Bài giảng Điều khiển từ xa - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Tập bài giảng này được viết theo chương trình học phần Điều khiển từ xa đã được phê duyệt. Trong đó chương 1 giới thiệu khái quát về cấu trúc các hệ thống đo và điều khiển từ xa. Chương 2 trình bày hệ thống mã và thiết bị mã và phân tích ưu nhược điểm của từng loại mã. Chương 3 sẽ giới thiệu về các kênh thông tin liên lạc thường sử dụng trong quá trình điều khiển từ xa, đồng thời cũng đưa ra những đánh giá về điểm mạnh và yếu của mỗi loại kênh. Trong chương 4 sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản về truyền tin. Chương cuối sẽ đánh giá chất lượng và độ tin cậy của cả hệ thống. Trong các chương cùng với lý thuyết đã đưa vào các ví dụ bài tập có lời giải.

LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển từ xa việc điều khiển khoảng cách mà người không thiết trực tiếp đến nơi đặt hệ thống Khoảng cách tùy thuộc vào hệ thống có mức độ phức tạp khác nhau, chẳng hạn để điều khiển từ xa phi thuyền ta cần phải có hệ thống phát thu mạnh, ngược lại, để điều khiển trò chơi điện tử từ xa ta cần hệ thống phát thu yếu Truyền liệu không dây mảng lớn điện tử thơng tin, liệu truyền tương tự số Trong truyền liệu không dây, hiệu truyền sóng điện từ hay sóng Radio, ưu điểm truyền khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao Trong 30 năm qua, nhà tự động nghành công nghiệp sản xuất thiết bị điện tử dân dụng sử dụng loại thiết bị điều khiển từ xa tia hồng ngoại (IR) Nhưng thiết bị điều khiển IR giải pháp tối ưu Phạm vi điều khiển bị hạn chế, thiết bị điều khiển phải tầm nhìn thẳng, điều có nghĩa điều khiển phải nhằm thẳng vào thiết bị Thiết bị phải đặt bên ngồi, khơng để tủ kín Nếu muốn điều khiển thiết bị sử dụng cơng nghệ IR điều khiển phải phòng đặt thiết bị phạm vi định Ngoài điều khiển từ xa cách sử dụng tần số vơ tuyến (RF) bổ xung thêm tính linh hoạt sở tính có sẵn điều khiển IR Bộ điều khiển từ xa RF điều khiển chiều, tốc độ truyền thông cao không cần phải tầm nhìn, tín hiệu cụ thể truyền qua tường qua tầng nhà Điều khiển từ xa RF điều khiển đặc biệt thích hợp cho thiết bị bên tủ từ phòng khác Hơn nữa, điều khiển từ xa RF sử dụng hình hiển thị tương tác gắn trực tiếp điều khiển, mà ta giám sát ngơi nhà tự động mình, chọn chức giải trí thơng số điều khiển Bộ điều khiển RF cho phép ta sử dụng để điều khiển từ nơi nhà ta mà không cần phải đứng trước thiết bị Và ứng dụng điều khiển từ xa vào robot công nghiệp Robot cơng nghiệp giúp vận chuyển bốc dỡ hàng hóa cách thuận tiện, an toàn, hiệu quả, suất Với điều khiển từ xa RF thay đổi cách tương tác với giới xung quanh cách quan tâm đến môi trường Những đối tượng điều khiển khơng gian, đáy biển sâu hay vùng xa xôi hẻo lánh mặt địa cầu Thế giới phát triển lĩnh vực điều khiển cần phải mở rộng Việc ứng dụng điều khiển từ xa vào thông tin i liên lạc mang lại nhiều thuận lợi cho xã hội lồi người , thơng tin cập nhật nhờ xác nhanh chóng q trình điều khiển từ xa đo lường từ xa Ngồi điều khiển từ xa cịn ứng dụng kỹ thuật đo lường Trước muốn đo độ phóng xạ lị hạt nhân khó khăn phức tạp người nơi an tồn đo độ phóng xạ lò hạt nhân nhờ vào kỹ thuật điều khiển từ xa Như hệ thống điều khiển từ xa hạn chế mức độ phức tạp công việc đảm bảo an toàn cho người Trong sinh hoạt ngày người trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa…) ứng dụng gần gũi với người cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng đạt mức tiện lợi Xuất phát từ đặc trưng nhóm tác giả nghiên cứu biên soạn tập giảng điều khiển từ xa nhằm mục đích phục vụ cho q trình học tập nghiên cứu sinh viên Khoa Điện - Điện tử Tập giảng viết theo chương trình học phần Điều khiển từ xa phê duyệt Trong chương giới thiệu khái quát cấu trúc hệ thống đo điều khiển từ xa Chương trình bày hệ thống mã thiết bị mã phân tích ưu nhược điểm loại mã Chương giới thiệu kênh thông tin liên lạc thường sử dụng trình điều khiển từ xa, đồng thời đưa đánh giá điểm mạnh yếu loại kênh Trong chương