УДК 656.259.12
Т. Н. СЕРДЮК, В. И. ГАВРИЛЮК (ДИИТ)
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ
СИСТЕМА
ДЛЯ
КОНТРОЛЯ
ПАРАМЕТРОВ
КОДОВОГО
ТОКА
В
РЕЛЬСАХ
У даній статті наведено результати розробки автоматизованої мікропроцесорної системи, яка дозволяє контролювати та вимірювати параметрі кодового струму автоматичної локомотивної сигналізації в рейкових колах та визначати спектральний склад тягового струму. Система може бути використана на базі вагона-лабораторії або при проведенні вимірювань на перегоні.
В данной статье приведены результаты разработки автоматизированной микропроцессорной системы, которая позволяет контролировать и измерять параметры кодового тока автоматической локомотивной сиг-нализации в рельсовых цепях и определять спектральный состав тягового тока. Система может быть исполь-зована на базе вагона-лаборатории или при проведении измерений на перегоне.
In this paper the results of elaboration of automated microprocessor system are given. This system allows us to control and measured the parameters of code current of automatic locomotive signaling system and to define spec-tral composition of traction current. It can be used on the basis of car-laboratory or at the measurements on the rail-way section.
Введение
Безопасностьдвиженияпоездов определяет
-сядостоверностью передачи информации о со
-стоянии лежащих впереди участков железной дорогиналокомотив, втомчисле, от надежно
-сти работы устройств автоматической локомо
-тивной сигнализации (АЛС). В связи с этим
параметры кодовых сигналов АЛС подлежат
периодическому контролю [1]. Контроль осу
-ществляетсякакнепосредственно электромеха
-ником исвязан с выходом на поле, так и с по
-мощью вагона-лаборатории, который оборудо
-ван аппаратурой типа «Контроль», предназна
-ченной для измерения кодового тока частотой
25, 50 и 75 Гц, определения еговременных па
-раметров, вычисления координаты, скорости движения подвижного состава и контроля изо
-лирующих стыков. Информация записывается набумажнойлентеспоследующейобработкой.
Существующие методы измерения базируются
на физическии морально устаревших аппарат
-ных средствах, не обеспечивающих достаточ
-ную точность измерений. К недостаткам ис
-пользуемых в настоящее время методов
и средств контроля [2] можно отнести ограни
-ченный набор контролируемых параметров,
сложность и субъективизм при оценке резуль
-татовизмерения.
Постановказадачиицельработы Применение современных микропроцессор
-ных систем позволяют устранить отмеченные выше недостатки, а именно, контролировать
большое число необходимых параметров,
с обеспечением достаточно высокой точности измерения, проводить их обработку, автомати
-чески контролировать отклонение от допусти
-мыхнормиизвещатьприихвыявленииобслу
-живающий персонал, записывать и сохранять
информацию в цифровом виде на магнитных
иоптическихносителях.
Целью работы является разработка микро
-процессорной автоматизированной системы для контроляиизмеренияпараметровкодаАЛС.
Математическоеописаниепроцессов передачиинформацииввагон-лабораторию
Для обеспечения необходимой точности
контролябольшогочислазаданныхпараметров необходимо проанализировать процессы, про
-текающиеприпередачеинформации наприем
-ныекатушкивагона-лаборатории. Сэтойцелью
было разработано математическое описание
электромагнитныхпроцессов при взаимодейст
-вии тока в рельсах с приемными катушками.
Схематическое изображение системы приведе
-нонарис. 1.
Кодовый ток Ip от генератора П проходит по рельсам и взаимодействует с включенными встречно приемными катушками ПК1 и ПК2,
расположенными на расстоянии l 0 от первой колесной пары подвижного состава. Наведен
-ная в катушках суммарная ЭДС равна сумме
Рис. 1. Схема передачи информации по рельсовой цепи к приемным устройствам подвижного состава Примоделировании электромагнитныхпро
-цессов заменим рельс эквивалентным круглым
проводником бесконечной длины. По нему
протекаеткодовыйток синусоидальной формы
sin ( )
m
i I= wt+ ϕ свыбраннымположительным
направлением, совпадающим с направлением оси z. Для определения магнитной индукции и магнитного потока, пронизывающего прием
-ные устройства АЛС, воспользуемся вектор
-нымпотенциаломмагнитногополя A. Направ
-ление этого вектора совпадает с направлением тока в проводнике. Вектор-потенциал имеет
следующую связь с магнитной индукцией
имагнитнымпотоком:
B rot A= , (1)
S S
Ф=
∫
В dS =∫
rot A dS =v
∫
A dl , (2)где B – вектормагнитной индукции; S – пло
-щадь поверхности, пересекаемой магнитным потоком; Ф – магнитныйпоток.
