Разработка автоматизированного рабочего места для сети информационного обеспечения в системе мониторинга технического состояния подвижного состава

2.7 Новые разработки ведущих железнодорожных компаний Западной Европы

Австрийская компания «Ferst alpin» освоила производство аппаратуры для пунктов обнаружения перегретых букс в движущихся поездах типа VА-НОА 350. Аппаратура обнаружения перегретых букс, состоящая из напольного и постового комплектов рассчитана на многолетнюю непрерывную эксплуатацию в разных климатических условиях. Она устойчива к механическим воздействиям и электромагнитным влияниям. Минимальная погрешность измерения обеспечивает надёжное определение состояния буксового узла.

У системы НОА 350 зона измерения на буксе определяется сложной настройкой оптической системы, воспринимающей поток инфракрасного излучения. Контролируемая зона буксы чётко определяется узконаправленной оптической системой, обеспечивающей минимум дисперсии контролируемой площади. Контактные рельсовые датчики производят счёт осей. Кроме того, с их помощью по соответствующему сигналу, преобразованному в цифровую форму, осуществляется индикация информации о фокусировке приемных камер на измерительные зоны левой или правой букс. Величина потока измеряется, регистрируется и обрабатывается только во время нахождения поезда на контрольном участке. Излучение от контролируемой зоны попадает на зеркало, совершающее колебания. Колебания обеспечивают сканирование буксы в поперечном и окружном направлениях с частотой 5-6 кГц. Ширина зоны сканирования около 80 мм. В конце каждого полупериода измерительная зона ориентируется по отношению к приёмной камере посредством оптической автоколлимации так, чтобы термоэлектрическое охлаждение, основанное на эффекте Пельтье, поддерживало температуру на постоянном уровне (-30°С). Благодаря этому на измерения не влияет температура окружающего воздуха. Из-за потерь в оптике и солнечной радиации аппаратура может измерять температуру букс от порогового уровня 5°С.

Управление электронным оборудованием осуществляет микропроцессор, допускающий перепрограммирование. Большое количество измеряемых величин может обрабатываться даже для высокоскоростных поездов. Быстродействие обеспечивается за счёт малого времени срабатывания приёмника излучения и высокого быстродействия аналого-цифрового преобразователя. При скорости 350 км/ч может быть реализовано два полных цикла сканирование с измерением десяти величин при каждом сканировании, что позволяет точно определить температуру буксы. Большой объём измеряемой информации обеспечивает точность диагностики. Температуры левого и правого подшипников каждой колёсной пары вводятся в запоминающее устройство вместе со всеми реквизитами контролируемого поезда.

Когда поезд уходит из контрольной зоны, все функции приёмника подвергаются контролю и записанные в память данные проверяются на достоверность. Так выявляется неправильная настройка аппаратуры. Это упрощает обслуживание и контроль состояния напольных и постовых устройств.

Фирмы «CS Transport» и «Signaltechnik GmbH» разрабатывают и производят системы контроля за перегревом букс (НОЛ) и заклинивших тормозов (РОЛ). Они предлагают сегодня целое семейство систем для любых условий эксплуатации, начиная от низкоскоростных грузовых поездов и вплоть до высокоскоростных пассажирских. Эта группа фирм является ведущей в мире в области регистрации температуры на высокоскоростных поездах, поэтому ее оборудование установлено как на высокоскоростных магистралях для поездов «Intercity-Express» в Германии, так и АУЕ в Испании и ТОУ во Франции.

При приближении поезда измерители переключаются из ждущего режима в режим измерения. Крышка измерителя открывается и часть инфракрасного (ИК) излучения отражается во вращающемся зеркале и проходит через систему кремниевых линз. ИК-луч модулируется с помощью механического прерывателя. В измерителях типа НОЛ 88/РОА 85 частота модуляции составляет 3000 Гц, а в измерителях НОА/РОА 908 - 6000 Гц.

Этот механический модулятор является частью устройства обратного отражения, которое использует в качестве эталона для измерений низкую высокостабильную опорную температуру (-30°С). С помощью линзовой системы ИК-луч фокусируется на чувствительном элементе ИК-детектора, который преобразует излучаемую энергию в электрический аналоговый "температурный" сигнал.

Путевое электронное устройство, управляемое микропроцессором выполняет основные функции контроля, управления и оценки результатов для измерительных устройств.

Передача данных (до скорости 9600 Бод) осуществляется по стандартным каналам передачи данных с использованием модемов и стандартных протоколов передачи данных. Стандартные интерфейсы гарантируют возможность объединения в сеть нескольких измерительных постов НОА/РОА. Кроме этого они могут включаться в автоматизированную систему контроля магистралей или в интегрированную компьютерную сеть железнодорожного транспорта (Computer integrated Railroading, CIR-сеть).

Места установки аппаратуры выбираются таким образом, чтобы расстояние между ними было в среднем около 33 км. Данные от максимально четырех, следующих друг за другом, измерительных пунктов передаются через систему пакетной коммутации Х.25 в центральный информационно-управляющий блок.

Обнаружители нагрева букс и заклинивших тормозов типа HOA/FOA 90S внедряются европейскими железными дорогами, которые эксплуатируют высокоскоростные магистрали (Немецкие, Французские и Испанские железные дороги). Туннель под Ла-Манш и примыкающие к нему магистрали также оборудованы установками обнаружения нагрева букс (НОА) и частично обнаружителями заклинивших тормозов (FOA). В общей сложности 42 установки HOAFOA контролируют буксы всех типов поездов, идущих по линии Лондон-Париж. Линия Мадрид-Париж-Берлин к настоящему времени оснащена такими же установками.

3. Эксплуатационно-техническая часть

3.1 Анализ построения аппаратуры теплового контроля буксовых узлов

Основой построения аппаратуры контроля буксовых узлов является измерение энергии излучения корпуса буксового узла. Каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Тела, полностью поглощающие падающий на них лучистый поток и обладающие максимальной излучаемостью, называются абсолютно черными телами. Излучение черного тела полностью определяется его температурой.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела Е является функцией длины волны л и температуры Т. В соответствии с законом Планка спектральная плотность излучения черного тела для длин волн от л до d л определяется по формуле:

, (3.1)

где С1 и С2 - константы, равные соответственно 3,74•104 Вт•см-2•мкм4 и 1,438•104 мкм•град.