trình bày lý thuyết truyền tin Chương cuối đánh giá chất lượng độ tin cậy hệ thống Trong chương với lý thuyết đưa vào ví dụ tập có lời giải Cuối chương có tập củng cố lý thuyết Trong trình biên soạn, cố gắng không tránh khỏi sai sót, kính mong giáo q thầy, bạn đọc ii MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU i CHƯƠNG CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 1.1 Khái quát chung 1.1.1 Hệ thống đo điều khiển từ xa 1.1.2 Việc chọn phương pháp điều chế 1.1.3 Các đặc tính quan trọng hệ thống đo xa 1.1.4 Tính tốn đặc tính thống kê sai số hệ thống đo xa liên tục tuyến tính (hệ thống dừng tuyến tính) 1.1.5 Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá hệ thống đo xa 1.2 Hệ thống đo xa tần số 11 1.2.1 Cấu trúc hệ thống 11 1.2.2 Dạng tín hiệu 12 1.2.3 Các phương án đo tần số phía thu ảnh hưởng chúng việc chọn thơng số tín hiệu 12 1.2.4 Chọn thơng số tín hiệu hệ thống đo xa tần số dùng phương pháp đếm trực tiếp 14 1.2.5 Lựa chọn tối ưu thơng số tín hiệu hệ thống đo xa tần số dùng phương pháp đếm gián tiếp 15 1.2.6 Lựa chọn thông số tín hiệu hệ thống kênh dùng phương pháp đo tần số kiểu lấy trung bình 18 1.2.7 Chọn thơng số tín hiệu HT đo xa tần số dùng cách đo tần số cách đo chu kỳ 19 1.3 Hệ thống đo xa thời gian-xung 22 1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống đo xa thời gian-xung 22 1.3.2 Các dạng tín hiệu 23 1.3.3 Chọn thơng số tín hiệu 24 1.3.4 Chọn thơng số tín hiệu điều kiện tối ưu 27 1.4 Hệ thống đo xa mã - xung 29 1.4.1 Cấu trúc hệ thống 29 1.4.2 Các dạng tín hiệu 29 1.4.3 Chọn thơng số tín hiệu 30 1.4.4 Chọn số dãy mã từ điều kiện tối ưu 33 1.5 Hệ thống đo xa thích nghi 34 1.5.1 Đặt vấn đề 34 1.5.2 Các đặc tính việc cắt giảm thông tin 35 Câu hỏi chương 1: 39 CHƯƠNG MÃ VÀ THIẾT BỊ MÃ 40 2.1 Khái niệm chung 40 2.1.1 Yêu cầu mã 40 iii 2.1.2 Phân loại mã 40 2.1.3 Quan hệ khả chống nhiễu mã với khoảng cách mã nhỏ 42 2.1.4 Độ dư mã khả chống nhiễu 43 2.1.5 Phương pháp tốn học biểu diễn mã tuyến tính 44 2.2 Hệ thống loại mã 45 2.2.1 Các mã đặc trưng 45 2.2.2 Các loại mã phát sai 51 2.2.3 Các loại mã phát sai sửa sai 52 2.3 Thiết bị mã hóa dịch mã 75 2.3.1 Thiết bị mã hóa 75 2.3.2 Thiết bị giải mã 78 Câu hỏi chương 2: 79 CHƯƠNG KÊNH LIÊN LẠC 80 3.1 Đường dây không 80 3.2 Đường dây cung cấp điện 82 3.3 Kênh liên lạc radio 83 3.3.2 Các tính chất quang học sóng vơ tuyến 89 3.3.3 Các phương thức truyền lan sóng điện từ 91 3.3.4 Các phương pháp điều chế tín hiệu RF 94 3.3.5 Các đặc trưng sóng điện từ 94 3.3.6 Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóng vơ tuyến 98 3.3.7 Sơ đồ khối máy phát: 98 3.3.8 Sơ đồ khối máy thu 99 3.3.9 Mạch phát RF dùng PT 2262 100 3.3.10 Mạch thu RF dùng PT 2272 100 3.4 Kênh liên lạc cáp quang 101 3.5 Kênh truyền tia hồng ngoại 109 3.5.1 Ứng dụng tia hồng ngoại đo nhiệt độ 109 3.5.2 Ứng dụng tia hồng ngoại phát nhiệt 110 3.5.3 Ứng dụng tia hồng ngoại truyền thông 110 3.5.4 Ứng dụng tia hồng ngoại nhìn đêm 110 3.5.5 Nguyên lý thu phát hồng ngoại 111 3.5.6 Ví dụ mạch thu phát hồng ngoại 113 3.6 Nhiễu kênh liên lạc 119 Câu hỏi chương 3: 128 CHƯƠNG CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT TRUYỀN TIN 129 4.1 Các đặc trưng 129 4.1.1 Tin tức, thơng báo, tín hiệu 129 4.1.2 Lượng tử hóa 131 4.1.3 Tin tức, đặc trưng, đơn vị đo 133 iv 4.1.4 Entropi – số đo lường không xác định 135 4.1.5 Đặc trưng phương pháp thống kê đo lường tin tức 138 4.2 Truyền tin kênh không nhiễu 138 4.3 Truyền tin kênh có nhiễu 140 4.4 Các phương pháp nâng cao độ xác truyền tin 142 Câu hỏi chương 4: 150 CHƯƠNG ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐO – ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 151 5.1 Độ tin cậy tiêu quan trọng hệ thống đo, điều khiển từ xa 151 5.2 Ý nghĩa độ tin cậy kỹ thuật 151 5.2.1 Định nghĩa độ tin cậy kỹ thuật 152 5.2.2 Đối tượng nhiệm vụ độ tin cậy 152 5.2.3 Quan điểm kinh tế độ tin cậy 153 5.2.