Разработка горочного микропроцессорного комплекса

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание схемных решений и алгоритмов работы существующих релейных систем

1.1 Назначение и принципы построения

горочный микропроцессорный датчик поезд

Техническая реализация горочного микропроцессорного комплекса (КГМ) основана на применении отечественных микропроцессорных средств микроДАТ. Он включает в себя следующие устройства (рис.1): управляющий, вычислительный комплекс, состоящий из десяти микропроцессорных блоков 12-21, взаимодействующих через общую память (9-11), и двух блоков преобразователей сигналов датчиков счета осей 22, 23; оперативно-диспетчерское оборудование, куда входят пульты управления I, автоматизированные рабочие места дежурного по горке и маневрового диспетчера, цветной графический терминал, монохроматические терминалы операторов; контрольно-диагностический комплекс.

Постовые устройства комплекса увязаны с напольными устройствами сортировочной горки II и автоматизированной системой управления сортировочной станцией (АСУСС) III.

Управляющий вычислительный комплекс обеспечивает: взаимодействие с АСУСС; управление маршрутами движения отцепов; автоматическое регулирование скоростей скатывания отцепов; контроль, отображения и протоколирования хода роспуска; диагностирование управляющего комплекса и напольных устройств.

Оперативно-диспетчерское оборудование предназначено для связи оперативного персонала сортировочной горки с технологическим процессом и включает в себя: терминал маневрового диспетчера на базе персональной ЭВМ, обеспечивающий прием, хранение и редактирование сортировочных листков, а также связь с АСУСС; пульты дежурного и операторов горки; терминал дежурного по горке для получения сортировочного листка из ЭВМ маневрового диспетчера и отображения процесса роспуска; терминал для отображения состояния устройств спускной части горки и заполнения сортировочных путей; терминалы горочных операторов для контроля за реализацией маршрутных заданий, фактическими и расчетными скоростями выхода отцепов из тормозных позиций, а также за заполнением сортировочных путей.

Контрольно-диагностический комплекс предназначен для диагностирования управляющего комплекса, напольных устройств и протоколирования хода роспуска составов. Он обеспечивает: индикацию и протоколирование технического состояния устройств; индикацию и протоколирования результатов проверок работоспособности датчиков (рельсовые цепи, счетчики числа осей, радиолокационные измерители скорости, весомер, устройство контроля заполнения путей) и исполнительных устройств (стрелочные приводы, вагонные замедлители); хранения протоколов роспуска последних 200 составов; получения цифровых и графических форм протоколов движения отцепов по стрелкам и замедлителям; выдачу твердых копий всех видов протоколов и результатов диагностирования.

Рисунок 1. - Структурная схема КГМ

На рисунке 1 приняты следующие обозначения:

I - пульты;

II - напольные устройства;

1 - рабочее место дежурного по горке;

2 - рабочее место маневрового диспетчера;

3 - цветной графический терминал;

4-7 - терминалы операторов;

8 - контрольно-диагностический комплекс;

9-11 - общая память микропроцессорных блоков;

12 - концентратор связи с АСУСС;

13 - блок идентификации отцепов;

14 - блок управления маршрутами;

15 - блок ввода секретных сигналов;

16 - блок отображения информации;

17 - блок расчета скоростей;

18-19 - блоки реализации расчетных скоростей;

20 - блок ввода аналоговых сигналов;

21 - блок обработки сигналов датчиков счета осей;

22-23 - преобразователи сигналов датчиков счета осей.

В данном курсовом проекте необходимо разработать блоки 17, 18 и 19.

1.2 Технические характеристики датчиков и исполнительных устройств

В данном проекте в качестве вагонных замедлителей будем использовать клещевидно-весовой горочный вагонный замедлитель КВ-72.

Рисунок 2. - Клещевидно-весовой горочный вагонный замедлитель типа КВ-72

Замедлитель КВ-72 работает на весовом принципе, силовое давление развивается пропорционально весу вагона. Тормозная система отторможенного замедлителя (рис.2) состоит из: одноплечего рычага 1, связанного с корпусом тормозного цилиндра 2; двуплечего рычага 3, связанного с поршнем цилиндра; рычаги 1 и 3 имеют общую ось 4 и вместе с цилиндром образуют механическую клещевидно-подъемную систему замедлителя; рычагов 6, связанных с рамой 5; внутренней тормозной балки 8; наружной тормозной балки 10 с подпорной шиной 9; пружины 7 механизма уравновешивания; пружины 11 механизма поворота.