Максимум плотности излучения по мере возрастания температуры тела перемещается в область коротких волн (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - График энергетического спектрального излучения чёрного тела

По закону Вина длина волны (в мкм), соответствующая максимуму излучения, определяется по формуле:

. (3.2)

Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80°С, максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн от 11 до 8 мкм. Поскольку при длинах волн меньше лmax плотность излучения быстро падает и основная ее часть приходится на длины волн более лmax, то наибольшее количество энергии излучения букс находится в диапазоне от 5 до 15 мкм. Эти значения длин волн должны учитываться при выборе приемника излучения (датчика) для аппаратуры контроля букс. Однако плотность излучения Солнца (на рисунке она показана в безразмерных величинах) имеет максимум при длине волны около 0,5 мкм и очень малая ее часть приходится на длины волн более 5 мкм. Поэтому для защиты аппаратуры контроля от влияний отраженной солнечной энергии приемник излучения должен иметь заградительные фильтры для длин волн короче 5 мкм.

Излучение, воспринимаемое приемником аппаратуры контроля от корпуса буксы, с определенным коэффициентом передачи пропорционально полной плотности излучения буксы Wб. Полная плотность излучения абсолютно черного тела Wчт (интегральная) определяется законом Стефана-Больцмана. При интегрировании Е (л, Т) во всем диапазоне волн от л =0 до л =? получаем:

, (3.3)

где у =5,67•10-12 Вт/см2•град4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Поскольку в природе не существует абсолютно черных тел, то все реальные тела называются нечерными и делятся на тела с селективным и серым излучением. Излучательные способности серых тел, к которым относятся и буксы, характеризуются степенью черноты е, показывающей, во сколько раз полная плотность излучения данного тела меньше полной плотности излучения абсолютно черного тела. С учетом е выражение (3.3) принимает вид:

. (3.4)

Для корпусов букс значение е равно примерно 0,85-0,95. Изменение степени черноты букс вносит дополнительные погрешности в измерение ДТкб, а следовательно, приводит к ошибкам в распознавании перегретых букс по выбранному параметру контроля.

При выборе метода контроля букс по температуре их корпусов важным моментом является постоянство выходного сигнала приемника излучения при контроле букс с одинаковой температурой шейки оси (критерий аварийности) во всем диапазоне изменений температуры наружного воздуха. Если с помощью приемника излучения измерять значение плотности излучения WT, то при изменении температуры наружного воздуха сигнал на выходе приемника будет изменяться пропорционально изменению плотности излучения WT. А это значит, что при контроле букс с одинаковым критерием аварийности в диапазоне температур наружного воздуха от -40 до +40°С сигнал на выходе приемника будет изменяться почти в 2 раза (рисунок 3.2 кривая 1). Произвести оценку состояния буксы по такому сигналу сложно.



Рисунок 3.2 - Графики изменения плотности излучения корпусов букс

Поэтому в аппаратуре контроля букс плотность излучения WT измеряют с учетом температуры наружного воздуха. Суть этого метода в том, что с помощью приемника излучения измеряется превышение полной плотности излучения корпуса буксы над полной плотностью излучения тела с температурой наружного воздуха (рама вагона, температура которой примерно равна температуре наружного воздуха). В этом случае полная плотность излучения, передаваемая с определенным коэффициентом к приемнику, может быть рассчитана по формуле:

, (3.5)

где - температура корпуса буксы, °К;

- температура наружного воздуха, °К.

В результате воспринимаемое приемником излучение изменяется незначительно во всем диапазоне температур наружного воздуха (рисунок 3.2 кривая 2).

В состав аппаратуры контроля букс (рисунке 3.3) входят правое и левое считывающие устройства 1 (напольные камеры), которые содержат приемные капсулы 2 и приемники инфракрасного излучения с оптической системой 3.



Рисунок 3.3 - Структурная схема аппаратуры дистанционного контроля букс

Каждое считывающее устройство устанавливается на фундамент 9. Узконаправленная оптическая система считывающего устройства выполнена из материала, пропускающего инфракрасное излучение (германий, трехсернистый мышьяк, йодистобромистый калий), и ориентирована на заднюю по ходу движения поезда стенку корпуса буксы. При выборе углов ориентации оптической системы учитываются исключение из контроля посторонних нагретых предметов (тормозных колодок, ободов колес), защита оптики от «взглядов» на солнце и фон неба.

При прохождении по участку контроля (участок размещения считывающих устройств) колесных пар 6 локомотива и вагонов поезда каждая оптическая система «осматривает» сначала раму вагона или тележку 5, а затем заднюю стенку корпуса буксы 4. Принимая излучения рамы вагона и корпуса буксы, приемник вырабатывает электрический сигнал, который усиливается приемной капсулой и подается по кабелю к устройствам 10 постового оборудования. Постовое оборудование аппаратуры контроля располагают в специальном помещении или контейнере вблизи участка контроля (4-10 м от оси пути).

В зоне, где приемная оптика «осматривает» заднюю стенку корпуса буксы, на рельс 7 устанавливается датчик прохода колес 8, который вырабатывает электрический сигнал в момент контроля буксового узла. Сигнал с датчика поступает на устройства 11 постового оборудования. Дальнейший процесс работы аппаратуры контроля зависит от того, построена она по принципам систем телеизмерения или телесигнализации. При построении аппаратуры по принципам телеизмерения далее передается и регистрируется непрерывный ряд значений измеряемой величины. Устройство 10 нормирует сигналы от букс по длительности, а устройство 11 вырабатывает сигналы счета осей (колес) и стробирующий импульс, по которому аппаратура передачи данных 12 воспринимает сигналы с выхода устройства 10. Длительность импульса стробирования должна быть больше времени контроля буксы. В результате кратковременного открытия входа аппаратуры передачи данных на время прохода буксы удается исключить из контроля посторонние нагретые части подвижного состава.

