Автоматическое управление устройствами электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Телемеханизация устройств электрификации и энергетики участка железной дороги

2. Исходные данные к выполнению курсовой работы

3. Структурная схема телемеханизированного участка электрической железной дороги

4. Определение объема телемеханизации участка электроснабжения

5. Выбор способа кодирования и проектирование импульсной серии

6. Определение емкости комплекса устройства телемеханики

7. Структурная схема устройства телемеханики

8. Выбор элементной базы устройства телемеханики

9. Проектирование функциональной схемы устройства телемеханики

10. Разработка принципиальной схемы блока устройства

11. Составление перечня элементов разработанной схемы

12. Расчет надежности системы телемеханики

13. Расчет дальности передачи сигнала

Заключение

Библиографический список

Введение

Электрификация железных дорог является важным звеном научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте. Технико-экономическая эффективность электротяговых устройств существенно повышается с внедрением комплексной автоматизации и телемеханики.

Оперативное руководство работой устройств электроснабжения и энергетики на электрифицированных железных дорогах осуществляет энергодиспетчер. Важнейшим звеном такой системы являются устройства телемеханики. С их помощью энергодиспетчер осуществляет оперативное управление тяговыми подстанциями, постами секционирования и разъединителями контактной сети, линий продольного электроснабжения и высоковольтных линий СЦБ. Устройства телеуправления позволяют обеспечить квалифицированное руководство действиями эксплуатационного персонала и повысить производительность его труда вследствие ускорения переключения схем питания при профилактических и ремонтно-восстановительных работах. Оказывается возможным более полно реализовать пропускную способность электрифицированных железных дорог благодаря сокращению специальных «окон», необходимых для профилактического обслуживания контактной сети, и более быстрому устранению повреждений.

1. Телемеханизация устройств электрификации и энергетики участка железной дороги

Основным направлением совершенствования управления системой электроснабжения является создание автоматизированных систем управления (АСУ). Процесс управления включает три стадии: сбор информации; ее обработку и принятие управляющих решений; передачу управляющих команд. Если все стадии процесса управления осуществляются без участия персонала, система управления называется автоматической. Если же в процессе управления при сборе и обработке информации, выработке управляющих команд и передаче их на объект управления наряду с техническими средствами участвует персонал, система управления называется автоматизированной.

Автоматизированная система управления (АСУ) является человеко-машинной системой, представляющей совокупность методов и технических средств для наиболее эффективного управления на основе математических методов и средств вычислительной техники.

Автоматизированная система управления железнодорожным транспортом (АСУЖТ) предназначена для совершенствования управления перевозками пассажиров и грузов, работой станций, узлов и участков, локомотивным и вагонным хозяйством, эксплуатацией и ремонтом путей, устройствами электроснабжения. Система управления устройствами электроснабжения (АСУЭ) является функциональной подсистемой АСУЖТ. Наибольшее развитие получила система управления технологическими процессами (АСУЭ ТП) по переработке и передаче электрической энергии электроподвижному составу (ЭПС), нетяговым железнодорожным и другим потребителям.

Основной особенностью электроэнергетики является то, что в каждый момент времени выработка электроэнергии, ее переработка и передача должна строго соответствовать потреблению. Нарушение нормального режима работы одного из элементов системы электроснабжения может отразиться на работе многих ее элементов и привести к нарушению всего технологического процесса. Другая, не менее важная особенность состоит в том, что при нарушении нормального режима электрические процессы протекают настолько быстро, что оперативный персонал не успевает вмешаться в протекание процесса и предотвратить его развитие. Эти особенности энергетики определили необходимость широкой автоматизации системы электроснабжения.

Под автоматизацией энергосистем понимается оснащение их автоматическими устройствами, осуществляющими управление технологическим процессом производства, переработки передачи и распределения электрической энергии в нормальных и аварийных условиях без участия персонала в соответствии с заложенной в этих устройствах программой.

Современные устройства автоматики, телемеханики и защиты основаны на микроэлектронике. На базе интегральных схем и микросборок в 1985 г. была создана аппаратура системы телеуправления МРК-85. Система МРК-85 с использованием радиоканалов для передачи команд управления и телесигнализации была впервые применена на Брянском железнодорожном узле. Дальнейшим развитием этой системы телемеханики явился комплекс ЭЛОТ 2100, полностью совместимый с МРК-85.

В 1996 г. освоено серийное производство микроэлектронной системы телемеханики, получившей название МСТ-95. Новая система полностью совместима как по набору входящих в нее устройств, так и по структуре кодовых комбинаций с действующей системой «Лисна». Это позволяет осуществлять поэтапную замену аппаратуры системы «Лисна» без перерыва в эксплуатации.

Элементной базой системы МСТ-95 являются интегральные схемы и совместимые с ними по характеристикам дискретные электронные приборы. Применение современной элементной базы позволило: увеличить скорость передачи информации; существенно сократить потребление электроэнергии аппаратурой; уменьшить габариты и массу всех устройств, входящих в систему.

В новых системах телемеханики предусмотрена возможность согласования устройств с персональными ЭВМ (ПЭВМ), что необходимо для дальнейшего совершенствования управления хозяйством электроснабжения железных дорог.