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy 155 5.3 Các tiêu để đánh giá độ tin cậy 157 5.3.1 Hỏng hóc, cường độ hỏng hóc 157 5.3.2 Độ tin cậy, thời gian làm việc tin cậy trung bình thời gian làm việc cho phép: 158 5.3.3 Thời gian làm việc tin cậy trung bình 158 5.3.4 Sản phẩm có phục hồi sản phẩm không phục hồi 159 5.3.5 Xác suất làm việc không hỏng 159 5.3.6 Cường độ hỏng 161 5.3.7 Các đặc trưng số tính khơng hỏng 162 5.3.8 Quan hệ cường độ hỏng với quy luật phân phối tuổi thọ 163 5.3.9 Các tiêu độ tin cậy sản phẩm có phục hồi 166 5.3.10 Các tiêu tính lâu bền 173 5.3.11 Các tiêu tính lưu kho vận chuyển 174 5.3.12 Các tiêu kinh tế độ tin cậy 174 5.4 Tính tốn độ tin cậy hệ thống 175 5.4.1 Độ tin cậy sơ đồ nối tiếp 175 5.4.2 Độ tin cậy sơ đồ song song 176 5.4.3 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy 176 5.4.4 Thông tin công nghiệp 178 Câu hỏi chương 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO 183 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Hình 1.2: Sơ đồ khối máy phát hệ thống điều khiển từ xa Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu hệ thống điều khiển từ xa Hình 1.4: Đồ thị lấy mẫu thời gian hệ thống đo xa Hình 1.5: Biểu đồ điều chế hệ thống đo xa tần số 11 Hình 1.6: Biểu đồ điều chế tín hiệu thay đổi theo thời gian 12 Hình 1.7: Sơ đồ khối HT đo xa thời gian-xung 23 Hình 1.8: Sơ đồ khối trình điều chế HT đo xa thời gian-xung 23 Hình 1.9: Tín hiệu điều chế độ rộng xung 24 Hình 1.10: Dạng tín hiệu điều chế 25 Hình 1.11: Dạng tín hiệu kênh khơng nhiễu có nhiễu 25 Hình 1.12: Lấy mẫu tần số hệ thống đo xa thích nghi 35 Hình 1.8: Sơ đồ khối mạch xấp xỉ bậc 37 Hình 1.9: Đặc tuyến mạch xấp xỉ bậc 38 Hình 2.1: Cơ chế chống nhiễu mã 41 Hình 2.2: Quá trình sửa sai mã chống nhiễu 42 Hình 2.3: Sơ đồ đặc trưng mã đường dây 45 Hình 2.4: Dạng sóng mã đặc trưng 47 Hình 2.5: Dạng tín hiệu mã 48 Hình 2.6: So sánh khác biệt mã AMI mã B8ZS 49 Hình 2.7: Mẫu tín hiệu vi phạm( violation) 50 Hình 2.8: Ghép mã Huffman 66 Hình 2.9: Mơ tả bước tạo mã DES 73 Hình 2.10: Biểu diễn q trình thực mã hóa 74 Hình 2.11: Sơ đồ biểu diễn thiết bị biến đổi mã 75 Hình 2.12: Biểu diễn thiết bị biến đổi mã thường thành mã chu kỳ 77 Hình 2.13: Quá trình dịch mã chu kỳ 78 Hình 2.14: Quá trình giải mã 78 Hình 3.1: Sơ đồ truyền tín hiệu điều khiển xa theo đường dây cung cấp 82 Hình 3.2: Các dạng phổ tần 84 Hình 3.2: Mặt sóng cầu từ nguồn đẳng hướng 88 Hình 3.3: Hiện tượng khúc xạ biên giới môi trường 89 Hình 3.4: Phản xạ sóng biên mơi trường 90 Hình 3.5: Nhiễu xạ sóng điện từ 91 Hình 3.6: Sự cộng tuyến tính sóng có pha khác giao thoa sóng 91 Hình 3.7: Các phương thức truyền sóng 92 vi Hình 3.8: Sóng khơng gian chân trời vô tuyến 93 Hình 3.9: Hiện tượng sóng ống .94 Hình 3.10: Thu phát sóng điện từ 95 Hình 3.11: Mạch điện điển hình dùng tạo sóng mang RF, dùng anten cho phát vào không gian, để liên thông với máy thu sóng xung quanh 96 Hình 3.12: Mạch cộng hưởng LC phát sóng điện từ .96 Hình 3.13: Phương thức điều khiển vô tuyến 97 Hình 3.14: Sơ đồ khối mạch điều khiển từ xa dùng sóngvơ tuyến 98 Hình 3.15: Sơ đồ khối máy phát sóng vô tuyến 98 Hình 3.16: Sơ đồ khối máy thu sóng vơ tuyến 99 Hình 3.17: Sơ đồ khối mạch phát vô tuyến kênh với IC mã hóa PT2262 100 Hình 3.18: Sơ đồ mạch thu sóng vơ tuyến kênh với IC giải mã PT2272 100 Hình 3.19 Cấu tạo lớp cab quang 102 Hình 3.20: Các lớp bảo vệ cab quang 103 Hình 3.21: Các lớp Tight-buffer cab quang 103 Hình 3.22: Cấu tạo lõi cab 103 Hình 3.23:Các kiểu truyền dẫn quang 104 Hình 3.24: Phương thức truyền dẫn 104 Hình 3.25: Các loại đầu dây nối cab 105 Hình 3.26: Cấu trúc bên sợi cab 105 Hình 3.27: Bước sóng Wavelength .106 Hình 3.28: Các kiểu đầu nối quang .107 Hình 3.291: Đầu nối ferrule .107 Hình 3.30: Đầu nối FC, SC, ST PC 107 Hình 3.31: Sơ đồ khối chức phần phát .111 Hình 3.32: Sơ đồ khối chức phần thu 112 Hình 3.33: Sơ đồ chân IC phát PT2248 .113 Hình 3.34: Sơ đồ phát PT2248 .114 Hình 3.35: Sơ đồ ma trận phím bấm 114 Hình 3.36: Sơ đồ chân PT2249 .116 Hình 3.37: Sơ đồ khối PT2249 .116 Hình 3.38: Sơ đồ khối Module LED