УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ТОНАЛЬНЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

Полезная модель относится к средствам контроля и диагностирования устройств железнодорожной автоматики, и непосредственно предназначено для контроля электрических параметров приборов тональных рельсовых цепей (ТРЦ) в процессе их эксплуатации.
Устройство предназначено для применения в системах диспетчерского контроля к технического диагностирования устройств электрической централизации на железнодорожном транспорте. Устройство осуществляет получение, обработку и передачу информации в составе иерархических или автономных систем. Устройство является универсальным в части обслуживания различных частотных диапазонов ТРЦ. Обеспечивает измерение параметров входного сигнала для устройств диагностики, а также обеспечение передаче состояния рельсовой цепи в устройствах электрической централизации и автоблокировки с требуемым уровнем безопасности.
Известно изобретение «Приемник тональных сигналов рельсовых цепей», патент RU №2253585, опубл. 2005.06.10, МПК B 61 L 23/16, включающий два сопряженных модуля преобразования и обработки сигналов, блоков внешних интерфейсов, обеспечивающий межмодульный обмен. Однако назначение приемника - организация контрольного сигнала за счет возможности функционирования вычислительного ядра каждого канала в нескольких независимых друг от друга режимах. Приемник обеспечивает возможность построения многоканальной
архитектуры структурной схемы приемника до обеспечения требуемых условий безопасности, однако не решает задачу измерения и контроля сигналов.
Известно изобретение «Способ распознавания частотно-манипулированных сигналов с неизвестными параметрами», патент RU, №2236693, опубл. 2004.09.20, МПК G 01 S 13/52, G 06 K 9/00, данный способ используют к измерительной аппаратуре, но он не обеспечивает измерение числового среднеквадратичного значения сигнала в заданном режиме.
Известен прибор УК ТРЦ-8, который является ближайшим аналогом предлагаемого технического решения. Данный прибор изготавливается в соответствия с ТУ 4250-007-11244389-02, и взят в качестве прототипа. Устройство содержит - 8 входных измерительных каналов, с индивидуальной гальванической изоляцией от вычислительной части устройства и последовательного коммуникационного интерфейса RS-485, предназначенного дня связи с ведущим устройством ввода-вывода. Выполняет измерение среднеквадратичного значения (СКЗ) напряжения амплитудно-модулированных сигналов переменного тока с глубиной модуляции до 100% со следующими параметрами:
- несущие частоты, Гц, 420±2, 480±2, 580±3, 720±4, 780±4, 4545±10, 5000±10, 5555±10;
- частота модуляции, составляет Гц 8±0,07,12±0,1;
- длительность модулирующих импульсов, не менее 40 мс, а также измерение напряжения постоянного тока.
Однако такое устройство может обеспечить измерение СКЗ амплитудно-модулированного сигнала только в селективном режиме, с периодичностью обновления результатов измерения не чаще чем через 15 с. Устройство не обеспечивает измерение
значений сигналов в широкополосном режиме. Однако обслуживание устройств тональных рельсовых цепей подразумевает измерение сигнала на входах приемников и выходах генераторов в широкополосном режиме, а селективный резким измерения - должен использоваться только при поиске неисправностей в цепи. В силу своих конструктивных особенностей УК ТРЦ-8 обеспечивает периодичность обновления информации (вычисления СКЗ сигнала) по воем 8-ми каналам не чаще, чем через 15 сек., Кроме того, устройство, при измерении в селективном режиме, не позволяет контролировать частоту несущей сигнала. Чувствительность измерительных каналов (диапазон измерения сигнала на входе приемника) не позволяет контролировать сигнал, снимаемый с резистора (шунта), устанавливаемого во входное цепи путевого преемника (ПП), для вычисления СКЗ амплитудно-модулированного тока.