Важнейшими звеньями АСУЭ железных дорог являются автоматизированные рабочие места (АРМ) энергодиспетчера. ПЭВМ стандартной конфигурации соединяется с системой телемеханики типа «Лисна» через специальные устройства сопряжения на базе программируемых контроллеров. Кроме того, в составе АРМ энергодиспетчера имеется специализированный пульт оперативного управления (ПОУ), облегчающий процесс общения энергодиспетчера с ЭВМ без использования стандартной клавиатуры как устройства ввода информации. Информационной базой АРМ энергодиспетчера является оперативная информация о положении коммутационных аппаратов, а также информация телесигнализации и телеуправления, поступающая в ЭВМ по каналам телемеханики через устройства сопряжения. Дополнительная информация, необходимая для функционирования АРМ энергодиспетчера вводится вручную. На железных дорогах эксплуатируется около 1000 ПЭВМ и вычислительных комплексов, что обеспечивает необходимые условия для создания автоматизированных систем управления устройствами электроснабжения и контроля за их работой.

Применение автоматизированных систем управления устройствами электроснабжения позволит в значительной мере повысить эффективность функционирования хозяйства электроснабжения железных дорог.

Целью курсовой работы является приобретение практических навыков построения функциональных схем комплекса микроэлектронного устройства телемеханики по заданной структурной схеме и словесному описанию ее функционирования, выполнения анализа работы электронных схем методом построения временных диаграмм, а также изучение схем функциональных узлов и принципов их взаимодействия в схемах устройств телемеханики.

В процессе проектирования должны быть построены, рассчитаны и исследованы электронные схемы устройств телемеханики двухпозиционных объектов электрификации и энергетики железнодорожного транспорта. В данной курсовой работе согласно предложенному варианту предлагается разработать полукомплект устройства телесигнализации (ТС) комплекса системы телемеханики для участка электроснабжения применительно к некоторым условным исходным данным.

2. Исходные данные к выполнению курсовой работы

Исходные данные (по шифру 57) приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры устройства телемеханики и линии связи

Вид устройства	Телесигнализация
Полукомплект	Передающий
Число контролируемых пунктов	5
Наименование Участка	Юрга-Кузнецкий	Название подстанций	постоянный ток: Рзд. 31 км; ЭЧЭ-130 Топки; ЭЧЭ-131Нацмен; ЭЧЭ-132; ЭЧЭ-133 Раскатиха.
Схема блока	Распределитель
Задание	Кодирование информации происходит только на импульсах
Несущая частота канала связи, Гц	450
Уровень помех, Нп	-4
Затухание сигнала, вносимое аппаратурой связи, Нп	0,1
Вид модуляции	Частотная
Тип линии связи	Кабель МКС-4х4х0,9

3. Структурная схема телемеханизированного участка электрической железной дороги

Согласно исходным данным построим структурную схему диспетчерского круга. Структурная схема приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема диспетчерского круга

В структурную схему диспетчерского круга входят: 1 диспетчерский пункт (ДП), 5 тяговых подстанций (КП), 3 станции (КПР), 4 поста секционирования (КП), 1 пункт параллельного соединения (КПР).

Полоса частот одного канала телесигнализации - 180 Гц.

4. Определение объема телемеханизации участка электроснабжения

По заданным схемам главных электрических соединений тяговых подстанций всего диспетчерского круга определяется объем телемеханизации.

Следует учесть:

- тяговые подстанции работают без обслуживающего персонала;

- выполнение команд по телеуправлению (ТУ) контролируется системой телесигнализации (ТС);

- по системе телесигнализации, кроме положений переключающихся элементов, можно передавать значения измеряемых параметров (телеизмерение).

Определение объема телемеханизации производится для каждого контролируемого пункта отдельно, либо в обобщенном виде.

В объем телемеханизации входит:

1) ТУ основным высоковольтным оборудованием тяговых подстанций, постов секционирования, автотрансформаторных пунктов питания, пункты параллельного соединения;

2) ТУ моторными приводами разъединителей контактной сети, линий питания нетяговых потребителей и СЦБ;

3) ТС положения объекта, аварийная и предупредительная телесигнализация;

4) ТИ важнейших параметров устройств электроснабжения.

Объем телемеханизации диспетчерского круга представлен в таблице 2.

На основании полученной таблицы построена обобщенная таблица (таблица 3) по наибольшему количеству объектов ТМ по каждой позиции для одного контролируемого пункта.