thu tín hiệu hồng ngoại PIC 1018SCL .117 Hình 3.39: LED thu tín hiệu hồng ngoại .117 Hình 3.40.: Sơ đồ Mạch Schmitt Trigger 118 Hình 3.41: Dạng sóng đầu Schmitt Trigger 118 Hình 3.42: Đồ thị biểu diễn độ suy hao .120 Hình 3.43: Nhiễu xuyên kênh hai sóng mang kề 125 vii Hình 4.1: Tín hiệu lượng tử hóa 132 Hình 4.2: Đồ thị Entropi đạt cực đại 137 Hình 4.3: Mơ hình nguồn sai 144 Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống thơng tin có kênh ngược định 149 Hình 4.5: Phát sai 149 Hình 5.1: Những yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy 157 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Quy luật mã hóa 48 Bảng 2.2: Các phần tử dư mã Hamming 56 Bảng 2.3: Biểu diễn phần tử kiểm tra .57 Bảng 2.4: Biểu diễn vị trí giá trị phần tử .58 Bảng 2.5: Biểu diễn đa thức sinh 63 Bảng 5.1: Biểu thức quan hệ hàm f(t), Q(t), R(t), (t) 161 Bảng 5.2: Bảng tíng tốn hàm f(N), Q(N), R(N) vàError! Objects cannot be created from editing field codes.(N) 166 ix   0 E (Tk )   t f k (t ).dt   Rk (t ).dt ( 5.45 ) Trong đó: f k (t ) mật độ phân phối thời gian làm việc hai lần hỏng liên tiếp ( k – ) k Ướclượng thống kê tiêu gọi thời gian trung bình làm việc hai lần hỏng bằng: _ tk  N ( 0) 1  t k  t k   t kN (0)    t k(i ) N (0) i 1 ( 5.46 ) (i ) Trong đó: t k , i = 1, 2, , N(0) thời gian làm việc hai lần hỏng thứ (k – 1) k N(0): số lượng mẫu f Cường độ phục hồi thời điểm t tính từ lúc bắt đầu dừng máy Gọi h(t) mật độ thời gian phục hồi H(t) hàm phân phối tương ứng Cường độ phục hồi sản phẩm thời điẻm t tính từ lúc bắt đầu dừng máyđược định nghĩa bởi:  (t )  dH (t ) h(t )   H (t ) dt  H (t ) ( 5.47 ) (t ) : mật độ thời gian phục hồi có điều kiện thời điểm t tính từ lúc bắt đầu dừng máy Ước lượng thống kê tiêu này:   (t )  nH (t  t )  nH (t ) nH (t , t  t )  N H (t ).t N H (t ).t nH (t ) : số mẫu tới thời điểm t phục hồi xong nH (t  t ) : số mẫu tới thời điểm (t  t ) phục hồi xong nH (t  t ) : số mẫu phục hồi khoảng t N H (t ) : số mẫu chưa phục hồi xong thời điểm t Trong tính tốn thực tế nH cần đủ lớn t 169 cần đủ nhỏ ( 5.48 ) g Thời gian trung bình phục hồi Kỳ vọng thời gian định nghĩa biểu thức:   0 E ( )   t.h(t ).dt   t.dH (t ) ( 5.49 ) Ước lượng thống kê tiêu gọi thời gian trung bình phục hồi: 1 N ( 0) ( i ) (1) ( 2) ( N ( 0))  [      ]  N (0) N (0) i 1 _ ( 5.50 ) N(0): số sản phẩm quan sát  (i) : thời gian phục hồi sản phẩm thứ i h Hàm sẵn sàng hoạt động thời điểm Hàm sẵn sàng S(t) thời điểm t xác để sản phẩm thời điểm đứng trạng thái có khả làm việc:  i  i  S (t )   P  (Tk   k )  t   (Tk   k )  Tk 1  i 1 k 0  k 0  ( 5.51 ) Biểu thức thống kê tiêu cho bởi:  S (t )  n(t ) N (0) ( 5.52 ) Trong đó: n(t): số mẫu trạng thái hoạt động thời điểm t N(0): số lượng mẫu i Hệ số sẵn sàng Hệ số sẵn sàng sản phẩm xác suất để sản phẩm điều kiện trình ngẫu nhiên trạng thái có khả làm việc S  lim S (t ) t  ( 5.53 ) Theo( 5.53 ) hệ số sẵn sàng xác suất không hỏng dừng khoảng thời gian t0 với t0 = S = R( t = ) (5.54 ) Với phân phối thời gian hai lần hỏng thời gian phục hồi ta có: S E (T )  E (T )  E ( )   170 ( 5.55 ) Trong đó:  E ( ) E (T ) Được gọi định mức thời gian phục hồi Từ ( 5.54 ) ( 5.55 ) ta có quan hệ: S  R(t )  [1  F (t ).dt ] E (T ) t0 (5.56 ) Định nghĩa thống kê hệ số sẵn sàng cho bởi:  S n(t  ) N (0) (5.57 ) Trong :n(t∞): số mẫu có khả hoạt động thời điểm đủ lớn j Tổng hao phí lao động bảo dưỡng kỹ thụât Tổng hao phí lao động bảo dưỡng đại lượng ngẫu nhiên, kỳ vọng tốn tổng hao phí lao động cho việc tiến hành bảo dưỡng kỹ thuật dạng khác thời kỳ khai thác định xác định bởi: l Abd   ( Ai z) j  E(r ).E( ) j 1 ( 5.58 ) Abd : tổng hao phí cho việc bảo dưỡng, đo ngày công công Ai : hao phí lao động bảo dưỡng i z: số lần tiến hành dạng bảo dưỡng j: số dạng bảo dưỡng kỹ thuật thời kỳ khai thác xét E(r): trung bình số lần hỏng ( kỳ vọng ) thời kỳ khai thác E( ) : thời gian trung bình phục hồi Ví dụ : Tính độ tin cậy sản phẩm có phục hồi Một sản phẩm có thời gian làm việc tuân theo luật số mũ với