Чтобы якорь перебросился в левое положение, необходимо пропустить по обмотке ток такого направления, чтобы поток Ф_к, создаваемый обмоткой катушки (показан штриховой линией), складывался в левом верхнем и правом нижнем зазорах. В правом верхнем и левом нижнем зазорах он будет при этом вычитаться. За счет суммарного потока Ф_П+Ф_К якорь переключается в левое положение, в котором общий контакт замыкается с фронтовым. Для срабатывания реле необходимо, чтобы усилие, создаваемое потоком ДФ_К, превышало усилие, создаваемое потоком ДФ_П и реакцией плоской пружины. После выключения тока в обмотке якорь под действием усилия, создаваемого реакцией пружины, возвратится в исходное (правое) положение.



Рис. 2.5. Схема

Рис.2 .6.Конструкция импульсного реле реле ИМШ1

При другом направлении тока в обмотке магнитный поток Ф_К будет складываться с потоком постоянного магнита в правом верхнем и левом нижнем зазорах, и якорь останется в прежнем (правом) положении. Таким образом, при прохождении тока определенной полярности якорь реле действует так же и у нейтрального реле. Однако принципиальное отличие состоит в том, что импульсное поляризованное реле работает только от импульсов определенной полярности и не срабатывает от импульсов другой полярности.

2.1.2.3 Комбинированные реле

Комбинированные реле представляют собой сочетание нейтрального и поляризованного реле с общей магнитной системой. Они имеют нейтральный и поляризованный якоря. При прохождении через обмотки тока любой полярности нейтральный якорь притягивается, в результате чего замыкаются управляемые им фронтовые контакты. Переключение поляризованного якоря и замыкание управляемых им контактов происходят в зависимости от полярности тока, протекающего через обмотки.

Комбинированное реле является трехпозиционным, так как оно может находиться в трех различных состояниях: без тока, возбуждено током прямой или обратной полярности.

Электромагнитная система комбинированного малогабаритного штепсельного реле КМШ (рис. 2.7) состоит из двух катушек 1, надетых на сердечник 2 с ярмом 3; нейтрального якоря 6; постоянного магнита 4 и поляризованного якоря 5. Нейтральный и поляризованный якоря управляют связанными с ними контактами посредством изолирующих планок 7 и 8. Если ток в обмотках реле отсутствует, то нейтральный якорь, не связанный с потоком постоянного магнита, находится в отпущенном положении; его общие контакты замкнуты с тыловыми контактами. При протекании по обмоткам тока любого направления нейтральный якорь притягивается, и его общие контакты замыкаются с фронтовыми. Таким образом, нейтральный якорь комбинированного реле действует так же, как и якорь обычного нейтрального реле.

Поляризованный якорь управляется магнитным потоком постоянного магнита и потоком, создаваемым обмотками катушек. При отсутствии тока в обмотках поляризованный якорь находится в одном из крайних положений (на рис. 2.7 в левом). Магнитный поток постоянного магнита разветвляется по двум параллельным ветвям в виде потоков Ф_П1 и Ф_П2. Благодаря меньшему воздушному зазору слева поток Ф_П1 превышает поток Ф _П2 на ДФ_П, удерживая якорь в левом положении.

При пропускании тока через обмотки катушек создается магнитный поток Ф_К, замыкающийся через сердечник по двум параллельным ветвям: через нейтральный и поляризованный якоря. Нейтральный якорь под действием этого потока притягивается. Поток постоянного магнита Ф_П2 и поток, создаваемый обмоткой катушки Ф_К, складываются с правой стороны и вычитаются с левой. Усилие, создаваемое суммарным потоком Ф_П2+Ф_К, превышает усилие, создаваемое с левой стороны потоком Ф_П1-Ф_К, поэтому поляризованный якорь переключается в правое положение, замыкая общие контакты поляризованного якоря с переведенными.

После выключения тока поляризованный якорь остается в правом положении, так как теперь благодаря уменьшению воздушного зазора справа и увеличению слева поток Ф_П2 будет превышать поток Ф_П1 на ДФ_П. Усилие, создаваемое потоком ДФ_П, будет удерживать поляризованный якорь в правом положении. Для того чтобы поляризованный якорь перебросился в первоначальное (левое) положение, необходимо через обмотки реле пропустить ток другого направления. Таким образом, в комбинированном реле, как и в поляризованном, осуществляется сравнение двух потоков: постоянного магнита и потока, создаваемого катушками при пропускании по ним тока. В одном из сердечников в зависимости от направления тока в катушках эти потоки складываются, а в другом вычитаются. Поляризованный якорь переключается в сторону сердечника, в котором складываются магнитные потоки.



Рис. 2.7. Схема и нумерация Рис. 2.8. Схема управления контактов комбинированного реле КМШ огнями трехзначного светофора

Зазор между нейтральным якорем и полюсами обеспечивается упорным штифтом на якоре. Таким же образом обеспечивается зазор между полюсами и поляризованным якорем.

Контактная система реле (см. рис. 2.7) состоит из двух контактных групп на переключение 2 фт, управляемых нейтральным якорем, и двух контактных групп на переключение 2 нп, управляемых поляризованным якорем. Контактирующие части подвижных пружин поляризованного и нейтрального якорей и тыловых пружин нейтрального якоря изготовлены из серебра, контактирующие части остальных контактов графито-серебряные. Контактная система рассчитана на переключение электрических цепей постоянного тока 2 А при напряжении 24 В или цепей переменного тока 0,5 А при напряжении 220 В.

