Методы и модели обеспечения технической эффективности силовой аппаратуры управления устройствами железнодорожной автоматики и телемеханики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.08, доктор наук Ковкин Алексей Николаевич

• Ковкин Алексей Николаевич
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Ковкин Алексей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТАМИ КАК ОСНОВНОЕ ЗВЕНО СИЛОВОЙ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Понятие силовой аппаратуры управления объектами в составе микропроцессорных систем ЖАТ

1.2. Принципы построения безопасных устройств сопряжения с объектами в отечественных и зарубежных системах железнодорожной автоматики

1.3. Классификация и сравнительная характеристика безопасных устройств сопряжения

1.4. Выводы и постановка задач

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВОЙ АПАРАТУРЫ

2.1. Понятие технической эффективности аппаратных средств

2.2. Количественная оценка безопасности и надежности как фактора ограничения в процессе принятия решений

2.2.1. Вероятностные характеристики безопасности и надежности

2.2.2. Параметрическая безопасность

2.3. Система показателей сравнительной оценки технической эффективности аппаратуры ЖАТ

2.3.1. Безопасность и надежность как критерии сравнения технических решений

2.3.2. Функциональная наполненность силовой аппаратуры

2.3.3. Компактность аппаратных средств

2.3.4. Энергетическая эффективность аппаратуры

2.3.5. Стоимость комплектации и технологичность

2.4. Формализованные методы комплексной оценки

2.5. Выводы

3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОГО УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОФОРАМИ В УСЛОВИЯХ ПРОТЯЖЕННЫХ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ

3.1. Влияние кабельной линии на безопасность управления светофорами

3.2. Пороговые свойства светофорных излучателей

3.3. Расчет остаточных напряжений на светофорных излучателях

3.4. Кабель парной скрутки как средство обеспечения безопасности при управлении удаленными светофорными излучателями

3.5. Определение остаточных воздействий на светофорные излучатели в условиях использования прямоугольных напряжений

3.6. Влияние отказов в кабельных сетях на безопасность функционирования светофоров при реализации бесконтактного сопряжения

3.7. Выводы

4. ЭФФЕКТИВНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ

СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТАМИ

4.1. Общие требования к организации энергоснабжения компьютерных систем ЖАТ и основные тенденции построения устройств электропитания

4.2. Количественная оценка энергетических характеристик аппаратуры сопряжения с объектами

4.3. Проблемы безопасности при реализации электропитания УСО

4.3.1. Потеря выпрямительных свойств источника питания

4.3.2. Появление пульсаций постоянного напряжения

4.3.3. Повышение напряжения на выходе источника питания

4.3.4. Появление высокочастотных гармоник в переменном напряжении

4.4. Повышение параметрической безопасности ИВЭП путем использования двухканальных структур

4.5. Модульная структура СВЭП как средство обеспечения безопасности устройств электропитания

4.6. Практическая реализация специализированных СВЭП для бесконтактных и релейных устройств сопряжения

4.6.1. Электропитание устройств управления светофорами

4.6.2. Электропитание аппаратуры управления стрелками

4.7. Выводы

5. КОНТРОЛЬ ИСПРАВНОСТИ УПРАВЛЯЕМЫХ ОБЪЕКТОВ И

ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ

5.1. Мониторинг объектов управления в системах ЖАТ

5.2. Контроль функционирования светофорных излучателей на основе ламп накаливания

5.3. Особенности контроля горения при использовании прямоугольных напряжений

5.4. Контроль исправности светофорных излучателей на основе светодиодов путем измерения тока

5.5. Практическая реализация измерения тока в цепи управления светофорами

5.6. Выявление отказов в цепях выключенных ламп накаливания

5.7. Практическая реализация контроля холодной нити

5.8. Принципы обнаружения обрывов рабочих цепей электроприводов

5.9. Пример практической реализации контроля целостности рабочей цепи

5.10. Выводы

6. ПОСТРОЕНИЕ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАЛОГАБАРИТНЫХ РЕЛЕ

6.1. Перспективная элементная база для релейных устройств сопряжения и проблема безопасного управления объектами

6.2. Увеличение ресурса релейных схем управления

6.3. Релейно-полупроводниковая коммутация как средство увеличения ресурса релейных схем

6.4. Проблема управления высоковольтными нагрузками в цепях постоянного тока

6.5. Практическая реализация безопасных устройств сопряжения для управления светофорами

6.6. Релейные устройства сопряжения для управления приводами переменного тока

6.7. Устройства сопряжения для управления стрелочными приводами на сортировочных горках

6.8. Выводы

7. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СХЕМ

7.1. Общая характеристика микропроцессорной системы централизации МПЦ-МПК

7.2. Функциональное назначение и структура КБСО

7.3. Безопасная логическая обработка сигналов

7.4. Особенности построения контроллерных модулей

7.5. Управление электромагнитными реле и контроль состояния контактов

7.6. Аппаратура управления светофорами

7.6.1. Управление станционными светофорами железнодорожного транспорта

7.6.2. Особенности аппаратуры управления светодиодными излучателями ИСМПЛ на метрополитенах

7.7. Аппаратура управления стрелками и автостопами

7.8. Выводы

8. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕСКОНТАКТНЫХ И РЕЛЕЙНЫХ УСО

8.1. Выбор частных критериев технической эффективности для сравнительной оценки концепций построения УСО

8.2. Сравнительная характеристика УСО на основе преобразовательных схем и малогабаритных реле

8.3. Количественная оценка технической эффективности бесконтактной и релейной аппаратуры сопряжения с напольными объектами станций

8.3.1. Комплексная оценка технических решений для аппаратуры управления светофорами

8.3.2. Комплексная оценка технических решений для устройств управления стрелками

8.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Диаграммы напряжений при централизованном управлении светофорами

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перечень элементов бесконтактных и релейных устройств управления светофорами

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Перечень элементов бесконтактных и релейных устройств управления стрелками

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и модели обеспечения технической эффективности силовой аппаратуры управления устройствами железнодорожной автоматики и телемеханики»

ВВЕДЕНИЕ

Эффективная работа современного железнодорожного транспорта обеспечивается широким использованием автоматизированных систем управления движением поездов. Основным направлением развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) в настоящее время является создание компьютерных систем управления. Это обусловлено рядом преимуществ последних по сравнению с релейными устройствами, а именно, более широкими функциональными возможностями, существенно меньшими габаритами аппаратуры, легкостью увязки с информационными системами более высокого уровня, простотой адаптации к особенностям конкретного полигона внедрения, высокой надежностью за счет резервирования основных функциональных узлов. Важным компонентом системы управления на основе вычислительных средств являются устройства сопряжения с объектами (УСО). Основным назначением УСО является энергетическое согласование вычислительных средств с управляемыми и контролируемыми объектами ЖАТ. Ключевой особенностью УСО, применяемых в составе ЖАТ, является необходимость обеспечения безопасности при возникновении отказов и воздействии внешних дестабилизирующих факторов, а также возможность работы в безопасных вычислительных структурах, имеющих несколько каналов обработки информации. Указанная особенность определяет повышенную сложность силовых схемных решений, а также наличие в составе УСО функциональных узлов, обеспечивающих реализацию логических функций, необходимых для работы безопасных вычислительных структур. Таким образом, габариты и стоимость аппаратуры сопряжения зачастую превышают аналогичные показатели управляющего вычислительного комплекса и пользовательского интерфейса системы. Поэтому от уровня технических решений, используемых в УСО, существенным образом зависит эффективность и конкурентоспособность системы в целом.

В основе создания современных систем железнодорожной автоматики лежат научные исследования, проводимые специалистами и учеными отрасли.

Значительный вклад в данном направлении в части системных вопросов внесен трудами крупных ученых и специалистов, таких как Василенко М.Н., Никитин А.Б., Дрейман О.К., Культин В.Б.

Одной из основных тенденций в развитии УСО для отечественных систем железнодорожной автоматики является стремление к максимальному сокращению количества электромагнитных реле, вплоть до перехода к полностью бесконтактным устройствам сопряжения. В зарубежной практике распространены технические решения по безопасному сопряжению с объектами с использованием малогабаритных реле, не имеющих основных признаков приборов первого класса надежности. Ведущая роль при создании УСО для систем ЖАТ принадлежит вопросам безопасности. Данной проблематике посвящены работы отечественных ученых: Сапожникова Вл.В., Сапожникова В.В., Переборова А.С., Ефимова В.Ю., Гавзова Д.В., Наседкина О.А., Прокофьева А.А., Лисовского М.П., Белякова И.В., зарубежных авторов: Христова Х., Неделчева Н., Акиты К., Накамуры Х. и др.

