Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики

Наметившаяся в настоящее время тенденция в развитии средств автоматизации на железнодорожном транспорте предполагает широкое внедрение микропроцессорных систем. Микропроцессорные средства, предполагающие решение целого ряда задач на уровне программного обеспечения, позволяют существенно расширить функциональные возможности систем автоматики. Значительное уменьшение количества электромагнитных реле, применение перспективной элементной базы позволяют существенно снизить затраты на строительство, повысить надежность функционирования новых систем. Оборудование, не требующее периодического обслуживания, а также развитые возможности самодиагностики обеспечивают значительное снижение затрат на обслуживания новых систем автоматики, построенных на основе микропроцессорной техники.

Существенный вклад в разработку микропроцессорных систем ЖАТ внесен трудами крупных ученых в области современных систем железнодорожной автоматики, таких как Сапожников Вл.В., Сапожников В. В., Дрейман O.K., Гавзов Д. В., Прокофьев А. А., Лисовский М. П., Христов Х. А. и многих других отечественных и зарубежных ученых.

Одной из важнейших проблем при построении микропроцессорных систем управления является организация сопряжения управляющего вычислительного комплекса (УВК) с исполнительными объектами.

Поиск технических решений, связанных с разработкой устройств сопряжения должен осуществляться с учетом современных достижений в области цифровой и аналоговой схемотехники. Диссертационная работа опирается на труды Воронина П. А., Семенова Б. Ю., Готтлиба И. М., Хоровица П., Хилла У., а также ряда других крупных ученых и специалистов в данной области.

Для ввода-вывода информации из УВК обычно используются стандартные интерфейсы. Как правило, электрические параметры этих интерфейсов не могут обеспечить возможность непосредственного 4 воздействия УВК на исполнительные объекты. Поэтому, под сопряжением, прежде всего, подразумевается энергетическое согласование электронных схем, осуществляющих вывод сигналов управления из УВК с исполнительными объектами, используемыми в конкретной системе управления.

Кроме того, существует задача временного согласования, предусматривающая приведение временных параметров сигналов к форме, необходимой для взаимодействия с тем или иным функциональным узлом. В частности, для вывода информации из ЭВМ все чаще используются интерфейсы, подразумевающие последовательную передачу данных (например, широко распространенный интерфейс RS-485). В этом случае возникает необходимость преобразования последовательного потока данных в совокупность параллельных сигналов, действующих на отдельных физических цепях, индивидуальных для каждого исполнительного объекта. Соответственно, при реализации ввода информации в ЭВМ приходится решать обратную задачу (преобразование параллельного потока данных в последовательный).

Решаются эти проблемы сопряжения с объектами, как правило, путем использования специализированных функциональных блоков, не входящих конструктивно и схемотехнически в состав УВК — устройств сопряжения, обладающих адаптивными характеристиками обработки сигналов на входах и выходах. Современные устройства сопряжения можно представить в виде двух основных функциональных узлов: интерфейсной или логической части, осуществляющей взаимодействие УСО со стандартными интерфейсами УВК, и выходного преобразователя или силовой части, формирующей электрические сигналы, параметры которых позволяют осуществлять непосредственное взаимодействие УСО с объектом управления. В устройствах сопряжения, осуществляющих контроль состояния объектов, используется такой функциональный узел, как входной преобразователь, воспринимающий электрические сигналы, характеризующие состояние контролируемого объекта, и преобразующий их в форму, необходимую для передачи их в УВК.

Устройства сопряжения, позволяющие выполнять описанные выше функции, выпускаются промышленностью и на сегодняшний день достаточно широко распространены. Однако, в системах железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) они имеют ограниченное применение. Такие УСО могут использоваться решения только тех задач, которые не связаны непосредственно с обеспечением безопасности движения поездов. В частности, такие УСО могут найти применение в диспетчерских централизацию, а также релейно-процессорных централизациях стрелок и сигналов, в которых большинство функций, связанных с обеспечением безопасности движения поездов, реализованы с помощью традиционной релейной схемотехники.

Микропроцессорные централизации (МПЦ), также как и релейно-процессорные, предназначены для управления объектами, правильное функционирование которых оказывает непосредственное влияние на безопасность движения поездов. При этом, в МПЦ все зависимости реализуются на уровне УВК, а количество релейных схем сведено к минимуму. Поэтому микропроцессорные централизации относятся к разряду ответственных дискретных систем, требующих особого подхода к построению как самого УВК, так и других, входящих в их состав электронных устройств.