С помощью аппаратуры передачи данных сигналы от букс и счета осей передаются по линии связи к станционному оборудованию и после приема их комплектом аппаратуры передачи данных 15 выдаются на регистратор 14. Станционное оборудование аппаратуры контроля, работающей по принципам систем телеизмерения, может дополняться устройствами аварийной сигнализации и автоматическими указателями 13 (см. рисунок 3.3). Последние распознают перегретые буксы по определенным признакам сигналов (амплитуде, отношению или разности амплитуд сигналов двух букс одной колесной пары) и выдают обслуживающему персоналу информацию о наличии и расположении перегретых букс в поезде. По сигналам с этих устройств производится отметка перегретой буксы на ленте самописца и автоматическое воздействие на систему электрической централизации станции для перекрытия сигнала прибывающему поезду.

Участок размещения напольных устройств аппаратуры контроля выбирается с таким расчетом, чтобы было достаточно времени на обработку регистрируемой информации и остановку поезда в пределах станционных путей. Расстояние от станции до места установки напольных устройств выбирается в пределах 5-10 км.

При работе аппаратуры контроля по принципам систем телесигнализации на станцию передаются только дискретные сообщения об аварийном состоянии объекта контроля (буксы). Устройства 10 автоматически распознают сигналы от перегретых букс по определенным признакам, а устройства 11 вырабатывают кодовое значение текущего номера проконтролированной оси или физической подвижной единицы. В момент обнаружения перегретой буксы с помощью АПД передается, а с помощью устройств 14 регистрируется информация о наличии и расположении перегретых букс в поезде. В качестве регистратора используются печатающие устройства, цифровые индикаторы и др.

К преимуществам аппаратуры контроля, построенной по принципам систем телеизмерения, относится простота построения постового оборудования, наглядность и достаточно высокая информативность регистрируемых данных.

3.2 Расчёт информационных потоков в сети передачи данных

Информационные потоки в сети передачи данных рассчитываются на основе информационной нагрузки от периферийных контроллеров, включенных в СПД.

Информационная нагрузка от устройства АСК ПС определяется из объема данных на один поезд и частоты следования поездов. Данные на один поезд состоят из следующих пакетов: пакет на заход поезда 8 символов, пакет на вагон с дефектами (9…25 символов), пакет на «хвост» поезда (26 символов). Каждый пакет обрамляется служебными символами (9 символов) и полем «маршрут» (3…10 символов). Для упрощения расчетов принимаем среднюю длину пакета равную 45 символам. В среднем на один контроллер формирует три пакета. Минимальный период следования поездов 6 мин.

Информационная нагрузка от устройства ТС определяется из объема данных на одно изменение состояния контролируемых устройств и средней частоты изменений. Длина данных в пакете составляет 18 символов. С учетом маршрута и служебных символов полная длина пакета составит 37 символов.

Пропускную способность СПД централизованного типа с ячеистой топологией определяем в самом «узком» месте при отсутствии или неисправном обходном канале. Это место - канал между первым и вторым концентратором, считая от сервера СПД. Обычно скорость и формат обмена 1200 бит/с. 1 стартовый бит, 8 бит данных, нечетный паритет, 2 стоп-бита, что составляет:

1200/(1+8+1+2)=100 (символов в секунду).

На каждый информационный кадр передается ответный кадр длиной 4 символа. Время переключения прием/передача составляет 0,02 с. Таким образом на передачу одного информационного кадра ТС требуется:

(37+4)/100+0.02=0,43 с.

На передачу одного информационного кадра от устройств АСК ПС требуется:

(45+4)/100+0.02=0,51с.

Рассмотрим случай включения в СПД только устройств АСК ПС. На передачу данных об одном поезде требуется затратить времени

0,51•3=1,53 с.

С учетом интервала движения 6 мин получается, что максимальное допустимое число контроллеров в СПД:

6•60/1,51=235.

Полученное значение говорит о том, что информационная нагрузка АСК ПС мала и рассчитывать допустимое число контроллеров надо по времени доставки.

В ячеистой топологии пакеты передаются из узла в узел, и общее время доставки составляется из числа переприемов. Если принять максимальное время доставки сообщения 10 с, то число переприемов, т.е. число концентраторов в цепочке:

10/0,51=19.

Рассмотрим случай включения в СПД устройств ТС и АСК ПС. Вычислим максимальное число станций в СПД, при условии, что на каждой станции один контроллер СЦБ и два устройства типа ДИСК или КТСМ. Тогда в среднем каждые 3 минуты от одной станции будет поступать 3 пакета от КТСМ и 18 пакетов от СЦБ. Максимально допустимое число станций в одной цепочке получается:

3•60/(3•0,51+18•0,43)=19.

Приведенные расчеты по информационной нагрузке справедливы как для ячеистой топологии, так и для «шины».

Расчет времени доставки команд ТС.

Время доставки команды ТС от контроллера ТУ-ТС зависит от количества контроллеров подключенных к многоточечному каналу и информационной нагрузки в данный момент времени. Контроллер ТС формирует пакеты двух типов: «полные» - для передачи информации о всех контролируемых объектах ТС и «короткие» - для передачи информации от объектов ТС, изменивших свое состояние. «Полные» пакеты передаются с периодом 60 с., если не происходит изменение состояния контролируемых объектов. Длина «полного» пакета составляет 88 символов, «короткого» - 30 символов. Для вычисления среднего времени доставки пакетов ТС можно считать, что на каждые 5 «коротких» пакетов передается 1 «полный». Тогда средняя длина пакета ТС равна (88+30•5)/6=40 символов. Для упрощения расчетов также примем, что время передачи пакета от контроллера ТУ-ТС до КИ на скорости 9600 пренебрежимо мало и не будем его учитывать.

При включении в СПД 16 станций и наличии двух групповых каналов время доставки пакетов ТС будет равновероятно распределяться между крайними значениями в зависимости от фазы опроса КИ. Минимальное значение - время приема пакета от одного КИ:

Тмин = 40 • 0,01 - 0,4 с.

Максимальное - суммарное время приема пакетов от половины КИ:

Тмакс = 40 • 8 • 0,01 =3,2 с.

Среднестатистическое время доставки:

Тср = (0,04+3,2)/2=1,62 с.

При наличии только одного группового канала или выходе из строя второго время доставки увеличивается в 2 раза.

4. Техническая часть

4.1 Основные функции АСК ПС

Автоматизированная система контроля подвижного состава АСК ПС предназначена для централизованного контроля нагрева роликовых буксовых узлов подвижного состава по показаниям установок ДИСК-Б, комплекса технических средств модернизации аппаратуры ДИСК (КТСМ), установленных в пределах отделения железной дороги [11].

