Техническая реализация измерений параметров токов, протекающих в рельсовых цепях

Техническая реализация измерений параметров токов, протекающих в рельсовых цепях

1. Автоматизированный аппаратно-программный измерительный комплекс для определения параметров кодового и тягового токов

В соответствии с Инструкцией по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки проверка работы устройств автоматической локомотивной сигнализации проводится периодически вагонами-лабораториями с рассмотрением результатов совместно службами сигнализации и связи и локомотивного хозяйства. В действующих на Украине вагонах-лабораториях установлена аппаратура «Контроль», которая предназначена для измерения кодового тока частотой 25, 50 и 75 Гц, определения его временных параметров, вычисления координаты рельсовой цепи, контроля изостыков и скорости движения подвижного состава.

С другой стороны ток локомотивной сигнализации контролируется путем проведения измерения в рельсах в промежутке между поездами. Проверку временных параметров сигнального тока совмещают с регулировкой длительности импульсов и интервалов при замене трансмиттерных реле на сигнальных установках.

Действие путевых и локомотивных устройств АЛС находится под контролем путем записи сигналов локомотивных светофоров на ленте скоростимеров, которые дают наиболее полную и достоверную информацию о нарушении работы локомотивной сигнализации, поскольку позволяют получить статистические данные, оценить, выявить и разделить случайные и систематические сбои и их причины.

Измерение тока локомотивной сигнализации должны быть достоверными и по возможности исключать трудоемкие, продолжительные по времени и связанные с выходом на поле операции, что невозможно осуществить при ручном способе контроля величины тока АЛС. К тому же проведение измерений на перегоне связано с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности для исключения поражения обслуживающего персонала электрическим током и опасности со стороны подвижного состава.

Проверка вагоном-лабораторией позволяет выявить в первую очередь отступления в регулировке РЦ и аппаратуры кодирования, но дает возможности определить фазовые соотношения токов АЛС, точно определить параметры рельсовых цепей, величину обратного тока в рельсах и спектр помех, асимметрию сигнального и тягового токов. Использование современной микропроцессорной и компьютерной техники на базе действующего вагона-лаборатории позволяет расширить число контролируемых параметров и создавать электронные базы измеренных и рассчитанных данных, что способствует более полному и достоверному анализу работоспособности рельсовых цепей.

1.1 Аппаратная часть измерительного комплекса

Для определения численных и временных параметров сигнального тока предлагается аппаратно-программный измерительный комплекс, структурная схема которого приведена на рис. 1.

Предложенная система реализована в виде приставки к персональному компьютеру типа IBM PC. Она осуществляет цифровую обработку сигнала и содержит следующие основные узлы: блок согласования, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексоры, генератор тактовых импульсов, программируемый таймер, регистры данных и управления.

Десятиразрядный АЦП последовательного приближения К1113ПВ1 имеет входной диапазон ±5В и преобразует аналоговый сигнал в цифровой код с шагом квантования ±5мВ. Максимальная частота дискретизации АЦП составляет 40кГц, что вполне достаточно для проведения спектрального анализа тока, протекающего в рельсах. Дифференциальная погрешность составляет меньше 0,1%. Имеется возможность использовать двенадцатиразрядный АЦП.

Рис. 1. Структурная схема аппаратно-программного комплекса для анализа параметров кодового тока в рельсах

Программируемый таймер реализован на интегральной микросхеме типа К580ВИ53 и предназначен для задания частоты дискретизации входного сигнала. Интервал дискретизации можно менять в широком диапазоне от 25 мкс до 70 мин. Частота сигналов, вырабатываемых программируемым таймером, стабилизируется кварцевым резонатором на 1 МГц.

Устройство управления состоит из регистров данных и управления, которые необходимы для задания режимов работы программируемого таймера. По командам, поступающим от персонального компьютера, оно управляет режимами работы программируемого таймера, мультиплексорами, а также блоком коммутации.

Блок коммутации предназначен для выбора диапазона напряжений входного сигнала. Он состоит из набора малогабаритных реле, позволяющих подавать сигнал либо прямо на усилитель-ограничитель, либо через делители. Это позволяет увеличить допустимый входной диапазон напряжения до 500В. Таким образом, данное устройство может быть использовано для записи сигнала не только с приемных катушек АЛС, а и с других датчиков, установленных не на локомотиве, а подключенных к рельсовой цепи, фидеру обратного тягового тока, что расширяет область применения данного устройства.

Также входной сигнал может быть усилен с помощью операционного усилителя в 10 раз, что необходимо для записи сигналов с катушек автоматической локомотивной сигнализации в диапазоне от 0 до 500 мВ с шагом 0,5 мВ.

