Разработка компьютерного измерительного комплекса вагона-лаборатории железнодорожной автоматики, телемеханики и связи

Аннотация Дипломный проект посвящен разработке компьютерного измерительного комплекса вагона-лаборатории железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.

Компьютерный комплекс и разрабатываемое для него программное обеспечение, предназначен для повышения достоверности и оперативности информации о работе устройств АЛСН и рельсовых цепей, получаемой из вагона-лаборатории; сокращения затрат труда на обработку и анализ этой информации.

Дипломный проект состоит из пяти глав. В первой главе рассматриваются измерительные информационные системы, их обобщенные алгоритмы функционирования и принципы построения. Производится анализ информационно-измерительных комплексов. Особое внимание уделяется применению персональных компьютеров как основного средства построения измерительных комплексов.

Во второй главе дипломного проекта рассматриваются принципы функционирования автоматической локомотивной сигнализации, анализируется существующая измерительная аппаратура вагона-лаборатории, рассматриваются функциональные характеристики системы «Контроль», принципы взаимодействия этой системы с персональным компьютером.

В третьей главе дипломного проекта производится разработка программного обеспечения измерительного комплекса вагона-лаборатории автоматики, телемеханики и связи.

В четвёртой главе освещаются экономические аспекты реализации разрабатываемой системы.

В пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с обеспечением пожарной безопасности вагона-лаборатории.

Дипломный проект содержит пояснительную записку на 126 листах и включает в себя 15 иллюстраций, 6 таблиц, список литературы из 12 источников, 3 приложения и графический материал на 7 плакатах.

1. Принципы построения измерительных информационных систем

1.1 Общая характеристика ИИС

1.2 Интерфейсы измерительных информационных систем

1.3 Алгоритмы функционирования ИИС

1.4 Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК)

1.5 Применение ЭВМ в измерительной технике

1.6 Выводы

2. Измерительный комплекс вагона-лаборатории железнодорожной автоматики, телемеханики и связи

2.1 Система автоматической локомотивной сигнализации

2.2 Аппаратура вагона-лаборатории

2.3 Анализ функционирования системы «Контроль»

2.3.1 Технические характеристики

2.3.2 Функциональные связи

2.3.3 Интерфейс с ЭВМ

2.4 Анализ возможностей модернизации

2.5 Выводы

3. Разработка программного обеспечения

3.1 Обоснование выбора методов и среды программирования

3.2 Основные функции программного обеспечения вычислительного комплекса

3.3 Разработка алгоритмов работы ПО

3.4 Получение измерительной информации из аппаратуры «Контроль»

3.5 Структура используемой базы данных

3.6 Разработка интерфейса пользователя

3.7 Описание структуры программного обеспечения и его настройка

3.8 Выводы

4. Экономические аспекты разработки

4.1 Общие положения

4.2 Оценка стоимости разработки программного обеспечения компьютерного измерительного комплекса вагона-лаборатории

4.3 Выводы

5. Обеспечение пожарной безопасности вагона-лаборатории

5.1 Основные причины возникновения пожаров в вагонах

5.2 Требования пожарной безопасности при эксплуатации вагона-лаборатории

5.3 Конструктивные противопожарные меры в вагоне

5.4 Выводы Заключение и выводы Литература Приложения

Измерительная техника — один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех отраслях народного хозяйства.

Получение и обработка измерительной информации предназначены не только для достижения требуемого качества продукции, но и организации производства, учета и составления баланса количества вещества и энергии. В настоящее время важной областью применения измерительной техники является автоматизация научно-технических экспериментов. Для повышения экономичности проектируемых объектов, механизмов и машин большое значение имеют экспериментальные исследования, проводимые на их физических моделях. При этом задача получения и обработки измерительной информации усложняется настолько, что ее эффективное решение становится возможным лишь на основе применения специализированных измерительно-вычислительных средств.

Измерительная техника начала свое развитие с 40-х годов XVIII в. и характеризуется последовательным переходом от показывающих (середина и вторая половина XIX в.), аналоговых самопишущих (конец XIX — начало XX в.), автоматических и цифровых приборов (середина XX в. — 50-е годы) к информационно-измерительным системам.

Одним из современных направлений развития измерительной техники, базирующейся на достижениях радиоэлектроники, являются цифровые приборы с дискретной формой представления информации. Такая форма представления результатов оказалась удобной для преобразования, передачи, обработки и хранения информации.

Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с появлением микропроцессоров (МП) и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их технические характеристики, повысились надежность и быстродействие, открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.

Трудно переоценить значение МП и микроЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Целью данного дипломного проекта является создание на базе аппаратуры, по проверке состояния рельсовых цепей и путевых устройств автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН), находящейся в вагон лаборатории железнодорожной автоматики и телемеханики Белорусской железной дороги принципиально нового компьютерного измерительного информационно-вычислительного комплекса, обеспечивающего автоматическую проверку работы рельсовых цепей и АЛСН, с возможностью автоматизированной обработки результатов измерения и сбора статистической информации.

1. Принципы построения измерительных информационных систем

1.1 Общая характеристика ИИС

Измерительная информационная система (ИИС) представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.

В зависимости от выполняемых функций ИИС реализуются в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля (САК), технической диагностики (СТД), распознавания (идентификации) образов (СРО). В СТД, САК и СРО измерительная система входит как подсистема.