Контроль осуществляется оператором центрального поста контроля, размещенного в здании отделения железной дороги на основании информации, поступающей от устройств контроля на средства регистрации и отображения информации автоматизированного рабочего места оператора АСК ПС.

В условиях нормального функционирования средств системы АСК ПС, аппаратуры ДИСК-Б, КТСМ автоматизируются следующие функции оператора АСК ПС центрального поста контроля:

- учет показаний аппаратуры контроля перегрева буксовых узлов вагонов;

- учет результатов осмотра вагонов по показаниям аппаратуры ДИСК, КТСМ;

- принятие решения о необходимости остановки поезда для осмотра букс подвижного состава с неаварийным уровнем нагрева при повторяющихся показаниях.

Дополнительно к основным функциям средства системы АСК ПС позволяет:

- контролировать неисправность аппаратуры обнаружения нагрева букс, оперативно выявлять неисправности и принимать меры к их устранению;

- контролировать исправность каналов и линий связи, используемых для передачи информации АСК ПС.

Автоматизированная система контроля подвижного состава в пути следования включает в себя:

- комплекты аппаратуры КТСМ и ДИСК-Б;

- физические линии связи и выделенные каналы тональной частоты;

- концентратор информации КИ-6М, предназначенный для организации распределительных сетей и передачи данных по физическим линиям связи и выделенным каналом тональной частоты, который обеспечивает обмен данными по информационным каналам в полудуплексном старт-стопном асинхронном режиме;

- регистрирующие и сигнализирующие устройства, установленные в помещении дежурного по станциям или оператора ПТО;

- автоматизированное рабочее место оператора центрального поста контроля на базе IBM-совместимого компьютера серии Pentium и оборудованного печатающим устройством.

Для повышения оперативности работы центральный пост контроля оснащен технологической телефонной связью с дежурными по станциям и операторами ПТО, где имеется сигнализирующая аппаратура от установок КТСМ и ДИСК, а также прямой телефонной связью с поездными диспетчерами отделения, находящимися в ЕЦДУ.

На базе концентраторов информации КИ-6М построена сеть передачи данных (СПД) [13]. Она предназначена для применения в составе автоматизированных систем контроля подвижного состава в качестве распределенной сети сбора информации о функциональном и техническом состоянии объектов контроля в виде вагонов и локомотивов.

Технические и программные средства СПД позволяют создавать распределенные сети передачи данных на базе существующих каналов и линий связи на участках железной дороги большой протяженности.

Основное назначение СПД заключается в обеспечении автоматического, достоверного и своевременного информационного обмена между линейными и централизованными частями всей иерархической структуры АСК ПС.

Применение СПД позволяет значительно снизить количество каналов информационной связи в результате использования единой сети для сбора и передачи данных, обеспечивающих безопасность перевозочного процесса.

4.2 Состав и структура сети передачи данных

В состав технических средств СПД входят:

1) концентраторы информации КИ-6М;

2) сервер СПД.

Концентраторы информации, соединенные между собой выделенными каналами или линиями связи, предназначены для передачи и маршрутизации по СПД пакетов данных, формируемых и передаваемых оконечным оборудованием данных (ООД) других прикладных систем. В качестве ООД могут применяться как специализированные программно-аппаратные комплексы (периферийные контроллеры), так и типовые ЭВМ (например, персональные ЭВМ класса IBM РС), содержащие специализированные программные средства для обеспечения информационного взаимодействия с другими ООД через СПД.

Концентратор информации КИ-6М может обслуживать до 6 каналов информационной связи. Два канала, как правило, используются для подключения концентратора к сети передачи данных СПД, остальные 4 канала могут использоваться для подключения периферийных контроллеров.

Сервер СПД предназначен для централизованного контроля работы средств СПД и каналов связи, управления потоками данных в СПД, а также для маршрутизации данных между СПД и локальной вычислительной сетью (ЛВС) центра диспетчерского контроля и управления.

В качестве сервера СПД применяется типовая персональная или в промышленном исполнении IBM-совместимая ЭВМ, функционирующая под управлением программного средства "Сервер СПД", поставляемого в составе системы.

Технические и программные средства СПД поддерживают следующие виды структуры, приведённые на листе 4 графического материала:

1) структура с «ячеистой» топологией;

2) структура с топологией «шина».

В СПД с ячеистой топологией концентраторы информации КИ-6М представляют собой узлы сети, соединяются выделенными каналами связи и производят информационный обмен между собой и с подключенными ООД по протоколу «точка-точка».

Ячеистая топология позволяет строить СПД с разнообразной организацией каналов информационной связи. Примеры структур СПД с ячеистой топологией приведены на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Варианты структур сети передачи данных с ячеистой топологией

Концентраторы информации в СПД с ячеистой топологией должны соединяться между собой одноименными каналами, т.е. окончания канала связи, соединяющего два концентратора, должны подключаться к разъемам «КАНАЛЫ», имеющим одинаковые номера (например «КАНАЛ 2» - «КАНАЛ 2»). Нарушение этого принципа приводит к неправильной работе маршрутизации кадров в СПД.

Устройства ООД могут подключаться к любым разъемам «КАНАЛЫ» КИ-6М.

Передача пакетов информации через СПД с «ячеистой» топологией осуществляется по эстафетному принципу, т.е. последовательно от узла к узлу.

Преимуществом ячеистой топологии является ее высокая адаптивность под различные существующие схемы организаций каналов связи, а в случае применения кольцевых структур - высокая устойчивость к отказам отдельных узлов или каналов связи, т.к. информационные потоки автоматически перенаправляются по действующей части СПД. К преимуществу применения ячеистой топологии относится и то, что ООД-источники и ООД-потребители информации могут быть подключены к любому узлу СПД, т.е. пакеты информации могут передаваться по любой действующей цепочке узлов.

Недостатком ячеистой топологии является необходимость организации двухточечных каналов связи между узлами на линейных участках железной дороги. Наиболее предпочтительным для данной топологии является организация линейных связей между узлами по физической паре магистрального связевого кабеля с обходным каналом связи тональной частоты от границ участка.

Топология СПД типа «шина» ориентирована на линейную структуру участка железной дороги, оборудованного аппаратурой уплотнения типа К-24Т.