Усилитель-ограничитель предназначен для ограничения входа АЦП от перенапряжений на уровне 5,5 мВ. Он обеспечивает высокое входное сопротивление аппаратно-программного комплекса, чтобы предотвратить влияние измерительной системы на работу АЛС и других устройств автоматики и телемеханики.

Блок оптронной развязки необходим для повышения помехозащищенности и надежности работы измерительной системы. Обеспечивает гальваническую развязку между аналоговой и цифровой частями. В РЦ иногда возникают мощные импульсные помехи, которые могут привести к сбросу данных или к сбою в работе компьютера, поскольку ПК непосредственно связан с цифровой частью измерительного комплекса. Нарушение нормальной работы компьютера привело бы к полной потере данных. При использовании гальванической развязки сбой произойдет только в цепях АЦП, то есть несколько выборок подряд будут иметь предельное значение 5,5 В. После исчезновения помехи, устройство начнет работать в нормальном режиме, а возникшие нарушения отслеживаются программно.

Измерительный комплекс подключается к ПК через параллельный порт LPT. Так как данный порт является восьмиразрядным, а шина данных АЦП десятиразрядной, то чтение выборки сигнала осуществляется за 2 такта с помощью мультиплексоров. Блок мультиплексоров имеет 16 входов, что дает возможность расширить разрядность АЦП до 12, либо контролировать одновременно до 6 цифровых сигналов, поступающих на вход логического анализатора, который контролирует присутствие кода.

Перед началом обработки сигнала в программируемый таймер записывается частота дискретизации входного сигнала. Программируемый таймер выдает сигнал «пуск преобразования сигнала», который вырабатывается с заданным интервалом. По окончанию преобразования АЦП выдает сигнал готовности данных, что вызывает аппаратное прерывание LPT порта компьютера. Подпрограмма обработки прерывания осуществляет чтение данных, поступающих из АЦП в буфер оперативного запоминающего устройства компьютера. Алгоритм обработки сигнала на аппаратном уровне представлен на рис. 2.

Рис. 2 Алгоритм обработки сигнала на аппаратном уровне

1.2 Программная часть измерительного комплекса

Цифровая обработка сигнала и анализ данных осуществляется с помощью программного обеспечения измерительного комплекса, разработанного на кафедре АТС ДИИТа. Алгоритм цифровой обработки сигнала представлен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм цифровой обработки сигнала измерительным комплексом

Компенсация дрейфа входного сигнала позволяет избавиться от погрешности, вносимой блоком согласования аппаратной части и исключает влияние напряжения смещения входного каскада измерительного комплекса .

Усреднение сигнала используется при анализе гармонических сигналов и вычисляет спектр сигнала не по одной выборке, а по нескольким. В случае, если необходимо исследовать импульсные помехи, блок усреднения программно исключается.

Для цифровой обработки сигнала в состав программного обеспечения включены процедуры, позволяющие реализовать алгоритмы цифровой фильтрации. Здесь реализован частотный способ фильтрации на базе быстрого преобразования Фурье. Цифровая фильтрация имеет следующие преимущества перед аналоговыми фильтрами: высокая стабильность частоты дискретизации, простота перестройки частотной характеристики, возможность реализации сразу нескольких типов фильтров.

Масштабирование позволяет перевести цифровой код в значения реального сигнала контролируемого параметра, что необходимо для проверки правильности преобразования сигнала и для подготовки сигнала к анализу.

Аппроксимация. Для обработки записанного сигнала возможно применение подпрограмм линейной или сплайновой аппроксимации для получения промежуточных результатов между выборками. Линейная аппроксимация обладает меньшей точностью, зато позволяет обрабатывать большие массивы данных со значительной скоростью и может быть использована для предварительной оценки результатов измерений и при анализе данных без высоких требований к точности. Высокоточные данные могут быть получены с помощью сплайновой аппроксимации, но она требует больших вычислительных возможностей.

Структурная схема программного обеспечения представлена на рис.

Графическая часть предназначена для реализации человеко-машинного интерфейса и управления процессами цифровой обработки сигнала, анализа данных и управления аппаратной частью измерительного комплекса.

Драйвер LPT порта необходим для обмена информацией между ПК и аппаратной частью измерительного комплекса. Использование данного драйвера позволяет функционировать программному обеспечению под операционными системами Windows-98 или -2000. Он позволяет подключаться к регистрам параллельного порта и осуществлять обработку аппаратных прерываний, поступающих от АЦП.

