ДАТЧИК СЧИТЫВАНИЯ ОСЕЙ, УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ОСЕЙ

Предлагаемые технические решения относятся к системам для регистрации и определения местоположения подвижного состава или поезда, в частности - для определения наличия колеса подвижного состава на определенном участке пути и передачи информации на постовой управляющий вычислительный комплекс (УВК).
Известны устройства для регистрации и определения местоположения подвижных составов, основанные на различных принципах работы.
Например, в датчике счета колес (RU №2089424, С1, 10.09.1997) для определения свободности/занятости пути отслеживают отклонение частоты генератора от заданной, а в устройстве для счета осей железнодорожных составов (варианты) (RU №2088453, С1, 27.08.1997) - свободность/занятость пути определяют по наличию импульсов на счетчике при прохождении колесной пары. В обоих датчиках для обработки входящей и исходящей информации применяют аналоговый метод, что обуславливает сложность и трудоемкость изготовления и ручной настройки устройства.
Ближайшим аналогом предлагаемого датчика считывания осей является колесный датчик (ZK24, производитель «ALTPRO», Хорватия, эксплуатационный документ D215560), содержит два входных каскада, содержащие последовательно соединенные генератор и амплитудный детектор. Входы генераторов являются соответственно первым и вторым входами датчика. Сигналы с каскадов обрабатывают аналоговой схемой, что ведет к выше перечисленным недостаткам. Кроме того для передачи токового информационного сигнала датчика на УВК необходимо его преобразование в соответствующий формат.
Ближайшим аналогом предлагаемого устройства считывания осей является устройство, содержащее вышеописанный колесный датчик и систему сопряжения (UTR245/ITR245, «ALTPRO», Хорватия, эксплуатационный документ D215567-0501020102), предназначенную для преобразования сигналов датчика и передачи на УВК. Недостатком устройства является наличие аналоговой схемы в датчике.
Целью полезной модели является создание Датчика считывания осей, позволяющего значительно повысить достоверность данных о наличии колеса на контролируемом участке пути и положении датчика на месте установки, обеспечить его универсальное использование (возможность передачи данных на УВК непосредственно от датчика либо через стандартные преобразователи сигнала), а также минимизировать настройку и регулировку на месте установки при монтаже и обслуживании.
Целью полезной модели является также создание устройства считывания осей, позволяющего получать достоверные данные с упомянутого Датчика считывания осей.
ДСО выполнен с возможностью подачи необходимого питания на требующие питания элементы и содержит первый генератор, вход которого является первым входом Датчика считывания осей (ДСО), а выход подключен к первому амплитудному детектору, второй генератор, вход которого является вторым входом ДСО, а выход подключен к второму амплитудному детектору. При этом ДСО содержит третий генератор, вход которого является третьим входом ДСО, а выход подключен к третьему амплитудному детектору. Выходы первого второго и третьего амплитудных детекторов подключены соответственно к первому, второму и третьему входам УПУ, первый выход которого соединен с первым выходом ДСО через последовательно соединенные первую гальваническую развязку (ГР) и первый трансивер (ТР), второй выход УПУ соединен с вторым выходом ДСО через последовательно соединенные вторую ГР и второй ТР, третий выход УПУ соединен с третьим выходом ДСО через последовательно соединенные третью ГР и третий ТР. Дополнительный выход каждого из трансиверов соединен соответственно с четвертым, пятым, шестым входом УПУ через соответственно четвертую, пятую, шестую ГР, а ИП УПУ подключен к ИП ДСО через последовательно соединенные седьмую ГР и трансивер шины CAN. Таким образом, цель достигается в ДСО тем, что введено устройство преобразования и управления (УПУ), аналоговая часть ограничена входными каскадами из генератора и амплитудного детектора, введен информационный порт (ИП) для прямой передачи данных на УВК.
Предпочтительно, чтобы ДСО содержал подключенный к УПУ сторожевой таймер для предотвращения аппаратных зависаний.
Предпочтительно, чтобы ДСО содержал подключенные к УПУ термодатчик и устройство обогрева.
Цель достигается в Устройстве считывания осей (Устройство), содержащем ДСО и преобразователь сигналов (ПС). При этом ДСО выполнен как описано выше, а первый, второй и третий входы ДСО являются соответствующими входами Устройства, первый, второй, третий выходы и ИП ДСО подключены к соответствующим входам и первому ИП ПС, входы ПС соответствующими выходными цепями подключены к соответствующим выходам ПС, являющимся выходами Устройства, а первый ИП ПС подключен к второму ИП ПС, являющемуся ИП Устройства.