Величина и направление векторного потен
-циала магнитного поля зависит от тока i, про
-текающего в проводнике длиной dl , и по
уравнениюПуассонаравна [3]
0
4
i dl A
R
µµ =
π , (3)
где µ – магнитнаяпроницаемостьсреды (стали сердечника); µ0 – магнитная постоянная; R –
расстояние от излучающего проводника до
точкивпространстве.
Впеременноммагнитномполес учетомэф
-фектазапаздыванияволны, которыйпроявляет
-ся при передаче сигнала на высоких частотах
(например, вслучае с тональнымирельсовыми цепями), запишемвектор-потенциалввиде
0
4
R
i t dl
v A
R
µµ − =
π , (4)
гдеv – скоростьраспространенияволны, м/с.
Ввекторнойформе
0
4
R j
v m
I e dl
A
R
ω − µµ
=
π
. (5)
Для определения вектора магнитной индук
-ции воспользуемся цилиндрической системой координат. Запишемзависимость B A
( )
вком-плекснойформе. Вобщемслучаеонаимеетвид
0 Az A
B rot A r
r z
∂ ∂ α = = − +
∂α ∂
0 Ar Az z 0 (rA ) Az
z r r r
∂ ∂ ∂ α ∂ +α ∂ − ∂ + ∂ − ∂α
. (6)
Поскольку вектор-потенциал имеет только
составляющую Az , а R r sin
r R
∂
= = θ ∂ , то
0 Az Az R
B
r R r
∂ ∂ ∂
= −α = − ⋅ = ∂ ∂ ∂
0
2
sin 4
R R
j j
v v
m
I dl e j e
Rv R
ω ω
µµ θ ω
= +
π
гдеr – проекцияотрезкаRнаплоскостьz.
Для бесконечно длинного проводника
(рельсовойлинии) индукциямагнитногополяв точке на расстоянии R от излучателя (причем
r R= , sinθ=1)
0
( ) 2
m I
B t =µµ ×
π
sin
cos
R t
R v
t
R v v
ω −ω ω ω
× + ω −
. (8)
Всоответствиисзакономэлектромагнитной индукцииЭДС, наведенная вприемной катуш
-кеАЛС, равна
2
в 0
( )
2
m
W dФ I d
E t
dt
µµ
= − = − ×
π
2
cos t R sin t R
v v
R v
ω −ω ω ω −ω ω
× −
, (9)
где Wв – число витков катушки; d – сторона поперечного квадратного сечения сердечника локомотивныхкатушек.
Ниже представлены результаты моделиро
-вания ЭДС в зависимости от расстояния ка
-тушки над головкой рельса. А также результа
-ты измеренной ЭДС в катушках локомотивной сигнализации вагона-лаборатории (рис. 2). От
-носительнаяпогрешностьсоставила±3,5 %.
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
15 16 17 18 19 20 21 22 23
Расстояние R, см
Электродвижущая
сила
,
В
Измеренныеданные (f=75 Hz) Расчитанныеданные (f=75 Hz)
Измеренныеданные (f=25 Hz) Расчитанныеданные (f=25 Hz)
Измеренныеданные (f=50 Hz) Расчитанныеданные (f=50 Hz)
Рис. 2. График зависимости электродвижущей силы на расстоянии R от рельса для различных сигнальных частот
Полученнаязависимость между током АЛС
иЭДСможетбытьиспользованаприопределе
-нии параметров кодового тока с помощью
предлагаемого аппаратно-программного изме
-рительного комплекса, в котором датчиками информацииявляютсялокомотивныекатушки.
Структурнаясхемаавтоматизированной микропроцессорнойсистемы
Структурная схема автоматизированной
микропроцессорной системы приведена на
рис. 3. Система осуществляет цифровую обра
-боткусигналаисодержитследующиеосновные узлы: блок согласования, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), мультиплексоры, ге
-нератор тактовых импульсов, программируе
-мыйтаймер, регистрыданныхиуправления.
Для оцифровки входного аналогового сиг
-нала используется десятиразрядный АЦП по
-следовательного приближения типа К1113ПВ1 [4]. Максимальная частота дискретизации дан
-ного АЦП составляет 40 кГц, а дифференци
-альнаяпогрешность – неболее 0,1 %, чтовпол
-не достаточно для проведения спектрального анализа тока, протекающего врельсах. Для за
-даниячастотыдискретизациивходногосигнала
используется программируемый таймер типа
Рис. 3. Структурная схема аппаратно-программного комплекса для анализа параметров кодового тока в рельсах
Устройство управления предназначено для
задания режимов работы программируемого
таймера, мультиплексоров, атакжеблокакомму
-тации. Блоккоммутациипредназначендлявыбо
-ра диапазона напряжений входного сигнала.