Подпорная шина 9 размещена в срезанной части головки рельса для обеспечивания накатывания на нее колеса вагона при торможении. К тормозным балкам прикреплены тормозные шины. Когда в тормозном цилиндре воздуха нет, замедлитель находится в отторможенном положении. Рама 5 и вместе с ней тормозные балки 8 и 10 находятся в опущенном положении, подпорная шина располагается ниже уровня головки рельса. Раствор между шинами тормозных балок достигает 160 мм, и колеса вагона свободно проходят по замедлителю.

В результате впуска сжатого воздуха в тормозной цилиндр замедлитель приводится в заторможенное положение. Под действием сжатого воздуха цилиндр 2 вместе с рычагом 1 поднимаются вверх, поршень цилиндра вместе с левым плечом рычага 3 опускаются вниз. Через рычаги 6 рама 5 поднимается вверх на 90 мм и вместе с ней тормозные балки 8 и 10.

Подпорная шина 9 поднимается выше уровня головки рельса на 43 мм, а тормозные балки сближаются на расстояние 140 мм.

При входе на заторможенный замедлитель колесо вагона накатывается на шину 9 и своей тяжестью опускает ее, отчего поворачиваются тормозные балки, с обеих сторон колесо зажимается тормозными шинами. В результате этого возникает сила нажатия, пропорциональная массе вагона и соотношению плеч рычагов механизма. Степень торможения регулируется уровнем давления сжатого воздуха в тормозных цилиндрах. При неполном давлении в тормозных цилиндрах, когда усилие, создаваемое массой вагона, выше усилия удержания балок в верхнем положении, тормозные балки опускаются, и колеса вагона катятся по рамным рельсам. Степень торможения в этом случае зависит от градации давления воздуха в тормозных цилиндрах. При полном давлении в тормозных цилиндрах усилие удержания балок в верхнем положении выше усилия, создаваемого массой вагона, и колеса вагона катятся не по головке рельса, а по подпорной шине 9. Сила торможения устанавливается пропорционально массе вагона. Замедлитель оттормаживают в результате выпуска сжатого воздуха из тормозных цилиндров. Рама вместе с тормозными балками опускается на пружинные амортизирующие опоры.

Замедлителем управляют нажатием кнопок Т, О и Р. При нажатии кнопки Т (торможение), замыкается электрическая цепь возбуждения тормозного электромагнита Т. Возбужденный электромагнит Т втягивает стержень (опускается вниз), чем открывает доступ сжатому воздуху из воздухосборника в тормозной цилиндр. Под действием сжатого воздуха в тормозном цилиндре замедлитель приводится в заторможенное состояние. Чтобы растормозить замедлитель, нажимаем кнопку Р, и замкнувшийся контакт включает оттормаживающий электромагнит Р, при этом сжатый воздух из цилиндра выходит в атмосферу, замедлитель растормаживается. Контакты кнопки О в электрическую схему не включают, а используют для отпускания нажатой кнопки, при котором цепи управления замедлителем полностью выключаются.

Тормозные устройства замедлителя устанавливают на обеих нитях пути, они имеют одинаковую конструкцию и действуют независимо друг от друга. Наиболее распространенным является замедлитель КВ-3-72, имеющий длину по рельсам 13,475 м; тормозную мощность 1,0 м.э.в.; время оттормаживания 0,7 с, затормаживания 0,6 с; массу с рельсами и брусьями 36800 кг.

В качестве датчиков входной информации будем использовать рельсовые цепи и счетчики осей.

В качестве рельсовых цепей будем использовать классические нормально-разомкнутые рельсовые цепи, выходными элементами которых будут путевые реле первого класса надежности. Съем информации будет производиться с тройникового контакта путевого реле.

За счетчик осей возьмем микропроцессорное устройство в виде «черного ящика», на выходе которого будет цифровой сигнал следующего формата: первым битом будет передаваться `1', последующие семь бит будут отражать число осей проследовавшего отцепа. Информация будет выдаваться на последовательный вычислительный канал.

1.3 Алгоритм работы и принципы обеспечения безопасности движения поездов

Автоматическое регулирование скоростей скатывания отцепов должна обеспечивать поддержание интервалов, достаточных для разделения отцепов на стрелках и замедлителях (интервальное регулирование), и безопасное соударение вагонов на путях сортировочного парка со скоростями не более 1,5 м/с (целевое регулирование).

Алгоритм функционирования системы включает следующие циклически решаемые задачи: расчет скорости роспуска; слежение за движением отцепов по спускной части горки; формирование данных для расчета скоростей выхода отцепов из тормозных позиций; расчет указанных скоростей (этот расчет выполняют для каждой тормозной позиции на основе данных о длине отцепа, расстоянии до стрелки разделения соседних отцепов, их ходовых свойствах, местах нахождения впереди идущего и последующего отцепов по маршруту скатывания).