В дальнейшем реализация и работа Устройства считывания осей с включенным в него Датчиком считывания осей будут рассмотрены в предпочтительных вариантах.
На фиг.1 представлена структурная схема датчика устройства считывания осей в предпочтительном варианте.
На фиг.2 представлена структурная схема устройства считывания осей с Преобразователем сигналов.
На Фиг.1 изображена схема Датчика считывания осей 1 (ДСО). ДСО содержит устройство преобразования и управления 2 (УПУ), к которому подключены три входных каскада, каждый из которых содержит генератор 3 и амплитудный детектор 4.
Первый входной каскад ВК1 содержит первый генератор 3 (Г1), вход которого является входом ВК1 и первым входом ДСО (Вх1), а выход (Вых) подключен к первому входу (Вх1) УПУ через первый амплитудный детектор (АД1).
Вход второго входного каскада ВК2, построенного аналогично ВК1 из Г2 и АД2, является вторым входом ДСО (Вх2), а выход подключен ко второму входу (Вх2) УПУ2. Аналогично вход третьего входного каскада ВКЗ (из Г3 и АД3), является третьим входом ДСО (Вх3), а выход подключен к третьему входу (Вх3) УПУ2.
Каждый из генераторов содержит конденсаторы и чувствительный элемент (ЧЭ1, ЧЭ2 или ЧЭ3), являющийся входом этого генератора. В качестве ЧЭ используют, например, катушки индуктивности с разомкнутым магнитным сердечником (в данной реализации - чашеобразным ферромагнитным РМ сердечником). Схемы построения таких генераторов известны, не являются предметом данной заявки, поэтому не описаны.
Сигналы с Вх1, Вх2, Вх3 обрабатывают в УПУ2, выходные данные с которого передают на его первый, второй, третий выходы (Вых1, Вых2, Вых3), каждый из которых подключен к соответствующему выходу ДСО (Вых1, Вых2, Вых3) через соответствующие последовательно соединенные гальваническую развязку 5 (ГР1, ГР2, ГР3) и трансивер 6 (ТР1, ТР2, ТР3). Дополнительный выход каждого из трансиверов ТР1, ТР2, ТР3 соединен соответственно с Вх4, Вх5, Вх6 УПУ через соответствующую гальваническую развязку 5 (ГР4, ГР5, ГР6).
Информационный порт (ИП) УПУ через последовательно соединенные седьмую гальваническую развязку 5 (ГР7) и трансивер шины CAN 7 (ТР CAN) соединен с ИП ДСО.
Четвертый вход (Вх4) ДСО подключен к седьмому входу (Вх7) УПУ через восьмую гальваническую развязку 5 (ГР8).
Кроме того:
- к четвертому выходу (Вых4) УПУ 2 подключен вход сторожевого таймера 8 (СТ), выход которого подключен к восьмому входу (Вх8) УПУ 2;
- к девятому входу (Вх9) УПУ 2 подключен термодатчик 9 (ТД), а к пятому выходу (Вых5) УПУ - устройство обогрева 10 (УО). В данной реализации:
- в качестве УПУ2 используют программируемое устройство, например, контроллер (микроконтроллер AT91SAM7A3 фирмы ATMEL) - для сбора, обработки информации, передачи/приема управляющих сигналов;
- в качестве ТР1, ТР2, ТР3, например, микросхему AD694AR AD, a TP CAN - микросхему РСА82С25 IT NXP.
- ГР1…ГР8 электрически развязывают выше описанные внутренние цепи Датчика с внешними цепями, подключенными к его входам, выходам, ИП для защиты от воздействия внешних дестабилизирующих факторов (используют любые известные устройства).
При изготовлении ДСО производят настройку уровня амплитуды колебаний генераторов. При дальнейшем использовании настройка не требуется.
В других вариантах реализации полезной модели для упрощения процесса регулировки возможно использование цифровых потенциометров для автоматической подстройки уровней генераторов в состоянии «свободно», то есть отсутствия оси над датчиком (через управляющий вход генератора, подключенного к Вых6, Вых7, Вых8 УПУ) - на фиг.1 не показано.
ДСО работает следующим образом.
Для контроля движения оси колеса по участку железнодорожного пути закрепляют ДСО1 на месте установки, подключают Вых1, Вых2, Вых3 и ИП Устройства (в данной реализации через преобразователь сигналов) к УВК.
После подачи необходимого напряжения питания на требующие питания элементы ДСО и подачи сигнала включения через Вх4 ДСО, ГР8 на Вх7 УПУ, последнее переводится в режим свободности.