Онсостоит из наборамалогабаритных реле, по
-зволяющихподавать сигналлибо прямо на уси
-литель-ограничитель, либо через делитель
(1:10 и 1:100 ). Этопозволяетувеличитьдопус
-тимый входной диапазоннапряжения до 500 В.
Таким образом, данное устройство может быть использовано для записи сигнала не только сприемныхкатушекАЛС, аисдругихдатчиков,
установленныхне на локомотиве, а подключен
-ныхкрельсовойцепи, фидеру обратноготягово
-готока (дляамплитудного испектрального ана
-лиза помех, протекающих в рельсовых цепях),
чторасширяетобластьпримененияданногоуст
-ройства. Такжевходнойсигнал можетбыть уси
-лен с помощью операционного усилителя
в 10 раз, что необходимо длязаписи сигналов с катушекавтоматическойлокомотивнойсигнали
-зациивдиапазонеот 0 до 500 мВсшагом 0,5 мВ.
Блокоптроннойразвязкинеобходимдляпо
-вышения помехозащищенности и надежности
работы измерительной системы. Он обеспечи
-вает гальваническую развязку между аналого
-войицифровойчастями. Мощныеимпульсные помехи, возникающие в РЦ, могут привести ксбоювработекомпьютера, посколькуПКне
-посредственносвязанс цифровойчастьюизме
-рительного комплекса. После исчезновения помехи устройствоначнетработать в нормаль
-ном режиме, а возникшая помеха устраняется программно.
Алгоритмфункционирования
Перед началом обработки сигнала в про
-граммируемый таймер записывается частота
дискретизации входного сигнала. Программи
-руемый таймер выдает сигнал «пуск преобра
-зования сигнала», который вырабатывается с заданным интервалом. По окончании преобра
-зования АЦП выдает сигнал готовности дан
-ных, чтовызываетаппаратное прерывание LPT
порта компьютера. Подпрограмма обработки прерывания осуществляет чтение данных, по
-ступающих из АЦП в буфер оперативного за
-поминающего устройства (ОЗУ) компьютера.
Алгоритм обработки сигнала на аппаратном
уровне представлен на рис. 4, а. Алгоритм
цифровой обработки сигнала представлен
на рис. 4, б. Компенсация дрейфа входного сигнала позволяет избавиться от погрешности,
вносимой блоком согласования аппаратной
части, и исключает влияние напряжения сме
-щения входного каскада измерительного ком
-плекса (операционныхусилителейиАЦП).
Логический анализ Цифровые
входы
Блоккомму
-татора Входной
сигнал
Делитель
1:10
Делитель
1:100
Усилитель К=10
Усилитель
ограничитель АЦП
Блокопт
-ронной развязки
Мульти
-плексоры
ПК
IBM PC
Устройство управления
Программируемый таймер
Рис. 4. Алгоритмы функционирования: а – обработкисигналанааппаратномуровне; б – цифро
-войобработкисигналаизмерительнымкомплексом Усреднение сигнала используется при ана
-лизе гармонических сигналов и вычисляет
спектр сигнала не по одной выборке, а по не
-скольким. В случае, еслинеобходимо исследо
-ватьимпульсныепомехи, блокусредненияпро
-граммноисключается.
Для цифровой обработки сигнала в состав программногообеспечениявключеныпроцеду
-ры, позволяющие реализовать алгоритмы циф
-ровойфильтрации. Здесьреализованчастотный
способ фильтрации на базе быстрого преобра
-зования Фурье. Цифровая фильтрация имеет
следующие преимущества перед аналоговыми
фильтрами: высокаястабильностьчастотыдис
-кретизации (этосвойство реализовано нааппа
-ратном уровне за счет применения кварцевого генератора), простота перестройки частотной характеристики, возможностьреализации сразу несколькихтиповфильтров [4].
Масштабирование позволяет перевести
цифровой код в значения реальногосигнала контролируемого параметра, что необходи
-мо для проверки правильности преобразо
-вания сигнала и для подготовки сигнала к
анализу.
Для обработки записанного сигнала воз
-можно применение подпрограмм линейной
или сплайновой аппроксимации для получе
-ния промежуточных результатов между вы
-борками. Линейная аппроксимация обладает меньшей точностью, зато позволяет обраба
-тывать большие массивы данных со значи
-тельной скоростью и может быть использо
-вана для предварительной оценки результа
-тов измеренийи при анализе данныхбез вы
-соких требований кточности. Высокоточные
данные могут быть получены с помощью
сплайновой аппроксимации, но она требует
большихвычислительныхвозможностей.
