4.3. Приблизительный вариант выполнения п.3 курсового проекта «Разработка инвариантной мс для системы контроля состояний рельсовых линий»

На рис.1 представлен алгоритм функционирования инвариантной МС для системы контроля состояний рельсовых линий (СКРЛ).

Инвариантная МС для СКРЛ по сравнению с существующими классификаторами СКРЛ обладает рядом существенных функциональных особенностей, обуславливающих высокие технико-экономические показатели эксплуатации.

1. Непрерывный и достоверный контроль состояния:

• приемно-отправочных и стрелочно- путевых участков на станциях,

• блок-участков перегонов.

2. Высокоскоростные измерения сигналов с рельсовой линии и выделения параметров этих сигналов.

Использование в проектируемой системе компьютерных технологий позволяет добавить к основным функциям дополнительные:

1. ведение базы данных и архива состояния рельсовых линий с привязкой к дате, времени, классу состояний;

2. передача информации о классе состояний рельсовой линии дежурному по станции и в ЕДЦУ.

Рис.1. Алгоритм функционирования инвариантной МС для СКРЛ

Система работает по замкнутому циклу следующим образом (рис.1). На первом этапе происходит измерение текущих значений напряжений и их фаз на приемном конце рельсовой линии по первому и второму каналам. На втором этапе по инвариантному алгоритму происходит определение текущего класса состояний СКРЛ. При изменении класса состояний СКРЛ на шунтовой или контрольный формируется сигнал запрещения движения по контролируемому участку. После выполнения третьего этапа система переходит на первый этап.

Инвариантная МС для СКРЛ должна удовлетворять общим и специальным критериям.

К общим критериям относятся.

1. Функциональная полнота при сохранении возможности масштабирования. МС должна позволять реализовывать, по крайней мере, все перечисленные функции.

2. Простота в освоении. МС не должна требовать привлечения к разработке высококвалифицированных специалистов и/или системных программистов.

3. Максимальная открытость. МС должна обеспечивать открытые и стандартные интерфейсы как с большинством технических средств АСУЖТ, так и с программным обеспечением комплексных информационных систем дорожного уровня.

4. Умеренная цена и эффективное использование вложенных средств. Стоимость устройства, затраты на освоение и стоимость работ по сопровождению и развитию должны быть минимальными. При прочих равных условиях данное требование является наиболее существенным и, пожалуй, решающим при выборе элементной базы устройства.

5. МС должна базироваться на промышленных стандартах организации взаимодействия программных и аппаратных средств, поставляемых различными производителями средств промышленной автоматизации, а также на элементах железнодорожной автоматики и телемеханики, обладающих первым классом надежности.

Специальные критерии определяют следующие главные особенности применения инвариантной МС:

1. обеспечение высокой надежности работы (среднее время между отказами не менее 250000 часов) в экстремальных условиях и в условиях электромагнитных полей;

2. схемные решения не должны иметь опасных отказов;

3. МС должна быть “живучей”, т.е. парировать одиночные сбои.

На рис. 2 представлена часть двухниточного плана станции с изображенной на нем инвариантной МС для СКРЛ.

В состав инвариантной МС для СКРЛ входят (рис.2):

1. рельсовая линия (РЛ-1, РЛ-2)– объект контроля, датчик информации;

2. ПЧ50/25 – преобразователь частоты. Серийно выпускаемое и используемое на железнодорожном транспорте устройство первого класса надежности. Преобразует напряжение частотой 50Гц в напряжение частотой 25Гц.

3. БПК - блок питания и коммутации (БПК-1, БПК –2). Серийно выпускаемое и используемое на железнодорожном транспорте устройство первого класса надежности. Предназначено для одновременного питания рельсовой линии токами частотой 25 и 50Гц. Состоит из трансформаторов Тр1 и Тр2 с секционированными вторичными обмотками, позволяющими задавать необходимое напряжения по каждому каналу; фильтра пробки Др1 – С1, представляющего собой параллельный резонансный контур и служащего для уменьшения влияния тока частотой 25Гц, ответвляющегося из цепи трансформатора Тр2, в цепь трансформатора Тр1; дросселя Др2 и емкости С2, которые с дроссель трансформатором ДТ – 0,6-500М образуют последовательный резонансный контур со сравнительно малым сопротивлением току 25 Гц.

Рис. 2. Часть двухниточного плана станции с инвариантной МС

4. БРК – блок релейного конца (БРК-1, БРК –2). Представляет собой блок БПК и предназначен для выделения из общего сигнала на релейном конце токов частотой 25 и 50Гц.

5. БИУ –блок измерений и управления. Состоит из модуля нормализации уровней измеренных сигналов (МНУ), мультиплексоров каналов (МПК) и модуля принятия решения и управления (МПРУ). Основная функция блока - принятие решения о принадлежности текущего состояния рельсовой линии к одному из классов состояний (нормальный, шунтовой, контрольный).