Всем комбинированным реле присущ недостаток, заключающийся в том, что при изменении полярности тока в обмотках изменяется направление магнитного потока, и в момент его прохождения через нулевое значение реле отпускает нейтральный якорь. Этот недостаток ограничивает область применения комбинированных реле. Если использовать комбинированное реле для управления огнями трехзначного светофора (рис. 2.8, а), то при смене желтого огня на зеленый или наоборот происходит проблеск красного огня на светофоре. В этой схеме при отсутствии тока в обмотках реле (блок-участок занят) нейтральный якорь находится в отпущенном положении, замкнуты его контакты 11-13, на светофоре горит красный огонь.

При свободности одного блок-участка линейное реле (в качестве которого использовано комбинированное реле) возбуждается током обратной полярности, замыкаются контакты 11-12 нейтрального и 111-113 поляризованного якорей. На светофоре загорается лампа желтого огня. После освобождения второго блок-участка в линейном реле меняется полярность тока с обратной на прямую. Поляризованный якорь перебрасывается и замыкаются его контакты 111-112. На светофоре загорается зеленый огонь. Однако при изменении полярности тока в обмотках и магнитного потока в сердечниках в момент его прохождения через нулевое значение реле кратковременно отпускает нейтральный якорь, замыкается тыловой контакт и на светофоре кратковременно появляется красный огонь, а затем нейтральный якорь притягивается, замыкается фронтовой контакт и загорается зеленый огонь. Таким образом, смена желтого огня на зеленый происходит через красный огонь, т. е. появляется проблеск красного огня, что недопустимо, так как машинист, увидев непонятный сигнал, остановит поезд. Аналогичная ситуация создается и при обратной смене сигнала -- с зеленого на желтый.

Исключить этот недостаток схемным способом замедления на отпускание (например, с помощью конденсаторов) не представляется возможным, так как при смене полярности тока прохождение его через нулевое значение неизбежно.

Для устранения указанного недостатка в схему управления огнями светофора включается не контакт нейтрального якоря линейного комбинированного реле, а контакт его повторителя ПЛ (рис. 2.8, б). Последний имеет замедление на отпускание якоря и при кратковременном отпускании нейтрального якоря реле Л удерживает якорь притянутым и проблеска красного огня не происходит.

Комбинированные реле в части работы нейтрального якоря и связанных с ним контактов отвечают требованиям, предъявляемым к реле I класса надежности. Правильную работу контактов поляризованного якоря необходимо проверять схемным путем, так как в части работы поляризованного якоря комбинированные реле не отвечают требованиям реле I класса надежности.

2.1.3 Реле переменного тока

В устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики применяют реле переменного тока: двухэлементные секторные реле ДСШ, используемые в основном в качестве путевых реле. Для контроля целостности нитей светофорных ламп применяют нейтральные реле постоянного тока с выпрямителями ОМШ, для переключения питания устройств на резервный источник предназначены аварийные реле АОШ, АПШ и АСШ.

Двухэлементные штепсельные реле переменного тока ДСШ широко применяют как путевые реле в рельсовых цепях переменного тока 50 и 25 Гц. В метрополитенах применяют реле ДСШ-2 в качестве путевых и линейных реле. Реле ДСШ I класса надежности являются индукционными, работающими только от переменного тока.

Принцип действия двухэлементного реле основан на взаимодействии переменного магнитного потока одного элемента с током, индуцируемым в секторе переменным магнитным потоком другого элемента. В соответствии с законом электромагнитной индукции на проводник с током (сектор), помещенный в магнитное поле, действует сила, приводящая его в движение. Сектор реле поворачивается и переключает контакты. Сила, действующая на сектор, пропорциональна произведению токов местного и путевого элементов и зависит от угла сдвига фаз между ними.

Электромагнитная система реле ДСШ (рис. 2.9, а) имеет два элемента -- местный и путевой. Местный элемент состоит из сердечника 1 и катушки 2. На сердечнике путевого элемента 3 помещена катушка 4. Между полюсами сердечников расположен алюминиевый сектор 5. Ток, проходящий по местной обмотке, образует совпадающий с ним по фазе магнитный поток Ф_М, который индуцирует в секторе токи i_М , отстающие по фазе от потока Ф_М на угол 90° (рис. 2.9, б). Под действием тока путевого элемента возникает магнитный поток Ф_П, индуцирующий в секторе токи i_П.

Взаимодействие индуцированных токов i_М с магнитным потоком Ф_П создает вращающий момент M1, а токов i_М с магнитным потоком Ф_М -- вращающий момент М2. Под действием суммарного вращающего момента
М = М2 + М1 сектор перемещается вверх и замыкает фронтовые контакты. При выключении тока в путевой или местной обмотке сектор возвращается в исходное положение (вниз) под действием собственного веса. Поворот сектора ограничивается сверху и снизу роликами, которые для смягчения ударов могут перемещаться в направляющих их держателях.

Положительный вращающий момент и движение сектора вверх возможны только при определенном соотношении фаз между токами (напряжениями) путевого и местного элементов. Так как магнитные потоки Ф_П и Ф_м и индуцируемые ими в секторе токи i_П и i_М пропорциональны токам путевого и местного элементов, вращающий момент пропорционален произведению токов путевого и местного элементов и зависит от угла сдвига фаз между ними:

M = I_П I _M sin (ц),

где ц -- угол сдвига фаз I_П и I _M.

Наибольший вращающий момент реализуется при угле сдвига фаз между токами путевого и местного элементов, равном 90°.

Таким образом, токи и совпадающие с ними потоки путевого и местного элементов должны быть сдвинуты на угол 90°. Если бы катушки и сердечники путевого и местного элементов были одинаковы, то и опережающие ток напряжения U_П и U_М также были бы сдвинуты между собой на угол 90°. Однако из-за некоторого отличия характеристик катушек и сердечников путевого и местного элементов U_М опережает по фазе I_М на 72°, a U_П опережает по фазе I_П на 65°. Поэтому напряжения U_M и U_П сдвинуты по фазе не на 90°, а на 97°.

