąvokų vardijimas, teksto atpasakojimas. Atsakymas sutelktas į vieną aspektą. Minimalus pasirengimas tolesnėms studijoms. Minimalūs pakankami gebėjimai problemoms spręsti vadovaujantis pavyzdžiais. Geba veikti pagal analogiją. Patenkinami raiškos ir pristatymo įgūdžiai. 5 (silpnai) Žinios ir gebėjimai (įgūdžiai) tenkina minimalius reikalavimus Pasiekta ne mažiau kaip pusė studijų rezultatų 4 3 2 1 Nepatenkinamai Netenkinami minimalūs reikalavimai Žinios netenkina minimalių reikalavimų Gebėjimai netenkina minimalių reikalavimų N e i š l a i k y t a Pasiekta mažiau kaip pusė studijų rezultatų 12 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3. PASKAITŲ KONSPEKTAS Ši konspekto dalis parengta pagal knygas: Doc.dr. Turauskas Z. Elektros tinklo relinė apsauga. Šiauliai, 2008. Bendžius A., Skaitmeninės relės. Kaunas KTK 2009. Kilius Š. Mikroprocesoriai Kaunas, KTK 2010. 3.1. Mikroprocesorius Mikroprocesoriai ir mikrovaldikliai – plačiai paplitęs ir tuo pačiu nepastebimas mūsų aplinkos elementas. Dažno iš mūsų paklausus, kas tai yra mikroprocesorius ar kur jis naudojamas, daugelis atsakytų – kompiuteryje, tačiau net nesusimatytų, kiek iš tikrųjų jų supa mus visose gyvenimo srityse. Plečiantis mikroprocesorių pritaikymui, išsiskyrė savarankiška integrinių grandynų klasė – mikrovaldikliai. Šiame vientisame grandyne sutelkti visi kompiuteriui būdingi ir savarankiškai valdymo sistemai sukurti reikalingi įrenginiai – procesorius, programų ir duomenų atmintys, analogas-kodas bei kodas-analogas keitikliai, skaitikliai, įvairios sąsajos (USART, USB, CAN ir t.t.). 3.1.1. Mikroprocesorinės sistemos struktūra Apibendrinta mikroprocesorinės sistemos struktūra pateikta 3.1. pav. Duomenų surinkimo blokas Valdymo signalų formavimo blokas Mikroprocesorius Sisteminė magistralė Duomenų ir programų atmintis Komunikacijų su tinklu blokas Skaitmeniniai ir analoginiai įėj imai, skaitikliai ir kt. Skaitmeniniai ir analoginiai išėjimai, keitikliai ir kt. Jutikliai Valdymo įtaisai, relės ir kt. Objektas 3.1 pav. Apibendrinta mikroprocesorinės sistemos struktūra Mikroprocesorinę sistemą (MPS) sudaro mikroprocesorius, duomenų ir programų atmintis, komunikacijų su lokaliu tinklu blokas, duomenų surinkimo ir valdymo signalų blokas. Informacija apie objekto būseną gaunama iš jutiklių, kurie prie MPS jungiami per matavimo keitiklius, 13 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 keičiančius matuojamą fizikinį dydį į įtampą, srovę, dažnį, skaitmeninį kodą ir kt. Atlikus informacijos apdorojimą formuojami valdymo signalai – dažniausiai jie būna įtampos, srovės, tam tikro dažnio impulsų, koduotos sekos ir pan. pavidalo. MPS skirta skaitmeninio informacijos apdorojimo algoritmų programinei realizacijai. Šioje sistemoje pagrindinis informacijos apdorojimo elementas yra mikroprocesorius. Mikroprocesoriumi (MP) vadinamas programiniu būdu valdomas skaitmeninis informacijos apdorojimo įtaisas. MP sudaro du įtaisai: skaičiavimo įtaisas (aritmetinis loginis įrenginys), atliekantis operacijas su operandais ir valdantysis įtaisas, kuris formuoja valdančiuosius signalus operaciniam įtaisui pagal iš atminties nuskaitytą komandos kodą. Galimi tokie MPS funkcinių elementų fizinio realizavimo atvejai: - vienos elemento funkcijas realizuoja keletas integrinių grandynų; - kiekvieną funkcinį elementą atitinka atskiras integrinis grandynas, realizuojantis jo funkcijas; - keli (ribiniu atveju visi) funkciniai elementai realizuoti viename integriniame grandyne. Jei visi MPS funkciniai elementai yra viename integriniame grandyne, jis vadinamas vienkristaliu mikrokompiuteriu arba mikrovaldikliu (MV). Jei mikrovaldiklio savųjų resursų nepakanka, jie gali būti išplečiami išorinių įrenginių (atminties, išorinių sąsajų) sąskaita. Tokiu atveju skaitoma, kad mikrovaldiklis veikia mikroprocesoriaus režimu. Mikrovaldiklio panaudojimas leidžia supaprastinti mikroprocesorinę sistemą (ir kartu atpiginti jos gamybos kaštus), nes sumažėja MPS sudedamųjų dalių. Į vieną MV integrinį grandyną dažnai būna įkomponuota programų ir duomenų atmintis, įvykių skaitikliai, laikmačiai, analogas- kodas keitikliai, ryšio sąsajos ir t.t. Priklausomai nuo MPS paskirties ir jos realizacijai panaudotų įtaisų, galima skirti kelias MPS rūšis: - mikrokompiuteris – išbaigtas savarankiškas įtaisas, turintis priemones ryšiui su išoriniais įtaisais, t.y. sujungtus į bendrą konstrukciją valdymo pultą, indikatorių, maitinimo šaltinį ir t.t. Geriausias tokios MPS pavyzdys – personalinis kompiuteris; - įterptinė sistema (embedded system) arba įterptinis kompiuteris – neturi individualaus valdymo pulto, maitinimo šaltinio, dekoratyvinio apipavidalinimo ir skirtas konstruktyviai įterpti (įmontuoti) į skaičiavimo, komunikacijų ar valdymo sistemą. Dažniausiai jis būna išpildytas vienoje arba keliose plokštėse; Dažnai yra naudojama sąvoka valdiklis – taip vadinamas ne tik valdantis mikrokompiuteris, bet ir MPS sąsajos, ryšio su periferiniais įtaisais priemonės, pavyzdžiui, klaviatūros valdikliai, tiesioginių mainų valdikliai, decentralizuoto valdymo valdikliai ir pan. Centrinis procesorius Pateikta kompiuterio struktūra, atspindinti daugumos šiuolaikinių skaitmeninių kompiuterinių sistemų architektūrą, susideda iš trijų pagrindinių elementų – centrinio procesoriaus (toliau – procesorius), atminties bloko ir įvesties-išvesties įrenginių. Procesorius valdo visos sistemos darbą ir yra pagrindinė sudedamoji MPS dalis. Būtent jo savybės lemia visos MPS darbo našumą. Viena iš pagrindinių procesoriaus charakteristikų yra jo taktinis dažnis, kuris varijuoja nuo kelių megaherzų (MHz) mikrovaldikliams iki kelių ir daugiau gigaherzų (GHz) procesoriams, skirtiems staliniams kompiuteriams ir darbo stotims. Tačiau ne visada procesoriaus taktinio dažnio dydis lemia našumą, ypač procesoriuose su vidiniais konvejeriais. Naudojant konvejerius, komandos vykdymas suskirstomas į keletą etapų. Jų kiekis gali būti skirtingas. Pavyzdžiui, MP i486 naudojamas penkių pakopų konvejeris, kuriame yra tokie komandos vykdymo etapai: - komandos kodo nuskaitymas iš atminties; - komandos dešifravimas; 14 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - operandų adreso formavimas; - komandos vykdymas; - rezultato įrašymas. Tokiu atveju komandų vykdymas atliekamas lygiagrečiai – nuskaičius komandos kodą iš atminties, jis perduodamas dešifravimui ir nuskaitymo įrenginys tampa laisvas. Taigi, jis gali pradėti nuskaityti sekančios komandos kodą. Tokiu būdu lygiagrečiai vykdomos kelios komandos, tik jos yra skirtingose vykdymo etapuose. Toks procesoriaus darbo būdas leidžia padidinti skaičiavimo našumą. Jei MP turi vieną konvejerį, jo architektūra vadinama skaliarine. Jei naudojami keli konvejeriai, tuomet architektūra vadinama superskaliarine (tokią architektūrą turi PENTIUM tipo procesoriai). Dėl minėtų priežąsčių procesoriaus darbo našumui įvertinti naudojamos specialios testinės programos. Kaip našumo matavimo vienetai dažniausiai naudojamis MIPS (angl. milion integer per second – milijonai aritmetinių operacijų su sveikais skaičiais per sekundę) arba MFLOPS (angl. milion floating point operation per second – milijonai aritmetinių operacijų su slankiojo kablelio skaičiais per sekundę). Aišku, kad MP našumas priklausys ir nuo naudojamos architektūros savybių, pavyzdžiui, duomenų magistralės skilčių skaičiaus. Esant tam pačiam skaičiavimo tikslumui, didesnio duomenų skilčių skaičiaus MP dirbs sparčiau. Procesoriaus pagrindinė užduotis – nuosekliai vykdytis komandas, apjungtas į tam tikrą grupę – programą. Faktiškai, vienintelis dalykas, ką gali atlikti procesorius – tai vykdyti komandas nuo maitinimo įtampos padavimo, iki to momento, kol jis yra išjungiamas. Kompiuterinė programa – tai komandų rinkinys, saugomas atmintyje. Pavyzdžiui, užduotis – sudėti du skaičius, 2 ir 6. Norint šiuos skaičius sudėti reikia atlikti tokius veiksmus: 1. nuskaityti 2; 2. nuskaityti 6; 3. sudėti 2 ir 6; 4. rezultatą įrašyti į atmintį. Šių veiksmų atlikimui yra formuojama programa. Programa pervedama į kalbą, kurią supranta kompiuteris. Tai būtų mašininė kalba – tam tikrų skaičių, kurie reiškia atitinkamą komandą, seka. Tam tikram hipotetiniam procesoriui, mašininės komandos galėtų būti tokios: skaičiaus nuskaitymas iš atminties – 00, skaičių sudėtis – 01, rezultato įrašymas į atmintį – 02. Tokiu atveju minėtų skaičių sudėties programa mašinine kalba atrodytų taip: 00 02 00 06 01 02 00 Kaip matyti, programų rašymas mašinine kalba – sudėtingas procesas. Reiktų tiksliai perprasti procesoriaus sandarą, o programos derinimas ir klaidų taisymas užimtų begales laiko. Laimei, vystantis kompiuterinei technikai, buvo pereita nuo mašininės skaičių kalbos prie Asemblerio (assembly language). Čia kiekviena mašininė komanda turi savo žymėjimą, paprastai atitinkamo anglų kalbos žodžio sutrumpinimą. Pateiktą sudėties programą asemblerio kalba būtų galima užrašyti: GET 6 GET 2 ADD STORE 0 Kiekviena kompiuterio architektūra turi savo mašininį kodą ir savo asemblerio kalbą. Asemblerio kalbos komandas gamintojas pateikia dokumentacijoje. Iš principo, asemblerio kalba tėra mnemoninis procesoriaus instrukcijų vaizdavimas, tačiau ji dažnai suteikia ir papildomų galimybių. Pavyzdžiui, galima tam tikras atminties vietas (adresus) pavadinti simboliniais vardais. Tai supaprasti programavimą, kadangi programuojant 15 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 paprastomis mnemonikomis, kiekvieną kartą keičiant programos teikstą teiktų perskaičiuoti ir atminties adresus. Nors asemblerio kalba yra aiškesnė už mašininį kodą, tačiau ir toks progamavimas yra pakankamai sudėtingas. Programos asemblerio kalba gali būti pakankamai didelės ir sukelti nemažą galvos skausmą programuotojui, ypač spręndžiant sudėtingesnius uždavinius. Todėl dažnai MPS programavimui naudojamos aukšto lygio programavimo kalbos. Tai gali būti, pavyzdžiui, BASIC, C, Java ar pan. Minėta sudėties programa C kalba gali būti parašyta: char rezultatas; // kintamojo aprašymas rezultatas = 2 + 6; // sudėtis ir kintamojo išsaugojimas Iš pateikto pavyzdžio matyti, kad programuojant aukšto lygio kalba reikia gerokai mažiau suvesti informacijos klaviatūra, nebūtina žinoti mašininių komandų kodus ar atminties registrų adresus. Tokios programos daug lengviau suprantamos ir greičiau koreguojamos. Programa, parašyta aukšto lygio kalba specialių transliatorių pagalba verčiama į mašininį kodą. Trūkumas tame, kad šis kodas gali būti ne toks efektyvus, kaip generuojamas asemblerio kalba, tačiau aukšto lygio kalba kodas gali būti daug greičiau generuojamas bei reikalauja mažiau pastangų ir laiko parašyti programai. Dėl šios priežasties programinė įranga dažniausiai rašoma būtent aukšto lygio programavimo kalbomis. Atmintis Atmintis – labai svarbus MPS elementas, kadangi joje saugomos programos bei duomenys, naudojami progamose. Su MP ir MV naudojamos dviejų tipų atmintys: pastovioji atmintis (PA) ir operatyvioji atmintis (OA). Pastoviojoje atmintyje saugomi statiniai duomenys – komandos, konstantos, naudojamos programoje. Operatyvioji atmintis skirta dinaminiams duomenims – kintamiesiems, tarpiniams skaičiavimų rezultatams ir kt. saugoti. Reikia atkreipti dėmesį, kad diskiniai kaupikliai ir kiti panašūs įtaisai įterptinėse sistemose skaitomi kaip įvesties-išvesties įtaisai, o ne atminties įtaisai, kaip tai yra įprasta personaliniuose kompiuteriuose. Šis skirtumas kyla dėl to, kad duomenų manai tarp procesoriaus ir PA bei OA vyksta magistralėmis ir šis proceas yra valdomas procesoriaus išduodamais signalais. Tuo tarpu darbui su diskiniu kaupikliu reikalinga atitinkama programa duomenų perdavimui. Programų saugojimui naudojamos įvairių tipų atmintys: programuojamos gamybos metu (angl. Read only memory – ROM), vieną kartą vartotojų programuojamos (angl. Programmable read only memory – PROM), daug kartų vartotojo programuojamos, seną informaciją ištrinant ultravioletiniais spinduliai (angl. – Electric progammable read only memory – EPROM) arba elektriniais signalais trinamos (angl. – Electrically erasable progammable read only memory – EEPROM). Pastaruoju metu labai populiarios tapo FLASH tipo atmintys, kuriose panaudotos teigiamos EPROM ir EEPROM atminčių savybės – didelis integracijos laipsnis bei galimybė programuoti atminties turinį neišėmis integrinio grandyno iš schemos (taip vadinama „In-circuit programming“ galimybė). Pagrindinis FLASH ir EEPROM atminčių skirtumas – duomenų ištrynime. EEPROM atmintyje duomenys gali būti trinami bet kurioje atminties vietoje, tuo tarpu FLASH atmintyje duomenys gali būti trinami tik blokais. Operatyvinė atmintis gali būti dviejų tipų: statinė RAM (angl. Static random access memory – SRAM) arba dinaminė RAM (angl. Dynamic random access memory). OA duomenims saugoti reikalinga maitinimo įtampa. Įtampai dingus, duomenys prarandami. SRAM atminties ląstelė – trigeris, turintis dvi stabilias būsenas ir galintis saugoti vieną informacijos bitą. Trigerį sudaro pastovios srovės teigiamo grįžtamojo ryšio stiprintuvas. Pagrindinis šio tipo atminties trūkumas – didelis galios suvartojimas. DRAM tipo atmintyje informacijos saugojimui naudojami kondensatoriai. Tam tikslui tinkamiausi MOP tipo tranzistoriai, pasižymintys didelėmis jų elektrodų talpomis su pagrindu ir maža nuotėkio srove. Kadangi kiekvienas realus kondensatorius vis tik turi nuotėkį, šio tipo atmintį reikia periodiškai atnaujinti (ne rečiau 64 ms). 16 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 SRAM tipo atmintis yra brangesnė nei DRAM, tačiau greitesnė, taip pat ir lengviau valdoma, nereikalingas pastovus jos atnaujinimas. Šiuo metu didelėse kompiuterinėse sistemose naudojama DRAM atmintis, mikrovaldikliuose ir kituose įterptinėse sistemose – SRAM. SRAM atmintį taip pat galima rasti įvairiuose kompiuterių įtaisuose (vidinė spartinančioji CPU atmintis, HDD buferiai, LCD, printeriuose, CDROM ir t.t.) bei praktiškai visuose moderniuose prietaisuose (skaitmeninės kameros, mobilūs telefonai ir t.t.). Duomenų įvestis-išvestis Duomenų įvesties-išvesties sistema užtikrina procesoriaus ryšį su kitomis MPS bei operatoriumi. Be įvesties-išvesties įrenginių procesorius vykdyti užduotis, tačiau jokie duomenys nebus perduoti kitoms sistemoms ar operatoriui. Šiuo metu, esant plačiai įvesties-išvesties įrenginių įvairovei, didelė dalis MP ar MV darbo laiko skirta organizuoti duomenų mainus. Procesorius priima įvedamus duomenis iš klaviatūros ar įvairių jutiklių, analizuoja gautą informaciją atsižvelgiant į programos algoritmą, atvaizduoja duomenis bei formuoja valdymo signalus. Praktiškai bet koks įtaisas, generuojantis ar priimantis elektrinius signalus, gali būti prijungtas prie kompiuterinės sistemos kaip išorinis įtaisas. Nuo kompiuterio iki mikrovaldiklio Čarlis Bebidžas „Analitinę mašiną“ kūrė remdamasis to meto technologijomis. Tai buvo mechaninė mašina, skaičiavimus atliekanti krumpliaračių pagalba. Duomenys šiai mašinai turėjo būti užkoduoti kiaurymėmis, pramuštomis popieriuje. Analitinės mašinos idėją – skaičiavimuose panaudoti perfokortas – panaudojo Hermanas Holeritas (1860 – 1929), IBM korporacijos įkūrėjas. H. Holeritas, siekdamas pagreitinti 1890 metais JAV vykusio gyventojų surašymo duomenų apdorojimą, sukūrė statistinį tabuliatorių. Holerito tabuliatoriaus perfokortos buvo dolerio banknoto dydžio. Kiekviena korta turėjo 12 eilučių, kiekvienoje eilutėje buvo galima išmušti po 20 skylučių, atitinkančių gyventojų surašymo duomenis: amžių, lytį, šeimyninę padėtį ir t.t. Taigi, perfokortos buvo mechaniniai informacijos nešėjai, naudoti informacijos įvedimui-išvedimui tiek mechaniniuose 50-ųjų metų skaičiuotuvuose, tiek elektroniniuose 60-ųjų praėjusio šimtmečio metų kompiuteriuose. 1971 m. lapkričio 15 d. Intel korporacija oficialiai pristatė pirmąjį pasaulyje mikroprocesorių i4004. Tai buvo 200 JAV dolerių vertės mikroschema, turinti 2300 tranzistorių ir atliekanti 92 tūkst. operacijų per sekundę. Šis 4 skilčių MP galėjo adresuoti iki 4 KB atminties, o maksimalus taktinis dažnis buvo 740 KHz. 1972 m. pasirodė naujas 8 skilčių Intel MP i8008, o jau 1978 metais buvo išleistas pirmasis 16-os skilčių MP i8086 galintis dirbti 10 MHz taktiniu dažniu ir adresuoti iki 1 MB išorinės atminties. Tuo metu mikroprocesorius pradėjo leisti ir kitos firmos – Zilog, Motorola ir kt. Motorola turėjo akivaizdų techninį pranašumą – 1979 metais buvo išleistas MP MC68000, turintis 32 skilčių registrus, bet naudojantis 16 skilčių vidinę bei 16 skilčių išorinę magistralę, siekiant sumažinti išvadų skaičių. Pati kompanija procesorių aprašė kaip 16 skilčių, tačiau iš principo tai buvo 32 skilčių architektūra. Nors Intel 32 skilčių procesorių išleido tik 1982 m., kompanijai Motorola nepavyko užimti dominuojančios padėties rinkoje. Greičiausia tai nutiko dėl to, kad Intel kompanijos gaminius IBM nusprendė naudoti savo personaliniuose kompiuteriuose. IBM architektūros kompiuteriai rinkoje užėmė dominuojančią padėtį, tuo tarpu Apple firmos Macintosh kompiuteriai, kuriuose buvo panaudoti Motorola procesoriai, yra žinomi mažiau. Pirmasis mikrovaldiklis – Intel 8048 buvo išleistas 1975 metais. Viename šio mikrovaldiklio kristale buvo įdiegtas mikroprocesorius, RAM ir ROM atmintis. MV buvo skirtas įrangos valdymui ir plačiai naudojamas IBM kompiuterių klaviatūrose bei EPSON adatiniuose spausdintuvuose FX-80. Būtent mikrovaldiklių pritaikymas leido pagaminti ir pateikti rinkai nebrangius adatinius spausdintuvus. 17 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 80-ųjų metų pabaigoje, Intel kompanijai susikoncentravus ties mikroprocesorių vystymu, nišą rinkoje nusprendė užimti Microchip Technology Incorporated. Ši kompanija 1987 metais buvo suformuota iš General Instrument mikroelektronikos padalinio. 1992 metais Microchip Technology mikrovaldiklių produktų liniją sudarė 6 RISC (Reduced Instruction Set Code) procesoriai. Tuo metu rinkoje buvo paplitę dviejų tipų MV – su vieną kartą programuojama atminti (PROM) bei UV trinama atmintimi (EPROM). 1993 metais Microchip Technology pasiūlė rinkai pirmajį mikrovaldiklį (pradedant PIC16x84) su EEPROM atmintimi. Greitai PIC16x84 mikrovaldiklis tavo populiarus tarp inžinierių ir mėgėjų – MV buvo galima nesunkiai ištrinti ir perrašyti nebrangaus programatoriaus pagalba. Savikontrolės klausimai 1. Kuo pasižymi von Neumano ir Harvardo kompiuterių architektūros? 2. Kokios pagrindinės dalys sudaro mikroprocesorinį sistemą? 3. Kuo skiriasi kompiuterio procesorius ir mikrovaldiklis? 4. Kokią funkciją atlieką komandų vykdymo konvejeris? 5. Kokių tipų yra programų atmintys ir kuo jos skiriasi? 6. Kokių tipų yra operatyvinė atmintis? 7. Kelių skilčių buvo pirmasis mikroprocesorius? Plačiau paskaitykite Kilius Š. Mikroprocesoriai Kaunas, KTK 2010. 3.2. Integruota realinė apsauga ir automatika Elektros sistemose gana dažnai atsiranda gedimai arba nenormalūs darbo režimai. Gedimai iššaukia žymų srovės padidėjimą, kuris yra lydimas įtampos sumažėjimo. Padidėjusi srovė išskiria didelį kiekį šilumos, kuri sukelia pavojingą elektros laidų ir aparatų įšilimą. Nenormalių darbo režimų pasėkoje gali būti atjungta įtampa. Įtampos ir dažnio kitimai gali pakenkti elektros imtuvams. Norint sumažinti nenormalių darbo režimų poveikį, reikia kuo greičiau atjungti pažeistą grandinės dalį. Grandinės atjungimą reikia atlikti labai greitai, dauguma atveju per šimtąsias ar dešimtąsias sekundės dalis. Tai gali vykdyti tik relinės apsaugos (RA) automatiniai įtaisai. RA vykdo nepertraukiamą elektros tinklo kontrolę. Atsiradus nenormaliems darbo režimams RA turi išskirti juos ir, priklausomai nuo pažeidimo charakterio, atjungti arba vykdyti automatines operacijas, reikalingas normalaus darbo režimo atstatymui, arba duoti signalą apie gedimą operatoriui, kuris priims sprendimą, kaip pašalinti gedimą. 3.2.1. Gedimai elektros sistemose Dauguma gedimų elektros sistemose atsiranda dėl trumpųjų jungimų tarp fazių arba tarp fazių ir žemės (1.1 pav.), čia: a, b, c, ir d - trifazis, dvifazis, vienfazis ir dvifazis į žemę trumpasis jungimas; e ir f - vienfazis ir dvifazis įžemėjimas tinkle su izoliuota neutrale. Pagrindinės gedimų priežastys yra šios: izoliacijos pažeidimai, kurie atsiranda dėl jos senėjimo, viršįtampių ar mechaninių pažeidimų; laidų ir atramų pažeidimai, kuriuos sukelia vėjas, apledėjimas; personalo klaidos atliekant valdymo operacijas. Trumpasis jungimas iššaukia srovės padidėjimą ir įtampos sumažėjimą ir sukelia šias pasekmes: 18 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.2 pav. Trumpųjų jungimų rūšys elektros tinkle 1) trumpojo jungimo srovė K I grandinės aktyvioje varžoje išskiria šilumą. Šiluma ir elektros lanko liepsna iššaukia didelius pažeidimus elektros tinkle, jie tuo didesni, kuo didesnė trumpojo jungimo srovė K I ir laikas t t ; 2) esant didelėms trumpojo jungimo srovėms smarkiai išauga elektrodinaminės jėgos tarp laidų, šynų, kurios sukelia mechaninius pažeidimus; 3) trumpojo jungimo metu sumažėjusi įtampa pažeidžia normalų elektros imtuvų darbą: sinchroninių ir asinchroninių elektros variklių, apšvietimo tinklų ir kitų elektros imtuvų. Ypatingas pažeidimo atvejis yra vienos fazės trumpasis jungimas su žeme, kai tinklas yra su izoliuota neutrale arba įžemintas per didelę aktyviąją varžą (3.2 pav. e). Įžemėjus fazei trumpojo jungimo nėra, fazės A įžemėjimo srovė užsidaro per B ir C fazių izoliacijos talpines varžas. Kadangi šios varžos didelės, tai įžemėjimo srovė yra maža. Esant vienfaziam įžemėjimui linijinės įtampos lieka nepakitusios ir imtuvai gali normaliai dirbti, tačiau šitokiame tinkle yra pavojingi dvigubi įžemėjimai (3.2 pav. f). 3.2.2. Nenormalūs darbo režimai Perkrova yra srovės padidėjimas virš nominalios vertės. Nominalia n I vadinama tokia srovės vertė, kuri leidžia įrenginiui veikti ilgą laiką. Jeigu srovė tekanti per įrenginį viršija nominalią vertę, tai papildomai išsiskirianti šiluma įšildo laidininką ir izoliaciją virš leidžiamos temperatūros, tuo pagreitina laidininkų ir izoliacijos senėjimą. Leistinos perkrovos laikas l t priklauso nuo perkrovos srovės dydžio kaip parodyta paveiksle Ši charakteristika priklauso nuo įrenginio konstrukcijos ir izoliacijos medžiagos. Perkrovos srovės atsiradimo priežastimi gali būti padidėjusi apkrova arba išorinis trumpas jungimas. Esant perkrovai reikia imtis priemonių, kad ji sumažėtų arba atjungti per leistiną laiką. Įtampos padidėjimas virš leistinos vertės gali atsirasti hidrogeneratoriuose netikėtai atjungus jų apkrovą, o taip pat didelių galių turbogeneratoriuose, dirbančiuose pagal bloko schemą, netikėtai atjungus juos nuo tinklo. Norint išvengti didelių pažeidimų yra naudojama RA mažinanti generatoriaus žadinimo srovę. Įtampos padidėjimas gali atsirasti įjungiant arba atjungiant ilgas aukštos įtampos elektros perdavimo linijas su dideliu laidų talpiu. Švytavimų atsiradimo priežastimi yra nesinchroninis lygiagrečiai dirbančių generatorių A G ir B G darbas (3.3 pav. a). Švytavimų metu kiekviename elektros tinklo taške vyksta periodinis srovės ir įtampos kitimas. Srovė visuose tinklo taškuose svyruoja nuo nulio iki maksimalios vertės, kuri I n t l I 12 19 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 daug kartų viršija nominalią vertę. Įtampa svyruoja nuo nominalios iki minimalios vertės ir yra skirtinga kiekviename tinklo taške. Taške W, vadinamu elektrinių svyravimų centru, įtampa sumažėja iki nulio, o einant link šaltinių A ir B auga (3.3 pav. b). Pagal srovės ir įtampos kitimą švytavimai panašūs į trumpuosius jungimus. Padidėjusi srovė šildo elektros įrangą, o sumažėjusi įtampa trikdo elektros imtuvų darbą. EA A b) W a) EB W B ~ ~ GB GA EA EB 3.3 pav. generatoriaus darbo struktūrinė schema Asinchroninis režimas atsiranda, kai sinchroninis generatorius dirba be žadinimo. Dirbant asinchroniniu režimu padidėja generatoriaus sukimosi greitis ir atsiranda srovės pulsacijos statoriuje. Kai kurių tipų generatoriams ilgą laiką dirbti asinchroniniame režime neleidžiama, o kitiems leidžiama tik sumažinus aktyviąją galią. Atskirais atvejais žadinimo netekimas nekelia pavojaus pačiam generatoriui, bet tai gali būti įtampos sumažėjimo priežastimi. Tokiu atveju generatorių, likusį be žadinimo, reikia nedelsiant atjungti nuo tinklo. 3.2.3 Relinės apsaugos parametrai Pagrindiniai RA parametrai yra šie: selektyvumas, greitaveika, jautrumas ir patikimumas. Selektyvumas - tai atitinkamų apsaugos aparatų poveikio charakteristikų suderinimas. RA turi atjungti tik pažeistą grandinės dalį. Įvykus trumpajam jungimui taške K1 (3.4 pav.), RA turi atjungti pažeistą elektros linijos dalį jungtuvu Q2, t.y. arčiausiai prie pažeidimo vietos. Šitaip veikdama RA atjungia tik pažeistą grandines dalį, neatjungdama kitų elektros vartotojų. Esant trumpajam jungimui taške K2, RA turi atjungti elektros liniją L1, o L2 negali būti atjungta. Selektyvus RA veikimas yra būtinas, nepaisyti jo galima tik tada, kai reikia greitaveikos ir tai nesukelia sunkių pasekmių. K 2 Q 4 Q 8 ~ Q 7 ~ Q 9 IK A Q 6 L 3 K 1 L 1 Q 3 T B Q 5 L 2 Q 2 IK1 Q 1 C IK 3.4 pav. Elektros sistemos schema Greitaveika. RA gedimą turi atjungti kaip galima greičiau, siekiant sumažinti pažeidimus gedimo vietoje. Leistina trumpojo jungimo atjungimo trukmė priklauso nuo to, kiek sumažėja įtampa elektros pastočių šynose. Kuo daugiau sumažėja įtampa, tuo greičiau reikia atjungti trumpąjį jungimą. Pavojingiausi yra trifaziai ir dvifaziai trumpieji jungimai su žeme tinkle su įžeminta neutrale. 20 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 750-1150 kV elektros perdavimo linijose tarpfazinius trumpuosius jungimus reikia atjungti per 0,06-0,08 s, 330-500 kV linijose per 0,1-0,12 s, o 110-220 kV linijos turi būti atjungtos per 0,15-0,3 s. Trumpojo jungimo atjungimo trukmė t t priklauso nuo RA suveikimo trukmės r t ir jungtuvo atsijungimo trukmės j t : j r t t t t + = . Norint sumažinti trumpojo jungimo atjungimo trukmę, reikia mažinti RA ir jungtuvų suveikimo trukmes. Jungtuvai 220-750 kV tinkluose suveikia per j t =0,04-0,06 s, o RA suveikia per r t =0,02-0,04 s. Skirstomuosiuose 6-35 kV elektros tinkluose leistinas trumpojo jungimo atjungimo trukmė 1,5-3 s, bet ir šiuose tinkluose reikia siekti, kad RA veiktų kuo greičiau. Selektyvi ir greitai veikianti RA yra gana sudėtinga ir brangi. Jautrumas. RA turi būti pakankamai jautri, kad galėtų atjungti trumpąjį jungimą, kuris įvyko gretimoje grandinėje. Pavyzdžiui RA1 (3.5 pav.), įvykus gedimui, turi atjungti liniją AB ir tuo pačiu turi būti pakankamai jautri, kad sugebėtų atjungti liniją BC, jeigu RA2 arba jungtuvas Q2 nesuveikė. RA jautrumas turi būti pakankamas, kad sugebėtų atjungti gedimą elektros linijos gale, o taip pat dirbant elektros tinklui minimaliu režimu. Apsaugos jautrumas įvertinamas jautrumo koeficientu j k . Srovės apsaugoms jautrumo koeficientas randamas: s , a min , k j I / I k = . čia: min , k I - minimali trumpojo jungimo srovė apsaugos zonoje; s , a I - apsaugos suveikimo srovė. ~ Pirma apsaugos zona (pagrindinė) Q 1 RA 1 Trečia apsaugos zona Antra apsaugos zona (rezervinė) RA 1 RA 1 Q 2 Q 3 RA 1 A RA 2 B C RA 3 3.5 pav. Relinių apsaugų veikimo zonos Jautrumo koeficientas turi būti didesnis už atitinkamoms apsaugoms nustatytas šio koeficiento vertes. Patikimumas. RA turi nenutrūkstamai dirbti atsiradus gedimams, o taip pat neturi klaidingai atjungti. Nesuveikimas arba neteisingas RA suveikimas gali sukelti avarijas. Pavyzdžiui, įvykus trumpajam jungimui taške K1 (3.6. pav.) ir nesuveikus RA1, suveiks RA3, ir tada maitinimo neteks D ir C elektros pastotės. Neteisingai suveikus RA4, atsijungs elektros perdavimo linija L4 ir maitinimo neteks B, C, D ir E elektros pastotės. 3.6 pav. Elektros tinklo schema 21 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 RA patikimumas yra įgyvendinamas schemų paprastumu, mažinant elementų, relių ir kontaktinių sujungimų skaičių. Periodinis RA tikrinimas eksploatacijos metu taip pat didina patikimumą. 3.2.4 Relių jungimo būdai Relių ritės į srovės arba įtampos grandines gali būti jungiamos: 1) netiesiogiai, kai relė įjungta į grandinę per srovės ar įtampos matavimo transformatorius (1.5 pav. a ir b); 2) tiesiogiai įjungta į grandinę. Šitaip įjungta relė reaguoja į pirminius srovės ir įtampos dydžius (3.7 pav. c ir d). Netiesiogiai įjungta relė turi daugiau privalumų, lyginant su tiesiogiai įjungta. Netiesiogiai įjungta relė yra izoliuota nuo aukštos įtampos per matavimo transformatorių, ji įrengiama patogioje aptarnavimui vietoje ir saugiu atstumu nuo aukštos įtampos. KA TA KV TV KA KV a) b) c) d) A B C C B A 3.7 pav. Relių jungimo būdai 3.2.5. Relinės apsaugos poveikio būdai Egzistuoja du RA poveikio būdai: tiesioginis ir netiesioginis. Tiesioginio poveikio RA schema pavaizduota 3.8 paveiksle a. Relė 1 suveiks, kada elektromagneto jėga R F , kuriama ritės apvijos, bus didesnė už spyruoklės jėgą S F , tada atsikabins kontaktai 2 ir spyruoklė 3 atjungs galios grandinę. TA FR FS 1 2 3 KA TA 2 3 Fem FS KA U 4 1 a) b) 3.8 pav. Relinės apsaugos schema Netiesioginio poveikio RA schema pavaizduota 3.8 paveiksle b. Sujungus relės KA kontaktą maitinimą gauna elektromagnetas 4, kuris nugali spyruoklės pasipriešinimo jėgą s F ir atjungia kontaktus 2, o spyruoklė 3 atjungia galios grandinę. Matome, kad netiesioginiam RA poveikio būdui vykdyti reikalingas operatyvinės srovės šaltinis U. Tiesioginio poveikio RA nereikalingas operatyvinės srovės šaltinis, bet šio poveikio relėms reikia daugiau galios, kad atjungtų grandinę. Tiesioginio poveikio relės negali būti labai tikslios, nes jos suvartoja daug galios. Netiesioginio poveikio RA nereikia daug galios, komutuojant atjungimo elektromagneto grandinę, todėl jos gali dirbti patikimiau ir tiksliau. 