Следует отметить, что известные на сегодняшний день УСО не являются свободными от ряда специфических недостатков. К таковым, в первую очередь, следует отнести потери энергии в преобразовательных и коммутационных схемах, а также проблемы, связанные с взаимными влияниями в кабельных сетях. Кроме того, в ходе создания систем железнодорожной автоматики особую актуальность приобретают вопросы улучшения стоимостных и габаритных показателей аппаратуры сопряжения, достижения высокой технологичности в производстве, а также расширения функциональных возможностей устройств сопряжения в части дальности управления, а также контроля состояния исполнительных объектов и кабельных линий. В связи с этим существует необходимость комплексного подхода к оценке технических решений, развития методов количественного анализа показателей эффективности, разработки рекомендаций и практических способов построения высокоэффективных УСО, что и определило цель и задачи данного исследования.

Целью исследования является количественный анализ показателей эффективности УСО, а также разработка и обоснование способов технической

реализации устройств, позволяющих обеспечить высокий уровень безопасности и энергетической эффективности, оптимальные стоимостные и габаритные показатели, технологичность в производстве и наличие дополнительных функциональных возможностей.

Основными задачами исследования являются:

1. Уточнение понятия силовой аппаратуры управления и анализ существующих подходов к реализации аппаратуры сопряжения с объектами.

2. Обоснование концепции многокритериальной оценки эффективности силовой аппаратуры и разработка системы показателей эффективности.

3. Разработка методики оценки опасных влияний между цепями в кабельных сетях при различной частоте и форме напряжения, и подготовка рекомендаций по обеспечению безопасного управления удаленными объектами.

4. Рассмотрение вопросов, связанных с оценкой энергетических показателей УСО и подготовка рекомендаций по реализации электропитания устройств сопряжения на основе преобразовательных схем.

5. Разработка методов и средств контроля исправности исполнительных объектов и линейных цепей.

6. Рассмотрение принципов и разработка практических способов обеспечения безопасности устройств сопряжения при использовании малогабаритных силовых реле, не являющихся элементами первого класса надежности.

7. Разработка технических решений, обеспечивающих эффективную реализацию бесконтактного сопряжения с объектами путем использования преобразовательных схем

8. Комплексная оценка эффективности технических решений при использовании различных устройств сопряжения с учетом специфики полигона внедрения системы ЖАТ.

Поиск и совершенствование технических решений, связанных с разработкой УСО должны осуществляться с учетом современных достижений в области силовой электроники, преобразовательной техники и систем электропитания. В

указанных вопросах диссертационная работа опирается на труды Сергеева Б.С., Костроминова А.М., Манакова А.Д., Найвельта Г.С., Воронина П.А., Семенова Б.Ю., Колпакова А.И., Окснера Э.С., Готтлиба И.М., Хоровица П., Хилла У., а также ряда других ученых и специалистов.

В диссертационной работе получены и защищаются следующие основные результаты:

1. Разработана методика комплексной оценки технической эффективности силовой аппаратуры управления объектами железнодорожной автоматики;

2. Предложены методы расчета параметрических показателей безопасности при управлении удаленными светофорными излучателями для рабочих напряжений различной формы и величины в условиях использовании кабелей простой и парной скрутки, а также сформулированы требования к аппаратуре сопряжения и кабельным сетям, обеспечивающие безопасность управления на протяженных кабельных линиях;

3. Разработана модель для расчета энергетических показателей УСО, а также сформулированы рекомендации и разработаны решения, обеспечивающие эффективное электропитание бесконтактных устройств сопряжения;

4. Разработаны технические решения для контроля исправности исполнительных объектов и линейных цепей в микропроцессорных системах ЖАТ

5. Предложены способы практической реализации безопасных УСО с использованием малогабаритных реле, предназначенных для печатного монтажа

6. Рассмотрены технические решения по бесконтактному сопряжению с исполнительными объектами с применением преобразовательных схем

7. Дана оценка эффективности различных принципов обеспечения безопасности УСО

Научная и практическая значимость работы обусловлена возможностью применения ее результатов в процессе разработки и сертификации новых систем ЖАТ. Основные результаты диссертационного исследования были использованы при создании аппаратуры безопасного сопряжения для системы

микропроцессорной централизации на базе микро-ЭВМ и программируемых контроллеров МПЦ-МПК (разработчик - ЦКЖТ ПГУПС), а также системы горочной микропроцессорной централизации ГМЦ ГТСС (разработчик - ГТСС -филиал ОАО «Росжелдорпроект»). Система МПЦ-МПК введена в эксплуатацию на станциях магистрального и промышленного транспорта, а также на объектах Петербургского метрополитена.

1. УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТАМИ КАК ОСНОВНОЕ ЗВЕНО СИЛОВОЙ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Понятие силовой аппаратуры управления объектами в составе микропроцессорных систем ЖАТ

Основой системы железнодорожной автоматики, построенной с использованием вычислительных средств, является сочетание управляющего вычислительного комплекса (УВК) и пользовательского интерфейса [98]. Процесс взаимодействия УВК с исполнительными объектами (ИО) с точки зрения электротехники состоит в управляемой передаче электрической энергии от сетей электроснабжения к объектам и восприятии электрических сигналов, отражающих текущее состояние объектов. Структура аппаратных средств, реализующая данные задачи, приведена на Рисунке 1.1.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА

СИЛОВАЯ АППАРАТУРА

о о

-й

с; си

си н

га

ш си

о н

со I

.о

с;

о

с

М УУ

УВК

энергия от сети электроснабжения

УЭП

последовательный интерфейс

интерфейсная часть УСО

И

операционная часть УСО

линейные цепи

к исполнительным объектам

Рисунок 1.1. Структура микропроцессорной системы ЖАТ

Непосредственное участие в передаче энергии принимают устройства электропитания (УЭП), обеспечивающие преобразование электрической энергии, поступающей от сетей электроснабжения, бесперебойность электропитания аппаратуры и гальваническую развязку цепей. Управление процессом передачи

энергии реализуют устройства сопряжения с объектами (УСО). Таким образом, УСО реализуют электрическое и временное согласование вычислительных средств системы с исполнительными объектами [98]. Взаимодействие УСО и УВК в современных системах обычно осуществляется с использованием минимального количества физических цепей. Поэтому в составе УСО присутствует интерфейсная часть (ИЧ), основное назначение которой состоит в обеспечении функционирования стандартных интерфейсов вычислительных систем, реализующих передачу информационных сигналов между УВК и УСО по малопроводным линиям [78]. Интерфейсная часть решает задачу временного согласования последовательного интерфейса с ИО, осуществляя преобразование команд, поступающих от УВК, в совокупность сигналов, обеспечивающих управление заданным количеством устройств. При осуществлении функции контроля, ИЧ осуществляет обратное преобразование, формируя импульсные последовательности, отображающие состояние контролируемых объектов. Для построения ИЧ обычно используется программируемая элементная база, что позволяет обеспечить функционирование последовательных интерфейсов без применения сложных схемных решений, а также дает возможность реализовывать на уровне УСО некоторые алгоритмы функционирования напольных объектов. Безопасность ИЧ в ответственных системах ЖАТ обеспечивается так же, как и безопасность УВК - путем многоканальной передачи и обработки информации с реализацией дублированных или мажоритарных безопасных структур [12, 66]. Для исключения опасных ситуаций при накоплении отказов многоканальная структура оснащается программно-аппаратными средствами, осуществляющими контроль идентичности информации и необратимый перевод устройств в защитное состояние в случае выявления несоответствия в работе каналов.

Непосредственная реализация управления и контроля осуществляется операционной частью УСО (ОЧ) [78]. Поскольку управляемые объекты в системах железнодорожной автоматики могут быть удалены от УСО на значительное расстояние, в качестве отдельного звена передачи энергии

целесообразно рассматривать линейные цепи, реализуемые в современных системах в виде кабельных линий.