Безопасность функционирования таких систем обеспечивается, чаще всего, за счет избыточности (резервирования) на аппаратном уровне, достигаемого путем использования нескольких каналов обработки информации. Обычно используется два или три канала, образующие дублированную или мажоритированную (троированную) систему.

Активизация исполнительного объекта (перевод стрелки или включение разрешающего показания светофора) осуществляется лишь при совпадении соответствующей информации во всех или в большинстве каналов. Иными словами, наиболее часто используются принципы управления, которые принято называть «2 из 2» или «2 из 3». Такой подход к построению безопасных систем позволяет обеспечить требуемый уровень безопасности функционирования при минимальных затратах и может рассматриваться в 6 качестве рекомендуемого к применению в системах железнодорожной автоматики.

Очевидно, что для достижения безопасности в таких системах управления, помимо резервирования, необходимо применять также и специализированные (безопасные) устройства сопряжения. Обобщенная структура системы управления, а также структура безопасной системы управления приведены на рисунке 1.

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ:

СТРУКТУРА БЕЗОПАСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ:

Рис. 1. Структура автоматизированных систем управления.

К безопасным устройствам сопряжения предъявляются три основных специфических требования.

Во-первых, безопасные УСО, осуществляющие управление объектами, обычно имеют два или три входа и на них возлагается задача реализации упомянутого принципа «2 из 2» или «2 из 3». Иначе говоря, сигнал управления, активизирующий исполнительный объект, должен появляться на выходе УСО только при совпадении всех или большинства сигналов на его входах. Этим обусловлено наличие в составе безопасного УСО еще одного функционального узла — восстанавливающего органа (ВО), который и выполняет указанную задачу. По своему функциональному назначению ВО — это элемент, реализующий логическую функцию «И» (в двухканальных системах) или мажоритарную функцию (в трехканальных системах).

Во-вторых, схемные решения УСО не должны иметь опасных отказов, т. е. безопасные УСО, реализующие функцию управления, с достаточной вероятностью должны исключать ложное появление на выходе УСО сигнала, активизирующего исполнительный объект (сигнал или стрелочный привод) при возникновении неисправностей в собственной структуре.

Для тех УСО, которые предназначены для ввода информации о состоянии контролируемых объектов в УВК (устройств сопряжения по контролю) данное требование можно сформулировать так.

УСО, осуществляющие безопасный ввод информации должны исключать ложное появление на выходе сигнала, отражающего такое состояние контролируемого объекта, которое по алгоритму функционирования системы является необходимым условием для активизации исполнительных объектов. Указанное требование также должно выполняться при возникновении любых отказов в структуре устройства сопряжения.

Обычно учитываются отказы, выражающиеся в появлении следующих часто встречающихся на практике событий: обрыв любых элементов или соединений, увеличение переходного сопротивления в соединениях, пробой конденсаторов и полупроводниковых элементов, короткое замыкание между близко расположенными цепями (жилы в кабеле, обмотки трансформатора, расположенные в одной секции каркаса, соседние дорожки на печатной плате), самовозбуждение электронных схем, межвитковое замыкание намоточных узлов, изменение параметров элементов, имеющие место в реальных устройствах (увеличение сопротивления резисторов, уменьшение емкости электролитических конденсаторов, увеличение токов утечки в конденсаторах и полупроводниковых элементах, ухудшение передаточных характеристик трех- (и более) выводных полупроводниковых элементов). преобразование (трансформация) одних полупроводниковых приборов в другие.

В-третьих, такие УСО должны быть устойчивы к возникновению любых отказов источников вторичного электропитания, а также к воздействию электромагнитных помех и влияний (в установленных пределах). Под устойчивостью, в данном случае, понимается либо отсутствие реакции УСО на указанное событие, либо переход устройства сопряжения в защитное состояние, при котором исключается активизация исполнительных объектов (перевод стрелки, включение разрешающего показания светофора), или передача ложного сигнала контроля в УВК.