22 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.2.6. Operatyvinė srovė, reikalavimai ir paskirtis Operatyvine srove tai srovė maitinanti nuotolinio valdymo jungtuvų, relinės apsaugos, automatikos, telemechanikos, įvairios rūšies signalizacijos grandis. Operatyvinių grandinių maitinimas ir ypatingai tų jos elementų, nuo kurių veikimo priklauso sugedusių linijų bei įrenginių atjungimas, privalo turėti didelį patikimumą. Esant trumpam jungimui ar nenormaliems grandinės režimams, operatyvinės srovės šaltinio įtampa ir galia turi turėti pakankamą dydį, kad būtų užtikrintas normalus pagalbinių apsaugos ir automatikos relių darbas bei patikimas jungtuvų atjungimas ir įjungimas. Operatyvinės srovės šaltiniai turi būti pasirengę darbui visais atvejais, net ir esant trumpam jungimui (kada įtampa gali sumažėti iki nulio), o taip pat esant kitiems elektriniams gedimams ir nenormaliems darbo režimams. Operatyvinių grandinių maitinimui naudojami kintamos ir nuolatinės srovės šaltiniai. Nuolatinė operatyvinė srovė Nuolatinė operatyvinė srovė 110–220V įtampos, o nedidelėse pastotėse 24–48V įtampos, gaunama iš akumuliatorių baterijų, nuo kurių centralizuotai maitinami visi relinės apsaugos, automatikos, valdymo grandinių, signalizacijos įrenginiai. Akumuliatorių baterijos AB jungiamos prie šynų (3.9 pav.), nuo kurių gauna maitinimą visi nuolatinės srovės vartotojai. Akumuliatorių baterijos paprastai dirba nuolatinio įkrovimo režime ir bet kuriuo laiku yra pasiruošusios darbui. Todėl prie šynų, lygiagrečiai AB, jungiami pastoviai dirbantys įkrovimo įrenginiai ĮĮ. Anksčiau buvo naudojami nuolatinės srovės generatoriai, sukami elektros variklių, maitinamų iš kintamos srovės tinklo. Šiuo metu naudojami puslaidininkiniai lygintuvai. FU FU FU FU FU FU ĮŠ SŠ FU FU FU FU FU FU FU FU SF SF SF SF FU FU AB KL KL ĮĮ1 2 ĮĮ V1 V2 ~ ~ Avarinis apšvietimas Šynų rinklė Signalas VŠ 3.9 pav. Principinė relinės apsaugos, valdymo ir signalizacijos maitinimo schema nuolatine operatyvine srove Siekiant padidinti naudingumą, nuolatinės srovės tinklas sekcijuojamas į keletą dalių, kurios gauna maitinimą iš baterijų šynų rinklės. Pačios svarbiausios yra relinės apsaugos, automatikos, jungtuvų valdymo ir jų elektromagnetinio atjungimo grandinės, kurios jungiamos prie valdymo šynų VŠ. Antros pagal svarbą yra elektromagnetinės jungtuvų įjungimo grandinės, jungiamos taip pat prie atskirų įjungimo šynų ĮŠ. Trečia pagal svarbą yra signalizacija, jungiama prie signalizacijos šynų SŠ. Likusieji nuolatinės srovės vartotojai (avarinis apšvietimas, kai kurie savų reikmių elektros varikliai) užima ketvirtą vietą ir jungiami prie atskiros šynų rinklės arba nepriklausomai nuo valdymo, įjungimo, signalizacijos šynų. 23 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Valdymo, įjungimo, signalizacijos šynos, siekiant padidinti patikimumą (esant pažeidimui pagrindinėse šynose), daromos dviejų sekcijų, kurių kiekviena gauna maitinimą iš akumuliatorių baterijos per saugiklius arba automatinius jungiklius. Imtuvai, prijungti prie VŠ, ĮŠ, SŠ, skirstomi pagal teritorinį principą į dalis (reliniai įrenginiai 220, 110 kV valdymo šynų ir t.t.) Kiekviena tokia dalis pajungiama kilpine schema ne mažiau kaip dviem linijomis, prijungtomis prie atitinkamų šynų skirtingų sekcijų. Visos linijos ir prijungti prie jų elementai turi turėti gerą apsaugą nuo trumpo jungimo. Tam tikslui naudojami saugikliai arba automatiniai jungikliai SF. Visų saugiklių suveikimo laiko charakteristikos turi būti suderintos ir privalo užtikrinti, esant trumpam jungimui, selektyvų pažeistų elementų atjungimą. Atsiradusius nuolatinės srovės grandinių gedimus kontroliuoja specialūs kontrolės aparatai. Pavyzdžiui, saugiklių būsena, grandinės nutrūkimas, atjungimo elektromagneto YAT ir pagalbinių jungtuvo kontaktų SQ būsena kontroliuojama rele KV (3.10pav.). Įjungus jungtuvą uždaromas pagalbinis kontaktas SQ ir relė KV gauna maitinimą. Nutrūkus grandinei, KV relės ritė nebegauna maitinimo ir uždaro savo normaliai uždarus kontaktus, kurie įjungia signalizaciją. FU RA SQ YAT KV 3.10 pav. Jungtuvo atjungimo grandinės kontrolės schema Nuolatinės srovės tinkluose galimi įžemėjimai. Esant įžemėjimui dvejuose taškuose K1 ir K2 (3.11 pav.), relinės apsaugos kontaktai šuntuojami ir atjungimo elektromagnete YAT atsiranda srovė, kuriai veikiant jungtuvas gali klaidingai atsijungti. Norint išvengti tokių atjungimų, naudojama „žemės“ atsiradimo kontrolė. Izoliacijos būseną parodo voltmetrai V1, V2 ir signalinė relė KL, kaip parodyta 3.11 paveiksle. K1 K2 RA SQ YAT 3.11 pav. Klaidingas jungtuvo atjungimas, kai nuolatinės srovės tinklas įžemėja dviejose vietose Akumuliatorių baterijos aprūpina maitinimu operatyvines grandis bet kuriuo momentu reikiama įtampa ir galia, nepriklausomai nuo pagrindinio kintamos srovės tinklo, todėl yra pats tinkamiausias maitinimo šaltinis. Dėl didelio naudingumo AB naudojamos visose 110 kV pastotėse ir didesnėse elektros stotyse. Taip pat akumuliatorių baterijos turi ir trūkumų. Jos gerokai 24 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 brangesnės už kitus operatyvinės srovės maitinimo šaltinius, reikalingi įkrovimo įrenginiai, reikalinga speciali laikymo vieta bei aptarnavimui būtinas kvalifikuotas personalas. Esant centralizuotam maitinimui susidaro sudėtingas nuolatinės srovės tinklas su geros kokybės brangiai kainuojančiais kontroliniais kabeliais. Todėl 6, 10, 35 kV skirstomųjų tinklų, o kai kada ir 110 kV pastotėse naudojama kintama operatyvinė srovė. Kintama operatyvinė srovė Operatyvinių grandinių maitinimui kintama srove, naudojama pirminės grandinės srovė arba įtampa. Kintamos operatyvinės srovės šaltiniai gali būti srovės transformatoriai TA, įtampos transformatoriai TV ir savų reikmių transformatoriai TS. Srovės transformatorius yra geras relinės apsaugos (saugančios nuo trumpo jungimo) operatyvinių grandinių maitinimo šaltinis. Esant trumpam jungimui, antrinė TA srovė smarkiai išauga, tuo pačiu padidėja srovės transformatoriaus įtampa ir galia, kuri yra pakankama operatyvinės grandinės maitinimui. Tačiau esant gedimams ir nenormaliems režimams, kurie sukelia nedidelius srovės pokyčius, srovės transformatoriaus srovė ir galia būna nepakankama, kad suveiktų relinės apsaugos loginiai elementai ir jungtuvai. Dėl šių priežasčių tinkluose su izoliuota neutrale negalima naudoti TA operatyvinių grandinių maitinimui, apsaugoms nuo įžemėjimo, nuo transformatoriaus ir generatoriaus užtrumpinimo, o taip pat apsaugoms nuo nenormalių režimų kaip įtampos padidėjimas arba sumažėjimas ar dažnio pasikeitimas. Praktikoje naudojama schema, maitinama iš srovės transformatoriaus, parodyta pav. KA TA Q KA.1 YAT 3.12 pav. Principinė operatyvinių apsaugos grandinių maitinimo schema kintama srovės transformatoriaus srove Normaliame režime jungtuvo Q atjungimo ritė YAT šuntuojama relės KA kontaktais KA1 ir srovė joje neteka. Esant trumpam jungimui, relė KA suveikia, jos kontaktai KA1 atsidaro ir iš srovės transformatoriaus TA srovė teka per atjungimo ritę YAT, o ji atjungia jungtuvą Q. Įtampos ir savų reikmių transformatoriai nenaudojami relinių apsaugų, saugančių nuo trumpų jungimų operatyvinių grandinių maitinimui, nes trumpo jungimo metu įtampa labai sumažėja ir kai kuriais atvejais gali siekti nulį. Šie transformatoriai naudojami tokių relinių apsaugų, kaip pavyzdžiui, nuo perkrovų, įžemėjimo, įtampos padidėjimo ir t.t. maitinimui. 25 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 a) b) TV KA KA.1 YAT V TS L1 A B 3.13 pav. Operatyvinių apsaugos grandinių maitinimo nuo įtampos transformatorių schemos Schemoje pateiktoje 3.13 paveiksle a) parodytas operatyvinių apsaugos grandinių maitinimas iš įtampos transformatoriaus TV. Valdymo ir įjungimo grandinių maitinimui paprastai naudojama išlyginta srovė (3.13 pav. b). Srovė išlyginama galios lygintuvu V. Transformatorių TS, maitinantį valdymo grandis, būtina įjungti į maitinimo liniją L1 prieš jungtuvą. Prijungus liniją L1 maitinančioje pastotėje A, transformatorius TS gauna įtampą, ir atsiranda galimybė įvykdyti valdymą B pastotėje, kuri neturi įtampos. Kombinuoto maitinimo schemos nuo srovės ir įtampos transformatorių. Norint padidinti galią ir sudaryti universalų apsaugų maitinimo šaltinį, kuris būtų efektyvus esant visų rūšių gedimams, yra sukurti specialūs maitinimo blokai. Principinė kombinuoto maitinimo šaltinio schema pavaizduota 3.14 paveiksle. SMB TAT V2 TV TA TĮT V1 ĮMB Uo 3.14 pav. Kombinuoto maitinimo šaltinio schema Srovė iš srovės transformatoriaus TA ir įtampa iš įtampos transformatoriaus TV paduodama į skiriamuosius srovės ir įtampos transformatorius. Jų antrinė įtampa išlyginama lygintuvais V1 ir V2, sudedama ir paduodama į operatyvines apsaugos grandines. Srovės SMB ir įtampos ĮMB maitinimo blokai daromi atskirai ir tai leidžia juos naudoti kartu ir atskirai. Su šiuo kombinuotu bloku gaunamas lengvas lygiagretus išėjimo grandžių SMB ir ĮMB sujungimas. Dėl riboto transformatoriaus TAT antrinės srovės dydžio atsiranda įsotinimas. Siekiant išvengti pavojingų įtampos pikų į antrinę TAT grandinę įjungiamas kondensatorius C, išlyginantis antrinės įtampos šuolius. Įtampą bloko išėjime Uo nulemia tinklo srovė ir įtampa. Esant trumpam jungimui, reikiama įšėjimo įtampos vertė gaunama iš srovės transformatoriaus, o gedimo metu ir esant nenormaliems režimams su perkrovų srovėmis - iš 26 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 įtampos transformatoriaus. Tokiu būdu kombinuotas blokas gali maitinti apsaugas esant visų rūšių gedimams ir nenormaliems režimams. Blokinis maitinimo šaltinis patogus maitinti apsaugas, turinčias sudėtingas operatyvines grandžių schemas, susidedančias iš didelio skaičiaus pagalbinių relių. Maitinimo schema su kondensatoriumi. Be tiesioginio srovės ir įtampos transformatoriaus galios naudojimo, galime naudoti energiją, kuri yra anksčiau sukaupta įkrautame kondensatoriuje. Sukauptas reikiamo dydžio krūvis kondensatoriuje gali maitinti srove operatyvinę grandinę apsaugos veikimo metu, nepriklausomai nuo gedimo tipo ar nenormalaus jos režimo. Išankstinis kondensatoriaus įkrovimas vykdomas normalaus darbo metu tinklo srove. Įtampai dingus, pastotėje esančiame kondensatoriuje sukaupta energija išlieka. Todėl įkrauti kondensatoriai gali būti naudojami apsaugų bei automatų maitinimui, kurie turi dirbti transformatorinėje dingus įtampai. YAT TA KA KA.1 C TV V 3.15 pav. Supaprastinta maitinimo schema su kondensatoriumi Kondensatorius C maitinimas iš įtampos transformatoriaus TV per lygintuvą V. Normalaus darbo metu kondensatorius įkraunamas. Suveikus apsaugai jis išsikrauna per atjungimo ritę ir ją maitina srove. Jungtuvų valdymo grandžių maitinimas. Automatinio kartotinio įjungimo (AKĮ) ar automatinio rezervo įjungimo įtaisai (ARĮ) turi įjungti nuotolinio valdymo jungtuvus, kai nėra įtampos transformatorinės pastotės šynose. Jų nemaitina srovės transformatoriai. Todėl nuotolinio valdymo AKĮ ir ARĮ grandinės maitinamos nuo įtampos ar savų reikmių transformatorių ir įkrautų kondensatorių. Tokiu būdu, kiekvienas kintamos operatyvinės srovės šaltinis turi savo, anksčiau apžvelgtą, pritaikymo sritį. Galimybę naudoti vieną ar kitą maitinimo šaltinį nulemia galia, kurią jis gali duoti. Maitinimo šaltinio galia turi su tam tikra atsarga viršyti pareikalaujamą operatyvinių grandinių galią. Daugiausia galios reikia jungtuvų atjungimui ir prijungimui. Didžiausi sunkumai dėl nepakankamos galios iškyla naudojant srovės ir įtampos transformatorius. Palyginant kintamos operatyvinės srovės šaltinį su nuolatinės operatyvinės srovės šaltiniais, matyti, kad jie turi daugiau privalumų. Jie pigesni, nereikalauja tokio sudėtingo aptarnavimo, nereikalinga speciali įrengimo vieta. Savikontrolės klausimai 1. Ką vadiname trumpuoju jungimu? 2. Ką apibūdina terminas nenormalūs darbo režimai? 3. Kuo skiriasi elektros tinkluose perkrova nuo švytavimo? 4. Paaiškinkite ką apibūdina terminas selektyvumas? 5. Apibūdinkite kuo skiriasi greitaveika nuo jautrumo. 6. Paaiškinkite operatyvinės srovės sąvoką. 27 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.3. Apsaugos ir distancinio valdymo automatikos įtaisai Elektromagnetinė technika naudojama jau šimtą metų. Naudojamos apsaugos elektromagnetinės relės su judamu inkarėliu arba su besisukančiu disku ir panašiai veikiantys signaliniai įtaisai ir jungikliai. Srovės arba įtampos kuriamai elektromagneto pritraukimo jėgai priešinasi spyruoklės grąžinimo jėga. Reguliuojant spyruoklės įtempimą galima keisti relės poveikio signalo dydį. Relių konstrukcija yra išradinga, jų gamyba kokybiška, tačiau ribota charakteristikų formavimo ir jų keitimo galimybė. Šiuo metu naudojami skaitmeninės elektronikos įrenginiai, kurie gali vykdyti elektromagnetinių įrenginių funkcijas, o taip pat turėti daug naujų funkcijų. Relė gali kontroliuoti vieną, du ar daugiau elektrinių dydžių. Vieno elektrinio dydžio relės yra srovės, įtampos, dažnio. Dviejų elektrinių dydžių relės kontroliuoja srovę ir įtampą arba dvi įtampas ar sroves. Tai galios, varžos ir kitos relės. Trijų ir daugiau elektrinių dydžių relės kontroliuoja kelias įtampas, tris sroves ir įtampas. Šiai grupei priklauso trifazės galios, daugiafazės varžos ir kitos relės. Dydžių matavimui dažniausiai naudojamos maksimaliosios srovės, įtampos ir minimaliosios įtampos relės. Relės kontaktų sujungimas arba atjungimas, kai ji atlieka numatytas automatinio įrenginio funkcijas, vadinamas relės suveikimu. Maksimalių dydžių relės savo funkcijas atlieka didėjant srovei ar įtampai ir tai sutampa su relių suveikimu. Tuos dydžius vadina relės suveikimo srove s I arba įtampa s U . Srovė g I ar įtampa g U , prie kurių relė atsijungia, vadinamos grįžimo. Grįžimo ir suveikimo dydžių santykis vadinamas grįžimo koeficientu: s g s g g U / U I / I K = = . Visada 1 K g < . Kai kurių apsaugų jautrumas priklauso nuo g K ir tada pageidautina, kad 1 K g = . Grįžimo koeficientą artimą vienetui gali turėti puslaidininkinės relės. Minimalios įtampos relė atlieka automatinės apsaugos funkciją, kai įtampa sumažėja ir todėl jos suveikimas sutampa su relės atsijungimu. Suveikimo įtampa s U lygi relės atsijungimo įtampai, o grįžimo įtampa g U yra relės kontaktų sujungimo įtampa ir yra didesnė už s U . Šiai relei 1 K g > . Relėse, kurios atlieka apsaugos funkcijas, numatoma galimybė reguliuoti s I keičiant apvijos vijų skaičių (laiptuotas reguliavimas) ir tolygiai keičiant pasipriešinimo spyruoklės įtempimą. 3.3.1. Indukcinių relių sandara ir veikimo principas Indukciniu principu veikia srovės ir galios krypties matavimo relės. Indukcinių relių veikimo principas pagrįstas sąveika tarp nejudančių apvijų kuriamų kintamų magnetinių laukų ir srovių, indukuotų tų srautų, judančiame elemente (diske arba cilindriniame rotoriuje). Todėl indukciniu principu gali veikti tik kintamos srovės relės. Norint gauti sukimo momentą reikia mažiausiai dviejų srautų 1 d ir 2 d , kurių padėtys nesutampa erdvėje. Gaunamas sukimo momentas: y d d sin k M 2 1 1 sk = . Gauto sukimo momento dydis priklauso nuo srautų fazių skirtumo y . Du magnetinius rautus, nesutampančius erdvėje ir faze, galima gauti ant dalies magnetolaidžio uždėjus trumpai jungtą viją (6.1 pav.). Esant neprisotintai magnetinei sistemai, srautai 1 d , 2 d proporcingi srovei r I . Kampas y srovei kintant nesikeičia, sukimo momento išraiška bus šitokia: 2 r 2 sk I k M = . 28 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.16 pav. Indukcinės relės konstrukcijos schema: 1 – trumpai jungta vija; 2 – diskas Nejudančiame diske indukuojasi transformacijos elektrovaros 1 E ir 2 E (3.16 pav.), kurios sąlygoja sukimo momento sk M atsiradimą. E I 1 E 2 1 2 I p/ 2 I Y I 1 2 3.17 pav. Indukcinės relės vektorinė diagrama Besisukančiame diske atsiranda dar ir sukimosi elektrovaros. Tos elektrovaros kuria diske sroves, kurios sąveikoje su srautais besisukančiame diske duoda stabdymo momentą: dt d k M d st o = , čia α – disko pasukimo kampas. Stabdymo momentas proporcingas disko sukimosi dažniui ir priklauso nuo srauto. Spyruoklė sukuria stabdymo momentą ss M . Disko inercijos momentas: 2 2 in dt d J M o = . Gaunama momentų balanso lygtis: ss st in sk M M M M + + = , arba dt d k dt d J M M d 2 2 ss sk o o + = ÷ . Šios išraiškos analizė parodo, kad indukcinės sistemos relė gali turėti mažą ir didelę suveikimo trukmę. Greitaveikių relių judanti dalis nespėja pasiekti didelių greičių, todėl galima priimti, kad 0 M st = , tada 2 2 ss sk dt d J M M o = ÷ , iš čia 29 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 ss sk s M M J 2 t ÷ = o . Norint gauti mažą suveikimo trukmę, reikia turėti mažą pasukimo kampą o , mažą inercijos momentą J , gauti didelį perteklinį momentą ss sk M M ÷ . Didelio suveikimo trukmės relėse inercijos momento in M poveikis nedidelis 0 M in = , tada dt d k M M d ss sk o = ÷ , iš čia ss sk d s M M k t ÷ = o . Norint padidinti suveikimo trukmę, reikia, kad α ir d k būtų dideli. Tai galima pasiekti panaudojus nuolatinius magnetus ir besisukantį diską. Esant nuolatiniam magnetui atsiranda dar vienas stabdymo momentas. Indukcinė srovės relė Šios relės yra kombinuotos ir susideda iš dviejų elementų: indukcinės dalies su disku, kuri užtikrina reikiamą suveikimo laiką ir elektromagnetinės dalies, kuri suveikia momentaliai esant dideliam srovės kartotinumui ritėje. Šie elementai naudoja bendrą magnetinę sistemą. Relės skirtos elektros mašinų, transformatorių, linijų apsaugai nuo perkrovos ir trumpo jungimo srovių. Suveikimo laiko ir srovės kartotinumo reguliavimas atliekamas mechaniniu būdu. Relės charakteristikos parodytos 3.18 paveiksle. t ,s I/I 1 2 3 4 5 6 11 10 9 8 7 0 2 4 10 8 6 12 s n 1 2 3 4 3.18 pav. Indukcinės relės charakteristikos Indukcinė dalis turi charakteristiką, kur relės suveikimo trukmė priklauso nuo srovės dydžio ir kuo didesnė srovė, tuo ji mažesnė. Be to, dar galima nustatyti nepriklausomą poveikio delsą (reguliavimo ribos 1÷4 s). Elektromagnetinės dalies momentinio suveikimo (atkirtos) srovės kartotinumas n I / I gali būti reguliuojamos nuo 2 iki 8. Galios krypties relė Į galios krypties relę paduodami du elektriniai dydžiai: srovė ir įtampa, kurie sąveikoje tarpusavyje duoda sukimo momentą. Gaminamos relės turi keturpolę magnetinę sistemą 1 (3.19 pav.). Siekiant sumažinti magnetinės sistemos varžą, tarp magnetolaidžio polių talpinama nejudanti cilindrinė šerdis 3. Judantis relės elementas, cilindrinis tuščiaviduris rotorius 2, yra tarp cilindrinės šerdies 3 ir magnetinės sistemos polių. Rotorius tvirtinamas ant ašies, kuri sujungta su kontaktais 4. 30 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Relė turi dvi apvijas: srovės ir įtampos. Srovės apvija išdėstyta ant dviejų priešingų polių, o įtampos apvija ant kitų dviejų polių. Tokiu būdu magnetinis srautas 1 d , kurį kurią srovė r I (tekanti srovės ritėje) ir srautas u d , kurį sąlygoja r U , išsidėstę erdvėje kampu 2 / r . I 1 4 I u 2 3 I I I u U r I I I r I u r 3.19 pav. Galios krypties relės konstrukcijos schema Sudarant vektorinę diagramą, pirminiai dydžiai yra įtampa r U ir srovė r I , kuri atsilieka kampu r ¢ . Srovė u I atsilieka kampu u y nuo įtampos r U . Šis kampas paprastai yra 3 / r . Kampas o papildo jį iki 2 / r . I I I I I f g Y a U r r r u u u 3.20 pav. Vektorinė diagrama Jeigu nevertinti plieno nuostolių ir srovės išmagnetinantį poveikį rotoriuje, tai srautai ir juos kuriančios srovės sutampa faze. Sukimo momentas bus y d d sin k M 1 u 1 sk = . Kai magnetinė sistema neprisotinta r 1 I ~ d ir r u u U ~ I ~ d , todėl gaunama y sin I U k M r r sk = . Iš vektorinės diagramos: ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ÷ = o ¢ r y r 2 ir ( ) ( ) o ¢ o ¢ r + = = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ÷ = r r r r r r sk cos I U k 2 sin I U k M Ši išraiška nusako sukimo momentą mišraus tipo relėse. Iš čia seka, kad esant 0 ) cos( r > +o ¢ momentas yra teigiamas, o kai 0 ) cos( r < +o ¢ – neigiamas. Teigiamo momento maksimali reikšmė yra kai 0 ) cos( r = +o ¢ arba o ¢ ÷ = r . Kampas r ¢ , kuriam esant teigiamas momentas didžiausias, vadinamas didžiausio jautrumo kampu max r ¢ . Kampą o galima keisti keičiant kampą U y . Tam tikslui prie įtampos apvijos nuosekliai prijungiamos aktyvi ir talpinė varžos. Kai kampas 2 / U r y = , kampas 0 = o ir sukamas momentas yra: r cos r I r U k sk M ¢ = . 31 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Tokia relė vadinama kosinusine. Jeigu kampas 0 U = y , kampas 2 / r o = ir sukimo momentas: r sin r I r U k sk M ¢ = . Tokia relė vadinama sinusine. Srovės kryptis apvijoje pasikeis, jeigu apkeisti vietomis apvijos pradžią su pabaiga relės maitinimo schemoje. Priimant vienos iš apvijų pradžią laisvai, kitos apvijos pradžia parenkama taip, kad būtų gautas teigiamas sukimo momentas, esant nurodytam didžiausio jautrumo kampui. Apvijos pradžia žymima tašku. Taip pat gaminamos relės su dvipusiu veikimu. Jos turi du atvirus kontaktus. Vieni iš jų susijungia, kai yra teigiamas sukimo momentas, o kiti, kai neigiamas. Galios krypties relės darbas apibūdinamas charakteristikomis: kampinė charakteristika parodo suveikimo galios s S priklausomybę nuo kampo r ¢ ) ( f S r g ¢ = ; voltamperine charakteristika, kuri parodo suveikimo įtampos priklausomybę nuo srovės esant didžiausio jautrumo kampui ) r I ( f s U = . Charakteristikos priklauso nuo relės tipo. 3.21 pav. Suveikimo galios priklausomybė nuo kampo Realiose relėse judančią dalį veikia trinties ir spyruoklės kuriamos jėgos. Kad relė suveiktų reikia įveikti pasipriešinimą, tam reikalingas minimalus sukimo momentas min S M . Relėse su mišria charakteristika turi būti išpildyta sąlyga: ( ) min s M r cos r I r U k = + o ¢ Arba ( ) o ¢ + = = r cos k min s M r I r U s S . k / M min S - yra pastovus dydis. s S keičiasi keičiantis kampui r ¢ , minimali reikšmė min s S gaunama esant kampui max r ¢ . Kai 1 ) cos( r = +o ¢ , gauname k min/ s M min s S = , tada ( ) o ¢ + = r cos min s S s S . Mažėjant ) cos( r o ¢ + galia s S didėja ir pasiekia begalybę, kai 0 ) cos( r = +o ¢ . Analizuojant relės darbą dažnai naudoja idealią kampinę charakteristiką (6.7 pav.). Dauguma atveju vektorių r U priima kaip fiksuotą ir nuo jo atideda kampą r ¢ . Reikia turėti omeny, kad kampas r ¢ yra teigiamas, kai srovė atsilieka nuo įtampos ir neigiamas, kai pralenkia. Tiesė, sudaranti kampą max r ¢ su vektoriumi r U vadinama didžiausia jautrumo linija 1. Relės darbą apriboja nulinio jautrumo linija 2, kuri nubrėžta statmenai didžiausio jautrumo linijai. Su vektoriumi r U ji sudaro kampus ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ = o r ¢ 2 r ir ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ ÷ = o r ¢ 2 r . Esant šiems kampams tokiems, kad 0 ) cos( r = +o ¢ ir sukimo momentas 0 M s = . Tokiu būdu, relės veikimo zona apribojama kampais ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ s s ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ÷ o r ¢ o r 2 2 r . 32 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.22 pav. Ideali kampinė charakteristika Sudarant charakteristiką ) I ( f U r s = pasinaudosime sąlyga: ( ) o ¢ + = = r min S r r s cos k M I U S . 3.23 pav. Suveikimo įtampos priklausomybė nuo srovės 3.23. paveiksle parodyta: 1- skaičiuota voltamperinės charakteristikos kreivė, 2 – kreivė gauta atlikus eksperimentinius bandymus. Ji parodo, kad prie kažkokios srovės vertės r I įtampa s U nebemažėja. Tai paaiškinama magnetinės sistemos prisotinimu. Iš eksperimentinės voltamperinės charakteristikos galima nustatyti minimalią įtampą min s U , reikalingą relei suveikti. Įvykus trumpam jungimui arti relinės apsaugos įrenginio vietos, gali būti, kad min s r U U < ir relė nesuveiks. Toks atvejis yra vadinamas relės neveikimo zona (mirties zona). 3.3.1. Elektromagnetinės tarpinės relės Tarpinė relė yra pagalbinė relė, kuri naudojama kai reikia vienu metu sujungti arba atjungti kelias nepriklausomas grandines arba kai reikalinga didelė relės kontaktų komutavimo galia ar srovė. Tarpinės relės būna lygiagretaus ir nuoseklaus jungimo. Lygiagretaus jungimo relės apvija jungiama prie įtampos šaltinio, o nuoseklaus – į srovės grandinę. Be to, naudojamos tarpinės relės su papildoma apvija. Lygiagretaus jungimo relė gali turėti papildomą nuoseklaus jungimo apviją. Tokia relė, paveikusi nuo trumpalaikio impulso, paduoto į lygiagrečią apviją, palieka suveikusi, tekant srovei nuoseklaus jungimo apvijoje, kol bus atlikta numatyta operacija. Tarpinių relių schemos pateiktos 3.24 pav. 33 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.24 pav. Tarpinių relių schemos: a) su viena apvija; b) su dviem apvijomis Paprastai tarpinė relė turi keletą kontaktų, kuriais galima valdyti atskiras grandines. Kontaktų jungiamoji galia turi būti pakankama apsaugos grandinių (galia 50-100 W) ar jungtuvų atjungimo grandinių (galia 1500-2000 W) valdymui. Relės apvijos pareikalaujama galia neturi viršyti 3-8 W, kad tarpinę relę galima būtų valdyti mažos galios kontaktais. Apsaugos schemose įjunta tarpinė relė padidina apsaugos suveikimo trukmę, kas yra nepageidautina greitaveikėse apsaugose. Greitaveikių tarpinių relių suveikimo laikas yra 0,01- 0,02 s, kitų būna nuo 0,02 iki 0,1 s. Nedidelė tarpinių relių suveikimo vėlinimo trukmė (iki 0,5 s) gaunama naudojant RC elementus arba trumpai jungtą viją. Tokios relės yra naudojamos automatikos ir kai kurių apsaugų schemose. Specializuota tarpinė relė yra vadinama signalinė relė. Relės apvija gali būti nuoseklaus ir lygiagretaus jungimo. Patogesnė yra nuoseklaus jungimo relė. Relė turi kontaktus ir signalinę vėliavėlę. Relė, gavusi trumpalaikį srovės impulsą paveikia, susijungia kontaktai, o vėliavėle pakeičia savo padėtį. Tokioje būsenoje relė gali būti neribotą laiką, kol ją atstatys aptarnaujantis personalas, o relė leidžia nustatyti įvykusio gedimo rūšį ir suveikusią relinę apsaugą. Tarpinės relės būna nuolatinės ir kintamosios srovės. Dažnai kintamos srovės relės gaminamos su lygintuvu ir nuolatinės srovės elektromagnetu. 3.4. Mikroprocesorinė elementiai relinėje apsaugos automatikoje Elektros energijos tiekimo ir perdavimo sistemose eksploatuojami relinės apsaugos ir automatikos įtaisai, pagaminti įvairių elementinių bazių pagrindu. Tai elektromechaninės relės, relių blokai ir valdymo įtaisai, kuriuose naudojamos mažo ir vidutinio integracijos laipsnio mikroschemos (operaciniai stiprintuvai ir loginiai elementai), kuriami ir diegiami relinės apsaugos ir automatikos įrenginiai (RAA), naudojant skaitmenines universalias ir specializuotas mikroprocesorines sistemas. Tai programuojami relinės apsaugos ir automatikos įrenginiai. 3.4.1. Pagrindiniai mikroprocesorinės elementinės bazės privalumai Informacijos apdorojimas naudojantis skaičiavimo technikos metodais ir techninėmis priemonėmis leido sukurti naujus integruotus kompleksus, atliekančius visas tradicinių relinės apsaugos ir automatikos įtaisų funkcijas. Šie kompleksai pasižymi plačiomis informacijos priėmimo, apdorojimo ir perdavimo galimybėmis, iš esmės padidinančiomis elektroenergetinių įrenginių automatinio valdymo įtaisų technines charakteristikas bei patikimumą. Skaitmeniniai įrenginiai relinėje apsaugoje ir automatikoje pradėti naudoti prieš porą dešimtmečių. Per tą laiką sukurtos optimalios tokių įrenginių aparatinės struktūros, leidžiančios atlikti visas reikalingas funkcijas. Skaitmeniniai mikroprocesoriniai kompleksai – tai intelektualinės techninės priemonės relinės apsaugos ir automatikos įtaisuose. Jiems būdinga: - didelės funkcinės galimybės ir maži gabaritai (viena skaitmeninė matavimo relė pakeičia dešimtis analoginių relių); 34 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - distancinis nustatymų keitimas bei patikrinimas iš valdymo pulto; - priešavarinių išjungimų ir įjungimų pagreitinimas; - nepertraukiama savikontrolė ir diagnostika bei didelis patikimumas; - avarinių režimų parametrų registracija ir atsiminimas; - informacijos apie relinės apsaugos įtaisų būseną ir suveikimus distancinis perdavimas operatoriui; - galimybė įvesti į komplekso struktūrą aukštesnius automatinio valdymo prioritetinius lygius; - nereikalingas specialus techninis aptarnavimas (periodinės derinimo ir gedimų patikros). Dabartiniu metu užsienyje jau kuriami naujos kartos relinės apsaugos ir automatikos skaitmeniniai įrenginiai. Tai didelės integracijos skaitmeniniai kompleksai, galintys atlikti relinės apsaugos, elektros energijos matavimo bei apskaitos ir elektros įrenginių reguliavimo bei valdymo funkcijas. Tokie kompleksai energetinių objektų automatizuotų valdymo sistemų panaudojimo požiūriu yra visiškai suformuotos sistemos, t.y. terminalai. Integruotuose relinės apsaugos ir automatikos skaitmeniniuose kompleksuose atsiranda galimybė panaudoti netradicinius srovės ir įtampos matavimo keitiklius, veikiančius optoelektroninių daviklių pagrindu, naudojančius transformatorius be feromagnetinių šerdžių ir t.t. 3.4.2. Skaitmeninių apsaugos įrenginių struktūrinė schema Įvairios paskirties skaitmeniniai apsaugos įrenginiai turi daug bendrų struktūrinių dalių, todėl jų struktūrinės schemos nedaug skiriasi viena nuo kitos. Kaip vieną iš galimų variantų galima pateikti schemą, pavaizduotą pav. 3.25. Kadangi šiame skyriuje nagrinėjamos struktūrinės schemos yra didelės apimties ir sudėtingos, todėl numatoma paskaitų metu studentams pateikti visų žemiau nagrinėjamų schemų kopijas Skaitmeninio įrenginio centrinė dalis yra mikro-ESM (elektroninė skaičiavimo mašina), kuri per savo įėjimo-išėjimo įrenginius keičiasi informacija su savo periferiniais įrenginiais. Šiais papildomais įrenginiais atliekamas mikro-ESM (mikroprocesoriai) sujungimas ir suderinimas su pirminės informacijos davikliais, valdomu objektu, operatoriumi ir t.t. Reikia pastebėti, kad realiuose apsaugos įrenginiuose gali būti naudojama ne vienas, o daugiau mikroprocesorių, kiekvienas iš kurių atlieka jam skirtas konkrečias funkcijas. Taip siekiama maksimaliai padidinti viso skaitmeninio apsaugos įrenginio greitaeigiškumą. Pavyzdžiui, aukštos įtampos linijų sudėtinguose apsaugos įrenginiuose naudojama 7 – 10 mikroprocesorių, dirbančių lygiagrečiai. 3.25. pav. Skaitmeninio apsaugos įrenginio struktūrinė schema 35 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Kiekvieno relinės apsaugos ir automatikos įrenginio struktūroje būtini įėjimo (U1...U4) ir išėjimo (KL1...KL4) signalų keitikliai, analoginiai-skaitmeniniai keitikliai (U6, U7), operatoriui skirti valdymo ir informacijos įvedimo jungtukai (SB1 SB2), displėjus (H) ir maitinimo blokas (U5). Šiuolaikiniuose skaitmeniniuose įrenginiuose yra ir komunikacinis išėjimas (X1) , skirtas ryšiui su kitais skaitmeniniais įrenginiais. Panagrinėsime aukščiau minėtų įrenginių pagrindines funkcijas. Įėjimo signalų keitikliai atlieka išorinių grandinių ir vidinių skaitmeninio įrenginio grandinių galvaninį atskyrimą. Taip pat jie atlieka kontroliuojamų signalų keitimą į skaitmeniniam įrenginiui priimtiną formą (dažniausiai į įtampą) ir atitinkamą lygį.Be to, įėjimo keitikliuose vykdoma pirminė įėjimo signalų dažnio filtracija, prieš atliekant analoginio-skaitmeninio keitimo operaciją. Svarbi įėjimo keitikių funkcija yra skaitmeninio įrenginio vidinių elementų apsauga nuo išorinių trikdžių ir įtampos šuolių (viršįtampių). Struktūrinėje schemoje išskiriami analoginių (U3,U4) ir loginių (U1,U2) įėjimo signalų keitikliai. Analoginių signalų keitiklių funkcija yra užtikrinti kontroliuojamų įėjimo signalų tiesinį perdavimą visame jų kitimo diapazone (arba netiesinį, bet pagal užduotą dėsnį). Loginių signalų keitikliai, priešingai, yra jautrūs tik siauram kontroliuojamų signalų diapazonui. Tokia jų savybė padeda išvengti blogo relinės apsaugos įtaisų darbo, esant trumpiems jungimams operatyvinės srovės grandinėse. Išėjimo signalų keitikliai turi užtikrinti komutuojamų grandinių tarpusavio galvaninį atskyrimą, taip pat ir atskyrimą nuo skaitmeninio apsaugos įrenginio vidinių grandinių. Analoginio-skaitmeninio keitimo traktą sudaro multipleksorius (U6) ir pats analoginis- skaitmeninis keitiklis (U7). Multipleksorius – tai elektroninis komutatorius, paeiliui paduodantis kontroliuojamus signalus į analoginio-skaitmeninio keitiklio (ASK) įėjimus. Multipleksorius leidžia naudoti vieną ASK keliems kanalams. Analoginiame-skaitmeniniame keitiklyje vyksta įėjimo signalo momentinės reikšmės keitimas į jai proporcingą skaitmeninį kodą. Keitimas vykdomas tam tikrais užduotais laiko momentais. Po to, mikro-ESM pagal šiuos skaitmeninius kodų rinkinius apskaičiuoja kontroliuojamų signalų integralinius parametrus – amplitudines arba momentines reikšmes. Maitinimo blokas užtikrina skaitmeninio apsaugos įrenginio visų mazgų maitinimą stabilizuota atitinkama įtampa, nepriklausomai nuo maitinimo tinklo įtampos kitimo. Maitinimo bloke taip pat formuojami papildomi signalai, leidžiantys išvengti mikro-ESM ir kai kurių kitų elektroninių mazgų darbo sutrikimų maitinimo įtampos įjungimų ar išjungimų momentais. Displėjus ir klaviatūra yra būtinos bet kurio šiuolaikinio skaitmeninio įrenginio dalys, leidžiančios operatoriui gauti informaciją iš įrenginio, keisti jo darbo režimą, įvesti naują informaciją. Ryšio traktas leidžia skaitmeninį apsaugos įrenginį sujungti su kitais išoriniais skaitmeniniais įrenginiais, perduoti jiems arba gauti iš jų informaciją. Informacija gali būti keičiamasi su automatizuotomis valdymo sistemomis, personaliniais kompiuteriais ir t.t., o tai leidžia integruoti įvairias sistemas, išvengiant išlaidų naujų ryšio kanalų kūrimui, pirminiam signalų apdorojimui ir t.t. Be paminėtų struktūrinių dalių, skaitmeniniuose apsaugos ir automatikos įrenginiuose gali būti ir kitų, pavyzdžiui, skaitmeninių-analoginių keitiklių (SAK), jeigu reikia formuoti analoginius valdymo ir reguliavimo signalus. Įvairių gamintojų sukurtų tas pačias funkcijas atliekančių skaitmeninių mazgų parametrai ir charakteristikos praktiškai nesiskiria. 3.4.3. Generatorių ir blokų generatorius-transformatorius apsauga Sinchroninių generatorių ir blokų generatorius-transformatorius mikroprocesorinė integruota relinė apsauga ir automatika atliekama terminalais REG216 ir REG316. Šie terminalai atlieka tokias funkcijas: - tradicinių automatinių apsaugos įtaisų atjungimus, esant trumpiesiems jungimams, ir statoriaus bei rotoriaus apvijų trumpinimams į žemę; 36 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - generatoriaus atjungimą, atsiradus jam pavojingiems nesimetriniams ir asinchroniniams režimams, perkrovoms bei netekus sužadinimo; - priešavarinės automatikos, apribojant įtampos sumažėjimą arba padidėjimą; - informacijos vizualinį pateikimą apie terminalo funkcionavimą ir generatoriaus darbo režimus; - informacijos registravimą apie avarines situacijas ir programinės apsaugos bei priešavarinės automatikos veikimus. Terminalo modifikacijoje REG316-4,skirtoje blokų generatorius-transformatorius apsaugai, papildomai įrengta apsauginio atjungimo funkcija, suveikianti esant per dideliam magnetolaidžio sužadinimui ir transformatoriaus apvijų perkaitimui bei tepalo slėgio jo bake padidėjimui. Terminalas sudarytas iš elektroninių modulių (EM) rinkinio, sumontuoto kasetėje (KO) ir sudarančio terminalo skaitmeninę dalį (BЧ). Tai: - analoginio-skaitmeninio keitimo (ASK) su analoginių signalų multipleksoriumi modulis; - signalinio mikroprocesoriaus modulis (216NG61); - pagrindinių mikroprocesorių modulis (ГПM); - ryšio kanalo-interfeiso su ПЭВМ ir spausdintuvu (П ) modulis (216VE61) - skaitmeninių išėjimo signalų modulis (216AV61) - valdymo signalų modulis (216DB61). Struktūrinė terminalo REG216 schema parodyta pav. 3.26. ASK dalis sudaryta iš srovės matavimo transformatorių TAL, apkrautų balansinėmis varžomis R b , įtampos kritimai ant kurių proporcingi ir sutampa faze su srove, įtampos matavimo transformatorių (TVL) ir analoginių juostinių dažnio filtrų, nepraleidžiančių trumpojo jungimo metu vykstančių srovės ir įtampos pereinamųjų procesų harmoninių ir laisvųjų virpesių dedamųjų. 