Таблица 2 - Определение объёма телемеханизации

№ поз.	Наименование объекта	Рзд. 31 км	ЭЧЭ-109 Мариановка	ЭЧЭ-107 Пикетное	ЭЧЭ-105 Москаленки	ЭЧЭ-103 Кухарево	ЭЧЭ-101 ИссильКуль
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
		ТУ	ТС/ТИ	ТУ	ТС/ТИ	ТУ	ТС/ТИ	ТУ	ТС/ТИ	ТУ	ТС/ТИ	ТУ	ТС/ТИ
1	Выключатель линии 110 кВ							5	5
2	Разъединитель ремонтной перемычки	2	2	2	2	2	2			2	2	2	2
3	Секционный выключатель 110 кВ	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
4	Секционный разъединитель 110 кВ		2		2		2				2		2
5	Выключатель ввода 110 кВ понизительного трансформатора	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
6	Выключатель ввода 10 кВ понизительного трансформатора	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
7	Секционный выключатель 10 кВ	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
8	Выключатель фидера 10 кВ	4	4	5	5	4	4	5	5	2	2	6	6
9	Выключатель фидера СЦБ	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
10	Разъединитель фидера СЦБ	3	3	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
11	Выключатель ввода ТСН	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
12	Выключатель фидера ПЭ	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
13	Разъединитель фидера ПЭ	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
14	Выключатель ввода 10 кВ преобразовательного трансформатора	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2
15	Быстродействующий выключатель 3,3 кВ	4	4	4	4	4	4	4	4	4	4	7	7
16	Запасной выключатель 3,3 кВ	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
17	Линейный разъединитель фидера КС	4	4	4	4	4	4	4	4	4	4	7	7
18	Разъединитель фидера КС							2	2			6	6
19	Продольный разъединитель КС	2	2	4	4	4	4			4	4	4	4
20	Поперечный разъединитель КС							1	1			5	5
21	Неисправность на ТП		1		1		1		1		1		1
22	Авария		1		1		1		1		1		1
23	Оперативные цепи		1		1		1		1		1		1
24	Защита		1		1		1		1		1		1
25	Пожар		1		1		1		1		1		1
26	Неисправность выключателя ТП1		1		1		1		1		1		1
27	Неисправность выключателя ТП2		1		1		1		1		1		1
28	Резервное питание КПМ		1		1		1		1		1		1
29	УР-2												1
30	Блокировка выключателя КВ1		1		1		1		1		1		1
31	Неисправность выключателя КВ1		1		1		1		1		1		1
32	Охрана		1		1		1		1		1		1
33	Блокировка выключателя КВ2		1		1		1		1		1		1
34	Неиспр-сть выключателя КВ2		1		1		1		1		1		1
35	Земля СЦБ		1		1		1		1		1		1
36	Земля 10 кВ		1		1		1		1		1		1
37	Земляная защита		1		1		1		1		1		1
38	Испытатель коротких замыканий		1		1		1		1		1		1
39	ЗПУ		1		1		1		1		1		1
40	УМ ТРДП 1										1
	Всего:	36	54	38	56	37	55	40	58	35	54	56	75

Количество объектов телеуправления:

Nту= 40+45+40+38+39=202.

Количество объектов телесигнализации:

Nтс= 65+71+66+61+65=328.

Таблица 3 - Объекты телеуправления и телесигнализации

№ поз.	Наименование объекта	Диспетчерское наименование	Объекты ТУ	Объекты ТС
			№ ОБ	№ ГР
1	2	3	4	5	6
1	Отделитель понижающего трансформатора 110 кВ	ОД1-110	1	1	2 И
2		ОД2-110	2		3 И
3	Секционный выключатель 110 кВ	ВС-110	3		4 И
4	Линейный разъединитель 110 кВ	РЛ1-110	4		5 И
5		РЛ2-110	5		6 И
6	Выключатель ввода 10 кВ	ВВ1-10	6		7 И
7		ВВ2-10	7		8 И
8	Секционный выключатель 10 кВ	ВС-10	8		9 И
9	Выключатель отходящего фидера 10 кВ	Ф1-10	9		10 И
10		Ф2-10	10		11 И
11		Ф3-10	11		12 И
12		Ф4-10	12		13 И
13		Ф5-10	13		14 И
14		Ф6-10	14		15 И
15	Выключатель фидера СЦБ-запад	ФСЦБ-З	15		16 И
16	Выключатель фидера СЦБ-восток	ФСЦБ-В	16		17 И
17	Линейный разъединитель фидера СЦБ-запад	РСЦБ-З	1	2	18 И
18	Линейный разъединитель фидера СЦБ-восток	РСЦБ-В	2		19 И
19	Выключатель ввода ТСН	ТСН1	3		20 И
20		ТСН2	4		21 И
21	Выключатель фидера ПЭ-запад	ФПЭ-З	5		22 И
22	Выключатель фидера ПЭ-восток	ФПЭ-В	6		23 И
23	Разъединитель фидера ПЭ-запад	РПЭ-З	7		24 И
24	Разъединитель фидера ПЭ-восток	РПЭ-В	8		25 И
25	Выключатель выпрямительного агрегата 10 кВ	КВ1	9		26 И
26		КВ2	10		27 И
27	Выключатель фидера КС	ФА1	11		28 И
28		ФА2	12		29 И
29		ФА3	13		30 И
30		ФА4	14		31 И
31		ФА5	15		32 И
32	Запасной выключатель 3,3 кВ	ЗАП	16		33 И
33	Мачтовый разъединитель Фидера КС	РЛ1	1	3	34 И
34		РЛ2	2		35 И
35		РЛ3	3		36 И
36		РЛ4	4		37 И
37		РЛ5	5		38 И
38	Линейный разъединитель фидера контактной сети	ФЛ1	6		39 И
39		ФЛ2	7		40 И
40		ФЛ3	8		41 И
41		ФЛ4	9		42 И
42		ФЛ5	10		43 И
43	Быстродействующий выключатель выпрямительного агрегата	БВ-КВ1	11		44И
44		БВ-КВ2	12		45И
45	Вызов дежурного	ВД	13		46 И
46	Кнопка съема сигнала	КСС	14		47 И
47	Кнопка изменения готовности АПВ	АПВ	15		48 И
48	Сбой ТУ-КП	ТУ	16		49И
49	Местное управление	МУ	1	4	50И
50	Реле срабатывания защиты (общеподстанционной)	РСЗ			51И
51	Реле срабатывания защиты(МТЗ,ТО,..)	РСЗ 10кВ			52И
52	Пожар	ПОЖАР			53И
53	Неисправность ТП1	НП ТП1			54И
54	Неисправность ТП2	НП ТП2			55И
55	Оперативный контроль цепей	ОКЦ			56И
56	Контроль приказа ТУ	ПК			57И
57	Реле срабатывания изоляции	РСИ			58И
58	Реле земляной защиты	РПЗ			59И
59	Реле срабатывания защиты СЦБ	РСЗ СЦБ			60И
60	Реле контроля изоляции СЦБ	РКИ СЦБ			61И
61	Реле контроля напряжения СЦБ	РКН СЦБ			62И
62	Постоянная блокировка выпрямительного агрегата	ПБ КВ1			63И
63	Защитное отключение КВ1	ЗАЩ.ОТ ПРБ КВ1			64И
64	Газовая защита преобразовательного тр-ра	ГЗ КВ1			65И
65	Пробой КВ1	проб.вент.КВ1			66И
66	Постоянная блокировка выпрямительного агрегата	ПБ КВ2			67И
67	Пробой КВ2	проб.вент.КВ2			68И
68	Защитное отключение КВ2	ЗАЩ.ОТ ПРБ КВ2			69И
69	Газовая защита преобразовательного тр-ра	ГЗ КВ2			70И
70	Неисправность на подстанции	НП			71И
71	Авария	АВАРИЯ			72И
72	Напряжение оперативного тока	U опер. тока			73И
73	Охрана	Охрана			74И
74	ЗПУ ОТКЛ	ЗПУ ОТКЛ			75И
Всего	Объектов 49	Групп 4