tham số λ thời gian phục hồi theo luật số mũ với tham số µ Hãy xác định đặc trưng chủ yếu độ tin cậy Tính tốn áp dụng cho trường hợp λ=0,04h-1 ; µ=2h-1 Áp dụng công thức mục 5.58 ta có: R(t0 )  e t Q(t0 ) 1  e t 171 E(T) =  E ( )  S K      S (t )  S  K exp[(  )].t R(t , t )  S  K exp[ (   )] exp( t ) R(t )  S exp( t ) Trong trường hợp λ=0,04h-1 ; µ=2h-1 ,t0 =2h , ta có: - Xác suất làm việc không hỏng khoảng giờ: R(2)  e 0.04.2  0,923 - Xác suất làm việc hỏng khoảng giờ: Q(2) = 1- 0,923 = 0,077 - Thời gian trung bình làm việc: E (T )   25h 0,04 - Thời gian trung bình phục hồi: E( )   0,5h - Hệ số sẵn sàng: S  0,9804  0,04 - Hệ số sẵn sàng tức thời với t = 2h: S (2)  0,9804  0,0196.10(t 0, 04).2  0,9808 - Xác suất không hỏng dừng với t  2h : R(2)  e 0,04.2  0.9146  0,04 - Xác suất không hỏng khoảng từ 1h đến 3h: 172 R(1,3)  [0,9804  0,06196.e (0,042).1 ].e 0,04.2  0,906 5.3.10 Các tiêu tính lâu bền Tính lâu bền tính chất sản phẩm trì khả làm việc trạng thái giới hạn với điều kiện quy định bảo dưỡng sửa chữa Tính lâu bên đánh giá tiêu sau: a.Thời gian trung bình làm việc đến thời kỳ sửa chữa Thời gian làm việc tính tới thời kỳ sửa chữa lần thứ đại lượng ngâu nhiên Tsc có mật độ f (t sc ) Kỳ vọng thời gian đến thời kỳ sửa chữa:  E (Tsc )   t sc f (t sc ).dt ( 5.59) Thời gian trung bình đến thời kỳ sửa chữa đại lượng thống kê tính: t sc  n t sci n i 1 ( 5.60 ) n: Số lượng mẫu t sci : thời gian làm việc tính đến kỳ trung đại tu mẫu lần thứ i b Thời gian trung bình làm việc đến lúc giải thể Tương tự ta có kỳ vọng thời gian đến lúc giải thể:  E (Tgt )   t gt f (t gt ).dt t gt  ( 5.61) n t gti n i 1 c Tuổi thọ gamma phần trăm thời gian làm việc không hỏng gamma t phần trăm xác định từ biểu thức:   f (t )dt   (%) t t ( 5.62 ) : tuổi thọ hay thời gian làm việc không hỏng  (%): xác suất sản phẩm không đạt tới trạng thái tới hạn Ví dụ: loại sản phẩm có t80 = 15.000h, điều có nghĩa 80% số sản phẩm có tuổi thọ trung bình 15000h, cịn 20% số sản phẩm bị hỏng sớm 173 5.3.11 Các tiêu tính lưu kho vận chuyển Sản phẩm sau dược chế tạo nhà máy, trước đến nơi tiêu thụ để bắt đầu làm việc, phần lớn phải qua khâu bảo quan kho, xếp dỡ vận chuyển đường Thời gian ngắn hay dài ảnh hưởng đến độ tin cậy vốn có sản phẩm sau chế tạo Đặc biệt với sản phẩm nhạy cảm với ảnh hưởng môi trường: thiết bị đo, máy xác, thiết bị điện, Người ta dùng tiêu thời gian để đặc trưng cho tính bảo quản: - Thời gian trung bình bảo quản kỳ vọng thời gian lưu kho vận chuyển - Thời gian bảo quản gamma phần trăm thời gian lưu kho vận chuyển đạt xác suất không hỏng cho  (%) 5.3.12 Các tiêu kinh tế độ tin cậy Rõ ràng viẹc nâng cao tính khơng hỏng tính lâu bền sản phẩm, mặt địi hỏi ngững phí tổn lớn thiết kế chế tạo, mặt làm giảm hao phí lao động xã hội q trình sử dụng, bảo dưỡng sửa chữa tránh tổn thất kinh kế thời gian.Như để đánh giá tiêu kinh tế độ tin cậycó thể lấy quan hệ tổng tổng chi phí chế tạo Cct chi phí khai thác Ckt với lượng lao động t kt : Ke  Cct  Ckt t kt ( 5.63 ) Trong đó: Cct  Ccd  Cbd C cd : chi phí cố định Cbd : chi phí biến đổi Cần cố gắng làm số có giá trị nhỏ cách phân bổ hợp lý vốn đầu tư cho chế tạo cho khai thác 174 Khi thiết kế sản phẩm có độ tin cậy cao sản phẩm mẫu, ta thường phải tính chi phí phụ thêm việc nâng cao độ tin cậy Chi phí phụ gọi giá độ tin cậy Gtc tính:  t  Gtc  Gm    tm  a ( 5.64 ) Gm : giá độ tin cậy mẫu t m : thời gian khai thác t: lượng lao động sản phẩm a: số lấy khoảng ( 0,5 – 1,5 ), đặc trưng cho mức độ tiến sản xuất khả nâng cao độ tin cậy sản phẩm Với điều kiện, chất lượng sản phẩm thấp, chi phí khai thác cao cần xác định độ tin cậy tối ưu 5.4 Tính tốn độ tin cậy hệ thống Khi tính tốn độ tin cậy thiết bị ta cần xác định sơ đồ thay Sơ đồ thay sơ đồ logic hiểu theo nghĩa, độ tin cậy phần tử nối tiếp, lỏng phần tử dẫn đến hỏng hệ thống, hỏng phần tử mà hệ thống làm việc bình thường phần tử coi nối song song với phần tử khác Để có sơ đồ thay xác, phải phân tích kỹ chức nhiệm vụ phần tử 5.4.1 Độ tin