3.26. pav. Terminalo struktūros pavyzdys Vykdančioji dalis sudaryta iš elektromagnetinių su hermetiniais kontaktais relių (KL), sužadinamų iš atskirų maitinimo šaltinių. Struktūrinėje schemoje parodytas tik bendras terminalo maitinimo šaltinis (ОИП). Terminalai REG216 ir REG316 atlieka tokias pagrindines relinės apsaugos funkcijas: 37 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - diferencinę srovės apsaugą nuo trumpųjų jungimų generatoriaus ir bloko generatorius-transformatorius grandinėse - diferencinę srovės apsaugą nuo tarpvijinių trumpųjų jungimų generatoriaus statoriaus apvijose - trijų laipsnių srovės apsaugą nuo trumpųjų jungimų - apsaugą nuo trumpųjų jungimų į žemę generatoriaus statoriaus ir rotoriaus grandinėse - kryptinę srovės nuo atbulinės galios apsaugą. Mikroprocesorinė integruota relinė apsauga ir automatika turi daug ypatybių ir privalumų, kurie pagerina sinchroninių generatorių ir blokų generatorius-transformatorius apsaugos ir priešavarinės automatikos technines galimybes. Programiniu būdu eliminuojami faktoriai, trukdantys pasiekti aukštą diferencinės srovės apsaugos patikimumąi: - užtikrinamas didelis apsaugos nesuveikimo patikimumas, esant tolimiems trumpiems jungimams; - sumažinama generatoriaus apsaugos suveikimo srovė; - sulyginamos matavimo transformatorių antrinių srovių absoliutinės reikšmės. Programinė fazių postūmio kompensacija tarp antrinių srovių supaprastina srovės apsaugos srovės grandinių schemą. Visų trijų fazių srovės matavimo transformatorių antrinės apvijos ir aukštos, ir žemos įtampos grandinėse jungiamos pagal analogiškas schemas, dažniausiai, žvaigžde. Tipinė programinės diferencinės apsaugos suveikimo charakteristika parodyta pav. 3.27. I suv.aps / I komp. 0,1 0 b=1,5 I st. / I nom. k 3.27 pav. Mikroprocesorinės diferencinės srovės apsaugos suveikimo charakteristika Ši suveikimo charakteristika pasižymi: - žemu suveikimo srovės lygiu 0,1 I nom. (nominalia generatoriaus srove); - suveikimo srovės padidinimu stabdymo srove: o cos * * 2 1 . I I I st = čia I 1 , I 2 - antrinės srovės matavimo transformatorių srovės, esant tolimiems trumpiesiems jungimams; α – fazių postūmis tarp jų, apytikriai lygus 0 (cos α = 1); - esant trumpajam jungimui generatoriuje arba transformatoriuje, viena iš srovių yra priešingos krypties (dažniausiai I 2 ), kampas α = π ir cos α = -1, kvadratinė šaknis iš neigiamo skaičiaus yra menamas dydis, todėl stabdymas neveikia; - programiniu apsaugos veikimo uždraudimu, pradedant nuo b = 1,5 ( prie išorinių trumpųjų jungimų); - šio programinio uždraudimo nėra, esant vidiniams trumpiesiems jungimams. Tokia charakteristika užtikrina programinės generatorių ir bloko generatorius- transformatorius srovės apsaugos privalumus. 38 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Iš kitų programinės apsaugos ir priešavarinės automatikos privalumų galima paminėti: - transformatoriaus įjungimo momentu atsiradusio įmagnetinimo srovės šuolio, suveikus pirmai srovės apsaugos pakopai, fiksavimą ; - trečios srovės apsaugos pakopos suveikimo užvėlinimo laikų t suv. ir t 2 skaičiavimą: t suv. = k 1 / [(I suv. / I b ) 2 – 1] t suv.2 = k 1 / [(I 2 / I b ) 2 – k 2 2 ] čia I b - bazinė srovė, I b = (0,5 - 2,5)*I nom.; k, k 2 – laiko koeficientai; - aukštus įtampos ir srovės matavimo relių atsistatymų koeficientus (artimus vienetui). 3.4.4. Elektros perdavimo linijų integruota relinė apsauga ir priešavarinė automatika Integruota mikrorocesorinė aukštos įtampos perdavimo linijų relinė apsauga ir priešavarinė automatika atliekama terminalais REL-511R, REL-521 ir REL-561: Jie atlieka tokias funkcijas: - distancinę diferencinę išilginę apsaugą pagal srovę tarpfaziniams ir vienfaziams trumpiesiems jungimams; - apsaugą pagal srovę nuo trumpų jungimų į žemę; - apsaugą nuo tarpfazinių trumpųjų jungimų; - atjungimą, jei linija jungiama tiesiai į trumpą jungimą; - draudžia distancinės apsaugos suveikimą jei vyksta energetinės sistemos parametrų nežymūs svyravimai arba yra pažeidimai matavimo transformatorių įtampos grandinėse; - atlieka pakartotinus trifazius ir vienfazius linijų įjungimus; - atlieka įtampos sumažėjimo ir padidėjimo ribojimus; - nustato elektros energijos perdavimo linijų pažeidimų vietas; - fiksuoja linijose veikiančių įtampų ir srovių, aktyviosios ir reaktyviosios galios reikšmes bei dažnį; - registruoja avarines situacijas. Terminalai užtikrina distancinės apsaugos derinimą penkiose zonose (trys fiksuotos ir dvi pagreitinto atjungimo), t.y. aukštą tolimojo rezervavimo laipsnį. Vieno iš keturių mikroprocesorių atmintyje esančių nustatymo varžų ir suveikimo srovių rinkinio operatyvinio pasirinkimo galimybė suteikia apsauginių atjungimų automatikai elektros energijos perdavimo linijų darbo režimų nustatymo lankstumą. Lankstus programinis nustatymų ir informacijos pasikeitimo aukšto dažnio ryšio kanalais galimumas padidina greitaeigiškumą ir apsauginių atjungimų bei pakartotinų įjungimų efektyvumą. Universalus mikroprocesorinis terminalas REL521 atlieka atjungimų ir įjungimų priešavarinės automatikos funkciją elektros energijos perdavimo kabelinėse ir oro linijose tiek sistemos viduje, tiek ir tarp sistemų. Skaitmeninė-loginė terminalo dalis parodyta pav. Ji sudaryta iš tuo pačiu metu veikiančių mikroprocesorių MP1 – MPN, kurie atlieka visas būtinas priešavarinės automatikos, skaičiavimo ir logines funkcijas. Vienas iš jų atlieka informacinių procesų, patenkančių iš ASK, filtraciją. Skaitmeninė-loginė dalis turi pagrindinį kontrolerį (ГК), kuris priima sprendimus pagal informaciją, patenkančią iš mikroprocesorių. Informacija perduodama 1 ms diskretiškumu. Matavimo-keitimo dalis sudaryta iš antrinių įtampos matavimo transformatorių (TVL) komplektų, srovės matavimo transformatorių (TAL), apkrautų balansinėmis varžomis R b , komplektų, analoginių žemo dažnio filtrų, multipleksoriaus (МПЛ) ir analoginio-skaitmeninio keitiklio (ASK). Iš ASK skaitmeniniai signalai per galvaninio atskyrimo grandinių elektroninius elementus (ЭГР) patenka į mikroprocesorius. 39 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.28. pav. Terminalo pavyzdys Diskretiniai įėjimo signalai į skaitmeninę-loginę dalį patenk per įėjimo elektromagnetinių relių (PBC) kontaktus. Valdymo signalai prijungimui ir atjungimui išvedami per elektromagnetinių relių (KBP) kontaktus, o informaciniai signalai – per hermetinius magnetinius kontaktus (ГМК). Skaitmeninė-loginė dalis turi standartinį interfeisą, klaviatūrą (КЛ) ir skystų kristalų displėjų. 40 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 pav. 3.29 parodyta mikroprocesorinės distancinės apsaugos matavimo dalies struktūrinė schema, iliustruojanti programinį pažeistos fazės nustatymą, esant vienfaziui trumpajam jungimui, ir dviejų užtrumpintų fazių atrinkimą, esant dvifaziui trumpajam jungimui. 3.29 pav. Mikroprocesorinės distancinės apsaugos matavimo dalies struktūrinė schema Joje numatytos laisvo pažeistos fazės A, B ir C išrinkimo grandinės, kontroliuojamos operacijomis 3 1 ÷ ÷ ÷ X D X D (DRAUDIMAS) nuo fazinių pilnos varžos relių KZH A – KZH C . Operacija ÷ 4 X D formuoja informacinį signalą (nuo relės KAV) apie trumpąjį jungimą į žemę. Draudimas vykdomas vienetiniu loginiu signalu programinėmis blokavimo relėmis KB, pažeidimams esant įtampos matavimo transformatorių grandinėse arba esant svyravimams elektroenergetinėje sistemoje. Operacijomis DRAUDIMAS kontroliuojama pažeistų fazių nustatymas programinėmis kryptinėmis pilnos varžos matavimo relėmis KZ A – KZ C ir KZ AB – KZ CA . Linijos fazės A išrinkimo signalas, esant jos trumpajam jungimui į žemę, formuojamas kryptine vienfaze pilnos varžos matavimo rele KZ A , jei loginis vienetinis signalas yra visuose DX1 įėjimuose. Loginis vienetinis signalas praeina per DW1 (operacija ARBA) kaip atjungimo signalas fazės A išjungikliui (YAT). Analogiškai kryptinėmis vienfazėmis matavimo relėmis KZ B ir KZ C per operacijas DX2, DX3 ir DW2, DW3, esant loginiams vienetiniams signalams KAV ir ÷ 4 X D išėjimuose, formuojamas pažeistos fazės B arba C išrinkimo signalas. Dviejų pažeistų fazių rinkiniai, esant dvifaziams trumpiesiems jungimams į žemę, nustatomi tarpfazinėmis varžos matavimo relėmis. Esant fazių A ir B trumpajam jungimui, diskretinis signalas iš relės KZ AB praeina per DX4, jei yra vienetiniai signalai iš trumpojo jungimo fiksavimo relės KAV ir 4 ÷ X D . Operacijos DW1 ir DW2 užtikrina pažeistų fazių A ir B išrinkimo signalą. Loginėmis operacijomis DW4 ir DW7 formuojamas informacinis signalas apie pažeistų fazių išrinkimą, esant trumpajam jungimui į žemę. 41 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Įvykus vienfaziui trumpajam jungimui į žemę, atjungiamas vienas pažeistas linijos laidas ir paleidžiama vienfazio automatinio pakartotino įjungimo programa. Įvykus dvifaziui trumpajam jungimui į žemę, loginėmis operacijomis (ЛO) formuojamas linijos trijų fazių atjungimo signalas elektromagnetams YAT ir trifazio automatinio pakartotino įjungimo signalas. 3.5. Transformatorių apsaugos ypatumai Transformatorių automatinis įtampos reguliavimas. Pakeisti įtampos dydį žemesnėje transformatoriaus įtampos pusėje galima keičiant aukštesniosios pusės transformacijos koeficientą pakeitus vijų skaičių vienoje iš apvijų. Pagal konstruktyvinį išpildymą galima keisti: 1) perjungiant apvijas atjungus transformatorių nuo tinklo; 2) perjungiant apvijas esant apkrovai. Pirmu atveju transformatorius turi vieną pagrindinį ir keturis papildomus atsišakojimus (3.30 pav.). Panaudojant atsišakojimus transformacijos koeficientą galima keisti +5, +2,5 ir -2,5 -5 %. Kadangi perjungimas vykdomas atjungus transformatorių, todėl tai atliekame tik keičiantis sezoniniam apkrovimui. 3.30 Pav. Įtampos reguliavimas schemose Transformatoriai, kuriuose įtampa reguliuojama esant apkrovai turi specialų perjungimo įrenginį. Aukštesniosios pusės apvija sudaryta iš 2 dalių - nereguliuojamos (a) ir reguliuojamos (b), ( 3.31 pav.). Reguliuojamoji apvijos dalis turi atsišakojimus (1- 4 gnybtus). 3.31 pav. Transformatoriaus įtampos reguliavimas 42 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Reaktorius ir visi kontaktai patalpinti transformatoriaus bake. Kontaktoriai K1 ir K2 patalpinti atskirame plieniniame korpuse, pripildytam alyvos. Šiuo įrenginiu galima keisti transformacijos koeficientą paros laikotarpyje. Automatinis transformacijos koeficiento valdymas esant apkrovai vykdomas specialiu automatiniu reguliatoriumi, kuris reaguoja į pastotės šynų įtampą. Vartotojų šynų įtampa (Uvart.) skiriasi nuo įtampos žemesnėje pastotėje (Upast) įtampos kritimo dydžiu ir keisis, keičiantis apkrovos srovei (Iapkr.) linijoje W2 (7.1 pav.). ) .( . . var Ze apkr I past U t U r r r ÷ = (7.2) čia: Ze - linijos W2 varža Kuo didesnė apkrovimo srovė linijoje W2 tuo mažesnė bus vartotojų įtampa. Kad palaikyti pastovią vartotojų įtampą, automatinio reguliavimo įtaiso matavimo įrenginys papildomas srovės kompensacija (7.5 pav.). Esant įjungtai srovės kompensacijai (varžos R ir X) matavimo įrenginiui paduodama įtampa Ureg. k Zs K I K U U I apkr u past reg . . ÷ = (7.3) čia: K I ir Ku – srovės ir įtampos transformatoriaus transformacijos koeficientai; Zs.k – srovės kompensacijos varža. Padalinus iš Ku ir parinkus Zs.k tokią, kad patenkintų lygybę I U L K k k Zs Z / . = galima parašyti: e apkr g U reg Z I U K U . . r r r r ÷ = (7.4) Palyginus (7.2) su (7.4) galima teigti Ureg K u = Uvart. Todėl į matavimo įrenginį bus perduodama įtampa proporcinga Uvart ir automatika palaikys pastovią vartotojų įtampą. 3.32 pav. AĮRT charakteristikos su srovės kompensacija Tuo pačiu pastotės šynose įtampa keisis ir priklausys nuo apkrovimo srovės (3.32 pav.). Charakteristikos pasvirimas - 'Ug = ƒ( l apkr. ) bus, tuo didesnis kuo didesnė varža 3.33 pav. Kompensacijos pagal srove įjungimo schema AĮRT matavimo įrenginiui 43 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Jėgos transformatoriaus automatinis įtampos reguliatorius (AĮRT). Reguliatoriaus pagalba vykdomas atšakų perjungėjo reguliatoriaus atšakų valdymas. 7.6 pav. Pavaizduota struktūrinė schema turi 3 pagrindines funkcines grandis: 1) reguliavimo traktą, su 2 valdymo kanalais ( Ž-žeminti, A-aukštinti); 2) kontrolės įjungimo bloką KĮB; 3) taktinių impulsų generatorių su keičiamų impulsų periodu. 3.34 pav. Jėgos transformatoriaus automatinio įtampos reguliatoriaus struktūrinė schema. Į reguliavimo traktą įeina šie elementai: 1 sumatorius; 2 srovės jutiklis; 3 matavimo ir skirstymo kanalai; 4 ir 5 laiko elementai; 6 ir 7 draudimo elementai; 8 ir 9 vykdantieji elementai. Kontroliuojama įtampa k U r apdorojama sumatoriuje 1. Įėjimo įtampa k U r sumuojasi su srovės kompensacijos įtampa k s U . r , gaunama iš srovės jutiklio 2 (vyksta srovės kompensacija). Elementas 3 užtikrina patenkančių iš sumatoriaus signalų perdirbimą, nejautrumo zonos formavimą, ARĮT nustatymų keitimus ir signalų perdavimus laiko elementams 4 ir 5. Įtampos reguliavimo įrenginys reguliuoja įtampą laiptais nuo 85 – 110 % UN. (grubiai kas 5 % ir švelniai kas 1 % ). Reguliatorius turi nejautrumo zoną, kad neįvyktų bereikalingas perjunginėjimas esant nedideliems įtampos svyravimams. Nustatymai nejautrumo zonoje reguliuojami nuo 0,5 % iki 4 % UN. Elementų 4 ir 5 pagalba sukuriamas suveikimo uždelsimas ( reguliavimo ribos 60-180 s). Kiekvienoje vykdančiųjų elementų 8 ir 9 grandyje sukuriančioje komandas "žeminti", "aukštinti" įjungti atitinkami draudimo elementai 6 ir 7. AĮRT veikimas nutraukiamas reguliavimo mechanizmui pasiekus galines padėtis, o taip pat esant gedimams pavaroje ir reguliavimo schemos elementuose. Valdymo komanda draudimo elementams paduodama iš kontrolės įrenginio bloko KĮB kurio sudėtį įeina 3 elementai: 1) reguliatoriaus 10 teisingas veikimas; 2) pavaros 11 teisingas veikimas; 3) pavaros 12 signalo "Perjungimas“, fiksavimas. 44 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Tuo pačiu metu su draudimo komandomis KĮB signalizuoja apie gedimą. Normalus režimas reguliuojamas pagal veikimo komandų išpildymą: "Atėjo" arba „Neatėjo" ir "Baigė" arba " Užstrigo". KĮB valdo matavimo bloką 3 ir taktinių, impulsų generatorių 13. Jis į vairias schemos vietas duoda apibrėžto dažnio impulsus, užtikrina atskirų schemos elementų darbą ir užduoda laiko mastelį teisingam įvairių elementų darbui. Sumažėjus įtampai žemiau nejautrumo zonos elementas 5, su nustatytu uždelsimu suveikia, perduodamas signalą į vykdomąjį AĮRT elementą. Panašiai veikia AĮRT ir padidėjus įtampai per laiko elementą 4. 3.6. Televaldymas ir intelektualios sistemos. Norint efektyviai valdyti gamybinius procesus, procesą kontroliuojantys ir valdantys įrenginiai tarpusavyje turi keistis informacija. Ne taip svarbu ar valdymą ir kontrolę atlieka žmogus, ar tam naudojamas techninis prietaisas, valdiklis arba kompiuteris. Tam tikru būdu sujungus kompiuterius ir valdiklius, kad jungiamaisiais laidais būtų keičiamasi informacija, gaunamas lokalinis tinklas. Sąvoka tinklo topologija apibrėžiama kaip tinklo dalyvių – mazgų geometrinis išdėstymas – tai nepriklausoma nuo tinklo geometrijos loginė tinklo sandara. Dviejų taškų sujungimas. Paprasčiausias būdas keistis duomenimis yra du komunikacijos partnerius jungti laidų linija, kaip tai daroma pasikalbėjimo įrenginiuose arba prie kompiuterio jungiant spausdinimo įrenginį. Duomenų mainų procesas dažniausiai valdomas kvitavimo signalais (angl. Handshake). Tokiu būdu jungiant daugelį įrenginių, gaunamas daugiakontūris tinklas. Kai yra n tinklo mazgų, kiekvienas mazgas turi turėti (n – 1) jungimo portų, ir tinkle turi būti panaudotas n derinių skaičius po 2 jungimo linijas. Tokios tinklo jungimo topologijos kaina gana didelė, tačiau klaidos arba gedimo atveju prarandamas tik vienas tinklo mazgas arba viena komunikacijų linija. Multipleksuojamas dviejų taškų jungimas. Jei du taškus jungiančią liniją naudoja daugiau nei du tinklo mazgai, turi būti numatyta apsauga nuo informacijos praradimo, t. y. draudžiamas linijoje signalų sutapimas. Viena iš galimybių – pasitelkti laiko paskirstymo principą. Šiuo atveju, tinka bazinės juostos perdavimas, kai nemoduliuotam signalui perduoti naudojama visa ryšio linijos dažnių perdavimo juosta (nuo 0 Hz iki signalo max. dažnio). Komunikacijų su laiko paskirstymu principas paaiškinamas 3.5 pav. Antra galimybė – pasirinkti dažnių paskirstymo metodą. Tada moduliuotas signalas perduodamas tam tikro pločio dažnių juosta. Signalais a 0 ir a 1 valdomas multipleksorius (angl. MUX) nuosekliai vienas paskui kitą prijungia duomenų linijas d 0 ... d 3 prie perdavimo linijos l. Tokiu būdu kiekvienam tinklo mazgui suteikiamas laiko intervalas duomenims perduoti. Savo ruožtu priėmimo pusėje generuojami signalai a 0 ir a 1 valdo demultipleksorių (angl. DEMUX), kurio paskirtis – priimamus signalus prijungti atitinkamoms linijoms d 0 ... d 3 . Kad duomenų perdavimas vyktų teisingai, multipleksorius ir demultipleksorius turi veikti sinchroniškai. Tam tikslui kiekvieno perdavimo ciklo pradžioje į liniją siunčiamas sinchronizavimo signalas. 3.35 pav. Paskirstyto laiko komunikacijos 45 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Čia nagrinėta schema gali duomenis perduoti tik viena kryptimi, t. y. simplekso būdu. Multipleksoriaus ir demultipleksoriaus veikimo principas vienodas, todėl, panaudojus MUX/DEMUX perjungimo schemą, galima siųsti duomenis pakaitomis abiem kryptimis, t. y. pusiau dupleksu [4]. Naudojant dažnių paskirstymo metodą, perdavimo kanalas suskirstomas į numatyto pločio nepriklausomas dažnių juostas. Čia yra galimybė vienu metu perduoti duomenis abiem kryptimis, t. y. galima realizuoti duplekso perdavimą. Signalų moduliavimui tinka amplitudės, dažnio arba fazės moduliacija. Šis metodas geriau panaudoja perdavimo linijos galimybes, tačiau signalų moduliavimas ir demoduliavimas padidina komunikacijos įrangos kainą. Dažnių paskirstymo metodas tinka tolimojo ryšio tinkluose arba kai reikia greitai abiem kryptimis perduoti didelius informacijos kiekius. Magistralinė struktūra. Magistralinėje struktūroje informacijos mainams visi tinklo mazgai naudoja bendrą perdavimo liniją (3.36 pav.). a) b) 3.36 pav. Magistralinė tinklo struktūra: a – topologijos schema, b – praktinės realizacijos schema Prie bendros magistralės tinklo mazgai prijungiami trumpomis atšakų linijomis. Šiai struktūrai, palyginus su daugiakontūriu tinklu, reikia žymiai mažiau kabelinių linijų, be to, kiekvienam tinklo mazgui būtinas tik vienas prijungimo portas. Magistralinė struktūra turi ne tik privalumų. Kyla problema, kad vienu metu duomenis siųsti gali tik vienas tinklo mazgas. Todėl jai turi būti nustatytos magistralinės užvaldos taisyklės, nes tik užvaldęs magistralę tinklo mazgas įgauna teisę siųsti duomenis. Naudojant magistralinę tinklo struktūrą, reikia atsižvelgti į tokius reiškinius: - Kadangi galimi bet kurių tinklo mazgų duomenų mainai, tai tinklo mazgų imtuvai turi priimti (“klausytis”) visų pranešimų. Dėl šios priežasties, daugėjant tinklo mazgų skaičiui, vis labiau apkraunamas siųstuvas; - Atstumai tarp tinklo mazgų dažnai siekia iki keleto šimtų metrų, todėl, norint išvengti signalų atspindžių, perdavimo linijos galai turi būti užbaigiami linijos banginėmis varžomis. Šios varžos taip pat papildomai apkrauna siųstuvus. Todėl magistralinėse struktūrose visada ribojamas tinklo mazgų skaičius; - Ryšio linija, atmetus induktyvumą ir laidumą, gali būti vaizduojama paprasta RC grandimi, kurioje laidų varža R l ir talpumas C l priklauso nuo linijos ilgio (3.3 pav.). Jei laiko momentu t0 siųstuvas generuoja įtampos šuolį, tai imtuvo įėjimo įtampa Ua turi eksponentės formą. Jos laiko pastoviąją lemia ryšio linijos parametrai R a , R l , R i ir C l . Kad imtuvas vienareikšmiškai 46 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 nustatytų loginės būsenos pasikeitimą, įtampa U a turi iki galo pereiti neapibrėžtos būsenos zoną. Šis perėjimas vyksta per laiką t, kuris priklauso nuo kabelio parametrų. Ilgėjant ryšio linijai, didėja R l ir C l ir kartu laikas ∆t. Galima apskaičiuoti maksimalų dažnį f max > 1/∆t, kai įtampa U nebepereis per neapibrėžtos būsenos zoną, ir imtuvas nebeužfiksuos loginės būsenos pasikeitimo. Praktiškai tai pasireiškia tuo, kad maksimalus perdavimo greitis ir maksimalus linijos ilgis yra atvirkščios priklausomybės. Pvz., PROFIBUS, kai perdavimo greitis 93,75 KBd, linijos ilgis gali būti iki 1200m, o kai perdavimo greitis 500 KBd, linijos ilgis tik 200m. 3.37 pav. Impulsų iškraipymas linijoje: a – supaprastintas ryšio linijos modelis, b – generatoriaus išėjimo įtampa, c – imtuvo įėjimo įtampa Didesniu atstumu ir greičiu duomenis galima perduoti šviesolaidžių linijomis. Tačiau tinklo mazgus prijungti prie tokios magistralės kebliau ir brangiau kainuoja. Medžio struktūra. Medžio struktūrą galima vertinti kaip tolesnę magistralinės struktūros plėtotę, nes ja galima apimti žymiai didesnę geometrinę erdvę. Maksimalaus tinklo mazgų skaičiaus, atstumo ir perdavimo greičio sąlygos galioja tos pačios, nors pasitelkus linijos kartotuvus (angl. Repeater) jos gali būti padidintos. Medžio struktūroje kartotuvai naudojami ir naujai medžio šakai sudaryti. Esant didesniems atstumams, reikalingas tinklo mazgų galvaninis atskyrimas, kuris atliekamas dažniausiai tinklo mazgų įėjimuose. Galvaniniu atskyrimu pašalinama tik potencialų skirtumas išilgai linijos ir to sąlygojamų srovių įtaka. Naudojant siųstuvą su diferenciniu išėjimu ir atitinkamą imtuvą galima nuslopinti elektromagnetinės indukcijos trikdžius. Tarus, kad ryšio linija yra susuktų laidų pora, galima teigti, kad elektroindukcija abiem laidams vienoda, todėl ji neturi įtakos diferenciniam įėjimui arba išėjimui. Tolesnei apsaugai nuo trikdžių galima pasitelkti ryšio linijos ekranavimą. Žiedo struktūra. Naudojant dviejų taškų sujungimus, šioje struktūroje sudaromas fizinis žiedas, kuriame duomenys perduodami nuosekliai nuo vieno mazgo į kitą (3.38 pav.). Čia taip pat vienu metu duomenis perduoti į žiedą gali tik vienas siųstuvas. Kadangi žiedas sudarytas iš du taškus jungiančių linijų ir kiekvienas tinklo mazgas atlieka kartotuvo funkcijas, tai šia struktūra galima dengti gana didelius atstumus. Šiai struktūrai iškyla ta problema, kad, nesant specialių priemonių, sugedus vienam tinklo mazgui ar nutrūkus bent vienai ryšio linijai, įvykus trumpam jungimui, sutrikdomas viso tinklo darbas. Jei tinklas 47 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 sudarytas su rezervinėmis ryšio linijomis taip, kad būtų galima duomenis perduoti į abi puses, sugedusios vietos gali būti apeinamos. a) b) 3.38 pav. Žiedo tipo vietinis tinklas: a – paprastas žiedas, b – IBM Token Ring žiedas su centriniu valdymo įrenginiu (VĮ) Žvaigždės struktūra. Žvaigždės struktūroje (3.39 pav.) centrinė stotis ryšio linijomis sujungiama su visais kitais tinklo mazgais. Naudojamos dviejų tipų centrinės stotys. Pirmojo tipo stočių uždavinys – tik perduoti vienų mazgų siunčiamus signalus kitiems mazgams. Čia centrinė stotis gali būti pasyvi arba aktyvi. Aktyvi centrinė stotis siunčiamus siųstuvo duomenis, prieš perduodama imtuvui, dar atitinkamai perdirba. Antrojo tipo centrinėms stotims pavedamos viso komunikacijų proceso valdymo funkcijos. Pirmuoju atveju tai atliko vienas mazgas, arba jos buvo paskirstytos visiems tinklo mazgams. Duomenų mainai šioje struktūroje vyksta per centrinę tinklo stotį, ir tai yra nemažas trūkumas, nes, sugedus centrinei stočiai, sutrikdomas viso tinklo darbas. a) b) 3.39 pav. Žvaigždės tipo vietinis tinklas: a – žvaigždė su centriniu specializuotu serveriu, b – žvaigždinis jungimas naudojant koncentratorių Savikontrolės klausimai 1. Apibrėžkite dviejų taškų sujungimą. 2. Pateikite magistralinę tinklo struktūrą. 3. Apibūdinkite magistralinio tinklo struktūros reiškinius. 4. Charakterizuokite medžio struktūrą. 5. Charakterizuokite žiedo struktūrą. 6. Charakterizuokite žvaigždės struktūrą. 48 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.7. Duomenų perdavimo sistemos, komunikaciniai protokolai, modeliai 3.7.1. Skaitmeninės komutacijos principai Analoginio signalo keitimas skaitmeniniu Impulsinė kodinė moduliacija (IKM) – klasikinis būdas, naudojamas, analoginį 3.1 kHz juostos pločio kalbos signalą pakeisti į skaitmeninį 64 kbit/s duomenų srautą (8.11 pav.). IKM signalas gaunamas trimis etapais: - diskretizacija – analoginio signalo amplitudės periodinis nuskaitymas. Balsui perduoti analoginio signalo amplitudė nuskaitoma 8000 kartų per sekundę. Diskretizacijos teorema teigia, kad visa originalaus analoginio signalo informacija bus įtraukta į diskretųjį signalą, jei diskretizavimo dažnis dvigubai didesnis už didžiausią diskretizuojamo analoginio signalo dažnį, kuris kalbos signalui perduoti telefono traktu laikomas lygus 4kHz; - kvantavimas – kiekvienas diskretus analoginio signalo amplitudės atskaitymas įgyja vieną iš 256 reikšmių. Šios reikšmės paskirstomos netiesiškai. Taip daroma, kad kvantavimo triukšmas priklausytų nuo signalo lygio. Šis netiesiškumas Europoje aprašomas A dėsniu, o Šiaurės Amerikoje - µ dėsniu, nusakančiu ryšį tarp analoginio signalo amplitudės reikšmės ir jos reikšmės užkoduota skaitmenine forma. Koduojant pagal šiuos dėsnius, mažosios analoginio signalo amplitudžių reikšmės perduodamos skaitmenine forma didesnės, t.y. jos perdavimo gale dėl ekspanderio yra padidinamos, o priėmimo gale dėl kompresoriaus vėl grąžinamos prie pradinių reikšmių. Didžiosios analoginio signalo amplitudės – atvirkščiai: perdavimo gale sumažinamos (kompresuojamos), o priėmimo gale, dėl ekspanderio vėl grąžinamos prie pradinių reikšmių; - kodavimas - kiekvienas kvantuotas analoginio signalo amplitudės atskaitymas koduojamas dvejetainiu kodu. Norint perduoti 256 skirtingas amplitudės reikšmes dvejetainiu kodu, būtina naudoti 8 bitų kodą (2 8 =256). Taigi kiekvieną sekundę 8000 kvantuotų amplitudžių reikšmės, atvaizduotos 8 bitų kodu, vadinamos IKM-žodžiais, arba IKM baitais. Kadangi visa informacija siunčiama nuosekliai, tai vienas telefoninis kanalas sukuria 8000x8=64 000 bitų per sekundę, arba 64 kbit/s spartos dvejetainių duomenų srautą. Analoginiam balso signalui pakeisti į skaitmeninį naudojami ir kiti jo kodavimo metodai, reikalaujantys mažesnės perdavimo spartos - 32 kbit/s ir 16 kbit/s. Vokoderio dėka galima perduoti pakankamos kokybės kalbos signalą ir 4,8 kbit/s bei mažesne sparta. 10000011 10000001 10000000 00000011 10000010 00000010 00000001 00000000 Diskretizavimas Kvantavimas Kodavimas 300-3400Hz 8000 atskaitymų/s 256 lygiai 8 bitai/atskaitymui 64 kbit/s 3.40 pav. IKM – impulsinė kodinė moduliacija 49 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.7.2. Informacijos paketavimas Norint kelis kanalų skaitmeninius signalus perduoti vienu traktu, jie yra multipleksuojami. Tai atliekama, dalijant laiką į kelis laiko intervalus ir skirtingais laiko intervalais perduoduodant vis kito kanalo vieną signalo atskaitymą (8 bitus arba 1 baitą). 32 kanalų IKM sistemose, naudojančiose 32 laiko intervalus (vienas IKM kadras, kurio trukmė 125µs ), nuosekliai perduodamos 32 skirtingų kanalų signalų reikšmės. Multiplekseriaus išėjime bitų srautas 32 kartus didesnis nei vieno kanalo, t.y. 32x64=2048 kbit/s. Laiko intervalai TS (Time Slot), sunumeruoti nuo TS0 iki TS 31, vadinami laikiniais kanalais ir sudaro 125µs trukmės duomenų kadrą IKM30/32 sistemoje. TS0 laikinis kanalas naudojamas ciklams sinchronizuoti ir jame perduodama kodinė kombinacija, reiškianti kadro pradžią. TS16 laikinis kanalas naudojamas signalizacijos tikslams. IKM kadro arba ciklo trukmė yra 125 µs, nes naudojamas 8000 Hz diskretizavimo dažnis ( T kadro =1/8000 Hz=125µs). Vienetų ir nulių perdavimas laiko intervalais yra vienas iš būdų, kuriuo galima perduoti informaciją telefonijoje. Duomenų komunikacijose informacija dažnai perduodama paketais. Vienas paketas turi tam tikrą kiekį baitų, paprastai nuo dešimt iki tūkstančio. Ląstelė – duomenų paketas, turintis pastovų baitų skaičių, pvz., 53 baitų paketas naudojamas asinchroninio perdavimo būdo sistemose ATM (Asynchronous Transfer Mode). Prieš perduodama dvejetainė informacija gali būti formuojama baitais, kadrais, ląstelėmis, t.y. paketuojama. 3.7.3. Skaitmeninės komutacijos principų klasifikavimas Įvairios telekomunikacijų paslaugos turi skirtingas charakteristikas ir reikalavimus tinklui, kuriuo jos perduodamos: - nenutrūkstanti ar pliūpsninio pobūdžio informacija; - pastovi ir kintanti bitų srauto sparta; - dažnių juostos poreikis; - bitų klaidų dažnis; - jautrumas vėlinimui ir jo pokyčiams. Dvejetainė informacija . . .0101000110101. . . Ciklas [kanaliniai intervalai] Kanalinis intervalas [bitai] Ląstelės [baitai] Paketai [baitai] 3.41 pav. Informacijos paketavimas 50 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Įvairios paslaugų charakteristikos ir telekomunikacijų tinklui keliami skirtingi reikalavimai lemia ir įvairius tinkluose naudojamus komutacijos principus (3.42 pav.). Komutacijos principai Analoginių signalų Skaitmeninių signalų Erdvinė grandinių komutacija Grandinių (kanalų) komutacijos Laikinė skaitmeninių signalų komutacija Erdvinė skaitmeninių signalų komutacija Pranešimų komutacija Paketų komutacija Ląstelių komutacija Kadrų komutacija 3.42 pav. Komutacijos principų klasifikavimas 3.7.4. Grandinių ir kanalų komutacija Grandinių komutacijos atveju sudaromas pastovus traktas (fizinė grandis), kuriuo naudojasi tik ryšio susieti abonentai. Tokia grandinių komutacija dažniausiai naudojama komutuojant analoginius signalus. Skaitmeninių signalų grandinių (kanalų) komutacijos atveju taip pat visam ryšio seansui sudaromas sujungimas, tačiau informacija perduodama tik fiksuotais laikotarpiais (kai ateina komutuojama informacija). Kanalų komutacijoje laikas yra padalytas į vienodus laiko intervalus. Bendras intervalų skaičius, arba kanaliniai intervalai (0, 1, 2, …, n) suformuoja ciklą, kuris kartojasi tam tikru dažniu, suformuodamas nenutrūkstamą informacijos srautą, pvz., IKM30/32 sistemose. Perduodama kanalu informacija prieš multipleksavimą įtraukiama į vieną ar kelis ciklo laiko intervalus. Šis arba šie laiko intervalai priskiriami vartotojui net ir tuo atveju, jei sujungimo metu kanalu neperduodama jokia informacija. Taigi perdavimo sparta kanalu yra fiksuota. Kanalinis siųstuvas ir imtuvas turi dirbti ta pačia bitų perdavimo ir priėmimo sparta. Skaitmeninei informacijai perduoti nuo siųstuvo iki imtuvo visada naudojami tie patys laiko intervalai. Tenka pažymėti, kad sujungimas yra fiksuotas ir nekeičiamas viso ryšio seanso metu (3.45 pav.). Jei tinkle naudojamas maršrutizavimas, tai jis remiasi laiko intervalo padėtimi cikle. Šios rūšies skaitmeninės informacijos perdavimas tinklu vadinamas sinchroniniu perdavimo būdu STM (Synchronous Transfer Mode). 