5. Выбор способа кодирования и проектирование импульсной серии

При передаче информации в системе телемеханического управления конченой целью является объект, на который она передается. Метод избирания (выбора) объекта в значительной мере влияет на принцип выполнения приемо-передающей аппаратуры.

В данной работе использовали прямой метод избирания. Прямое избирание характеризуется тем, что сообщение передается одним элементом импульсной серии (импульсом определенного качества). Важным свойством системы телемеханики с прямым избиранием является передача каждого сообщения по независимому частотному или временному каналу связи при общей физической линии связи. Таким образом, системы с прямым избиранием являются многоканальными.

При прямом избирании за один цикл передачи можно передать одно, два или все возможные сообщения. Это свойство системы называется циркулярностью.

Выбор способа кодирования определяется характером и ответственностью передаваемой информации, характеристиками каналов связи, допустимым временем передачи сообщений, требуемой емкостью устройства и выполняемой им функцией.

От принятого способа кодирования зависит степень сложности отдельных функциональных узлов проектируемого устройства и схемы в целом.

Выбор способа кодирования сводим к тому, чтобы без усложнения функциональных узлов обеспечить передачу сообщений в объеме требуемой емкости системы. При этом количество элементов телемеханических сигналов в импульсной серии должно согласовываться с числом позиций распределителя импульсов, построенного на основе многоразрядного двоичного счетчика.

Импульсная серия, состоящая из коротких элементов и одного длинного фазирующего, называется холостой. Импульсная серия, в которой закодирован приказ или сообщение, называется командной. Командная серия состоит из элементов с короткими и длинными временными импульсным признаком. Заканчивается командная серия так же, как и холостая, сверхдлинным фазирующим импульсом (СДИ).

Импульсная серия должна содержать столько элементов, сколько необходимо, чтобы закодировать все приказы или сообщения в объеме емкости системы.

Проверку возможности кодирования сообщений только на импульсах можно произвести по формуле:

(1)

где nки - число коротких импульсов в командной серии (nк равен 75% от nо.с.. Примем nк=75);

nди - число элементов с длинными импульсными признаками, кроме служебных (nди=97-74=23);

С - скорость передачи (С=90).

Выбираем распределитель на 100 позиций. Импульсная серия ТС для Рзд.31 км представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Импульсная серия ТС для Рзд.31 км

6. Определение емкости комплекса устройства телемеханики

Определим требуемую емкость системы. Требуемая емкость системы определяется по заданному количеству контролируемых пунктов с заданным числом объектов управления и объектов контроля.

Передающее устройство телесигнализации на каждом КП связано со своим приемным устройством на ДП отдельным каналом связи, поэтому емкость одного устройства ТС определим по формуле:

Е'тс=no.cnc , (2)

где no.c - количество объектов, состояние которых сигнализируется;

nc - количество состояний объектов управления.

Е'тс=97•2=194 объекта;

Емкость всего устройства ТС определим по формуле

Етс=nкп Е'тс, (3)

где nкп - количество КП.

Етс=5•194=970 объектов.

7. Структурная схема устройства телемеханики

Структурная схема передающего полукомплекта телесигнализации приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Структурная схема передающего полукомплекта телесигнализации

СЧР - счетчик распределитель. Предназначен для создания ряда независимых цепей.

ГТИ - генератор тактовых импульсов предназначен для создания тактовой серии и в общем случае состоит из генератора релаксационных колебаний и триггера-делителя.

ЛБ - логический блок. Предназначен для соединения импульсов тактовой серии с импульсами, имеющими отличительный признак.

ЧМП - передатчик частотно-модульных сигналов. Предназначен для передачи кодовых серий, которым придается частотное модулирование. Это необходимо для того, чтобы при передаче данных по линии связи не было искажения серии.

УВИ - устройство ввода информации. Предназначено для передачи телеизмерения и вместе с КД для передачи информации о состоянии объектов на КП.

КД - контакты датчики. Предназначен для передачи состояния оборудования на диспетчерский пункт

БК - блок кодирования. Предназначен для придания выбранным импульсам отличительных признаков - увеличение продолжительности.

Выходной блок предназначен для передачи серии импульсов на вход передатчика частотно-модулированных сигналов ЧМП.

Передающее устройство телесигнализации устанавливается на контролируемом пункте. Генератор ГТИ работает непрерывно и выдает серию прямоугольных импульсов и пауз равной продолжительности, которая через логический блок ЛБ поступает на входы счетчика распределителя СЧР и частотного передатчика ЧМП, с выхода которого - в линию связи.