Информация, характеризующая объект измерения, воспринимается ИИС, обрабатывается по некоторому алгоритму, в результате чего на выходе системы получается количественная информация (и только информация), отражающая состояние данного объекта. Измерительные информационные системы существенно отличаются от других типов информационных систем и систем автоматического управления (САУ). Так, ИИС, входящая в структуры более сложных систем (вычислительных систем связи и управления), может быть источником информации для этих систем. Использование информации для управления не входит в функции ИИС, хотя информация, получаемая на выходе ИИС, может использоваться для принятия каких-либо решений, например для управления конкретным экспериментом.

Каждому конкретному виду ИИС присущи многочисленные особенности, определяемые узким назначением систем и их технологически-конструктивным исполнением. Ввиду многообразия видов ИИС до настоящего времени не существует общепринятой классификации ИИС.

По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена информацией между ними ИИС могут быть разделены на активные и пассивные.

Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации научных исследований различных объектов.

В зависимости от характера обмена информацией между объектами и активными ИИС различают ИС без обратной связи и с обратной связью по воздействию. Воздействие на объект может осуществляться по заранее установленной жесткой программе либо по программе, учитывающей реакцию объекта. В первом случае реакция объекта не влияет на характер воздействия, а следовательно, и на ход эксперимента. Его результаты могут быть выданы оператору после окончания. Во втором случае результаты реакции отражаются на характере воздействия, поэтому обработка ведется в реальном времени. Такие системы должны иметь развитую вычислительную сеть. Кроме того, необходимо оперативное представление информации оператору в форме, удобной для восприятия, с тем чтобы он мог вмешиваться в ход процесса.

Эффективность научных исследований, испытательных, поверочных работ, организации управления технологическими процессами с применением ИИС в значительной мере определяется методами обработки измерительной информации.

Операции обработки измерительной информации выполняются в устройствах, в качестве которых используются специализированные либо универсальные ЭВМ. В некоторых случаях функции обработки результатов измерения могут осуществляться непосредственно в измерительном тракте, т. е. измерительными устройствами в реальном масштабе времени.

В системах, которые содержат вычислительные устройства, обработка информации может производиться как в реальном масштабе времени, так и с предварительным накоплением информации в памяти ЭВМ, т. е. со сдвигом по времени.

При исследовании сложных объектов или выполнении многофакторных экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое быстродействие с точностью. Такие ИИС характеризуются большими потоками информации на их выходе.

Значительно повысить эффективность ИИС при недостаточной априорной информации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточности информации, т. е. сокращения интенсивности потоков измерительной информации. Исключение избыточной информации, несущественной с точки зрения ее потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку устройств обработки данных, а следовательно, и время обработки информации, снижает требования к пропускной способности каналов связи.

При проектировании и создании ИИС большое внимание уделяется проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно достичь, если на ИИС возложить функции самоконтроля, в результате чего ИИС способна осуществлять тестовые проверки работоспособности средств системы и тем самым сохранять метрологические характеристики тракта прохождения входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации, получаемой посредством измерительных преобразований, и ее представления.

Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие автоматическую коррекцию своих характеристик — самонастраивающиеся (самокорректирующиеся) системы.

Введение

в такие системы свойств автоматического использования результатов самоконтроля — активного изучения состояния ИИС — и приспосабливаемое к изменению характеристик измеряемых сигналов или к изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение заданных параметров системы.

В зависимости от функционального назначения структуры ИИС подразделяют по принципу построения.

Собственно измерительные системы используются для различного рода комплексных исследований научного характера. Они предназначены для работы с объектами, характеризующимися до начала эксперимента минимумом априорной информации. Цель создания таких систем заключается в получении максимального количества достоверной измерительной информации об объекте для составления алгоритмического описания его поведения.

Обратная связь системы с объектом отсутствует или носит вспомогательный характер. Как отмечалось, информация, полученная на выходе ИИС, может использоваться для принятия каких-либо решений, создания возмущающих воздействий, но не для управления объектом. ИИС предназначена для создания дополнительных условий проведения эксперимента, для изучения реакции объекта на эти воздействия. Следовательно, использование информации не входит в функции ИИС. Эта информация предоставляется человеку-оператору или поступает в средства автоматической обработки информации.

Для измерительных систем характерны [1]:

q более высокие по отношению к системам другого вида требования к метрологическим характеристикам;

q более широкий спектр измеряемых физических величин и в особенности их количество (число измерительных каналов);

q необходимость в средствах представления информации; это связано с тем, что основной массив информации с выхода систем передается человеку для принятия им решения об изменении условий проведения эксперимента, его продолжении или прекращении. Поэтому определяющим требованием является неискаженное, наглядное и оперативное представление текущей информации с учетом динамики ее обновления и быстродействия системы, обеспечивающее удобство восприятия и анализа человеком;

q большой объем внешней памяти для систем, в которых обработка и анализ результатов измерений выполняются после завершения процесса эксперимента с помощью набора различных средств обработки и представления информации.

1.2 Интерфейсы измерительных информационных систем

В настоящее время ИИС находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Они применяются в качестве компонентов сложных информационно-вычислительных комплексов и систем автоматизации. Особенно важную роль играют автоматические ИИС, использующие ЭВМ для программного управления работой системы.

Возросшие объемы проводимых измерений привели к широкому использованию программно-управляемых СИ. При этом возросшие требования к характеристикам СИ оказали существенное влияние на методы сопряжения устройств, образующих ИИС.

Информационно-измерительные системы содержат ряд подсистем: измерительную, сбора, преобразования, предварительной обработки данных и подсистемы управления СИ в целом. Все подсистемы в ИИС соединены между собой в единую систему. Кроме того, ИИС в настоящее время проектируют на основе агрегатного (модульного) принципа, по которому устройства, образующие систему, выполняются в виде отдельных, самостоятельных изделий (приборов, блоков). В составе ИИС эти устройства выполняют определенные операции и взаимодействуют друг с другом, передавая информационные и управляющие сигналы через систему сопряжения.