51 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Ciklas iš 32 kanalinių intervalų 8 bitų kanalinis intervalas Komutatorius 31 30 29 28 4 3 2 1 0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 3.43 pav. Informacijos pateikimas kanalų komutacijos atveju Komutavimas remiasi kanalinių intervalų padėtimi cikle Kanalinis intervalas Z Kanalinis intervalas Y A vartotojas B vartotojas Kanalinis intervalas X 3.45 pav. Informacijos perdavimas kanalų komutacijos atveju Komutacijos sistemose kanalus perjungti, galima skirtingais metodais. Tai galima realizuoti, pasitelkus erdvinę komutaciją, kai pakeičiamas informacijos perdavimo traktas ir išsaugomas tas pats kanalinis intervalas, arba laikinę komutaciją, kuri pakeičia kanalinį laiko intervalą. Skaitmeninėje komutacijoje naudojami mišrūs erdviniai-laikiniai komutatoriai, realizuojantys kombinuotą laikinę-erdvinę skaitmeninių signalų komutaciją, pvz., T-S-T(Time- Space-Time) laikinė-erdvinė-laikinė; T-S, S-T-S, T-S-S-S-T ir kt. Kanalų komutacijos pagrindiniai požymiai: - informacija įtraukiama į ciklo fiksuotos trukmės laiko intervalą; - yra išskirtas kanalas tarp vartotojų; - kiekvienas komutuojamas kanalas cikle užima vieną arba kelis laiko intervalus; - maršrutizuojamas keičiant laiko intervalo padėtį cikle; - fiksuota komutuojamų kanalų perdavimo sparta (64 kbps, nx64 kbps, 2 Mbps,…); - vartotojai siunčia ir priima informaciją ta pačia bitų sparta; - nėra klaidų taisymo procedūros; - tinka perduoti kalbą ir vaizdą 52 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.7.5. Paketų komutacija Pradedant šio amžiaus šeštuoju dešimtmečiu, kanalų komutacijos tinklais pradėta plačiai perdavinėti duomenis. Duomenų srautai tinkluose priklauso nuo galinių įrenginių tipo: - interaktyvūs (dialoginiai) įrenginiai (klausimas-atsakymas); - paketinio atsakymo įrenginiai (siunčiama daug duomenų paketų viena kryptimi, o atsakymo paketai gana trumpi). Pirmasis įrenginių tipas reikalauja trumpo atsakymo laiko (lygaus sujungimo laikui, jei po kiekvieno siuntimo būtinas sujungimas). Kompanijos šiai problemai išspręsti nuomoja ryšio linijas (sujungimas pastovus visą laiką). Tokio ryšio kanalo pasirinkimas labai brangus ir neoptimalus, nes duomenys ne visą laiką siunčiami, taigi didelio pralaidumo kanalas neišnaudojamas iki galo. Kanalas būtų žymiai efektyviau panaudotas, jei vartotojas prisijungtų prie kanalo tik tuo metu, kai siunčiami duomenys. Taip gimė paketinio komutavimo idėja (3.46 pav.). Komutatorius Vartotojo informacija n baitų (oktetų) Antraštė 6.46 pav. Informacija paketams komutuoti yra antraštėje Paketinės komutacijos atveju vartotojo informacija (pranešimas) skaidoma į paketus. Paketai formuojami iš baitų (8 bitų grupių). Mažiausi paketai turi keletą vartotojo informacijos baitų, o didesni – šimtus ir tūkstančius baitų. Paketų struktūra nustatyta priklausomai nuo naudojamos tinkle technologijos tipo, pvz., ITU-T X.25 rekomendacija. Duomenų paketus sudaro paketo antraštė, apimanti adresinę bei valdymo informaciją, ir vartotojo siunčiami duomenys arba signalizacijos informacija. Pakete gali būti ir kitokios paskirties informacijos: klaidų taisymo, retransliavimo ir t.t. Patekęs į tinklo mazgą, paketas įrašomas į buferį, perskaitoma jo adresinė dalis ir jis toliau siunčiamas adresatui(ams) (mazgui(ams)). Paketinio komutavimo atveju konkrečiam vartotojui nėra reikalo išskirti atskirą bei nuolatinį ryšio kanalą. Vartotojo siunčiamai informacijai perduoti gali prireikti siauros, plačios arba kintamo pločio dažnių juostos. Paketinės komutacijos atveju, jei adresatą aptarnaujantys kanalai užimti, informacijos paketai kaupiami buferyje, todėl paketinė komutacija sąlygoja informacijos vėlinimą. Paketinis komutavimas geriau panaudoja žemesnės kokybės ryšio kanalą. Perdavimo metu ryšio kanale atsiradusios klaidos koreguojamos, persiuntimo stotyse retransliuojant paketus. Paketų pakartotinis perdavimas sąlygoja papildomą informacijos vėlinimą. Dėl informacijos perdavimo vėlinimo paketinis komutavimas ribotai gali būti naudojamas perduot garso, vaizdo ar kitai informacijai, kuri labai jautri signalų vėlinimui, tačiau šis komutacijos būdas puikiai tinka įvairių tipų duomenims perduoti. Informacijos vėlinimo problema sėkmingai sprendžiama, suteikiant vartotojui būtiną perdavimo spartą. 53 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Komutavimas grindžiamas adreso įtraukimu į paketą A vartotojas B vartotojas C vartotojas Imtuvas 3.47 pav. Paketinė komutacija Jei siuntėjas duomenis siunčia didesne sparta nei priėmėjas gali ją priimti, tada akivaizdu, kad ribotos talpos buferis persipildys. Šioje situacijoje siuntėjui perduodamas pranešimas “Nutraukti siuntimą, kol priėmėjas priims perduotą duomenų porciją”. Vadinasi paketinio komutavimo tinkle vartotojai, dirbantys skirtingomis duomenų perdavimo spartomis, gali palaikyti ryšį vieni su kitais. Tai pagrindinis paketinės komutacijos tinklų privalumas palyginti su grandinių komutacijos tinklais. Analogišku paketiniam komutavimui būdu į įstaigą patenka laiškas. Laiškanešys (perdavimas) įdeda laišką (paketus) į laiškų dėžutę (buferį). Administratorius (kompiuteris), kuris perskaito laiško adresą, įdeda laišką į gavėjo laiškų dėžutę (priėmimo įrenginį). Jei gavėjas nepriklauso šiam padaliniui (mazgui), administratorius deda laišką į kito padalinio pašto dėžutę ir leidžia laiškui keliauti toliau į kitą padalinį (kitą mazgą). Paketinio komutavimo tinklas gali būti: - orientuotas į sujungimus; - neorientuotas į sujungimus(3.48 pav.). Tinkle sudarant sujungimą, visi paketai perduodami tuo pačiu tinklo maršrutu. Informacijos perdavimas šiame tinkle skirstomas į tris fazes: - sujungimo sudarymas; pirmas paketas turi pilnutinį galinį adresą; adresinė informacija priimama kiekviename tinklo mazge, ir taip tarp tinklo vartotojų sudaromas virtualusis loginis ryšio kanalas; - duomenų siuntimas; siunčiant paketus nurodomas tik loginio kanalo numeris; kiekvienas mazgas atpažįsta loginį kanalą pagal jo numerį ir siunčia juo duomenų paketus; - išjungimas; pasiunčiamas pašalinantis loginio kanalo numerį LCN (Logical Channel Number) “Stop” pranešimas; kiekviename mazge pašalinami LCN įrašai; taip tinkle išardomas prieš tai sudarytas virtualusis kanalas. Tinkle nesudarant sujungimo, perduodami duomenų paketai visada pasirenka tinkamiausią maršrutą tinkle. Informacijos perdavimas apima tik vienintelę fazę: - duomenų siuntimas; kiekvienas paketas turi visą informaciją apie galinį adresą, todėl tinklo mazgai nukreipia paketus adresatui pagal iš anksto numatytą maršrutizavimo protokolą. 54 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Sudarant sujungimą: -sujungimo sudarymas, -duomenų perdavimas, -atjungimas. Nesudarant sujungimo: -duomenų perdavimas. LCN - loginio kanalo numeris LCN LCN LCN LCN LCN A vartotojas B vartotojas 3.48 pav. Informacijos perdavimas, sudarant sujungimą ir jo nesudarant Dėl skirtingo paketų vėlinimo laiko skirtinguose tinklo maršrutuose paketai gali būti priimami ne eilės tvarka. Taigi priėmimo įrenginyje turi būti numatyta galimybė grąžinti perduotų paketų eiliškumą. Paketinio perdavimo procesas parodytas 8.20 pav. Paketinio komutavimo tinklo mazgas turi vieną ar kelis kompiuterius su didelėmis atmintimis (paketų buferiais) įėjimo ir išėjimo paketams. Kompiuteris atlieka skirstytuvo funkciją - ateinantį paketą pagal jo adresą nukreipia į reikiamo išėjimo buferį (8.21 pav.). Paketinio komutavimo pagrindiniai bruožai: - kintamas paketų dydis; - gerai panaudojamas didelio pralaidumo kanalas; - sujungimui orientuotas arba neorientuotas kanalas; - komutavimas atliekamas, remiantis adresu, esančiu paketo antraštėje; - didelis patikimumas, retransliuojant paketus tinkle iš mazgo į mazgą; - kintamas paketų vėlinimo laikas dėl perdavimui naudojamų buferių ir paketų retransliacijos; - tinka duomenims ir vaizdams perduoti; - siųstuvas ir imtuvas gali veikti skirtingomis bitų perdavimo spartomis. 3.7.6. ATM ląstelių komutacija ATM ląstelių komutacijos atveju paslaugoms su skirtingomis charakteristikomis informacija gali būti perduota vienu tinklu nepriklausomai nuo reikalingos dažnių juostos pločio (3.51 pav.). Ląstelių komutacijos pavyzdys yra ATM (Asynchronous Transfer Mode – asinchroninis perdavimo būdas). Tai supaprastintas paketinės komutacijos atvejis, neatliekant tikrinimo kiekviename komutavimo punkte. Perdavimo būdas apima ląstelių transportavimo, multipleksavimo bei komutavimo procesus. 55 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 DGĮ A DKM Vilnius 901 DKM Kaunas DKM Šiauliai DGĮ B 901 8 1 3 8 1 3 Įėj. Išėj. A ab., 901 Kaun., 813 A ab., 901 Kaun., 813 Įėj. Išėj. Viln., 813 Šiaul., 782 Viln., 813 Šiaul., 782 Įėj. Išėj. Kaun., 901 B ab., 991 Kaun., 782 B ab., 991 7 8 2 7 8 2 991 991 Viln. Vilnius Kaun. Kaunas Šiaul. Šiauliai Loginio kanalo numeris Loginio kanalo numeris Kryptis Naudinga informacija DGĮ - duomenų galinis įrenginys DKM - duomenų komutacijos mazgas 3.49 pav. Loginiai paketinio duomenų perdavimo kanalai 3 2 1 S u ju n g im o su d a ry m a s 3 2 1 P a tv irtin im a s 1 2 3 Iša rd y m a s Pabaiga DGĮ-B DGĮ-A 3.50 pav. Paketinio perdavimo procesas 56 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Buferis įėjimo paketams Centrinės valdymo funkcijos (kompiuteris) Išėjimo buferis Išėjimo buferis Išėjimo buferis Išėjimo buferis Įėjimo grandys Išėjimo grandys 3.51 pav. Paketinio komutatoriaus struktūra ATM komutacija funkciniu požiūriu labai panaši į sujungimą ,sudarant paketų komutaciją. Pagrindinis skirtumas – komutacijos sparta. Taigi ATM komutaciją galima vadinti greita paketų komutacija. Tai pasiekiama, supaprastinus perduodamų informacijos paketų tikrinimą, t.y. įvertinus patikimą informacijos perdavimą, atsisakoma kontrolės tinklo atkarpose. Priimtos informacijos tikrinimo procedūra atliekama abonento galiniuose įrenginiuose. Siunčiama informaciją eina į ląsteles. Ląstelės fiksuoto 53 baitų ilgio. Penki baitai skirti antraštei (header), o likusieji 48 baitai - vartotojo informacijai perduoti. Antraštė turi informacija “Kur aš esu ir kur vykstu”. Skirtingų šaltinių skaitmeninė informacija (3.52 pav.), perduodama kintamąja ar pastoviąja bitų sparta, arba bitų pliūpsniais, įtraukiama į ATM ląsteles, po to multipleksuojamos ląstelės sukuria ATM ląstelių srautą, nukreipiamą į perdavimo kanalą. ATM komutatorius AT AT AT Duomenų laukas Antraštė Garsas Duomenys Vaizdas AT – ATM terminalas Antraštė Ląstelės 3.52 pav. Ląstelių srautas iš įvairių šaltinių į ATM komutatorių ATM ląstelių perdavimo kanalai paprastai yra STM-1,4,16 (Synchronous Transfer Mode) sinchroninio perdavimo būdo sistemos. Skirtingų tipų šaltinių informacija perdavimo kanale užima siauresnę ar platesnę dažnių juostą, todėl kanalo pralaidumą galima naudoti lanksčiai. Nepanaudoti kanale ląstelėms skirti laiko intervalai užpildomi tuščiomis celėmis. Ląstelės tinkle netikrinamos ir maršrutizuojamos iki pat galinio paskirties punkto, naudojant adreso informaciją, esančią kiekvienos celės antraštėje. Priėmimo punkte visoms ATM ląstelėms pašalinus antraštes, jose esanti vartotojo informacija sujungiama, ir tokiu būdu grąžinamas pradinis šaltinio skaitmeninės informacijos srautas. ATM komutatoriuje į įėjimą patenkančios ląstelės siunčiamos iš vieno įėjimo loginio kanalo į vieną ar keletą išėjimo loginių kanalų. 57 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Loginio kanalo numeris LCN (Logical Channel Number) identifikuojamas dviem požymiais: - VPI (Virtual Path Identifier) – virtualaus kelio identifikatoriumi; - VCI (Virtual Channel Identifier) - virtualaus kanalo identifikatoriumi. Iš pradžių komutatoriuje nuskaitytas LCN konvertuojamas į naująjį LCN. Naujasis LCN maršrutizuoja ląstelę į reikiamą išėjimo grandį (mazgą) (3.53 pav.). Šis VCI/VPI pakeitimas atliekamas naudojant maršrutizavimo lenteles, esančias kiekviename komutacijos mazge (8.24 pav.). Įrašymas į maršrutizavimo lenteles atliekamas, sudarant sujungimą, kada valdymo informacija perduodama signalizacijos kanalu. Komutatoriuje iškyla sunkumų, kai du ar daugiau įėjimų tuo pačiu momentu siunčia ląsteles tam pačiam išėjimui. Tada galima panaudoti išėjimų buferius, kuriuose vienu metu atėjusios ląstelės saugomos prieš jas išsiunčiant į išėjimą. Išėjimo buferių naudojimas sukuria kintamąjį ląstelių vėlinimą komutatoriuje. Esant ribotos talpos buferiams, kartais buferis perpildomas ir ląstelės prarandamos. Ląstelėms pašalinti iš buferio ląstelių antraštėje saugoma informacija apie ląstelių praradimo prioritetą CLP (Cell Loss Priority). 15* 10* 26* B vartotojas A vartotojas Komutavimas paremtas loginio kanalo numeriu LCN ATM celių antraštėje (maršrutizavimo lentelės yra komutatoriuje) * =Loginio kanalo numeris; = ATM komutatorius. 3.53 pav. ATM komutacijos principas SC 0 n A informacija 15 B informacija 32 B informacija 2 A informacija 10 12 6 .. .. 15 LCN - loginio kanalo numeris SP - komutatoriaus prievadas (pakeisti LCN ) SC - komutatorius (pakeisti fizinei grandžiai) 32 LCN 6 0 .. .. n 0 Iš. gr. N 45 3 .. .. 10 2 naujas LCN SP SP 0 n Maršrutizavimo lentelė Išėjimo grandys 3.54 pav. ATM komutatorius Pagrindinis ATM privalumas tas, kad leidžia naudoti esamas ir būsimas skirtingas paslaugas viename tinkle. 58 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Paprastas, fiksuotas ląstelių struktūros ilgis leidžia naudoti aparatūrinį komutavimą pagal ląstelių antraštę. Skirtingai negu kiti telekomunikacijų standartai, ATM numato efektyviai panaudoti kanalo pralaidumą. Nepanaudotas kanalo pralaidumas tinka kitoms paslaugoms realizuoti. 3.7.7. Etaloninis OSI modelis OSI modelio pagrindinis tikslas – atvirų sistemų (tokia sistema gali būti duomenų perdavimo tinklas) sąveikos standartų paruošimas. Jis nurodo tik būtinų uždavinių atlikimo schemą, bet konkretaus aprašymo neduoda. Protokolai ir taisyklės paruošti atsižvelgiant į OSI modelį apibrėžtai technologijai. OSI lygiai gali būti realizuojami dviem būdais: programiškai arba panaudojant aparatūrą (fizinis ir kanalinis lygiai realizuojami abiem būdais, kiti penki – programiškai). Septintas lygis aptarnauja vartotoją. Kiekvienas kompiuteris talpina 7 lygius. Ryšys sudarytas tarp dviejų kompiuterių vartotojų, paveiksle pažymėtų X ir Y. Jei X vartotojas nori nusiųsti pranešimą Y vartotojui, tam reikalingas taikymo lygis ( 7 lygis ). Septintas lygis sudaro tokį pat ryšį su gavėjo kompiuterio septintu lygiu, naudodamas septinto lygio protokolą. Šis protokolas reikalauja šešto lygio paslaugų, tad du šešto lygio komponentai naudoja savo protokolus ir taip einant žemyn link fizinio lygio, kuris faktiškai siunčia bitus perdavimo terpe. Paveikslas taip pat iliustruoja ir kiekvieno lygio protokolų realizavimo būdą. Kai X vartotojas turi nusiųsti pranešimą Y vartotojui, jis perduoda tuos duomenis taikymo lygio moduliui. Šis modulis prideda duomenims taikymo antraštę. Antraštė talpina kontrolinę informaciją, reikalingą tam pačiam lygiui kitoje pusėje. Pirminiai duomenys kartu su antrašte siunčiami kaip paraiška ir perduodami kaip duomenų blokas į šeštą lygį. Pateikimo modulis traktuoja visą bloką kaip duomenis ir prideda savo antraštę. Šis procesas tęsiamas žemyn per antrą lygį, kuris paprastai prideda ir antraštę, ir galūnę. Šis antro lygio protokolo duomenų blokas paprastai vadinamas kadru ir perduodamas fizinio lygio perdavimo terpe. Kai gavėjo kompiuteris priima kadrą, įvyksta atvirkštinis procesas. Kylant lygiais aukštyn, kiekvienas lygis nuima tolimesnę antraštę, imasi čia patalpintos protokolo informacijos ir perduoda likutį į viršų sekančiam lygiui. 3.55 pav. OSI sistemos aplinka 59 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.7.8. Protokolai ir sąsajos Perduodant pranešimus ir siuntėjas, ir gavėjas turi laikytis tam tikrų taisyklių. Pavyzdžiui, jie turi suderinti elektrinių signalų lygius ir formą, susitarti dėl kontrolės metodų ir t.t. Protokolais vadinamos taisyklės, kurios apibrėžia pranešimų eiliškumą ir formatą viename lygyje. Visuma protokolų vadinama komunikacinių protokolų steku. Kai kompiuterinės sistemos vartotojui teikia daug paslaugų, daugiau kaip vienas protokolas reikalingas užtikrinti šias funkcijas. Reikalingas susitarimas apibrėžti, kaip skirtingi sistemų protokolai sąveikauja vienas su kitu aptarnaujant galutinį vartotoją . Šis susitarimas yra nurodomas keletu pavadinimų: tinklo architektūra, komunikacijų architektūra ar kompiuterio komunikacijų architektūra. Dauguma sistemų realizuojamos naudojant sluoksninius protokolus. OSI modelyje žemesnis sluoksnis laikomas paslaugos aprūpintoju sluoksniui esančiam virš jo (18.1 pav.). Aukštesnis lygis yra laikomas paslaugos vartotoju, kurią teikia žemesnis lygis. Paslaugos vartotojas siunčia paslaugos tiekėjui protokolą. Šis protokolas informuoja tiekėją apie paslaugos prigimtį. OSI modelis aprašo informacijos perdavimą per tinklą nuo vienos vartotojo programos viename kompiuteryje iki kitos programos kitame kompiuteryje. Persiunčiamoji informacija praeina pro visus lygius nuo viršaus. Kiekvienas lygis gali realiai sąveikauti tik su gretimais lygiais (viršutiniu ir apatiniu), virtualiai – tik su atitinkamais lygiais kitame linijos gale. Realią sąveiką reikia suprasti kaip tiesioginę sąveiką, betarpišką informacijos perdavimą, pvz.: operatyvinės atminties duomenų persiuntimas iš vienos programos srities į kitos programos sritį. Betarpiško persiuntimo eigoje duomenys lieka nepakitę. Virtuali sąveika – čia duomenys perdavimo metu gali tam tikru iš anksto nustatytu būdu pasikeisti. Tik fiziniuose įvairių sistemų lygmenyse įmanomas tiesioginis informacijos apsikeitimas. Informacijos pro sistemą praėjimo metu jos forma keičiasi. Ji tampa patogesnė perdavimui fiziniais ryšio kanalais. Prie pasikeitusios informacijos pridedama antraštė su adresu, nurodančiu adresatą. Gavėjui priėmus informaciją, ji vėl praeina pro visus lygius į viršų. Praėjimo metu informacija vėl atgauna pradinį pavidalą. Duomenys, praeinantys pro lygius turi apibrėžtą formatą. Pranešimas sudarytas iš antraštės ir informacinės dalies. Konkretus formatas priklauso nuo lygio, kuriame jis tuo metu yra, funkcionalinės paskirties. Pavyzdžiui, tinkliniame lygmenyje duomenų blokas sudarytas iš tinklinio adreso ir duomenų. Tinklinio lygio duomenys savo ruožtu turi turėti aukštesnių lygių antraštes. Reikia paminėti, kad ne visi lygiai privalo turėti antraštes. Paprastai, kai kurie lygiai, vykdo gautų duomenų formato keitimą. Vieno mazgo gretimų lygių protokolai sąveikauja vienas su kitu pagal atitinkamas taisykles. Šias taisykles reikia vadinti sąsaja. Sąsaja apibrėžia eilę taisyklių, kurias apatinis lygis suteikia viršutiniam. OSI modelyje yra du pagrindiniai protokolų tipai: 1. Protokoluose su sujungimo nustatymu prieš perduodant duomenis siuntėjas ir gavėjas turi nustatyti sujungimą ir išrinkti protokolą, kuriuo bus naudojamasi. Po dialogo užbaigimo sujungimas išardomas. 2. Protokolai be išankstinio sujungimo nustatymo. Tokie protokolai vadinami deitograminiais protokolais. Siuntėjas tiesiog perduoda pranešimą, kada jis paruoštas. Pranešimas, paruoštas perdavimui, praeina pro visus lygius nuo viršaus. Kiekviename lygyje pranešimas įgauna papildomą tarnybinę informaciją (antraštę), reikalingą sujungimo nustatymui. Kai pranešimas pasiekia fizinį lygmenį, jis perduodamas ryšio linijomis. Gavimo vietoje vyksta atvirkštinis procesas. Pranešimas persislenka į viršų nuo lygmens į lygmenį. Kiekviename lygyje 60 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 vyksta informacijos apdorojimas ir antraštės panaikinimas. Tarp sąveikaujančių įrenginių dažnai būna įvairių tipų tarpiniai įrenginiai. 3.7.9. OSI modelio lygių paskirtis OSI modelio lygių funkcijos gali būti priskirtos vienai iš dviejų grupių: arba funkcijoms, priklausomoms nuo konkrečios tinklo realizacijos, arba funkcijoms, orientuotoms darbui su priedais. Trys žemesnieji lygiai – fizinis, kanalinis ir tinklinis, kaip taisyklė, priklauso nuo tinklo: atitinkami protokolai tampriai susiję su tinklo technine realizacija ir komunikacinių įrenginių naudojimu. Trys aukštesnieji lygiai – seansinis, pateikimo ir taikymo dirba su priedais ir mažai priklauso nuo tinklo įrengimo ypatumų. Šių lygių protokolams neturi įtakos jokie tinklo topologijos pakeitimai, įrenginių pakeitimas ar perėjimas į kitą tinklinę technologiją. Transportinis lygis yra tarpinis. Jis atskiria viršutinio lygio funkcijas nuo apatinio. Tai leidžia sukurti priedus, kurie nepriklauso nuo pranešimo transpartavimo techninio būdo. Kompiuteris, kuriame įdiegta tinklinė OC, protokolų pagalba gali bendradarbiauti su kitu kompiuteriu visais septyniais lygiais. Kompiuteriai bendradarbiauja per įvairius komunikacinius įrenginius: koncentratorius, modemus, tiltus, komutatorius, maršrutizatorius, multipleksorius ir t.t. 3.1 lentelė. OSI modelio lygiai Lygis Raktinis žodis Duomenys Atsakomybė Taikymo Paskirstymas Pranešimai Pateikia tinklines paslaugas. Pateikimo Formatavimas Paketai Duomenų ir failų transliacija Duomenų kodavimas Duomenų suspaudimas Seansinis Dialogas Paketai Sesijos valdymas Dialogas Klaidų kontrolė Tranzakcijos apdorojimas Nutolusių procedūrų RPC iššaukimų palaikymas Transportinis Patikimumas Segmentai, deitogramos, paketai Perdavimo patikimumas Užtikrintas pristatymas Aukštesnio lygio sesijos multipleksavimas Tinklinis Deitograma Deitograma Loginių adresų maršrutizacija Maršrutizavimo lentelių sudarymas ir priežiūra Duomenų surinkimas ir fragmentavimas Neorientuotas į sujungimą ir nenaudingas pristatymas Kanalinis Kadrai Kadrai, paketai Galutinis pristatymas pagal įrenginio fizinį adresą Kadrų sinchronizacija Priėjimas prie perdavimo terpės Fizinis Bitai Bitai Bitų sinchronizacija Analoginė arba skaitmeninė signalizacija Elektrinė ir mechaninė specifikacija 61 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.2 lentelė. OSI lygių paslaugos ir protokolai Lygis Apibrėžimas Protokolai Paslaugos Interfeisas Taikymo Tiekia paslaugas OSI aplinkos vartotojams; pvz.,failo perdavimo protokolas, tinklo valdymas. Nustatomas operacinės sistemos Multimedia, pranešimų perdavimo sistema Vartotojo ir programinis Pateikimo Atlieka daugiausia naudingus duomenų pakeitimus,siekiant aprūpinti standartizuotą vartotojo interfeisą ir tiekti įprastas ryšių paslaugas; pvz:. kodavimą, teksto suspaudimą. NCP, NetBIOS, NetBEUI, FTP, NFS Multimedia Programinis Seansinis Atlieka ryšių tarp vartotojų valdymą; nustato, valdo, ir apriboja seansus tarp bendradarbiaujančių vartotojų. SPX, NetBIOS, NetBEUI, SMTP, FTP - Programinis Transportinis Tiekia patikimą, atvirą duomenų perdavimą tarp galinių taškų; atlieka end- to-end klaidų aptikimą ir srauto valdymą. TCP, SPX TCP/IP Programinis Tinklinis Aprūpina aukštesnius lygius nepriklausomai nuo duomenų perdavimo ir komutacinių tecnologijų, panaudotų sistemos apjungimui; atsakingas už ryšių nustatymą, valdymą, ir apribojimą. IP, IPX, ISDN, ARP, X.25 ISDN, SMDS, ATM AAL, IP, X.25 Programinis Kanalinis: LLC IEEE 802.2 LLC, PPP, HDLC, SDLC, X.25, Frame Relay ATM, Frame Relay, PPP, X.25 Programinis Kanalinis Atlieka patikimą duomenų perdavimą fiziniu lygiu; siunčia kadrus su būtina sinchronizacija, klaidų kontrole, ir srautų valdymu. Kanalinis: MAC FDDI, SMDS ATM, FDDI Ethernetas, FDDI, Token Ring Fizinis Rūpinasi nestruktūrizuoto bitų srauto perdavimu fizine grandimi; apima tokius parametrus kaip signalo voltažo svyravimo amplitudę ir bitų trukmę; nagrinėja mechanines, elektrines, ir veikimo charakteristikas, siekiant sukurti, valdyti ir deaktivuoti fizinę grandį. DS0, DS1, DS3 DS0, DS1, DS3 Koaksialinis kabelis, vyta pora, optinis kabelis 62 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.7.10. Duomenų perdavimo tinklų architektūra Pirmieji LAN tinklai atsirado IBM kompanijoje, nes ten reikėjo prieigos prie bendrų resursų. Iš pradžių buvo apie 10 tūkst. skirtingų tipų skirtingais protokolais dirbančių tinklų. Kadangi tinklus reikia jungti tarpusavyje, tai jie turi dirbti pagal tuos pačius protokolus. Todėl skirtingų struktūrų tinklų sumažėjo ir liko tik apie dešimt. Kompiuterių sujungimas į tinklą vadinamas topologija. Tinklo topologija - tai jo fizinė schema, kuri atvaizduoja mazgų, serverių ir sujungimų padėtį. Lokalus tinklas - tai kompiuterių tinklas, kuris sutelktas nedidelėje teritorijoje, t.y. kelių kilometrų spindulio teritorijoje. Žodžiu, lokalus tinklas dažniausiai formuojamas vienoje organizacijoje arba jos padaliniuose ir skirtas surinkti ir apdoroti tos organizacijos duomenis. Lokalinio tinklo galimybės ir reikšmingumas didėja priklausomai nuo personalinių kompiuterių kokybės ir jų paplitimo. Dar neseniai duomenų perdavimo kanalų greitaeigiškumas buvo viena iš svarbiausių lokalinio tinklo skiriamųjų savybių. Pirminė lokalinių tinklų perdavimo sparta buvo nuo 1 iki 16 Mb/s ir tai buvo daug didesnė nei globalių tinklų. Dabartinių lokalių tinklų spartas siekia 100Mb/s. Tokie tinklai yra 100VG-AnyLan, Fast Ethernet, FDDI, kurių perdavimo sparta 100 Mb/s. Didelė sparta lokaliuose tinkluose pasiekiama dar ir dėl to, kad maksimaliai supaprastinta maršruto parinkimo procedūra, komutacija ir tarpinis informacijos laikymas mazguose. Lokalaus tinklo pagalba galima naudotis bendrais duomenų failais ir programomis, lengvai komunikuoti vienas su kitu LAN tinkle elektroniniu paštu ir kt. Lokalius tinklus galima klasifikuoti pagal įvairius kriterijus, bet svarbiausia yra konfigūracija (topologija). Kiekviena topologija turi savo teigiamas ir neigiamas savybes, todėl lyginant ir renkantis optimaliausią tinklo struktūrą reikia nuspręsti, pagal kokį kriterijų rinksimės geriausią tinklo topologiją. O kriterijai gali būti: - realizavimo galimybės; - kaina; - pakankama sparta; - kuo mažiau jautri perkrovoms. LAN klasifikacija Galima išskirti tris pagrindines tinklo topologijas: 1) šynos; 2) žvaigždės; 3) žiedo. Šynos topologija. Šynos topologija dažniausiai instaliuojama nedideliuose, paprastuose arba laikinuose tinkluose. Šynos architektūrą matome 3.56 paveiksle. 3.56 pav. Šynos topologijos tinklas Darbo principas. Tipiniuose tinkluose su šynos topologija kabelis turi vieną arba daugiau porų laidų, o signalo stiprinimo arba jo perdavimo aktyvios schemos nuo vieno kompiuterio iki kito nėra. Todėl šynos topologija vadinama pasyvia. Kai vienas kompiuteris siunčia signalą kabeliu, šią informaciją gauna ir visi kiti mazgai, bet tik vienas iš jų (adresas, sutampantis su adresu, užkoduotu pranešime) priima tą informaciją. Visi kiti pranešimą atmeta. 63 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Kiekvienu laiko momentu siųsti pranešimą gali tik vienas kompiuteris , todėl įjungtų į tinklą kompiuterių skaičius įtakoja jo greitaeigiškumą. Prieš duomenų perdavimą kompiuteris turi laukti šynos palaisvinimo. Šie faktoriai taip pat veikia ir žiediniame, ir žvaigždiniame tinkluose. Dar vienas faktorius yra galo apkrova. Kadangi šynos topologija yra pasyvi, elektrinis signalas iš perduodančiojo kompiuterio laisvai keliauja visu kabeliu. Be apkrovos signalas pasiekia kabelio galą, atsispindi ir grįžta atgal. Toks aido atspindys ir signalo klajojimas kabeliu pirmyn ir atgal vadinamas užsiciklinimu. Kad išvengti tokio atvejo, prie abiejų kabelio galų prijungiama galo apkrova (terminatoriai). Terminatoriai sugeria elektrinį signalą ir neleidžia jam atsispindėti. Taigi, šynos sujungime yra būtina apkrova. Šynos topologijos privalumai yra šie: - ji gerai dirba nedideliuose tinkluose, lengvai naudojama ir aiški; - šyna reikalauja mažiau kabelio kompiuterių sujungimui ir todėl yra pigesnė nei kitų topologijų sujungimai; - šynos topologiją lengva išplėsti. Du segmentus galima sujungti cilindriniu sujungėju BNC į vieną ilgą kabelį. Tai leidžia įjungti į tinklą papildomus kompiuterius; - šynos topologijos išplėtimui galima naudoti kartotuvus. Kartotuvas sustiprina signalą ir leidžia jį perduoti didesniu atstumu. Šynos topologijos trūkumai yra šie: - intensyvus tinklo trafikas žymiai sumažina tokio tinklo našumą. Kadangi bet kuris kompiuteris gali perduoti duomenis bet kuriuo laiko momentu, ir daugelyje tinklų jie nekoordinuoja tarpusavyje perdavimo momentų, todėl šynos topologijoje su dideliu skaičiumi kompiuterių, įrenginiai dažnai pertraukia vienas kitą ir nemaža dalis pralaidumo (informacijos perdavimo galia) juostos dingsta veltui. Prijungus papildomai prie tinklo kompiuterių ši problema dar labiau paaštrėja; - kiekviena jungtis silpnina elektrinį signalą, didelis jų skaičius trukdys informacijos perdavimui šyna ; - tinklą su šynos topologija sunku tikrinti. Kabelio nutrūkimas arba vieno iš kompiuterių neteisingas darbas gali būti priežastis, kad kiti mazgai negalės bendradarbiauti vienas su kitu. Tokiu atveju visas tinklas tampa nedarbingas. Žvaigždės sujungimas. Žvaigždės topologijoje visi kabeliai eina į kompiuterį iš centrinio mazgo, kur jie jungiami į koncentratorių (hub), tai matome 3.57 paveiksle. Koncentratorius 3.57 pav. Žvaigždės sujungimas Žvaigždės sujungimas naudojamas sutelktuose tinkluose, kuriuose galiniai taškai pasiekiami iš centrinio mazgo. Tai neblogai tinka tais atvejais, kai numatytas tinklų plėtimas ir reikalingas aukštas patikimumas. 64 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Žvaigždės topologijos darbo principas. Kiekvienas kompiuteris tinkle bendradarbiauja su centriniu koncentratoriumi, kuris perduoda pranešimą visiems kompiuteriams (žvaigždiniame tinkle su plačiajuosčiu perdavimu) arba tik kompiuteriui-adresatui (komutuojamame žvaigždiniame tinkle). Aktyvus koncentratorius regeneruoja elektrinį signalą ir siunčia jį visiems pajungtiems kompiuteriams. Tokio tipo koncentratorių dažnai vadina daugiaporčiu kartotuvu (multiport repeater). Aktyvių koncentratorių ir komutatorių darbui reikalingas maitinimas iš tinklo. Pasyvūs koncentratoriai, pvz., komutacinė kabelinė panelė arba komutacinis blokas, veikia kaip sujungimo taškas, kuris nei stiprina, nei regeneruoja signalą. Tokie įtaisai elektros maitinimo nereikalauja. Žvaigždės tipo tinklo realizacijai galima naudoti kelių tipų kabelius. Hibridinis koncentratorius leidžia naudoti viename žvaigždiniame tinkle skirtingus kabelių tipus. Jeigu reikia tokį tinklą praplėsti, tai vietoje vieno iš kompiuterių galima įjungti papildomą koncentratorių ir prie jo prijungti papildomus kompiuterius. Taip sujungiamas žvaigždinis hibridinis tinklas. Koncentratorius Koncentratorius Koncentratorius Koncentratorius 3.58 pav. Hibridinė žvaigždės topologija Žvaigždės topologijos tinklo privalumai: - tokio tinklo labai paprasta modifikacija ir lengvai prijungiami papildomi kompiuteriai, nepažeidžiant likusio tinklo. Užtenka nutiesti naują kabelį nuo kompiuterio iki centrinio mazgo ir prijungti jį prie koncentratoriaus. Jeigu centrinio koncentratoriaus galimybės bus išnaudotos, tereikia pakeisti jį įtaisu su didesniu portų skaičiumi; - žvaigždės tinklo centrinį koncentratorių patogu naudoti diagnostikai. Intelektualūs koncentratoriai (įtaisai su mikroprocesoriais, pridėtais tinklinių signalų kartojimui) gali vykdyti monitoringą ir valdyti tinklą; - vieno kompiuterio sugedimas nebūtinai daro įtaką visam tinklui. Koncentratorius gali izoliuoti tokį kompiuterį arba tinklinį kabelį, kas leidžia likusiam tinklui tęsti darbą; - viename tinkle gali būti naudojami kelių tipų kabeliai (jeigu juos leidžia naudoti koncentratorius). Žvaigždės topologijos tinklo trūkumai: 65 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - sugedus centriniam koncentratoriui visas tinklas tampa nedarbingu; - daugelis žvaigždės topologijos tinklų centriniame mazge naudoja įtaisus, kurie skirti plačiajuosčių pranešimų retransliacijai arba tinklinio trafiko komutacijai; - visi kompiuteriai turi būti sujungti su centriniu tašku, o tai reikalauja didesnio kabelio kiekio, todėl tokie tinklai yra brangesni nei tinklai su kitokiomis topologijomis. Žiedo topologijos tinklai. Žiediniame tinkle kiekvienas kompiuteris sujungtas su sekančiu, o paskutinis su pirmu (18.6 pav.). Žiedo topologija naudojama ten, kur reikalingas tam tikros dalies pralaidumo juostos rezervavimas (pvz., video ir audijo perdavimo), aukštos kokybės tinkluose, o taip pat esant dideliam skaičiui besikreipiančių į tinklą klientų (tai reikalauja jo aukšto pralaidumo). 3.59 pav. Žiedo topologijos schema Žiedo topologijos tinklo darbo principas. Žiedo topologijos tinkle kiekvienas kompiuteris sujungtas su kitu kompiuteriu, retransliuojančiu tą informaciją, kurią jis gauna iš pirmo kompiuterio. Todėl esant tokiai retransliacijai tinklas yra aktyvus ir nėra problemos, kad bus pamestas signalas skirtingai nei šynos topologijos tinkluose. Be to nesant galo žiedo topologijoje, nereikia ir jokios galinės apkrovos. Kai kuriuose tinkluose su žiedo topologija naudojamas estafetinio perdavimo metodas. Specialus trumpas pranešimas – markeris cirkuliuoja žiedu, kol kompiuteris nepanorės perduoti informacijos kitam mazgui. Jis modifikuoja markerį, prideda elektroninį adresą ir duomenis, o po to pasiunčia jį į žiedą. Kiekvienas iš kompiuterių paeiliui gauna duotąjį markerį su pridėta informacija ir perduoda toliau kaimyniniam kompiuteriui, kol elektroninis adresas nesutampa su kompiuterio- gavėjo adresu arba markeris negrįžta siuntėjui. Kompiuteris gavęs pranešimą, grąžina siuntėjui atsakymą, patvirtinantį, kad siuntimas priimtas. Tada siuntėjas sukuria dar vieną markerį ir siunčia jį į tinklą, kas leidžia kitai stotelei pasigauti markerį ir pradėti perdavimą. Markeris cirkuliuoja žiedu, kol kuri nors iš stotelių nebus pasiruošusi perdavimui ir jo nepasigaus . Visi šie veiksmai vyksta labai dažnai: markeris gali pereiti žiedą, kurio diametras 200 m. apie 10000 kartų per sekundę. Kai kuriuose dar greitesniuose tinkluose cirkuliuoja iškart keletas markerių. Kitose tinklinėse aplinkose naudojami du žiedai su markerių cirkuliacija priešingomis kryptimis (3.60 pav.). Tokia struktūra leidžia egzistuoti tinklui, nors kas nors ir sugenda. (3.61 pav.). 66 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.60 pav. Markerių cirkuliacija, kai visos stotys veikia 3.61 pav. Markerių cirkuliacija, kai viena stotis neveikia Žiedo topologijos tinklo privalumai: - kadangi visi kompiuteriai gali vienodai prieiti prie markerio, todėl nei vienas iš jų negali monopolizuoti tinklo; - bendras tinklo naudojimas mažina tinklo našumą, jei padidėja tinklo vartotojų skaičius ir perkrovos (geriausia, kad tinklas dirbtų ir toliau, nors ir lėtai, nei iš karto atsisakytų). Žiedo topologijos tinklo trūkumai: - sugedus vienam kompiuteriui tinkle, tai gali įtakoti viso tinklo darbingumui; - žiedo topologijos tinklą sunku diagnozuoti; - norint prijungti arba pašalinti kompiuterius iš tinklo, reikia išardyti tinklą. Mišrios topologijos. Šiandien galime sutikti tinklų, kuriuose derinami šynos, žvaigždės ir žiedo topologijos. Pateiksime dvi labiausiai paplitusias kombinacijas. Žvaigždės-žiedo topologija. Žvaigždės-žiedo topologijoje tinkliniai kabeliai tiesiami analogiškai žvaigždiniam tinklui, bet centriniame koncentratoriuje realizuojamas žiedas. Su vidiniu koncentratoriumi galima sujungti išorinį, tuo pačiu išplečiant vidinio žiedo kilpą. 