Синусоидальный сигнал с генераторов Г1…Г3, установленных с зоной перекрытия, поступает на соответствующие амплитудные детекторы, затем через Вх1, Вх2, Вх3 УПУ - в его аналого-цифровой преобразователь. Далее в УПУ производят измерение и анализ огибающей сигнала от каждого из входов ДСО. УПУ фиксирует прохождение оси над Вк1, Вк2 по изменению уровня огибающей. Далее решение о занятости/свободности пути передают соответственно на Вых1, Вых2 УПУ, а затем - через гальванические развязки 5, где повышают уровень напряжения с УПУ до необходимого для передачи с Вых1, Вых2, Вых3 ДСО, и трансивер 6 (преобразователь напряжения в постоянный ток) по интерфейсу «токовая петля 4/20 мА», - на Вых1, Вых2 ДСО:
- Отсутствие колеса (свободно) - постоянный ток 20 мА;
- Наличие оси в зоне чувствительности (занято) - постоянный ток 4 мА.
Использование стандартного интерфейса позволяет подключать ДСО к любому преобразователю сигналов, обрабатывающему такие сигналы.
По времени (очередности) появления сигнала «занято» на Вых1, Вых2 ДСО пользователь определяет направление движения над датчиком. Устранение влияния дестабилизирующих факторов (в частности, от температуры) в УПУ основано на значительно медленном изменении уровня огибающей.
Аналогично по уровню амплитудных колебаний с Вх3 в УПУ определяют положение датчика на рельсе (рабочее либо отвал), далее информация передают на Вых3 ДСО:
- Рабочее положение - меандр 4/20 мА с частотой 1 Гц;
- Снятие («отвал») датчика - постоянный ток 20 мА;
Кроме того, при нарушении передачи с Вых1, Вых2 или Вых3, когда ток не достигает потребителя (обрыве цепей связи между ДСО и подключенным к его Вых1, Вых2, Вых3 устройствам) соответствующий трансивер 6 (ТР1, ТР2, ТР3) через свой дополнительный выход передает сигнал «обрыв» через соответствующую гальваническую развязку 5 (Г4, Г5, Г6) на Вх4, Вх5 или Вх6 УПУ, где полученную информацию обрабатывают и передают на ВыхЗ УПУ. Информацию об обрыве любой из цепей связи, а также отказе чувствительных элементов генераторов Г1…Г3 передают через Вых3 УПУ на Вых3 ДСО (постоянный ток 4 мА). В Г4, Г5, Г6 дополнительно понижают уровень напряжения до необходимого для подачи на Вх4, Вх5, Вхб УПУ.
Кроме того, при изменении температуры в УПУ пересчитывают пороги срабатывания и отпускания для расчета уровней напряжения для принятия решения о занятости/свободности, что устраняет проблему дребезга при работе на границах значений и обеспечивает триггерный эффект для перехода свободно/занято. В алгоритм работы УПУ введена временная селекция, которая защищает от ложных срабатываний при импульсных помехах.
Через Вых4 УПУ в СТ8 с некоторой периодичностью передают импульсы о нормальном функционировании УПУ2, также СТ8 контролирует уровень напряжения питания УПУ2. При сбое в работе УПУ передача импульсов прекращается или становится нестабильной, вследствие чего с СТ8 на Вх8 передается сигнал, при поступлении которого осуществляется перезапуск программного обеспечения УПУ, что предотвращает его аппаратные зависания.
От ТД9 на Вх9 УПУ поступают значения температуры окружающей среды. По достижении определенных нижнего/верхнего температурных порогов, УПУ через Вых5 подает команды включения/выключения У010, что позволяет осуществлять обогрев ДСО, поддерживая рабочую температуру ДСО.
Всю информацию, передаваемую через Вых1, Вых2, Вых3 ДСО (занятость пути, обрыв цепей, отвал датчика), а также дополнительные параметры (например, температура, параметры срабатывания и т.д.) передают через ИП УПУ, ГР8, ТР CAN (преобразует поступающую информацию в формат данных для передачи по шине CAN), ИП ДСО и далее - по шине CAN потребителю (на УВК). Наличие ИП ДСО позволяет передавать всю собранную информацию на УВК без использования промежуточных устройств. ИП используют также для тестирования ДСО при изготовлении и настройке.