Контакты - датчики и соответствующие им элементы УВИ контролируются на импульсах тактовой серии. При переключении распределителя в позицию, к которой подключен элемент УВИ с замкнутым контактом - датчиком, на выходе УВИ появляется импульс, переключающий блок кодирования БК. Логический блок запирается, и импульсы с ГТИ перестают проходить на распределитель и передатчик ЧМП. Распределитель останавливается на этой позиции, ожидая очередного импульса с ЛБ. Идет процесс удлинения импульса. Сброс БК в исходное состояние осуществляет ГТИ третьим импульсом, отсчет которых осуществляет БК после своего переключения. Сброс БК приводит к отпиранию логического блока, который снова пропускает импульсы на распределитель и передатчик ЧМП. Структурная схема передающего устройства ТС-КП представлена на рисунке 4.



Рисунок 4 - Структурная схема передающего устройства ТС-КП

Модуль ТС-КП непрерывно циклически опрашивает положение контролируемых объектов и с помощью контактов-датчиков формирует тактовые серии из 100 импульсов, модулированных по длительности в соответствии с положением контактов. Опрос производится на импульсах тактовой серии (соответственно по группам контактов КП1 - КП5). В процессе опроса в линию связи поступает тактовая серия, несущая информацию о состоянии контролируемых объектов и телеизмерительные данные. Каждая серия заканчивается сверхдлинным фазирующим импульсом.

8. Выбор элементной базы устройства телемеханики

При проектировании устройства телемеханики будем опираться на логические элементы КМОП (комлиментарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник).

В качестве основной счетной схемы распределителя модуля ТС-КП примем десятичный счетчик-делитель К561ИЕ8. Цоколевка микросхемы К561ИЕ8 представлена на рисунке 5.



Рисунок 5 - Цоколевка микросхемы К561ИЕ8

Этот счетчик имеет 10 дешифрированных выходов Q0-Q9. Внутренняя схема содержит 5-каскадный счетчик Джонсона и дешифратор, который преобразует двоичный код в сигнал, появляющийся последовательно на каждом выходе счетчика.

Аналогичное решение будет и при выборе элементной базы датчика времени, единственное отличие - счетчик должен быть на 8 позиций, что определяет выбор микросхемы К561ИЕ9.

Для получения схем И-НЕ, НЕ, количество которых преобладает в данной схеме, используем микросхемы К561ЛА7.

Синхронные D-триггеры реализуем на микросхемах К561ТМ2.

9. Проектирование функциональной схемы устройства телемеханики

Согласно предложенному варианту задания необходимо спроектировать схему передающего полукомплекта телесигнализации с рассчитанным числом импульсов в кодовой серии (100 импульсов), при осуществлении кодирования только на импульсах. При проектировании будем опираться на разработанную инженерами МЭЗ схему ТС-КП.

На спроектированной схеме генератор тактовых импульсов собран на схемах DD1.1 и DD1.2. Выход генератора подключен к триггеру - делителю ТД (DD2.1). На выходах 1 и 2 триггера - делителя ТД формируется тактовая серия равных по продолжительности импульсов и пауз: на выходе 1 паузы (+П), на выходе 2 импульсы (+И).

Распределитель модуля включает два счетчика DD6 и DD7, которые образуют матрицу 10х10. Транзисторные ключи VT2 - VT11 и VT12 - VT21 образуют входы матрицы к которым подключены выходы оптронов модуля МО. В колонке изображения разъема указан «вес» каждого входа распределителя. Коммутатор выполнен на транзисторе VT25 с оптроном U2. К коллекторам транзисторов подключены группы контактов - датчиков, кодирующих на импульсах. Управляется коммутатор инвертором DD1.4.

При работе ГТИ с триггера - делителя DD2.1 импульсы и паузы поступают на инверторы DD4.1, DD4.2, DD4.3, DD4.4. Входы 1 и 5 DD4 объединены и через резистор R3 подключены к катодам диодов VD1 - VD5, которые объединяют выходы счетчика DD3. Рабочим выходом является только один выход - 7DD3. Остальные выходы, объединенные через диоды, предотвращают ложное кодирование в случае сбоя DD3. Катоды диодов VD1 -VD5, объединяющие выходы счетчика DD3, подключены к его же входу 13 блокировки счета. Когда на этом входе появляется сигнал 1, счетчик останавливается. Спроектированная электрическая принципиальная схема модуля ТС - КП представлена в приложении 1.

Процесс формирования серии при отсутствии закодированных (длинных) импульсов и пауз происходит в следующем порядке. В установившемся режиме счетчик DDЗ остановлен сигналом 1 с его же выхода 7. При этом на входах 1 и 5 инвертора DD4 постоянно присутствует сигнал 1, поданный через резистор R8. На входы 2 и 6 инвертора DD4 поочередно поступают импульсы и паузы с триггера-делителя DD2.1. На импульсах сигнал 1 будет на обоих входах инвертора DD4.1, на паузах -- на входах инвертора DD4.2. Следовательно, на импульсах на выходе 3 DD4.1 будет сигнал 0, переключающий триггер-защелку DD4.3, DD4.4 в положение, при котором на выходе 10 DD4.3 появляется сигнал 1, а на паузах сигнал 1 будет на выходе 11 DD4.4, т.к. на выходе 4 DD4.2 появляется сигнал 0.

Таким образом, триггер-защелка повторяет на своих выходах импульсную последовательность, имеющуюся на выходах триггера-делителя DD2.1. С выхода триггера-защелки сигналы поступают на вход 13 инвертора DD1.4, а на вход 12 подается сигнал 1 с выхода 3 инвертора DD8.1. Таким образом, на импульсах сигнал 0 появляется на выходе 11 инвертора DD1.4. На импульсах закрывается оптрон U2, это приводит к открыванию транзистора VT25 коммутатора, к коллектору которого подключены провода контактов-датчиков опрашиваемых на импульсах.