67 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.63 pav. Žvaigždės – žiedo topologija Šynos-žvaigždės topologija. Šynos-žvaigždės topologija yra šynos ir žvaigždės tinklų kombinacija, sujungiant keletą koncentratorių šynos magistralėmis. Jei vienas iš kompiuterių atsisako, koncentratorius gali išaiškinti atsisakiusį mazgą ir izoliuoti nepataisomą kompiuterį. Sugedus koncentratoriui, su juo sujungti kompiuteriai negali susisiekti su tinklu, o šyna pasidalina į du nesujungtus vienas su kitu segmentus. Koncentratorius Koncentratorius Koncentratorius 3.62 pav. Šynos – žvaigždės topologija LAN tinklų architektūrų palyginimas. 68 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Topologija Privalumai Trūkumai Šynos topologija Reikalauja nedaug kabelio. Palyginus pigi ir nesudėtinga. Aiški, patikima, lengvai išplečiama. Intensyvus tinklo trafikas žymiai sumažina tinklo našumą. Sunku tikrinti. Kabelio nutrūkimas sustabdo daugelio vartotojų darbą. Žiedo topologija Visi kompiuteriai turi vienodą priėjimą prie tinklo.Vartotojų skaičius nedaro didelės įtakos tinklo našumui. Vieno kompiuterio sugedimas gali įtakoti viso tinklo darbingumą. Sunku diagnozuoti iškilusias problemas. Tinklo konfigūracijos pakeitimas reikalauja viso tinklo sustabdymo. Žvaigždės topologija Lengvai prijungiami kompiuteriai, neišardant viso tinklo. Centrinė kontrolė ir valdymas. Vieno kompiuterio sugedimas neturi įtakos tinklo darbingumui. Sugedus centriniam koncentratoriui visas tinklas tampa nedarbingu. 3.7.11. Srautų susiejimas duomenų perdavimo tinkluose Egzistuojant skirtingoms duomenų perdavimo technologijoms atsiranda būtinybė suderinti šias technologijas tarpusavyje tam, kad būtų galima perduoti duomenis skirtingų technologijų tinklais. Skirtinguose tinkluose gali skirtis signalizacija, paketų dydžiai, antraštės ir pan. Tačiau dabar mes nagrinėsime tik asinchroninių ir sinchroninių srautų susiejimo metodus ir palyginsime juos tarpusavyje. Srautų susiejimo klausimai dažniausiai kyla, kai mes norime perduoti asinchroninį srautą naudodami SDH (Synchronous Digital Hierarchy) sistemą. Tai mums dažniausiai reikalinga, kai norime perduoti asinchroninį srautą dideliais atstumais optiniu kabeliu, kuriuose dažniausiai naudojami STM srautai. Šis susiejimas yra atliekamas specialiuose susiejimo įrenginiuose. Bendru atveju ryšys tarp dviejų vartotojų pavaizduotas 3.64 pav. Vartotojas A Vartotojas B Susiejimo įrenginys Susiejimo įrenginys Kanalas 3.64 pav. Nedetalizuota ryšio schema su susiejimo įrenginiais Gali būti tokio tipo srautai: 1. Asinchroninis srautas. 2. Startstopinis srautas. 3. Sinchroninis srautas. Asinchroninis srautas. Mes nežinome nei siuntos pradžios momento 0 t , nei pabaigos momento p t . Taip pat nežinome impulso ir pauzės trukmių. Tačiau žinome perdavimo spartą. t 3.65 pav. Asinchroninis srautas Kartu su naudinga informacija yra perduodama ir papildoma (tarnybinė) informacija, todėl maksimali informacijos perdavimo sparta 69 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 min . inf max 1 t v = < s v , čia s v – informacijos perdavimo sparta. Startstopinis srautas. Pranešimo pradžią žymi “START” signalas, o pabaigą – “STOP”. Nors tokio tipo srautas yra tarpinis tarp sinchroninio ir asinchroninio tipo srautų, tačiau jis yra priskiriamas prie asinchroninių srautų. Tai vienas iš asinchroninių srautų tipų. t Stop Start 3.66 pav. Startstopinis srautas 3.66 pav. pavaizduotu atveju naudingos informacijos perdavimo sparta būtų lygi v v ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 8 5 inf , čia v – pranešimo perdavimo sparta. Sinchroninis srautas. Mes žinome pranešimų pradžią ir pabaigą. Tam reikalingas sinchronizacijos įrenginys. Sinchroniniai signalai charakterizuojami impulso trukme t ir perdavimo sparta v . t 3.67 pav. Sinchroninis srautas Srautų susiejimo metodai Yra keletas srautų susiejimo metodų, tačiau dažniausiai yra aptariami keturi metodai: 1. Uždėjimo metodas. 2. Slenkančio kodavimo metodas. 3. Vokų panaudojimo metodas. 4. Atminties įrenginių panaudojimo metodas (paketiniame perdavime). Uždėjimo metodas. Uždėjimo metodas – tai pats seniausias ir paprasčiausias srautų susiejimo metodas, kuris dabar nebenaudojamas. Šio metodo esmė ta, kad impulsinė kanalo nešančioji yra moduliuojama perduodamu asinchroniniu signalu (amplitudinės impulsinės moduliacijos principas). Perduodamas pranešimas tarsi uždedamas ant impulsinės nešančiosios. Taigi, pranešimo perdavimo metu į kanalą patenka impulsinės nešančiosios paketas, jei yra impulsas ir nepatenka nieko, jei nėra impulso. Priėmimo pusėje yra atkuriamas pasiųstas paketas. Uždėjimo metodas pavaizduotas 3.68 pav. Jei nėra užlaikymo tinkle, tai atstatymo tikslumas bus At. 70 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 t A t 0 t linijoje asinchroninis informacinis signalas sinchroninės sistemos taktiniai impulsai atstatytas t t t At 3.68 pav. Uždėjimo metodas Atstatymo paklaida skaičiuojama pagal tokią formulę: o o s i o o v v t 100 100 0 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ A = t o , čia i v – informacijos perdavimo sparta, o s v – impulsinės nešančiosios sparta. Iš šios formulės matome, kad atstatymo paklaida mažės didėjant taktinių impulsų dažniui (mažėjant t A ) arba didėjant asinchroninių impulsų signalo trukmei ( ) 0 t . Pavyzdžiui, turime 64 kb/s kanalą. Norėdami gauti 1% atstatymo paklaidą, maksimalus pralaidumas būtų tik 0,64 kb/s. Uždėjimo metodo privalumai: - super paprastas metodas; - kanalas nedeterminuotas (skaidrus), t.y. galime keisti perdavimo spartą. Uždėjimo metodo trūkumai: - maža perdavimo sparta; - prastai išnaudojamas kanalas. Šis metodas buvo naudojamas tik fizinėse grandinėse. Slenkančio kodavimo metodas. Šis metodas pastaruoju metu nėra labai populiarus. Jis naudojamas organizuojant nuo kodo nepriklausančius kanalus, siekiant geresnio sinchroninių kanalų pralaidumo, su užsiduotais iškraipymais. Esmė ta , kad į imtuvą reikia perduoti siuntos pradžią ir jos ženklą. Iš aukščiau nagrinėto uždėjimo metodo žinome, kad šoniniai iškraipymai priklauso tik nuo 0 t ir t A . Jei trukmę tarp impulsinės nešančiosios impulsų padalintume į n zonų ir siuntos pradžią fiksuotume vienoje iš šių zonų, tai šoninius iškraipymus galime sumažinti n kartų. Tuomet o o s i n v v 100 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = o . Jei dvejetainiu kodu koduotume n zonas ,tai mums reikėtų ( ) n k 2 log = elementų. Tam n yra parenkamas kartotinis dviem, nes kai 2 = n , perduodant informaciją apie zonos numerį, reikės vieno nešančiosios impulso, o kai 4 = n , reikės dviejų. Naudojant šį susiejimo metodą, iš anksto turi būti susitartas kodavimas. 3.68 pav. pateiktame pavyzdyje buvo naudotas toks kodavimas: - 1 skaitmuo parodo ar buvo frontas (“1” – buvo frontas, “0” nebuvo fronto) - 2 skaitmuo parodo, koks perėjimas (“1” – perėjimas 0÷1,“0” – perėjimas 1÷0) - 3-4 parodo zoną (I zona – “00”, II – “01”, III – “10”, IV – “11”) 71 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 informacinis impulsas t t t t t 0 TI-1 TI-2 t At linija priimta 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 3.69 pav. Slenkančio kodavimo metodas Mūsų nagrinėjamu atveju kanalo pralaidumas turi būti 8 kartus (2*4) didesnis už informacijos perdavimo spartą. Paklaida būtų lygi o o t t 25 , 6 100 16 0 0 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ A A = o . Slenkančio kodavimo metodo privalumai: - didesnis perdavimo greitis lyginant su uždėjimo metodu; - nesudėtingai realizuojamas aparatūriškai. Slenkančio kodavimo metodo trūkumai: - viena klaida siųstuve iššaukia kelias klaidas priėmimo trakte; - šis kanalas nepilnai skaidrus (negalim keisti t 0 ). Vokų panaudojimo metodas. Šio metodo esmė – asinchroninio srauto dėjimas į vokus. ITU (International Telecommunication Union) yra standartizavusi du šio metodo variantus: 1. Srautų apjungimas panaudojant 8 bitų vokus (X.50 rekomendacija). 2. Srautų apjungimas panaudojant 10 bitų vokus (X.51 rekomendacija). Vokai skirti asinchroniniam srautam įvesti į IKM srautą. X.50 ir X.51 rekomendacijos aprašo įprastinių spartų sudarymą ir grupavimą į minimalų 64 kb/s srautą. Informacija imtuve priimama sinchroniškai. Informaciniame lauke informacija siunčiama skirstant nuo aukščiausios iki mažiausios spartos (surandant skaitmeninio kanalo dedamųjų spartų bendrą kartotinį daliklį). X.50 rekomendacija. Pagal X.50 rekomendaciją elementai apjungti į 8 bitų vokus, 64 kb/s sraute bus išdėstyti tokia tvarka: - 12,8 kb/s srautas pasikartos kas 5 voką; - 6,4 kb/s srautas pasikartos kas 10 voką; - 3,2 kb/s srautas pasikartos kas 20 voką; 72 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - 800 b/s srautas pasikartos kas 80 voką. 8 bitų voko struktūra pateikta 3.70 pav. F 2 3 4 5 6 7 S 3.70 pav. 8 bitų voko struktūra Čia F – fazavimo bitas, S – status bitas (indikuoja ar šis vokas yra užimtas), 2-7 – informaciniai bitai. Tokios struktūros 64kb/s kanalo pralaidumas lygus ( ) s kb C / 48 64 8 6 = = . Tokio kanalo naudingumo koeficientas o o o o 75 100 64 48 = = q . Šių dviejų papildomų bitų atsiradimas iššaukia bitų perdavimo spartos padidėjimą 33%. Todėl kanalo sparta turėtų būti: - 9,6 kb/s duomenų signalizacijai – 12,8 kb/s; - 4,8 kb/s duomenų signalizacijai – 6,4 kb/s; - 2,4 kb/s duomenų signalizacijai – 3,2 kb/s; - 600 b/s duomenų signalizacijai – 800 b/s. Rekomenduojama multipleksavimo struktūrą sudaryti iš 80 vokų. Pirmi 80 bitų yra fazavimo bitai, iš kurių 72 bitai yra informaciniai, o likę 8 – generuojantis polinomas 1 + x 4 + x 7 , kurio reikšmė “1001101” (2.71 pav.). Grupė iš keturių vokų surenkama į kanalą, sudarant 32 bitų grupę, kur yra 24 informaciniai bitai (trys informaciniai P,Q,R baitai). pirmas bitas A 1 0 0 0 1 1 1 1 1 B 1 0 0 0 0 1 1 1 0 C 1 1 1 0 0 1 0 1 1 D 0 1 0 0 1 0 0 0 0 E 0 1 0 0 0 1 0 0 1 F 0 0 0 1 0 1 1 1 0 G 0 1 1 0 1 1 0 0 0 H 0 1 1 0 0 1 1 0 1 generuojantis polinomas 3.71 pav. Fazavimo informacija A bitas skirtas pranešti apie gautą iš tolimojo galo aliarmo signalą, B, C, D,E, F, G, H – rezervuoti perduoti kitokiai informacijai 73 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.3 lentelė. Keturių vokų po 8 bitus grupavimas F P1 P2 P3 P4 P5 P6 S A 8 bitų A vokas F P7 P8 Q1 Q2 Q3 Q4 S B 8 bitų B vokas F Q5 Q6 Q7 Q8 R1 R2 S C 8 bitų C vokas F R3 R4 R5 R6 R7 R8 S D 8 bitų D vokas S A , S B , S C – naudojami informacijai apie sujungimų sudarymą. S D – naudojamas 4 vokų išlyginimui. 8 bitų vokų grupavimas po 4 vokus yra atliekamas kanalo pagrindu. Pavyzdžiui, apjungiant 12,8 kb/s srautus į 64 kb/s srautą, gautume tokią struktūrą (3.72 pav.). 3.72 pav. 12,8 kb/s srauto apjungimas į 64 kb/s srautą X.51 rekomendacija. Pagal X.51 rekomendaciją multipleksavimo struktūra turėtų turėti 60 kb/s spartą. 10 bitų voko struktūra pateikta 3.73 pav. S A 3 4 5 6 7 8 9 10 3.73 pav. 10 bitų voko struktūra Čia S – status bitas, A – voko išlyginimo bitas, 3-10 – informaciniai bitai. Šių dviejų papildomų bitų atsiradimas iššaukia bitų perdavimo spartos padidėjimą 25%. Todėl kanalo sparta turėtų būti: - 9,6 kb/s duomenų signalizacijai – 12,0 kb/s; - 4,8 kb/s duomenų signalizacijai – 6,0 kb/s; - 2,4 kb/s duomenų signalizacijai – 3,0 kb/s; - 600 b/s duomenų signalizacijai – 750 b/s. Pagal X.51 rekomendaciją elementai apjungti į 10 bitų vokus, 60 kb/s sraute bus išdėstyti tokia tvarka: - 12,0 kb/s srautai pasikartos kas 5 voką; - 6,0 kb/s srautai pasikartos kas 10 voką; - 3,0 kb/s srautai pasikartos kas 20 voką; 74 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - 750 b/s srautai pasikartos kas 80 voką. Norint 60 kb/s srautą perduoti per 64kb/s liniją, likę 4 kb/s naudojami kaip užpildymo bitai, kurie įstatomi po kiekvienos pagrindinio srauto 15 bitų kombinacijos. Užpildymo bituose įrašoma fazavimo kombinacija ir kita tarnybinė informacija (18.21 pav.). 3.74 pav. Kadro struktūra Ciklą sudaro 4 subkadrai (240 vokų) po 640 bitų. 160 bitų – užpildymo bitai. Todėl iš kadrą sudarančių 2560 bitų, informaciją perneša tik 2400 bitai. X yra išlyginimo bitas, todėl jį naudojant kadro dydis – 2560 ± 1 bitai (kadro paderinimui). Informacinio kanalo pralaidumas ) / ( 48 64 2560 1920 s kb C = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = . Naudingumo koeficientas o o o o 75 100 64 48 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = q . Naudojant 10 bitų vokus yra įvedama kontrolinė suma. Naudojant 8 bitų ir 10 bitų vokus, kanalas yra skaidrus (ribojama tik maksimali perdavimo sparta). Atminties panaudojimo metodas. Multipleksuojant žemesnės hierarchijos srautus į aukštesnės hierarchijos, multipleksuojamas signalas į multipleksorių patenka tokia sparta, kurią apsprendžia taktiniai (įrašymo) impulsai. Grupiniame signale kiekvienam multipleksuojamam signalui skiriama didesnė sparta, įvertinant didžiausią taktinių impulsų spartos nuokrypį. Taigi, tokio dažnio nukrypimo atveju multipleksuotame signale atsiranda neužpildyti taktiniai intervalai, kurie užpildomi staffing signalais. Šie signalai priėmimo trakte išmetami (3.75 pav.). 75 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 T iš šaltinio kanale 3.75 pav. Staffing signalų panaudojimas Tarkim, vienu laiko momentu 0 t taktinių impulsų ir informacijos taktų pradžios sutampa. Kadangi s i V V 〈 , tai fazinis poslinkis per laiką T pasieks tokį momentą, kai atsiras papildomas taktinis impulsas. Šis taktas priėmimo pusėje įvestų klaidas. Dėlto jis užpildomas specialia kodine kombinacija. Tai bus teigiamas stafingas. Kai s i V V 〉 , tai gaunamas neigiamas stafingas. Tada speciali kodinė kombinacija siunčiama papildomu kanalu. Kai pasirenkamas s i V V = ir turime nestabilų dažnių svyravimą (Vi < Vs arba Vi > Vs ) tada gauname tiek teigiamą, tiek neigiamą stafingą. Atminties panaudojimo metodas taikomas perduodant paketus. Atmintys naudojamos ne tik esant perdavimo spartų skirtumui, bet ir buferizuojant paketus, t.y. esant susigrūdimams kuriame nors tinklo mazge. Tuomet paketas yra įrašomas į atmintį, o pasilaisvinus mazgui išsiunčiamas toliau. Norint tik apjungti srautus, atminties dydis neturi būti labai didelis. Tačiau buferizuojant paketus, yra naudojamas didesnis atminties kiekis, kuris priklauso nuo perdavimo spartos ir kitų tinklo parametrų. 3.7.12. SCADA sistema SCADA sistemos – tai duomenų surinkimo, stebėjimo, kontrolės ir valdymo programinė sistema. Duomenys yra surenkami nuotoliniu būdu, panaudojant GSM, GPRS, Interneto, laidinį telefono ryšį ir pan. arba tiesiogiai prisijungus prie objekto. Gali būti naudojamos: elektros energijos pramonėje, naftos perdirbimo pramonėje, šilumos ūkio srityje, vandens ūkio srityje, chemijos pramonėje, maisto perdirbimo pramonėje, gyvenamųjų namų, viešosios ir administracinės paskirties pastatų telemetrijai. Veiklos kryptys SCADA srityje: duomenų surinkimo bei technologinių objektų dispečerinio valdymo sistemos (SCADA sistemos); pastočių valdymo sistemos ( PVS ); relinių apsaugų bei automatikos sistemos. Šiuo metu Lietuvoje yra įdiegiamos rajoninėse dispečerinėse sistemos (SCADA):. Realizuodami tokius projektus kompanijos specialistai pastoviai susiduria su įvairių firmų aparatūros apjungimo bei suderinimo uždaviniais ir sėkmingai juos sprendžia SCADA aparatūros apjungimo su relinėm apsaugom sprendimais. Pastotės automatizavimo sistemose be relinių apsaugų sistemų ir automatikos taip pat integruojamos ir pastočių bei transformatorių valdymo sistemos. 76 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.76 pav. Rajono SCADA sistemos pavyzdys, panaudojan radijo ryšį 3.77 pav. Rezervuotos SCADA sistemos schema, panaudojant radijo ryšį bei su integruotomis relinėmis apsaugomis ir transformatorių valdymu Dvi SCADA sistemos elektrinėse: Kruonio hidroakumuliacinėje elektrinėje (HAE) ir Kauno HE taip pat trys PVS 330 KV pastotėse. 77 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.78 pav. Kruonio HAE SCADA sistemos, komunikacijų schema panaudojant optikos dubliavimą rezervuotą aparatūrą (schemoje neparodyta) SCADA ir PVS sistemos, diegiamos, kaip bazę gali naudoti aparatinius serijos D 200™, D 20™, D 25™ ir iBOX™ ištieklius. Be to, Lietuvoje kuriant SCADA sistemas būtinas reikalavimas yra momentinių rodmenų (galių, srovių, įtampų) iš komercinės apskaitos prietaisų (skaitiklių) nuskaitymas į sistemą. 3.79 pav. Dispečerinio skydo su informacijos iš SCADA sistemos išvedimu pavyzdys. Objektų valdymo ir stebėjimo sistemos (SCADA) SCADA sistema naudoja duomenų perdavimo kanalus – GSM ir Ethernet tinklais, tai leidžia teikti paslaugą praktiškai neribotose teritorijose. Kadangi visuose lygiuose naudojamos standartinės sąsajos ši sistema gali būti jungiama su kitomis sistemomis ataskaitų pateikimui, vizualizavimui gali būti naudojamos įprastos programos – MS Excel, XML sistemos ir kt. Paveikslėlyje schematiškai pavaizduota duomenų surinkimo architektūra: 78 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.80 pav. Objektų valdymo ir stebėjimo sistema Visa sistema susideda iš dviejų pagrindinių dalių – duomenų surinkimo bei valdymo įrenginių ir telemetrinės tarnybinės stoties. Duomenų surinkimo ir valdymo sistema suprojektuota taip, kad galėtų būti naudojama įvairiose veiklos srityse, kuriose reikalingas stebėjimas arba valdymas per atstumą. Tai gali būti pavieniai objektai arba objektų grupės, kuriuos reikia valdyti ir stebėti iš vieno centro, dispečerinės arba mobilaus telefono. Sistema leidžia optimaliai išnaudoti kompanijos resursus mažinant kaštus žmogiškiesiems ištekliams, kurui ir įrangos eksplotacijai. Kadangi objekto ar jų grupės būklė stebima realiu laiku, o esant kritinėms būklėms apie įvykį pranešama SMS žinute, e-paštu, objektų remontas arba aptarnavimas gali būti vykdomas tik tada kai to reikia. Tokiu būdu kompanijos resursai naudojami optimaliai – tik tada kai to reikia ir tokie kokie reikia. Sistemos pritaikymas: Pastatų energetikoje: šilumos/šalto vandens/šalčio skaitiklių nustatymas, vandens pakėlimo siurblinių stebėjimas/valdymas; Įvairių sistemų valdymas: vartų atidarymas, įjungti/išjungti lauko ar vidaus apšvietimą, nustatyti pageidaujamą patalpų temperatūrą, priklausomai nuo temperatūros, drėgmės, vandens lygio ar kitų daviklių parodymų įjungti/išjungti kondicionavimo, ventiliacijos sistema, jas valdyti; Pardavimų automatams: duomenys kaupiami telemetrinėje tarnybinėje stotyje, o analizė pateikiama Web puslapyje. Susidarius kritinei situacijai – pasibaigus produktams, išlaužus aparatą arba sugedus aparatui apie įvykį pranešama atsakingam asmeniui SMS arba e-pašto pagalba. Šaldytuvų kontrolei: pranešimai atsakingiems darbuotojams apie įvykusią avariją arba sutrikimą. Per atstumą, nevykstant į patį objektą, galimybė pakeisti reikiamą temperatūrą ir t.t. Sistemos pritaikymas įvairiose srityse: sprendimai vandentvarkai, katilinės ir šilumos tinklai, vandentiekis, nuotekos 79 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.10. Ryšio linijos ir sistemos elektros tinklų automatikoje RL gali būti skirstomos pagal žemiau pateiktą schemą. RL Laidinio ryšio Radijo ryšio P a l y d o v i n i s R a d i j o r e l i n i s R a d i j o B i r s u p e r l . K L O R L O K K K S K 3.81. pav. RL skirstymas RL gali būti radijo ryšio ir laidinio ryšio. Savo ruožtu radijo ryšio linijos dar skirstomos į: radijo linijas; radijo relinio ryšio; palydovines. Laidinio ryšio skirstomos į: orines ryšio linijas; kabelines; bangolaidines. Kabelinės ryšio linijos būna: simetrinės; bendraašės (koaksialinės); optinės. Radijo ryšiui naudojamos ilgos (IB), vidutinės (VB), trumpos (TB) bangos. IB driekiasi nuo 10 3 iki 10 5 Hz, VB - nuo 10 5 iki 10 6 Hz, TB - nuo 10 6 iki 10 7 Hz. Naudojant radijo ryšį jis užtikrinamas dideliais atstumais. Radijo ryšio trūkumas – nedidelis kanalų skaičius, mažas atsparumas trukdžiams. Radijo relinės linijos dirba UTB diapazone (10 8 - 10 12 Hz), t.y. tiesioginio matomumo zonoje. RRL sudaryta iš grandinės retransliatorių, kurie įrengiami maždaug kas 50 km. RRL pagalba galima sudaryti (30-1920) kanalų pluoštą. Jų trūkumas – mažas atsparumas trukdžiams. Jos plačiausiai naudojamos televizijoje, radijofikacijoje bei ryšiuose. Palydovinės linijos naudoja UTB. Jos dirba su palydoviniu retransliatoriumi. PL užtikrina daugiakanalį ryšį labai dideliais atstumais. Geostacionarus palydovas yra 36.000 km aukštyje ir sukasi Žemės greičiu. Vadinasi, trijų palydovų pagalba galima aprėpti visą žemės rutulį. Palydovinės linijos naudojamos televizijai perduoti bei ryšiui ir navigacijai. Laidinio ryšio linijos – tai orinės linijos, simetriniai ir bendraašiai kabeliai. Jomis energija perduodama laidininkų poromis. Jų darbo dažnis driekiasi nuo kilohercų iki dešimčių megahercų. Kabelinės linijos (KL) gerai apsaugotos nuo trukdžių. Labiausiai paplitę simetriniai ir bendraašiai kabeliai. Orinės linijos dar kai kur naudojamos kaimo ryšiui. Jomis ryšys nepastovus, turi įtakos atmosferiniai veiksniai. Bangolaidinės linijos ir superlaidūs kabeliai dažniausiai naudojami specialiai paskirčiai ir nėra labai paplitę. Atskirai reikėtų pakalbėti apie optinius kabelius (OK). Jais energija perduodama lazerio išspinduliuotos šviesos pagalba. OK darbo diapazonas - i = (0,8 ÷ 1,6) µm. Tai šiuo metu perspektyviausi kabeliai ir gana plačiai naudojami. Jų privalumai: nėra metalų; maža masė; maži gabaritai; gerai apsaugoti nuo pašalinių poveikių. 80 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Reikalavimai ryšio linijoms Reikalavimai RL gali būti formuluojami šie: ryšio užtikrinimas bet kokiais atstumais; plačiajuostiškumas, kad būtų galima perduoti įvairią informaciją (televizinę, telefoninę, duomenis); gera apsauga nuo tarpusavio ryšio ir išorės trukdžių šaltinių, nuo žaibo ir korozijos; stabilūs parametrai ir patikimas ryšys; didelis ekonomiškumas. Įvertinant šiuos reikalavimus RL vystymosi tendencijos būtų tokios: vystoma tokių kabelių gamyba, kuriais galima būtų perduoti didelius srautus informacijos, televiziją dideliais atstumais panaudojant vienkabelinę ryšio sistemą; platus OK panaudojimas, kas užtikrina didelį kanalų skaičių ir deficitinių medžiagų nebuvimą; šiuolaikinių geresnių izoliacinių medžiagų panaudojimas, kas leidžia užtikrinti geresnes kabelių charakteristikas; gerai ekranuotų, patikimai apsaugotų nuo išorinių poveikių kabelių gamyba; elektriškai atsparių kabelių gamyba. Ryšio kabelių skirstymas ir žymėjimas Kabelis sudarytas iš tarpusavyje susuktų izoliuotų laidininkų ir patalpintų po bendru drėgmę nepraleidžiančiu apvalkalu. Ant apvalkalo viršaus uždedamas šarvas, kuris apsaugo kabelį nuo mechaninių poveikių. Šiuolaikiniai kabeliai skirstomi pagal: paskirtį; panaudojimo sritį; eksploatacijos sąlygas; darbo dažnį; konstrukciją; izoliacijos tipą; laidininkų susukimą; apsauginių dangų rūšį. Pagal panaudos sritį RK skirstomi į : magistralinius; zoninius; kaimo; miesto; povandeninius. Pagal eksploatacijos sąlygas RK skirstomi į: požeminius; povandeninius; pakabinamus; kabelius, kurie klojami kanalizacijoje. Pagal darbo dažnį RK skirstomi į: žemo (toninio) dažnio; aukšto dažnio, kai kHz f 12 〉 . Pagal konstrukciją kabeliai skirstomi į: simetrinius; bendraašius. Simetrinė grandinė sudaryta iš dviejų visiškai vienodų izoliuotų laidininkų. Bendraašė pora sudaryta iš dviejų koncentriškai patalpintų vienas kito viduje ir izoliuotų laidininkų. Kabelių izoliacija būna: popierinė-orinė; kordelinė-popierinė; kordelinė-stirofleksinė (polistirolinė); ištisinė polietileninė; akyta polietileninė; diskinė; kita. Pagal naudojamą susukimo būdą kabeliai būna porinio, dvigubo porinio, žvaigždės, aštuoniukės susukimo. Kabelių apvalkalai būna metaliniai (Pb, Al, Fe), plastmasiniai (polietileniniai, polivinilchloridiniai), metalo-plastmasiniai (alpet, stalpet). Pagal šarvų tipą kabeliai esti su juostiniais ir vieliniais šarvais. Pagal apsauginių dangų rūšį kabeliai būna su džiuto ir plastmasine danga. Kabelių pagrindiniai elementai Kabelių laidininkai privalo turėti didelį laidumą, lankstumą ir mechaninį atsparumą. Laidininkams pagaminti naudojamas varis arba aliuminis. Varis naudojamas atkaitintas, kad būtų minkštesnis. Kabeliams naudojami variniai laidininkai, kurių diametras būna 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 mm. Tarpmiestinių kabelių laidininkų diametras būna 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4 mm. Aliumininių gyslų diametras būna 1,15; 1,55; 1,8 mm. Taip pat naudojami laidininkai sudaryti iš daugelio plonų gijų. Tokie laidininkai naudojami bendraašių kabelių vidiniais laidininkais. O išoriniais tarnauja variniai ar aliuminiai ištisiniai cilindrai (3.82 pav.) arba gali būti pynutės pavidalo. Plačiausiai bendraašiuose kabeliuose naudojamas taip vadinamas žaibo tipo išorinis laidininkas. 81 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.82 pav. Išoriniai laidininkai Laidininkų izoliacijos medžiaga privalo turėti geras ir stabilias elektrines charakteristikas, turi būti lanksti, mechaniškai atspari. Izoliacijos elektrinės savybės charakterizuojamos: pramušimo įtampa U, specifine varža p, dielektrine skverbtimi r, nuostolių kampu tgo. Geriausiomis savybėmis pasižymės izoliacija, kurios r ÷ 1, p ÷ ~, tgo ÷ 0. Geriausiai šiuos reikalavimus tenkina oras. Tačiau vien iš oro izoliacijos pagaminti neįmanoma. Todėl kabelių izoliacija yra kombinuota, kai panaudojamas ir oras, ir kietas dielektrikas. Pastarojo turi būti minimalus kiekis. Paskutiniu metu plačiai izoliacinėmis medžiagomis naudojami polimerai. Svarbiausias parametras yra tgo. Pavyzdžiui, jei darbo dažnis siekia 1 MHz, tai popierinės - kordelinės izoliacijos tgo = 400 x 10 -4 , o polietileno 5 x 10 -4 . Šiuo metu laidininkų izoliacijai plačiai naudojamos polimerinės medžiagos bei popierius. Sutinkami tokie kabelių izoliacijų tipai: vamzdelinė, kuri gaminama iš popierinės arba plastmasinės juostos ir užvyniojama ant laidininko (3.83 pav.); 3.83 pav. Vamzdelinė izoliacija kordelinė, sudaryta iš kordelio siūlo užvynioto tiesiog ant laidininko. Ant siūlo viršaus vyniojama juosta ( 3.84 pav.); 3.84 pav. Kordelinė izoliacija ištisinė, kuri gaminama iš plastmasės (3.85 pav.); 3.85 pav. Ištisinė izoliacija akyta, gaminama iš putų plasto; baloninė, kuri turi plastmasinio vamzdelio formą. Jo viduje talpinamas laidininkas. Tas vamzdelis tam tikrais atstumais yra suspaudžiamas (3.86 pav.); 3.86 pav. Baloninė izoliacija 82 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 diskinė, kuri gaminama izoliacinių diskų formos, kurie užmaunami ant laidininko (3.87 pav.). 3.87 pav. Diskinė izoliacija Šiandieną labiausiai paplitę šie tipai: Kabelių laidininkai yra susukami tam, kad jie nekeistų savo padėties, sumažėtų tarpusavio ryšiai. Naudojami tokie gyslų susukimo būdai: porinis susukimas (П), kai tarpusavyje susukamos dvi gyslos. Susukimo žingsnis būna nedidesnis kaip 300 mm; ketveriukės arba žvaigždės susukimas (З). Susukamos keturios gyslos, kurių susukimo žingsnis lygus 150÷300 mm. Telefoniniam pokalbiui naudojamos priešpriešiais besirandančios gyslos (ab ir cd 3.88 pav.); c a d b 3.88 pav. Ketveriukės susukimas Ekonomiškiausias ir stabiliausias yra aštuoniukės susukimas. Jis naudojamas tarpmiestiniuose ryšio kabeliuose. Porinis susukimas yra paprasčiausias ir naudojamas gaminant miesto tipo kabelius. Kiti susukimai beveik nenaudojami. Kabelio šerdis formuojama iš susuktų į grupes laidininkų. Tos grupės atitinkamai suskirstomos ir talpinamos kabelio šerdyje. Formuojant kabelio šerdį naudojamas sluoksninis ir pluoštinis susukimas. Esant pluoštiniam susukimui pirmiausiai padaromi pluoštai naudojant aukščiau minėtus susukimus. Tuose pluoštuose būna po keliasdešimt grupių (50, 100). Po to pluoštai susukami tarpusavyje. Pluoštinis susukimas naudojamas žemo dažnio miesto kabeliuose (3.89 pav.). 3.89 pav. Pluoštinis susukimas Tolimojo ryšio šiuolaikiniuose kabeliuose naudojamas sluoksninis susukimas. Grupės išdėstomos koncentriškais apskritimais. Gretimi sluoksniai susukami priešingomis kryptimis (3.90 pav.). 83 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.90 pav. Sluoksninis susukimas Suformuota šerdis apjuosiama juostine izoliacija ir talpinama į hermetinį apvalkalą, kuris apsaugo laidininkus nuo drėgmės ir mechaninių poveikių. Apvalkalai būna: metaliniai, plastmasiniai, metaloplastmasiniai. Metaliniai apvalkalai gaminami iš švino, aliuminio, geležies. Populiariausi aliuminio apvalkalai, kurie yra lengvi, pigūs ir gerai ekranuoja laidininkus. Tačiau aliuminis neatsparus elektrocheminiam veikimui. Todėl ant jo dar dedamas polietileninis vamzdis. Geležies apvalkalai daromi gofruoti, kad būtų lankstesni. Apsaugai nuo korozijos jie padengiami polietileniniu vamzdžiu ir bitumo sluoksniu. Šie apvalkalai yra pigiausi. Plastmasiniai apvalkalai atsparūs drėgmei, korozijai, yra lengvi, lankstūs. Tačiau ilgainiui per plastmesę į kabelio vidų difunduoja vandens garai, dėl to sumažėja izoliacijos varža. Kombinuoti apvalkalai – tai Alpet, Stalpet, Svipet, kurie sudaryti iš aliuminio, geležes, švino ir polietileno. Plačiausiai paplitę aliuminio ir geležies apvalkalai padengti polietileno vamzdžiu. 3.10.1. Fiziniai procesai optinėje gijoje Aprašant fizinius procesus, vykstančius optinėje gijoje, pagrindiniai medžiagos parametrai dielektrinė skverbtis r ir magnetinė skverbtis µ pakeičiami lūžio rodikliu n rµ = n . Medžiagos, iš kurių gaminamos optinės gijos, yra nemagnetinės, todėl 1 = µ ir r = n . Remiantis optikos dėsniais lūžio rodiklis nustatomas santykiu v 0 c n = , čia 0 c - šviesos greitis vakuume, v - optinio signalo greitis medžiagoje. Visada lūžio rodiklis 1 f n , nes optinio signalo greitis vakuume yra didesnis už optinio signalo greitį medžiagoje. 3.91 pav. parodyti pagrindiniai optinio signalo spindulių keliai ties dviejų medžiagų skiriamąja riba. a atveju c O O p , todėl spindulys praeina skiriamąją ribą. Tuo atveju galioja Šnelio dėsnis d = O sin sin 2 1 n n . b atveju spindulys sklinda dviejų medžiagų skiriamąja riba ( ) 1 sin = d ir 1 2 sin n n c = O , čia ( ) 1 2 arcsin n n c = O yra kritinis kampas. c atveju gaunamas pilnas atspindys, nes c O O f . Šiam atvejui Šnelio dėsnis negalioja. 84 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 1 n 1 n 2 n 2 n 2 n 1 n d d û û û û c û ) a ) b ) c 3.91 pav. Optinio signalo keliai ties dviejų medžiagų skiriamąja riba, kai 2 1 n n f Tuo atveju, kada medžiaga, kurios lūžio rodiklis 1 n , yra apribota iš abiejų pusių kita medžiaga, kurios lūžio rodiklis 1 2 n n p , gauname atspindžius nuo abiejų skiriamųjų ribų (5.2 pav.) û û û û 1 n 2 n 3.92 pav. Spindulio kelias tarp dviejų skiriamųjų ribų Telekomunikacinėse sistemose naudojama optinė gija yra sudaryta iš šerdies ir apvalkalo. Šerdies lūžio rodiklis 1 n savo skaitine reikšme visuomet yra didesnis už apvalkalo lūžio rodiklio 2 n reikšmę. Optinis signalas tokioje gijoje gali sklisti taip, kaip parodyta 3.93 pav. 1 n 2 n 3.93 pav. Signalo sklidimas optine gija Spindulys, kuris sutampa su ašine linija arba yra jai lygiagretus, optinės gijos gale pasirodys anksčiausiai. Spindulys, kuris nuo šerdies ir apvalkalo skiriamosios ribos atsispindės daugiausia kartų, optinės gijos gale pasirodys vėliausiai. Tokiu būdu optinė gija perduodant impulsinius signalus jie bus iškraipyti (3.94 pav.). Pasiųsti į optinę giją stačiakampės formos signalai optinės gijos viduryje gali įgauti 85 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 t t t 0 = l 2 0 l l = 0 l l = 3.94 pav. Impulsinių signalų iškraipymai optinėje gijoje persidengiančių impulsų pavidalą, o optinės gijos galia atskirų impulsų nebus galima išskirti ir informacijos perdavimas taps negalimas. Šie iškraipymai gali būti žymiai sumažinti dviem būdais: - mažinant šerdies diametrą, - tolygiai mažinant šerdies lūžio rodiklį kryptimi nuo centro į išorę. Tuo atveju, kada optinės gijos šerdies diametras yra labai mažas, optine gija sklinda mažai skirtingų spindulių, jie yra glausti ir vėlinimo laikai mažai skiriasi. Tokia optinė gija vadinama vienmode. Tuo atveju, kada šerdies lūžio rodiklis tolygiai mažėja spindulio kryptimi, toliau nuo ašinės linijos sklindantys spinduliai sklinda greičiau, negu spinduliai ties ašine linija, ir jų vėlinimo laikai tampa labai artimi. Tokia optinė gija vadinama gradientine. 