Понятие силовой аппаратуры управления объектами целесообразно распространить на все уровни передачи энергии. В составе УСО к силовой аппаратуре следует относить все функциональные узлы, реализующие задачи управления и контроля, за исключением интерфейсных устройств, построенных с использованием программируемой элементной базы. Интерфейсную часть целесообразно рассматривать в качестве одного из компонентов вычислительных средств. Оценивая технический уровень аппаратуры, не следует изолированно рассматривать УЭП, УСО и линейные цепи, поскольку решения, принимаемые в рамках каждого из перечисленных компонентов, оказывают заметное влияние на реализацию смежных уровней передачи энергии.

Основной задачей при разработке систем ЖАТ является обеспечение высокого уровня безопасности. Безопасность имеет безусловный приоритет и понимается, как свойство системы не создавать опасности для перевозимого груза, технических средств, окружающей среды, жизни и здоровья людей. Специалисты в области железнодорожной автоматики ориентируются, главным образом, на внутреннюю безопасность, которая с точки зрения теории надежности характеризует способность системы не создавать угрозу жизни и здоровью людей, сохранности грузов и технических средств в условиях возникновения отказов внутренних элементов. Это означает, что внутренние отказы системы автоматики не должны приводить к опасным изменениям алгоритма работы. Практика эксплуатации показывает, что наибольшее количество отказов, в том числе приводящих к тяжелым последствиям, связано с напольным оборудованием и устройствами, осуществляющими с ним непосредственное взаимодействие [12, 13, 66, 96]. Это лишний раз подчеркивает значимость аппаратуры сопряжения для обеспечения высокого уровня безопасности и надежности системы в целом.

Очевидным способом повышения внутренней безопасности является достижение высокого уровня надежности и, как следствие, уменьшение

вероятности возникновения отказов или повышение устойчивости системы к возникающим отказам. Однако такой подход является довольно затратным и не всегда позволяет достичь требуемых показателей безопасности. Поэтому в железнодорожной отрасли используется стратегия, состоящая в обеспечении безопасного поведения системы при любых нарушениях исправности и работоспособности. С точки зрения безопасности неработоспособная система ЖАТ может находиться в опасном или защитном состоянии. Соответственно, отказы системы также являются защитными или опасными [13, 66]. Это является характерным отличием ЖАТ от систем автоматизированного управления на других видах транспорта, например в гражданской авиации, где не рассматривается понятие защитного состояния и необходимая отказобезопасность достигается путем многоканального резервирования компонентов систем на всех уровнях, включая исполнительные механизмы. Разделение состояний систем ЖАТ на опасные и защитные позволяет сконцентрировать внимание разработчиков на защите от опасных отказов, что, в свою очередь, способствует повышению уровня безопасности и уменьшению избыточности аппаратуры. Защитные отказы в большинстве случаев соответствуют выключенному состоянию напольных объектов. Исключением являются устройства, прекращение работы которых на определенных этапах технологического процесса может приводить к опасным последствиям. Характерным примером являются стрелочные приводы горочных систем централизации. В указанных устройствах выключение двигателя в процессе перевода, при нахождении стрелки в среднем положении, приводит к сходу подвижных единиц, что противоречит требованию к сохранности технических средств и груза [86, 145].

Безопасность отечественных релейных систем автоматики реализуется достаточно просто и базируется на свойствах реле первого класса надежности. Компьютерные системы автоматики подразделяются на релейно-процессорные и микропроцессорные системы. В релейно-процессорных системах функции, связанные с обеспечением безопасности, реализуются с помощью схем на реле первого класса надежности. Микропроцессорные системы предполагают

реализацию всех функций на уровне вычислительных средств, что позволяет наиболее полно реализовать перечисленные выше преимущества компьютерных систем автоматики [98]. Задача обеспечения внутренней безопасности в микропроцессорных системах целиком возложена на вычислительные средства и устройства сопряжения, построенные с использованием элементной базы, имеющей симметричную характеристику отказов. Поэтому необходимая степень безопасности в таких системах достигается более сложными методами [1, 39, 66, 96].

Если алгоритмы работы системы автоматики связаны с безопасностью движения поездов, УВК реализуется в виде многоканальной структуры, а УСО включают в себя логические схемы, реализующие функцию «И» или мажоритарную функцию [66]. В этом случае основным требованием к УСО является исключение возможности ложной активизации управляемого объекта при возникновении отказов. Узлы УСО, осуществляющие безопасный ввод информации, не должны допускать ложное появление сигнала, отражающего такое состояние контролируемого объекта, которое по алгоритму функционирования системы может привести к возникновению опасных ситуаций. Это определяет повышенную сложность аппаратуры сопряжения и приводит к значительному росту габаритов и стоимости силовой аппаратуры управления объектами.

В Таблице 1. 1 приведены данные, отражающие объем силовой аппаратуры в габаритных и стоимостных показателях безопасных УСО для системы микропроцессорной централизации МПЦ-МПК [99]. Анализируя данные таблицы можно сделать вывод, что рассматриваемые показатели находятся в прямой зависимости от мощности управляемых объектов. Но даже при взаимодействии с относительно маломощными устройствами, такими как электромагнитные реле, габариты и стоимость силовой аппаратуры существенно превышают аналогичные показатели ИЧ. Для построения ИЧ часто используются унифицированные технические решения, одинаковые для любого типа исполнительного объекта.

Таблица 1.1. Объем силовой аппаратуры в составе УСО системы МПЦ-МПК

Тип исполнительных объектов Доля силовой аппаратуры в общих габаритах устройств Доля силовой аппаратуры в общей стоимости устройств

Реле I класса (контроль) 76% 74%

Реле I класса (управление) 76% 81%

Светофоры 83% 89%

Стрелки 89% 93%

Силовая аппаратура, в отличие от ИЧ, представляет собой специфичные устройства, схемотехника и конструктивное исполнение которых в значительной степени определяются особенностями конкретных объектов управления и контроля, а также принципами организации электропитания устройств. Важным требованием к схемотехнической реализации силовой аппаратуры является высокая устойчивость к воздействию перенапряжений и перегрузок по току, а также наличие гальванической развязки между выходными цепями и цифровой схемотехникой УСО. Этим исключаются повреждения и сбои в работе, как самих силовых устройств, так и связанных с ними слаботочных логических схем и вычислительных средств. Поскольку силовая аппаратура непосредственно взаимодействуют с ИО, к ней предъявляются наиболее серьезные требования в плане электромагнитной совместимости. Устойчивость функциональных узлов силовых устройств к внешним воздействиям в значительной степени определяет общую надежность системы ЖАТ. Отдельная проблематика связана с обеспечением централизованного управления объектами, удаленными на значительное расстояние, и повышением энергетической эффективности устройств. Учитывая вышеизложенное, можно утверждать, что наибольшие трудозатраты при разработке аппаратных средств железнодорожной автоматики связаны с реализацией силовой аппаратуры управления.

Настоящее диссертационное исследование ориентировано на вопросы, связанные с технической эффективностью силовой схемотехники, предназначенной для безопасного управления исполнительными объектами.

Кроме того, затрагиваются вопросы построения устройств, осуществляющих контроль состояния объектов. Анализ интерфейсных устройств, а также вопросов взаимодействия устройств сопряжения и УВК выходит за рамки данной работы. В связи с этим, в ходе дальнейшего изложения материала в качестве УСО будут рассматриваться функциональные узлы, относящиеся к силовой аппаратуре.

1.2. Принципы построения безопасных устройств сопряжения с объектами в отечественных и зарубежных системах железнодорожной автоматики

УСО могут считаться безопасными в том случае, если внутренние отказы не приводят к опасным искажениям алгоритма работы системы. Обычно рассматриваются отказы, выражающиеся в появлении следующих часто встречающихся на практике событий:

— обрыв любых элементов и соединений;

— увеличение электрического сопротивления соединений и контактов;

— пробой конденсаторов и р-п переходов в полупроводниковых приборах;

— замыкание между близко расположенными цепями (соседними жилами кабелей и проводниками на печатных платах);

— самовозбуждение электронных схем, реализующих усиление сигналов;

— межвитковое замыкание намоточных изделий;

— изменения параметров элементов, встречающиеся в реальной аппаратуре (уменьшение емкости конденсаторов, увеличение сопротивления резисторов, увеличение тока утечки в конденсаторах и полупроводниковых элементах, ухудшение передаточных характеристик полупроводниковой элементной базы).