Для унифицированных систем сопряжения между устройствами, участвующими в обмене информации, стал общепринятым термин интерфейс (interface). Под интерфейсом (или сопряжением) понимают совокупность схемотехнических средств, обеспечивающих непосредственное взаимодействие составных элементов ИИС (ГОСТ 15 971−74). Устройства подсоединяются к системе сопряжения и объединяются в ИИС по определенным правилам, относящимся к физической реализации сопряжении. Конструктивное исполнение этих устройств, характеристики вырабатываемых и принимаемых блоками сигналов и последовательности выдаваемых сигналов во времени позволяют упорядочить обмен информацией между отдельными функциональными блоками (ФБ).

Под интерфейсной системой понимают совокупность логических устройств, объединенных унифицированным набором связей и предназначенных для обеспечения информационной, электрической и конструктивной совместимости. Интерфейсная система также реализует алгоритмы взаимодействия функциональных модулей в соответствии с установленными нормами и правилами.

Возможны два подхода к организации взаимодействия элементов системы и построению материальных связей между ними:

q жесткая унификация и стандартизация входных и выходных параметров элементов системы;

q использование функциональных блоков с адаптивными характеристиками по входам-выходам.

На практике часто сочетают оба подхода. Стандартизация интерфейсов позволяет:

ь проектировать ИИС различных конфигураций;

ь значительно сократить число типов СИ и их устройств сопряжения;

ь ускорить и упростить разработку отдельных СИ и ИИС в целом;

ь упростить техническое обслуживание и модернизацию ИИС;

ь повысить надежность ИИС.

Применение развитых стандартных интерфейсов при организации ИИС позволяет обеспечить быструю компоновку системы и разработку программ управления СИ.

Структурная схема одноуровневой ИИС с интерфейсными узлами показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Структурная схема одноуровневой ИИС с интерфейсными узлами Основной структурной единицей ИИС является функциональный блок ФБ, который представляет собой один или несколько объединенных и взаимодействующих между собой измерительных преобразователей. Взаимодействие ФБ осуществляется через интерфейсные блоки ИБ по командам, организующим обмен данными. Команды управления формируются в управляющем блоке УБ и воздействуют на интерфейсные блоки через контроллер (К).

Между ФБ ИИС осуществляется обмен информационными и управляющими сообщениями. Информационное сообщение содержит сведения значении измеряемого параметра, диапазоне измерения, времени измерения, результатах контроля состояния измерительных каналов и др. Управляющее сообщение содержит сведения о режиме работы ФБ, порядке выполнения ими последовательности операций во времени, команде контроля состояния измерительных каналов.

Интерфейс может быть общим для устройств разных типов, наиболее распространенные интерфейсы определены международными, государственными и отраслевыми стандартами. Стандарт (ГОСТ 26 016−81 «Единая система стандартов приборостроения. Интерфейсы, признаки классификации и общие требования») включает четыре признака классификации: способ соединения комплектов системы (магистральный, радиальный, цепочечный, комбинированный); способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельно-последовательный); принцип обмена информацией (асинхронный, синхронный); режим передачи информации (двусторонняя одновременная передача, двусторонняя поочередная передача, односторонняя передача).

Указанные признаки позволяют характеризовать только определенные аспекты организации интерфейсов.

Более полная характеристика и систематизация интерфейсов могут быть выполнены при условии классификации по нескольким совокупностям признаков: функциональному назначению, логической функциональной организации и физической реализации.

К основным характеристикам интерфейса относятся следующие: функциональное назначение; структура или тип организации связей; принцип обмена информацией; способ обмена данными; режим обмена данными; номенклатура шин и сигналов; количество линий; количество линий для передачи данных; количество адресов; количество команд; быстродействие; длина линий связи; число подключаемых устройств; тип линии связи.

Соединение отдельных приборов и блоков между собой осуществляется линиями связи или линиями интерфейса. Линии интерфейса могут объединяться в группы для выполнения одной из операций в программно-управляемом процессе передачи данных. Эти группы линий называются шинами интерфейса. Назначение отдельных линий и шин, их номенклатура и взаимное расположение в системе (топологии) являются базовыми при рассмотрении функционирования любого интерфейса.

1.3 Алгоритмы функционирования ИИС

Измерительные системы предназначены для получения и выдачи измерительной информации о состоянии объекта, которое представляется физическими величинами.

В общем виде физическую величину можно описывать непрерывной функцией x (t), изменяющейся по времени t, или непрерывной функцией x (t,), изменяющейся по времени и распределенной в пространстве .

Измерение непрерывной функции x (t)|x (t,)| сводится к измерению множества значений физической величины:

x (t) = {(x (t_i)], i=1,2,…, n

или x (t,) = {x (t_i, _j)}, i=1,2,…, n; j=1,2,3…

Если состояние объекта представляют множеством физических величин, то результаты измерения объединяются в виде информационного блока, содержащего код состояния объекта в момент времени, при котором производится измерение. Таким образом, состояние объекта представляется в виде кода позиционного номера физической величины и кодов цифрового измерения значений физических величин.

