УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОНАЛЬНЫХ РЕЛЬСОВЫХ ЦЕПЕЙ

Заявленная полезная модель относится к области железнодорожной автоматики и предназначена для применения в системах диспетчерского контроля и автоматизированных системах диагностики технического состояния устройств электрической централизации в качестве измерительного преобразователя, осуществляющего преобразование измеряемого сигнала в код.
Устройство предназначено для измерения среднеквадратичного значения напряжения модулированного сигнала переменного или постоянного тока. Данные сигналы применяются в тональных рельсовых цепях систем электрической централизации на железнодорожном транспорте.
Согласно действующим руководящим материалам по техническому обслуживанию тональных рельсовых цепей, для измерения напряжения сигналов в тональных рельсовых цепях применяются комбинированный прибор Ц4380 и цифровой вольтметр В7-63, с ручным способом проведения измерений. Однако использование таких технических средств не позволяет:
выполнять измерение текущих значений параметров контролируемых сигналов в автоматическом режиме;
повысить уровень производительности труда при регулировке и эксплуатации тональных рельсовых цепей;
внедрить прогрессивные методы технического обслуживания тональных рельсовых цепей.
Известно устройство контроля тональных рельсовых цепей, содержащее измерительные каналы, выполненные в виде отдельных модулей, включающие в себя входной нормирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, процессор, выход каждого из которых соединен со входом каждого из первых
элементов гальванической развязки, процессор, первые входы которого подключены к выходам первых элементов гальванической развязки, вторые выходы - к выходам запоминающих устройств, третий вход - к выходу таймера аппаратного сброса, четвертый вход - к выходу буфера, предназначенного для установки сетевого адреса, шинный формирователь, подключенный своим входом через второй элемент гальванической развязки к одному из выходов процессора и предназначенный для передачи сигналов по интерфейсу RS-485 и устройство индикации (полезная модель RU 60467 U1).
В данном устройстве в каждом измерительном канале использован индивидуальный процессор, который выполняет функцию измерения, что не требует сложных программных решений, однако создает аппаратную избыточность и усложняет конструкцию устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявленная полезная модель, является упрощение конструкции, за счет устранения аппаратной избыточности и использования общего процессора цифровой обработки сигнала на все каналы, при сохранении функции по контролю и диагностике тональных рельсовых цепей.
Технический результат достигается тем, что устройство контроля тональных рельсовых цепей содержащее измерительные каналы, включающие в себя аналого-цифровые преобразователи, выход каждого из которых соединен с входом каждого из первых элементов гальванической развязки, процессор, один из выходов которого через второй элемент гальванической развязки подключен к шинному формирователю, предназначенному для передачи сигналов в соответствии с протоколом RS-485, первые входы процессора подключены к выходам запоминающих устройств, второй вход - к выходу таймера аппаратного сброса, третий вход - с выходом буфера, предназначенного для установки сетевого адреса, и устройство индикации, снабжено мультиплексором, входы которого соединены с выходами первых элементов гальванической развязки, а выход - к четвертому входу процессора,
при этом другой выход процессора подключен к входу устройства индикации.
Устройство включает в себя основной разъем, разъем RS-485, плату ввода аналоговых сигналов, на которой установлены, аналого-цифровые преобразователи, входы которых соединены с контактами основного разъема, и первые элементы гальванической развязки, процессорную плату, на которой установлены процессор, мультиплексор, буфер, запоминающие устройства, таймер аппаратного сброса, устройство индикации, и устройство интерфейса RS-485, где установлены второй элемент гальванической развязки, шинный формирователь, при этом выходы шинного формирователя соединены с контактами разъема RS-485 и контактами основного разъема, а входы аналого-цифровых преобразователей и буфера - с контактами основного разъема.
На рис.1 представлена структурная схема устройства. На рис.2 показан амплитудно-модулированный сигнал на входе путевого приемника. На рис.3 показаны основные гармоники выходного сигнала путевого генератора.
Устройство контроля тональных рельсовых цепей содержит измерительные каналы 1 - N, включающие в себя аналого-цифровые преобразователи 1.1 - N.1, выход каждого из которых соединен с входом каждого из первых элементов 1.2 - N.2 гальванической развязки, процессор 2, один из выходов которого через второй элемент гальванической развязки 3 подключен к формирователю 4 интерфейса RS-485. Первые входы процессора 2 подключены к выходам запоминающих устройств 5 и 6, второй вход - к выходу таймера аппаратного сброса 7, третий вход - с выходом буфера 8, предназначенного для предназначенного для использования при установке сетевого адреса сетевого адреса.