Кроме того, велика погрешность СКЗ измеряемого сигнала заданной частоты в силу того, что при измерении СКЗ отсекаются крайние (вторые в последующие) гармонические составляющее общего входного сигнала, искажая величину измерения. Кроме того, невозможность измерения сигнала в широкополосном режиме не обеспечивает контроль параметров устройств тональных рельсовых цепей (ТРЦ), в соответствии с инструкцией по их обслуживанию. Предложенная полезная модель обеспечивает получение следующего технического результата: увеличение точности измерения, обеспечение универсальности измерений, т.е. возможность проводить измерения в широкополосном или селективном режиме, оставляя широкополосный режим в качестве основного рабочего режима, при возможности измерения также и в селективном режиме. Предлагаемое устройство (при контроле сигнала на входе путевого приемника), в отличии от прототипа, имеет расширенный диапазон измерения сигналов при заданной точности. А также обеспечивает увеличение скорости обработки сигнала, и, как следствие, снижение времени получения результата
измерения до 3 секунд. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает наиболее полный контроль за динамикой изменения сигналов в цепях устройств тональных рельсовых цепей. Кроме того, конструктивные особенности предлагаемого устройства позволяют обеспечить требуемую модульную конфигурацию прибора, а также значительно повышают его ремонтопригодность.
Данный технический результат достигается за счет того, что устройство контроля и диагностики тональных рельсовых цепей состоит из N измерительных каналов, подключаемых к цепям путевых генераторов и/или приемников, модуля связи и управления, включающего процессор в том числе трансляции команд и данных к источник питания, а также формирователь сигналов последовательного интерфейса RS-485 для связи с ведущим устройством. Устройство отличается тем, что каждый из N измерительных каналов, выполнен в виде отдельных, функционально законченных модулей, каждый измерительный модуль снабжен входным нормирующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем, процессором, подключаемым к АЦП через синхронный последовательный интерфейс SPI и источником питания. Устройство с N измерительными модулями, которые выполнены с индивидуальной изоляцией входных измерительных линий друг от друга и от вычислительной части устройства. Модуль связи и управления включает в себя дополнительно, устройство связи с измерительными модулями посредствам внутренней шины последовательной передачи данных UART, а процессор выполняет функцию только трансляции команд и данных, Каждый измерительный модуль и модуль связи и управления снабжены элементами гальванической изоляции, обеспечивающими их индивидуальную защиту от интерфейсных и питающих цепей, а также изоляцию между входными измерительными линиями. Устройство может подключаться к входным цепям путевых приемников параллельно входу путевого преемника, что обеспечивает
контроль СКЗ напряжения. Либо устройство может подключаться к входным цепям путевых приемников через измерительный резистор, последовательно включенный во входную цепь приемника, что обеспечивает контроль СКЗ тока.
Устройство иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 - структурная схема измерительного устройства
Фиг.2 - схема подключения измерительного устройства к тональным рельсовым цепям для параллельного контроля сразу двух путевых приемников; а) без измерительного резистора; б) с измерительным резистором
Фиг.3 - схема подключения измерительного устройства к тональным рельсовым цепям для контроля одного путевого приемника а) без измерительного резистора; б) с измерительным резистором.
Устройство, как измерительные модули (1), так и модуль связи и управления (2), подключают к входным сигнальным линиям посредством коммутационного разъема (3) по соответствующему каждому устройству сетевому адресу. Каждый измерительный канал выполнен в виде отдельного модуля (1...N), имеющего гальваническую изоляцию (4) по интерфейсным (5) и питающим (6) линиям в виде оптической изоляции м снабжен, индивидуальными аналого-цифровым преобразователем (7), микропроцессором (8) и источником питания (9), модуль связи и управления (2) включает дополнительно процессор трансляции команд и данных (10) и источник питания (11), а также обеспечивает связь ведущего устройства с каждым измерительным модулем (1) посредством внутренней шины последовательной передачи данных UART (12). При этом устройство могут подключать к путевым преемникам (13) как через последовательно подключенный резистор (14), так и без него. См. Фиг.2а, 2б и Фиг.3а, 3б.
При подключении без резистора (14), измерительные модули (1) подключаются к ПП (13) посредством блока защитных резисторов (15).