Пример структуры СПД с топологией типа «шина» приведен на рисунке 4.2. Передача информационных кадров в СПД с шинной топологией осуществляется в процессе циклического опроса сервером СПД узлов (концентраторов информации КИ-6М) по групповому каналу аппаратуры К-24Т.

Рисунок 4.2 - Пример структуры сети передачи данных с топологией типа «шина»

Основным недостатком СПД с топологией типа «шина» является то, что отказ группового канала приводит к полному отказу СПД. Для повышения надежности рекомендуется организовывать дополнительный групповой канал по независимой системе К-24Т. В нормальном режиме работы сервер СПД производит по каждому групповому каналу опрос половины общего количества узлов, при этом нагрузка равномерно распределяется по обоим каналам, время доставки сообщений минимально. В случае отказа одного из групповых каналов, все узлы, включенные в данную СПД, начинают опрашиваться по действующему каналу, при этом время доставки пакета увеличивается в два раза.

В СПД с топологией типа «шина», в отличие от ячеистой топологии, информационный обмен по групповому каналу осуществляется только между узлом и сервером СПД.

Концентраторы информации КИ-6М в СПД типа «шина» должны подключаться к групповым каналам К-24Т разъемами «КАНАЛЫ 1» и «КАНАЛЫ 2» соответственно. К остальным разъемам «КАНАЛЫ» концентратора могут подключаться устройства ООД, а также фрагменты СПД с ячеистой топологией.

В зависимости от применяемого вида топологии СПД в модули микропроцессорного контроллера (ММК) КИ-6М должны быть установлены микросхемы памяти, содержащие соответствующие рабочие программы, поставляемые в составе системы.

Информационное взаимодействие компонентов СПД между собой и с подключенными ООД осуществляется в соответствии с описанием СПД.

В зависимости от требуемой информационной структуры прикладной системы, в составе которой применяется СПД, возможно применение децентрализованной, централизованной или смешанной структуры СПД.

Децентрализованная структура может быть создана только при применении СПД с ячеистой топологией. В такой структуре один или несколько локальных АРМов прикладных систем могут быть подключены к любым узлам СПД и осуществлять информационное взаимодействие с определенными в их конфигурации периферийными контроллерами (ПК).

Пример децентрализованной структуры СПД с локальными АРМами приведен на рисунке 4.3.



Рисунок 4.3 - Пример децентрализованной структуры сети передачи данных с локальным включением АРМов

В децентрализованной структуре СПД каждый локальный АРМ помимо прикладной задачи должен осуществлять функции управления маршрутизацией и диагностики той части СПД, с узлами которой он взаимодействует.

Централизованная структура требует наличия в составе СПД сервера СПД, который осуществляет помимо функций управления маршрутизацией и диагностики СПД передачу данных между периферийными контроллерами прикладных систем и АРМами, включенными в локальную вычислительную сеть центра в качестве рабочих станций.

Пример централизованной структуры СПД с сетевым включением АРМов приведен на рисунке 4.4.



Рисунок 4.4 - Пример централизованной структуры сети передачи данных

Если к локальной вычислительной сети центра подключаются фрагменты СПД с различными видами топологий, то каждый такой фрагмент требует отдельного сервера СПД.

Структура СПД, включающая локальную вычислительную сеть, обеспечивает доступ к базам данных со стороны большого количества АРМов, в том числе и удаленных. Доступ к данным в этом случае обеспечивается типовыми покупными аппаратными и программными средствами вычислительных сетей (маршрутизаторами, модемами, коммуникационными программными средствами).

Смешанная структура подразумевает наличие в СПД нескольких серверов СПД и (или) локальных АРМов.

В состав программного обеспечения СПД входят следующие прикладные программные средства:

1) рабочая программа концентратора информации КИ-6М для СПД с ячеистой топологией;

2) рабочая программа концентратора информации КИ-6М для СПД с топологией «шина»;

3) программное средство «Сервер СПД с ячеистой топологией»;

4) программное средство «Сервер СПД с топологией типа «шина».

Рабочая программа концентратора информации КИ-6М поставляется в виде микросхем памяти, устанавливаемых в модуль ММК концентратора. Тип микросхемы указывается потребителем при заказе на основании проектных решений по топологии СПД.

Программное средство «Сервер СПД» поставляется на гибком магнитном диске в комплекте с эксплуатационной программной документацией.

4.3 Разработка сети передачи данных для АСК ПС

Проектирование структуры и состава СПД является частью этапа проектирования прикладной системы (или нескольких прикладных систем), функционирующей на базе данной СПД. Проектирование структуры комплекса технических средств СПД для оснащения конкретного участка железной дороги производится на основании требований к информационному обеспечению и к объемно-временным параметрам со стороны прикладных систем, а также наличия и возможностей организации каналов информационной связи.

На основании анализа исходных требований к СПД должна быть составлена следующая проектная документация:

1) структурная схема участка СПД с указанием на ней всех концентраторов информации и периферийных контроллеров прикладной системы, серверов СПД и локальных АРМов, а также соединяющих их линий и каналов информационной связи с указанием их характеристик;

2) схемы электрические соединений технических средств, для каждого пункта, разработанные на основании типовых схем подключения.

3) спецификация заказного оборудования с указанием для каждого концентратора информации и периферийного контроллера количества каждого из типов модулей преобразования сигналов (УПСТ и УПСЧ), а также видов применяемых рабочих программ;

4) задания и проектно-сметная документация на прокладку линий связи и электроснабжения устройств СПД (при необходимости).

Проектная документация на СПД участка должна являться составной частью проектной документации на прикладную систему в целом.

К каналам и линиям связи предъявляются следующие требования:

- связь между устройствами, входящими в состав СПД, осуществляется по выделенным двухточечным каналам связи тональной частоты или физическим линиям с использованием следующих методов передачи сигналов:

1) канал тональной частоты;

2) токовая петля 20 мА;

3) стык С2.

- cвязь между устройствами методом «канал тональной частоты» может производиться с использованием аппаратуры связи с 2-х или 4-х проводным окончанием, а также по 2-х проводным кабельным линиям связи.