Устройство снабжено мультиплексором 9, входы которого соединены с выходами первых элементов 1.2 - N.2 гальванической развязки, а выход - к четвертому входу процессора 2. Другой выход процессора 2 подключен к входу устройства индикации 10.
Устройство включает в себя основной разъем 11, разъем RS-485 12, плату ввода аналоговых сигналов 13, на которой установлены, аналого-цифровые
преобразователи, входы которых соединены с контактами основного разъема, и первые элементы гальванической развязки, процессорную плату 14, на которой установлены процессор, мультиплексор, буфер, запоминающие устройства, таймер аппаратного сброса, устройство индикации, интерфейс RS-485 15, второй элемент гальванической развязки, шинный формирователь, при этом выходы шинного формирователя соединены с контактами разъема RS-485 и контактами основного разъема, а входы аналого-цифровых преобразователей и буфера - только с контактами основного разъема.
Устройство контроля тональных рельсовых цепей представляет собой специализированный измерительный преобразователь и в зависимости от типа входного сигнала может использоваться:
для измерения среднеквадратического значения напряжения сигналов переменного тока сложной формы (амплитудно-модулированных сигналов) в диапазоне 0,05-2,00 В (измерительный канал ИК1);
для измерения среднеквадратического значения напряжения сигналов переменного тока сложной формы (амплитудно-модулированных сигналов) в диапазоне 0,75-12,00 В (измерительный канал ИК2);
для измерения значения напряжения сигналов постоянного тока в диапазоне 0,20-12,00 В (измерительный канал ИК3);
Устройство выполняет селективное измерение среднеквадратического значения сигналов сложной формы (амплитудно-модулированных, с глубиной модуляции до 100%) с параметрами:
несущие частоты, Гц 420±2, 480±2, 580±3, 720±4, 780±4, 4545±10, 5000±10, 5555±10;
частота модуляции, Гц 8±0,07, 12±0,10;
длительность модулирующих импульсов, мс, не менее 40.
Общее число измерительных каналов устройства - 8.
Тональная рельсовая цепь ТРЦЗ состоит из следующих основных функциональных устройств: генератор путевой ГПЗ, путевой фильтр ФПМ, путевой приемник ППЗ, уравнивающий трансформатор УТЗ, рельсовая цепь.
Рельсовой цепью называется электрическая цепь, проводниками которой служат рельсовые нити пути. Рельсовые цепи являются основой всех разрабатываемых систем автоматического управления и контроля движения поездов на железнодорожном транспорте, в значительной мере повышая безопасность движения поездов.
Путевой приемник предназначен для приема и дешифрирования амплитудно-модулированных сигналов (АМ-сигналов) в ТРЦЗ. Он представляет собой селективный приемник с дискретным выходом, на входе которого имеется частотный фильтр с полосой пропускания на уровне 0,7-24 Гц. Входным сигналом для путевого приемника является среднеквадратичное значение напряжение АМ-сигнала в рельсовой цепи.
Среднеквадратичное значение напряжения сигналов в тональных рельсовых цепях зависит от условий эксплуатации (зима, лето, осадки и т.д.) и конструктивного исполнения рельсовых нитей (длина цепи, тип шпал, состояние балласта и т.д.). Поэтому, при регулировке технических средств и оперативном контроле технического состояния в период эксплуатации тональных рельсовых цепей, необходимо выполнять измерения среднеквадратичного значения напряжения сигналов переменного тока. Измеренные с.к. значения напряжений сигналов требуются для принятия оперативных мер по организации технического обслуживания тональных рельсовых цепей и ведения отчетной документации.
Устройство контроля тональных рельсовых цепей, предназначено для применения в системах диспетчерского контроля и системах диагностирования технических средств электрической централизации на железнодорожном транспорте. Устройство осуществляет измерение среднеквадратичного значения напряжения сигналов тональных рельсовых цепей и передачу информации в составе иерархических или автономных систем.