Аппаратно-программный комплекс обеспечивает выполнение следующий функций при анализе измеренных данных: цифровое преобразование сигнала и ввод его в буфер с возможностью запоминания до 10 миллионов выборок; сохранение данных на жесткий диск; создание базы записываемых и рассчитываемых данных; конвертирование их в Word, Excel, Matlab, Mathcad или создание текстовых файлов; вычисление амплитудно- и фазочастотных характеристик кодового и тягового токов; вероятностная и статистическая обработка результатов измерений; фильтрация тягового тока с помощью специальных программ; определение асимметрии кодового и тягового токов в рельсах; вывод записанного сигнала и рассчитанных данных на монитор или принтер; проверка соответствия параметров кодового тока требованиям; выдача рекомендаций по поводу отклонений параметров токов от норм и их устранению; определение параметров РЦ .

1.3 Измерения

Данный измерительный комплекс позволяет записывать сигнал с выхода фильтра, как этого требует Инструкция по техническому обслуживанию устройств сигнализации, централизации и блокировки, и с выходов катушек АЛС. Сигнал, записанный с катушек АЛС, представляет собой сумму кодовых сигналов АЛС и тягового тока со всеми его гармоническими составляющими и импульсными помехами, возникающими во время работы локомотива. И поэтому данное устройство позволит анализировать не только временные и численные параметры кодов АЛС, но и оценить степень влияния помех на работу систем автоматики и определить аналитически причины их появления.

Аппаратно-программный комплекс для контроля параметров сигнального тока в рельсах позволяет определять следующие величины посредством косвенных измерений:

- наведенная на катушки АЛС ЭДС;

- напряжение между рельсами;

- величину кодового тока по всей длине рельсовой цепи;

- шунтовую чувствительность;

- длину импульсов и интервалов для всех кодовых посылок;

- определять вид кодового сигнала;

- исправность изостыков;

- исправность электрических соединителей;

- место повреждения рельса ;

- ток асимметрии;

- разность фаз;

- скорость движения;

- координату пути;

- спектр помех, протекающих в тяговой сети;

- численные и временные параметры гармонических и импульсных помех;

- возможные причины возникновения помех, в рельсовой сети.

На рис. 5, 6 приведены сигналы, записанные с приемных катушек АЛС и спектральный анализ, выполненный для 1 канала.

Рис. Интерфейс окна для просмотра осциллограмм тока в режиме приема сигнала с локомотивной катушки

Рис. 6. Интерфейс окна оценки спектрального анализа записанного сигнала

Автоматизированный измерительный комплекс для контроля параметров тока локомотивной сигнализации представляет собой электроизмерительную установку, предназначенную для измерения электрических и временных величин, а также контролировать исправность элементов рельсовых цепей и их механических величин. Поэтому качество работы АИК определяется его метрологическими показателями, т.е. классом точности. АИК для контроля параметров тока цифровым измерительным устройством, поэтому погрешность измерения зависит от шага квантования аналоговых величин. В АИК используются 10-разрядные АЦП, что позволяет получить достаточную для практических целей точность, намного превосходящую точность измерительных приборов, используемых в настоящее время в измерительной системе «Контроль».

Для оценки точности измерительных приборов используют в основном следующие виды погрешности измерения: абсолютную, относительную и приведенную. Абсолютная погрешность определяется по следующему выражению:

х = хп - х,

где хп - показания прибора, х - действительное значение измеряемой величины. Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:

.

Обобщенной характеристикой любого измерительного прибора является класс точности, т.е. максимальная приведенная погрешность в рабочем диапазоне шкалы:

,

где хN - конечное значение диапазона шкалы измерительного устройства.

Целью лабораторных испытаний экспериментального образца АИК для контроля параметров кодового тока и помех было определение погрешности измерения электрических и временных величин, а также проверка соответствия класса точности измерительного комплекса требованиям, предъявляемым существующей технологией проверки состояния рельсовых цепей и определения параметров тока АЛС .

При определении погрешности измерения напряжений наведенного на катушки АЛС в качестве образцового прибора использовался цифровой вольтметр типа Щ1414 с классом точности 0,05/0,02 в диапазоне 0,1 10 В и классом точности 0,06/0,03 в диапазоне 10 100 В. Блок, формирующий аналоговое напряжение на выходе АИК имеет диапазон рабочей шкалы от 0 до 51,15 В и шаг квантования 50 мВ. Результаты измерений приведены
в таблице 1, где Uo - напряжение, которое должно быть на выходе блока программно-управляемого источника питания, в соответствии с цифровым кодом на шине данных ЦАП, Ux - показания образцового вольтметра, dU - абсолютная погрешность измерения.