- канал тональной частоты, организованный с использованием аппаратуры связи, должен удовлетворять следующим требованиям:

1) комплексное сопротивление со стороны приема и передачи на частоте 1000 Гц должно составлять 600 Ом 10%;

2) уровень сигнала по приему из канала связи должен составлять не менее минус 30 дБ и не более +10 дБ при изменении уровня сигнала по передаче от минус 25 дБ до 0 дБ соответственно;

3) относительный уровень шумов по приему из канала связи должен составлять не более минус 10 дБ;

4) количество участков переприема, без учета переприемов через концентраторы информации, не более 4-х;

5) полоса пропускания от 300 до 2700 Гц.

- канал тональной частоты, организованный по 2-х проводной кабельной линии связи, должен удовлетворять следующим требованиям:

1) затухание в линии связи на частоте 1000 Гц не более 30 дБ;

2) относительный уровень шумов по приему из линии связи должен составлять не более минус 10 дБ;

3) неравномерность частотной характеристики в полосе частот от 800 до 2500 Гц не более 4 дБ;

4) сопротивление изоляции кабеля не менее 5 МОм.

- подключение технических средств СПД методом «канал тональной частоты» к наружным кабельным линиям связи должно производиться только через вводно-изолирующие щитки типа ЩВИ-66Э или аналогичные.

- связь между устройствами СПД методом «токовая петля 20 мА» производится по физическим 4-х проводным линиям связи, удовлетворяющим следующим требованиям:

1) сопротивление шлейфа линии связи постоянному току не более 500 Ом;

2) емкость шлейфа для скорости обмена 9600 бит/с не более 0,1 мкФ;

3) сопротивление изоляции не менее 5 МОм.

- связь между устройствами СПД методом «стык С2» производится по 3-х проводному ленточному кабелю длиной не более 15м, при этом корпуса сопрягаемых устройств должны быть подключены к общему контуру защитного заземления.

4.4 Расчёт информационных потоков в сети передачи данных

Информационные потоки в сети передачи данных рассчитываются на основе информационной нагрузки от периферийных контроллеров, включенных в СПД. В настоящее время широко распространены три типа периферийных контроллеров: устройство сбора данных диагностики от перегонных устройств КТСМ от станционных устройств СЦБ (в дальнейшем теледиагностики ТД), устройство сбора данных от аппаратуры «ДИСК» и комплекса технических средств «КТСМ-01» (в дальнейшем АСК ПС).

Информационная нагрузка от устройства АСК ПС определяется из объема данных на один поезд и частоты следования поездов. Данные на один поезд состоят из следующих пакетов: пакет на заход поезда 8 символов, пакет на вагон с дефектами (9...25 символов), пакет на «хвост» поезда (26 символов). Каждый пакет обрамляется служебными символами (9 символов) и полем «маршрут» (3...10 символов). Для упрощения расчетов принимаем среднюю длину пакета равную 45 символам. В среднем на один контроллер формирует три пакета. Минимальный период следования поездов 6 мин.

Информационная нагрузка от устройства ТД определяется из объема данных на один контролируемый параметр и средней частоты изменений. Длина данных в пакете составляет 18 символов. С учетом маршрута и служебных символов полная длина пакета составит 37 символов.

Пропускную способность СПД централизованного типа с ячеистой топологией определяем в самом «узком» месте при отсутствии или неисправном обходном канале. Это место - канал между первым и вторым концентратором, считая от сервера СПД. Обычно скорость и формат обмена 1200 бит/с. 1 стартовый бит, 8 бит данных, нечетный паритет, 2 стоп-бита, что составляет:

1200/(1+8+1+2)=100 (символов в секунду).

На каждый информационный кадр передается ответный кадр длиной 4 символа. Время переключения прием/передача составляет 0,02 с. Таким образом, на передачу одного информационного кадра ТС требуется:

(37+4)/100+0.02=0,43 с.

На передачу одного информационного кадра от устройств АСК ПС требуется:

(45+4)/100+0.02=0,51с.

Рассмотрим случай включения в СПД только устройств АСК ПС. На передачу данных об одном поезде требуется затратить времени

0,51•3=1,53 с.

С учетом интервала движения 6 мин получается, что максимальное допустимое число контроллеров в СПД:

6•60/1,51=235.

Полученное значение говорит о том, что информационная нагрузка АСК ПС мала и рассчитывать допустимое число контроллеров надо по времени доставки.

В ячеистой топологии пакеты передаются из узла в узел, и общее время доставки составляется из числа переприемов. Если принять максимальное время доставки сообщения 10 с, то число переприемов, т.е. число концентраторов в цепочке:

10/0,51=19.

Рассмотрим случай включения в СПД устройств ТД и АСК ПС. Вычислим максимальное число станций в СПД, при условии, что на каждой станции один контроллер СЦБ и два устройства типа ДИСК или КТСМ. Тогда в среднем каждые 3 минуты от одной станции будет поступать 3 пакета от КТСМ и 18 пакетов от СЦБ. Максимально допустимое число станций в одной цепочке получается:

3•60/(3•0,51+18•0,43)=19.

Приведенные расчеты по информационной нагрузке справедливы как для ячеистой топологии, так и для «шины».

Расчет времени доставки команд телесигнализации.

Время доставки команды ТД от контроллера ТУ-ТД зависит от количества контроллеров подключенных к многоточечному каналу и информационной нагрузки в данный момент времени. Контроллер ТД формирует пакеты двух типов: «полные» - для передачи информации о всех контролируемых объектах ТД и «короткие» - для передачи информации от объектов ТД, изменивших свое состояние. «Полные» пакеты передаются с периодом 60 с., если не происходит изменение состояния контролируемых объектов. Длина «полного» пакета составляет 88 символов, «короткого» - 30 символов. Для вычисления среднего времени доставки пакетов ТД можно считать, что на каждые 5 «коротких» пакетов передается 1 «полный». Тогда средняя длина пакета ТД равна

(88+30•5)/6=40 символов.

Для упрощения расчетов также примем, что время передачи пакета от контроллера ТУ-ТД до КИ на скорости 9600 бит/с пренебрежимо мало и не будем его учитывать.

При включении в СПД 16 станций и наличии двух групповых каналов время доставки пакетов ТД будет равновероятно распределяться между крайними значениями в зависимости от фазы опроса КИ. Минимальное значение - время приема пакета от одного КИ:

Тмин = 40 • 0,01 - 0,4 с.

Максимальное - суммарное время приема пакетов от половины КИ:

Тмакс = 40 • 8 • 0,01 =3,2 с.