С выхода 11 инвертора DD4.4 триггера-защелки сигнал поступает на вход 12 инвертора DD5.4. Инвертор DD5.4 переключается и на коллекторе транзистора VT23 воспроизводится последовательность импульсов и пауз, поступающая через контакт С12 разъема на модулятор передатчика.

С выходов 10 и 11 триггера-защелки DD4 сигналы поступают также на входы S и C триггера DD2.2. В начале каждого импульса по S-входу, а в начале каждой паузы по С-входу триггер DD2.2 возбуждается, и автоматически сбрасывается через 0,5 мкс. В момент сброса с выхода 12 триггера через дифференцирующую цепь С6, R12 подается короткий импульс на вход 9 инвертора DD9.3. Однако на входе 8 DD9.3 сохраняется 0, и поэтому сигнал дальше не распространяется.

На 99-й позиции распределителя с выхода 4 инвертора DD8.2 на вход 2 инвертора DD9.1 поступит сигнал 1, в результате чего на вход 6 инвертора DD9.2 поступит сигнал 0, а на вход 8 инвертора DD9.3 -- сигнал 1. Теперь импульс, поступивший на вход 9 инвертора DD9.3 пройдет на выход 11 инвертора DD9.4 и по R-входу сбросит счетчик DD3. На входах 1 инвертора DD4.1 и 5 инвертора DD4.2 появится сигнал 0 и триггер-защелка прекращает переключаться, сохраняя сигнал 0 на выходе 11 DD4.4. На обоих входах инвертора DD5.4 также сохраняется сигнал 0, транзистор VT23 открыт и с его коллектора сигнал 0 поступает на контакт С12 разъема и далее на модулятор передатчика ЧПер. Так как триггер-защелка не переключается, на С-входе счетчика DD6 постоянно присутствует сигнал 1, распределитель останавливается в 99-й позиции. С выхода 10 инвертора DD4.3 на вход 6 инвертора DD5.2 подается сигнал 1 и импульсы с входа 1 DD2.1 триггера - делителя через инверторы DD5.2 и DD5.3 поступают на вход 14 счетчика DDЗ, который переключается. При поступлении третьего импульса на выходе 7 счетчика DDЗ появляется сигнал 1, дальнейший счет блокируется по входу 13. На входы 1 инвертора DD4.1 и 5 инвертора DD4.2 подается сигнал 1 и триггер-защелка начинает переключаться вновь. Это приведет к появлению сигнала 0 на выходе 10 инвертора DD5.3, т.е. третий импульс с выхода 10 инвертора DD5.3 окажется очень коротким. Для его удлинения используется цепь R и С, задерживающая переключение триггера-защелки после появления сигнала 1 на выходе 7 счетчика DDЗ. Реальная длительность третьего импульса на выходе 10 инвертора DD5.3 составляет около 60 мкс. Таким образом, время, в течение которого триггер-защелка остановлен, равно пяти элементам тактовой серии.

В результате переключения триггера-защелки с его выхода 11 инвертора DD4.4 на вход 12 инвертора DD5.4 подается сигнал 1, на входе 13 инвертора DD5.4 еще сохраняется сигнал 0, транзистор VT23 остается открытым и сигнал 0 с его коллектора поступает на контакт С12 разъема и далее на модулятор передатчика Чпер, частота работы которого не изменяется. В момент переключения триггера-защелки на С-вход триггера DD2.2 поступает импульс, а так как на D-входе в это время имеется сигнал 0, триггер DD2.2 не возбуждается и, значит, не формируется импульс сброса счетчика DD3. С приходом 100-го импульса триггер-защелка вновь переключается. На вход 12 инвертора DD5.4 подается 0, а сигнал 1 с выхода 10 инвертора DD4.3 переключает счетчик DD6 и переводит распределитель в 100-ю позицию, а также возбуждает триггер DD2.2 по S-входу.

При переходе распределителя в 100-ю позицию на выходе 4 инвертора DD8.2 появляется 0, но на входе 2 DD9.1 еще сохраняется сигнал 1. При сбросе триггера DD2.2 на входе 2 инвертора DD9.1 сохраняется сигнал 1. Благодаря этому импульс на выходе 12 триггера DD2.2 вновь сбрасывает счетчик DD3. Триггер-защелка останавливается на время, равное пяти элементам тактовой серии. Все процессы повторяются до очередного переключения триггера-защелки. Однако теперь на вход 13 инвертора DD5.4 поступает сигнал 1 с выхода 3 инвертора DD9.1. Инвертор DD5.4 закрывается, транзистор VT23 также закрывается и на выходе С12 модуля появляется сигнал 1, поступающий на модулятор передатчика.

Процесс кодирования импульсов протекает аналогично тому, как происходило удлинение 99-го импульса. Информация о состоянии контактов-датчиков ТС вводится через модули оптронов МО. Выходы оптронов включены между входами А и Б матриц распределителя.