cậy sơ đồ nối tiếp Giả sử có n phần tử, mà p tử có độ tin cậy Pi (t) Độ tin cậy hệ thống xác định: n Pht t    Pi t   Pi t   i 1 Ta thấy rằng: độ tin cậy hệ thống nhỏ độ tin cậy phần tử có độ tin cậy thấp Pi(t)min Trong sơ đồ nối tiếp, muốn nâng cao độ tin cậy hệ thống, phải nâng cao độ tin cậy phần tử 175 Độ tin cậy hệ thống giảm số phần tử hệ thống nối tiếp tăng lên Hình bên cho ta thấy quan hệ Pht Ppt với giá trị n khác 5.4.2 Độ tin cậy sơ đồ song song Giả sử có n phần tử nối song song, phần tử có độ tin cậy Pi(t) hình sau: Độ tin cậy hệ thống xác định theo công thức sau: n Pht   [1  Pi t ] i 1 Khi độ tin cậy phần tử = P, ta có: Pht = 1− (1− P)n →Vậy: độ tin cậy hệ thống ≥ độ tin cậy phần tử phần tử song song, số phần tử song song tăng độ tin cậy hệ thống tăng → độ tin cậy hệ thống ≥ độ tin cậy phần tử → Kết luận: xây dựng sơ đồ có khả có độ tin cậy cao, sở phần tử có độ tin cậy tương đối thấp 5.4.3 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy Cần áp dụng biện pháp tổng hợp - Trong giai đọan thiết kế: phải chọn phương án tối ưu, có nghĩa đảm bảo tiêu kỹ thuật, đồng thời có số phần tử nhất, đơn giản nhất, dễ vận hành Khi cần thiết phải đặt mạch dự phòng để nâng cao độ tin cậy hệ thống - Trong giai đọan chế tạo, phải áp dụng công nghệ tiên tiến, dùng nguyên liệu tốt để phần tử có tính đạt u cầu thiết kế - Trong giai đọan vận hành: phải đảm bảo điều kiện làm viậc yêu cầu: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, độ bụi, độ rung…Phải tuân thủ quy trình quy phạm để ngăn chặn cố nhầm lẫn, có chế độ theo dõi, bảo dưỡng thường xuyên a Ví dụ biện pháp nâng cao độ tin cậy hệ thống cung cấp điện Để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện lưới phân phối, có hai giải pháp chính: Giải pháp làm giảm cố Giải pháp làm giảm thời gian điện Bước 1: 176 - Các biện pháp làm giảm cố (ngăn chặn cố xảy ra) Nâng cao chất lượng thiết bị vận hành: Sử dụng thiết bị có chất lượng vận hành tốt (lưu ý: thiết bị cũ, vận hành lâu ngày hay thiết bị có chất lượng thấp gây suất hư hỏng cao) có tính tự động hóa cao Lên kế hoạch bước thay thiết bị có suất hư hỏng cao thiết bị có suất hư hỏng thấp Ví dụ, Tổng công ty Điện lực triển khai áp dụng cách điện đứng loại line post pin post thay cho cách điện đứng loại pin type (truyền thống) có suất cố cao Khuyến cáo khơng sử dụng máy cắt (S&S), recloser (VR3S), cầu chì tự rơi … có suất cố cao Trong thiết kế, mua sắm, lắp đặt cần sử dụng vật tư, thiết bị áp dụng giải pháp phù hợp với điều kiện vận hành lưới điện nhằm giảm bớt cố có tác nhân từ bên ngồi, ví dụ : - Sử dụng dây bọc cách điện để ngăn ngừa cố tiếp xúc với vật thể khác - Sử dụng thiết bị phù hợp với môi trường vận hành, sử dụng sứ chống nhiễm mặn đường dây qua khu vực gần biển bị nhiễm mặn … - Lắp đặt chống sét đường dây, mỏ phóng cho đường dây qua vùng có mật độ sét lớn, suất cố sét cao Tăng cường công tác kiểm tra, bảo dưỡng đường dây, thiết bị vận hành lưới để ngăn ngừa cố chủ quan - Trang bị đầy đủ phương tiện phục vụ cho công tác quản lý vận hành, bảo dưỡng xe thang, thiết bị kiểm tra phát nóng … - Đào tạo để nâng cao kiến thức tay nghề tính kỷ luật cho nhân viên vận hành - Từng bước nâng cao tỉ lệ sửa chữa lưới điện hình thức hot-line (sửa chữa lưới điện vận hành) Bước 2: - Các biện pháp làm giảm thời gian điện (khoanh vùng khắc phục cố nhanh) 177 Giảm đến mức tối thiểu khu vực điện cách tăng số lượng lắp đặt thiết bị phân đoạn Nhanh chóng khoanh vùng cố cách áp dụng công nghệ tự động hóa lưới điện phân phối nhằm tự động phân vùng cố Xây dựng hệ thống mạch kép (2 mạch), mạch vòng … Khắc phục cố nhanh - Xác định nhanh điểm cố thiết bị chuyên dùng để dò điểm cố thiết bị thị cố (Fault indicator) - Trang bị thiết bị chuyên dùng để xử lý cố - Tăng cường công tác bồi dưỡng, huấn luyện nhân viên vận hành trình độ kỹ xử lý cố 5.4.4 Thông tin công nghiệp Hệ thống thông tin công nghiệp hệ thống thông tin dùng để điều khiển trình vật lý Các hệ thống hoạt động trực tuyến với q trình kiểm