Как видно из результатов испытаний, приведенная погрешность измерения напряжений не превышает 0,23%, что соответствует измерительному прибору с классом точности 0,2 В настоящее время при измерении напряжений используется цифровой тестер Ц4312 с классом точности 1,0 и, следовательно, применение АИК позволяет повысить точность измерения в четыре раза.

Измерение временных интервалов Тх осуществляется путем подсчета количества импульсов N, поступивших на вход счетчика за измеряемый интервал и вырабатываемых кварцевым генератором с периодом to:

Tx = N to.

Таблица 1

Определение погрешности измерения напряжений

Из формулы видно, что точность измерения временных интервалов с помощью счетчиков зависит от стабильности частоты кварцевого генератора. При таком способе измерения временных параметров абсолютная погрешность будет равна to, а относительная погрешность t0/Tx. Максимальная относительная погрешность измерения временных интервалов определяется по следующей формуле :

,

где to = 10^-5 - изменение частоты кварцевого генератора.

Для формирования образцовых временных интервалов использовался электронный частотомер типа Ч3-34, позволяющий вырабатывать импульсные сигналы с длительностью от 0,1 мкс до 10 с и имеющего относительную погрешность частоты внутреннего кварцевого генератора 10^-7%. Результаты измерений приведены в таблице 2, где То - интервал, вырабатываемый частотомером Ч3-34, dT - абсолютная погрешность, равная длительности периодов кварцевого генератора.

Относительная погрешность определялась по выражению , с учетом изменения частоты кварцевого генератора АИК для контроля параметров кодового тока. Испытания показали, что максимальная относительная погрешность измерения временных интервалов не превышает 0,003%. По существующей технологии измерения длительности интервалов и импульсов кодового тока с помощью системы «Контроль» точность 10 мс, либо при использовании цифрового измерителя временных параметров реле Ф291 в РТУ. Как видно из таблицы 2, использование АИК позволяет значительно уменьшить погрешность измерения временных параметров кодового тока железнодорожной автоматики.

Таблица 2

Определение погрешности измерения временных интервалов

3. Технико-экономическое обоснование внедрения системы для автоматизированного измерения параметров кодов автоматической локомотивной сигнализации

Вопрос о целесообразности внедрения новой техники на железнодорожном транспорте решается на основе расчета годового экономического эффекта от внедрения предлагаемого варианта. Вообще, оценка экономической целесообразности проводится по трем показателям: эксплуатационные расходы за год, годовой экономический эффект и срок окупаемости.

Исходными данными для расчета капитальных вложений и эксплуатационных расходов служат конструктивные параметры и эксплуатационные показатели сравниваемых вариантов техники. В качестве базы сравнения возьмем, используемую в вагоне-лаборатории систему «Контроль», предназначенную для измерения параметров кодов АЛС. Остальные работы, связанные с контролем работоспособности рельсовых цепей выполняются вручную и занимают около 40% всего времени, которое отводится на техническое обслуживание рельсовых цепей.

Таким образом, при существующей системе технического обслуживания рельсовых цепей, которая связана с выходом на поле, временные затраты на контроль одной рельсовой цепи составляют 33 минуты. То есть за час может быть обслужено 2 РЦ. Предлагаемая измерительная система позволяет контролировать до 40 РЦ за 1 час при средней скорости локомотива 40 км/ч. Если рассматривать контрольные измерения параметров сигнального тока, осуществляемые на базе вагона-лаборатории, то временные затраты на проведение самих измерений будут определяться скоростью локомотива. Однако после измерений, проводимых с помощью измерительной системы «Контроль» следует обработка данных, которая сводит число обслуживаемых рельсовых цепей за час к 20.

Максимальная мощность потребления измерительным комплексом предназначенным для автоматизации измерения параметров и характеристик электромагнитных реле железнодорожной автоматики:

- автоматизированный стенд - 5 Вт;

- системный блок компьютера IBM PC - 100 Вт;

- монитор компьютера - 100 Вт.

Общая мощность энергопотребления измерительным комплексом составляет 205 Вт, что в 5 раз меньше, чем у существующей системы «Контроль».

Железнодорожный транспорт Украины приобретает технику, выпускаемую промышленностью, по оптовым ценам. Поэтому себестоимость производства новой техники определяется агрегатным методом, при котором суммируются цены отдельных конструктивных блоков изделия, а также затраты на сборку и монтаж устройства . Автоматизированный стенд конструктивно состоит из печатной платы, блока питания и корпуса. Стоимость каждого блока включает в себя стоимость комплектующих изделий, изготовление печатной платы, пайку, тестирование и разработку программного обеспечения.