Рис. 2.9. Принципиальная схема реле ДСШ

Рис.2.10. Векторная диаграмма реле ДСШ

Практически для индукционных реле ДСШ обычно задается такой угол сдвига фаз между напряжением местного элемента и током путевого элемента, при котором реализуется максимальный вращающий момент.

Для реле ДСШ при частотах сигнального тока 50 и 25 Гц для реализации максимального вращающего момента необходимо, чтобы напряжение местной обмотки опережало ток путевой обмотки на угол (162±5)°. Этот угол называется идеальным углом сдвига фаз. Напомним, что угол сдвига фаз между токами и магнитными потоками путевого и местного элементом составляет при этом 90°.

Идеальные фазовые соотношения характеризуются следующими углами сдвига фаз (рис. 2.10): 90⁰ между токами и магнитными потоками путевого и местного элементов; 162° между током путевого и напряжением местного элементов; 97° между напряжениями путевого и местного элементов.

Если фазовые соотношения отличаются от идеальных, то для обеспечения работы реле и получения необходимого вращающего момента требуется увеличить напряжение U_П на обмотке путевого элемента до величины:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где ц_И и ц_Д -- идеальный и действительный фазовые углы.

Приведенная формула верна при ц_И>ц_Д и ц_И<ц_Д, так как функция сos.ц одинакова при положительном и отрицательном углах.

Практически в условиях эксплуатации угол расстройки не должен превышать 25--30°. При отклонении угла расстройки на ±30° вращающий момент изменяется незначительно. Так как cos.30°=0,867, то требуется увеличение напряжения на путевой обмотке на 13--14% по сравнению со случаем идеальных фазовых соотношений. При дальнейшей расстройке функции соs(ц_И - ц_Д) изменяется более резко, рельсовая цепь работает неустойчиво, так как дальнейшие незначительные возрастания расстройки приводят к заметному снижению вращающего момента и силы подъема сектора. При расстройке 60° требуется увеличить напряжение на путевой обмотке в два раза.

2.1.4 Трансмиттеры

Маятниковый трансмиттер МТ-1 применяют для импульсного питания рельсовых цепей постоянного тока. Он вырабатывает импульсы тока с интервалами между ними: длительность импульсов и интервалов одинакова и равна 0,3 с.

Основными частями маятникового трансмиттера (рис. 2.11) являются электромагнитная система, ось с шайбами и маятником и контактная система. Электромагнитная система состоит из двух сердечников 1 с полюсными наконечниками, между которыми помещен якорь 2. На ось якоря насажены маятник 3 и гетинаксовые шайбы 4, 5 и 6, которые переключают контакты. На сердечники помещены катушки К1 и К2. Якорь насажен на ось так, чтобы в спокойном положении маятника ось якоря не совпадала с магнитной осью M1 и М2. В этом положении кулачковой шайбой 4 замкнут управляющий контакт УК. При включении тока якорь 2 под действием магнитного поля поворачивается против часовой стрелки, стремясь занять положение по оси М1-М2. Вместе с якорем поворачиваются маятник и кулачковые шайбы 4, 5 и 6. Управляющий контакт при этом размыкается и размыкает цепь питания обмоток. Маятник по инерции продолжает замедленное движение за счет запасенной кинетической энергии, затем под действием силы тяжести маятник вместе с осью и якорем начинает движение в обратном направлении. Проходя исходное (среднее) положение, шайба 4 замыкает контакт УК, включая обмотку. Однако маятник по инерции еще продолжает движение, затем движение возобновляется против часовой стрелки.

При прохождении якоря через среднее положение снова замыкаются контакты УК, и обмотки включаются. Якорь вместе с маятником получают дополнительное усилие. Таким образом, за счет энергии источника питания при каждом прохождении среднего положения маятник получает дополнительное ускоряющее усилие, устанавливаются незатухающие автоматические колебания. Трансмиттер МТ-1 совершает 95--115 колебаний в минуту. С такой же частотой замыкаются и размыкаются контакты 31-32 и 41-42. Через эти контакты в рельсовую цепь передаются импульсы тока. Трансмиттер МТ-2 имеет аналогичное устройство и отличается длительностью вырабатываемых импульсов и интервалов. Он совершает 40 + 2 колебаний в минуту, его контакт 31-32 замкнут и разомкнут в течение (0,75 + 0,1) с, а контакт 41-42 замкнут в течение (1+0,05) с, а разомкнут в течение (0,5 + 0,1) с. В положении покоя контакт 41-42 замкнут, а контакт 31-32 разомкнут. Трансмиттер МТ-2 применяют в схемах включения светофоров для обеспечения мигающего режима горения ламп. Маятниковые трансмиттеры рассчитаны для работы от источников постоянного тока напряжением 12 и 24 В.

Рис. 2.11. Принципиальная схема маятникового трансмиттера МТ-1

Кодовые путевые трансмиттеры переменного тока КПТШ служат для образования кодовых сигналов, используемых в системах числовой кодовой автоблокировки и автоматической локомотивной сигнализации.

Трансмиттеры КПТШ-515 и КПТШ-715 используют в системе числовой кодовой автоблокировки и АЛСН переменного тока 50 Гц, КПТШ-815 и КПТШ-915 -- при частоте сигнального тока 75 Гц. Продолжительность кодового цикла у трансмиттеров КПТШ-515 и КПТШ 815 составляет 1,6 с, а у трансмиттеров КПТШ-715 и КПТШ-915 -- 1,86 с.

Основными частями трансмиттера являются однофазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, редуктор, кулачковые шайбы и контактная система. Статор имеет две обмотки, смещенные в пространстве на угол 90°. Параллельно одной из обмоток у трансмиттеров, работающих от переменного тока 50 Гц, включен конденсатор емкостью 6 мкФ для расщепления фазы (у трансмиттеров, работающих от тока частотой 75 Гц, для этой же цели включен конденсатор емкостью 2 мкФ последовательно с обмоткой).