Среднестатистическое время доставки:

Тср = (0,04+3,2)/2=1,62 с.

При наличии только одного группового канала или выходе из строя второго время доставки увеличивается в 2 раза.

5. Исследовательская часть

Разработка испытательного стенда для устройств ДИСК, КТСМ.

Модуль формирования команд для испытательного стенда.

Субблок формирования команд для перегонного оборудования аппаратуры ДИСК осуществляет управление работой оконечных усилителей и рядом узлов напольного оборудования, формирует сигналы и команды управления на аппаратуру передачи сообщений (АПС), отметчик вагонов (ОВ), программно-задающее устройство (ПЗУ) и выполняет ряд дополнительных функций, позволяющих изменять режимы работы аппаратуры ДИСК.

Субблок ФКП состоит из схемы дублирования рельсовой цепи наложения (РЦН): элементы У2-3, У7-2, У9-1, У11-2, транзистор Т и диод Д1; схемы формирования сигнала прохода поезда и запуска ПЗУ: элементы У3, У7-1, У8-3, У5-3, У5-2, У16-3, тумблера «РЦ-Пров» и светодиода Д2; схемы определения направления движения поезда и управление заслонками напольных камер: элементы У4, У5-1, У8-1, У8-2, У11-1, У10-1, У13-1, У123-2, У16-1, У16-2, У16-4, тумблера «Засл-Выкл» и светодиода Д3; схемы установки триггеров аппаратуры в исходное состояние: элементы У2-1, У2-2, У9-3, У9-4, У14-1, У2-4, У17, У18-2, У20-1 кнопки «Сброс»; схемы управления оконечными усилителями: элементы У10-2, У5-2, У12, У15, У13-3, У18-1, У19, У22, У7-3, У21-3, У21-4 и тумблера «Калибр»; схемы распределения импульсов датчиков прохода осей: элементы У6 и У1; схемы управления термокоррекцией коэффициента передачи оконечных усилителей: элементы У13-4, У20-2, У21-2 и У21-2.

Схема дублирования рельсовой цепи наложения устраняет ложные запуски ПЗУ при кратковременной потере шунта у проходящего поезда, одновременно осуществляя включение аппаратуры в режим контроля проходящего поезда независимо от реального положения тумблеров блока управления.

При отсутствии поезда на участке контроля рельсовой цепи наложения РЦН находится под током и на анод диода Д1 поступает нулевой потенциал, а на вход У9-1 поступает +5В. При этом триггер рельсовой цепи, собранный на элементах У7-2 и У9-2, удерживается по входу R нулевым потенциалом с выхода У9-1. В этом случае на базе транзистора Т присутствует потенциал, близкий к нулю, а на входе S триггера РЦ У7-2 - положительный потенциал.

В момент захода поезда на участок контроля РЦН обесточивается, на вход У9-1 подается нулевой потенциал и, следовательно, потенциал на входе R триггера РЦ меняется на положительный. Одновременно через резистор R1 и диод Д1, за время 5…7 мс, емкость С3 заряжается до 4,5 В. На эмиттере Т появляется положительный потенциал, на выходе У7-2. Если за время прохода поезда по участку контроля произойдет кратковременная потеря шунта и реле, РЦН кратковременно встанет под ток, то за счет большой постоянной времени разрядки емкости С3 через резистор R4 (около 2с) на эмиттере Т сохраняется положительный потенциал, и триггер РЦ остается в опрокинутом единичном состоянии.

При заходе поезда на участок контроля осуществляется подача нулевого потенциала с выхода У2-3 на вход S триггера У11-2, который также переключается в единичное состояние и возвращается вновь в исходное положение по входу R только после прохода поезда и контрольной программы. Этот триггер в единичном состоянии своим нулевым потенциалом с выхода У11-2 и нулевым потенциалом с выхода У14-2 закрывается прохождение сигналов со всех тумблеров блока управления, имитируя тем самым их рабочее положение. Таким образом, при проходе поезда, независимо от фактического положения тумблеров, схемой «Запрет» обеспечивается требуемый режим контроля проходящего поезда.

Схема прохода поезда и запуска ПЗУ служит для автоматического и ручного формирования сигнала захода и схода поезда с участка контроля, а также для запуска контрольной программы после прохода каждого поезда или ручного включения ПЗУ для проверки и настройки аппаратуры.

При отсутствии поезда на участке контроля RS - триггер, составленный из элементов У7-1 и УЗ-2, будет находиться в исходном нулевом состоянии, и на выходе УЗ-З(ОЗ) будет присутствовать положительный потенциал. При этом на выходе У8-3 также имеется положительный потенциал, и с выхода УЗ-4 на выходной разъем субблока Б21 будет подаваться нулевой потенциал, что соответствует отсутствию поезда на участке контроля. При заходе поезда на участок контроля в правильном направлении элемент У8-3 откроется по всем трем входам: 09, 10; 11, нулевой потенциал с его выхода закроет элемент УЗ-4(13), и на контакт Б21 разъема субблока поступит положительный потенциал, несущий информацию о наличии поезда на участке контроля. После удаления поезда с участка контроля триггер рельсовой цепи вернется в исходное состояние, нулевой потенциал на выходе У8-3 сменится на положительный и на выходе УЗ-4 вновь будет присутствовать нулевой потенциал. При сходе поезда с участка контроля, то есть при смене потенциала из «О» в '<!» на выходе У8-} подключением о к контакту Б22 разъема субблока, происходит запуск ПЗУ.

При отсутствии поезда на участке контроля можно имитировать заход поезда переключением тумблера «РЦ-Пров» в положение «Пров», что приводит к опрокидыванию триггера, составленною на элементах У7-1 и УЗ-2, в единичное состояние. В этом случае элемент УЗ-3 будет открыт положительными потенциалами но обоим входам 01, 02 и выходным нулевым потенциалом заперт по входу 12 элемент УЗ-4, что также вызовет поступление сигнала «1» на контакт Б 21 разъем субблока. Аналогично результата можно добиться, если подать со станции по обратному каналу сигнал «1» на выход элемента У3-1(09),опрокидывающего триггер нулевым потенциалом по входу У7-1(03). В обоих этих случаях происходит также имитация срабатывания рельсовой цепи наложения путем опрокидывания триггера рельсовой цепи по входу У7-2(11).Если при имитации поезда на участке контроля происходит заход реального поезда на участок, го нулевым потенциалом с выхода запрещающего триггера У11-2(06) закрывается по входу 02 элемент УЗ-3, отключая устройства имитации наличия поезда от основной схемы.