Кроме того, должны исключаться опасные ситуации при возникновении отказов источников вторичного электропитания, а также под воздействием электромагнитных помех. Одной из проблем, связанных с источниками электропитания является отрицательное влияние на безопасность электронных схем повышенных пульсаций выходного напряжения. Указанная проблема может решаться как повышением устойчивости самих устройств сопряжения, так и за

счет использования достаточно надежных систем электропитания, предусматривающих избыточность схемотехники, обеспечивающей сглаживание пульсаций.

Исключение опасных отказов в системах ЖАТ может достигаться путем использовании элементов, обладающих несимметричной характеристикой отказов. Такими элементами являются электромагнитные реле первого класса надежности. Современные тенденции построения аппаратуры предполагают широкое использование полупроводниковых приборов и построенных на их основе микроэлектронных изделий. Данная элементная база имеет симметричную характеристику отказов, и выполнение требований безопасности в этом случае достигается путем использования более сложных технических решений.

Принципам построения безопасных УСО для систем железнодорожной автоматики посвящено большое количество трудов отечественных и зарубежных ученых и специалистов. Среди многообразия технических решений можно выделить два основных направления в разработке УСО: релейные и бесконтактные устройства сопряжения.

В релейных устройствах сопряжения для коммутации цепей исполнительных объектов используются контакты электромагнитных реле. Управление реле осуществляется с помощью безопасных электронных схем, называемых устройствами включения исполнительных реле (УВИР) [5, 6, 39, 62, 87, 89, 98, 125]. Такой подход является наиболее простым и позволяет избежать многих проблем, возникающих при разработке безопасных устройств сопряжения исключительно на полупроводниковых элементах. Основным критерием, определяющим принадлежность устройств сопряжения к категории релейных, является то, что реле в них рассматриваются как средство обеспечения безопасности. В отечественной практике реализации подобных УСО применяются реле первого класса надежности (Рисунок 1.2 а), поскольку они позволяют наиболее легко обеспечить достижение необходимого уровня безопасности. Анализ мирового опыта построения систем ЖАТ [1, 107, 122 - 124,

133, 136, 138, 140, 147] дает основания утверждать, что возможны иные методы обеспечения безопасности.

Рисунок 1.2. Релейные устройства сопряжения

В зарубежных разработках встречаются решения на основе малогабаритных силовых реле (далее, малогабаритных реле), не имеющих основных признаков приборов первого класса надежности [70]. Необходимый уровень безопасности в этом случае достигается дублированием реле (Рисунок 1.2 б). Для исключения опасных ситуаций при накоплении таких отказов, как сваривание контактов и поломка пружинных элементов, обеспечивающих выключение реле, необходим контроль фактического размыкания контактов. В связи с этим зарубежные производители выпускают особый класс реле, отличающийся наличием жесткой связи между контактными группами. Такая конструкция исключает замыкание нормально замкнутых (тыловых) контактов в случае сваривания общего и нормально разомкнутого (фронтового) контакта хотя бы в одной контактной группе. Данный класс реле называют «safety relay», что можно перевести как реле безопасности. Использование подобных реле существенно упрощает задачу контроля правильной работы контактов и позволяет строить относительно несложные схемы, отличающиеся высоким уровнем безопасности.

УВИР создаются на основе полупроводниковой элементной базы, имеющей симметричную характеристику отказов. Безопасность УВИР достигается путем особого построения схем, исключающего активизацию реле в случае отказа полупроводниковых элементов. Чаще всего схемы УВИР представляют собой, так называемые, функциональные преобразователи с несимметричным отказом [12, 66]. Принцип работы подобных схем состоит в формировании напряжения для

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Ковкин Алексей Николаевич, 2020 год

Источник

управляющего воздействия I I

Rвн

СДМ

Рисунок 5.10. Схемы к расчету тока СДМ

В общем случае расчетная схема имеет вид, показанный на Рисунке 5.10 б. Источник управляющего воздействия представлен ЭДС ЕУПР и внутренним сопротивлением ЯВН. СДМ отражена в виде набора параллельных ветвей, образованных источниками ЭДС ЕВ и активными сопротивлениями ЯВ, включающими в себя сопротивления резисторов матрицы ЯМ и дифференциальные сопротивления светодиодов. Параметры ветви 1 определяются следующим образом:

] =п

Ев> = Х ЕСД , (5.11)

]=1

^ = Км + X КДИФФ] . (5Л2)

]=1

Поскольку задача связана с определением величины тока входной цепи СДМ, удобно пользоваться методом эквивалентного генератора, представив СДМ в виде источника напряжения, содержащего ЭДС и активное сопротивление. Активное сопротивление эквивалентного генератора ЯЭКВ определяется, как результат параллельного соединения сопротивлений ЯВ:

_ 1

КЭКВ = г=м Х , (5.13)

X л

/=1 к

В

При одинаковых параметрах ветвей, выражение (5.13) можно записать следующим образом:

Яэкв = - ЯВ , (5.14) м

где ЯВ - сопротивление любой, произвольно выбранной, ветви СДМ.

Величина ЭДС ЕЭКВ может быть определена по методу узлового напряжения [18, 89], и в общем случае выражается следующим образом:

1=Ш 77

ЕВ!

I

Е =

ЕЭКВ

м Я

В!

1 =Ш 1

I -

1Я

В!

(5.15)

Если параметры ветвей одинаковы, выражение (5.15) приобретает вид:

ЕЭКВ = ЕВ , (516)

где Ев - эквивалентная ЭДС любой, произвольно выбранной, ветви СДМ.

При известных параметрах эквивалентного генератора ток в цепи СДМ будет определяться следующей формулой:

I = ЕуПР ЕэКВ (5 17)

1 СДМ р ,р , ( )

ЯВН ^ ЯЭКВ или, при одинаковых параметрах ветвей:

т _ ЕУПР - ЕВ ^ -.оч 1 СДМ =-1- . (5Л8)

ЯВН + — ЯВ

т

В случае возникновения обрывов ветвей светодиодной матрицы ток СДМ будет определяться выражением:

Т - Еупр - ЕВ (5 19)

1 СДМ = ^ ' V • У

Явн ^--Я в

(Ш - к)

где к - количество ветвей СДМ, имеющих обрывы.

Для того, чтобы определить возможность выявления обрывов путем измерения тока необходимо определить величину изменения тока СДМ при возникновении отказов. Учитывая (5.18) и (5.19) получим следующее выражение для величины изменения тока:

М — ЕУПР ~EВ ЕУПР —EВ ft: от АУСДМ --1---1- •

RBH + — RB RBH +-Т RB

m m — k

Выражение (5.20) можно, преобразовав, записать иначе:

{ЕУПР — ЕВ Л

Е , R — — R

УПР ЕВА J RB RB

Д/ -_Vm — k_m J (5 21)

шСДМ - с л V 1 Л • ( )

RBH + — RB

V

1

RBH +-Г RB

В ВП 7

m JV m — k

J

Таким образом, чем меньше внутреннее сопротивление источника управляющего воздействия, тем больше, при прочих равных условиях, изменение тока через СДМ. Из этого следует, что снижение внутреннего сопротивления источника управляющих воздействий способствует более эффективному выявлению обрывов в схеме СДМ.

В случае если внутреннее сопротивление источника управляющего воздействия можно считать равным нулю, выражение (5.21) преобразуется к следующему виду:

^сдм = к ^^ . (5.22)

КВ

или

МСДМ - kh > (5-23)

где Тв - ток, протекающий в одной ветви СДМ.

Если схемотехника светодиодного излучателя предполагает стабилизацию напряжения на СДМ (аналогично тому, как это выполнено в излучателях ИСМПЛ для подземных линий метрополитенов) [41], внутреннее сопротивление источника управляющего воздействия близко к нулю и формулы (5.22) и (5.23) достаточно точно отражают изменение тока СДМ при возникновении обрывов. В этом случае величину ЕУПР следует принимать равной напряжению, обеспечиваемому схемой стабилизации на светодиодной матрице.