Безопасность движения в данном случае обеспечивается трехступенчатым контролем скорости отцепа. При этом каждая последующая позиция может скорректировать действие предыдущей.

Перед первой тормозной позицией с помощью датчиков рельсовых цепей и счетчиков осей формируется сигнал о скорости движущегося отцепа и его длине. В соответствии с этими значениями задается скорость выхода отцепа из первой тормозной позиции. С вступлением отцепа в замедлитель происходит его торможение и снижение фактической скорости до заданной. До тех пор, пока фактическая скорость будет больше заданной, торможение отцепа продолжается, а при достижении равенства этих скоростей замедлитель автоматически растормаживается, и торможение прекращается.

Информация о скорости и длине отцепа, а также о длине пробега отцепа поступает в блок ВСВ вычисления скорости выхода из тормозных позиций. По поступившим данным в блоке ВСВ вычисляются заданные скорости выхода из второй и третей тормозных позиций. Полученные данные о значениях заданных скоростей 2 и 3 транслируются к тормозным позициям 2 и 3 соответственно. Торможение происходит аналогично торможению в первой тормозной позиции.

Слежение за продвижением отцепов и фиксация остановки их между тормозными позициями осуществляются следующим образом. При освобождении рельсовой цепи начинаются отсчет времени занятости следующей рельсовой цепи и трансляция в соответствующий ей блок информации об отцепе. Если время занятости рельсовой цепи, выраженное в секундах, больше ее длины в метрах, умноженной на два, что соответствует скорости отцепа, меньшей 0,5 м/с, то фиксируется остановка отцепа. Счет времени для этой рельсовой цепи в дальнейшем не ведется. Информация об остановке передается в блоки последующих рельсовых цепей, чем ускоряется фиксация остановки на них данного отцепа.

При движении отцепа по тормозной позиции ежесекундно вычисляется расстояние между последней осью отцепа и началом тормозной позиции, а также между ее концом и первой осью отцепа. Таким образом определяется длина еще не вошедшей в замедлитель и вышедшей из него частей отцепа.

2. Разработка структурной схемы

2.1 Обоснование выбора технических средств автоматизации, датчиков и исполнительных устройств

В данном курсовом проекте в качестве ключей используются твердотельные реле. Твердотельные реле (Solid State Relay - SSR) благодаря полупроводниковой технологии их производства имеют ряд существенных характеристик, делающих их незаменимыми в отдельных областях производства. Основными отличиями твердотельных реле от электромеханических являются:

- отсутствие электромагнитных помех в момент переключения;

- высокое быстродействие;

- отсутствие акустического шума;

- отсутствие дребезга контактов реле;

- высокое сопротивление изоляции между входом и выходом;

- большое количество переключений, не менее 109 раз;

- малое энергопотребление.

В выключенном состоянии (0 В на входе) твердотельное реле препятствует проходу току через нагрузку. Во включенном состоянии (определенное напряжение на входе), твердотельное реле позволяет току течь через нагрузку.

В качестве вычислительного канала будем использовать персональный компьютер, поскольку система, разработанная в данном курсовом проекте, будет размещаться в помещении, защищенном от воздействия неблагоприятных атмосферных явлений, где обеспечено постоянное присутствие оператора.

Т.к. в качестве замедлителей выбран клещевидно-весовой горочный вагонный замедлитель типа КВ-72, где всего одна ступень торможения не зависимо от веса отцепа, то датчик весомер использовать не будем.

2.2 Принципы обеспечения безопасности в разрабатываемой системе

Структурой разработанной микропроцессорной системы является дублированная система со слабыми связями, состоящая из двух вычислительных каналов (рис. 3), в которых процессоры и программы могут быть различными. Процессор ЭВМ1 реализует основные вычисления, а ЭВМ2 их проверяет. Для этого осуществляется обмен информацией по шине W. Синхронизация каналов не обязательна.

Рисунок 3. - Дублированная система со слабыми связями

Безопасность такой системы зависит от достоверности контроля функционирования вычислительных каналов. Контроль работы ЭВМ осуществляется за счет параллельных вычислений одинаковыми или диверситетными программами и сравнения результатов. При обнаружении ошибки ЭВМ2 формирует сигнал Y, и выходы ЭВМ1 отключаются от УО (ВЗ) с помощью безопасных выходных схем БВС (в нашем случае в качестве БВС используются ключи).

