БЕСКОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ГОРОЧНОЙ СТРЕЛКИ
CONTACTLESS DEVICE FOR MONITORING AND CONTROLLING HUMP ARROW

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики и предназначено для управления стрелочным электроприводом горочной стрелки, а также для контроля ее положения.
Известен блок управления стрелочным электроприводом (RU 2403160, B61L 7/08, опубл. 10.11.2010), содержащий модуль входных устройств, реле контроля плюсового положения стрелки, реле контроля минусового положения стрелки, комплект модулей плюсовой и минусовой полярности, две схемы контроля реле по плюсовой полярности и по минусовой полярности, двигатель, реле управления, датчик тока и модуль сбора и обработки информации, причем комплект модуля плюсовой полярности содержит два модуля формирования сигналов для логической обработки входных сигналов и формирования сигналов управления, модуль контроля и два бесконтактных ключа со встроенными схемами управления и диагностики. Комплекты модулей плюсовой и минусовой полярности имеют одинаковый состав.
Недостатком данного устройства является наличие реле управления и реле контроля положения стрелки, что ограничивает его быстродействие. Это обусловлено тем, что применение релейно-контактной аппаратуры является весьма нежелательным в современных микропроцессорных системах, в силу трудоемкости интеграции в соответствующие информационные и вычислительные структуры из-за низкого быстродействия и потребности в дополнительных переходных устройствах (Сапожников Вл.В. и др. Микропроцессорные системы централизации: Учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта / Под ред. Сапожникова Вл.В. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008, с. 184).
Известен интеллектуальный блок управления горочным стрелочным электроприводом (RU №2368525, B61L 7/08, опубл. 27.09.2009), содержащий входной согласующий модуль, входы которого являются входами устройства, два формирователя сигналов, две силовые коммутируемые цепи, предназначенные для подключения источника питания к обмоткам двигателя электропривода, модуль сбора и обработки контрольно-диагностической информации, к которому подключен выход аналого-цифрового преобразователя, вход которого предназначен для подключения датчика тока электропривода, выходы входного согласующего модуля соединены с входами формирователей сигналов. Формирователь сигналов содержит два канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных модуля формирования сигналов управления и модуля управления ключом, и модуль контроля. Выходы каналов формирователей сигналов соединены с управляющими входами соответственно первой и второй силовых цепей. Два других входа модуля сбора и обработки контрольно-диагностической информации соединены с входами входного согласующего модуля, которые предназначены для подключения к реле контроля положения стрелок, а выход модуля служит для подключения к средствам диспетчерского контроля.
Недостатком данного устройства является необходимость применения реле контроля положения стрелки, что ограничивает его быстродействие, т.к. применение релейно-контактной аппаратуры является весьма нежелательным в современных микропроцессорных системах, для которых намного более предпочтительными являются бесконтактные технические решения. Кроме этого интеллектуальный блок управления горочным стрелочным электроприводом содержит две силовые коммутируемые цепи, состоящие из двух последовательно соединенных ключевых элементов, которые в случае одновременного пробоя от перенапряжения или электромагнитной помехи приведут к подаче питания на двигатель стрелки, что приведет к ее несанкционированному переводу, что снижает уровень безопасности движения поездов.
Анализ изобретательского уровня показал, что в существующем уровне техники отсутствует полностью бесконтактное техническое решение, реализующее управление и контроль горочной стрелки.
Задача изобретения заключается в повышении быстродействия устройства и повышении уровня безопасности движения поездов за счет преобразования частоты входного сигнала в постоянное напряжение выходного сигнала.
Технический результат достигается тем, что бесконтактное устройство управления и контроля горочной стрелки содержит блок контроля работоспособности и свободности и два блока перевода и контроля положения стрелки, каждый из которых содержит генератор импульсов контроля положения и последовательно соединенные между собой гальванически изолированный логический элемент с несимметричным отказом, реализующий дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов, входы которого являются входами устройства, генератор управляющих сигналов, схему управления инвертором, силовой преобразователь, схему стабилизации и защиты, к выходам которой подключена цепь стрелочного двигателя, причем выходы гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов, подключены к другим входам схемы управления инвертором, а силовой преобразователь содержит соединенные последовательно мостовой инвертор, выполненный на бесконтактных ключах, входы которого являются входами силового преобразователя, первичную обмотку разделительного трансформатора, во вторичную обмотку которого включена первичная обмотка токового трансформатора последовательно с выпрямительным мостом, выходы которого подключены к входам схемы стабилизации и защиты, причем другой вход мостового инвертора подключен к источнику питания, при этом генератор импульсов контроля положения, имеющий гальванически изолированные дублированные выходы для подключения каналов телесигнализации, имеет вход, предназначенный для подключения выпрямительного устройства, соединенного с сигнальной обмоткой бесконтактного датчика положения стрелки; при этом блок контроля работоспособности и свободности содержит схему контроля работоспособности и генератор импульсов контроля свободности, вход которого предназначен для подключения источника питания через контакт путевого реле стрелочной секции, а гальванически изолированные дублированные выходы генератора импульсов контроля свободности предназначены для подключения каналов телесигнализации, причем к первому и второму входам схемы контроля работоспособности подключены вторичные обмотки соответствующих токовых трансформаторов обоих силовых преобразователей, к третьему и четвертому входам подключены выводы источника питания обоих инверторов, к пятому и шестому входам подключены соответствующие контрольные выходы обеих схем стабилизации и защиты, а к первому и второму выходам подключены другие входы соответствующих генераторов управляющих сигналов, к третьему дублированному выходу подключены каналы телесигнализации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема заявляемого устройства.