sốt Thơng tin cơng nghiệp cần thỏa mãn yêu cầu sau: - Quản lý số lượng lớn đầu vào/ra - Đảm bảo họat động tin cậy - Thỏa mãn thời gian thực Thông tin công nghiệp khác hệ thống thông tin cổ điển phương pháp kỹ thuật Ví dụ cho độ tin cậy cung cấp điện Độ tin cậy cung cấp điện lưới điện phân phối hiểu khả hệ thống cung cấp đầy đủ liên tục điện cho hộ tiêu thụ, với chất lượng điện (điện áp tần số) đảm bảo (đúng quy định) Để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) có quy định tiêu suất cố (đường dây trạm biến áp) quản lý, vận hành hệ thống điện, làm sở cho việc đánh giá chất lượng quản lý vận hành nguồn lưới đáp ứng yêu cầu cung ứng điện liên tục cho khách hàng Cụ thể sau: - Suất cố thoáng qua đường dây trung : 12 vụ / 100 km/ năm - Suất cố vĩnh cửu đường dây trung : 3,6 vụ / 100 km/ năm 178 - Suất cố vĩnh cửu TBA : 1,8 vụ / 100 MBA/ năm Từ quy định buộc đơn vị thành viên phải tích cực đưa kế hoạch phương án cải thiện chất lượng cung ứng điện hệ thống điện tồn quốc, đồng thời có tác động tích cực đến ý thức trách nhiệm đội ngũ cán công nhân viên làm công tác quản lý kỹ thuật, vận hành hệ thống điện Tuy nhiên, việc đánh giá độ tin cậy cung cấp điện qua tiêu suất cố số bất cập sau: - Chỉ tiêu suất cố cho biết số lần điện (do cố) trung bình hệ thống Khơng biết số lần thời gian điện khách hàng, phạm vi điện, lượng công suất điện không cung cấp (do điện); từ tính tốn thiệt hại điện gây đề biện pháp thích hợp để giảm số lần thời gian điện khách hàng, giảm phạm vi điện để tăng độ tin cậy hệ thống - Với tiêu suất cố nêu trên, không thấy rõ hiệu kinh tế đem lại dự án cải tạo lưới điện, lắp đặt hệ thống tự động phân đoạn cố hệ thống tự động hoá lưới điện phân phối, đặc biệt cần thiết phải xây dựng mạch liên lạc trạm nguồn, mạch vòng cung cấp điện để giảm thời gian điện hạn chế phạm vi (số hộ điện, lượng công suất điện không cung cấp được) cố thao tác hay bảo dưỡng thí nghiệm định kỳ Để giải vấn đề trên, cần phải xây dựng thêm nhiều tiêu cụ thể để đánh giá thực chất độ tin cậy cung cấp điện chất lượng vận hành lưới điện công tác quản lý vận hành Một số công ty điện lực nước xây dựng số chất lượng để theo dõi độ tin cậy vận hành hệ thống Các số chất lượng dùng để so sánh chất lượng phục vụ công ty, đơn vị công ty hay dùng để so sánh trực tiếp chất lượng trước sau cải tạo xuất tuyến hay hệ thống Tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) Mỹ xây dựng số số để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện, cụ thể sau : - Các số đánh giá độ tin cậy mặt điện kéo dài Chỉ số tần suất điện trung bình hệ thống (System Average Interruption Frequency Index - SAIFI): Chỉ số cung cấp thơng tin số lần điện trung bình khách hàng (trong khu vực) năm 179 Chỉ số thời gian điện trung bình hệ thống (System Average Interruption Duration Index - SAIDI): Chỉ số cung cấp thông tin thời gian (phút giờ) điện trung bình khách hàng (trong khu vực) năm Chỉ số thời gian điện trung bình khách hàng (Customer Average Interruption Duration Index - CAIDI): Chỉ số thể thời gian trung bình cần để phục hồi cung cấp điện cho khách hàng lần điện (vĩnh cửu) Chỉ số tổng thời gian điện trung bình khách hàng (Customer Total Average Interruption Duration Index - CTAIDI): Đối với khách hàng thực tế điện, số thể tổng thời gian trung bình khách hàng thơng báo bị điện Chỉ số tính tốn số CAIDI, trừ việc khách hàng bị điện nhiều lần tính lần Chỉ số tần suất điện trung bình khách hàng (Customer Average Interruption Frequency Index - CAIFI): Chỉ số thể số lần điện trung bình khách hàng (trong khu vực) năm Chỉ số sẵn sàng cấp điện trung bình (Average Service Availability Index ASAI): Chỉ số thể thời gian trung bình (thường tính %) mà khách hàng cung cấp điện vòng năm Được định nghĩa tỉ số tổng số khách hàng cung cấp năm tổng số khách hàng yêu cầu (số khách hàng yêu cầu = 24giờ/ ngày*365 ngày = 8760 ) Chỉ số tần suất điện trung bình hệ thống (Average System Interruption Frequency Index - ASIFI) mặt phụ tải: Được định nghĩa