Рисунок 1.2 — Упрощенная структура измерительных систем

Для реализации процедур получения и выдачи измерительной информации, как показано на рисунке 1.2, в общем случае ИС содержит измерительные каналы, устройство обработки информации и устройство выдачи информации. Измерительный канал для восприятия и измерения физических величин х и представления результатов измерения в виде множества импульсных или кодовых сигналов. После обработки измерительных сигналов в устройство обработки информации по заданному алгоритму осуществляется формирование измерительной информации. При этом устройство выдачи информации осуществляет вывод полученной информации из системы в графической или машинописной форме или осуществляет накопление данных в накопителях информации.

Измерительный канал фактически представляет собой аналого-цифровую часть системы в виде совокупности датчиков, аналоговых преобразователей и аналого-цифровых преобразователей.

Использование МП в составе измерительных каналов позволяет оптимизировать решение задач передачи, фильтрации и улучшения характеристик датчиков и др. К таким измерительным каналам через машинный интерфейс может подключаться микроЭВМ, предназначенная для первичной обработки результатов измерения, представляемых в виде кодовых сигналов.

В зависимости от специфики восприятия состояния объекта и представления результатов измерений на выходе измерительного канала в задачу цифровой обработки может быть включено:

ь получение цифрового кода результатов измерений физических величин путем обработки выходных импульсных сигналов измерительного канала;

ь формирование измерительной информации путем обработки и объединения кодовых сигналов, получаемых на выходе измерительного канала;

ь цифровая обработка результатов косвенных измерений и др. В качестве устройства цифровой обработки результатов измерения могут быть использованы специализированные цифровые устройства, микропроцессорные системы, микроЭВМ и др.

Потребителем измерительной информации может быть человек-оператор, исполнительный механизм, ЭВМ, сеть ЭВМ и др.

Вывод информации из измерительной системы производится в виде графика или алфавитно-цифрового текста (для человека-оператора), либо в виде последовательности байтов (для исполнительного механизма).

1.4 Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК)

Сложность задач контроля, автоматизации эксперимента, обработки информации и управления привела к появлению новой разновидности средств измерения — измерительно-вычислительных комплексов (ИВК).

В последнее время широкое развитие получили ИВК, выполненные на базе микропроцессоров.

В соответствии с ГОСТ 26.203−81 ИВК представляет собой автоматизированное средство измерения электрических величин, на основе которого возможно создание ИИС путем присоединения ко входу измерительных сигналов датчиков измеряемых величин с унифицированным электрическим выходным сигналом и генерация на основе программных компонентов ИВК программ обработки информации и управления экспериментом, ориентированных на решение конкретных задач.

На ИВК возлагаются следующие функции [1]:

q измерение параметров производственного процесса или экспериментальной установки; регистрация информации в реальном масштабе времени, хранение и последующая ее обработка согласно заданным программам как в процессе эксперимента (испытаний), так и после его окончания;

q управление процессом или экспериментальной установкой по результатам обработки информации; передача информации для сложной обработки и накопления в ЭВМ верхнего уровня; обеспечение работы эксперимента с символьной и графической информацией в интерактивном режиме с ЭВМ.

Для реализации этих функций ИВК осуществляет следующие операции: восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от первичных преобразователей или от объекта измерений; управление средствами измерений; выработку электрических сигналов для воздействия на объект исследования; оценку погрешности измерений и представление ее в установленной форме.

Характерными признаками ИВК являются: блочно-модульная агрегатная структура построения; наличие в их составе ЭВМ; программное управление от ЭВМ техническими средствами, входящими в ИВК; использование типовых интерфейсов для обеспечения взаимодействия между входящими в ИВК устройствами.

В ИВК (в зависимости от используемой ЭВМ, структуры комплекса и решаемых с его помощью задач) могут использоваться различные машинные, системные, приборные и другие интерфейсы, а также согласованные системы интерфейсов.

По назначению ИВК подразделяют на типовые широкого назначения, проблемно-ориентированные и специализированные. Типовые ИВК служат для решения широкого круга задач автоматизации исследований и испытаний независимо от области использования. Проблемно-ориентированные ИВК служат для решения широко распространенной, но специфичной задачи автоматизации измерений, исследований или испытаний посредством специально разрабатываемых для этих комплексов агрегатных средств и проблемно-ориентированного материального обеспечения (например, определенного набора технических средств сопряжения с объектом и пакетов прикладных программ).

Специализированные ИВК применяются для решения уникальных задач автоматизации измерений, испытаний или исследований, для которых применение типовых и проблемных ИВК экономически нецелесообразно. При этом в случае отсутствия необходимых серийных агрегатных средств измерений и автоматизации (СИА), в состав специализированных ИВК могут быть включены специально разработанные внесистемные СИА и средства ВТ.

В состав ИВК входят технические и программные компоненты. К техническим компонентам относятся средства вычислительной техники, средства измерения электрических величин, времязадающие средства, средства вывода управляющих электрических сигналов, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов, блоки электрического сопряжения измерительных компонентов между собой или измерительных компонентов с вычислительными компонентами, коммутационные устройства, расширители интерфейса, унифицированные типовые конструктивные элементы, источники питания и другие вспомогательные узлы.

Системное программное обеспечение ИВК — совокупность программного обеспечения ЭВМ, используемой в ИВК, и дополнительных программных средств, дающих возможность работы в диалоговом режиме с ИВК, а при необходимости — в режиме обмена измерительной информацией с измерительными компонентами и управления ими.

Прикладные программы ИВК обеспечивают обработку измерительной информации, проверку работоспособности компонентов ИВК в отдельности и комплекса в целом, метрологическое обслуживание ИВК (определение метрологических характеристик и поверку измерительных каналов ИВК, а также его метрологическую аттестацию). Модули прикладного программного обеспечения функционируют в соответствии с назначением и задачами исследований, проводимых с помощью ИВК.