Заявляемое бесконтактное устройство управления и контроля горочной стрелки содержит первый блок перевода и контроля положения стрелки 1, второй блок перевода и контроля положения стрелки 2, блок контроля работоспособности и свободности 3, причем в состав каждого из блоков перевода и контроля положения стрелки 1 и 2 входит гальванически изолированный логический элемент с несимметричным отказом, реализующий дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4, генератор управляющих сигналов 5, схема управления инвертором 6, силовой преобразователь 7, состоящий из мостового инвертора 8, разделительного трансформатора 9, токового трансформатора 10, выпрямительного моста 11, схема стабилизации и защиты 12, генератор импульсов контроля положения 13, выводы источника питания 14, а в блок контроля работоспособности и свободности 3 входит генератор импульсов контроля свободности 15, схема контроля работоспособности 16.
Бесконтактное устройство управления и контроля горочной стрелки имеет следующие соединения.
В каждом из блоков перевода и контроля положения стрелки 1 и 2 содержатся последовательно соединенные между собой гальванически изолированный логический элемент с несимметричным отказом, реализующий дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4, входы которого являются входами устройства, генератор управляющих сигналов 5, схема управления инвертором 6, к входам питания которой подключены выход гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4, мостовой инвертор 8, другие входы которого подключены к выводам источника питания 14, первичная обмотка разделительного трансформатора 9, во вторичную обмотку которого включена первичная обмотка токового трансформатора 10 и выпрямительный мост 11, к выходам которого подключены входы схемы стабилизации и защиты 12. К выходам схемы стабилизации и защиты 12 подключена цепь стрелочного двигателя 19. Кроме этого в состав каждого из блоков перевода и контроля положения стрелки 1 и 2 входит генератор импульсов контроля положения 13, входы которого предназначены для подключения выходов выпрямительного устройства 17, расположенного в кабельной муфте стрелочного привода и соединенного с сигнальной обмоткой бесконтактного датчика положения стрелки 18. В блоке контроля работоспособности и свободности 3 вход генератора импульсов контроля свободности 15 предназначен для подключения источника питания, через контакт путевого реле стрелочной секции, при этом в схеме контроля работоспособности 16 к первому входу 16.1 и второму входу 16.2 подключены вторичные обмотки соответствующих токовых трансформаторов 10, к третьему входу 16.3 и четвертому входу 16.4 подключены выводы источника питания 14, к пятому входу 16.5 и шестому входу 16.6 подключены соответствующие контрольные выходы схем стабилизации и защиты 12, а к первому выходу 16.7 и второму выходу 16.8 подключены другие входы соответствующих генераторов управляющих сигналов 5 каждого из блоков перевода и контроля положения стрелки 1 и 2, к третьему дублированному выходу 16.9 подключены каналы телесигнализации.
Бесконтактное устройство управления и контроля горочной стрелки работает следующим образом.
При поступлении команды на перевод стрелки по каналам телеуправления сигналы поступают на дублированные входы соответствующего гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4. Использование дублированной структуры и реализация конъюнкции является одним из средств обеспечения безопасного функционирования устройства управления и контроля горочной стрелки. Причем реализация дизъюнкции позволяет исключить остановку остряков в среднем положении в случае отказа одного из каналов телеуправления или аппаратуры верхнего уровня горочной автоматической централизации. Выходной сигнал гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4 используется в качестве напряжения питания для генератора управляющих сигналов 5. Любой отказ в схеме гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4 приводит к прекращению формирования выходного сигнала, что обеспечивает переход блока перевода и контроля положения стрелки 1 или 2 в защитное состояние.
Генератор управляющих сигналов 5 при наличии напряжения питания, поступающего от выхода гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4, формирует сигналы для схемы управления инвертором 6, которые поступают на нее через элементы опторазвязки, выполняющие роль гальванической изоляции. Схема управления инвертором 6 содержит специализированные микросхемы, обеспечивающие электрическое согласование выходов генератора управляющих сигналов 5 и управляющих электродов бесконтактных ключей, на которых выполнен мостовой инвертор 8. Питание на схему управления инвертором 6 подается от выхода гальванически изолированного логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4, что исключает несанкционированную динамическую работу бесконтактных ключей в случае самовозбуждения микросхем.