Для количественной оценки возможности обнаружения отказов величину изменения тока СДМ необходимо сопоставлять с общим током, потребляемым исправной схемой излучателя. В ряде случаев, общий потребляемый ток превышает ток СДМ, поскольку во многих схемах излучателей предусматриваются цепи, увеличивающие энергопотребление с целью обеспечения срабатывания огневого реле. Для светодиодных аналогов светофорных ламп величина тока излучателя обычно совпадает с током, протекающим через лампу накаливания при номинальном напряжении, и для мощности 15 Вт имеет величину около 1,25 А. Ток ветви обычно выбирается равным номинальному току, при котором нормируются основные светотехнические параметры сверхъярких светодиодов, применяемых в светофорных излучателях. Обычно, указанный ток не превышает величины 150 мА. В таких обстоятельствах, даже при нулевом внутреннем сопротивлении источника управляющих воздействий, относительное изменение тока при одиночном обрыве получается не более 12% от общего потребляемого тока излучателя. Учитывая, что напряжение фидеров электропитания аппаратуры ЖАТ может меняться в пределах от -10% до +5% [10, 100], относительная величина изменения тока вследствие отклонения напряжения питания устройств при отсутствии стабилизированных ИВЭП может иметь величину 15%. Еще большие величины относительного изменения тока будут иметь место при переходе от режима «день» к режиму «ночь». Влияние параметров линии и схемы включения сигнального трансформатора можно ориентировочно оценить по диаграммам тока, приведенным в разделе 5.2. Анализ диаграмм показывает, что изменение

тока в зависимости от протяженности линии и схемы включения трансформатора также является соизмеримым с величиной уменьшения тока при одиночном обрыве в СДМ.

Таким образом, выявление одиночного обрыва ветви СДМ в светодиодных аналогах светофорных ламп путем измерения тока сопряжено с определенными трудностями и требует достаточно высокой точности измерительных средств, а также специфических алгоритмов обработки данных. Положительный результат может достигаться в том случае, если производится измерение не только тока, но и напряжения на выходе аппаратуры управления. Программные средства, реализующие функцию измерения тока, должны учитывать влияние на результат измерения текущей величины напряжения на выходе устройств управления, а также обеспечивать возможность калибровки измерительных средств с учетом протяженности кабельной линии и схемы включения сигнального трансформатора контролируемого светофора. По мнению автора, подобные задачи должны решаться на уровне программного обеспечения, ориентированного на реализацию диагностических функций, а роль УСО в этом случае сводится к максимально точному измерению токов и напряжений в цепях управления светофорами и передаче оцифрованных результатов измерений к вышестоящим вычислительным средствам.

Обнаружение факта пробоя светодиодов в матрице является не менее актуальной задачей, чем выявление обрывов цепей. При количественной оценке изменения тока СДМ по причине пробоя светодиодов можно считать, что отказ элемента приводит к исключению из расчетной схемы соответствующей ЭДС светодиода ЕСд и дифференциального сопротивления ЯдИФФ. Величина изменения тока излучателя при пробое имеет обратную зависимость от внутреннего сопротивления источника управляющего воздействия ЯВН и сопротивления резистора в соответствующей ветви матрицы ЯМ. В связи с тем, что при возникновении пробоя светодиодов параметры ветвей матрицы чаще всего становятся неодинаковыми, расчет тока СДМ при наличии отказов следует производить с использованием формул (5.10) - (5.13), (5.15), (5.17). При

отсутствии отказов в излучателе параметры ветвей матрицы обычно идентичны. Соответственно, для определения тока СДМ при исправном состоянии излучателя применимы формулы (5.10) - (5.12), (5.18). Величина изменения тока СДМ при пробое светодиодов определяется как разность между током СДМ при наличии отказов и током СДМ при исправном состоянии излучателя. Расчеты, проведенные для различных схемотехнических решений, показывают, что величина изменения тока вследствие пробоя светодиодов зависит от распределения отказов по ветвям матрицы. Наименьшее изменение тока имеет место в том случае, когда все пробитые светодиоды находятся в разных ветвях СДМ.

Если внутреннее сопротивление источника управляющего воздействия можно считать равным нулю, задача расчета величины изменения тока СДМ упрощается. В этом случае изменение тока можно определить как сумму изменений по отдельным ветвям и рассчитывать с использованием следующего выражения:

Г ^ / ^ ^ Л

I=т

^ СДМ = X

1=1

еупр (п ) есд еупр песд

у *М + (п )^ДИФФ *М + П^ДИФФ ;

(5.24)

где к^ - количество пробитых светодиодов в 1-ой ветви матрицы. Данная формула дает весьма точный результат при расчете изменения тока в схемах излучателей, предусматривающих стабилизацию напряжения на матрице.

5.5. Практическая реализация измерения тока в цепи управления светофорами

Двухпозиционные УКГ, работающие по принципу «включено -выключено», не способны обеспечивать полноценный контроль фактического горения сигнального показания при возникновении КЗ в цепи управления. Поэтому в современных системах ЖАТ должны использоваться технические решения, основанные на измерении токов и обеспечивающие обнаружение факта

выхода величины тока в цепи управления за пределы области, соответствующей нормальной работе устройств, как в меньшую, так и в большую сторону. Одним из путей реализации данного требования является использование аналого-цифрового преобразования и программной обработки цифрового сигнала, отражающего величину тока в цепи [47].

На Рисунке 5.11 а представлена простейшая измерительная схема. Ток в цепи управления преобразуется в напряжение с помощью резистивного датчика тока Ядт. Полученное напряжение выпрямляется и подается на интегрирующую цепь Яи, Си. Средневыпрямленное значение измеряемой величины с выхода интегрирующей цепи подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Полученный цифровой сигнал обрабатывается вычислительными средствами на уровне интерфейсной части УСО или на уровне УВК системы автоматики. Следует заметить, что при работе с синусоидальными токами наличие резистора Яи не является обязательным, поскольку нет принципиальной разницы в том, какое значение сигнала будет использоваться для принятия решения -средневыпрямленное или амплитудное. Однако использование сопротивления является предпочтительным, поскольку за счет него повышается помехозащищенность измерительной схемы. Недостатком простейшей схемы является ограниченная область применения вследствие возможности получения ложного контроля горения при возникновении отказов.

Безопасный контроль горения может быть реализован путем использования двухканальных структур и сравнения результатов измерения по двум каналам на уровне вычислительных средств (Рисунок 5.11 б). Схема, представленная на Рисунке 5.11 в, является еще одним вариантом практической реализации двухканального измерения тока. Использование трансформатора тока позволяет осуществить гальваническую развязку цепи напольного объекта и измерительной схемы, что способствует существенному повышению помехоустойчивости и надежности аппаратуры. Использование в двухканальной структуре одного трансформатора тока и выпрямительной схемы может быть оправдано в силу того, что любой отказ трансформатора или выпрямительного моста приводит к

уменьшению уровня сигнала на входах АЦП, а значит, исключается возможность ложного контроля горения при обрывах в цепи [47].

а)

в)

Выходная цепь аппаратуры управления

Рисунок 5.11. Способы измерения тока в цепи управления объектом

Исчерпывающая оценка работоспособности УКГ предполагает сопоставление величин токов в цепи управления при нормальной работе устройств и при возникновении отказов. Величина тока на выходе устройств управления при горении сигнала зависит от емкостных параметров цепи, а также от тока холостого хода сигнального трансформатора. Практическое затруднение при расчетах состоит в том, что указанные параметры могут существенно отклоняться от нормируемых значений.

5.6. Выявление отказов в цепях выключенных ламп накаливания

Определение состояния холодных нитей светофорных ламп может осуществляться путем анализа реакции цепи управления лампой на тестовое воздействие непрерывного или повторно-кратковременного характера. Использование непрерывного воздействия распространено в релейных системах железнодорожной автоматики и реализуется путем подачи напряжения в цепь управления лампой через высокоомную обмотку огневого реле, ограничивающую ток в цепи до значений, не приводящих к существенному нагреву нитей. Данный способ контроля холодной нити (КХН) имеет существенное ограничение, состоящее в невозможности централизованного контроля удаленных светофоров по причине шунтирующего действия емкости кабельной линии и индуктивности намагничивания сигнальных трансформаторов. Для оценки состояния ламп удаленных светофоров следует размещать устройства контроля в непосредственной близости от светофора или повышать мощность тестового воздействия. В последнем случае необходимо принимать меры для исключения несанкционированной подсветки контролируемой лампы. Наличие тепловой инерции нити накаливания позволяет исключать подсветку путем ограничения продолжительности электрического воздействия, что и реализуется в технических решениях, основанных на повторно-кратковременном (импульсном) тестировании нитей ламп [56, 73, 84].