Блок - схема блока измерения и управления представлена на рис.3.

Рис.3. Блок - схема блока измерения и управления

В состав блока измерений и управления входят следующие модули и блоки:

• блок питания (БП);

• модуль нормализации уровней сигналов (МНУ) служит для сопряжения и гальванической развязки источников сигналов - датчиков и входов мультиплексоров, а также для приведения высоких уровней измеренных сигналов в ТТЛ – уровни;

• модуль аналогового ввода (МАВ) предназначен для ввода аналоговых сигналов контроля состояния рельсовых линий;

• мультиплексор каналов служит для увеличения количества каналов аналогового ввода, опрашиваемых с помощью (МАВ);

• модуль вывода дискретных сигналов (МДВ) предназначен для формирования соответствующих сигналов о классе состояний СКРЛ и управления схемами наборной группы;

• контроллер предназначен для обработки сигналов, полученных от датчиков и отнормированных МНУ, определения класса состояния рельсовых линий, формирования управляющих сигналов в схеме наборной группы, ведения архива о функционировании МС в целом, а также осуществляет обмен информацией с системой верхнего уровня дежурного по станции и ЕДЦУ;

• дисплей предназначен для отображения информации об опрашиваемой на данный момент рельсовой линии;

• клавиатура предназначена для возможности ввода информации о номере интересующей рельсовой линии, в результате чего на дисплее появятся данные предыдущего цикла измерения;

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) предназначено для хранения программы функционирования (рис.1) инвариантной МС, а именно МПРУ;

• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для временного хранения промежуточных данных и результатов определения текущего класса состояния рельсовых линий.

Наиболее полно вышеперечисленным требованиям и названным критериям отвечают устройства фирмы Octagon Systems. Поэтому в качестве базы при разработке блока измерения и управления были использованы модули этой фирмы серии MicroPC, а также модули фирмы Lan Automatic в формате MicroPC. Компоненты оборудования изготавливаются на основе аппаратных средств высокой степени надежности, выпускаемых в соответствии с международным стандартом качества ISO 9001, и полностью удовлетворяют жестким эксплуатационным требованиям, предъявляемым к индустриальному оборудованию.

Структурная схема блока измерений и управления представлена на рис.4.

Рис.4. Структурная схема блока измерений и управления

В состав контроллера блока измерений и управления входят:

1. микроконтроллер 6050;

2. модуль изолированного ввода аналоговых сигналов AI16-5-STB;

3. модуль дискретного ввода вывода 5600-48.

К параллельному порту (AUX I/O) микроконтроллера через интерфейсный модуль ВОВ подключены динамик (подает звуковой сигнал в случае предотказного состояния рельсовой линии), дополнительная АТ – батарея (функционирует параллельно встроенной в микроконтроллер батареей, что позволяет увеличить срок ее службы) и источник сигналов удаленного сброса и прерывания. Порт дискретного ввода вывода (EZ I/O) используется для подключения через интерфейсный модуль ВОВ ЖКИ дисплея LCD 4x40 формата 4 строки по 40 символов и матричной герметичной клавиатуры КР-1. Для организации сетевого обмена с дежурным по станции, ЕДЦУ, а также организации единой сетевой системы БИУ к последовательному порту Com2 микроконтроллера подключен интерфейсный модуль NIM (позволяет организовать удобные в эксплуатации, недорогие промышленные сети передачи данных по интерфейсу RS – 485).

Для увеличения количества каналов аналогового ввода, опрашиваемых с помощью модуля AI16-5-STB (фирма LAN Automatic), в состав блока включены 8 мультиплексоров каналов типа AIMUX32 (фирма LAN Automatic). Каждый мультиплексор позволяет организовать прием аналоговых сигналов 16 источников с помощью одного канала модуля аналогового ввода. В итоге один БИУ способен опрашивать 128 датчиков или контролировать 42 рельсовые линии.

Выходные и входные сигналы модулей гальванически изолированы от внешних электрических линий связи с помощью модулей гальванической развязки. Измерительные цепи имеют большой входной импеданс, исключающий их влияние на цепи измеряемых сигналов, и оптоизолированы от модулей.

Модули микроконтроллера 6050, МАВ AI16-5-STB и МДВ 5600-48 устанавливаются в четырехпозиционный монтажный каркас 5204-RM фирмы Octagon System. Подключение интерфейсных модулей, модулей гальванической развязки и управление к модулям осуществляется при помощи кабелей СМА. Все модули помещаются в электротехнический корпус Schroff-Hoffman, обеспечивающий защиту класса IP 52 от электростатических и электромагнитных полей.

Рассмотрим поподробнее каждый модуль блока измерений и управления.