tỉ số tổng số công suất (kVA) bị gián đoạn tổng số công suất (kVA) cung cấp Đây số quan trọng khu vực cấp điện chủ yếu cho ngành công, thương nghiệp Chỉ số sử dụng cơng ty khơng có hệ thống theo dõi khách hàng Chỉ số thời gian trung bình điện hệ thống (Average System Interruption Duration Index - ASIDI) mặt phụ tải: Được định nghĩa tỉ số tổng điện không cung cấp (do bị gián đoạn cung cấp điện) tổng số công suất (kVA) cung cấp Chỉ số tần suất điện trung bình khách hàng (Customers Experiencing Multiple Interruptions - CEMIn): Chỉ số để theo dõi số kiện (n) lần 180 điện khách hàng Mục đích xác định phiền tối cho khách hàng mà giá trị trung bình không thấy CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG CHƯƠNG 5: R(t): hàm tin cậy, xác suất làm việc không hỏng Q(t): hàm phân phối tuổi thọ, xác suất hỏng f(t): hàm mật độ phân phối tuổi thọ (t ) : cường độ hỏng  R(t ) : xác suất không hỏng thực nghiệm ( hàm tin cậy )  Q(t ) : hàm phân phối tuổi thọ thực nghiệm ( xác suất hỏng )  f (t ) : hàm mật độ tuổi thọ thực nghiệm   (t ) : cường độ hỏng thực nghiệm E(t),  : kỳ vọng tuổi thọ D(t),  (t ) : phương sai tuổi thọ _ t : tuổi thọ trung bình S ,  (t ) : phương sai tuổi thọ thử nghiệm  (t ) : độ lệch tiêu chuẩn tuổi thọ v(t): hệ số biến động tuổi thọ (t ) : kỳ vọng số lần hỏng ( hàm phục hồi ) (t ) : cường độ dòng hỏng S(t): hàm sẵn sàng thời điểm t S: hệ số sẵn sàng Abd : tổng hao phí lao động bảo dưỡng kỹ thuật  (%): tuổi thọ gamma phần trăm Ke: số kinh tế độ tin cậy 181 Câu hỏi chương Câu 1: Cho biết tiêu chí đánh giá độ tin cậy hệ thống trình điều khiển từ xa Câu 2: Trình bày biện pháp nâng cao độ tin cậy truyền tin Câu 3: Phân tích quan hệ cường độ hỏng với quy luật phân phối tuổi thọ Câu 4: Tại nói độ tin cậy tiêu quan trọng hệ thống đo, điều khiển từ xa Câu 5: Đánh giá tiêu độ tin cậy sản phẩm có phục hồi khơng phục hồi hệ thống điều khiển Câu 6: Trình bày mối quan hệ cường độ hỏng với quy luật phân phối tuổi thọ hệ thống Câu 7: Một sản phẩm có thời gian làm việc tuân theo luật số mũ với tham số  thời gian phục hồi theo luật số mũ với tham số  Hãy xác định đặc trưng chủ yếu 1 1 độ tin cậy Tính tốn áp dụng cho trường hợp   0,04h ;   2h 182 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: [1] Nguyễn Hoàng Mai.(2010) “Giáo trình đo lường điều khiển xa” Trường Đại học Đà nẵng [2] Phan Hồng Liên(2006), “Lý thuyết tín hiệu”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội [3] Đặng Văn Chuyết “Cơ sở lý thuyết truyền tin” Tập 1,2 NXB Giáo dục [4] Đỗ Xuân Tiến (2003), Kỹ thuật lập trình điều khiển hệ thống, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Lê Quyết Thắng “Lý thuyết thông tin” NXB KHKT- Hà Nội, 2001 [6] Trần Thị Ngoan “Cơ sở lý thuyết truyền tin” Tập 1,2 NXB Bưu điện Tài liệu tiếng Anh: [7] David J.C Mackey (2003) “Information Theory”Infernce and Learning Algorithms, CamBridge University Express [8] G.J Chaitin (1995), “Algorithms Information Theory” CamBridge University [9] Gao Q S (1996), “Approach to making supercomputer by microprocessor cellular sector computer of vertical and horizotal processing with virtual common memory”, Conf parallel Proc [10] Richard J Prestopic (1995), “Microprocessorand IC families” Walter H [11] Mostafa AbDelBarr, Hesham ElRewini Fundamentals of ComputerOrganization and Architecture Wiley Interscience 2005 183 ... điều khiển từ xa đo lường từ xa Ngoài điều khiển từ xa ứng dụng kỹ thuật đo lường Trước muốn đo độ phóng xạ lị hạt nhân khó khăn phức tạp người nơi an tồn đo độ phóng xạ lị hạt nhân nhờ vào kỹ. .. vào kỹ thuật điều khiển từ xa Như hệ thống điều khiển từ xa hạn chế mức độ phức tạp công việc đảm bảo an toàn cho người Trong sinh hoạt ngày người trị chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa? ??)... HỆ THỐNG ĐO – ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 151 5.1 Độ tin cậy tiêu quan trọng hệ thống đo, điều khiển từ xa 151 5.2 Ý nghĩa độ tin cậy kỹ thuật 151 5.2.1 Định nghĩa độ tin cậy kỹ thuật 152