Рисунок 1.3 — Структура ИИС с ЭВМ Объединение в ИВК современных средств измерительной и вычислительной техники, стандартных интерфейсов дает возможность изменять по мере надобности их состав, применять алгоритмы, позволяющие реализовать сложные задачи измерения, производить коррекцию результата измерения, выполнять поверочные операции и др.

В составе ИВК, как было показано выше, используется свободно программируемая ЭВМ, что позволяет обеспечить автоматизированную обработку измерительной информации, изменение программным путем алгоритмов обработки информации, гибкую перестройку самой структуры системы и взаимодействие с объектом исследования в реальном масштабе времени.

Из рисунка 1.3 видно, что информация, характеризующая количественное значение параметров объекта, посредством датчиков, блоков преобразования (измерения) сигналов, представляется оператору или ЭВМ в виде, удобном для использования. Измерительная информация сообщается оператору, например, в числовом виде на цифровых табло и вводится в ЭВМ для вычисления различных характеристик. Путем воздействия на объект имеется возможность получения различных параметров, характеризующих состояние объекта исследования.

Рассмотренное каскадное соединение ЭВМ с ИИС не реализует в полном объеме те преимущества ИВК, о которых говорилось выше. Более полно возможности ИВК реализуются при включении ЭВМ в замкнутый контур (рисунок 1.4). В этом случае вся система объединена программой функционирования и обработки измерительной информации, включающей в себя как воздействие на объект исследования, так и алгоритм взаимодействия с оператором. Эта схема является обобщенной структурой, по которой создается архитектура большинства современных ИВК. За основу при построении ИВК принимаются современные средства цифровой измерительной техники и малые цифровые ЭВМ.

Рисунок 1.4 — Обобщенная структура ИВК Структуру ИВК во многом определяют используемые интерфейсы. Кроме информационной и конструктивной совместимости они должны обеспечивать и программную совместимость.

1.5 Применение ЭВМ в измерительной технике

Одним из перспективных направлений в последние годы является применение персональных компьютеров (ПК) в измерительной технике. Измерительные системы на базе ПК обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными системами. Они используются в составе многоцелевых автоматических измерительных установок, информационно-измерительных систем и систем автоматизации эксперимента. Благодаря ПК в этих системах значительно облегчены процедуры взаимодействия пользователей с измерительными модулями, путем использования графических интерфейсов с многооконными режимами, специализированных пакетов программ и т. д. В составе системы ПК обеспечивает сравнительно простую ее адаптацию при изменении алгоритма обработки информации, позволяет производить оптимизацию параметров системы программным методом. Кроме обработки измерительной информации ПК осуществляет функции контроллера, а также универсального индикатора табличной, мнемонической и графической информации.

Получили распространение различные структуры измерительных систем на базе ПК. Прежде всего это традиционные системы, в которых компьютер связан с существующими автоматическими измерительными приборами с помощью кабеля через стандартные разъемы по интерфейсам. При удаленных приборах используется последовательный интерфейс связи (ИРПС).

В более совершенных устройствах ПК подключается к шасси, где устанавливается ряд индивидуальных одноплатных модулей измерительных приборов. Использование отдельного шасси гарантирует малый уровень электрических помех при проведении измерений, а высокоскоростная параллельная шина обеспечивает тесную связь с компьютером. Клавиатура и дисплей ПК становятся панелью управления и представления данных для каждого измерительного прибора. При таком подходе в измерительных системах получили распространение стандартные интерфейсы общего назначения, применяемые в микроЭВМ, такие, как И41, VME и др. Это позволяет повысить пропускную способность системы и лучше использовать потенциальные возможности ПК. Так, высокоскоростная шина VME-bus позволяет осуществлять обмен параллельными 32-разрядными двоичными кодами с частотой 50 мГц.

Персональные компьютеры обычно оснащены самыми разнообразными программными средствами, в том числе набором инструментальных и сервисных программ. К ним добавляются также комплексы программ и драйверы управления измерительными платами, подключенными к ПК. Так как обычно приходится манипулировать с большими объемами кратковременно существующих данных, в системах с ПК важное значение придается вопросам сжатия информации и ее быстрой обработке. Часто используется принцип преобразования собираемых данных в стандартные форматы, что в дальнейшем позволяет их обрабатывать прикладными программами. В качестве языков управления чаще всего применяются ПАСКАЛЬ и СИ.

1.6 Выводы

В первой главе были рассмотрены измерительные информационные системы, их обобщенные алгоритмы функционирования и принципы построения, были выявлены требования, предъявляемые к интерфейсным системам ИИС. Был произведен анализ информационно-измерительных комплексов, позволяющий выявить их достоинства и недостатки. Особое внимание уделено одному из самых перспективных направлений в измерительной технике — применению персональных компьютеров как основного средства построения измерительных комплексов.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что измерительные системы на базе ПК обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными системами. Поэтому создание компьютерного измерительного комплекса, способного автоматизировать рутинную работу обслуживающего персонала по обработке результатов измерений имеет очень важное значение.

2. Измерительный комплекс вагона-лаборатории железнодорожной автоматики, телемеханики и связи

2.1 Система автоматической локомотивной сигнализации

Автоматическая локомотивная сигнализация предназначена для безопасности движения поездов, увеличения пропускной способности железнодорожных линий и улучшения условий труда локомотивных бригад. Устройства АЛС осуществляют передачу сигнальных показаний путевых светофоров в кабину машиниста.

Автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного действия числового кода представляет собой совокупность путевых и локомотивных устройств, обеспечивающих непрерывную передачу сигналов путевых светофоров в кабину локомотива, периодическую проверку бдительности машиниста при желтом, желтом с красным, красном и белом огнях локомотивного светофора и однократную проверку бдительности при любой смене сигналов, контроль скорости при желтом с красным и красном огнях с принудительной остановкой поезда соответствующими устройствами в случае потери бдительности машинистом или превышении скорости.

Формирование числового кода у каждого проходного светофора осуществляется кодирующей аппаратурой, состоящей из кодового путевого трансмиттера КПТ и трансмиттерного реле, управляемого сигнальными реле автоблокировки. Трансмиттерное реле коммутирует цепь обмотки кодирующего трансформатора. При этом в рельсовую линию поступают импульсы переменного тока, соответствующие передаваемой кодовой комбинации. Переменный ток, проходя по рельсовым нитям, создает вокруг них переменное магнитное поле, которое замыкается через сердечник приемных катушек локомотива и наводит в последних ЭДС. Локомотивный приемник усиливает ЭДС и преобразует ее в импульсы постоянного тока, от которых срабатывает импульсное реле, включенное на выходе приемника. Импульсное реле управляет работой блока дешифратора, состоящего из собственно дешифратора и контрольного органа. В зависимости от принятой кодовой комбинации дешифратор обеспечивает зажигание соответствующего огня локомотивного светофора, а также подачу на контрольный орган информации о допустимой скорости движения. Фактическая скорость поезда измеряется скоростемером. Машинист подтверждает свою бдительность в необходимых ситуациях нажатием рукоятки бдительности. Моменты, в которые возникает необходимость подтверждения бдительности, определяются машинистом по свистку электропневматического клапана.

Машинист управляет локомотивом, воздействуя на двигатель и тормозные устройства.

Локомотивный приемник предназначен для приема числовых кодовых сигналов на частоте сигнального тока 50 Гц при электрической тяге постоянного тока и автономной тяге, а на частоте 25 или 75 Гц — при электрической тяге переменного тока.

Сигнальный ток, протекая по рельсам, создает магнитное поле, в котором перемещаются локомотивные катушки. Стальной сердечник способствует концентрации магнитных силовых линий в зоне расположения катушек. Центры катушек смещены в сторону оси пути, благодаря чему стабилизируется суммарная ЭДС на двух тушках при их горизонтальных колебаниях во время движения локомотива. При таком колебании одна из катушек приближается к рельсу, и сигнал на ней возрастает, другая катушка удаляется, и сигнал на ней убывает. Вследствие встречного включения катушек ЭДС, наводимая тяговым током, компенсируется; помехи создаются асимметрией тягового тока в рельсах. Катушки имеют индуктивность (7,1 ± 0,3) Гн на электровозах и (6 ± 0,25) Гн на тепловозах.

Катушки подвешены над каждым рельсом впереди первой колесной пары на высоте 150 мм над головкой рельса. Ток в рельсах 10 А и частотой 50 Гц наводит в каждой из них ЭДС не менее 0,75 В на электровозе и 0,65 В на тепловозе. Индуцированные в приемных катушках кодовые сигналы усиливаются локомотивным приемником и преобразуются в импульсы постоянного тока, которые подаются в дешифратор для восприятия передаваемого сообщения.

Локомотивные приемники характеризуются чувствительностью, помехозащищенностью и временными параметрами, отражающими искажение длительности импульсов кодовых комбинаций на выходе приемника по сравнению с входом.

Чувствительность локомотивного приемника измеряется минимальным кодовым током в рельсах под приемными катушками, при котором срабатывает исполнительный орган, например электромеханическое или электронное реле. Отношение максимального тока в рельсах, при котором исполнительный орган не срабатывает, к току чувствительности называется коэффициентом возврата локомотивного приемника.

При электрической тяге переменного тока чувствительность локомотивного приемника для частот сигнального тока 25 и 75 Гц составляет (1,05 ± 0,1) А. Для частоты 50 Гц при электрической тяге постоянного тока чувствительность (1,45 ± 0,15) А, а при автономной тяге (0,75 ± 0,15) А. Надежная работа приемника обеспечивается при минимальном токе в рельсах на входном конце блок-участка 1,2 А при автономной тяге, 1,4 А при электрической тяге переменного тока и 2 А при электрической тяге постоянного тока.

2.2 Аппаратура вагона-лаборатории

Для контроля работы рельсовых цепей и путевых устройств автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН) на сети железных дорог используются вагоны-лаборатории, оборудованные различными измерительными средствами. Многолетняя эксплуатация разнообразных измерительных средств показала их эффективность для выявления неисправностей в рельсовых цепях и причин сбоев в работе АЛСН.

Известно, что работоспособность рельсовой цепи определяется выполнением основных режимов работы: нормального, шунтового, контрольного и АЛСН. Основными параметрами рельсовой цепи во всех режимах являются напряжение на питающем и релейном концах и проводимость изоляции. В нормальном режиме и режиме АЛСН к ним добавляются еще и временные параметры числового кода. Если параметры рельсовой цепи находятся в пределах допусков, то выполняются основные режимы и, следовательно, рельсовая цепь работоспособна.

В настоящее время в соответствии с Инструкцией ЦШ/3820 линейный эксплуатационный штат должен проводить регулярные измерения некоторых параметров рельсовых цепей для выявления отклонений от норм, заданных в регулировочных таблицах. Однако в условиях обостряющейся кадровой проблемы выполнять такие регламентные работы становится все труднее.