В качестве отказов источников вторичного электропитания следует рассматривать следующие события: исчезновение напряжения на выходе источника вторичного электропитания, уменьшение выходного напряжения источника вторичного электропитания, увеличение выходного напряжения источника вторичного электропитания вследствие нестабильности напряжения сетей электроснабжения или в результате отказа в схемах стабилизации выходного напряжения (если таковые имеются), появление значительной переменной составляющей (пульсаций) на выходе источников электропитания, формирующих постоянные напряжения, Увеличение уровня высших гармоник (выше установленных норм) на выходе источников переменного напряжения.

Как известно, отсутствие опасных отказов в схемах наиболее просто достигается при использовании элементов, обладающих несимметричным отказом. К таким элементам относятся, прежде всего, электромагнитные реле I класса надежности. Однако, очевидно, что применение реле в составе устройств сопряжения должно быть сведено к минимуму, так как, в противном случае, теряется смысл создания микропроцессорных централизаций. Построение малогабаритных, технологичных и требующих минимального технического обслуживания устройств, предполагает широкое использование в качестве элементной базы полупроводниковых приборов и построенных на их основе микроэлектронных изделий. Полупроводниковые приборы являются элементами с симметричным отказом. Поэтому, выполнение указанного выше требования к отсутствию опасных отказов в схемах УСО, приводит к необходимости принятия специальных мер при построении всех нерезервированных функциональных узлов. К таким узлам относятся восстанавливающий орган, а также выходной и входной преобразователи. Естественно, что при разработке подобных устройств одной из основных проблем является оценка и доказательство достижения требуемого уровня безопасности.

Целью данного диссертационного исследования является разработка методов, позволяющих обеспечить наиболее полную оценку безопасности функционирования устройств сопряжения, представляющих собой сочетание цифровой и аналоговой схемотехники, а также предложение ряда технических решений, обеспечивающих безопасное функционирование бесконтактных устройств сопряжения, предназначенных для непосредственного управления напольными объектами.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи:

1. Произведен анализ основных методов разработки безопасных устройств сопряжения.

2. Разработаны основные теоретические положения и обобщенные методики оценки параметрической безопасности аналоговых устройств в системах железнодорожной автоматики.

3. Предложены методы практической реализации безопасных УСО, построенных на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

4. Разработаны методики расчета для основных показателей параметрической безопасности различных схемотехнических решений функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

5. Выработаны рекомендации по обеспечению безопасности УСО, предназначенных для ввода информации в УВК.

При решении поставленных задач в работе получены и защищаются следующие результаты и основные положения:

1. Обоснована необходимость рассмотрения функциональных преобразователей с несимметричным отказом, а также многих других электронных устройств, применяемые в системах железнодорожной автоматики, как многозвенных аналоговых устройств, требующих параметрического подхода к оценке безопасности функционирования.

2. Предложена обобщенная методика параметрической оценки безопасности функционирования аппаратуры при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

3. Разработаны методы обеспечения безопасной работы различных схемотехнических решений функциональных преобразователей при возникновении отказов источников вторичного электропитания.

4. Обоснована целесообразность использования преобразовательной техники в подсистеме безопасного ввода информации, а также предложено конкретное схемотехническое решение устройства безопасного ввода.

Показано, что одним из методов повышения порога надежной дезактивизации электронных устройств может являться включение во входные цепи последних малогабаритных DC/DC-конвертеров в интегральном исполнении.

Доказано, что снятие динамических управляющих сигналов со всех ключевых элементов двухтактного преобразователя является необходимым условием для надежной дезактивизации исполнительного объекта.

Обоснована целесообразность использования разделительных трансформаторов на выходе функциональных преобразователей, работающих на кабельную линию.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ БЕЗОПАСНЫХ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТАМИ.

5.19) Выводы:

1. Значительная часть капитальных вложений в оборудование для микропроцессорных систем приходится на аппаратуру для управляющего вычислительного комплекса, стоимость которой мало изменяется в зависимости от размеров станции. В связи с этим, существенный экономический эффект при новом строительстве может достигаться, на сегодняшний день, лишь при внедрении микропроцессорных централизаций на средних и крупных станциях (40 стрелок и более). Приемлемым техническим решением, предусматривающим использование микропроцессорных централизаций для малых станций, может быть включение объектов малой станции в систему централизации опорной (более крупной) станции или использование кодового управления объектами малой станции с сохранением возможности местного управления.