Если замкнут контакт-датчик на входе опрашиваемого оптрона, транзистор на его выходе открыт. Создается путь для протекания тока: +12 В -- транзистор VT12-VT20 -- транзистор VT2-VT11 -- диод VD7 -- база транзистора VT22 -- эмиттер VТ22-земля. Транзистор VT22 открывается и на вход 5 инвертора DD9.2 поступает сигнал 0. На входе 8 инвертора DD9.3 появляется сигнал 1. Одновременно 0 поступает на вход 1 инвертора DD9.1, с выхода 3 инвертора DD9.1 на триггер DD2.2 подается сигнал 1. При сбросе триггера DD2.2 с помощью цепи R и С на его выходе 12 формируется импульс, который поступает на вход 9 инвертора DD9.3. Так как на входе 8 инвертора DD9.3 присутствует сигнал 1, то инвертор запирается. Инвертор DD9.4 отпирается, импульс с его выхода сбрасывает счетчик DD3, что приводит к остановке триггера-защелки в положении «импульс» или «пауза», а на выходе модуля С12 на протяжении пяти тактовых элементов поддерживается 0 или 1, т.е. формируется длинный импульс.

Для передачи сигнала «Сбой ТУ» на ДП служат триггеры DD10 и инверторы DD11. Этот сигнал вводится из блока ТУ-КП через контакт С11 разъема модуля ТС-КП и возбуждает по 5-входу триггер DD10.1. С его выхода 2 на D-вход триггера DD10.2 поступает сигнал 1. На 98-й позиции распределителя, которая служит для передачи сигнала «Сбой ТУ», с выхода 11 DD8.4 на С-вход триггера DD10.2 поступает сигнал 1, который возбуждает этот триггер. В результате на выходе 4 инвертора DD11.2 появляется сигнал 1, который через резистор R открывает транзистор VT22 и начинается процесс кодирования 98-го импульса серии.

При переходе распределителя в 99-ю позицию на вход 9 инвертора DD11.3 поступит 0, следовательно, состояние С-входа триггера DD10.1 изменится с 0 на 1. Если к этому моменту сигнал «Сбой ТУ» на S-входе исчез, то триггер сбросится. Сброс триггера DD10.2 произойдет на 98-й позиции следующей серии при условии, что сигнал «Сбой ТУ» не появился вновь. Если сигнал «Сбой ТУ» не исчезает, сброса триггера не происходит.

10. Разработка принципиальной схемы блока устройства

Согласно заданию, ниже будет рассмотрен распределитель, представляющий собой матрицу 10х10. Распределитель построен на основе двух счетчиков К561ИЕ8 (зарубежный аналог СD4017A).

Принципиальная схема блока устройства

Принципиальная схема распределителя приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Принципиальная схема распределителя

Временные диаграммы работы блока устройства

Временные диаграммы приведены на рисунке 7.

Моделирование схемы блока с помощью программы Electronics WorkBench

Смоделируем работу данного распределителя в программе Electronics Workbench. Модуль оптронов, при помощи которого замыкаются блоки входов А и Б заменим ключом. На выходе распределителя, который идет на базу транзистора VT22 (сигнал на удлинение импульса кодовой серии) установим лампочку. Симуляция работы схемы показала ее работоспособность, лампочка загорается при каждом замыкании ключа. При этом ее горение поддерживается постоянно, т.к. в любой момент времени будет открыто два транзистора - один у верхнего счетчика и один - у нижнего. Дойдя до 99 позиции распределитель, посылает импульс на удлинение последнего импульса и сброс датчика времени. Моделировать это было бы очень громоздко, поэтому ограничимся схемой самого распределителя. Модель представлена на рисунке 8.



Рисунок 8 - Модель распределителя в программе Electronics Workbench

Подключив к схеме виртуальный логический анализатор на 16 входных сигналов, снимем временную диаграмму работы распределителя для первых 40 его позиций (ввиду ограничения количества входов анализатора, т.е.16). Временные диаграммы приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 -Временные диаграммы работы виртуальной модели распределителя в программе Electronics Workbench

Временные диаграммы, снятые при моделировании, совпадают с диаграммами, полученными аналитически.

электрификация железный дорога телемеханика

11. Составление перечня элементов разработанной схемы

Перечень элементов разработанной схемы приведен в таблице 4.

Таблица 4 - Перечень элементов разработанной схемы

12. Расчет надежности системы телемеханики

Элементы и состоящие из них системы могут находиться в двух состояниях: работоспособном (исправном) и неисправном. Событие, состоящее в переходе из исправного состояния в неисправное, называется отказом или выходом из строя.

После составления спецификации и проработки функциональной схемы устройства телесигнализации проводится упрощенный (ориентировочный) расчет его надежности. Исходными данными для расчета являются состав (тип) элементов, их количество и среднестатистическое значение интенсивности отказов ?i для элементов каждого типа. Иногда вместо данных об элементе (транзистор, диод, резистор и т. д.) даются значения интенсивности отказов на элементы функциональной схемы (триггер, инвертор и т. д.), что значительно упрощает расчет. Данные о количестве элементов устройства определяются по спецификации и функциональной схеме и записываются в таблицу для определения интенсивности отказов устройства (таблица 5).

Расчет надежности устройства основывается на следующих допущениях:

-все элементы данного типа работают при одинаковой степени загрузки;

-интенсивность отказов всех элементов не зависит от времени, т. е. не учитываются старение и износ в течение срока службы (?i = const);

-отказы элементов устройства рассматриваются на втором периоде их работы после приработки стоек телемеханики в течение 50 - 2000 ч, когда повреждения носят в основном случайный характер.

Результаты расчетов интенсивности отказов сведены в таблицу 5.