Рационально было бы функции «поточной» проверки рельсовых цепей возложить на мобильные измерительные средства, размещаемые в подвижной единице. Производительность мобильных средств по выявлению параметров рельсовых цепей с отклонениями от норм в несколько десятков раз выше, чем при измерениях обычными переносными приборами. При этом «выходить» линейному штату нужно будет только на конкретную рельсовую цепь для устранения конкретной неисправности. Следовательно, эксплуатационный и экономический эффект достигается за счет снижения трудозатрат на обслуживание рельсовых цепей.

Таким мобильным средством измерения параметров рельсовых цепей и АЛСН для оценки технического состояния и выявления неисправностей этих устройств в настоящее время является система «Контроль». Однако элементная база существующей на Белорусской железной дороге системы в значительной степени устарела. Опыт эксплуатации системы показал, что существующая аппаратура работает нестабильно. Поэтому необходима модернизация аппаратуры вагона-лаборатории и дальнейшая автоматизация процесса измерений параметров рельсовых цепей.

2.3 Анализ функционирования системы «Контроль»

2.3.1 Технические характеристики

Система «Контроль» обеспечивает:

ь измерение уровня кодового тона частотой 25, 50 и 75Гц в диапазоне от 1 до 35А с пределом допускаемой относительной погрешности измерения ±10%;

ь измерение длительности импульсов, интервалов и цикла числового кода в рельсовых цепях с пределом допускаемой абсолютной погрешности измерения ±0,01с для кодовых сигналов частотой 50 и 75Гц и ±0,02с для кодовых сигналов частотой 25Гц;

ь измерение перерыва кодирования в диапазоне от 2,00 до 9,99с с пределом допускаемой абсолютной погрешности измерения ±0,01с для кодовых сигналов частотой 50 и 75Гц и ±0,02с для кодовых сигналов частотой 25Гц;

ь измерение координат рельсовой цепи с пределом допускаемой относительной погрешности измерения ±2%, при этом за начало отсчета принимаются изолирующие стыки рельсовой цепи;

ь фиксацию изолирующих стыков рельсовых цепей.

Параметры измеряются автоматически и фиксируются вручную по границам блок-участков на входных концах рельсовых цепей и далее автоматически в каждом кодовом цикле принимаемого кода АЛСН.

На цифровом табло пульта управления аппаратуры КОНТРОЛЬ обеспечивается индикация следующей информации:

q Номер сигнала, разрезной точки или трансляции рельсовой цепи, к которым производится движение (три разряда, соответственно десятки, единицы номера сигнала и единицы номера трансляции).

q Текущая координата рельсовой цепи (четыре разряда, соответственно тысячи, сотни, десятки и единицы м).

q Ток локомотивной сигнализации (три разряда, соответственно десятки, единицы, десятые доли А).

q Временные параметры кодового сигнала (по два разряда на каждый импульс и интервал, количество которых определено видом кода соответственно десятые и сотые доли с).

q Длительность цикла кодового сигнала (три разряда, соответственно единицы, десятые и сотые доли с).

q Перерыв кодирования (три разряда, соответственно единицы, десятые и сотые доли с).

q Скорость движения (три разряда, соответственно сотни, десятки и единицы км/ч).

В аппаратуре КОНТРОЛЬ предусмотрен набор номеров сигналов и трансляций оператором, а также их оперативная смена посредством воздействия на клавиатуру пульта управления. Смена номеров сигналов и трансляций производится также автоматически при проезде изолирующих стыков рельсовых цепей.

Аппаратура КОНТРОЛЬ обеспечивает проверку работоспособности в режиме самоконтроля.

Аппаратура КОНТРОЛЬ обеспечивает циклическую передачу измерительной информации в микроЭВМ, при этом информация передается в микроЭВМ в каждом цикле кодовых сигналов или при проезде изолирующих стыков в стандарте параллельного интерфейса ИРПР 16 шестнадцатибитовыми словами или в стандарте последовательного интерфейса ИРПС 32 байтами.

Питание аппаратуры КОНТРОЛЬ производится от аккумуляторных батарей вагона-лаборатории напряжением 54 В с допустимыми изменениями в пределах от 44 до 60 В (основной вариант) или при питании от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц с допустимыми изменениями по напряжению в пределах от 198 до 242 В и по частоте в пределах от 49 до 51 (резервный вариант).

Мощность, потребляемая аппаратурой КОНТРОЛЬ при питании по основному варианту (от аккумуляторных батарей не превышает 300 Вт, при питании по вспомогательному варианту (от сети переменного тока) — 300 ВА.

Аппаратура КОНТРОЛЬ обеспечивает время установление рабочего режима с момента включения — не более 30 мин.

Аппаратура КОНТРОЛЬ обеспечивает время непрерывной работы не менее 12 ч.

Установленная безотказная наработка не менее 200 ч.

Установленный срок службы не менее 8 лет.

Система «Контроль» содержит следующие узлы: первичный измерительный преобразователь тока кодовых сигналов, протекающего в рельсах; промежуточный измерительный преобразователь, предназначенный для отстройки от помех тягового тока, селекции рабочих частот кодовых сигналов, выделения и запоминания амплитудного значения кодового сигнала; измерения выходного напряжения промежуточного измерительного преобразователя; выделения и измерения длительности временных параметров всех элементов числового кода; измерения координат рельсовой цепи; фиксации изолирующих стыков; цифровой индикации значений измеряемых параметров; автоматического и ручного управления работой аппаратуры; контроля режимов работы; вывода информации для регистрации параметров; питания аппаратуры.