Объектом измерения являются сигналы тональных рельсовых цепей ТРЦЗ, ТРЦ4. Измерение производится:
на входе путевых приемников, сигналы переменного тока, - исполнение УК ТРЦ-8;
на выходе путевых генераторов, сигналы переменного тока - исполнение УК ТРЦ-8-01;
на выходе путевых приемников, сигналы постоянного тока - исполнение УК ТРЦ-8-02.
Сигнал на входе путевого приемника представляет собой АМ-сигнал со 100% модуляцией и огибающей синусоидальной формы, так как уже фильтром выделяется основная гармоника из сигнала прямоугольной формы. Спектр частот сигнала на входе путевого приемника представлен на рис.2. Амплитудно-модулированный сигнал на входе путевого приемника содержит три составляющих: колебание несущей частоты fo и два колебания с частотами fo+fiu. Амплитуды боковых частот пропорциональны глубине модуляции: при отсутствии модуляции боковых частот нет, а при наиболее глубокой модуляции, амплитуды боковых частот равны половине амплитуды несущей. При амплитудной модуляции ширина спектра не зависит от интенсивности модулирующего сигнала U.
Сигнал на выходе путевого генератора представляет собой амплитудно-модулированный сигнал со 100% модуляцией и прямоугольной огибающей. Спектр частот сигнала на выходе генератора содержит бесконечное число гармоник, однако ввиду того, что устройство измеряет мощность напряжения, на рис.3 показаны только основные гармоники выходного сигнала, которые и определяют среднеквадратичное значение напряжение сигнала переменного тока.
Сигнал на выходе путевого приемника представляет собой выпрямленный сигнал переменного тока с частотой модуляции.
Измерение среднеквадратичного значения сигнала на входе путевого приемника выполняется методом прямого измерения. Входной сигнал
оцифровывается АЦП и передается в сигнальный процессор для цифровой фильтрации и вычисления среднеквадратичного значения напряжения. Предварительная узкополосная фильтрация обеспечивает выделение необходимой полосы измеряемого сигнала. Устройство может обеспечить измерение характеристик сигналов по восьми аналоговым каналам. Каналы нумеруются от 1 до 8. Измерение проводится последовательно, и в каждой момент времени только одного канала.
В устройстве можно запретить любое количество каналов. Запрещенные каналы исключаются из последовательности измерения.
Время измерения характеристик одного канала фиксированное и составляет 1750 мс. Это гарантирует, что общее время измерения не превысит 15 с. Измерение состоит из нескольких фаз. Фаза установления позволяет дождаться завершения переходных процессов после переключения канала. Фаза детектирования формы сигнала позволяет оптимальным образом начать накопление, чтобы минимизировать ошибку для модулированных сигналов. Фаза накопления всегда длится 1 с, и в это время происходит суммирование квадратичных значений. В начале фазы переключения вычисляется среднеквадратичное значение, и процесс останавливается в ожидании перехода на следующий канал.
Метод измерения среднеквадратичного значения напряжения сигнала переменного тока на выходе путевого генератора аналогичен измерению сигнала на входе путевого приемника. Применение одинаковых методов измерения для сигналов на выходе путевого генератора и на входе путевого приемника можно обосновать следующими причинами:
1. для оценки качества состояния рельсовой цепи важна составляющая мощности АМ-сигнала, принимаемая путевым приемником;
2. основная мощность АМ-сигнала сосредоточена в полосе частот, выделяемых цифровым фильтром устройства, мощность сигнала вне полосы частот составляет не более 2%, что позволяет измерять среднеквадратичное значение напряжения сигнала переменного тока на выходе путевого генератора
с заданной точностью, с погрешностью не более +(4% Ux+1 ед.мл.р.).
В режиме «измерения», процессор 2 цифровой обработки сигналов производит последовательный ввод оцифрованных значений входного напряжения канала с платы аналогового ввода, выполняет программную фильтрацию, заносит измеренное значение в буфер канала, анализирует состояние АЦП канала и допустимые уровни входных сигналов. В качестве процессора цифровой обработки сигналов (ПЦОС) применена микросхема ADSP-2184 или ее аналог.