Модуль нормализации уровней сигналов

Схемные решения МНУ не должны иметь опасных отказов, т.е. с определенной вероятностью должны исключать ложное включение исполнительных объектов на выходе МНУ при любом отказе его элементов. Обычно учитываются отказы, выражающиеся в появлении следующих событий:

• короткого замыкания, обрыва в элементах или соединениях;

• трансформации одного типа полупроводникового элемента в другой;

• самовозбуждения электронных схем;

• кратковременного или длительного отключения источников питания;

• повреждения источника питания, при котором на его шинах появляется значительная переменная составляющая;

• изменение параметров элементов или их режимов работы в установленных пределах;

• появления двух или более отказов элементов или соединений между точками схемы, не выявленных за время нахождения схемы в статическом состоянии.

Серьезной проблемой при построении безопасных модулей нормализации уровней сигналов является организация сопряжения микроэлектронной аппаратуры с объектом измерения. Решение задачи организации сопряжения (интерфейса) различных частей измерительного управляющего комплекса возможно следующими способами :

• жесткой унификацией и стандартизацией входных и выходных параметров элементов комплекса;

• использованием специализированных функциональных блоков, обладающих адаптивными характеристиками обработки сигналов на входах и выходах.

Мультиплексор каналов

Используются функциональные модули AIMUX-32 фирмы LAN Automatic. Блок-схема платы расширителя аналоговых входов AIMUX-32 представлена на рис.5.

Рис.5. Блок-схема платы расширителя аналоговых входов

Плата AIMUX-32 осуществляет коммутацию 32-х однопроводных или 16-ти дифференциальных аналоговых сигналов напряжений/тока в один однопроводный или дифференциальный сигнал напряжения, а также приводит уровень сигналов к шкале АЦП с помощью программно-управляемых усилителей. Каждый модуль имеет 16 дифференциальных входов и один дифференциальный выход. Подключение аналоговых сигналов производится через двухъярусные клемные колодки с винтовыми пружинными зажимами, обеспечивающими высоконадежные электрические соединения. Коэффициенты усиления каналов задаются программно 1, 2, 5, 10. Входной и межканальный импеданс модуля больше 10Мом, причем каждый из входов имеет защиту от перенапряжения, рассчитанную на + 40 V. Подключение сигналов управления осуществляется шлейфовыми кабелями через разъемы IDC-26.

Модуль аналогового ввода сигналов

Выполнен на функциональном модуле AI-16-2-010 фирмы LAN Automatic. Осуществляет аналого-цифровое преобразование нормализованных сигналов датчиков. Блок-схема платы изолированных аналоговых входов AI-16-2-010 приведена на рисунке 6.

Рис.6. Блок-схема платы изолированных аналоговых входов

Плата имеет 8 дифференциальных входов, подключаемых к выходам аналоговых мультиплексоров AIMUX –32. Точность АЦП – 12 разрядов, время преобразования – 10 мксек, входной импеданс не менее 10 Мом. Все входы гальванически изолированы от БНУ (имеется групповая оптоизоляция, рассчитанная на напряжение 1000 В), а также защищены от перенапряжения (‑35/+50V). В плате установлены: усилитель с программируемым коэффициентом усиления (1, 2, 5, 10) по каждому входу, ОЗУ коэффициентов усиления по каналам, ОЗУ выборок 32К. Модуль AI-16-2-010 имеет порт (8 разрядов) изолированных цифровых выводов для управления аналоговыми мультиплексорами AIMUX – 32, два изолированных вывода напряжения (тока), а также формирователь прерываний и запросов канала DMA. Выбор измеряемого входа может осуществляться программно или аппаратно (в режимах автосканирования). Запуск АЦП производится либо программно, либо по 16–разрядному таймеру платы. Предусмотрены три режима считывания из АЦП: в режиме опроса, по прерыванию или по каналу DMA. Подсоединение аналоговых сигналов к плате производится с помощью винтовых зажимов.

Контроллер

Реализован на микроконтроллере PC Microcontroller 6050 фирмы Octagon Systems. Эти микроконтроллеры предназначены для работы в жестких условиях эксплуатации (расширенный температурный диапазон –40 +85⁰ С, устойчивы к воздействию одиночных ударов с ускорением до 20 g и синусоидальной вибрации до 2g). Среднее время безотказной работы составляет 15 лет.

Микроконтроллер выполнен на базе процессора I386SX\25. Операционная система DOS 6.22 и программа функционирования инвариантного классифицирующего устройства записаны на твердотельном SSD диске на базе флэш памяти, для системного журнала и базы данных используется SSD2 на базе SRAM c автономным питанием от батареи 3,6 V.