Таблица 5 - Определение интенсивности отказов

Тип элемента	Обозначение на схеме	Кол-во элементов, Ni, шт	Интенсивность отказов ?i, .10-51/ч	Произведение ?i Ni, .10-51/ч
резистор	R1-R45	45	0,1	4,5
конденсатор	С1-С7	7	0,062	0,434
диод	VD1-VD10	10	0,034	0,34
светодиод	HL1,HL2	2	0,260	0,52
оптрон	U2, U3	2	0,119	0,238
транзистор	VT1-VT25	25	0,057	1,425
счетчик	DD3,DD6, DD7	3	0,451	1,353
D-триггер	DD2.1,DD2.2 DD10.1, DD10.2	4	0,157	0,628
И-НЕ	DD1.4, DD4.1-DD4.4 DD5.1-DD5.4 DD8.1,DD8.3 DD9.1-DD9.3 DD11.1 DD11.3	16	0,284	4,544
НЕ	DD1.1,DD1.2 DD8.2,DD8.4 DD9.4,DD11.2	6	0,117	0,702
ВСЕГО ()	14,684

При расчете надежности предполагается, что все элементы соединены

последовательно, т. е. отказ одного из них приводит к отказу всего комплекса электронного устройства. Характеристики надежности определяются по формулам:

поток отказов комплекса электронного устройства -

(4)

по таблице 5 было вычислено 14,684.10-5 1/ч.

среднее время наработки на отказ -

(5)

вероятность безотказной работы устройства в течение времени t (как правило, t = 8760 ч) -

(6)

где Ni - число элементов i-го типа; m - число типов элементов; ?i - интенсивность отказа элементов i-го типа.

Таким образом, вероятность безотказной работы устройства в течение времени t=8760 ч составила p=0,276.

13. Расчет дальности передачи сигнала

Для телемеханизации устройств электроснабжения на железнодорожном транспорте применяются воздушные и кабельные линии связи. Воздушные линии со стальными проводами имеют худшие характеристики по условиям затухания и ширине спектра рабочих частот в сравнении с медными и биметаллическими. Кабельные линии связи имеют существенные преимущества по сравнению с воздушными, так как их параметры практически не зависят от внешних условий и они меньше подвержены воздействию помех и более надежны.

Недостатками кабельных линий являются сравнительно высокая стоимость и большой расход дефицитных металлов (медь, свинец). Часто выполняются смешанные воздушно-кабельные линии связи, что диктуется необходимостью отстройки от помех.

При расчете дальности передачи сигнала учитываются:

-тип линии связи (в данном случае кабельная);

-несущая частота канала связи Fк;

-затухание сигнала, вносимое аппаратурой, Вн;

-уровень помех в полосе частот канала Рпом.

Для надежного разграничения частотных каналов связи уровень передачи

Рп при кабельных линиях связи не должен превышать 1,1 Нп.

Уровень сигнала на входе приемника Рс.п при частотной модуляции не должен превышать 1,8 Нп.

Предельно допустимое затухание сигнала в линии связи определяется по формуле:

(7)

где ? - коэффициент затухания, зависящий от типа линии и несущей частоты канала связи, Нп/км; lmax - наибольшая длина линии,

(8)

Согласно исходным данным, тип линии связи - кабель МКС-4х4х0,9. Для этого кабеля при заданной несущей частоте 450 Гц (см.исходные данные) коэффициент затухания ?=40.10-3 Нп/км. Затухание сигнала, вносимое аппаратурой, Вн=0,1 Нп, уровень помех в полосе частот канала Рпом=-4 Нп. Таким образом, проведя вычисления, получим:

.

Заключение

В ходе курсовой работы была разработана структурная схема телемеханизированного участка электрической железной дороги, определен объем телемеханики, произведен выбор способа кодирования и спроектирована импульсная серия; определена емкость комплекса устройства телемеханики; разработана структурная схема устройства телемеханики; произведен выбор элементной базы и спроектирована функциональная схема - в итоге был разработан передающий полукомплект устройства телесигнализации (ТС-КП) комплекса системы телемеханики; затем была описана работа распределителя и для него аналитически определены и построены временные диаграммы; произведено моделирование работы распределителя в программе Electronics Workbench, и получены временные диаграммы модели, которые совпали с диаграммами, полученными аналитически; в завершении работы приведен перечень элементов разработанной схемы, а также рассчитана надежность устройства телемеханики и дальность передачи сигнала.

Библиографический список

1. П о ч а е в е ц В.С. Автоматизированные системы управления устройствами электроснабжения железных дорог / В.С. П о ч а е в е ц. М.: Маршрут, 2003. 318 с.

2. К а л и н и н а Н.А. Микроэлектронная система телемеханики МСТ-95.

Часть 1. Схемы передающего и приемного полукомплектов телеуправления / Н.А. К а л и н и н а, А.П. Ус е н к о, И.Е. Ч е р т к о в / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 38 с.

3. К а л и н и н а Н.А. Микроэлектронная система телемеханики МСТ-95. Часть 2. Схемы передающего и приемного полукомплектов телесигнализации /Н.А. К а л и н и н а, И.Е. Ч е р т к о в / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 36 с.

4. Автоматизация систем электроснабжения / Ю.И. Ж а р к о в, В.Я. О в л а с ю к и др. М.: Транспорт, 1990. 359 с.

5. Ш и л о В.Л. Популярные цифровые микросхемы / В.Л. Ш и л о. М.: Радио и связь, 1989. 352 с.

6. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench / Д.И. П а н ф и л о в, И.Н. Ч е п у р и н и др. М.: Додэка, 2000. Т. 2. 288 с.

7. Р о д ч е н к о А.Д. Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теория дискретных устройств автоматики и телемеханики» / А.Д. Р о д ч е н к о, Н.А. К а л и н и н а / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. Ч. 2. 35 с.

Размещено на Allbest.ru