Работа импульсных устройств КХН предусматривает подачу в кабельную линию коротких импульсов напряжения, следующих через определенные

интервалы времени, и контроле электрических параметров (напряжения или тока) во время воздействия каждого импульса. Существенным преимуществом импульсной схемы контроля является низкая чувствительность к шунтирующему действию сигнального трансформатора, поскольку достаточно короткий импульс напряжения не способен вызвать существенный ток в цепи с индуктивным сопротивлением. Кроме того импульсный режим позволяет увеличить мгновенное значение мощности тестирующего воздействия, что существенно ослабляет негативное влияние емкости кабельной линии.

Для исключения опасного воздействия на выключенные светофорные лампы, энергия тестирующего импульса должна быть ограничена величиной, при которой нить лампы во время действия импульса не будет разогреваться до температуры красного каления. Период тестирования должен быть достаточно большим, чтобы лампа успевала остыть после воздействия импульса, и пиковое значение температуры нити находилось в безопасных пределах. Устройства КХН должны исключать возможность увеличения энергии одиночного импульса при возникновении отказов, а возможное уменьшение периода следования тестовых воздействий должно компенсироваться соответствующим снижением энергии импульса.

Эффективным способом реализации указанных требований является формирование импульсов путем периодического подключения к тестируемой цепи конденсатора, предварительно заряженного по цепи с высоким сопротивлением. В этом случае энергия импульса будет ограничена емкостью конденсатора и величиной напряжения в конце заряда. Если частота сигнала, управляющего работой схемы, по какой либо причине увеличится, период тестирования сократится, но одновременно снизится напряжение, до которого будет успевать заряжаться конденсатор, а значит, уменьшится энергия, накопленная в конденсаторе на момент окончания заряда [84].

Схема, отражающая данный принцип, показана на Рисунке 5.12. В приведенной схеме конденсатор С заряжается от источника питания ипит через резистор Язар. Разряд конденсатора на контролируемую цепь реализуется в

результате открытия полупроводникового ключа УТ, работающего под воздействием генератора тестирующих сигналов ГТС. Предполагается, что цепь управления светофорной лампой разомкнута со стороны устройств управления светофором и не влияет на процесс разряда. Соответственно, ток разряда, а значит и величина, на которую уменьшается напряжение конденсатора, зависят от состояния нити лампы. Если нить исправна - ток разряда достигает больших значений и конденсатор разряжается практически полностью. При обрыве нити ток разряда ограничен индуктивностью сигнального трансформатора, а значит, напряжение на конденсаторе в процессе разряда уменьшается незначительно.

СТ

К устройствам

управления

светофором

светофорная лампа

К вычислительным средствам

Нить лампы исправна

2

иоп-------

1 2

иоп

Нить лампы оборвана

Л

1~г

I I

"Х-

л_

~П-

1

3

3

Рисунок 5.12. Принцип импульсного тестирования холодных нитей

В предложенном техническом решении состояние нити определяется по величине напряжения на конденсаторе в конце разряда на контролируемую цепь, для чего в схеме предусмотрен компаратор К. Если нить исправна, происходит переключение компаратора и формируется импульсный сигнал, обрабатываемый

вычислительными средствами системы. При обрыве нити изменение напряжения на конденсаторе недостаточно для переключения компаратора и импульсы на выходе схемы отсутствуют. Определять состояние нити можно также путем измерения тока разряда, однако контроль напряжения на конденсаторе является предпочтительным вариантом, поскольку конденсатор образует интегрирующую цепь, в результате чего обеспечивается более высокая защищенность схемы от импульсных помех. Очевидно, что данное решение обеспечивает не только контроль исправности лампы, но и выявление обрывов в линейной цепи.

Ключевым вопросом при реализации импульсной схемы КХН является выбор величины емкости конденсатора. В первую очередь необходимо ограничить энергию, накапливаемую в конденсаторе, на безопасном уровне, исключающем разогрев нити лампы до появления видимого свечения. Известно, что энергия накопленная в конденсаторе при заряде, имеет прямую зависимость от величины емкости С и напряжения и. Количественно оценить энергию можно с помощью выражения:

си2

^ = . (5.25)

2

Величину энергии, приводящую к разогреву нити до температуры красного каления, можно определить экспериментальным путем, подключая предварительно заряженный конденсатор к лампе и наблюдая за состоянием нити в затемненном помещении. Эксперименты, проведенные автором, показали, что в случае использования конденсатора емкостью 1000 мкФ видимое свечение нити возникает при напряжении около 30 В, что соответствует энергии 0,45 Дж. Таким образом, при номинальном напряжении источника питания схемы КХН равном 24 В и отсутствии иных факторов, вызывающих нагрев нити, емкость конденсатора менее 1000 мкФ обеспечивает отсутствие опасного влияния на выключенную лампу. Тем не менее, необходимо учитывать, что при управлении удаленными светофорами лампы подвержены влиянию со стороны других цепей через емкость кабеля. В таких условиях нить лампы может быть изначально нагрета до

величины, существенно превышающей температуру окружающей среды, следовательно, нагрев нити до появления свечения может произойти при меньшем значении энергии тестирующего импульса. Это означает, что при выборе величины емкости необходимо предусматривать запас. Если исходить из того, что использование устройств КХН не должно приводить к заметному ухудшению параметрической безопасности аппаратуры управления светофорами, целесообразно ограничить максимальную емкость конденсатора величиной 50.. .100 мкФ. Минимальное значение емкости должно выбираться из условия устойчивой работы схемы на кабельных линиях с различными параметрами. Если емкость конденсатора будет соизмерима с емкостью контролируемой цепи, величина изменения напряжения на конденсаторе при разряде существенно возрастет, что осложнит выявление обрыва на дальнем конце. Исходя из этого, минимальная емкость конденсатора должна значительно превышать максимально возможное значение рабочей емкости цепи кабельной линии и в качестве ориентира для линий с рабочей емкостью до 0,5 мкФ целесообразно принять значение 5.10 мкФ. Если критерием наилучшего выбора параметра считать равенство коэффициентов запаса по максимальному и минимальному значению, оптимальная величина емкости в схеме КХН будет находиться в диапазоне от 20 до 25 мкФ.

Другим, не менее важным, вопросом является выбор сопротивления зарядного резистора. Опасная ситуация может возникнуть в том случае, если по причине отказа ГТС увеличится частота тестирования. При этом, в результате динамической работы коммутационного элемента, схема КХН будет функционировать, как преобразователь напряжения и интенсивность воздействия на выключенную лампу будет определяться не энергией, накапливаемой в конденсаторе, а средним значением мощности, передаваемой на лампу от источника питания. Если не учитывать потери в полупроводниковом ключе и трансформаторе, единственным ограничивающим фактором будет сопротивление зарядного резистора. Соответственно, необходимо определить минимальное значение сопротивления зарядного резистора, обеспечивающее отсутствие

опасного воздействия на светофорную лампу при некорректном управлении коммутационным элементом схемы. Для этого можно моделью, приведенной на Рисунке 5.13.