3.10.2. Signalų slopinimas optinėje gijoje Pagrindinės signalo slopinimo priežastys yra šios (3.95 pav.): Mikroišlenkimas (įtempimas) Burbulas Priemaiša Išskaidymas 3.95 pav. Signalo slopinimo priežastys optinėje gijoje Išskaidymas, priemaišos, mikroišlenkimai, šerdies paviršiaus nelygumai (burbulai). Šias priežastis panagrinėsime detaliau. Išsklaidymas skirstomas į tiesinį ir netiesinį. Tiesinis išsklaidymas vyksta dėl lūžio rodiklio nevienodumų, kurie atsiranda stiklo stingimo metu. Šių nevienodumų matmenys yra žymiai mažesni už bangos ilgį. Tiesinis išsklaidymas vadinamas jo atradėjo Rėlėjaus (Rayleigh) vardu ir dėl jo atsiradęs slopinimas lygus 4 ÷ = o K a R km dB , čia: K - koeficientas, kuris kvarcui 4 6 , 0 ÷ = m K µ km dB . 86 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Netiesinis išsklaidymas pastebimas vienmodėse gijose, kuriose signalo galingumas viršija 100 mW ir daugiamodėse gijose, kuriose signalo galingumas viršija 2500 mW. Netiesinis išsklaidymas skirstomas į priverstinį-kombinacinį ir priverstinį Mandelštamo-Briliujeno. Priverstinis-kombinacinis išsklaidymas atsiranda dėl to, kad keičiantis signalo galingumui kinta gijos medžiagos parametrai µ ir r . Priverstinis Mandelštamo-Briliujeno išsklaidymas atsiranda esant netiesiniams iškraipymams, kai pagrindinės bangos galingumas sunaudojamas kitų tipų bangų sukūrimui. Priemaišos sugeria tam tikro ilgio bangas. Pvz. ÷ OH jonas sugeria bangas, kurių ilgiai 2700 nm, 1390 nm, 1250 nm, 950 nm, 0,72 nm ir t.t. Kitų priemaišų sugeriamų bangų ilgiai tokie: + 2 Cu - 800 nm, + 2 Fe - 1100 nm, + 2 Ni - 650 nm, + 2 V - 475 nm, + 2 Cr - 675 nm, + 2 Mn - 500 nm. Mikroišlenkimai atsiranda gijos gamybos metu. Išlenkimų įtaką slopinimui, galima išnaudoti gaminant optinio diapazono bangų sugertuvus, t.y. susukant optinę giją ant nedidelio diametro strypelio. Tipinė slopinimo priklausomybė nuo bangos ilgio pavaizduota 3.96 pav. Parodyti trys diapazonai, kuriuose dirba optinės perdavimo sistemos. Prie bangos ilgio 1600 f i nm pati medžiaga elektromagnetinio lauko energiją paverčia šilumine energija ir slopinimas padidėja. 10 5,0 3,0 1,0 0,5 0,3 0,1 0,6 0,4 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 km dB/ , o m µ i, Hz f , 6x10 14 5x10 14 4x10 14 3x10 14 2x10 14 3.96 pav. Tipinė slopinimo priklausomybė nuo bangos ilgio Tarptautinio telegrafijos ir telefonijos konsultacinio komiteto (TTTKK) rekomendacijose normuojamos slopinimo koeficiento reikšmės priklauso nuo bangos ilgio: G.561 rekomendacijoje – 4 dB/km prie 850 nm ir 2 dB/km prie 1300 nm; G.652 – 1 dB/km prie 1300 nm ir 0,5 dB/km prie 1550 nm; G.653 - 1 dB/km prie 1300 nm ir 0,5 dB/km prie 1550 nm; G654 – 0,25 dB/km prie 1550 nm. 3.10.3. Lūžio rodiklių pasiskirstymas optinėje gijoje Optinė gija turi dvisluoksnę arba trisluoksnę konstrukciją, kuri susideda iš šerdies ir vieno arba dviejų apvalkalų, kurių lūžio rodikliai atitinkamai 1 n , 2 n ir 3 n . Optinis signalas sklinda tik šerdimi. 87 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Plačiai paplito dviejų tipų optinės gijos: su laiptuotu ir tolygiai mažėjančiu lūžio rodikliu spindulio kryptimi. Pastarosios gijos vadinamos gradientinėmis. Gijos gali būti vienmodės ir daugiamodės. Vienmodžių gijų šerdies diametras yra nedaug didesnis už bangos ilgį ir sudaro 9000-11000 nm. Daugiamodžių gijų šerdies diametras žymiai didesnis už bangos ilgį ir sudaro 50000-62500 nm. Specialios paskirties optinių gijų šerdžių diametrai gali būti ir kitokie. Gradientinės optinės gijos lūžio rodiklis dažniausiai kinta dėsniu, artimu paraboliniam ( ) [ ] 5 , 0 0 2 1 ÷ A ÷ = g r a r n n čia: a - šerdies spindulys (50000-62500 nm), 0 n - lūžio rodiklio šerdies centre (1.46-1.5), 01 , 0 003 , 0 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 ÷ = ÷ = ÷ = A n n n n n n , g - parametras (pagal TTTKK rekomendacijas kvarciniam stiklui: 06 , 2 = g , jei 850 = i nm; 98 , 1 = g , jei 1300 = i nm). Ryšio tinkluose naudojamų optinių gijų apvalkalų išorinis diametras 0,125 mm. Optinės gijos dažniausiai gaminamos iš dujinėje fazėje esančių medžiagų cheminio nusodinimo būdu aukštoje 1600 0 C ÷ 1900 0 C temperatūroje. Germanio ir fosforo oksidai (GeO 2 ir P 2 O 5 ) didina rodiklio reikšmę, o boro oksidas (B 2 O 3 ) – mažina. Praktikoje naudojamų lūžio rodiklių pasiskirstymo dėsniai parodyti 5.7 pav. Kaip matyti lūžio rodikliai šerdyje ir apvalkale skiriasi nuo 0,007 iki 0,015. Tai sudaro nuo 0,5% iki 1,0% šerdies lūžio rodiklio reikšmės. m µ 10 m µ 50 m µ 125 49 , 1 497 , 1 m µ 10 m µ 70 m µ 125 485 , 1 500 , 1 m µ 100 m µ 110 m µ 140 3.97 pav. Lūžio rodiklių apsiskirstymo dėsniai optinėse gijose: a – vienmodės, b – daugiamodės gradientinės, c - daugiamodės laiptuotos 88 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.10.4. Optinės gijos kritinis dažnis ir normuotas dažnis Optine gija sklinda elektromagnetinės bangos, atsispindėdamos nuo dviejų aplinkų skiriamosios ribos. Bangų ilgiai turi būti mažesni už kritinį bangos ilgį. Kritinis bangos ilgis surandamas tokiu būdu. Pasinaudoję Šnelio dėsniu, kai 0 90 = d , ( ) 1 sin = d , galime užrašyti 1 2 sin n n c = O , (1) o pasinaudoję 3.98 pav. patektu brėžiniu galima užrašyti: ( ) 2 1 2 2 0 1 sin 1 cos n n d c c ÷ = O ÷ = = O i . (2) Iš (1) ir (2) surandame kritinį bangos ilgį 2 2 2 1 1 2 1 2 2 2 1 0 n n n d n n n d ÷ = ÷ = i (3) ir kritinį dažnį 2 2 2 1 0 1 0 0 0 0 n n d c n c f ÷ = = = i i v , (4) čia: v - bangų sklidimo greitis optinėje gijoje, 0 c - šviesos greitis vakuume. c û d 1 n 2 n i 3.98 pav. Kritinio bangos ilgio nustatymas Normuotas dažnis apibrėžiamas taip: i i r i r 0 1 2 2 2 1 n n n d V = ÷ = . (5) Jis naudojamas modų skaičiaus nustatymui optinėje gijoje. 3.10.5. Modos optinėje gijoje Žinome, kad optinio signalo prigimtis yra dvilypė: spindulinė ir banginė. Optinio signalo sklidimo spindulinė teorija daro prielaidą, kad optine gija gali sklisti tiek spindulių, kiek jų telpa į apertūrinį kampą. Pagal spindulinę teoriją įvairiai sklindančios ir įvairiai atsispindėjusios bangos interferuoja sukeldamos skirtingas bangas – modas. Modų susidarymo principas dviejų identiškų optinių signalų šaltinių atveju parodytas 3.99 pav. Jeigu c O O p , tai modos išeina iš gijos šerdies į apvalkalą. Visais kitais atvejais modos lieka gijoje. Modų skaičius optinėje gijoje nusistovi 5-7 km atstume nuo linijos pradžios ir apytikriai gali būti paskaičiuotas taip: 2 2 2 2 1 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ = n n a N i r (6) 89 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 - gijoje su laiptuotu lūžio rodikliu ir û Modos P 1 P 2 3.99 pav. Bangų interferencija ir modos 2 2 2 2 1 2 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ = n n a N i r (7) - gradientinėje gijoje. Tokiu būdu egijoje laiptuotoj egijoje laiptuotoj N d N i r 2 = (8) Modų skaičių optinėje gijoje galima sumažinti dviem būdais: arba mažinant santykį i d arba skaitmeninės apertūros reikšmę. Modų skaičių galima mažinti ir didinant gijos slopinimą radialine kryptimi. Tada optinės linijos gale lieka tik tos modos, kurios išsidėsčiusios prie gijos ašinės linijos. 3.10.6. Signalų dispersija optinėje gijoje Dispersija – tai spektrinių ir modinių dedamųjų išsisklaidymas laike, dėl ko optinės linijos gale impulsas yra platesnis negu linijos pradžioje. Tuo atveju, kada siunčiamas impulsas turi gausinės kreivės formą, dispersija gali būti paskaičiuota pagal formulę 1 2 t t ÷ = t , (9) čia: 2 t ir 1 t impulso trukmė 0,5 lygyje atitinkamai optinės gijos gale ir pradžioje. Tuo atveju, kada siunčiamas impulsas turi kitokią formą 2 1 2 2 t t ÷ = t . (10) Dispersija skirstoma į chrominę C t ir modinę M t . Savo ruožtu chromatinė dispersija skaidoma į medžiaginę m t ir banginę B t . Medžiaginę dispersiją sąlygoja lūžio rodiklio priklausomybė nuo bangos ilgio l d n d c m 2 1 2 0 2 i i i i t A = , (11) čia: i A - optinio signalo šaltinio spektro plotis, i - bangos ilgis, l - linijos ilgis. Banginę dispersiją sąlygoja sklidimo koeficiento priklausomybė nuo bangos ilgio, kuri išreiškiama taip: l c n B A A = 0 2 1 2 i i t ; (12) čia: ( ) 1 2 1 n n n ÷ = A .Chromatinė dispersija išreiškiama 90 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 B m C t t t + = . (13) Modinė dispersija gijai su laiptuotu lūžio rodikliu l c n M A = 0 1 t (14) arba ( ) l n NA M v t 1 2 2 = . (15) Modinė dispersija gijai su gradientiniu lūžio rodikliu l c n M 2 0 1 2 A = t (16) arba ( ) l n NA M v t 3 1 2 8 = , (17) čia: v - bangos sklidimo greitis optinėje gijoje. Sugretinę išraiškas (14) ir (15), gauname: nejegijoje Mgradienti egijoje laiptuotoj M t t A = 2 (18) Modinės dispersijos priklausomybė nuo linijos ilgio yra tokia ( ) y t t l l M M = , (19) čia: y - parametras, kuris nustatomas kiekvienam optinės gijos tipui atskirai. Daugeliu atvejų 1 = y , jeigu 7 5 ÷ p l km, ir 5 , 0 = y , jeigu 7 5 ÷ f l km. Gijai su laiptuotu lūžio rodikliu 1 = y , jeigu 15 10 ÷ f l km – gijai su gradientiniu lūžio rodikliu. Medžiaginės, banginės ir chromatinės dispersijų matavimo vienetas – ps/(nm km), o modinės dispersijos – ps/km. Medžiaginės ir banginės dispersijos turi skirtingus ženklus, todėl chromatinė dispersija gali būti labai sumažinta dedamųjų kompensacijos būdu (3.100 pav.). i c t C t m t B t C t 3.100 pav. Chromatinės dispersijos priklausomybė nuo bangos ilgio Bendra dispersija optinėje gijoje skaičiuojama taip: 2 2 M C F t t t + = . (20) TTTKK rekomendacijose pateikta formulė, kurios pagalba galima paskaičiuoti praleidžiamų dažnumų juostą: T B t 44 , 0 = , (21) čia: 2 2 F in T t t t + = , (22) in t - optinio signalo impulso trukmė linijos pradžioje. 91 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 TTTKK rekomendacijose normuojamos tik chromatinės dispersijos dydis: G.651 – 120 ps/(n km) prie 850 nm; G.625 – 3,5 ps/(nm km) prie 1330 nm; ir 20 ps/(nm km) prie 1550 nm; G.653 – 3,5 ps/(nm km) prie 1550 nm; G.654 – 0 ps/(nm km) prie 1330 nm ir 20 ps/(nm km) prie 1550 nm. 3.10.7. Skaitinė apertūra Optinės gijos sugebėjimas “priimti” iš išorės elektromagnetines bangas charakterizuojamas skaitmenine apertūra (3.101 pav.) 2 2 2 1 1 sin sin n n n NA C A ÷ = O = O = . (23) A û r ( ) r n 1 2 n 3.101. pav. Skaitmeninės apertūros nustatymas Gradientinės gijos atveju šerdies lūžio rodiklis 1 n priklauso nuo spindulio r . Šiuo atveju gali būti apibrėžta lokalinė skaitmeninė apertūra ( ) ( ) 2 2 2 1 n r n r NA = . (24) Skaitmeninės apertūros reikšmės gali būti nuo 0,1 iki 0,5. 3.10.8. Optinių kabelių konstrukcijos Optinis kabelis sudarytas iš šių pagrindinių dalių: - optinės gijos, - optinio modulio, - šerdies, - armuojančio elemento, - apsauginio apvalkalo, - šarvo. Optinė gija dažniausiai būna trisluoksnė. Gijos centre yra skaidrus sluoksnis, kuriuo sklinda optinis signalas. Antras sluoksnis dengiamas tuoj po gijos ištempimo, kad apsaugotų vidinį sluoksnį nuo ore esančių vandens garų ir deguonies. Šio sluoksnio 1 2 n n f , kad gautųsi atspindys nuo skiriančiosios ribos. Šis sluoksnis labai plonas ir neturi įtakos gijos mechaninėms savybėms. Trečias sluoksnis apsaugo optinę giją nuo pažeidimų ir padidina atsparumą tempimui. Optinis modulis sudarytas iš optinės gijos, amortizacinio sluoksnio ir modulio korpuso. Amortizaciniu sluoksniu gali būti spirale susuktas siūlas arba hidrofobinis užpildas. Modulio korpusas dažnai yra vamzdelio pavidalo. Jei naudojamas hidrofobinis užpildas, tai optinės gijos patalpinamos į šerdies karkaso išpjovas. Armuojantis elementas yra skirtas padidinti kabelio atsparumą tempimui. Armuojantys elementai gali būti patalpinti kabelio centre, apsauginiame apvalkale, o taip pat išskirstyti po konstrukcinius elementus. Apsauginis apvalkalas apsaugo šerdį nuo drėgmės ir suteikia standumo. Jis būna plonesnis, jeigu naudojamas šarvas, ir storesnis, jeigu šarvo nėra. Kartais apvalkalas būna dvisluoksnis. Tokia konstrukcija supaprastina kabelio statybinių ilgių sujungimo technologiją. 92 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Šarvas yra skirtas apsaugoti šerdį nuo mechaninių pažeidimų. Jis gaminamas iš plieno. 3.102 pav. yra parodytas magistralinių kabelių konstrukcijos. 3.102 a pav. vamzdeliai optiniai moduliai yra išdėstyti ant armuojančio elemento. 6.1.b pav. optinės gijos yra patalpintos į spirale išdėstytas išpjovas, kurios užpildytos hidrofobiniu užpilu. Armuojantis elementas yra centre 3.102.c pav. optiniai moduliai surinkti į keturias gniūžtes. Armuojantys elementai yra išdėstyti kiekvienos gniūžtės centre ir šerdies centre. 3.102.d pav. optiniai moduliai sudėti į juostas, o iš jų suformuota kabelio šerdis. Kiekvienos juostos plotis 3,56 mm, o kvadratinės šerdies plotas yra lygus 12,66 mm 2 . Mažų greičių optinėse perdavimo sistemose, o taip pat ryšiui pastatų viduje naudojami labai paprasti dviejų – keturių gijų kabeliai labai menkai apsaugoti nuo išorinių mechaninių poveikių. Povandeniniai kabeliai dažniausiai turi viensluoksnį arba dvisluoksnį plieninį šarvą, padengtą antikorozine plastmasine danga. 1 2 3 4 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 2 3 a) b) c) d) 1. Optinis modulis 2. Polietileno juosta 3. Armuojantis elementas 4. Išorinis apvalkalas 1. Optinė skaidula 2. Šerdies karkasas 3. Armuojantis elementas 4. Išorinis apvalkalas 5. Hidrofobinis užpildas 1. Optinis modulis 2. Armuojantis elementas 3. Išorinis apvalkalas 4. Užpildantis kordelis 1. Išorinis apvalkalas 2. Sluoksniuota šerdis 3. Optinių modulių juostos 3.102 pav. Optinių kabelių konstrukcijos 93 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.10.9. Optinių kabelių sujungimai Optiniai kabeliai gali būti sujungiami dviem būdais: išardomų jungčių pagalba arba suvirinant. Sujungimai išardomomis jungtimis dažniausiai naudojami prijungti optinių gijų galus prie optinių signalų imtuvų arba siųstuvų. Išardomos jungtys taip pat dažnai naudojamos optinių gijų, imtuvų arba siųstuvų prijungimui prie matavimo prietaisų. Sujungimai virinimo būdu dažniausiai atliekami montuojant optines ryšio linijas. Sujungimo vietose visada gaunami optinių signalų atspindžiai, kurie įvertinami Frenelio formule 2 0 1 0 1 lg 10 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ + = n n n n R Tuo atveju, kada optinės gijos ( ) 5 , 1 1 = n gale yra oras ( ) 1 0 = n , atspindžio slopinimo dydis. 14 1 5 , 1 1 5 , 1 lg 10 2 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ÷ + = R dB. Išardomose jungtyse yra dvi skiriamosios ribos stiklas-oras, todėl bendras atspindėto signalo lygis yra tik 7 dB mažesnis už patenkantį į jungtį signalą. Toks didelis atspindėto signalo lygis yra neleistinas naudojant lazerinius diodus. Todėl išardomos jungtys turi specialią konstrukciją – jungiamos optinės gijos nupjaunamos ne statmenai ašinei linijai, bet kampu į ją (3.103 pav.). 3.103 pav. Optinių gijų galai išardomose jungtyse Yra trys priežastys, dėl kurių gali atsirasti nuostoliai optinių gijų sujungimo vietose: ašinis nesutapimas, kampinis nesutapimas, išilginis nesutapimas. Dėl šių priežasčių atsirandančių nuostolių priklausomybės parodytos 3.104 pav. Banguotas nuostolių dėl išilginio nesutapimo pobūdis yra dėl daugkartinių atspindžių tarpelyje tarp gijų galų. 0,32 0,5 1,0 a r A b 77 , 2 = A = 2 77 , 2 y A dB 5 10 m µ 1 5 . laips A = a d A 46 , 2 y a d a b r 3.104 pav. Nuostoliai optinių gijų sujungimuose 94 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Optinių gijų suvirinimo įrenginio struktūra parodyta 3.105 pav. Mikromanipuliatorių pagalba optinės gijos labai tiksliai suglaudžiamos ir tik po to suvirinamos elektros lanku. Gijų suvedimo, o po to ir sujungimo kokybei nustatyti mažo spindulio lenkimo vietose įvedamas ir išvedamas optinis spindulys. Baigus virinimo darbus optinė gija padengiama elastine medžiaga, kuri turi turėti šerdies apvalkalo savybes. Mažo spindulio lenkimai Elektros lankas Siunčiamas optinis spindulys Matuojamas optinis spindulys Mikromanipuliatoriai 3.105 pav. Gijų suvirinimo įrenginio struktūra 3.10.10. Koaksialiniai kabeliai ir prijungimo įranga Tinklą įmanoma realizuoti tiktai fizinėje perdavimo terpėje. Šiuo metu populiariausia fizinė perdavimo terpė – kabelis. Antra vertus, daugėjant nešiojamų kompiuterių, sparčiai plinta bevielės ryšio technologijos. Dabar gaminamų kabelių asortimentas siekia 2200 tipų (firmos Belden katalogas), tačiau praktiškai naudojamos trys pagrindinės kabelių grupės: koaksialinis (coaxial cable) kabelis; vytos poros (twisted pair) kabelis; optinio pluošto (fiber optic) kabelis. Koaksialinis kabelis sudarytas iš: varinės gyslos (core), kuri, savo ruožtu, gali būti ištisinė arba supinta iš kelių laidų; geromis dielektrinėmis (dielectric) savybėmis pasižyminčio vidinio izoliacinio sluoksnio (insulation layer); laidžios pynės, kuri ne tik perduoda signalą, bet ir ekranuoja vidinę gyslą nuo elektrinių trikdžių; polivinilchlorido apvalkalo, saugančio kabelį nuo atmosferos poveikio, elektrinio kontakto ir mechaninių pažeidimų Kai kurie kabeliai gali turėti papildomą metalinės folijos gaubtą arba ekraną (shield), pagerinantį apsaugines kabelio savybes. Tokie kabeliai vadinami dvigubo ekranavimo kabeliai. Jie daug geriau apsaugo gyslą nuo elektrinių triukšmų (noise) ir kryžminių trikdžių (crosstalk). Ypač stiprių trikdžių zonoms gaminami ir keturgubo ekranavimo kabeliai. Kuo storesnis kabelis ir kuo geresnis jo ekranavimas, tuo mažiau slopinamas (attenuation) juo perduodamas signalas. Kabeliai su mažesniu slopinimu geriau dirba dideliais perdavimo greičiais su neaukštos klasės aparatūra, o esant vienodoms sąlygoms, gali perduoti signalą didesniu atstumu. Koaksialinio kabelio konstrukcija parodyta 3.106 paveikslėlyje. 95 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.10.11. Koaksialinių kabelių tipai, sandara Yra du koaksialinių kabelių tipai: stori ir ploni kabeliai. 1. Storas (thicknet) kabelis yra 10 – 13 mm skersmens ir gana atsparus mechaniškai. Jo centrinė gysla pagaminta iš storo varinio laido, todėl signalas tokiu kabeliu gali būti perduotas didesniu nuotoliu (iki 500 m.) su nedideliais nuostoliais. Antra vertus, storą kabelį sunku montuoti, jis nelankstus, sunkus, be to - brangesnis. Tokio tipo kabelis būna vadinamas standartinis Ethernet ir naudojamas kaip magistralinis (backbone) kabelis tarp nedidelių vietinių tinklų, išvedžiotų plonuoju kabeliu. Prisijungimui prie storojo kabelio naudojamas specialus įtaisas – transiveris (transceiver). Transiveris tai nedidelė dėžutė, tvirtinama tiesiai prie kabelio specialios jungties (vampire tap arba piercing tap) pagalba. Jungties dantys prakerta kabelio izoliaciją ir prisijungia tiesiai prie laidžių gyslų. Kita transiverio jungtis yra standartinis DB-15 antgalis, jungiamas prie kompiuterio tinklo plokštės AUI lizdo. 2. Plonas (thinnet) kabelis yra apie 5 – 6 mm storio. Tai lankstus, patogus montuoti, tinkantis beveik visiems tinklams kabelis. Jungiamas tiesiai prie tinklo plokštės, naudojant BNC (British Naval Connector) T-jungtį. Signalas be didesnių iškraipymų perduodamas iki 185 m. Galinėms BNC T-jungtims ant laisvų jungčių galų uždedamos aklės (BNC terminatoriai). Aklės varža, kaip taisyklė, turi būti lygi kabelio impedansui. Prie laisvo aklės galo paprastai prijungiama įžeminimo kilpelė (ground loop). Prireikus sujungti du plonus kabelius, kiekviename gale uždedamas BNC antgalis, o tarp jų įstatomas BNC sujungiklis (barrel-connector). Tose patalpose, kuriose yra tam tikras gaisro pavojus, klojamas plenum tipo kabelis. Šio tipo kabeliams vietoj PVC apvalkalo naudojamas ugniai atsparus plastikas. Dažniausiai tai būna teflono (fluoroplasto) tipo apsauginis apvalkalas. 3.106 pav. Koaksialinio kabelio sandara Vytos poros kabeliai Pati paprasčiausia vyta pora – tai tarpusavyje susukti du variniai laideliai. Yra du vytos poros kabelio tipai: ‰ neekranuota (UTP - unshielded) vyta pora; ‰ ekranuota (STP - shielded) vyta pora. Galiojantys standartai Skirstomi į 5 kategorijas: ‰ Kategorija 1 (Category 1). Žemo dažnio signalams. Nėra jokių kriterijų. ‰ Kategorija 2 (Category 2). Nustatytas 1 MHz dažnis, naudojamas telefono linijoms ir duomenų perdavimui iki 4 Mbit/s ‰ Kategorija 3 (Category 3). Nustatytas 16 MHz dažnis naudojamas 10BaseT ir duomenų perdavimui iki 10 Mbit/s. ‰ Kategorija 4 (Category 4). Nustatytas 20 MHz dažnis naudojamas Token Ring, 10BaseT ir duomenų perdavimui iki 16 Mbit/s. ‰ Kategorija 5 (Category 5). Nustatytas 100 MHz dažnis naudojamas 100BaseT, 10BaseT ir duomenų perdavimui iki 100 Mbit/s. 96 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 ‰ Kategorija 5e (Category 5e, raidė e reiškia enhanced - išplėstas) pagal Telecommunications Industry Association’s (TIA) / Class D pagal International Standards Organization (ISO) ). Ne mažiau 100 MHz naudojamas kaip ir 5 kategorijos, bet tinka ir 1000BaseT. ‰ Kategorija 6 (Category 6 (TIA)/ Class E (ISO)). 200 MHz dažnis (testuojama 250 MHz dažniu) naudojamas 1000BaseT. ‰ Kategorija 7 (Category 7 (TIA)/ Class F (ISO)). 600 MHz dažnis. 7 kategorijos kabelis skiriasi nuo kitų kategorijų, nes turi būti pilnai ekranuotas, “fully shielded”, todėl yra storesnis ir mažiau lankstus, naudojami specialūs geros kokybės antgaliai. Kabelio sandara Visi 2 – 5 kategorijos kabeliai yra sudaryti iš 4 vytų porų (9 vijos vienam ilgio metrui. Šiuo metu praktikoje dažniausiai sutinkamas 5-tos kategorijos kabelis. 3.107 pav. Vytos poros kabelių sandara Kabelį sudaro keletas vytų porų (paprastai 1, 2 ar 4) apvelkamos apsauginiu PVC apvalkalu bei galuose tam tikra tvarka užspaudžiami RJ-45 tipo jungčių antgaliai. Nuo telefoninių antgalių (RJ-11) jie skiriasi tuo, kad vietoje 4 turi 8 kontaktus ir yra šiek tiek didesni. 3.108 pav. 7-tos kategorijos kabelio antgaliai Laidžių gyslų jungimas ATM 155 Mbit/s naudoja poras 2 ir 4 (kontaktus 1-2, 7-8). Ethernet 10BaseT naudoja poras 2 ir 3 (kontaktus 1-2, 3-6). Ethernet 100BaseT4 naudoja poras 2 ir 3 (4T+) (kontaktus 1-2, 3-6). Ethernet 100BaseT8 naudoja poras 1,2,3 ir 4 (kontaktus 4-5, 1-2, 3-6, 7-8). Token Ring naudoja poras 1 ir 3 (kontaktus 4-5, 3-6). TP PMD naudoja poras 2 ir 4 (kontaktus 1-2, 7-8). 100VG-AnyLAN naudoja poras 1,2,3 ir 4 (kontaktus 4-5, 1-2, 3-6, 7-8). Gyslų prijungimo schema prie antgalių aprašyta 2-3 lentelėje, atskiras gyslas žymint spalvotai. 97 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.4 lentelė. Kabelio numeracija Kabelio gyslų spalvos ir numeracija Signalo tipas Gyslos išdėstomos sujungimui: EIA/TIA-568A EIA/TIA-568B HUB – tinklo plokštė Plokštė - plokštė 1 Baltas/Žalias 2 Žalias 3 Baltas/Oranžinis 4 Mėlynas 5 Baltas/Mėlynas 6 Oranžinis 7 Baltas/Rudas 8 Rudas 1 Baltas/Oranžinis 2 Oranžinis 3 Baltas/Žalias 4 Mėlynas 5 Baltas/Mėlynas 6 Žalias 7 Baltas/Rudas 8 Rudas Kai signalas perduodamas keturiomis gyslomis iš aštuonių: 1 – TD+ 2 – TD- 3 – RD+ 6 – RD- 1 – 1 2 – 2 3 – 3 4 – 4 5 – 5 6 – 6 7 – 7 8 – 8 1 – 3 2 – 6 3 – 1 4 – 4 5 – 5 6 – 2 7 – 7 8 – 8 Neekranuotos vytos poros linijos labai jautrios įvairiausiems elektriniams trikdžiams, todėl atsakinguose tinkluose naudojamas ekranuotas vytos poros kabelis STP. Šis kabelis turi vario laidelių ekranuojančią pynę ir papildomai apvyniojamas aliuminio folijos sluoksniu. Tokia izoliacija patikimai saugo kabelį nuo trikdžių ir leidžia perduoti signalą gerokai toliau. IBM kabelių sistema 1984 m. IBM sukūrė atskirą kabelių sistemą, įskaitant žymėjimą, standartus, specifikacijas ir paskirtį. IBM sistema apima šiuos komponentus: kabelių jungtis; sieninius prijungimo skydelius; signalo paskirstymo panelius; kabelių tipus. Kabelių jungtys skiriasi nuo BNC, RJ ir kitų tuo, kad yra universalios, t.y. kištukai ir jų lizdai yra tokios pačios konstrukcijos ir juos galima sujungti tarpusavyje. IBM jungtims reikia naudoti specialius sieninius prijungimo skydelius ir paskirstymo panelius. IBM kabelių, kurie atitinka AWG standartus, klasifikavimas pateiktas 2-4 lentelėje. AWG sistema AWG – tai standartinė kabelio parametrų matavimo sistema. Kadangi viena iš fizinių kabelio charakteristikų yra jo storis, tai sistemos pagrindu priimtas kabelio storio parametras su abreviatūra AWG (gage). Bazinei atskaitai naudojamasi telefoninio laido storiu, užrašant 22 AWG. Storesniems kabeliams skaičius mažesnis, plonesniems – didesnis už 22. Vadinasi, kabelis 14 AWG yra storesnis už standartinį telefono kabelį, o 26 AWG – plonesnis. Bevielė terpė, tinklų tipai Sąvoką “bevielė terpė” nereikia suprasti pažodžiui. Bevieliai tokios terpės komponentai – tai nešiojami kompiuteriai, darbo stotys ar jų valdymo įtaisai, sujungti bevielėmis technologijomis su didesniais kabeliniais tinklais. Iš esmės tai yra hibridinis tinklas. Toks tinklas labai patogus žmonėms be pastovios darbo vietos, pavyzdžiui, ligoninės personalui, patalpose, kuriose dažnai keičiamas įrangos išdėstymas, izoliuotose patalpose arba vietose, kur draudžiama vedžioti kabelius. Bevielius tinklus galima sugrupuoti į tris tipus: vietiniai tinklai; išplėsti vietiniai tinklai; mobilūs tinklai. Pagrindinis šių tinklų skiriamasis bruožas – perdavimo parametrai, kurie priklauso nuo naudojamos ryšio technologijos. Pirmiesiems dviems sumontuojami individualūs transiveriai (siųstuvai - imtuvai), o mobiliems kompiuteriams perdavimo terpe tarnauja viešo naudojimo ryšiai, telefonija ir Internetas. 98 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.11. Komunikacijos tipinėmis kompiuterinės sąsajos linijomis Serial interface – nuoseklioji sąsaja (sąsaja, kuri duomenims perduoti į vieną pusę naudoja signalinę liniją, kuria bitai perduodami vieni kitiems nuosekliai). Serial Port – nuoseklios sąsajos uostas. Asinchroninis režimas – kai kiekvieno baito siuntimas pradedamas start bitu ir baigiamas stop bitu. Stop–bitas – bitas, kuriuo pabaigiamas duomenų siuntimas. Start–bitas – bitas , kuriuo pradedamas duomenų siuntimas. Sinchroninis režimas palaiko pastoviai aktyvų ryšio kanalą. Sinchrobaitas – baitas, kuriuo pradedamas duomenų siuntimas sinchroniniu režimu. Nuoseklioji sąsaja duomenims perduoti į vieną pusę naudoja signalinę liniją, kuria bitai perduodami vieni kitiems nuosekliai. Toks perdavimo būdas ir nulemia prievado ir interfeiso pavadinimą. Šitie pavadinimai sutampa su angliškais vardais Serial Interface ir Serial Port. Nuoseklus perdavimas gali būti realizuotas tiek asinchroniniu, tiek sinchroniniu režimu. Asinchroniniame perdavime prieš kiekvieną baitą yra start–bitas, kuris praneša gavėjui apie pradžią kitos siuntos, po kurios seka duomenų bitai ir pariteto bitas. Siuntą baigia stop–bitas, kuris garantuoja apibrėžtą pauzę tarp dviejų gretimų siuntų. Sekančio siunčiamumo baito start–bitas gali būti siunčiamas iškart pasibaigus stop–bitui arba vėliau, t.y. tarp siuntų galimos skirtingo ilgumo pauzės. Start–bitas, visada turintis griežtai apibrėžtą reikšmę (loginį 0), aprūpina paprastą priėmėjo pagal siuntėjo signalą sinchronizacijos mechanizmą. Turima galvoje, kad priėmėjas ir siuntėjas dirba vienodu apsikeitimo greičiu, matuojamu perduodamų per sekundę bitų skaičiumi. Vidinis priėmėjo sinchronizacijos generatorius naudoja atraminio dažnio skaitiklį–daliklį, kuris start–bito priėmimo momentu yra “apnulinamas”. Šitas skaitiklis generuoja vidinius “strobus”, kuriuos priėmėjas fiksuoja kitų priimamus bitus. Idealiu atveju šie “strobai” yra viduryje bitinių intervalų, kad aprūpintų duomenų priėmimo galimybę, netgi būnant nedideliam siuntėjo ir priėmėjo greičio skirtumui. Nesunku pažymėti, kad perduodant 8 bitų duomenis, vieną kontrolinį ir vieną stop–bitą maksimalus galimas greičių nesutapimas, kuriam esant duomenys būtų teisingai atpažinti, negali viršyti 5%. Atsižvelgiant į fazinius iškraipymus ir į diskretinį vidinio sinchronizacijos skaitiklio darbą, realiai leidžiami mažesni dažnių nukrypimai. Kuo vidinio generatoriaus atraminio dažnio dalijimo koeficientas yra mažesnis (arba kuo didesnis perdavimo dažnis), tuo didesnė strobo pririšimo prie vidurio bitinių intervalų paklaida, ir kartu reikalavimai dažnių suderinamumui yra žymiai griežtesni. Taip pat, kuo didesnis perdavimo dažnis, tuo didesnę įtaką turi frontų iškraipymas priimamo signalo fazei. Toks „draugiškas“ šių dviejų faktorių veikimas verčia aukštinti priėmėjo ir siuntėjo dažnių suderinamumo reikalavimus didinant keitimosi dažnius. 3.109 pav. Asinchroninės siuntos formatas Asinchroninio siuntimo formatas leidžia atskleisti galimas perdavimo klaidas: 1. Jeigu priimtas kritimas, pranešantis apie siuntos pradžią, o pagal start–bito strobą užfiksuotas loginio vieneto lygmuo, tada start–bitas laikomas melagingu ir priėmėjas vėl pereina prie laukimo būsenos. Apie šitą formato klaidą priėmėjas gali ir nepranešti. 99 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 2. Jeigu laiku, vykstančiu stop–bito metu, yra užfiksuojamas loginis vienetas, tada yra fiksuojama stop–bito klaida (taip pat formato klaida). 3. Jeigu yra naudojama lyginumo (pariteto) kontrolė, tai po duomenų bitų yra perduodamas kontrolinis bitas. Šis bitas papildo atskirų bitų skaičių iki lyginio arba nelyginio(tai priklauso nuo priimto susitarimo). Baito priėmimas su neteisinga kontrolinio bito reikšme, kai yra įjungtas lyginumo režimas, sukelia priimtų duomenų klaidos fiksavimą. Formato kontrolė leidžia aptikti linijos „nulūžimą“: tada paprastai priimamas loginis nulis, kuris iš pradžių traktuojamas kaip start–bitas ir nuliniai duomenų bitai, o po to suveikia stop–bito kontrolė. Asinchroniniam režimui yra priimta ši standartinių apsikeitimo greičių eilė: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 ir 115200 bitų/sekundę. Kartais vietoj matavimo vieneto „bitai/s“ vartojamas „bodas“ (baud), bet duotoje situacijoje, kai perduodami dvejetainiai signalai, tai būtų nekorektiška. „Boduose“ priimta matuoti linijos būsenos kitimo dažnį, o vartojant nedvejetainį kodavimo būdą (jis plačiai taikomas šiuolaikiniuose modemuose) viename ryšio kanale bitų perdavimo (bitai/s) ir pasikeitimo signalo („bodas“) greitis gali skirtis netgi keletą kartų. Duomenų bitų skaičius gali būti: 5, 6, 7 arba 8 (5–bitiniai ir 6–bitiniai formatai labai mažai taikomi). Stop–bitų kiekis gali būti 1, 1.5 ir 2 (pusantro bito t.y. ilgis to stop–bito intervalo). Asinchroninis apsikeitimas PC (angl. Personal Computer) realizuojamas naudojant COM prievadą ir RS–232C protokolą. Sinchroninis perdavimo režimas numato pastoviai aktyvų ryšio kanalą. Siuntinys prasideda sinchrobaitu, už kurio seka srautas informacinių bitų. Jeigu perdavėjas neturi duomenų perdavimui, tada jis padaro pauzę siųsdamas nenutrūkstamą sinchronizacijos baitų eilę. Akivaizdu, kad perduodant didžiulius duomenų masyvus išlaidos sinchronizacijai šiame režime bus mažesnės nei asinchroniniame. Tačiau sinchroniniame režime yra būtina išorinė sinchronizacija priėmėjo su siuntėju, nes bent menkiausias dažnių nesutapimas prives prie klaidos ir duomenų iškreipimo. Išorinė sinchronizacija galima arba su atskira linija sinchronizacijos signalui perduoti, arba su naudojimu save sinchronizuojančiu duomenų kodavimu (pavyzdžiui, mančesterinis kodas NRZ), kai priėmėjo pusėje iš gauto signalo gali būti matomi ir sinchronizacijos impulsai. Kiekvienu atveju sinchroninis režimas reikalauja arba brangių ryšio linijų, arba brangios įrangos (gal net to ir to). Į PC galima įsidėti specialias plokštes – adapterius SDLC (jos pakankamai brangios), kurios palaiko sinchroninį duomenų apsikeitimo režimą. Jos naudojamos pagrinde dažniausiai su didelėmis mašinomis (mainframes) IBM ir šiuo metu jos mažai paplitusios, nes jas išstūmė žymiai pigesnės ir efektyvesnės ryšio priemonės. Iš sinchroninų adapterių šiuo metu dažniausiai naudojami V.35 sąsajos adapteriai. Nuoseklioji sąsaja fiziniame lygmenyje gali turėti skirtingas realizacijas, besiskiriančias elektrinių signalų perdavimo būdais. Egzistuoja eilė giminingų tarptautinių standartų: RS–232C, RS–423A, RS–422A ir RS–485. Žemiau pateiktame paveiksle yra pateiktos imtuvų ir siuntėjų sujungimo schemos ir parodyti jų apribojimai linijos ilgiui (L) ir maksimaliam duomenų perdavimo greičiui (V). 100 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.110 pav. Nuosekliosios sąsajos standartai Daugiausia paplitęs PC yra paprasčiausias iš jų – standartas RS–232C. Automatikos pramonėje plačiai taikomas RS–485, taip pat RS–422A, sutinkami ir kai kuriuose spausdintuvuose. Visų šių giminingų sąsajų suderinamumui egzistuoja nesudėtingi signalų keitikliai. 3.11.1. RS–232 sąsaja RS–232 – COM prievado asinchroninio apsikeitimo protokolas. DTE – Data Terminal Equipment. sąsajos RS–232C paskirtis yra aparatūros, perduodančios arba priimančios duomenis (ODA galinių duomenų aparatūra arba DPA – duomenų perdavimo aparatūra), pajungimui prie galinių aparatūros duomenų kanalų (ADK). DPA vaidmenį gali atlikti kompiuteris, spausdintuvas, ploteris ir kita periferinė įranga. Šitai aparatūrai atitinka DTE – Data Terminal Equipment. ADK vaidmenį paprastai atlieka modemas, šitai aparatūrai atitinka DCE – Data Communication Equipment. Galutiniu pajungimo tikslu laikomas sujungimas dviejų DTE įrenginių (pilna sujungimo schema pavaizduota pateiktame paveiksle). 