Благодаря пространственному смещению обмоток и электрическому смещению тока в одной из них включением конденсатора при питании статора однофазным переменным током создается переменное вращающееся магнитное поле, подобно вращающемуся магнитному полю трехфазных асинхронных двигателей. Переменное магнитное поле статора наводит ток в короткозамкнутом роторе. Взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с наведенным током ротора создает вращающий момент, и ротор (якорь) начинает вращаться. Частота его вращения при заданных параметрах двигателя пропорциональна частоте тока, питающего обмотки статора. При частоте питающего тока 50 Гц частота вращения якоря электродвигателя равна 982 об/мин, а при частоте 75 Гц--1473 об/мин (в 1,5 раза выше). Во всех трансмиттерах применяют одинаковые электродвигатели.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.12. Контактная система трансмиттера КПТШ

При вращении якоря через редуктор приводятся во вращение кодовые кулачковые шайбы, связанные с контактами. Редуктор снижает частоту вращения до 30,8 или 36,5 об/мин в зависимости от типа трансмиттера. С такой частотой вращаются кодовые шайбы КЖ, Ж и 3, которые имеют различное число выступов, отличающихся длиной, что обеспечивает различную продолжительность замыкания и размыкания контактов, связанных с шайбами КЖ, Ж и 3 (рис.2.12), укрепленными на одной общей оси. Каждая шайба вырабатывает определенный кодовый сигнал: КЖ -- с одним, Ж -- с двумя и 3 -- с тремя импульсами в кодовом цикле. За один оборот шайбы КЖ вырабатывается два кодовых цикла, а шайб Ж и 3 -- один. Кодовые шайбы расположены выступами так, что большие интервалы кодовых циклов КЖ, Ж и 3 совпадают (вернее, совпадают моменты их окончания, а начало не совпадает из-за их различной продолжительности). Такое расположение шайб улучшает условия работы устройств автоматической локомотивной сигнализации при смене кодовых сигналов в рельсах, например при движении поезда к путевому светофору, когда желтый огонь меняется на зеленый.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.13. Графики кодовых сигналов трансмиттеров КПТШ

Графики кодовых сигналов, вырабатываемых трансмиттерами различных типов, приведены на рис. 2.13.

Электродвигатель мощностью 16,5 Вт (при частоте 50 Гц) получает питание от сети переменного тока напряжением 110 или 220 В.

Коэффициент полезного действия электродвигателя равен 0,3, cos.ц=l, потребляемый ток -- 0,13 А при частоте питающего тока 50 Гц и 0,1 А при 75 Гц.

Каждая кодовая шайба (КЖ, Ж и 3) имеет две пары контактов на замыкание, выполненных из серебра или металлокерамического сплава. Контакты трансмиттера не рассчитаны на коммутирование больших мощностей, поэтому непосредственно в рельсовую цепь не включаются. Через контакты трансмиттера включаются трансмиттерные реле, через усиленные контакты которых мощные кодовые сигналы передаются в рельсы.

2.1.5 Полупроводниковые и микропроцессорные элементы

2.1.5.1 Полупроводниковые приборы

В устройствах железнодорожной автоматики применяются бесконтактные элементы: диоды, транзисторы, тринисторы, стабилитроны, микросхемы различной степени интеграции, в том числе и микропроцессоры.

Транзистор типа п-р-п (кремниевый) имеет те же три электрода (рис. 2.14, а), что и у германиевого транзистора. Для открытия транзистора на базу подается плюс, отчего протекает ток по переходу база-эмиттер, а после открытия протекает ток по переходу коллектор-эмиттер. За счет падения напряжения в резисторе напряжение на выходе равно нулю.

Транзистор типа р-п-р (германиевый) имеет три вывода: эмиттер Э, коллектор К и базу Б (рис. 2.14, б). Транзистор работает в режиме переключения, находясь в двух состояниях: выход открыт (полное напряжение); выход закрыт (напряжение равно нулю). Для открытия транзистора на базу подается минусовый потенциал, отчего протекает ток по переходу эмиттер-база, а после открытия протекает ток по переходу эмиттер-коллектор. Для закрытия транзистора на базу подается плюс, отчего оба перехода и выход закрываются.

Стабилитрон (рис. 2.14, в) используется для стабилизации напряжения. При заданном уровне напряжения +U₆ стабилитрон пробивается и пропускает ток в обратном направлении. Избыток напряжения +U₆ гасится в резисторе R_б; напряжение на нагрузке снимается с резистора R_н. При включении стабилитрона в прямом направлении он работает как обычный диод.



Тиристор (рис. 2.14, г) используется как управляемый диод. Нормально тиристор закрыт и ток от анода к катоду не проходит. Для открытия тиристора пропускается небольшой ток по управляющей цепи (управляющий электрод-катод). С момента открытия ток протекает по цепи анод-катод и после размыкания управляющей цепи. Закрытие тиристоров делается путем замыкания цепи анод-катод, короткого замыкания между анодом-катодом, переключения полярности анода с положительной на отрицательную.

Трансмиттерное бесконтактное реле (рис. 2.15) используется для передачи в рельсовую цепь импульсов кодового тока, которые вырабатывает трансмиттер КПТШ.

Реле состоит из двух тиристоров Т1 и Т2, контактного реле Р, повторяющего работу контакта КПТШ. Если замыкается контакт КПТШ, срабатывает реле Р и фронтовым контактом замыкает управляющие цепи тиристоров. При положительной полярности замыкается управляющая цепь тиристора Т1: ПХ-220 -- Д6 -- R3 -- фронтовой контакт Р -- переход (У -- К Т1) -- фронтовой контакт К -- первичная обмотка путевого трансформатора ПТ - ОХ-220. Затем открывается цепь Э-К, и тиристор пропускает положительную полуволну переменного тока в рельсовую цепь. При отрицательной полуволне переменного тока тиристор Т1 закрывается, и образуется управляющая цепь тиристора Т2: ОХ-220 -- ПТ -- К -- Д5 -- Р -- R3 -- (У --К Т2) -- ПХ-220. Через переход Э-К тиристор пропускает отрицательную полуволну переменного тока в рельсовую цепь.

