Разработка методов управления, контроля и диагностики устройств железнодорожной автоматики и телемеханики

Основными направлениями развития железнодорожного комплекса являются увеличение пропускной способности и повышение безопасности железнодорожного транспорта. Эти задачи невозможно решить, используя существующие принципы управления и технологии технического обслуживания объектов железнодорожной автоматики.

В этой связи создание и внедрение новых систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) является актуальной научной задачей. Использование достижений современной системотехники позволяет обеспечить более эффективное и безопасное управление перевозочным процессом. Применение микроэлектронной техники в системах управления и контроля позволяет не только улучшить условия труда, но и повысить достоверность оценки технического состояния, снизить расходы на строительство и обслуживание систем.

Основной тенденцией развития информатизации железнодорожного транспорта России является создание технических средств, предназначенных для автоматизации процессов информационного обеспечения систем управления движением поездов.

Опыт эксплуатации первых систем микропроцессорной централизации (МПЦ) на железных дорогах мира показал их эксплуатационные и технические преимущества перед релейными системами. Учитывая быстрые темпы развития и совершенствования микроэлектронной и микропроцессорной техники, снижение ее стоимости, можно утверждать, что с течением времени микропроцессорные системы станут основными системами железнодорожной автоматики. Отметим четыре основных преимущества микропроцессорных систем [1].

При соответствующем подходе к построению микропроцессорных систем управления можно добиться повышения безопасности и безотказности по сравнению с системами, построенными на релейной аппаратуре. Существующие микропроцессорные системы имеют интенсивность опасных и защитных отказов соответственно 1,6−10″ 10 -5,8−10″ 12 и 1-Ю" 7 — 4,8−10″ 9 (это более чем в сто раз меньше, чем у существующих релейных систем).

Применение микропроцессорной техники позволяет дополнить систему управления новыми функциями, сделать уровень системы более интеллектуальным.

Принципиальным отличием микропроцессорных систем от релейных является то, что алгоритмы управления реализуются в них программным способом. Это позволяет легко настраивать типовое программное обеспечение для конкретной станции и создавать системы автоматического проектирования. Изготовление и строительство микропроцессорных систем упрощается, так как в них исключается большой объем монтажных работ, неизбежный для релейных систем. Система образуется обычно из типовых вычислительных блоков и имеет малые габариты. Поэтому не нужно строить дорогостоящие посты централизации.

Если с разработкой новых релейных систем наблюдалась устойчивая тенденция увеличения стоимости и расхода дефицитных материалов, то микропроцессорная техника имеет тенденцию постоянного снижения стоимости при одновременном увеличении функциональных возможностей.

Отрицательное воздействие на обеспечение безопасности оказывает так называемый человеческий фактор. Эксплуатационный и обслуживающий персонал по неосторожности или недисциплинированности может вмешиваться в логику работы системы управления объектами, что в свою очередь может привести к опасному отказу системы. Вследствие халатности работников, обслуживающих СЖАТ происходят крушения подвижного состава, сопровождаемые жертвами. Защититься от такого вмешательства можно за счет создания необслуживаемых объектов управления, контроль и диагностика которых происходит автоматически, средствами самой системы управления.

В настоящее время задачи, связанные с созданием надежных микропроцессорных систем управления устройствами железнодорожной автоматики, а также сопряжения этих систем с объектами, находятся на стадии решения. Решить эти задачи возможно путем проведения исследований свойств объектов управления и контроля источников технологической информации.

Одной из особенностей систем железнодорожной автоматики, телемеханики и связи является её пространственная распределенность и большое количество объектов управления и контроля, что требует применения сложных алгоритмов взаимодействия, учитывающих эти факторы.

Для диагностики распределенных систем требуется обработка информации на месте измерения. Это позволит: уменьшить загруженность линий связи, значительно снизить влияние внешних помех, равномерно распределить вычислительные мощности, повысить надежность функционирования системы, легко модифицировать конфигурацию системы и своевременно получать полную информацию о состоянии устройств всем потребителям.

В данной диссертации предложен ряд подходов как к построению систем управления объектами железнодорожной автоматики, так и в безопасном управлении объектами, используя современные технологии в области силовой и микроэлектроники.

Одним из важнейших объектов управления в СЖАТ является стрелка. Отказ в работе стрелки может свести до минимума надежность любой системы централизации и привести к самым тяжелым последствиям.

Принципы и методы управления контроля и диагностики, представленные в диссертации, будут рассматриваться применительно к этому объекту управления, хотя практически без изменений они могут быть перенесены и на остальные объекты железнодорожной автоматики.

Современные стрелочные электроприводы должны гарантированно обеспечивать показатели безопасности движения поездов и быть высоконадежными. Необходимо снижать эксплуатационные затраты на их содержание путем создания необслуживаемых технологий, использования передовых технологий изготовления, современных материалов и новых конструкторских решений.