Источник воздействия Rвн ^зар)

Н=|-

к нагрузке

Ф Источник ЭДС (ипит)

Рисунок 5.13. Модель источника воздействия при некорректном функционировании схемы КХН

Величина ЭДС в предложенной модели равна напряжению источника питания схемы КХН (ИПИТ). Внутреннее сопротивление принято равным сопротивлению зарядного резистора. Нагрузкой является остальная часть схемы и контролируемая цепь. Известно, что наибольшая величина мощности, поступающей от источника воздействия в нагрузку, имеет место при согласованном режиме, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки. Максимальное значение мощности, передаваемой при согласованном режиме, можно связать с внутренним сопротивлением источника следующим образом:

и 2

р _ и ПИТ

4 Я

(5.26)

ЗАР

Соответственно, при заданном значении мощности сопротивление резистора будет определяться выражением:

и 2

О _ и ПИТ ЯЗАР _

4 Р

(5.27)

Исходя из данных, приведенных в Таблице 3.1, пороговое значение напряжения и тока для светофорной лампы 15 Вт составляет 0,8 В и 0,4 А соответственно. Таким образом, передаваемая мощность не должна превышать

0,32 Вт. Согласно выражению (5.27) такая мощность передается при сопротивлении зарядного резистора 703 Ом. Для того чтобы обеспечить безопасность при одновременном действии нескольких неблагоприятны факторов, целесообразно предусмотреть десятикратный запас и принять минимальную величину зарядного сопротивления равной 7 кОм. Вполне очевидно, что чрезмерное увеличение сопротивления нежелательно, поскольку возрастает время заряда конденсатора. Поэтому для обеспечения наилучшего результата величину сопротивления зарядного резистора целесообразно выбирать в диапазоне от 7 до 8 кОм.

Следующим этапом расчета схемы КХН является определение временных параметров сигнала управления ключевым элементом, обеспечивающего эффективное различение исправного и неисправного состояния контролируемой цепи при выбранных величинах емкости конденсатора и сопротивления зарядного резистора.

Длительность паузы между тестирующими импульсами ^ должна обеспечивать практически полный заряд конденсатора. Известно, что при переходном процессе достижение 99% от установившегося значения параметра обеспечивается за промежуток времени, равный 5 постоянным времени электрической цепи [32]. Соответственно, требуемая продолжительность паузы будет определяться следующим выражением:

IП = 5СЯзар . (5.28)

Согласно данному выражению, для емкости 22 мкФ и сопротивления 7,5 кОм длительность паузы будет равна 0,83 с.

Для определения напряжений на конденсаторе целесообразно пользоваться упрощенными схемами, представленными на Рисунке 5.14. Нить контролируемой лампы представлена на схеме активным сопротивлением ЯхнЛ, приведенным к первичной цепи сигнального трансформатора с учетом используемого коэффициента трансформации. Коммутационный элемент КЭ в рамках данной модели допускается отражать переключающим контактом, поскольку

сопротивление резистора Язар велико и не оказывает существенного влияния на процесс разряда конденсатора. В силу того, что величина емкости конденсатора многократно превышает емкость кабельной линии, имеющую место при управлении станционными светофорами, линия представлена только активными сопротивлением кабельных жил Клин.

ИСПРАВНАЯ НИТЬ

ОБОРВАННАЯ НИТЬ

ипит

Rзар -|=|-

КЭ

V

Rлин Rп1 -1=1-=

С

Rп2,

ь 1

Rхн,

Rзар КЭ Rп1

-1=1——1=Н

ипит ——с Lо

Рисунок 5.14. Упрощенные эквивалентные схемы для расчета мгновенного значения напряжения на конденсаторе

Сигнальный трансформатор отображается схемами замещения, в состав которых входит активное сопротивление обмоточного провода первичной обмотки Яп1 и приведенное к первичной цепи сопротивление провода вторичной обмотки Кп2\ Величина тока, протекающего через холодную нить лампы, многократно превышает ток через индуктивность намагничивания трансформатора. Поэтому на схеме, соответствующей исправной цепи сигнальный трансформатор представлен без индуктивности намагничивания. На схеме для оборванной нити индуктивность трансформатора отображается элементом Ьо.

Приведенные значения параметров вторичной цепи Кп2л и Яхнл определяются с помощью формул:

о и рп

ЯП2 к 2

(5.29)

2

ЯХН к ЯХН

(5.30)

где к - коэффициент трансформации сигнального трансформатора.

Наихудшим условием для идентификации исправного состояния нити является наибольшее значение постоянной времени ЯС-цепи, которое имеет место при значительной протяженности линии и максимальной величине сопротивления холодной нити. Неблагоприятной ситуацией для обнаружения обрыва является минимальное значение индуктивности намагничения и минимальное сопротивление цепи, соответствующее нулевому значению сопротивления линии.

Напряжение на конденсаторе в конце разряда на контролируемую линию с исправной нитью иИН при заданной длительности разряда можно определить с помощью известного выражения [32]:

и = и /тин , (5.31)

иИН и НАЧе

где иНАЧ - напряжение на конденсаторе в начальный момент времени (данную величину можно считать равной напряжению источника питания), X -длительность процесса разряда (принимается равной длительности импульса ХИ), хИН - постоянная времени цепи разряда при исправной нити.

Обратная задача, предполагающая вычисление необходимой длительности импульса при заданной величине напряжения, решается следующим образом:

и =-Т 1п-^ . (5.32)

И и

и НАЧ

Постоянная времени зависит от сопротивления холодной нити, длины линии, параметров сигнального трансформатора и определяется выражением:

ТИН = С (КЛИН + + КП2+КХН 1 . (5.33)

В случае обрыва нити конденсатор разряжается на индуктивность сигнального трансформатора, и характер переходного процесса описывается дифференциальным уравнением [32]:

г „ Ж и „ „ Жи ~

10С — + ЯШС — + и = 0 , (5.34)

Ж ж

где и - мгновенное значение напряжения на конденсаторе.

Корни в12 характеристического уравнения, соответствующего (5.34), определяются выражением:

51>2 -®02 , (5.35)

где 5 - показатель затухания колебаний, ю0 - угловая частота незатухающих

колебаний, определяемые следующим образом:

р

5 = — , (5.36)

2 Ьо

1

"0 (5'37)

Если 5 > ю0, переходной процесс имеет апериодический характер и напряжение на конденсаторе в конце разряда при оборванной нити иОН определяется формулой:

Коя = Unm (s/2^ + s/^) . (5.38)

2 2

Если 5 < ю0, процесс имеет характер затухающих колебаний, а значит, напряжение на конденсаторе можно вычислить следующим образом:

ион = ипитв"55 (cos Фсв t +-sin G)CB t) , (5.39)

®СВ

где юСВ - угловая частота затухающих колебаний, определяемая выражением:

®СВ =yl®02 . (5.40)

Используя приведенные выше формулы можно вычислить необходимую длительность тестирующего импульса, обеспечивающую получение заданного

напряжения на конденсаторе в конце действия импульса при исправной нити. После этого определяется напряжение в конце импульса при оборванной нити, в результате чего проверяется возможность различения исправного и неисправного состояния цепи. Ниже приведен расчет длительности тестирующего импульса и подтверждение работоспособности схемы КХН при условии использования светофорных ламп мощностью 15 Вт, подключенных к аппаратуре управления с помощью кабельной сети с удельным сопротивлением жил 28,8 Ом/км. Максимальная протяженность кабельной линии составляет 3 км. Номинальное напряжением на выходе аппаратуры управления светофорами, равно 220 и 110 В. Опорное напряжение Цоп принято равным половине напряжения питания схемы КХН. Критерием устойчивого различения состояний цепи считается выполнение следующих неравенств:

1

иин иПИТ , (541)

2ТТ

ион и пит , (5.42)

Исходные данные для расчета приведены в Таблице 5.1.

Таблица 5.1. Исходные данные для расчета схемы КХН

параметр Единица измерения Значение для 220 В Значение для 110 В

С мкФ 22

Цпит В 24

Цин В 8

Цон, не менее В 16

Ялин Ом 173

Ип1 Ом 80 20

К для короткой линии 17,9 9,0

К для длинной линии 16,1 7,3

Ом 0,7

Яхн Ом 2

Ьо Гн 39 9,8

Результаты расчета, представленные в Таблице 5.2, показывают, что при емкости конденсатора 22 мкФ требуемая длительность тестирующего импульса имеет величину около 23 мс для напряжения 220 В и около 8 мс для напряжения 110 В. Работоспособность схемы обеспечивается как для стандартного значения напряжения в кабельной сети равного 220 В, так и для пониженного напряжения. В то же время, при напряжении 220 В разность между ион и иин получается меньше, что означает несколько меньшую устойчивость схемы к воздействию дестабилизирующих факторов (изменению параметров элементов, влиянию помех, отклонению величины напряжения питания и т.п.).