рис 2.15. Трансмиттерное бесконтактное реле

Симметричный триггер на транзисторах типа p-n-р (рис. 2.16) применяется как элемент релейного действия. Триггер состоит из двух транзисторов Т1 и Т2, связанных между собой через резисторы R_С1, R_С2, и имеет два устойчивых состояния: открыт транзистор Т2, закрыт транзистор Т1 (состояние 0), закрыт транзистор Т2, открыт транзистор Т1 (состояние 1). В состояние 1 триггер переключается по входным цепям S, в состояние 0 -- по цепям R.

При состоянии 0 открыт выход , при состоянии 1 -- выход Q. Состояние триггера изменяется путем подачи положительных или отрицательных импульсов на входы x¹₁,x⁰₀,x⁰₁,x¹₀.

Переключение триггера из состояния 0 в состояние 1 производится подачей на вход x¹₁ отрицательного импульса или на вход x¹₀ положительного импульса. В первом случае сначала открывается Т1, а затем закрывается Т2, и триггер переходит в состояние ; во втором случае сначала закрывается Т2, затем открывается Т1, и триггер также переходит в состояние I.

Рис. 2.16. Схема триггера

Триггер из состояния 1 в состояние 0 переключается подачей на вход x⁰₀ положительного импульса или на вход x⁰₁ -- отрицательного.

Логические элементы. При построении логических схем устройств автоматики выполняются заданные условия включения, переключения, отключения различных цепей. Эти условия определяются логическими зависимостями между отдельными элементами, узлами, блоками автоматических устройств и называются логическими зависимостями.

Выполнение логических зависимостей осуществляется с помощью логических элементов различных типов, определяющих характер зависимостей. Наиболее распространенными являются логические элементы типов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

На рис. 2.17 с целью наглядности построение перечисленных элементов поясняется соединением контактов реле, а также показываются условные обозначения логических элементов.

Возбужденное состояние реле обозначается символом 1, обесточенное 0. Фронтовые контакты реле обозначают через х₁, х₂ и т. д., а тыловые -- через ₁, ₂ и т. д.

Элемент И реализуется путем последовательного соединения фронтовых контактов х₁ и х₂, отчего цепь замыкается только при условии, если х₁ = 1 и х₂ = 1. Следовательно, на выходе элемента И появление 1 будет только в том случае, когда на его двух входах будут 1.

Отсутствие 1 хотя бы на одном входе вызывает появление на выходе 0. Операция И иначе называется логическим умножением и определяется произведением х₁ х₂.



Рис. 2.17. Логические элементы

Элемент ИЛИ реализуется путем параллельного соединения контактов х₁ и х₂, отчего цепь образуется при условии замыкания хотя бы одного из контактов схемы. На выходе логического элемента ИЛИ появление 1 будет в случаях, когда на одном из его входов будет 1; появление 0 будет в случае, когда на всех входах будут 0. Операция ИЛИ иначе называется логическим сложением, имеющим отличный знак по сравнению со знаком арифметического сложения.

Элемент НЕ при подаче на вход значения 1 (0) обеспечивает появление на выходе обратного (инверсного) значения 0 (1). Логический элемент НЕ также называют инвертором.

Элемент И-НЕ сочетает в себе элементы И и НЕ и обеспечивает при подаче на входы значений 1, на выходе значение 0. Контактная цепь с последовательным соединением фронтовых контактов х₁ и х₂ элементом И-НЕ преобразуется в свою противоположность, т. е. в цепь с параллельным соединением тыловых контактов ₁ и ₂.

Элемент ИЛИ-НЕ сочетает в себе элементы ИЛИ и НЕ и обеспечивает при подаче на входы значений 0, на выходе значение 1. Контактная цепь с параллельным соединением фронтовых контактов х₁ и х₂ преобразуется в свою противоположность -- в цепь с последовательным соединением тыловых контактов ₁ и ₂.

Путем использования полупроводниковых приборов и логических элементов в системах телемеханического управления и контроля строятся распределители, регистры, шифраторы, дешифраторы.

Распределитель Р (рис. 2.18, а) обеспечивает распределение по отдельным электрическим цепям серии импульсов, поданных на вход. Если на вход распределителя Р подаются импульсы 1--5, то с помощью счетной схемы, собранной на триггерах, эти импульсы в порядке последовательности распределяются по выходным цепям распределителя.

Регистр РГ представляет собой устройство, служащее для запоминания импульсов, поступающих на его вход. Элементами запоминания являются триггеры с двумя устойчивыми состояниями 1 и 0.

Шифратор (рис. 2.18, б) является сложным узлом телемеханической системы, с помощью которого шифруется кодовое сообщение и преобразуется в сигнал, передаваемый в канал связи. Для шифрации информация из источника сообщений ИС поступает в регистр РГ и запоминается.

Если в РГ хранится сообщение, при котором на его выходах 1--5, как показано на схеме, присутствуют сигналы 1 и 0, то на первом выходе Р на оба входа первого элемента И поступает 1 и на выходе элемента также появляется 1. Через элемент ИЛИ эта 1 подается в модулятор М, где преобразуется в частотный сигнал, который передается в канал связи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.18. Распределители, регистры, шифраторы и дешифраторы

На втором выходе распределителя совпадение входов второго элемента И не получается и на его выходе сохраняется 0. При дальнейшей работе распределителя процесс шифрации протекает аналогично.