Основным элементом блока коммуникационного интерфейса является шинный формирователь сигналов физического интерфейса RS-485. Передача данных между процессором и шинным формирователем осуществляется через оптроны, что необходимо для обеспечения гальванической изоляции блока от вычислительной части процессорной платы. По этой же причине установлен дополнительный источник питания для интерфейсного блока - преобразователь +5 В в +5 В с гальванической изоляцией. В качестве формирователя сигналов интерфейса применена микросхема ADM1485 или ее аналог. Асинхронный обмен по RS-485 осуществляется в полудуплексном режиме с использованием последовательного порта процессора ADSP-2184.
Мультиплексор 9 управляется цифровым процессором, осуществляя выборочное подключение линий цифровых данных аналоговых каналов к его последовательному порту (SPORT). Мультиплексор выполнен на микросхеме МС74АСТ151 или ее аналоге.
Таймер аппаратного сброса «Watchdog» контролирует активность процессора и выполняет его перезагрузку в случае некорректной работы встроенного программного обеспечения. Таймер аппаратного сброса выполнен на микросхеме ADM1232 или ее аналоге.
Энергонезависимая память (ЭППЗУ) предназначена для хранения текущих настроек каналов, которые используются при обработке данных, поступающих из входных каналов. ЭППЗУ выполнена на микросхеме АТ93С86 или ее аналоге.
Оригинальное программное обеспечение Устройства находится в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). В качестве ПЗУ применена микросхема АТ29С040 или ее аналог объемом 256 кбайт.
Для организации работы устройств в сети каждое устройство должно иметь свой уникальный сетевой адрес, который задается путем установки перемычек на ответной части основного разъема между контактами AN1-AN6 и контактом GND. Процессор считывает значение сетевого адреса через «буфер» с внутренней шины данных устройства. Если перемычки не установлены, то устройство получает нулевой сетевой адрес.«Буфер» выполнен на двух микросхемах МС74АСТ240 или их аналогах.
На процессорной плате также находятся внутренние перемычки, позволяющие устанавливать сетевой адрес устройства внутри корпуса. Плата ввода аналоговых сигналов содержит N=8 независимых аналоговых каналов с индивидуальной гальванической изоляцией. Схемотехнические решения аналоговых каналов одинаковы. В аналоговых каналах используется аналого-цифровой преобразователь АЦП с SPI интерфейсом ADS7817 или его аналог, который управляется от ПЦОС через последовательный порт SPORTO. Сигналы тактирования (SCLK0) и преобразования (RFS0) на все АЦП подаются одновременно, а все сигналы выходных данных с каждого АЦП подаются на мультиплексор через оптоключи. Оптоключи обеспечивают гальваническую развязку платы аналогового ввода с цифровой частью платы ПЦОС. Частота дискретизации АЦП - 44 кГц. Оптоключи выполнены на микросхеме HCPL-0601 или ее аналоге.
Подача питания с процессорной платы на плату ввода аналоговых сигналов осуществляется при помощи двух импульсных преобразователей трансформаторного типа (не показаны на схеме). Импульсные преобразователи выполнены на микросхемах МАХ253 или их аналогах.
Соединение входных сигнальных разъемов платы с основным разъемом осуществляется при помощи жгута.
Количество и исполнение устройств для измерений сигналов тональных рельсовых цепей определяются проектом системы диспетчерского контроля для конкретной станции.
Устройства проводят измерения в автоматическом режиме независимо от состояния управляющего компьютера и состояния сетевого интерфейса.
Измеренные значения для каждого канала представляются в сетевом AS СП-протоколе в формате ХХ.ХХХ в инженерных единицах (вольты). По запросу от управляющего компьютера, измеренные значения и информация о состоянии устройства передаются по последовательному каналу связи. Для связи с управляющим компьютером используется ADAM-совместимый протокол (символьный, ASCII-протокол).
Устройство может находиться в одном из следующих режимов:
начальная диагностика: тест процессора, контроль энергонезависимой памяти;
режим «работа»: прием команд по сетевому интерфейсу, отработка команд, вычисление СКЗ входных сигналов, коммутация входных каналов;
режим «конфигурация»: настройка параметров каналов, режимов работы;
устройство неисправно: устройство переходит в этот режим в процессе работы или в случае обнаружения ошибки в ходе начальной диагностики.
На передней панели устройства находятся устройство индикации 10, содержащее три световых индикатора, которые позволяют оператору контролировать текущее состояние устройства.