3.111 pav. RS–232C sujungimo schema Sąsaja leidžia išjungti nuotolinio ryšio kanalą iškart su pora įrenginių DTE (modemų), tiesiogiai sujungus įrenginius su nuliniu–modeminiu kabeliu. 101 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.112 pav. RS–232 sujungimas nuliniu–modeminiu kabeliu Standartas pateikia valdančiuosius sąsajos signalus, duomenų persiuntimą ir elektrinę sąsają. Standarte nurodyti asinchroninis ir sinchroninis apsikeitimo režimai, bet COM– prievadai palaiko tik asinchroninį režimą. Funkciniu požiūriu RS–232C ekvivalentus standartui V.24/V.28, bet jie turi skirtingus pavadinimus tiems patiems naudojamiesiems signalams. 3.11.2. Srovės kilpos tipo sąsaja Srovės kilpa – sąsaja, paremta ne įtampos lygiu, o srovės stipriu. CTS – aparatinis protokolas srovei valdyti atgaline linija. Gana plačiai paplitusiu variantu nuoseklioji sąsaja yra „srovės kilpa“. Šioje sąsajoje elektriniu signalu yra ne įtampos lygis bendrojo santykinio laido (viengubos linijos), o srovė dvigubos linijos, sujungiančios priėmiklį ir perdaviklį. Esant loginiam vienetui (ir būsenai „įjungta“) srovė prilygsta 20mA, o loginiam nuliui – srovė neprateka. Toks signalų apipavidalinimas ankščiau aprašyto asinchroninio pasiuntimo formato leidžia nustatyti tokios linijos būseną – tuo atveju priėmiklis pasireiškia nebuvimu stop–bito (linijos pertraukimas (trūkis) veikia kaip nuolat esant loginiam nuliui). Visuomet srovės kilpa reikalauja įėjimo grandinės priėmiklio (optrono) „atrišimo“ nuo pačio įrenginio schemos. Tuo atveju srovės šaltiniu kilpoje yra perdaviklis (šis variantas yra vadinamas aktyviu perdavikliu). Galbūt ir maitinimas iš priėmiklio (aktyvus priėmiklis), tuomet ir išėjimo raktas (optroninis) perdaviklio gali būti taip pat galvaniškai atsietas nuo likusios schemos perdavėjo. Ir pagaliau egzistuoja supaprastinti variantai be galvaninio atsiejimo, bet tai jau iškreiptos sąsajos atvejis. Srovės kilpa su galvaniniu atsietumu leidžia perduoti signalus kelių kilometrų atstumu. Leidžiamas atstumas pasireiškia supriešinimu laidų poros ir trikdžių lygiu. Kadangi šis sąsaja reikalauja poros laidų kiekvienam signalui, bet visuomet naudojami tik du signalai. Dvikrypčiu apsikeitimo atveju naudojami tiktai priimamų ir perduodamų duomenų signalai, o srovei valdyti naudojamas programinis metodas XON/XOFF. Jeigu dvikryptis apsikeitimas nebūtinas, naudojama tiktai viena duomenų liniją, o srovei valdyti atgalinė linija naudojama signalui CTS (aparatinis protokolas) arba priešpriešiniai duomenų linijai (programiniam protokolui). Pertvarkyti signalus RS–232C į srovės kilpą galima esant nesudėtingai schemai. Pasirinktame pavyzdyje išrinktas pajungimas spausdintuvo su srovės kilpa prie COM porto su aparatinio valdymo srove. Čia, kad gautume dvipoliarį signalą reikalingo įeinančiams signalams COM porto, taikomas maitinimas iš sąsajos. 3.113 pav. Spausdintuvo pajungimas su interfeisu ‚srovės kilpa“ prie COM porto 3.11.3. Infraraudonoji sąsaja IrDA – Infrared Data Association. IrDA SIR (Slow Infra Red), HP–SIR – 9,6–115,2 Kb/s. IrDA MIR (Middle Infra Red) – 1,2 Mb/s. IrDA FIR (Fast Infra Red) – 4 Mb/s. 102 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Sharp ASK – 9,6–57,6 Kb/s. Spindulių šaltinio ir priėmiklių infraraudonojo diapazono vartojimas leidžia realizuoti bevielę komunikaciją tarp poros įrenginių, nutolusių 1 metro atstumu, o kartais net keletos metrų. Skirtingos infraraudonosios sujungimo sistemos su mažu greičiu (iki 115,2 Kb/s), vidutinio ir didelio, dirbančios 1,152 ir 4 Mb/s atitinkamai. Mažo greičio sistemos naudingos trumpų pranešimų apsikeitimui, didelio greičio – apsikeičiant failais tarp kompiuterių, pajungimui į vietinį (arba globalinį) tinklą, informacijai išvesti į spausdintuvus, projekcijos aparatus ir t. t. Perspektyvoje galimi ir žymiai didesni apsikeitimų greičiai, kurie leis netgi perduoti „gyvąjį“ video (transliuoti tarkim filmą). 1993 metais buvo sukurta infraraudonojo perdavimo duomenų sistemų gamintojų asociacija IrDA (angl. Infrared Data Association), skirta nustatyti suderinamumui skirtingų gamintojų įrenginių. Dabartiniu metu egzistuoja standartas IrDA 1.1, išskyrus kurį yra nuosavos sistemos firmos Hewlett Packard HP–SIR (angl. Hewlett Packard Slow Infra Red) ir ASK (angl. Amplitude Shifted Keyed IR) firmos Sharp. Pagrindinės (greičio) charakteristikos sąsajos: - IrDA SIR (angl. Slow Infra Red), HP–SIR – 9,6–115,2 Kb/s; - IrDA MIR (angl. Middle Infra Red) – 1,2 Mb/s; - IrDA FIR (angl. Fast Infra Red) – 4 Mb/s; - Sharp ASK – 9,6–57,6 Kb/s. Greičiuose iki 115,2 Kb/s infraraudonajai jungčiai naudojamas UART, tai suderinama su 16450/16550. Šiuolaikinėse sisteminėse plokštėse, norėdami naudoti infraraudonąją jungtį, dažnai gali konfiguruoti (būti naudojamas) portas COM2. Tokiu atveju kompiuterio plokštės priekyje statomas priėmiklis–perdaviklis – „infraraudonoji akis“, kuri jungiama prie skirstiklio IR– Connector sisteminės plokštės. Vidutiniams ir dideliems greičiams apsikeisti taikomos (naudojamos) specializuotos plokštės, orientuotos į aktyvų programiškai valdomą apsikeitimą arba DMA, su galimybe naudoti tiesioginio valdymo šyną (angl. Bus Master). Skirtingai nuo kitų bevielių sistemų sąsajų (radijo dažnių), infraraudonųjų spindulių šaltiniai nesukuria kliūties radijo dažnių diapazonui ir aprūpina pakankamai konfidencialų sąsajos lygį. Infraraudonieji spinduliai nepraeina pro sieną ir priėmimo atstumas išauga nedideliu, lengvai kontroliuojamu plotu. Beveik idealiai taikomos infraraudonosios technologijos sąsajos tarp portatyvinių kompiuterių (nešėjų) ir stacionarių kompiuterių arba dok–stotimis (angl. PC Docking) išplečiančios iki pilnavertės parankinės konfigūracijos. Infraraudonąją sąsają turi ir kai kurių tipų spausdintuvai. 3.11.4. COM uostai COM (angl. Serial interface) – nuoseklusis prievadas. POST BIOS (angl. POST Basic Input/Output System) – bazinė įvesties ir išvesties sąsaja. INT – procesoriaus pertraukimo procedūra. COM uostų resursai Pradedant nuo pirmųjų modelių, PC turėjo nuosekliąją sąsają – COM – portą (Communications Port – komunikacijos portas). Šis portas vykdo asinchroninį apsikeitimą pagal standartą RS–232. Kompiuteris gali turėti iki keturių nuosekliųjų portų COM1 – COM4 (AT klasės mašinoms – 2 portai). COM–portai turi išorinę dalį – kištukus (Male – „tėtis“) DB25P arba DB9P, išvestus į užpakalinę kompiuterio korpuso dalį. COM–portai yra realizuoti mikroschemose UART, kartu su i8250. Įvedimo/išvedimo zonoje jie užima 8 gretimus 8–bitinius registrus ir gali išsidėstyti pagal standartinius bazinius adresus 3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4). COM3 ir COM4 portams galimi ir alternatyvūs adresai 3E0h, 338h ir 2E0h, 238h atitinkamai. PS/2 standartiniai adresai yra portams COM3–COM8 – 3220h, 3228h, 4220h, 4228h, 5220h ir 5228h atitinkamai. 103 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Portai gali sudaryti aparatinį pertraukimą IRQ4 (paprastai naudojama COM1 ir COM3) ir IRQ3 (COM2 ir COM4 portams). Be to galima naudoti pertraukimo linijas IRQ11 (vietoj IRQ4) ir IRQ10 (vietoj IRQ3). Galimybė vienos linijos padalijimo ir naudojimo užklausai kelių portų (arba su kitais įrenginiais) priklauso nuo aparatinio pajungimo realizacijos ir programinio aprūpinimo. Naudojant portus, kurie yra prijungti prie ISA šynos, padalijamasis pertraukimas paprastai nedirba. COM uostų naudojimas, gedimai Priešingai pavadinimui, COM–portai yra naudojami manipuliatorių pajungimui (pelė). Šiuo atveju portas yra naudojamas nuoseklaus įvedimo rėžimu, aprūpinant įrenginio maitinimą iš sąsajos. Pelė gali būti pajungiama prie bet kurio tvarkingo porto, naudojant jungiamąjį laidą DB9S–DB25P arba, atvirkščiai DB25S–DB9P. Darbui su pele būtinai reikia naudoti pertraukimo liniją, tinkančią portui COM1 – IRQ4, COM2 – IRQ3 [1]. Kitas pagal populiarumą yra išorinių modemų pajungimas ryšiui su nutolusiais kompiuteriais palaikyti arba išėjimui į globalųjį tinklą. Modemai turi būti pajungiami pilnu (9 laidų) kabeliu DTE–DCE. Šis kabelis gali būti taip pat naudojamas atitinkamų dalių sujungimui (pagal kontaktų skaičių), galimas pritaikymas tarpinių (sujungiklių) 9–25, skirtų pelėms. Darbui su komunikaciniu programiniu aprūpinimu būtinai turi būti naudojami pertraukimai, bet čia, kaip taisyklė, daugiau laisvės skiriama suderintam porto numerio (adreso) ir pertraukimo linijos numerio išrinkimui. Jeigu numatomas darbas greičiu 9600b/s ir daugiau, tai – COM–portas turi būti realizuotas mikroschemoje UART 16550A arba kartu su ja. Darbo galimybė naudojant FIFO buferius ir apsikeitimas per kanalą DMA priklauso nuo komunikacinio PA. Dviejų kompiuterių sujungimui, nutolusių vienas nuo kito nedideliu atstumu, yra naudojamas tiesioginis jų COM portų sujungimas nulinio modemo kabeliu. Naudojantis programomis Norton Comamander arba Interlnk MS–DOS, leidžiama keistis failais iki 115,2 Kb/s perdavimo greičiu be aparatinio pertraukimo. Šis sujungimas gali būti naudojamas ir su tinkliniu paketu Lantastic, kuris leidžia labiau išplėsti servisą. Spausdintuvų pajungimas prie COM porto reikalauja pritaikti kabelį, atitinkantį išsirinkto protokolo šaltinio valdymą programiniam XON/XOFF arba aparatiniam RTS/CTS. Aparatinis protokolas tinkamesnis todėl, kad nereikalauja programinio palaikymo iš PC pusės. Pertraukimai įvedimi DOS priemonėmis (komandomis COPY arba PRINT) yra nenaudojami. COM–portas kartais dar yra naudojamas ir elektroniniams raktams pajungti (angl. Security Devices). Jie skirti apsaugai nuo nelicenzijuotų programinių produktų naudojimo. Šie įrenginiai gali būti paprasti, leidžiantys naudotis portu, periferijos pajungimui, taip pat ir pilnai užpildyti portą. COM–portas su atitinkamu programiniu palaikymu leidžia paversti PC terminalu, kaitaliojant komandų sistemą paplitusiais specializuotais terminalais (VT–52, VT–100 ir kt.). Iš principo paprasčiausias terminalas gaunamas, jeigu sujungtume funkcijas BIOS aprūpinimo COM–porto (Int 14h), su funkcija video serviso teletaipinio išvedimo (Int 10h) ir klaviatūrinį įvedimą (Int 16h). Vis dėlto toks terminalas dirbs mažais apsikeitimo greičiais, kadangi BIOS funkcijos, nors ir universalios, tačiau dirba ne pačiu greičiausiu būdu. Suprantama šiuo sąrašu COM–porto panaudojimas nesibaigia. Sąsaja RS–232C yra plačiai naudojama skirtinguose periferiniuose įrenginiuose ir terminaluose. Šie visi įrenginiai su tam tikros programinės įrangos palaikymui, gali būti jungiami prie PC. Be naudojimo pagal tiesioginę paskirtį, COM–portas gali būti naudojamas ir kaip dvikryptė sąsaja, kur yra trys programiškai valdomos išeinamosios linijos bei keturios programiškai skaitomos įeinamosios linijos su dvipoliariniais signalais. Jų naudojimas gali išsiplėsti pagal kiekvieno fantaziją. Egzistuoja, pavyzdžiui, vieno bito plačiaimpulsio transformatoriaus schema, kuri leidžia įrašyti garsinį signalą į PC diską, naudojant įeinamąją liniją COM–porto. Suprantama, šiuo metu, kai kiekviename PC yra garso plokštės, tai jau nestebina, nors savo laiku tai buvo gan įdomus sprendimas. 104 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3.11.5. Bendrosios žinios apie SCSI Kiekviena įranga, prijungta prie šynos turi savo SCSI ID, kuris paduodamas poziciniu kodu per 8–tą šynos bitą (iš čia ir įrangų apribojimas šynai). Įranga (ID) gali turėti iki 8 savo įrangų su savo LUN (angl. Logical Unit Number). Kiekviena įranga gali inicijuoti pasikeitimą su kita tiksline įranga (angl. Target). Pasikeitimo rėžimas per SCSI šyna gali būti asinchroninis ar labiau našesnis – sinchroninis (angl. Synchronous Negotiation), duomenų perdavimas kontroliuojamas pagal prioritetą. SCSI–1 specifikaciją griežtai apibūdina fiziniai ir elektriniai sąsajos parametrai ir komandų minimumas. Šynos dažnis – 5MGc. SCSI–2 specifikacija apibūdina 18 SCSI bazinių komandų (angl. Common Command Set, CCS), privalomų visoms periferinėms įrangoms ir papildomos komandos dėl CD–ROM ir kitai periferijai. Įrangą palaiko eilės – gali priimti grandinėles iki 256 komandų ir įvykdyti jas geriausia tvarka – automatiškai. Įrangos prie vienos SCSI šynos gali keistis duomenimis be CPU dalyvavimo. Papildomi SCSI–2 išplėtimai: - Fast SCSI–2 – padvigubintas sinchroninio perdavimo greitis (šynos dažnis 10MGc). - Wide SCSI–2 – 16 bitų (rečiau 32 bitų) praplėstas SCSI–2 - Ultra SCSI – greita sąsaja (šynos dažnis 20MGc) Maksimalus pralaidumas priklauso nuo dažnio ir šynos klasės ir dėl praplėtimo kombinacijų, nurodytų 3.5 lentelėje. 3.5 lentelė Duomenų perdavimo greitis, ilgis ir SCSI kabelių tipas Šyna, bitas Įprastas Fast Ultra Kabelio tipas 8 (Narrow) 5 MB/s 10 MB/s 20 MB/s A 16 (Wide) 10 MB/s 20 MB/s 40 MB/s P 32 (Wide) 20 MB/s 40 MB/s 80 MB/s A+P+Q Maksimalus kabelio ilgis 6 m 3 m 1,5 m linijinis SCSI–3 – tolimesnis standarto išvystymas, nukreiptas padidinti prijungiamos įrangos kiekį, komandų papildomą specifikaciją, Plug and Play palaikymą. Kaip alternatyvą paraleliniai SPI (SCSI–3 Parallel Interface) sąsajai atsiranda galimybė panaudoti nuosekliai, tuo pačiu ir skaidulinę– optinę sąsają veikiančią 100 Mb/s greičiu. SCSI–3 gyvuoja plataus spektro dokumentuose, apibūdinančiuose atskiras sąsajos puses, ir daug kur taiko su nuoseklia FireWire šyna. Vis dėlto suvienodinti tuos du pavadinimus nekorektiška. SCSI kabeliai, jungtys, trumpikliai Pagal tipus signalai skirstomi į linijinius (angl. Single Ended) ir diferencinius (angl. Differential). Pagal SCSI versijas, jų kabeliai ir jungtys identiškos, bet įrangos elektrinio sutapimo tarp jų nėra. Diferencinė versija kiekvienam signalui naudoja pintą laidininkų porą ir specialius siųstuvus – imtuvus, dėl to atsiranda galimybė, leidžianti naudoti didelio ilgio kabelį, išsaugant aukšto dažnio pasikeitimą. Diferencinė sąsaja naudojama galinguose diskinių sistemų servisuose, bet paprastuose PC nepaplitęs. Plačiai naudojamoje linijinėje versijoje kiekvienas signalas turi eiti savo vienu laidininku, susuktu (arba kraštutiniu atveju atskirtu nuo kito plokščiame šleife) su nuliniu (grįžtamuoju) laidu. Įrangos sujungtos kabeliais į grandinėlę (angl. Daisy Chain), kraštutinėse įrangose prisijungia terminatoriai. Dažnai viena iš kraštutinių įrangų būna host–adapteris. Host– adapteris gali turėti kiekvienam kanalui vidinę ir išorinę jungtį. Kartu naudojant vidinę ir išorinę host–adapterio jungtis, jų terminatorius atjungia. Konkretus terminatorių panaudojimas turi svarbią reikšmę – nebuvimas vieno iš terminatorių, arba atvirkščiai, atliekamas terminatorius gali privesti prie nepastovumo arba interfeiso darbingumo praradimo. Pagal vykdymą terminatoriai gali būti kaip vidiniai (patalpinti 105 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 įrangos), taip ir išoriniai (įstatyti į kabelių jungtis ar įrangą). Pagal elektrines savybes skiriami šių tipų terminatoriai: - Pasyvūs (SCSI–1) su tiriamąja varža 132 omų – paprastos varžos. Šie terminatoriai netinkami SCSI–2 greitiems rėžimams - Aktyvūs su tiriamąja varža 110 omų – specialūs terminatoriai veikiantys 10 MGz dažniu SCSI–2 - FPT (angl. Forced Perfect Terminator) – pagerintas aktyvių terminatorių variantas numetimus apribojant. 3.114 pav. Universalūs SCSI žymėjimai Aktyvūs terminatoriai reikalauja maitinimo, dėl to yra speciali sąsajos linija TERMPWR. SCSI kabelių asortimentas labai platus. Pagrindiniai kabelių standartai: - A kabelis: standartinis 8 bitų SCSI sąsajai, 50 laidų vidinis šleifas (jungtis IDC – 50) arba išorinis ekranuotas (jungtis CENTRONICS 50). - B kabelis: 16 bitų SCSI plėstuvas, nepopuliarus. - P kabelis: 16 bitų SCSI–2/3 68 laidais su pagreitintomis miniatiūrinėmis ekranuotomis jungtimis, universalūs vidiniams ir išoriniams kabeliams 8–, 16–, 32 bitų versijoms SCSI (8–bitiniame kontaktai 1–5, 31–39, 65–68 nenaudojami). Jungtys dėl išorinio prisijungimo atrodo kaip miniatiūrinis Centronics variantas su plokščiais kontaktais, vidiniai turi spyglio tipo kontaktus. - Q kabelis: 68 laidų išsiplėtimas iki 32 bitų, naudojamas poroje su P kabeliu - Kabelis su DB–25P jungtimis – 8 bitų standartinis dėl Macintosh, naudojamas kai kuriuose išorinėse įrangose (Iomega ZIP – Drive). Be to, galimi įvairūs priėjimų variantai. Savikontrolės klausimai 1. Apibūdinkite nuosekliąją sąsają. 2. Charakterizuokite RS-232 sąsają. 3. Apibrėžkite srovės kilpos tipo sąsają. 4. Apibūdinkite COM uostus. 5. Apibūdinkite dviejų kompiuterių sujungimą, kai vienas nuo kito nutolę nedideliu atstumu. 6. Apibūdinkite SCSI. 106 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 4. SAVARANKIŠKO DARBO UŽDUOTYS Šiame skyriuje pateikiamos savarankiško darbo užduotys tai – praktinės, laboratorinės savarankiško teorijos kartojimo refleksiniai klausimai. Pateikiama jų atlikimo ir jų vertinimo metodika. KLAUSIMAI REFLEKSIJAI 1. Kas perneša informaciją? 2. Kaip atliekamas signalų kvantavimas? (Kvantavimo rūšys ir būdai trumpi apibūdinimai.) 3. Kaip atliekamas kvantavimas pagal amplitudę? 4. Kaip atliekamas kvantavimas pagal laiką? 5. Kaip atliekamas informacijos perdavimas kodinėmis kombinacijomis? 6. Kokios yra kodų sistemos? (dvejetainė aštuoniatainė, šešioliktainės) 7. Kas yra nepertraukiama moduliacija? 8. Kas yra signalo moduliacija ir kokie moduliacijos metodai taikomi? 9. Apibūdinkite nepertraukiama moduliacija. 10. Kas yra impulsinė moduliacija? (apibrėžimas ir grafinai pavyzdžiai) 11. Signalų pardavimo patikimumas (pagrindinės sąvokos) 12. Kokie galimi signalų trukdžiai? (slopinimas, signalų iškraipymai) 13. Kokios yra loginių elementų rūšys? (IR, ARBA, NE … būsenų lentelės ir paskirtis) 14. Paaiškinkite trigerio veikimo principą. 15. Kokios būna trigerių rūšys? (RC, RS, D, JK) 16. Kokius įrenginius apibūdina žodis dešifratorius/ 17. Kaip veikia šifratoriai sudaryti iš IR-NE ir ARBA-NE loginių elementų ? 18. Kam skirti loginiai skaitikliai? 19. Paaiškinkite poslinkio registro veikimo principą.. 20. Kaip trumpai apibūdintumėte komutatorių ir multipleksorių? (kuo jie skiriasi) 21. Signalai optinėje gijoje 22. Duomenų perdavimo protokolai ir sąsajos 23. LAN tinklų klasifikavimas 24. Korinio ryšio organizavimo principai 25. Pažeidimai ir nenormalūs režimai elektros įrengimuose 26. Pagrindiniai reikalavimai keliami relinei apsaugai. 27. Relių jungimo į schemą ir veikimo į jungtuvą būdai. 28. Relinės apsaugos schemos. Operatyviniai srovės šaltiniai. 29. Srovės transformatorių parinkimas relinės apsaugos schemose. 30. Srovės transformatorių antrinių apvijų jungimo schemos. 31. Įtampos transformatorių jungimo schemos. 32. Elektromagnetinės relės ir pagrindiniai jų parametrai. 33. Elektromagnetinės srovės, įtampos, signalinės, tarpinės ir laiko relės. 34. Indukcinės srovės relės. 35. MSA su kintama operatyvine srove. Poveikio srovė. 36. MSA su nuolatine operatyvine srove. 37. MSA su minimalios įtampos blokuote. 38. Srovės atkirta. 39. KMSA apsauga. Poveikio srovė. 107 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 40. Galios relės veikimas, jungimo schemos ir pagrindinės charakteristikos. 41. Apsauga nuo įžemėjimų tinkluose su didelėmis įžemėjimo srovėmis. 42. Apsauga nuo įžemėjimų tinkluose su mažomis įžemėjimo srovėmis. 43. Išilginė linijos diferencinė apsauga. 44. Skersinė linijos diferencinė apsauga. 45. Distancinė apsauga. 46. Pagrindiniai distancinės apsaugos elementai. 47. Aukšto dažnumo apsaugos. 48. Generatoriaus statoriaus grandinės apsaugos. 49. Generatoriaus rotoriaus relinės apsaugos. 50. Transformatorių dujinė apsauga. 51. Transformatorių diferencinė apsauga. 52. Transformatorių apsaugos nuo perkrovimo, įžemėjimo ir išorinių trumpųjų jungimų. 53. Blokų generatorius-transformatorius apsaugos. 54. Elektros variklių apsaugos. (asinchroninių) 55. Šynų diferencinė apsauga. Jungtuvų rezervavimo įrenginiai ( JRĮ ). 56. Varžos relės. 4.1. Praktinė užduotis (namų darbas) AUTOMATINIŲ SISTEMŲ SANDAROS IR VALDYMO PRINCIPŲ TYRIMAS Darbo tikslas: Susipažinti su automatinių sistemų funkciniais elementais ir jų kintamųjų klasifikavimu; išnagrinėti pagrindinius šių sistemų veikimo bei valdymo principus. Teorinė dalis: Kiekvieną valdymo sistemą, nepriklausomai nuo jos tipo ar fizinės prigimties, apibūdina: – valdymo tikslai; – sistemos komponentai; – valdymo rezultatai. Moksle bei technikoje šias tris pagrindines valdymo sistemos sudedamąsias dalis įprasta identifikuoti su jos kintamaisiais ir sistemos valdymo principais. Visus su valdymo sistema (1.1 pav.) susijusius kintamuosius galima skirti į dvi grupes: Valdymo sistema … Reguliuojamieji kintamieji Matuojamieji išėjimai … Išoriniai trikdžiai matuojamieji nematuojamieji … … … Nematuojamieji išėjimai 1.1 pav. Valdymo sistemos kintamieji 108 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 1. Įėjimo kintamuosius, apibūdinančius aplinkos poveikį valdymo sistemai; 2. Išėjimo kintamuosius, apibūdinančius valdomo objekto (elektrinio, mechaninio, šiluminio ar kt. įrenginio, arba cheminio, ekonominio, biologinio ar kt. proceso) poveikį aplinkai. Įėjimo kintamieji savo ruožtu gali būti klasifikuojami į šias dvi kategorijas: 1. Reguliuojamieji kintamieji, kurių reikšmes laisvai gali nustatyti (reguliuoti) žmogus operatorius arba valdymo įrenginys; 2. Trikdžiai, kurių reikšmės nėra operatoriaus arba valdymo įrenginio veikimo rezultatas. Sistemos išėjimo kintamuosius galima klasifikuoti į šias dvi kategorijas: 1. Matuojamieji išėjimo kintamieji. Jų tikslios reikšmės yra žinomos (arba randamos) jas tiesiogiai išmatuojant; 2. Nematuojamieji išėjimo kintamieji. Šių kintamųjų reikšmės nėra arba negali būti tiesiogiai išmatuotos. Svarbiausias kiekvienos automatinės sistemos komponentas yra valdymo objektas. Pirmasis klausimas į kurį reikia atsakyti formuojant šio objekto valdymo vyksmą yra: 1 klausimas: Kokius operacinius tikslus turi įgyvendinti duotojo objekto valdymo sistema? Atsakymas į šį klausimą leidžia apibrėžti sistemos valdymo tikslus. Šie tikslai gali būti, pavyzdžiui: – užtikrinti duotojo valdymo objekto stabilų veikimą, arba – nuslopinti žalingą išorinių trikdžių poveikį, arba – optimizuoti technines (ekonomines ar kt.) valdymo objekto charakteristikas ir kt. Sistemos valdymo tikslai pradžioje yra apibrėžiami kokybiškai, vėliau jie, paprastai, išreiškiami jos išėjimo kintamaisiais. Kad ir kokie būtų sistemos valdymo tikslai, būtinos priemonės kontroliuoti jos valdymo objekto charakteristikas. Šios priemonės įgyvendinamos matuojant tam tikrus valdymo vyksmo kintamuosius. Taigi kyla klausimas: 2 klausimas: Kuriuos kintamuosius būtina matuoti siekiant kontroliuoti duotojo valdymo objekto veikimo charakteristikas? Natūralu, kad norima tiesiogiai kontroliuoti tuos kintamuosius, kurie išreiškia sistemos valdymo tikslus. Taigi, jeigu įmanoma, šie kintamieji ir matuojami. Jeigu sistemos valdymo tikslai yra apibrėžti, o reikalingi matavimai – identifikuoti, kitas klausimas siejamas su poveikiu valdymo objekto charakteristikoms: 3 klausimas: Kurie kintamieji turėtų būti naudojami duotajam objektui valdyti? Praktinių sistemų valdymo objektuose paprastai būna keletas įėjimo kintamųjų, kuriuos galima laisvai reguliuoti (pavyzdžiui, nustatytą skysčio lygį hidrauliniame bake galima palaikyti keičiant jo intako arba ištakos tūrinį srautą). Nuo to, kuris iš alternatyviųjų kintamųjų yra parenkamas ir naudojamas objektui valdyti, priklauso šio objekto valdymo vyksmo kokybė. Jeigu sistemos valdymo tikslai yra apibrėžti, būtini matavimai – identifikuoti, o jos objektui valdyti tinkami kintamieji – nustatyti, sprendžiamas sistemos funkcinių elementų ir jų tarpusavio ryšių sandaros, t.y. valdymo sistemos konfigūracijos parinkimo uždavinys. Valdymo sistemos konfigūracija – tai informacinė struktūra, išmatuotus kintamuosius susiejanti su valdymo (reguliuojamais) kintamaisiais. Egzistuoja daug skirtingų valdymo sistemos konfigūracijos formų. Taigi kyla klausimas: 4 klausimas: Kuri valdymo sistemos konfigūracija geriausiai tinka duotajam objektui valdyti? Valdymo sistemas klasifikuojant pagal jų valdomųjų išėjimų ir reguliuojamų įėjimų skaičių, galima skirti į: 109 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 – vieno įėjimo ir išėjimo sistemas; – daugelio įėjimų ir išėjimų sistemas. Paprastesniųjų – vieno įėjimo ir išėjimo – sistemų valdymui plačiausiai naudojamos šios skirtingus valdymo principus įgyvendinančios konfigūracijos: – atvirojo valdymo; – tiesioginio ryšio; – grįžtamojo ryšio (uždarosios); – mišriojo valdymo. Atviroji automatinė sistema (1.2 pav.) įgyvendina atvirojo valdymo principą, kai reguliatoriaus poveikis valdymo objektui formuojamas remiantis vien tik objekto valdymo (funkcionavimo) algoritmu ir nepriklauso nei nuo objektą veikiančių trikdžių, nei nuo jo valdymo rezultato – sistemos valdomojo išėjimo. Reguliatorius Valdymo objektas Reguliuojamas įėjimas Trikdys Valdomasis išėjimas 1.2 pav. Atviroji automatinė sistema Tiesioginio ryšio sistema (1.3 pav.) leidžia įgyvendinti išorinių trikdžių kompensavimo principą, kai valdymas vykdomas tiesiogiai matuojant objektą veikiančius trikdžius ir atitinkamai keičiant jo valdymo algoritmą. Šioje sistemoje valdymo vyksmas prasideda anksčiau negu pasirodo nepageidaujamos trikdžių poveikio pasekmės. Trikdys Reguliatorius Valdymo objektas Reguliuojamas įėjimas Valdomasis išėjimas 1.3 pav. Tiesioginio ryšio valdymo sistema Atviroji ir tiesioginio ryšio sistema veikia stabiliai tol, kol valdymo objektas yra stabilus. Grįžtamojo ryšio (uždaroji) sistema (1.4 pav.) įgyvendina nuokrypio kompensavimo principą, kai objekto valdymo algoritmui sudaryti naudojamas išmatuotų valdomųjų išėjimų ir reguliuojamų įėjimų palyginimo rezultatas – nuokrypis. Ši valdymo sistemos konfigūracija leidžia kompensuoti dėl vidinių ar išorinių trikdžių atsiradusį nuokrypį tarp valdymo tikslo (įėjimo kintamojo) ir valdymo rezultato (išėjimo kintamojo). Grįžtamojo ryšio sistemoje objekto valdymo vyksmas prasideda tik tada, kai pasirodo trikdžių poveikio pasekmės, t.y. objekto valdymo algoritmo pakeitimai daromi įvertinus informaciją apie faktinį valdymo rezultatą. 110 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Trikdys Valdymo objektas Reguliatorius Valdomasis išėjimas Reguliuojamas įėjimas 1.4 pav. Grįžtamojo ryšio valdymo sistema Objektų valdymo tikslumui padidinti kartais naudojamos mišriojo valdymo sistemos (1.5 pav.), kuriose yra suderinti išorinių poveikių ir nuokrypio kompensavimo principai. Trikdys Valdymo objektas Reguliatorius Valdomasis išėjimas Reguliuojamas įėjimas 1.5 pav. Mišriojo valdymo sistema Grįžtamojo ryšio (uždarosios) sistemos valdymo objekto veikimas gali tapti nestabilus, t.y. jos valdomieji kintamieji gali išaugti iki (teoriškai) begalinių reikšmių. Pasiruošimo darbui klausimai: 1. Pateikite rankinio valdymo sistemos pavyzdį. Nurodykite šio valdymo pranašumus ir trūkumus. 2. Išvardykite automatinio valdymo pranašumus ir trūkumus. 3. Suformuluokite valdymo sistemos kintamųjų: a) reguliuojamasis (užduoties) kintamasis; b) valdymo kintamasis; c) valdomasis kintamasis apibrėžimus. 4. Paaiškinkite terminą „valdymo sistemos konfigūracija“. 5. Suformuluokite termino „valdymo principai“ apibrėžimą. 6. Pateikite atvirosios valdymo sistemos pavyzdį. 7. Aprašykite grįžtamojo ryšio valdymo sistemos veikimo principą. 8. Nurodykite atvirosios ir grįžtamojo ryšio valdymo sistemų funkcinius skirtumus. 9. Ar tiesioginio ryšio valdymo sistema yra atviroji ar uždaroji sistema? 10. Sudarykite trumpojo jungimo atvejo : a) valdymo; b) kompensavimo; c) nuokrypio kompensavimo principus įgyvendinančių valdymo sistemų funkcines schemas. 11. Išvardykite reguliatoriaus automatinėje sistemoje vykdomas funkcijas. 12. Pateikite paprasčiausio valdymo algoritmo (dėsnio) pavyzdį. Literatūra: 1. Ch.Schmid. Course on Dynamics of Multidisciplinary and Controlled Systems. Interaktyvi prieiga per internetą: http://www.atp.ruhr-uni-bochum.de/rt1/syscontrol/node5.html. 2. A. Ivanauskas. Automatinio valdymo teoriniai pagrindai. Kaunas: Technologija, 2005, 20-30 psl. 3. V.S. Januševičius. Automatinis valdymas: teorija, uždaviniai, sprendimai. Kaunas: Technologija, 2003, 13 – 16 psl. Darbo užduotis: 1. Naudodamiesi pateiktais virtualaus objekto ir jo valdymo demonstraciniais pavyzdžiais, identifikuokite visus galimus šio objekto valdymo tikslus bei kintamuosius. 111 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 2. Sudarykite duotojo objekto valdymo tris skirtingus principus įgyvendinančių sistemų funkcines schemas. 3. Išvardykite duotojo objekto rankinio valdymo proceso pranašumus bei trūkumus. 4. Išnagrinėkite duotojo objekto dvipozicinio valdymo sistemos veikimą. Nustatykite šio valdymo pranašumus bei trūkumus. 5. Išnagrinėkite duotojo objekto grįžtamojo ryšio valdymo sistemos su tolydžiuoju reguliatoriumi veikimą. Nustatykite šios sistemos pranašumus bei trūkumus. 6. Darbo ataskaitoje pateikite: a) užduoties antroje dalyje reikalaujamas sudaryti valdymo sistemų funkcines schemas; b) išvadas apie duotojo objekto rankinio valdymo, tiesioginio ryšio valdymo ir grįžtamojo ryšio valdymo procesų palyginimo rezultatus; c) visų grįžtamojo ryšio valdymo sistemos komponentų vykdomų funkcijų aprašą. 4.2. Laboratoriniai darbai Modulio „Automatikos pagrindai“ laboratorinių darbų tikslas – išmokyti studijuojančiuosius analizuoti valdymo ir automatinio reguliavimo sistemas taikant įgytas teorines žinias, ugdyti praktinius gebėjimus pasirinkti ir pritaikyti automatizavimo įrenginius valdymo uždaviniams spręsti, savarankiškai sudaryti ir užprogramuoti nesudėtingas automatinio valdymo sistemas. 4.2.1. Metodinės nuorodos laboratoriniams darbams BENDROS DARBO SAUGOS TAISYKLĖS 1. Laboratorijoje leidžiama dirbti tik susipažinus su saugos darbe taisyklėmis. 2. Studentas, išklausęs saugos darbe instruktažą, privalo pasirašyti darbų saugos žurnale. 3. Laboratorijoje dirbama paskirtoje darbo vietoje grupelėmis po 2-3 studentus. Darbui naudojami tik nurodyti, ant stalų išdėstyti prietaisai. 4. Atliekant laboratorinius darbus negalima be reikalo vaikščioti ar pasišalinti iš darbo vietos be dėstytojo leidimo 5. Laboratorijoje naudojama maitinimo įtampa 220/380 V, kurios dažnis 50 Hz. 6. Ne darbo metu pagrindinio tinklo jungiklis laboratorijoje turi būti išjungtas. PASIRENGIMAS ATLIKTI LABORATORINIUS DARBUS 1. Prieš darant laboratorinį darbą, studentas turi būti susipažinęs su teorine medžiaga, reikalinga tam darbui, su naudojamų prietaisų techniniais aprašymais, rankenėlių paskirtimi, jei reikia- prietaisą suderinti. 2. Pradedant darbą pirmiausiai įjungiami ir paruošiami darbui matavimo prietaisai. Po to sujungiama matavimo schema. Prieš jungiant maitinimo šaltinio laidus, būtina įsitikinti, ar išjungti jungikliai maitinimo skyde. Kol schemos nepatikrino dėstytojas, maitinimo įtampą įjungti draudžiama. Jei darbo metu schemą reikia pakeisti, tai atliekama išjungus maitinimo įtampą. Po to schemą vėl turi patikrinti dėstytojas. 3. Įžeminti visus prietaisus. 4. Prietaisai ir maketai sujungiami pagal darbo aprašyme nurodytą schemą. 5. Įjungti įtampą galima tik po to, kai sujungimo schemą patikrina dėstytojas. 6. Būtina laikytis prietaisų darbo režimų, kurie nurodyti prietaisų techniniame pase. LABORATORINIŲ DARBŲ ATLIKIMO TVARKA 112 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 1. Laboratorinių darbų užduotis reikia atlikti darbo aprašyme nurodyta tvarka. 2. Darbo metu naudoti tik tvarkingus laidus ir kabelius. 3. Pakeitimus grandinėje daryti tik atjungus ją nuo įtampos maitinimo šaltinio. 4. Darbo metu pastebėjus bet kokius aparatūros gedimus būtina išjungti maitinimo įtampą ir informuoti dėstytoją. 5. Prietaisų darbo režimų perjungimus atlikti pagal prietaisų techninius aprašymus. 6. Ypatingai atsargiai dirbti su kintamos srovės grandinėmis, kuriose įjungtos ritės ir kondensatoriai. Jose gali įvykti rezonansas ir įtampa gali labai padidėti. 7. Saugiklius leidžiama keisti tik atjungus maitinimo įtampą. 8. Darbo vietoje neturi būti nereikalingų daiktų. 9. Sugedus prietaisui ar maketui pranešti dėstytojui ar laborantui. 10. Baigus atskirą darbo etapą, matavimų ir skaičiavimų rezultatai pateikiami įvertinti dėstytojui. Tik po to galima keisti schemą arba atlikti sekantį darbo etapą. 11. Baigus darbą, tyrimo rezultatus patikrina dėstytojas, ir tik po to schema išardoma, išjungiami matavimo prietaisai, sutvarkoma darbo vieta. Įžeminimo laidai ir maitinimo kabeliai nuo matavimo prietaisų neatjungiami. 12. Sutvarkyta rašytinė visų atliktų darbų ataskaita pateikiama dėstytojui. Kiekvieno laboratorinio darbo ataskaitoje turi būti eksperimento schema, matavimų ir skaičiavimų rezultatai pateikti lentelių pavidalu ir grafiškai. Tyrimo rezultatai, jei reikalaujama, iliustruojami oscilogramomis, naudojant įtampų ir laiko mastelius. Eksperimento rezultatai apibendrinami išvadose. 