Аппаратура системы состоит из измерительного и силового шкафов, пульта управления, размещенных в салоне вагона, а также первичного измерительного преобразователя тока АЛСН, индукторов и датчиков изолирующих стыков и датчика оборотов колеса, расположенных вне салона.

Первичный измерительный преобразователь тока АЛСН выполнен в виде специальных измерительных катушек (индуктивных), допускающих их крепление на время измерения на сердечниках локомотивных катушек. Конструкция крепления измерительных катушек к сердечнику локомотивных катушек обеспечивает удобство, минимальные затраты времени на их установку и безопасность движения.

Индукторы и датчики изолирующих стыков узла фиксации изолирующих стыков имеют конструктивное исполнение, позволяющее крепить их на раме тележки вагона, что обеспечивает их удобную установку, взаимозаменяемость, учитывает габарит подвижного состава и безопасность движения.

Конструкция датчика оборотов колеса узла измерения координат рельсовой цепи позволяет крепить его на раме тележки вагона и обеспечивает безопасность движения.

Ток кодовых сигналов, протекающий в рельсах, преобразуется в выходное напряжение промежуточного измерительного преобразователя, которое измеряется типовым аналого-цифровым преобразователем (АЦП) типа Ф-7077/1.

2.3.2 Функциональные связи

Аппаратура КОНТРОЛЬ состоит из измерительного и силового шкафов, пульта управления размещенных в салоне вагона, а также первичного измерительного преобразователя тока АЛСН, исполненного в виде специальных измерительных катушек АЛС, индукторов и датчиков изолирующих стыков, датчика оборотов колеса, размещаемых вне салона вагона.

Функциональная схема системы «Контроль» представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Функциональная схема измерительно-вычислительного комплекса выгона-лаборатории Аппаратура работает следующим образом. Электромагнитное поле кодового тока, протекающего в рельсах, воспринимается измерительными катушками. Наводимая в них э.д.с. по соединительному кабелю передается на вход дифференциального усилителя. Измерительные катушки включены последовательно так, что э.д.с., наводимые от электромагнитных полей кодового тока в каждой катушке, на их выходе складываются, а э.д.с., наводимые от полей тягового тока, вычитаются. Дифференциальный усилитель подавляет э.д.с. от всех видов синфазных помех, вызванных тяговым током как в измерительных катушках, так и в соединительном кабеле.

Далее кодовый сигнал проходит через режекторные фильтры, настроенные на частоту основных гармонических составляющих тягового тока, и подавляет, их. Кроме того, режекторные фильтры подавляют помехи от э.д.с., вызванных колебаниями индуктивных катушек в поле тягового тока. Затем сигнал поступает на селективный усилитель, настроенный на частоту кодового сигнала. Кодовый сигнал с выхода селективного усилителя через фазовращатель поступает на нуль-орган.

Фазовращатель сдвигает фазу синусоидального сигнала на 90°, а нуль-орган формирует на выходе прямоугольный сигнал, фронты которого совпадают с моментами перехода через нуль входного синусоидального сигнала.

Формирователь импульсов выборки вырабатывает стробирующие импульсы, причем на одном выходе формирователя импульсов выборки эти импульсы соответствуют переднему фронту, а на втором выходе — заднему фронту прямоугольных импульсов нуль-органа, т. е. стробирующие импульсы формируются в моменты времени, соответствующие амплитудным значениям положительной и отрицательной полуволн синусоидального кодового сигнала, присутствующего на выходе селективного усилителя. Стробирующие импульсы, соответствующее амплитудному значению положительной полуволны кодового сигнала, поступают на схему запуска аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Один из этих импульсов, сформированный схемой запуска, поступает на запуск АЦП. АЦП измеряет амплитудное значение положительной полуволны кодового сигнала, поступающего на его измерительный вход с выхода селективного усилителя.

Сигнал с выхода селективного усилителя поступает также на вход схемы автоматического выбора диапазона (автоматического снижения уровня кодового сигнала). Коэффициент передачи схемы автоматического выбора диапазона изменяется в зависимости от уровня кодового сигнала таким образом, что сигнал на выходе схемы имеет практически постоянный уровень во всем диапазоне изменения входного кодового сигнала. С выхода автоматического выбора диапазона сигнал поступает на входы схем выборки и запоминания напряжения. Схемы выборки и запоминания напряжения (фиксации амплитуды) выполнены на основе аналогового ключа и запоминающего конденсатора. Аналоговый ключ в этих схемах управляется стробирующими импульсами выборки, поступающими с формирователя импульсов выборки. В первой схеме выборки и запоминания напряжения запоминаются амплитудные значения положительных полуволн, а во второй — отрицательных полуволн синусоидального кодового сигнала.

Напряжения со схем выборки и запоминания напряжения подаются на входы буферного усилителя, выполненного по дифференциальной схеме. Поэтому напряжение на выходе этого усилителя пропорционально алгебраически разностному на его входах и имеет ступенчатую форму огибающей кодовых импульсов.

С выхода буферного усилителя сигнал поступает на входы дифференциатора фронта и дифференциатора среза. Дифференциатора фронта фиксирует возрастание, а дифференциатор среза — спад огибающей кодовых импульсов. Дифференциаторы воздействуют на триггер временного интервала, на выходе которого формируются прямоугольные импульсы, соответствующие импульсам кодового сигнала. Триггер временного интервала управляет работой схемы автоматического выбора диапазона таким образом, что ступени аттенюации переключаются в паузах кодового сигнала.