Твердотельный SSD диск на основе флэш-памяти объемом 1 Мбайт содержит встроенное базовое программное обеспечение, которое занимает объем около 512Кбайт, оставшиеся 512Кбайт доступны для программы функционирования БИУ инвариантной МС. Логическая структура флэш-диска соответствует структуре стандартного накопителя на жестком магнитном диске. Использование флэш-диска существенно облегчает установку и модификацию программного обеспечения по сравнению с микросхемами ПЗУ с электрической записью и ультрафиолетовым стиранием.

Статическое ОЗУ SRAM объемом 128 Кбайт предназначено для энергонезависимого хранения данных, накапливаемых в процессе выполнения прикладной программы.

В состав микроконтроллера 6050 входит динамическое ОЗУ с ускоренным страничным доступом (FPM) объемом 2 Мбайт в планарном исполнении. Применение монтажа на поверхность обеспечивает более высокую механическую прочность, чем использование модулей памяти, устанавливаемых в розетки.

Микроконтроллер имеет встроенные календарь и часы реального времени, электропитание которых осуществляется от той же батареи 3,6 V, что и электропитание SRAM.

Сторожевой таймер предназначен для сброса и повторного запуска системы в случае непредвидимой остановки выполнения программы. Активизация, сброс и блокирование сторожевого таймера осуществляются программным способом. Интервал сторожевого таймера составляет 1,6 сек.

Объединение совместимой архитектуры IBM PC с наиболее эффективными функциями ввода-вывода устраняет необходимость приобретения инструментальных и кросс-средств для программирования.

Интерфейсный модуль NIM

С помощью интерфейсного модуля NIM (Network Interface Module) порт COM2 микроконтроллера образует интерфейс, соответствующий стандарту EIA RS485. Этот последовательный канал на основе витой пары соединяет микроконтроллер с персональным компьютером дежурного по станции, а также другие БИУ. Последовательный порт оснащен средствами защиты от электростатического разряда напряжением до + 8 KV в соответствии с требованиями стандарта МЭК 1000 Уровень 3. Кроме того, имеется защита портов от повреждения током, величина которого выше допустимой, вызванным подачей на их входы напряжения от внешнего источника при отключенном питании микроконтроллера.

В качестве сети передачи данных в описываемой системе применяется сеть на базе стандарта EIA RS-485. Эта сеть не требует специальных сетевых модулей (как, например, сети типа CAN, DeviceNet) и обеспечивает скорость обмена 56 кбит/сек на расстояниях до 1000м. Конфигурация сети передачи данных проектируемой системы по стандарту EIA RS-485 изображена на рис.7.

Рис.7. Конфигурация сети по стандарту EIARS– 485

Модуль дискретного вывода сигналов и модули гальванической развязки

Для управления цепями схемы наборной группы, являющимися нагрузками повышенной мощности с уровнями напряжений и токов, превышающих ТТЛ - уровни, используются модуль дискретного вывода информации типа 5600 – 48 и сорок три модуля гальванической развязки типа G5, установленных на трех панелях MPB-16 (по 16 G5 на первой и второй панели MPB и 11 G5 на третьей панели MPB).

Модули гальванической развязки G5 предназначены для выполнения следующих основных функций:

1. коммутации цепей в схеме наборной группы, являющимися нагрузкой повышенной мощности с ТТЛ несовместимыми уровнями;

2. устранения влияния гальванической связи. Применение модулей гальванической развязки позволяет на несколько порядков увеличить сопротивление между землями коммутируемого оборудования и модуля 5600-48, устранить влияния токов, протекающих в цепях наборной группы на цепи блока измерения и управления;

3. повышения нагрузочной способности линий модуля дискретного вывода сигналов до 260В постоянного или переменного тока при токе до 3А.

Каждый гальванический модуль G5 оснащен единичным индикатором состояния и плавким предохранителем. Модуль G5 соответствует требованиям стандартов безопасности UL и CSA. Диапазон рабочих температур составляет от –40 до +100С.

Модуль дискретного ввода - вывода 5600-48 предназначен для формирования соответствующих сигналов о классе состояний СКРЛ и управления схемами наборной группы (через модули гальванической развязки) и для организации взаимодействия с панелями модулей гальванической развязки MPB-16. Подключение панелей MPB к модулю 5600-48 осуществляется с помощью соединительного кабеля СМА – 26. 48 линий дискретного ввода – вывода организованы в виде двух идентичных групп, каждая из которых оснащена отдельным 26 – контактным соединителем. Соединитель каждой группы объединяет два 8 разрядных порта и два 4 разрядных порта. Каждый порт настроен программным путем на работу в режиме вывода. В модуле 5600-48 применены программируемые адаптеры параллельного интерфейса типа 82С55 в исполнении с повышенной нагрузочной способностью.

Приведенный пример достаточно полно раскрывает пп.1 – 2 п.4.2. Далее следует привести разработанную блок-схему алгоритма работы программной части МС и листинг составленной программы, реализующую определенную функцию разрабатываемой МС, на любом языке программирования.