Во всех случаях опрокидывания триггера РЦ в единичное состояние происходит открытие положительным потенциалом по входу 12 элемента У16-3 и включения светодиода Д2, сигнализирующего о наличии поезда на участке контроля.

Схема установки триггеров в исходное состояние служит для принудительного приведения триггеров аппаратуры в начальное нулевое положение и удержания их в этом состоянии при отсутствии поезда на участке контроля.

При отсутствии поезда на участке триггер рельсовой цепи находится в исходном нулевом состоянии, и на выходе У9-3 присутствует положительный потенциал. Так как ПЗУ находится в выключенном состоянии, то, на обоих входах 12 и 13 элемента У9-4 имеются единичные сигналы, и нулевой потенциал с его выхода удерживает по входу R триггера У11-2(01), У4-3(09) и У11-1(13) в нулевом состоянии. Этот же нулевой потенциал, поступая на вход У14-1(02), фиксирует с помощью инверторов У2-4, У17-1, У17-2, У18-2 и У20-1 остальные триггера аппаратуры также в исходном состоянии. После захода поезда на участок контроля положительный потенциал на выходе У9-3 меняется на нулевой, запирая схему У9-4 по входу 12 и тем самым растормаживая триггера аппаратуры положительный потенциалом с выхода У9-4. После прохода поезда нулевой сигнал на входе У9-4(12) меняется на единичный, однако в этот момент происходит запуск ПЗУ, и элемент У9-4 остается в закрытом состоянии нулевым потенциалом по входу 13. И только после прохода контрольной программы на обоих входах -12, 13 элемента У9-4 появляются положительные потенциалы, и нулевой потенциал на его выходе зафиксирует все триггера в исходном нулевом состоянии.

При заходе поезда на участок контроля возможны случаи, когда аппаратура при настройке или контрольной проверке находится в «расторможенном» состоянии и часть триггеров - в опрокинутом единичном состоянии. В Этом случае, чтобы аппаратура без сбоя включилась в режим работы проходящего поезда, предусмотрено восстановление ее исходного состояния путем подачи кратковременного нулевого импульса с выхода одновибратора, собранного на элементах У2-1 и У2-2, на вход У14-1(01). Схема одновибратора выполнена таким образом, что при заходе поезда, то есть при смене сигнала на выходе элемента У2-3 из «1» в «О», происходит перепад потенциала на выходе У2-1 из «О» в «1», вызывающий на время перезаряда емкости С4 нулевой импульс на выходе одновибратора длительностью около 20 мс.

В схеме предусмотрено ручное приведение аппаратуры в исходное начальное состояние с помощью нажатия кнопки «Сброс», находящейся на лицевой панели субблока ФКП.

Схема определения направления движения поезда по участку контроля и управления заслонками напольных камер служит для включения аппаратуры в работу при проходе поезда только в контролируемом направлении осуществляет открытие заслонок при заходе поезда в зону действия рельсовой цепи наложения или после прохода первой оси локомотива над вторым или третьим датчиками прохода осей и предусматривает возможность ручного отключения заслонок.

Принцип работы схемы основан на сопоставлении моментов прихода импульсов от второго (третьего) путевого датчика и пятого. Если поезд движется в неправильном неконтролируемом направлении, то первым поступит импульс от пятого датчика, элемент У8-2 на время действия этого импульса будет открыт положительными потенциалами по всем трем входам 03, 04 и 05 и выходным нулевым сигналом опрокинет по входу S триггер неправильного направления У10-1(10) в единичное состояние. При этом нулевым потенциалом запирается схема УВ-1(01) и, несмотря на то, что в дальнейшем поступит импульс от второго (третьего) датчика, триггер правильного направления, собранный на элементах У4-3 и У4-4, и триггер заслонок У11-1 останутся в исходном состоянии (перемычка К8 соединена с К9). Находясь в этом состоянии, нулевыми потенциалами триггера запирают по входу элемент У16-1(04) запрещая открытие заслонок, и закрывают схему У8-3(11), запрещая запуск ПЗУ и прохождение сигнала о наличии поезда на участке контроля на АПС.

Если поезд движется в правильном контролируемом направлении, то первым поступит импульс от второго (третьего) датчика прохода осей (перемычка К4 соединена с К5), и нулевым импульсом с У8-1 опрокинутся триггер правильного направления по входу У4-4(05) и триггер заслонок по входу У11-1(10), снимая запрет со схем У8-3(11) и У16-1(04). При этом нулевой потенциал с выхода У4-3(08) триггера правильного направления закроет схему У8-2 по входу С4, и независимо от сигналов, поступающих с пятого датчика, триггер неправильного направления останется в исходном нулевом состоянии.

Для перевода триггеров У11-1 и У4-3, У4-4 в единичное состояние при ручной имитации захода поезда на участок контроля (переключение тумблера «РЦ-Пров» в положение «Пров») формируется дополнительный импульс с помощью цепочки R6, С6, аналогичный сигналу от второго (третьего) датчика прохода осей.

После опрокидывания триггера У11-1 в единичное состояния на входах 04 и 05 элемента У16-1 устанавливаются положительные потенциалы, и нулевой потенциал с его выхода (контакт Б5 разъема субблока) включает силовые цепи управления электромагнитами заслонок. Одновременно единичный сигнал с выхода У16-2 открывает схему У16-4 по входу 02 и включает светодиод ДЗ, сигнализирующий об открытом положении заслонок.

Чтобы вручную или сигналом со станции закрыть заслонки, необходимо перевести тумблер «Засл-Выкл» в положение «Выкл» или подать со станции по обратному каналу на вход 05 элемента У13-1 нулевой потенциал. В этом случае, при отсутствии поезда на участке контроля, на входах 12 и 13 элемента У13-2 будут присутствовать единичные сигналы и нулевой потенциал с его выхода закроет схему У16-1 по входу 05, отключая цепи управления электромагнитами заслонок. При заходе поезда на участок контроля с выхода У14-2 подается нулевой, потенциал на вход элемента У13-2(13), запрещая работу схемы отключения заслонок.

...