При организации параллельных вычислений по одинаковым алгоритмам возможно сравнение промежуточных результатов вычислений в контрольных точках. Сравнение результатов производится программно в ЭВМ2. Для обеспечения своевременного отключения отказавшего вычислительного канала необходимо, чтобы контролирующая ЭВМ выполняла вычисления не медленнее чем основная ЭВМ. Это достигается либо использованием процессора с более высоким быстродействием, либо использованием программ с более короткими алгоритмами вычислений. При этом необходимо обеспечить одновременное считывание исходных данных в оба вычислительных канала.

Достоинства данной структуры: высокая гибкость; возможность использования диверситетных вычислительных каналов, что позволяет с высокой точностью обнаруживать отказы аппаратных средств и ошибки в программном обеспечении; отсутствие синхронизации каналов, что упрощает схемную реализацию и уменьшает вероятность возникновения одинаковых отказов и сбоев в обоих каналах.

Недостатки: высокие затраты на проектирование диверситетных вычислительных каналов и программного обеспечения; сложность выбора точек для контроля промежуточных вычислений, т. к. требуется обеспечить высокую достоверность контроля при минимальном количестве проверок; возможность накопления маскируемых отказов в обоих вычислительных каналах; необходимость организации контроля за правильностью программного сравнения результатов в ЭВМ2, т. к. отказы в ЭВМ2 не должны искажать результаты контроля; невысокая эксплуатационная готовность, т. к. любой отказ переводит систему в нерабочее защитное состояние.

2.3 Описание структурной схемы и поведения системы при отказах

В данном курсовом проекте будет реализован аппаратный диверситет, сущность которого заключается в том, что вычислительные каналы будут реализованы на двух различных процессорах. Первый вычислительный канал будет выполнять основные расчеты скоростей выхода отцепов из тормозных позиций. Во втором вычислительном канале производится проверка данных расчетов на соответствие их заданным константам. При исправной работе системы, канал 2 будет выдавать на выходе импульсный сигнал, разрешающий передачу данных через УСО на вагонные замедлители. При обнаружении ошибки, импульсный сигнал перестает поступать и передача данных блокируется, что переводит систему в защитное состояние.

Структура (рис.) обладает высоким уровнем безопасности, который обусловлен возможностью обнаружения ошибок в программном обеспечении, но существенным недостатком данной структуры является то, что любой отказ переводит систему в нерабочее защитное состояние.

3. Разработка принципиальных электрических схем

3.1 Разработка принципиальной электрической схемы вычислительного канала

Вычислительный канал реализован на персональном компьютере с процессором AMD Athlon 64 3500+ (Socket 939, 512KB L2, 2.2GHz) и Intel Pentium 4 570 (LGA775, 1024KB L2, 3.8 GHz).

Материнские платы: EPoX 9NPA Ultra (Socket 939, NVIDIA nForce4 Ultra); Intel Desktop Board D925XECV2 (LGA775, i925XE Express).

Память: 1024MB DDR400 SDRAM (Corsair CMX512-3200XLPRO, 2 x 512MB, 2-2-2-10); 1024MB DDR2-533 SDRAM (OCZ PC2 4300, 2 x 512MB, 4-4-4-11).

Графическая карта: PowerColor RADEON X800 XT (PCI-E x16).

Дисковая подсистема: 160GB (SATAII).

Операционная система: Windows XP Professional SP2.

Вычислительный канал осуществляет приём информации, выполнение алгоритма работы, выдачу управляющих сигналов.

В разработанной микропроцессорной системе сравнения сигналов и контроль происходит программно на базе персональных компьютеров. Компьютеры оснащены сетевыми картами и обмен данными между ними производится по средствам сети.

Принципиальная электрическая схема приведена в приложении.

3.2 Разработка принципиальной электрической схемы устройств сопряжения с исполнительными объектами

Для включения исполнительных объектов будем использовать схему устройства включения исполнительных реле (УВИР) с конденсаторной гальванической развязкой, представленную на рисунке.

Рисунок 4. - УВИР с конденсаторной гальванической развязкой

Для передачи входных сигналов используется устройство безопасного ввода информации о состоянии релейных датчиков (рис. 5)

Рисунок 5. - Устройства безопасного ввода информации

На выходах устройства ввода информации T и T генерируются последовательности парафазных импульсов. Достоверность информации подтверждается парафазностью импульсных последовательностей, поступающих на входы А и В. Значение переменной X определяется следующим образом. Если на вход А приходит сигнал Т, а на вход В - сигнал Т, то контакт реле замкнут, в противоположном случае - контакт разомкнут.

При неисправности нарушается парафазность или импульсный характер сигналов на входах А и В, что фиксируется с помощью программных или аппаратных средств контроля устройства ввода информации.

Размещено на Allbest.ru