Дешифратор (рис. 2.18, в) также является сложным узлом телемеханической системы и обеспечивает дешифрацию (расшифровывание) принятого из канала частотного сигнала.

При поступлении из канала частотного сигнала на выходе демодулятора ДМ появляются сигналы 1 и 0. Сигнал 1 или 0 поступает на один вход элементов И, на другой вход поступает сигнал 1 от распределителя.

При поступлении на оба входа первого элемента И сигналов 1 на его выходе также появляется 1, которая передается в регистр РГ, где запоминается. При поступлении от демодулятора сигнала 0 очередной элемент И сохраняет на выходе 0 и в РГ сигнал не заносится. Записанная в РГ информация хранится до поступления последнего импульса частотного сигнала, после чего реализуется.

2.1.5.2 Микропроцессорные средства

Технология изготовления интегральных элементов развивается по пути расширения функциональных возможностей схемы, заключаемой в один корпус.

Появление первых процессоров ЭВМ, выполненных в виде интегральных схем (ИС), привело к буму микропроцессорной техники, а точнее, к широкому применению средств и методов вычислительной техники в системах управления технологическими процессами, в том числе и на железнодорожном транспорте.

В настоящее время выпускается большое количество серий ИС, которые в сочетании с микропроцессорами (МП) позволяют создавать системы автоматизации любой сложности.

Поскольку в таких системах МП является ключевым элементом, рассмотрим подробнее его организацию исходя из его места в ЭВМ.

Ядром ЭВМ (рис. 2.19) является центральный процессор, осуществляющий арифметические и логические операции с данными, представляемыми в виде машинных слов, длиной от 4 до 64 бит. Слова организуются по байтам (1 байт = 8 бит), хранятся в регистрах памяти и в процессе преобразований пересылаются с одного регистра в другой.

Арифметическо-логический блок процессора осуществляет операции сложения, перемещения, дополнения, сравнения, сдвига и т. д. со словами данных, хранящихся в регистрах и внутренней памяти машины. Программа, представляющая собой последовательность слов с командами и данными, хранится в памяти (внутренней или внешней) и под воздействием схемы управления реализуется в порядке записи.

Процессор также содержит регистр для записи признаков (флажков) по переносу, знаку, нулевому результату, проверяемым при командах условного перехода, и стековый регистр, нужный для более удобной организации последовательности команд.

Внутренняя память ЭВМ необходима для оперативного хранения данных (оперативное запоминающее устройство) в процессе работы и постоянного хранения (постоянное запоминающее устройство) часто используемых программ и данных. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) должно хранить, как минимум, программу запуска машины при первоначальном включении питания, когда в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и процессоре еще ничего не записано.



Во время работы процессор отыскивает команды и данные, хранящиеся в ОЗУ, определяет их значение и совершает соответствующие действия. При выполнении текущей команды по ее содержанию процессор определяет задание для следующей операции.

Внешняя память ЭВМ необходима для хранения больших массивов информации.

Обычно во внешней памяти хранятся те данные, которые не нужны при данном расчете или не вмещаются в ОЗУ, так как обращение процессора к внешней памяти занимает очень много времени по сравнению с ОЗУ.

Устройство ввода-вывода информации необходимо для общения с машиной внешних потребителей -- людей и технических систем. Поэтому различают устройства, предназначенные для ввода-вывода буквенно-цифровой и графической информации, ориентированной на человека, и устройства взаимосвязи со средствами автоматизации технологических процессов. В последнем случае организуется взаимодействие ЭВМ и средств автоматики на основе обмена цифровой информацией в режиме реального времени. Это означает, что процессы преобразования, передачи и восприятия информации о событиях не должны быть заметны для хода управляемого производственного процесса.

Шина данных является средством связи между всеми составными частями ЭВМ. По ней осуществляется передача слов, причем в любой момент времени с шиной работают только два устройства: одно -- передает, другое -- принимает.

Шина состоит из группы информационных линий (обычно по числу разрядов машинного слова), группы адресных линий и группы управляющих линий. Информационные линии обычно являются двунаправленными, по ним передаются данные в любом направлении. Однако в каждый момент времени данные могут передаваться только в одном установленном направлении.

Группа адресных линий (адресная шина) предназначена для выбора и подключения к шине данных устройства, с которым будет взаимодействовать процессор. Группа управляющих линий (шина управления) предназначена для задания процессором режима работы машины по выполнению текущей операции (передача или прием данных в процессор, прерывание, прямой доступ в память и т. д.).

Успехи в производстве микросхем привели к созданию мини и микроЭВМ, по содержанию мало чем отличающихся от рассмотренной структуры ЭВМ.

Под мини-ЭВМ обычно понимают малую вычислительную машину, центральный процессор которой выполнен на ИС средней и большой степени интеграции и размещен на одной или нескольких платах.

МикроЭВМ представляет собой вычислительную машину, у которой процессор выполнен на одной или нескольких ИС большой степени интеграции (микропроцессор) и размещается вместе с ИС внутренней памяти (ОЗУ и ПЗУ) на одной-двух платах. Вычислительные возможности мини-ЭВМ и микропроцессоров (МП) в значительной степени совпадают, поэтому свойства системы больше зависят от состава внешних устройств.

МикроЭВМ характеризуется высокой скоростью выполнения команд, сравнительно малыми емкостями ОЗУ и ПЗУ, небольшой длиной обрабатываемых слов (до 16 разрядов), малым числом внешних устройств, селекторным режимом обмена с внешними устройствами, небольшими размерами и потребляемой мощностью. Поскольку микроЭВМ обладает высокой производительностью, но слаборазвитым интерфейсом (системой связи) с внешними устройствами, то стремятся в приборах, устройствах и системах встраивать МП непосредственно в места, где необходима обработка информации.