13. Atlikęs darbus, studentas turi juos apginti. LABORATORINIŲ DARBŲ ATASKAITOS TURINYS Laboratorinio darbo ataskaitoje turi būti pateikta: 1. Laboratorinio darbo numeris ir pavadinimas. 2. Darbo tikslas. 3. Darbo eiga. 4. Reikalingos matavimo schemos. 5. Matavimų ir skaičiavimų duomenys lentelėse, jei reikalingi – ir grafikai. 6. Atsakymai į klausimus. 7. Išvados. LABORATORINIŲ DARBŲ GYNIMAS Rašytinė visų atliktų darbų ataskaita pateikiama dėstytojui. Laboratorinių darbų gynimo metu darbo pristatymui studentui skiriamos 3-5 min, o po to jam pateikiami žodžiu papildomi klausimai. Ataskaitoje vertinamas matavimų, skaičiavimų ir išvadų teisingumas, studento praktiniai įgūdžiai, atsakymų į klausimus logiškumas ir išsamumas. Ši gynimo dalis sudaro 70% viso gynimo pažymio. Be to, kreipiamas dėmesys į ataskaitos tvarkingumą ir nurodytos struktūros bei apiforminimo taisyklių atitikimą. Ši laboratorinių darbų dalis sudaro 30% gynimo pažymio. Visa vertinimo sistema parodyta sekančiame paragrafe. 113 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 1. Laboratorinis darbas KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Elektromechanikos fakultetas Energetikos ir elektronikos katedra Mikroprocesoriaus Intel 80386 tyrimas Darbo tikslas Susipažinti su mikroprocesoriaus Intel 80386 architektūra ir jo darbo režimais. Literatūra Matkevičius E. Mikroprocesoriniai valdymo įtaisai I dalis. Mokomoji knyga. Kaunas, 2009. 175 psl. (8-19psl.). Bendrosios žinios Intel 80386 – pirmasis Intel korporacijos 32 skilčių mikroprocesorius pasirodė 1985 metais. Jis turėjo atskiras 32 skilčių adresų ir duomenų magistrales. Vėliau, 1988 metais, korporacija Intel išleido mikroprocesoriaus variantą Intel 80386SX su 16 skilčių duomenų ir 24 skilčių adresų magistralėmis. Siekta atpiginti kompiuterių surinkimą, tačiau kompiuterio veikimo greičio sąskaita. Netrukus pirmasis mikroprocesoriaus variantas oficialiai buvo pavadintas Intel 80386DX. Kompiuterio su SX mikroprocesoriumi greitis apie pusantro karto mažesnis už kompiuterį su tokio pat taktinio dažnio DX mikroprocesoriumi. Abu mikroprocesorių tipai skiriasi tik išorinėmis duomenų ir adresų magistralėmis, jų programiniai modeliai identiški. 1990 m. pasirodė mikroprocesorius Intel 80386SL su energijos vartojimo valdymo priemonėmis, sukurtas specialiai portatyviniams kompiuteriams. Komplekte su 386SL buvo gaminta DIS 82360SL, kurios sudėtyje buvo ISA magistralės, dinaminės ir išorinės sparčiosios atminties valdikliai. Intel 80386 mikroprocesorius pagrindinėmis savybėmis ir komandų sistema yra suderinamas su 16 skilčių pirmtakais 8086/88 ir 80286. Tačiau 80386 mikroprocesoriuose nėra ankstesniems procesoriams būdingos 64 KB atminties segmento ribos. 32 skilčių procesorių ši riba – 4 GB, be to, jie gali palaikyti iki 64 TB virtualiosios atminties. Vidinis atminties valdymo blokas palaiko segmentacijos ir puslapių adresų transliavimo mechanizmus. Procesorius gali dirbti vienu iš dviejų režimų ir greitai pereiti nuo vieno prie kito: ƒ Real Address Mode – realaus adresavimo arba tiesiog realiuoju – Real Mode režimu, visiškai suderinamu su 8086. Šiuo režimu galima adresuoti iki 1 MB fizinės atminties. ƒ Protected Virtual Address Mode – virtualaus adresavimo apsaugos režimu (arba sutrumpintai apsaugos režimu – Protected Mode). Šiuo režimu procesorius gali adresuoti iki 4 GB fizinės atminties, o panaudojus puslapinio adresavimo mechanizmą iki 64 TB virtualiosios atminties kiekvienam uždaviniui. Procesorius taip pat gali dirbti virtualiojo 8086 procesoriaus režimu. Šis režimas yra atskiras apsaugos režimo atvejis, kai procesorius funkcionuoja kaip 8086. Tokiu režimu vienas procesorius tuo pačiu metu gali atlikti keletą vienas su kitu nesusijusių uždavinių. Kiekvienam uždaviniui skirtus atminties ir įvesties / išvesties resursus kontroliuoja 4 lygmenų apsaugos sistema. Užduotis 1. Įjungti kompiuterį ir paleisti programą Intel 80386. 2. Susipažinti su programos struktūra ir jos valdymu. 3. Programoje pasirinkti apklausos režimą ir nuosekliai tiriant pateiktuosius tekstus bei iliustracijas rasti atsakymus į programos klausimus. Ataskaitos turinys 1. Darbo tikslas. 2. Darbo rezultatų apibendrinimas. 114 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 2. Laboratorinis darbas KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Elektromechanikos fakultetas Energetikos ir elektronikos katedra ELEKTROMAGNETINIŲ RELIŲ TYRIMAI ELEKTROMAGNETINIŲ TARPINIŲ RELIŲ BANDYMAS Darbo tikslas: “Susipažinti si įvairių tarpinių relių konstrukcijomis ir jų bandymo technika Literatūra Tinteris V. Relinė apsauga. Vilnius, 1980. 143 psl. (46-72 psl.). Užduotis: 1. Susipažinti su darbui skirtais prietaisais ir aparatais. Užrašyti jų techninius duomenis. 2. Išmatuoti tarpinių relių izoliacijos varžas. Matavimų rezultatus surašyti į lentelę.1 lentelę Izoliacijos varžų matavimų rezultatai 1 lentelė Matavimo pavadinimas Matavimo rezultatai Pastabos 1. Apvija - magnetolaidis 2. Apvija - kontaktai 3. kontaktai - magnetolaidis 3 Išmatuoti relių apvijų varžas. 4 Sujungti 1 pav. Parodyti schema ir išmatuoti relės PII – 210 suveikimo ir grąžinimo įtampas. Padaryti išvadas. 5 Sujungti 2 pav. parodytą schema ir išmatuoti relės PII – 252 suveikimo ir grąžinimo įtampas. Padaryti išvadas. 6 sujungti 3 pav. parodyti schema išmatuoti relės PII – 252 suveikimo ir gražinimo dydžius. patikrinti ar teisingai pažymėtas apvijų poliaringumas. 7. Nuspręsti ar išbandytos relės tinka eksploatacijai. 1 pav. Relės PII – 210 bandymo schema 115 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 2 pav. Relės PII – 252 bandymo schema 3 pav. Relės PIT – 252 bandymo schema Metodiniai nurodymai: 1. . Izoliacijos varžos matuojamos 500V įtampos megometrų. Jeigu izoliacijos varža ne mažesne už 0.5 MΩ, relė eksploatacijai netinka. .2 Relių suveikimo įtampa neturi viršyti (0.7 – 0.8) U v nuolatinės srovės relėmis ir U v - kintamosios srovės relėms. Suveikimo įtampa reguliuoja keičiant grąžinimo spyruokles įtempimą. Gražinimo dydžiai – nenormuojami. Tikrinant kintamosios srovės relių suveikimo įtampas, kreipti dėmesį į kreivės formavimą. Įtampa šiuo atveju reguliuoti autotransformatoriumi. .3. Relės PIT – 252 apvijų poliaringumas tikrinamas taip: pradžioje jungikliu SI įjungiama tik lygiagrečioji apvija ir išmatuojama jos suveikimo įtampa; po to jungikliu S2 įjungiama nuoseklioji apvija ir vėl išmatuojama relės suveikimo įtampa. Jeigu relės suveikimo įtampa sumažėja, apvijų poliaringumai sutampa. Jeigu suveikimo įtampa padidėja – poliaringumai priešingi. ELEKTROMAGNETINIŲ SIGNALINIŲ RELIŲ BANDYMAS IR JUNGIMO SCHEMOS Darbo tikslas 1 Susipažinti su įvairiausiomis relėmis ir jų bandymo technika. 2 Išmokti patikrinti signalines reles. Užduotis: 1 Susipažinti su darbui skirtais prietaisais ir aparatais. Užrašyti jų techninius duomenis. 2 Išmatuoti signalinių relių izoliacijos varžas. Matavimų rezultatus surašyti į 2 lentelę. 2 lentelę. Matavimų rezultatai Matavimo pavadinimas Matavimo rezultatas Pastabos 1. Apvija – magnetolaidis 2. Apvija – kontaktai 3. Kontaktai - magnetolaidis 3 Išmatuoti bandymui skirtų relių apvijų varžas. 4 Patikrinti signalinių relių būklę. 5 Sujungti 4 ir 5 pav. Parodytas schemas ir išmatuoti signalinių relių suveikimo dydžius. 6 Parinkti signalinę relę nuosekliam jungimui į tarpinės relės apvijos grandinę (6) pav. 6 Sujungti schema ir patikrinti ar suveikia signalinė relė. 116 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 4 pav. Nuosekliai jungiamos signalinės relės bandymo schema. 5 pav. Lygegrečiai jungiamos signalinės relės bandymo schema. 6 pav. Signalines relės įjungimo schema Metodiniai nurodymai 1 Izoliacijos varžos matuojamos 500V megaommetru. Jeigu izoliacijos varža mažesnė kaip 0,5MH, relė eksploatacijai netinka. 2 Signalinių ir tarpinės relių varžos matuojamos ommetru. Jeigu matavimo rezultatas skiriasi nuo paso nuo paso duomenų ne daugiau kaip 10%, reles apvija yra tvarkinga. 3 Signalinių relių mechaninė būklė tikrinama vizualiai. Relių elektrinės charakteristikos tikrinamos tik įsitikinus, kad jų mechaninė dalis yra tvarkinga. 4 Signalinių relių suveikimo dydžiai reguliuojami keičiant gražinimo spyruoklių įtempimą. 5 Nuosekliai jungiamoms signalinėms relėms keliami šie reikalavimai: 1) Signalinė ir tarpinė relės turi užtikrintai veikti, sumažėjus operatyviniai įtampai iki 0,8U v : 2) Signalinės relės jautrumo koeficientas: 4 , 1 > = rpKH r I I k Čia: KH KL v r R R U I + = 8 , 0 ; tarpinės relės apvija tekančios srovės stiprumas, esant sumažintai operatyviniai įtampai. 117 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 ELEKTROMAGNETINĖS LAIKO RELĖS BANDYMAS Darbo tikslas: 1Susipažinti su laiko relės konstrukcija ir bandymo technika. 2 Nuspęsti, ar relė tinkama eksploatacijai. Užduotis: 1 Susipažinti su darbui skirtais prietaisais ir aparatais, užrašyti jų techninius duomenis. 3 Patikrinti relės mechaninę būklę. 4 Išmatuoti relės izoliacijos varžas. Rezultatus surašyti į 3 lentelę. Izoliacijos varžų matavimų rezultatai (3 lentelė) Matavimo pavadinimas Matavimo rezultatas Pastabos Apvija – magnetolaidis Apvija – kontaktai Kontaktai - magnetolaidis 4 Išmatuoti relės apvijos varžą ir įmontuotos papildomos varžos dydį. Rezultatus palyginti su paso duomenimis ir padaryti išvadas. 5 Sujungti schemą (7 pav.) ir išmatuoti relės suveikimo ir grįžimo įtampas. Padaryti išvadas. 6 Sujungti bandymų schemą (8 pav.) ir patikrinti relės suveikimo trukmes visoms skalės padaloms. Bandymų rezultatus surašyti į 4 lentelę. Gautą paklaidą palyginti su paso duomenimis ir padaryti išvadas. Relės bandymu rezultatai (4 lentelė) Relės nustatymo trukmė t nust Relės suveikimo trukmė s t p Paklaida ∆ = t nust - t p 7 pav. Schema relės suveikimo įtampos matavimui 118 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 8 pav. Relės bandymų schema Metodiniai nurodymai: 1 Pirmiausia reikia įsitikinti ar relė tvarkinga mechaniškai ir tik po to tikrinti elektrines charakteristikas. 2 Izoliacijos varžas matuoti 1000V megometru. Jeigu izoliacijos varža mažesnė už 1MΩ, relė eksploatacijai netinka. 3 Relės apvijos varža ir papildoma varža matuojamos ommetru. Gauti rezultatai palyginami su paso duomenimis. Jeigu apvijos varža mažesnė, negu nurodyta pase, apviją reikia pervynioti. Blogą papildomą varžą reikia pakeisti. 4 Relės suveikimo įtampą matuojama tikslu patikrinti ar relė patikimai veikia sumažėjus operatyviniai įtampai iki 0,8 U V . Ataskaitoje pateikti. 1. Panaudotos aparatūros sąrašą su techniniais duomenimis. 2. Darbo schemas. 3. Lenteles su matavimu rezultatais. 4. Vidinių sujungimų schemą. 4. Išvadas. 119 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 3. Laboratorinis darbas KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Elektromechanikos fakultetas Energetikos ir elektronikos katedra SROVĖS TRANSFORMATORIŲ JUNGIMO SCHEMŲ TYRIMAS Darbo tikslas: 1 Išnagrinėti relinėse apsaugose naudojamas sroves transformatorių antrinių apvijų jungimo schemas. 2 Palyginti įvairių schemų jautrumus trumpiesiems jungimams. Literatūra Tinteris V. Relinė apsauga. Vilnius, 1980. 143 psl. Užduotis: 1 Susipažinti su darbui skirtais prietaisais ir įrengimais. Užrašyti jų techninius duomenis. 2 Paeiliui išbandyti visas schemas, išmatuojant darbo ir trumpojo jungimo sroves; išmatuoti srovių fazes įtampos U AB atžvilgiu. Rezultatus surašyti į 1.1 lentelę. 3 Remiantis matavimu rezultatais, kiekvienai schemai masteliu sudaryti vektorines diagramas. Grafiškai surastas srovių nuliniame laide vertes palyginti su matavimų rezultatais. 4 Kiekvienam atvejui apskaičiuoti schemos koeficientą: TA A a sch k I I k = (1.1) čia k TA – srovės transformatoriaus transformacijos koeficientas. 5 Apskaičiuoti schemų jautrumo koeficientus įvairioms trumpo jungimo srovėms: da ka j I I k 2 2 = (1.2) I 2ka – antrinė trumpo jungimo srovė fazėje A; I 2da – antrinė darbo srovė fazėje A. 1.1 lentelė Matavimų rezultatai, A Pirminė grandinė Antrinė grandinė Trumpo jungimo pavadinimas I A I B I C I 0 I 2M (ab) I 2M (bc) I 2M (ca) I 20 k sch k j Pastabos 1. Normalaus darbo srovės. 2. Trifazis trumpas jungimas su nuliniu laidu 3. Trifazis trumpas jungimas be nulinio laido. 4. Dvifazis trumpas jungimas. A-B B-C C-A 5. Dvifazis trumpas jungimas su žeme. A-B-0 B-C-0 C-A-0 120 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 6. Vienfazis trumpas jungimas. A-0 B-0 C-0 Pastaba: kiekvienai schemai sudaroma atskira lentelė, pastabų grafoje įrašomas jungimo schemos pavadinimas. Metodiniai nurodymai: 1 Atliekant bandymus, atidžiai sekti, kad nebūtų atvira kurio nors srovės transformatoriaus antrinė grandinė. 2 Trumpieji jungimai imituojami jungikliais S1-S4. trumpojo jungimo trukmė turi būti kuo mažesnė ir neviršyti 60s. 3 Srovių fazės matuojamos voltamperfazoindikatoriumi. 4 Vektorinės diagramos braižomos milimetriniame popieriuje. Prie kiekvienos diagramos būtina nurodyti srovių mastelį. Ataskaitoje pateikti: 1 Panaudotos aparatūros sąrašą su techniniais duomenimis 2 Darbo schemas 3 Lenteles su matavimų ir skaičiavimų rezultatais. 4 Vektorines diagramas 5 Išvadas apie kiekvienos schemos jautrumą. 121 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 4. Laboratorinis darbas KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Elektromechanikos fakultetas Energetikos ir elektronikos katedra Daugiafunkcinės difirencinės relės tyrimas 1. Darbo tikslas: susipažinti su dugiafunkcinės diferencinės relės konstukcija, paskirtimi ir panaudojimo galimybėmis. 2. Užduotis: 2.1. Susipažinti su relės moduliais. Paaiškinti jų pavadinimus. 2.2. Paaiškinti relės pajungimo schemą ir panaudojimo galimybes. 2.3. Aprašyti įvairių modulių nustatymus skirtinguose režimuose. Daugiafunkcinė difirencinė relė SPAD 346C Panaudojimas Diferencinė relė su stabdymu SPAD 346 C skina dviejų apvijų jėgos transformatorių ir blokų generatorius - transformatorius apsaugai nuo trumpų jungimų tarp vijų. apvijų, trumpų jungimų su žeme ir gnybtuose. o I. p. apsaugo generatorius nuo trumpųjų jungimų tarp vijų ir išvaduose apsaugos zonoje. Relė gali būti panaudota trijų apvijų transformatorių apsaugai, jeigu iš vienos pusės galingumas 3 ⁄ 4 didesnis už trumpojo jungimo. Esant išoriniam trumpajam jungimui su žeme diferencinėje apsaugoje gali susidaryti žymi nebalanso srovė, jei saugomo transformatoriaus neutrali įžeminta arba trumpasis jungimas įvyksta AĮ ar ŽĮ pusėje. Išvengiant bereikalingų suveikimų galima skaitmeniniu būdu iš fazinių srovių išjungti sudaromąja nulinę seką. Jei transformatoriaus ŽĮ pusė (sujungta Y-∆) įžeminta per transformatorių (sujungta žvaigžde -zigzagu). tai sudaromąją nulinę seką išjungti iš fazinių srovių galima skaitmeniniu būdu. Esant vienfaziam ir dvifaziam trumpajam jungimui su žeme diferencinės apsaugos jautrumas, matuojančiai fazines sroves, gali būti nepakankamas, ypač, jei transformatoriaus neutralė įžeminta per varžą. Tokiu atveju sudirba modulis, kuris apsaugo nuo trumpo jungimo su žeme. Maksimalios įtampos apsaugą ir rezervine apsauga nuo trumpųjų jungimų su žeme vykdoma jungtiniu moduliu. Teisingą diferencinės relės sujungimą galima patikrinti eksperimentiškai su jauniais amplitudės displėjais ir antrinių srovių fazinių kampų. Displėjus yra diferencinės apsaugos modulyje. Bandymas atliekamas taip: prie jėgos transformaioriaus pirminių apvijų. AĮ pusėje. gnybtų prijungiama nedidelė 122 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 trifazė įtampa, tuo pat metu ŽĮ pusėje gnybtai būna užtrumpinti. To pasėkoje transformatorius AĮ ir ŽĮ pusės apteka pirmine srove. Vidinių iškraipimų registracija ir trumpą jungimą, su žeme galima įjungti, pavyzdžiui, per išorinį įėjimo valdymą arba relės sudirbimo signalą. Registratorius kaupia naudingą informaciją apie sroves ir signalus, pavyzdžiui suveikus apsaugos relei. Diferencinė relė įeina į antrinių prietaisų grupe pastotėse SPACOM, kurios yra dalis kontrolės ir valdymo sistemos PYRAMID koncerno "ABB. Valdymo panelė Valdymo panelė yra tos pačios rūšies kaip iš mažose transformatorinėse (skirstyklose). Ji gali kontroliuoti dažniausiai pasitaikančius gedimus. Srovės transformatoriai: Aukštos įtampos pusės srovės transformatorius yra 20/5A Žemos įtampos pusės srovės transformatorius yra 25/5A Apsauginė relė: Stabilizuota diferencinė relė SPAD 346C yra skirta dviejų apvijų transformatorių arba generatorių -transformatorių apsaugai nuo apvijų trumpojo jungimo, tarpvijinio trumpojo jungimo, įžemėjimo Rėlė taip pat gali būti naudojama trijų apvijų transformatoriaus apsaugai nuo trumpojo jungimo. Gedimai: Apvijų trumpasis jungimas (A, E) Įžemėjimas (B, D, H, J) Tarpvijinis trumpasis jungimas (K) Perkiova(RI, R2, R3) Fazių sekos neatitikimas (L) Apkrovos asimetrija (R1) SPCD 3D53 nustatymai: Kadangi srovės transformatorių nominali pirminė aukštos ir žemos įtampos pusių srovė neatitinka galios transformatoriaus srovių tai nustatymai l 1 /I n ir I 1 /I n yra naudojami srovės transformacijos koeficiento korekcijai. Vardinė galios transformatoriaus galia yra 8,7kVA ir nominali įtampa yra 400V/23IV. Aukštos įtampos pusės srovės transformatoriaus transformacijos koeficientas yra 20/5A, o žemos įtampos pusės srovės transformatoriaus transformacijos koeficientas yra 25/5A. Vardinė galios transformatoriaus aukštos įtampos pusės srovė yra: 123 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 n n n U S I 1 1 3 = 557 , 12 400 3 8700 = Atitinkamai vardinė galios transformatoriaus žemos įtampos pusės srovė yra: n n n U S I 2 2 3 = 839 , 21 230 3 8700 = Transformacijos koeficiento koregavimo nustatymai yra skaičiuojami remiantis pradinėmis nominaliomis aukštos ir žemos įtampų srovėmis. I 1 /I n =12,557/20=0,628 Nustatoma I 1 /I n = 0,63 I 1 /I n =21,744/25=0,87 Nustatoma I 1 /I n = 0,87 Veikimo charakteristikų apibūdinimas: n d I I 1 pav. Diferencinės relės modulio SPCD 3D53 veikimo charakteristikos Diferencinės relės modulis SPCD 3D53 Diferencinė relė su stabdymu SPAD 346 C skirta dviejų apvijų jėgos transformatorių ir blokų generatorius – transformatorius apsaugai nuo t. j. tarp vijų. apvijų, trumpu jungimų su žeme ir gnybtuose, o t. p. apsaugo generatorius nuo t. j. tarp vijų ir išvaduose. - Kiekvienam transformatoriui, priklausomai nuo sujungimo,galima nustatyti atskirai. - Koreguoti sroves transformatorių transformacijos koficientą ir sudaromąja, nulinę seką išjungti iš fazinių srovių galima skaitmeniniu būdu. - Šios relės suveikimo charakteristiką galima nustatyti atskirai kiekvienam objektui. - Išėjimo relių matrica suteikia galimybę prijungti išjungimo blokuotės ir valdymo signalus prie reikiamo išėjimo signalo. - Fazių kampai ir srovių amplitudės parodomi modulio displjjuje. - Įmontuota apsauga nuo atsisakomo išjungti su nustatytu suveikimo laiku. - Įmontuotas iškraipimų registratorius įrašantis fazines sroves ir skaitmeninius signalus. - Vietinis valdymas mygtuku ir displėjaus pagalba. - Nepertraukiama elektronikos - savikontrolė ir programinis aprūpinimas. 124 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Trumpo jungimo su žeme relės modulis SPCD 2D55 • Trumpo jungimo su žeme reles modulis skirtas dviejų apvijų jėgos transformatoriaus nuo t.j. su žeme. • Galima parinkti vieną iš keturių principų apsaugai nuo t.j. su žeme: 1) diferencinė srovės apsuga su stabdymu, pagrysta nulinių fazinių srovių dedamųjų ir transformatoraus neutralės srovių palyginimu (skirta tinklams, kurių t.j. su žeme atveju srovės didelės) 2) jautri nulinės sekos diferencinė apsauga, skirta tinklams, kurių t.j. su žeme atveju srovės ribotos, pagrysta transformatoriaus neutralės srovės ir transformatoriaus fazinių srovių geometrinės sumos palyginimu 3) nulinės sekos srovės apsauga, reaguojanti į nulinės sekos pagrindinių fazių srovių dažnio amplitudę 4) srovės apsauga, reaguojanti į pagrindinius srovės dažnius, praeinančius tranasformatoriaus neutralia • Pagrindinius nustatymus ir suveikimo laiką galima įvesti atskirai AĮ ir ŽĮ pusėms. • Išėjimo relių matrica suteikia galimybę prijungti veikimo pradžios, blokuotės ir valdymo signalus prie reikiamo išėjimo signalo. • Įmontuota apsauga nuo atsisakymo išjungti su nustatytu suveikimo laiku. • Įmontuotas registratorius įrašantis fazines sroves, nuhnės sekos sroves ir skaitmeninius signalus. • Vietinis valdymas mygtuku ir displėjaus pagalba. • Nepertraukiama elektronikos savikontrolė ir programinis aprūpinimas. Jungtinis maksimalios srovės relės ir trumpo jungimo su žeme relės modulis SPCJ 4D28 - Trys trifaziai viršsrovcs / laiko laiptai jėgos transformatoriaus, generatoriaus ir bloko generatorius - transformatorius apsaugai nuo t.j. - Pirmas viršsrovės laiptelis dirba nepriklausomu arba atvirkščiai - priklausomu laiko išlaikymo režimu. Antras ir trečias laiptelis dirba nepriklausomo laiko išlaikymo režimu. - Dveji nenukreipti laipteliai apsaugos nuo jungimų su žeme skirti rezerviniai jėgos transformatoriaus ir bloko generatorius - transformatorius apsugai nuo t.j. su žeme. - Pirmas laiptelis dirba nepriklausomu arba atvirkščiai -priklausomu laiko išlaikymo režimu. Antras laiptelis dirba nepriklausomo laiko išlaikymo režimu. - Jautri apsauga nuo asimetrijos, kuri tarnauja kaip apsauga nuo fazių nutrūkimo ir generatorių apsauga nuo asimetrijos. - Išėjimo relių matrica suteikia galimybę prijungti veikimo ir suveikimo signalus prie reikiamo išėjimo signalo. - Įmontuota apsauga nuo atsisakymo išjungti su nustatytu suveikimo laiku (YPOB) - Įmontuotas registratorius įrašantis fazines sroves, nulinės sekos sroves ir skaitmeninius signalus. - Vietinis valdymas mygtukų ir displėjaus pagalba. - Nepertraukiama elektronikos savikontrolė ir programinis aprūpinimas. 125 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 5. Laboratorinis darbas KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Elektromechanikos fakultetas Energetikos ir elektronikos katedra PROTOKOLŲ TYRINĖJIMAS Darbo tikslas: Pasinaudoti distancinio mokymo ir testavimo galimybėmis ir įvertinti savo žinias apie OSI modelį, TCP/IP protokolus, DSL technologiją, VPN tinklus. Eiga ir ataskaita. Darbą galima atlikti iš bet kokio kompiuterio, turinčio išėjimą į internetą. Darbe reikia atlikti 6 testus. Ataskaitoje pateikti gautus Jūsų įvertinimo rezultatus. Lakoniškai ir glaustai pakomentuoti kiekvieną atliktą testą. (Panašūs klausimai bus laikant egzaminą). EIGA Prisijunkite prie http://compnetworking.about.com/library/weekly/aa121001a.htm Jeigu manote, kad prieš atliekant testą, tikslinga pasiskaityti papildomai apie testo tematiką, galite http://compnetworking.about.com/library/tests/bltests.htm adresu peržvelgti įvairią šio saito mokomąją medžiagą: 1. Patikrinkite savo žinias apie Interneto protokolus Internet Protocol Test Questions and answers related to popular Internet protocols including topics like configuration, name resolution, and protocol internals. - Part 1 (20 questions) covers IP. - Part 2 (13 questions) covers TCP and UDP. 2. Patikrinkite savo žinias apie OSI modelį OSI Model Test This 12-question exam covers the basics the OSI model. Understanding the OSI model is essential for students, those interested in entry-level network certifications, and anyone interested in network design, protocols, and internetworking devices. 3. Patikrinkite savo žinias apie virtualius privačius tinklus VPN Test This 12-question exam covers the basics of VPNs. Topics covered include VPN protocols, essential features, comparisons to other network technologies, and more. VPN mokomoji medžiaga: http://compnetworking.about.com/library/weekly/aa010701a.htm Kokie VPN pliusai ir minusai? Pakomentuokite. 4. Patikrinkite savo žinias apie DSL technologiją DSL Test This 10-question exam covers the basics of DSL including comparisons to traditional dial- up and cable modem, performance, availability considerations, and more. Mokomoji medžiaga: http://compnetworking.about.com/cs/dsl/ 5. Patikrinkite savo žinias apie tinklų technologiją 126 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Home Networking Test Questions about computer networking of particular relevance in the home (and small business) environment. - Part 1 (15 questions) covers the basics of home network cabling and connection methods - Part 2 (12 questions) covers hubs and switches in home networks. Ethernet Practice TestThis 15-question exam covers the basics of Ethernet technology. Ethernet is a low-level network technology that most networks, including the Internet, heavily rely on. Užpildykite lentelę: Testai Viso klausimų Atsakyta iš karto teisingai Atsakyta teisingai antru bandymu Atsakyta teisingai trečiu bandymu Testo atlikimo data Sugaišta laiko (min) 1 testas (IP) 20 (TCP/UDP) 13 2 testas (OSI) 12 3 testas (VPN) 12 4 testas (DSL) 10 5 testas a) dalis 15 b) dalis 12 6 testas (Ethernet0 15 Is viso: Jūsų nuomonė ir komentaras apie testo klausimus (sunkūs, lengvi, nesuprantami,…) Kokios problemos iškilo atliekant testus? (kalbos nežinojimas, negirdėti klausimai, lėtas internetas,….) Paaiškinkite pagrindinių protokolų paskirti jūsų darbe. 127 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 6. Laboratorinis darbas KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Elektromechanikos fakultetas Energetikos ir elektronikos katedra OSI MODELIO TYRINĖJIMAS Darbo tikslas: ištirti protokolų informacijos išsidėstymą OSI lygmenyse. Darbo uždaviniai: - susipažinti su „Wireshark“ programiniu paketu; - ištirti įvairių protokolų informacijos išsidėstymą OSI lygmenyse. Naudota literatūra. 1. S. Kašėta, T. Adomkus. Telefonijos informacijos ir VoIP sauga. Mokomoji knyga. Vitae Litera. Kaunas. 2008. -160 p. Papildoma literatūra. 1. http://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model 2. http://webopedia.internet.com/quick_ref/OSI_Layers.asp 3. http://en.wikipedia.org/wiki/Packet_sniffer 4. http://en.wikipedia.org/wiki/MAC_address 5. http://en.wikipedia.org/wiki/IPv4 6. http://www.protocols.com/pbook/tcpip1.htm Praktinė dalis. 1. Dėstytojas paskiria laboratorinio darbo užduoties variantą. 2. Prisijungti prie interneto ir parsisiųsti jūsų užduoties variantą atitinkančią bylą. (prisijungimą ir variantą nurodo vadovas) 3. Paleisti programą „Wireshark“. 4. „Wireshark“ programoje atidaryti parsisiųstą bylą (3 ir 4 pav.). 3 pav. Pasirenkama bylos atidarymo funkcija 4 pav. Atidaroma pasirinkta byla 128 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 5. Atidarytoje byloje matosi „pagauti“ paketai (5 pav.). 5 paveikslėlio 1 lange pateikti „pagauti“ skirtingų protokolų paketai, 2 lange pateikta atitinkamą protokolą naudojančio paketo struktūra. Šiuo atveju galima pastebėti, kad paketo nešama informacija yra pasiskirsčiusi keturiuose OSI lygmenyse. 3 lange pateikta paketo nešama informacija. 5 pav. Darbinis „Wireshark“ programos langas 6. 5 paveikslėlio 1 lange pasirinkite bet kuriuos 5 skirtingus protokolus naudojančius paketus ir atsakykite į šiuos klausimus: 1. kokiu laiku šis paketas buvo „pagautas“? 2. Kelintas tai yra kadras? 3. Koks yra šio kadro ilgis? 4. Ar visi šio kadro baitai buvo „pagauti“? 5. Koks šio kadro fizinis paskirties adresas? 129 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 6. Koks šio kadro paskirties tinklo adapteris? 7. Koks šio kadro fizinis siuntėjo adresas? 8. Koks šio kadro siuntėjo tinklo adapteris? 9. Kokį sekančio aukštesnio lygmens protokolą šis kadras perneša tinklu? 10. Kelinta IP protokolo versija yra naudojama? 11. Koks yra IP paketo antraštės ilgis? 12. Koks yra bendras IP paketo ilgis? 13. Koks yra šio paketo gyvavimo laikas? 14. Koks aukštesnio lygmens protokolas yra inkapsuliuotas į IP paketą? 15. Ar naudojama IP antraštės klaidų korekcija (kontrolinė suma)? 16. Koks šio paketo paskirties IP adresas? 17. Koks šio paketo siuntėjo IP adresas? 18. Koks naudojamas ketvirtojo OSI lygmens protokolas? Paaiškinkite jo struktūrą. Kokie yra paskirties ir siuntėjo prievadų numeriai? Ataskaitoje pateikti. - Nagrinėjamų protokolų su iškleistais įrašais, esančiais 2 lange, „Print Screen“. - Atsakymus į klausimus, pateiktus laboratorinio darbo praktinėje dalyje (į kontrolinius klausimus atsakinėti nereikia). - Išvadas. Kontroliniai klausimai gynimui . 1. Kokias funkcijas vykdo OSI kanalinio lygmens protokolai? 2. Kas yra paketų analizatorius? Koks jo veikimo principas? 3. Kokias funkcijas vykdo OSI tinklinio lygmens protokolai? 4. Kuriame OSI lygmenyje perduodamos informacijos adresacija vykdoma naudojant prievado numerį? 5. Kokia yra pirminė paketų analizatorių paskirtis? 6. Kokias funkcijas vykdo OSI transportinio lygmens protokolai? 7. Kuriame OSI lygmenyje naudojamas IP adresas? 8. Kokias funkcijas vykdo OSI seansinio lygmens protokolai? 9. Kokius žinote paketų analizatorius? 10. Kokias funkcijas vykdo OSI pateikimo ir taikomojo lygmens protokolai? 11. Kokie laukai sudaro IP paketo antraštę? 12. Kuriame OSI lygmenyje naudojamas fizinis adresas? 130 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 6. TIPINĖS REZULTATŲ VERTINIMO UŽDUOTYS Kontrolinių klausimai imami iš savikontrolės klausimų 4 skyrius ir sudaromi kontrolinio klausimai Tarpinio atsiskaitymo (kontrolinio) užduoties pavyzdys KAUNO TECHNIKOS KOLEGIJA Psl. ___ /_____ Iš viso 20___ m. __________mėn. ___ d. Fakultetas Dalykas Grupė Atsiskaitymo forma Pavardė, vardas Variantas 1. Kuo skiriasi kompiuterio procesorius ir mikrovaldiklis? 2. Kokios yra loginių elementų rūšys? 3. Kam skirti loginiai skaitikliai? 4. Kokie pagrindiniai reikalavimai keliami relinei apsaugai? 5. Paaiškinkite kaip veikia ir kam skirta indukcinė srovės relė? Egzamino klausimai 1. Įvadas. Bendrosios sąvokos relinės apsaugos ir automatikos samprata 2. Elektros tinklų schemos ir vartotojų kategorijos 3. Automatinis pakartotinis įjungimas 4. Automatinis rezervinio maitinimo įjungimas 5. Automatinio dažninio nukrovimo įrenginiai, režiminė priešavarinė ir sinchroninių mašinų įjungimo automatika 6. Elektros energetikos sistemų automatinio reguliavimo įrenginiai ir automatizuotos valdymo sistemos 7. Elektriniai signalai naudojami relinėje apsaugoje ir automatikoje (RAA) 8. RAA elementai ir funkcinės dalys 9. RAA funkcijos ir pagrindiniai reikalavimai 10. Pagrindiniai RAA veikimo principai: RA veikimo principai 11. Pagrindiniai RAA veikimo principai: automatikos veikimo principai 12. Srovinės elektros linijų apsaugos:pilnutinės žvaigždės ir dvifazė 2 – jų bei 3 – jų relių nepilnos žvaigždės schemos 13. Srovinės elektros linijų apsaugos:pilno trikampio ir žvaigždės bei dvifazė 1 – os relės nepilno trikampio schemos 14. Srovės transformatoriaus parinkimas ir leistinos apkrovos nustatymas 15. Pirmoji srovinės apsaugos pakopa 16. Antroji srovinės apsaugos pakopa 17. Trečioji srovinės apsaugos pakopa: laiko delsos parinkimas 18. Trečioji srovinės apsaugos pakopa: poveikio srovės parinkimas 19. Skaitmeninės daugiafunkcinės apsaugos relės 20. SIPROTEC 4 7SJ63 paskirtis ir funkcijos 21. SIPROTEC 4 7SJ63 funkcijų rinkinys Pastaba : Egzaminui pateikiami 2 klausimai. Egzamino trukmė 2 val. (120 min.) 131 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 LITERATŪRA 1. Matkevičius E. Mikroprocesoriniai valdymo įtaisai I dalis. Mokomoji knyga. Kaunas, 2009. 175 psl. (8-19psl.). 2. Gražulevičius G. Mikroprocesorinė technika Idalis. Vilinius, VGTU ltechnika. 2008. 221 psl. 968-73, 79-106 psl.). 3. Bailey D., Wright E., Practical SCADA for industry. Great Britan, 2003. 273 psl. (1-61 psl.). 4. Turauskas Z. Elektros tinklo relinė apsauga. ŠU, 2008. 138 psl. 5. Tinteris V. Relinė apsauga. Vilnius, 1980. 143 psl. (46-72 psl.). 6. Tinteri V. Elektros sistemų elementų relinė apsauga. Vilnius, 1988. 118 psl. 62-93 psl.). 7. Gečys S. Elektros įrenginių patikimumas ir eksploatacija. Technologija, 2005. 138 psl. (6- 13, 15-29, 30-35 psl.). 8. James Northcete-Greem. Control and automation of elektrical power distribotion system. New York, 2009. 9. Elektros įrenginių įrengimo taisyklės. Vilnius, 2000. 10. Elektros įrenginių relinės apsaugos ir automatikos įrengimo taisyklės. Vilnius, 2007. 11. Elektros įrenginių relinės apsaugos ir automatikos įrengimo taisyklės. Vilnius, 2007. Papildoma. 12. Андреев В.А. В, Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. Гриф МО РФ. Высшая школа, 2008. 252 psl. 13. Овчаренко Н.И. Микропроцессорная автоматика и релейная защита электроэнергетических систем. УМО ВУЗов России. 2008. - 336 psl. 14. 132 Projektas „Kauno technikos kolegijos inžinerinės krypties studijų programų tobulinimas“ Nr. VP1-2.2.-ŠMM-07-K-01-115 Valdas Paulauskas Relinės apsaugos mikroprocesoriniai įtaisai ir nuotolinis valdymas Studijų programa „Elektros energetika“ Data (spausdinimo) 2011 - 04 - 08, 132 psl., Tiražas 30 egz., Spausdino UAB „Dakra“, Jonavos g. 260, LT44131 Kaunas