На фиг.2а и 3а показаны схемы подключения автоматов диагностики тональных рельсовых цепей (16), где в качестве автомата может быть использовано и предложенное устройство - АДТРЦ, и устройство, взятое в качестве прототипа - УК ТРЦ-8. При этом резисторы R1-R4 применяют типа С2-29в-0,25 - 6,98 кОм±0,1%.
На Фиг.2б, 3б показаны схемы подключения автоматов диагностики тональных рельсовых цепей (16), где в качестве автомата может быть использовано только предложенное устройство - АДТРЦ. При этой резистор измерительный (14) взят типа С5-16в-10-10 Ом±0,5%
На Фиг.2а, 3а - показаны схемы подключения к аппаратуре релейного конца ТРЦ (17) для измерения напряжения.
На Фиг.2б, 3б - показаны схемы подключения к аппаратуре релейного конца ТРЦ (17) для измерения для измерения СКЗ тока.
Устройство работает следующим образом.
На отдельных участках рельсовой цепи установлены путевые генераторы (ПГ) и путевые приемники (ПП) настроенные на соответствующую частоту и тип модуляции сигнала. С целью контроля параметров работы приемников и генераторов устройство подключают к выходной цепи генераторе и входной цепи приемника. При этом для контроля каждого параметра используется отдельный измерительный модуль устройства. Устройство подключается к контролируемым цепям через защитные резисторы, которые исключают влияние устройства на контролируемые цепи, в случае выхода его из строя. При необходимости измерения СКЗ тока амплитудно модулированного сигнала устройство подключается к измерительному резистору, последовательно включенному во входную цепь приемника (ПП). Необходимое
количество устройств определяют исходя из количества рельсовых цепей, подлежащих контролю. Все устройства через последовательный интерфейс RS-485 подключаются к ведущему устройству (компьютеру). Компьютер отправляет в устройство команды, определяющие параметры настройки каждого измерительного модуля (широкополосный или селективный метод измерения, если селективный, то задается частота и тип модуляции).
В устройстве монтируют на каркасе прибора самостоятельные измерительные модули. Каждый измерительный модуль расположен на своей плате и платы независимо от других измерительных модулей обеспечивают получение входного сигнала, его оцифровку и фильтрацию. Предложенная конструкция обеспечивает высокую ремонтопригодность прибора. Каждый измерительный модуль имеет гальваническую изоляцию по интерфейсным и питающим линиям в виде оптической изоляции и снабжен, индивидуальными аналого-цифровым преобразователем (АЦП), микропроцессором и источником питания. Между АЦП и микропроцессором предусмотрен, например, синхронизированный последовательный интерфейс SPI, обеспечивающий обмен информацией между ними. Опторазвязка предусмотрена также между микропроцессором измерительного модуля и модулем связи и управления. Функционирование измерительных моделей осуществляется параллельно, что существенно сокращает время на обновление информации и осуществление измерений и передачу результатов на управляющее устройство.
Модуль связи и управления подключен к каждому измерительному модулю посредством внутренней шины последовательной передачи данных UART. Модуль связи и управления также подключен к ведущему устройству посредством последовательного коммуникационного интерфейса RS-485 с гальванической развязкой, например, опторазвязкой. Обмен данными между модулем связи в управления и ведущим устройством и модулем связи и управления и каждым
измерительным модулем осуществляется в обоих направлениях. Модуль связи и управления снабжен также процессором трансляции команд и собственным источником питания.
АЦП каждого измерительного модуля и микропроцессор обеспечивают автоматическую настройку на частоту и вид модуляции принимаемого сигнала или работу в широкополосном режиме после приема соответствующей команды, оцифровывание сигнала, фильтрацию, определение наличия модуляции, вычисление СКЗ. В качестве источников питания применяются DC-DC преобразователи типа AM3TW, обеспечивающие гальваническую изоляцию 3кВ и имеющее широкий диапазон входных напряжений (9-36 В).