Расчет капиталовложений на внедрение микропроцессорного стенда для автоматизации измерения параметров реле железнодорожной автоматики приведен в таблице 3.

Эксплуатационные расходы определяются по статьям затрат, оказывающих непосредственное влияние на экономические результаты работы железнодорожного транспорта Украины. Эксплуатационные расходы включают в себя расходы по содержанию штата, расходы на материалы, запасные части и электроэнергию, а также отчисления на амортизацию.

Эксплуатационные расходы на проверку одной рельсовой цепи определяется по следующей формуле:

З = ЗПоф + ЗПдф + Змат + Зэ + За

где ЗПоф - основной фонд заработной платы; ЗПдф - социальные начисления на основной фонд заработной платы; Змат - расходы на материалы и запасные части; Зэ - расходы на электроэнергию; За - амортизационные отчисления.

ЗПоф = Тп Зст,

где Тп - время, затрачиваемое на проверку РЦ в год; Зст - ставка электромеханика - 12,5 грн/час.

Начисления на основной фонд заработной платы составляет 36% от заработной платы основного фонда .

Таблица

Нормы амортизационных отчислений определяются на основе стоимости оборудования или капитальных вложений и состоят из отчислений на восстановление, замену и капитальный ремонт. Ежегодные амортизационные отчисления составляют 5% от стоимости cистемы, а расходы на материалы и запасные части составляют 2% от стоимости системы.

Зэ = Тп Рпотр Сэ,

где Рпотр - мощность, потребляемая стендом для проверки реле, Сэ - стоимость 1 кВт/часа электроэнергии.

Расчет эксплуатационных расходов для существующей и внедряемой систем приведен в таблице

Годовой экономический эффект новой техники представляет собой суммарную экономию всех видов производственных ресурсов , получаемую в результате производства и эксплуатации внедряемого устройства. Годовой экономический эффект от внедрения новой техники направленной на автоматизацию производства и обеспечивающей экономию производственных ресурсов определяется как разность затрат по базовой и новой технике:

Э = Зст - ,

где Зст - эксплуатационные расходы на проверку при существующей системе измерений, Знов - эксплуатационные расходы на проверку РЦ для нового автоматизированного стенда, К - капитальные вложения на внедрение автоматизированного стенда, Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

Годовой экономический эффект от внедрения системы для проверки параметров и характеристик электромагнитных реле железнодорожной автоматики равен:

Э = 8257 - = 6163,3 грн.

Таблица 4

Расчет эксплуатационных расходов

Срок окупаемости внедряемой системы измерения:

лет.

Следовательно, внедрение системы контроля численных и временных параметров системы АЛС является экономически целесообразным, так как срок окупаемости составляет 3 месяца.

Современные интегральные микросхемы, микроконтроллеры и вычислительная техника обладают высоким быстродействием, многофункциональностью, малыми габаритами и весом, низким энергопотреблением, к тому же цены на них постоянно снижаются.

Реализация микропроцессорной системы контроля параметров кодов АЛС на современной элементной базе позволит увеличить производительность более, чем в пять раз и снизить эксплуатационные расходы на проверку и регулировку рельсовых цепей на 6163,3 гривен в год.

Помимо экономического эффекта внедрение автоматизированного стенда позволило получить и социальный эффект: сократить количество ручных и монотонных операций. Высвободившееся время можно заполнить дополнительными производственными функциями, создаются условия для принятия более обоснованных решений, а также улучшается качество выполняемых работ.

Выводы по разделу

1. Разработан аппаратно-программный комплекс для контроля параметров кодового тока в рельсах. Данное устройство является многофункциональным, поскольку позволяет не только определять параметры токов и рельсовых цепей, а и проводить спектральный анализ тягового тока на данном железнодорожном участке, а также определять спектр помех, протекающих в рельсовой цепи.

2. Измерения могут быть проведены как на базе действующего вагона-лаборатории, путем записи сигнала с приемных катушек, так и на перегоне при подключении аппаратуры к рельсовой цепи или фидеру обратного тягового тока, что расширяет область применения комплекса.

3. Были выполнены лабораторные испытания измерительного стенда, которые подтвердили, что его внедрение позволяет повысить точность при определении параметров тока локомотивной сигнализации.

Экономический эффект от внедрения автоматизированного микропроцессорного измерительного комплекса составляет 6163,6 грн. В год. Срок окупаемости 3 месяца.