Силовой преобразователь 7 осуществляет безопасное формирование постоянного напряжения 220 В для работы двигателя стрелочного привода. Исходным напряжением для преобразования является напряжение от выводов 14 источника постоянного тока «220 В». Силовой преобразователь 7 включает в себя мостовой инвертор 8, разделительный трансформатор 9 и выпрямительный мост 11 и представляет собой функциональный преобразователь с несимметричным отказом. При наличии управляющих сигналов мостовой инвертор 8 преобразует постоянное напряжение питания в переменное напряжение прямоугольной формы. Переменное напряжение через разделительный трансформатор 9 поступает на выпрямительный мост 11. Пульсирующее напряжение с выхода выпрямительного моста 11 сглаживается схемой стабилизации и защиты 12 и далее поступает в рабочую цепь стрелочного привода. В случае возникновения отказов элементов прекращается преобразование постоянного напряжения в переменное, на выходе силового преобразователя 7 напряжение не формируется и блок перевода и контроля положения стрелки 1 или 2 переходит в защитное состояние. Поступление исходного постоянного напряжения на выход одного из блоков перевода и контроля стрелки, а значит, и на двигатель стрелки, при пробое бесконтактных ключей исключается благодаря наличию разделительного трансформатора 9, за счет чего достигается несимметричная характеристика отказов.
Генератор импульсов контроля положения 13 представляет собой мультивибратор, управляемый напряжением питания, и осуществляет формирование сигналов для их передачи в каналы телесигнализации при нахождении стрелки в крайнем положении, соответствующем окончанию перевода стрелки. Входным сигналом генератора импульсов контроля положения 13 является напряжение бесконтактного датчика положения стрелки 18, преобразованное выпрямительным устройством 17. Возможность ложного контроля при отказах элементов исключается тем, что питание генератора импульсов контроля положения 13 осуществляется от энергии входного сигнала. Выходным сигналом генератора импульсов контроля положения 13 является сигнал, передаваемый через элементы опторазвязки, выполняющих роль гальванической изоляции, в каналы телесигнализации.
Схема стабилизации и защиты 12 имеет обратную связь с генератором управляющих сигналов 5 через схему контроля работоспособности 16 и осуществляет стабилизацию выходного напряжения, обеспечивая поддержание напряжения, подаваемого в двигатель 19 на уровне 220 В +10%, -15%; защиту от короткого замыкания, исключая повреждение элементов при коротком замыкании в цепи двигателя 19; защиту от перегрузки по току, обеспечивая ограничение выходного тока на уровне максимального тока фрикции стрелки; защиту от перегрева; защиту от некорректных сигналов управления, отключая силовой преобразователь 7, в случае понижения напряжения на выходе логического элемента с несимметричным отказом, реализующего дизъюнкцию конъюнкций входных сигналов 4 вследствие некорректной работы аппаратуры верхнего уровня.
Контроль исправности устройства управления и контроля горочной стрелки и рабочей цепи электропривода во время перевода стрелки, наличия необходимых напряжений питания и исправности предохранителей в промежутки времени, когда стрелка не переводится, осуществляется схемой контроля работоспособности 16. Указанная информация передается через каналы телесигнализации на верхний аппаратный уровень, в т.ч. и в средства диспетчерского контроля, и используется для принятия решения о допустимости начала перевода, если стрелка находится в крайнем положении и о необходимости реализации автовозврата, если стрелка уже начала переводиться. Одной из функций схемы контроля работоспособности 16 является измерение тока в рабочей цепи во время перевода. Для контроля наличия тока и измерения его величины используется токовый трансформатор 10, включенный в цепь вторичной обмотки разделительного трансформатора 9.
Контроль свободности стрелочной секции осуществляется генератором импульсов контроля свободности 15, который по принципу действия полностью аналогичен генератору импульсов контроля положения 13. Входным сигналом для генератора импульсов контроля свободности 15 является постоянное напряжение, подаваемое через фронтовой контакт путевого реле стрелочной секции. Если стрелочный участок свободен - на дублированном выходе генератора 15 присутствует сигнал, который поступает через каналы телесигнализации на верхний аппаратный уровень. Если стрелочный участок занят отцепом, контакт путевого реле стрелочной секции разомкнут и сигнал на выходе генератора 15 отсутствует.
Таким образом, введение в бесконтактное устройство управления и контроля горочной стрелки генератора импульсов контроля положения на основе бесконтактных элементов позволяет полностью исключить применение релейно-контактной аппаратуры при реализации функции управления и контроля горочной стрелки, что повышает быстродействие устройства, делая его пригодным для применения в составе современных микропроцессорных систем. Кроме этого введение в бесконтактное устройство управления и контроля горочной стрелки функциональных преобразователей с несимметричным отказом позволяет осуществить его переход в защитное состояние как при пробоях ключевых элементов, так и при других отказах, тем самым повышая уровень безопасности движения поездов.
К недостаткам применения релейно-контактной аппаратуры также относят значительный расход дорогостоящих материалов, таких как серебро и медь, при ее изготовлении, относительно большие габариты и массу, ограниченный коммутационный ресурс, трудоемкость обслуживания в виде необходимости межинтервальных профилактических проверок и ремонта. Поэтому дополнительный эффект предлагаемого изобретения заключается в облегчении труда обслуживающего персонала и снижении капитальных и эксплуатационных затрат.