Чаще всего такие функционально законченные и конструктивно оформленные изделия, содержащие микропроцессор, модули памяти и устройства сопряжения с конкретным технологическим оборудованием для выполнения определенных программ управления, называют микроконтроллерами.

Программируемость и многофункциональность МП позволяют по-новому подходить к разработке любых средств автоматизации. Традиционная жесткая логика систем (аппаратная реализация) целесообразна только в случаях автоматизации небольшого числа простых по содержанию операций, выполнение которых должно происходить с высокой скоростью и надежностью.

Процессор является центральным устройством любой ЭВМ, от которого зависит ее производительность. Типовой процессор (рис. 2.20) содержит набор регистров для оперативного хранения данных (операнды), над которыми производятся операции, систему коммутаторов для направленного перемещения данных, сумматор с блоком формирования дополнения для выполнения арифметических операций (арифметическо-логическое устройство) и устройство управления, координирующее работу функциональных блоков процессора в соответствии с содержанием очередной команды программы. Программа работы записана в память машины и содержит все указания по управлению процессором.

Управляющее устройство микропроцессора КР580ИК80А (рис. 2.21), которое состоит из регистра команд, дешифратора команд и схем управления. Регистр команд служит для приема кода операции текущей команды из памяти микропроцессорной системы и его хранения в течение выполнения команды. Дешифратор команд расшифровывает код операции и коммутирует схемы управления для выполнения команды.

Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) состоит из регистра временного хранения информации, регистра аккумулятора, кодопреобразователя, комбинационного АЛУ, аккумулятора, вентилей, регистра признаков и схемы десятичной коррекции.

Регистр временного хранения и регистр аккумулятора предназначены для приема и хранения двух восьмибитных слов перед их передачей в комбинационное АЛУ преобразования. Эти регистры являются также вспомогательными при выполнении межрегистровых передач.

Кодопреобразователь служит для передачи содержимого регистра RG1 в комбинационное АЛУ в прямом или обратном коде в зависимости от команды. Комбинационное АЛУ предназначено для выполнения операций сложения и вычитания, логических операций и сдвига данных. Оно производит параллельное преобразование двух восьмибитных слов из регистров RG1 и RG2.



Аккумулятор служит для приема и хранения результатов операции, выполненной комбинационным АЛУ. Через вентили содержимое аккумулятора может быть передано в регистр аккумулятора или на внутреннюю шину данных.

Регистр признаков предназначен для запоминания особенностей результата операции, выполненной комбинационным АЛУ, и для выбора направления продолжения программы. Используются пять признаков: перенос, нуль, знак, четность, вспомогательный перенос.

Схема десятичной коррекции позволяет комбинационному АЛУ при необходимости выполнять операции по правилам десятичной двоично-кодированной арифметики.

Блок регистров включает шесть (В, С, D, E, H, L) восьмиразрядных регистров общего назначения, два (W, Z) восьмиразрядных регистра временного хранения, 16-разрядный регистр -- указатель стека, 16-разрядный счетчик команд, 16-разрядный регистр адреса, схему инкремента-декремента, два восьмиразрядных мультиплексора 1 и 2 и 16-разрядный мультиплексор 3.

Регистры В, С, D, Е, Н и L предназначены для хранения операндов или 16-разрядных адресов операндов. Они могут загружаться данными из памяти или из других регистров. Благодаря укороченному адресу регистров общего назначения операции с ними выполняются быстро, поэтому их называют сверхоперативной памятью МП. Регистры W и Z используются при выполнении команд для временного хранения слов.

Счетчик команд предназначен для хранения адреса ячейки памяти, в которой находится очередная команда. При каждом обращении к программной памяти содержимое счетчика без участия АЛУ увеличивается на единицу (инкрементируется). После этого счетчик указывает следующий адрес ячейки памяти, где хранится очередная команда.

Указатель стека служит для приема, хранения и выдачи адреса вершины стека, т. е. последней занятой ячейки внешней памяти, где после прерывания временно хранится информация из регистров данных, аккумулятора и регистра признаков.

В указатель стека автоматически добавляется единица (инкрементируется) при выдаче байта данных и вычитается (декрементируется) при вводе.

Регистр адреса предназначен для приема, хранения и выдачи адреса ячейки памяти в течение времени, достаточного для декодирования. Из регистра адрес выдается на буфер шины адреса и в схему инкремента-декремента, которая представляет собой комбинационную схему, увеличивающую или уменьшающую содержимое регистра адреса по сигналам управления.

Буфер шины адреса служит для повышения нагрузочной способности шины адреса и имеет три состояния. Буфер шины данных предназначен для повышения нагрузочной способности шины данных и обеспечивает передачу данных в МП или из него.

Мультиплексоры 1 и 2 служат для передачи информации между внутренней шиной данных и регистрами, а мультиплексор 3 -- для передачи информации из блока регистров в регистр адреса. Схема выборки регистра представляет собой дешифратор кода команды, определяющей регистр для выполнения данной команды.

Все виды взаимодействия МП с любыми внешними устройствами происходят по трем шинам -- адреса, данных и управления. Логическое состояние этих шин полностью определяет состояние вычислительной системы в любой момент времени.

Адресная шина (обычно 16 линий АО--А15) используется для выдачи из МП сигналов для выбора и электрического подключения внешнего устройства микропроцессорной системы. Шина данных (не менее восьми линий ДО--Д7) предназначена для двустороннего обмена информацией между МП и выбранным внешним устройством. Шина управления (не менее четырех линий) обеспечивает процессы соединения и переноса информации между МП и внешними устройствами.