2. Значимой составляющей в сокращении расходов при строительстве микропроцессорных централизаций является снижение затрат на строительство постов ЭЦ (капитальные вложения в строительство зданий составляют около 30% от общей суммы). Наиболее существенную роль данный фактор будет играть при замене выработавших свой ресурс старых систем централизации, занимавших помещения незначительной площади, так как в этом случае массогабаритные показатели нового оборудования будут непосредственно влиять на принятие решения о необходимости строительства нового здания для поста ЭЦ. В этом случае строительство МПЦ на малых станциях также может оказаться экономически эффективным.

3. Отказ от использования электромагнитных реле на сегодняшний день дает незначительный экономический эффект по части капитальных вложений в оборудование при внедрении микропроцессорных централизаций на малых станциях. Однако следует учитывать, что широкое внедрение на сети железных дорог микропроцессорных систем автоматики неизбежно приведет к резкому снижению объемов производства электромагнитных реле первого класса надежности, что в свою очередь будет являться причиной значительного повышения стоимости реле. Стоимость электронного оборудования, как показывает практика, не возрастает и даже имеет тенденцию к снижению. Поэтому, в перспективе, стоимость бесконтактного оборудования микропроцессорных систем железнодорожной автоматики (включая аппаратуру УВК) окажется существенно ниже стоимости релейного оборудования, и микропроцессорные системы централизации будут являться единственным экономически эффективным вариантом, как при замене устаревших релейных систем, так и при новом строительстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные выводы и результаты:

1. Показано, что при доказательстве безопасности ряда устройств железнодорожной автоматики (в том числе и устройств сопряжения) необходимо рассматривать последние как аналоговые устройства.

2. Введено понятие о параметрических показателях безопасности. Даны определения таким показателям, как остаточный уровень сигнала и порог надежной дезактивизации. Предложена методика оценки параметрической безопасности аналоговых устройств.

3. Предложена методика определения остаточного уровня сигнала с учетом нелинейного характера сопротивления нагрузки. Показано, что наименее благоприятной в плане получения минимального коэффициента остаточного напряжения на выходе устройства является нагрузка с падающим сопротивлением.

4. Рассмотрены особенности определения параметрических показателей безопасности для ряда устройств, применяемых в системах железнодорожной автоматики.

5. Предложены методы практической реализации безопасных УСО на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом в виде двухуровневой структуры, позволяющей снизить остроту проблем, связанных с электромагнитной совместимостью устройств и обеспечить возможность поэтапной модернизации существующих релейных СЖАТ.

6. Показано, что для обеспечения надежной дезактивизации исполнительного объекта необходимо обеспечивать снятие динамических управляющих сигналов со всех ключевых элементов преобразователя.

7. Разработаны методы защиты функциональных преобразователей логического и силового уровня от опасного воздействия пульсаций питающего напряжения. Показано, что одним из способов повышения порога надежной дезактивизации устройств может являться использование DC/DC-конвертеров.

8. Рассмотрены вопросы влияния кабельных сетей на безопасность функционирования аппаратуры силового уровня. Приведены расчетные соотношения, позволяющие осуществлять доказательство безопасности устройств с учетом влияния кабельной сети. Показано, что одним из эффективных методов защиты от опасного влияния кабельной сети является использование разделительных трансформаторов.

9. Предложена концепция обеспечения параметрической безопасности устройств ввода информации, состоящая в том, что подобные устройства должны обладать рядом полезных свойств, присущих электромагнитным реле (соответствующий уровень мощности, потребляемой от источника сигнала, наличие гарантированных пороговых свойств, нечувствительность к импульсным помехам).

Ю.Разработаны методы практической реализации указанной концепции обеспечения безопасности, состоящие в искусственном снижении КПД входного преобразователя и использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Предложены схемотехнические решения устройства безопасного ввода.

11.Показано, что проблема обеспечения безопасности при вводе информации решается не только за счет улучшения параметрических показателей устройств, но и путем использования специальных алгоритмов для обработки динамических сигналов, формируемых устройствами ¦ сопряжения.

12.Предложен метод построения алгоритмов обработки t динамических сигналов, предусматривающий ограничение времени принятия решений о состоянии контролируемого объекта, что позволяет обеспечивать нечувствительность системы управления к воздействию на входы УСО переменных напряжений промышленной частоты.

13. Разработаны различные методы контроля источников электропитания УСО, обеспечивающие безопасность устройств сопряжения при отказах элементов источников питания.