На фиг.2 изображена схема устройства считывания осей (далее - Устройство), включающего ДСО 1, Bx1, Bx2, Вх3 которого являются соответствующими входами Устройства, а Вых1, Вых2, Вых3 подключены к соответствующим входам Преобразователя сигналов 12 (ПС). ИП ДСО соединен с первым информационным портом (ИП1) ПС, объединенным с вторым информационным портом (ИП2), являющимся ИП Устройства для подключения к шине передачи данных и осуществления связи с многофункциональными системами по протоколу CAN для прямой приема/передачи данных с ДСО. Четвертый вход (Вх4) ПС (Вх4 Устройства) соединен через четвертый выход (Вых4) ПС с четвертым входом (Вх4) ДСО и реализован в виде механической кнопки.
ПС 12 содержит:
- первую выходную цепь, включающую первый преобразователь тока в напряжение 13 (ПТН1), вход которого является Bx1 ПС, а выход подключен к первому входу первого компаратора 14 (К1), к второму входу которого подключен первый выход первого делителя напряжения 15 (ДН1), выход К1 подключен к выходу Вых1 ПС через последовательно соединенные одиннадцатую гальваническую развязку 5 (ГР11) и первый элемент защиты и фильтрации 16 (ЗФ1). Цепь содержит также первый блок защиты от перегрузки 17 (ЗП1) включенный между выходом ГР11 и входом ЭФ1. В данной реализации Устройства ПТН1 построен на резисторе и операционном усилителе;
- аналогично построенную вторую выходную цепь из ПТН2, К2, ДН2, ГР12, ЗФ2, ЗП2, включенную между Bx2 и вторым выходом (Вых2) ПС;
- аналогично построенную третью выходную цепь из ПТН3, К3, ДН3, ГР13, ЗФ3, ЗП3, включенную между Вх3 и третьим выходом (Вых3) ПС;
- четвертый, пятый, шестой компараторы (К4, К5, К6) 14, первые входы которых подключены соответственно к выходам ПТН1, ПТН2, ПТН3, вторые входы - соответственно к вторым выходам ДН1, ДН2, ДН3, а выходы - ко входу ГР13 для контроля целостности цепей связи между ДСО и ПС (Вых1 ДСО-Вх1 ПС, Вых2 ДСО-Вх2 ПС, Вых3 ДСО-Вх3 ПС).
Вых1, Вых2, Вых3 ПС являются соответствующими выходами Устройства для передачи на УВК.
Устройство работает следующим образом. Вых1, Вых2, Вых3, ИП, Вх4 установленного в рабочее положение ДСО 1 подключают соответственно к Вх1, Вх2, Вх3, ИП1, Вых4 ПС12, затем подключают Вых1, Вых2, Вых3 и ИП Устройства к УВК, подают необходимое питание на требующие питания элементы ДСО и ПС, включают устройство нажатием кнопки (Вх4).
ДСО 1 работает, как описано выше.
Токовый сигнал с Вых1 ДСО поступает через Вх1 ПС в ПТН1, где преобразуют его в сигнал напряжения и подавляют синфазные помехи сигнала, возникающие во внешней передающей цепи Вых1 ДСО-Вх1 ПС. Далее в К1 сравнивают сигналы от ПТН1 с первым пороговым значением напряжения от ДН1. В зависимости от результатов сравнения К1 выдает стандартные значения напряжения 0 В («занято») или 24 В («свободно»). Далее ГР11 электрически развязывают описываемую внутреннюю цепь блока с внешними, ЗФ1 защищают выходной сигнал от внешних электромагнитных воздействий, а ЗП1 - осуществляют защиту от перегрузки по току в данной - первой выходной цепи.
Аналогично обрабатывают сигнал во второй выходной цепи ПС.
В третьей выходной цепи проводят такую же обработку сигнала с Вх3 ПС о нормальном функционировании ДСО, отвале ДСО, обрыве цепей связи. На Вых3 Устройства передают соответственно меандр со значением нижнего уровня 0 В, верхнего - 24 В («исправное состояние»), 0 В («отвал») либо 24 В («обрыв»).
Кроме того, значение напряжения от каждого из ПТН1, ПТН2, ПТН3 передают соответственно на К4, К5, К6, где сравнивают их с вторыми пороговыми значениями соответственно от ДН1, ДН2, ДН3. Далее передают решение на вход ГР13: значение напряжения 0 В - при обрыве цепи связи, 24 В - при нормальном функционировании. Таким образом, в ПС дублируют проверку целостности цепей между ДСО и ПС.
Всю информацию с Вых1…Вых3, ИП Устройства передают на УВК. Таким образом, аналоговая часть ДСО Устройства ограничена лишь тремя входными каскадами. Это минимизирует необходимость регулировки ДСО при изготовлении и исключает настройку при использовании и обслуживании. Дублирование всей передаваемой информации через ИП ДСО Устройства позволяет использовать его без ПС, напрямую передавая информацию потребителю.