Аппаратно-программный комплекс обес
-печивает выполнение следующих функций
при анализе измеренных данных: цифровое преобразование сигнала и ввод его в буфер
с возможностью запоминания до 10 мил
-лионов выборок; сохранение данных на же
-стком диске; созданиебазы записываемых и
рассчитываемых данных; конвертирование
их в Word, Excel, Matlab, Mathcad или соз
-дание текстовых файлов; вычисление спек
-тральной характеристики кодового и тяго
-вого токов; определение средних значений
амплитуд тока в любой точке исследуемого
участка; вероятностная и статистическая обработка результатов измерений; фильтра
-ция тягового тока с помощью специальных
программ; определение асимметрии кодово
-го и тягового токов в рельсах; вывод запи
-санного сигнала и рассчитанных данных на
монитор или принтер; проверка соответст
-вия параметров кодового тока требованиям;
выдача рекомендаций по поводу отклоне
-ний параметров токов от норм и их устра
-нению; определение параметров РЦ (длины,
сопротивленийи др.).
Объектисследования
(рельсоваяцепь)
Датчикинформации
(приемныекатушки автоматическойлокомотивной
сигнализации)
Блокпреобразования уровнясигнала
Аналоговаяфильтрация
Аналого-цифровое преобразование
Цифроваяобработкасигнала
Компенсациядрейфа входногосигнала
Усреднение сигнала
Цифровая фильтрация
Масштабирование
Аппроксимация данных
Анализданных
Конец
Начало
а)
Результатыизмерений
Данный измерительныйкомплекс позволя
-ет записывать сигнал с выхода фильтра, как этого требует Инструкция [1]. Сигнал с кату
-шек АЛС представляет собой сумму кодовых
сигналов АЛС и тягового тока со всеми его
гармоническими составляющими и импульс
-ными помехами, возникающими во время ра
-ботылокомотива.
Нарис. 5 представленкодовый сигнал типа
«З», записанный с локомотивных катушек теп
-ловоза, движущегося по железнодорожному участкусэлектротягойпостоянноготокаврай
-онетяговойподстанции.
Рис. 5. Результаты измерений: форма сигнала, записанного с локомотивных катушек, в режиме осциллографа и его спектральный состав
Отклонения в параметрах кодов обнаруже
-ны не были. Зато с помощью спектрального
анализа тока в кодовой паузе были выявлены помехи частотой 600, 1200, 1800 и 2400 Гц в обратном тяговом токе. Причиной возникно
-вения помех данной частоты является работа двенадцатипульсового преобразователя, уста
-новленного на тяговой подстанции. Следова
-тельно, данный аппаратно-программный ком
-плексможетнетолькоизмерятьпараметрыко
-дов в рельсовых цепях, а и сигнализировать о неправильной работе фильтров тяговой под
-станции (вданномслучае). Помехиданнойчас
-тоты на работу рельсовых цепей влияния не оказывают.
Выводы
Разработана автоматизированная микропро
-цессорная система, позволяющая контролиро
-вать и измерять параметры токов в рельсовых цепях, проводить анализ электромагнитнойоб
-становки наданномжелезнодорожномучастке,
атакжеопределятьспектрпомех, протекающих врельсовойцепи.
Измерениямогутбытьпроведеныкакнаба
-зе действующего вагона-лаборатории, путем записи сигнала с приемных катушек, так и на перегонепри подключении аппаратурыкрель
-совойцепиилифидеруобратноготяговоготока
(для амплитудного и спектрального анализа помех, протекающих в рельсовых цепях), что расширяетобластьегоприменения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Інструкція з технічного обслуговування пристроїв сигналізації, централізації та блокування (СЦБ): ЦШЕОТ/0012: Затв. Гол. упр. зв’язку, енергетики та обчислювальної техніки М-ва транспорту України 05.10.1998. – К., 1998. – 72 с.
2. Воронин В. А., Широков В. С. Об измерениях в рельсовых цепях тональной частоты // Автома-тика, телемеханика, информатика. – 1999. – № 8. – С. 26–28.
3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электро-техники. – М.: Высшая школа, 1962. – 792 с. 4. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП
и АЦП: функционирование параметры, приме-нение. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 320 с. 5. Олсон Г., Пиани Г. Цифровые системы
автома-тизации и управления. С Пб.: Невский Диалект, 2001. – 557 с.