Указанные шины выполняют четыре основные функции, достаточные для взаимодействия МП с любым внешним устройством: запись данных в память системы; считывание данных из памяти системы; запись данных в устройство ввода-вывода; считывание данных с устройства ввода-вывода. Каждая из этих функций реализуется в три этапа: обеспечение на адресной шине стабильных уровней сигналов выбора устройства; стабилизация уровней сигналов на шине данных в соответствии с передаваемой информацией; активизация шины управления для выполнения нужной функции. Для работы микропроцессорной системы, кроме рассмотренных четырех функций, обязательна еще одна -- выполнение операций с содержимым внутренних регистров.

Выполнение любой команды происходит в такой последовательности: микропроцессор указывает адрес, по которому в памяти хранится код операции команды; код операции вводится в МП, который дешифрирует команду и выполняет одну из пяти основных функций в соответствии с результатами дешифрации команды.

Взаимодействие МП с внешними устройствами предполагает определенную совокупность программных, аппаратных и конструктивных средств, составляющих так называемый интерфейс. Строго говоря, каждое устройство и модуль системы имеют свой интерфейс, но по функциональному назначению можно выделить: внутри машинный интерфейс для организации взаимодействия модулей МП; интерфейс для подключения внешних периферийных устройств; системный интерфейс для взаимодействия многих микропроцессоров в сложной (мультимикропроцессорной) системе.

Внутри машинный интерфейс чаще всего выполняют в виде магистрали для параллельного способа передачи информации между модулями в асинхронном мультиплексном режиме, т. е. в любой момент времени организуется связь между двумя абонентами в одном направлении.

Магистральный принцип является основным и для интерфейса периферийных устройств микропроцессорной системы, однако использование общих шин не вызывает затруднений только в том случае, если все объединяемые устройства находятся в непосредственной близости друг от друга. Так, параллельный интерфейс (многопроводный магистральный канал общего пользования) не может превышать 20 м, а общее число подключаемых устройств не может быть более 15.

При больших расстояниях между МП и периферийными устройствами стремятся к использованию однопроводных линий с последовательным способом передачи информации. Такие интерфейсы (RS-422) позволяют иметь периферийные устройства на расстоянии до 1200 м.

С устройствами, описанными в разделе 2.1, можно ознакомиться по [2, 3, 4].

Контрольные вопросы и задания

Контрольные вопросы

Пояснить принцип действия электромагнитных реле.

Чем отличаются реле первого класса надежности о других реле?

Классифицировать реле по принципу действия, по роду питающего тока, по времени срабатывания.

Что такое ток срабатывания, ток отпускания, коэффициент возврата?

Маркировка реле применяемых в устройствах автоматики и телемеханики.

Условные графические обозначения реле первого, второго и третьего класса надежности.

Конструкция нейтральных реле.

Конструкция поляризованных и импульсных реле.

Конструкция комбинированных реле.

Конструкция реле переменного тока.

Конструкция трансмиттера и графики кодовых сигналов.

Объясните принцип действия полупроводниковых приборов, бесконтактного трансмиттерного реле и триггера.

Назовите основные логические элементы и их функции.

Дайте определение понятиям: распределители, регистры, шифраторы, дешифраторы и выполняемые функции.

Пояснить работу структурной схемы микропроцессора.

Задание

1. Составить временную диаграмму работы пульс-пары, схема которой приведена в приложении 1.

2. Запустить программу 2 (см. приложение 7) и проследить за действием кодово-путевого трансмиттера.

2.2 Путевые устройства систем железнодорожной автоматики и телемеханики

2.2.1 Светофорная сигнализация

2.2.1.1 Устройство и установка светофоров

На станциях и перегонах применяются линзовые светофоры - мачтовые, карликовые, на мостиках и консолях. Для светофоров используют железобетонные и металлические мачты. Металлические мачты устанавливают при недостаточной ширине междупутий или недостаточной длине железобетонных мачт.

Мачтовые светофоры устанавливают на перегонах и главных путях станций, а также на боковых путях станций при безостановочном пропуске по ним поездов. Использование мачтовых светофоров на станциях ограничено, так как они сокращают полезную длину приемо-отправочных путей и увеличивают стоимость строительства. В этих случаях применяются карликовые светофоры.

На мостиках (реже на консолях) светофоры устанавливают в тех случаях, когда по условиям габарита приближения строений нельзя установить мачтовый светофор (например, на многопутных линиях, на участках двухпутной двусторонней АБ и др.).

Светофорные головки подвешиваются на мачтах светофоров с помощью типовых кронштейнов и гарнитур. В нижней части мачты на гарнитуре в необходимых случаях устанавливаются трансформаторные ящики, кабельные муфты, маневровые щитки местного управления и телефон.

Светофор с железобетонной мачтой (рис. 2.22) содержит бронированный шланг 1, верхний 2 и нижний 3 кронштейны, светофорные двузначные головки 4, световой указатель 5, лестницу 6, железобетонную мачту 7, трансформаторный ящик с гарнитурой 8, кабельную муфту 9.

Светофоры, как правило, необходимо устанавливать с правой стороны по направлению движения поездов или над осью пути следования. Места установки должны выбираться так, чтобы подаваемые светофорами сигналы машинист не мог принять за сигналы, относящиеся к смежным путям.

Светофоры устанавливаются с соблюдением габарита приближения строений. При этом расстояние от оси пути до выступающих частей светофоров на перегонах и крайних путях станций должно быть не менее 3100 мм. В особо трудных условиях это расстояние с разрешения соответствующего министерства или ведомства, в ведении которого находятся железнодорожные пути, может быть уменьшено до 2750 мм на перегонах и до 2450 мм на станциях.

Мачтовые светофоры, устанавливаемые у остальных (не крайних) дистанционных путей, должны располагаться от оси пути на расстоянии не менее 2450 мм, карликовые светофоры - не менее 1920 мм.

Минимальное расстояние от уровня головки рельсов до центра нижней линзы светофора на перегоне должно быть не менее 4190мм у светофоров с железобетонной мачтой и 4510 мм - с металлической мачтой. На станциях эти расстояния увеличены.