Устройство по предлагаемой структурной схеме с 8 измерительными модулями обеспечивает измерение следующих характеристик:
1. широкополосное измерение среднеквадратического значения (СКЗ) напряжения сигналов переменного тока в многоканальной линии связи
2. селективное измерение СКЗ сигналов в многоканальной линии связи с частотным разделением каналов (селективный режим измерения):
- напряжения сигналов переменного тока заданной частоты
- напряжения амплитудно-модулированных сигналов переменного тока заданной частоты при частоте модулирующих импульсов 6 или 12 Гц
3. напряжения несущей частоты за время импульса амплитудно - модулированных сигналов переменного тока при частоте модулирующих импульсов 8 или 12 Гц
При этом устройство в селективном режиме измерения обеспечивает полосу пропускания, соответствующую максимальной полосе пропускания входных фильтров путевых приемников.
При селективном режиме измерения модули настраивают на частоты, Гц: 420±2; 4801±2; 580±3; 720±4; 780, 4545±10, 5000+10, 5555±10. При этом диапазон входных напряжений U предлагаемого устройства при измерении на входе ПП составляет от 0,01 до 2,00 В, что шире чем у прототипа, поскольку нижний порог напряжения отодвинут с 0,05 В до 0,01 В, т.е. на 4 сотых вольта. Расширение диапазона позволяет мерить с заданной точностью не мене 2,3% при снижении напряжения на входе ПП ниже порогового напряжения прототипа, т.е. увеличивает чувствительность прибора. Кроме того, устройство позволяет определить в пределах полосы пропускания нахождение основной гармоники сигнала (частоту несущей), что также существенно увеличивает точность прибора, а в случаях, когда частота сигнала на выходе ПГ выходит за допустимые пределы, устройство выведет показания на ведущее устройство с предупреждением о сбое настроек ПГ.
В широкополосном режиме устройство обеспечивает рабочую частоту от 80 до 50000 Гц, что в прототипе не представлялось возможным. При этом диапазон измеряемого напряжения, составляет от 0,75 В до 12,00 В - для модулей контролирующих сигнал на выходе генератора, от 0,01 В до 2,00 В - для модулей контролирующих сигнал на входе приемника.
Кроме того, в прототипе один процессор обеспечивает обработку сигнала от всех восьми измерительных каналов (их вычисление и фильтрацию), вычисление СКЗ и обновление данных может происходить не чаще чем через 15 сек. В предложенном устройстве процессор трансляции команд модуля связи и управления не осуществляет вычисления, а обеспечивает только трансляцию данных в ведущее устройство, а вычисление СКЗ и фильтрация сигналов происходит в каждом измерительном модуле отдельным микропроцессором, таким образом появляется возможность получить результат измерения СКЗ и обновить информацию уже через 1 сек. без поиска несущей
частоты измеряемых сигналов, и через 3 сек. - с поиском частоты измеряемых сигналов. Это обеспечивает возможность наиболее детального контроля за работой устройств тональных рельсовых цепей. Поиск и измерение значения частоты несущей путевого генератора позволяет получить наиболее достоверный результат измерений. Все возможные режимы работы, как измерительных модулей, так и устройства в целом, задаются посредством подачи управляющей команды от ведущего устройства. Процесс измерения - непрерывный.
Таким образом, достигается технический результат в виде повышения быстродействия, точности и чувствительности прибора за счет расширения диапазона измерений. Появляется возможность обеспечить универсальность, т.е. возможность проводить измерения в широкополосном или селективном режиме (основной рабочий режим -широкополосный), возможность увеличения диапазона измерений с заданной точностью (получить расширенный диапазон измерения сигналов при заданной точности). Предложенное устройство может работать в режиме мониторинга, т.е. обеспечивает постоянный и наиболее полный контроль за динамикой изменения сигналов в цепях устройств тональных рельсовых цепей. Платы устройства могут независимо устанавливаться и сниматься, т.е может быть обеспечена требуемая модульная конфигурация прибора, что повышает его ремонтопригодность.