В настоящее время на сети железных дорог России эксплуатируется около 180 тыс. электроприводов. Накопленный опыт эксплуатации и требования, предъявляемые к надежности и безопасности средств железнодорожной автоматики, показывают, что основная часть применяющихся в настоящее время стрелочных приводов морально и технически устарела и уже не производится, некоторые существуют в единичных экземплярах.

Таким образом, существует большая потребность в разработке методов построения систем управления устройствами железнодорожной автоматики, базирующихся на современной микроэлектронной базе и отвечающих возрастающим требованиям надежности, безопасности и функциональности.

Настоящая работа является частью комплексных исследований в области управления, контроля и диагностики объектов железнодорожной автоматики, проводимых на кафедре «Транспортная связь» Российского государственного открытого технического университета путей сообщения.

4.6. Выводы по главе.

1. На основе методов, рассмотренных во второй и третьей главе, разработана структура схемы управления объектом ЖАТ. Отмечено, что схема должна иметь два независимых канала передачи информации и физически разделенные и независимые блоки управления и контроля и диагностики.

2. Определены требования, которым должен отвечать микроконтроллер схемы управления, и на основе их из всего многообразия МК, представленных на рынке, выбраны, наиболее удовлетворяющие требованиям, микроконтроллеры с ARM ядром.

3. Определена схемотехническая реализация силовой части схемы управления стрелочным электроприводом на основе трехфазного инвертора с использованием в качестве драйверов силовых ключей.

IGBT транзисторов) развязывающих импульсных трансформаторов. Произведен расчет данной схемы и ее моделирование в среде SIMetrix.

4. Выбраны варианты построения узлов съема контрольной и диагностической информации на основе требований безопасного подключения систем контроля и диагностики к объектам диагноза с использованием специализированных микросхем, осуществляющих гальваническую развязку измерительного тракта.

5. Рассмотрены варианты организации канала передачи данных между системой управления и объектами управления на основе современных беспроводных технологий, отвечающих заданным уровням безопасности, и указаны наиболее перспективные.

6. Определены основные направления, обуславливающие экономический эффект от внедрения данной системы управления: «безлюдные» технологии, увеличение быстродействия системы, применение беспроводных каналов передачи данных, применение стандартных промышленных компонентов, уменьшение массогабаритных показателей аппаратуры, использование систем автоматического проектирования.

Заключение

.

В результате проведенных исследований разработаны методы управления, контроля и диагностики технического состояния устройств железнодорожной автоматики и телемеханики с использованием современной микропроцессорной и силовой электроники, обеспечивающие безопасность, надежность, информативность и функциональность системы управления объектами СЦБ. В работе получены следующие результаты и выводы:

1. На основе анализа доступной технической документации и научно-технической литературы выявлено, что в основе построения существующих систем управления объектами ЖАТ, лежат принципы и методы, отвечающие за безопасность, которые используют устаревшую элементную базу. Это накладывает ряд ограничений на дальнейшее развитие систем управления объектами ЖАТ. Поэтому существует актуальная задача по разработке альтернативных методов безопасного управления, на основе которых будет построена система управления объектами автоматики, использующая современные компоненты и технологии.

2. Предложен метод управления, основанный на контролируемой и синхронизируемой передаче информации и электрической энергии, используя различные пути ее доставки. Метод позволяет повысить отказоустойчивость и исключить возможные опасные отказы схемы управления, вызванные внутренними отказами элементов, либо внешними воздействиями.

3. Для контроля передачи электрической энергии от источника к объекту управления разработан ограничивающий Н — элемент с однонаправленным отказом. Построена математическая модель элемента и доказана безопасность схемы управления, основанной на этих элементах.

4. Для обеспечения безопасного поведения объекта при отказах микроконтроллера схемы управления, разработан аппаратно-программный метод динамической загрузки исполняемого кода микроконтроллера.

5. Определены центральные изображения, описывающие множество диагностируемых состояний и с помощью лингвистического метода получены решающие функции распознавания технического состояния объекта диагноза. В результате расчета установлено, что данный метод позволяет с высокой достоверностью (0,961) производить контроль и функциональную диагностику схемы управления объектом.

6. Разработаны технические решения построения узлов схемы управления, контроля и диагностики стрелочного привода на основе современной элементной базы.

7. Предложена и обоснована методика выбора семейства микроконтроллеров для схемы управления. Рассмотрены варианты организации каналов передачи информации с использованием современных беспроводных технологий, из которых определены наиболее перспективные.

8. Экономическая эффективность при внедрении системы управления объектами ЖАТ, построенной на разработанных методах заключается в переходе к необслуживаемым технологиям, увеличении быстродействия системы управления, а, следовательно, скоростей движения железнодорожного транспорта, уменьшении сроков производства системы и проведения пуско-наладочных работ, использовании уже проработанных технических решений для организации каналов передачи данных.

Интеграция в объекты ЖАТ интеллектуальных схем управления и диагностики, функционирующих на основе подходов, изложенных в диссертационной работе, позволит сделать систему более отказоустойчивой, повысить уровень безопасности, перераспределив часть задач по обеспечению безопасности между объектами управления.