Таблица 5.2. Результаты расчета схемы КХН

параметр Единица измерения Значение для 220 В Значение для 110 В примечание

Тин мс 21,0 7,41

ta мс 23,1 8,15

5 1,03 1,08 Для обоих номинальных напряжений на выходе аппаратуры управления 5 < ю0, следовательно, процесс разряда конденсатора при оборванной нити имеет характер затухающих колебаний и для определения ион используются выражения (5.39) и (5.40).

Ю0 Рад/с 34,1 66,7

ион В 17,1 20,5

5.7. Практическая реализация контроля холодной нити

Основными задачами, возникающими в процессе разработки схемотехнических решений для контроля холодных нитей являются исключение возможности сообщения между цепями различных сигнальных показаний через схемы КХН а также предотвращение взаимных влияний схем КХН и устройств управления светофором. Наиболее простой способ решения указанных задач состоит в использовании переключающих реле и разделительных трансформаторов в каждой схеме КХН (Рисунок 5.15). При разряде конденсатора на контролируемую цепь в индуктивности трансформаторов накапливается энергия и в момент закрытия полупроводникового ключа возникает ЭДС

самоиндукции, способная привести к повреждению элементов схемы. Поэтому должны предусматриваться защитные цепи, обеспечивающие ограничение напряжения на ключе. В рассматриваемых примерах защитная цепь реализована в виде варистора RV, подключенного параллельно обмотке трансформатора РТ.

Рисунок 5.15. Схема КХН с релейным переключением

Переключающее реле обеспечивает отсутствие взаимных влияний между схемой КХН и аппаратурой управления светофором, однако наличие релейного контакта может быть нежелательным, поскольку противоречит концепции бесконтактной реализации аппаратуры управления. Поэтому представляет интерес решение, обеспечивающее отключение схемы КХН от контролируемой цепи без использования реле [84]. Соответствующая схема показана на Рисунке 5.16.

В данной схеме предусмотрена подача сигнала, отключающего ГТС во время работы контролируемой лампы. При выключении ГТС транзистор УТ находится в закрытом состоянии и препятствует шунтированию схемой КХН цепи работающей лампы. Диод УО предотвращает протекание тока через паразитный диод в полупроводниковой структуре транзистора УТ при воздействии полуволны переменного напряжения, создающей отрицательный

потенциал на левом выводе обмотки трансформатора РТ. Следует отметить, что при использовании схемы с бесконтактным отключением в составе аппаратуры сопряжения со светофорами на основе преобразовательных схем, можно обойтись без разделительного трансформатора, как отдельного элемента, реализовав подключение схемы КХН к контролируемой цепи через дополнительную обмотку трансформатора в составе преобразовательной схемы.

СТ

Рисунок 5.16. Схема КХН с бесконтактным отключением разрядной цепи

Общим недостатком всех схем, содержащих разделительный трансформатор, является существенное влияние параметров последнего на процесс разряда конденсатора. При исправной нити сопротивление обмоток трансформатора суммируется с общим сопротивлением цепи, увеличивая напряжение на конденсаторе в конце действия тестирующего импульса. При оборванной нити индуктивность разделительного трансформатора способствует более интенсивному разряду конденсатора, в результате чего напряжение в конце разряда становится меньше. Указанные факторы затрудняют различение состояний контролируемой нити и не позволяют обеспечить устойчивое функционирование схемы на кабельных линиях значительной протяженности. Это вынуждает разработчиков программного обеспечения прибегать к

использованию усложненных алгоритмов обработки сигналов на выходе схемы КХН. Решить данную проблему на аппаратном уровне можно путем отказа от использования разделительного трансформатора (Рисунок 5.17).

В этом случае необходимо реализовывать питание каждой схемы КХН через преобразователь напряжения ПН с трансформаторной развязкой, а в цепях управляющих и контрольных сигналов использовать элементы оптоэлектронной развязки (VU1, VU3).

отключение

устройств

управления

♦ ♦ VU2 СТ

Рисунок 5.17. Бестрансформаторная схема КХН

Если аппаратура управления светофором может влиять на процесс разряда конденсатора, следует реализовать возможность отключения аппаратуры управления от контролируемой цепи во время работы схемы КХН. В приведенном примере это реализуется с помощью оптоэлектронного реле УШ.

5.8. Принципы обнаружения обрывов рабочих цепей электроприводов

Технические решения, обеспечивающие контроль исправности рабочей цепи, не реализуют функций, связанных с безопасностью движения поездов, но предусматривают использование в составе устройств, отвечающих за

безопасность. Поэтому ключевым требованием к схемам контроля является отсутствие опасного влияния на аппаратуру и напольные объекты при нормальном функционировании устройств и возникновении любых отказов. Применительно к электроприводам стрелочных переводов это означает, что должна исключаться возможность несанкционированного появления крутящего момента на роторе электродвигателя, как ранее неподвижного, так и вращающегося. Если рабочая цепь совмещена с контрольной цепью, должна исключаться также возможность получения ложного контроля состояния напольного объекта.

Помимо вопросов, связанных с безопасностью, следует акцентировать внимание на общих требованиях, обеспечивающих правильное функционирование схемы контроля рабочей цепи, как технического средства мониторинга исполнительных объектов. Во-первых, контрольная схема должна устойчиво работать на кабельных линиях любой длины в пределах максимально допустимой для контролируемого оборудования и быть устойчивой к влияниям других цепей через емкость кабельной линии. Во-вторых, должна быть обеспечена совместимость с контролируемым оборудованием. Это означает, что схема контроля не должна повреждаться в процессе функционирования привода, а также не должна оказывать мешающего влияния на работу привода и устройств управления. Выполнения данного требования можно добиться отключением схемы контроля на время работы электродвигателя привода или использованием технических решений, устойчивых к воздействию рабочего напряжения контролируемой цепи и предусматривающих ограничение мощности, переходящей из контролируемой цепи в схему контроля при работе электродвигателя.

Эффективным методом контроля исправности электрической цепи является анализ реакции на подключение к ней источника напряжения или тока. Род напряжения (тока) зависит от особенностей конкретной аппаратуры. В настоящее время в приводах применяются в основном трехфазные асинхронные двигатели. Исключить опасное воздействие схемы контроля на такой электродвигатель

несложно как на постоянном, так и на переменном токе. В то же время, если рабочая цепь привода совмещена с вентильной контрольной цепью, использование постоянного напряжения или тока нежелательно, так как требуется решение, исключающее возможность получения ложного контроля. Если рабочая цепь отделена от контрольной цепи - использование постоянного напряжения (тока) можно считать наиболее предпочтительным вариантом, поскольку в этом случае проще обеспечить работоспособность схемы контроля на протяженных кабельных линиях.

При использовании для контроля целостности рабочей цепи постоянного напряжения исходной информацией для разработки электрических схем является активное сопротивление обмоток двигателя и кабельной линии. По результатам измерений, выполненных автором, сопротивление одной обмотки двигателя МСТ-0,3 имеет величину около 5...6 Ом. Сопротивление провода кабельной линии зависит от удаленности стрелочного привода и числа кабельных жил в одном проводе. Ориентируясь на данные, приведенные в соответствующих таблицах, нетрудно подсчитать, что максимальное сопротивление одного провода не превышает величины 40.45 Ом.

5.9. Пример практической реализации контроля целостности рабочей цепи

Рассматриваемая в данном разделе схема контроля исправности рабочей цепи разрабатывалась для использования в составе аппаратуры управления электроприводами в системе микропроцессорной централизации МПЦ-МПК. Особенностью схем управления электроприводами в системе МПЦ-МПК является то, что рабочая цепь электропривода отделена от контрольной цепи. Поэтому в схеме контроля исправности рабочей цепи используется постоянное напряжение [74]. Предложенное техническое решение позволяет обнаруживать обрывы рабочей цепи и обмоток асинхронного двигателя электропривода, а также выявлять разомкнутое состояние блок-контактов в приводе в периоды времени, когда двигатель не работает.

Упрощенная принципиальная схема описываемого устройства приведена на Рисунке 5.18. Контрольная схема состоит из нескольких одинаковых узлов контроля, количество которых на единицу меньше количества проводов рабочей цепи. Схема контроля, разработанная для системы МПЦ-МПК, позволяет контролировать как трехпроводную, так и пятипроводную рабочую цепь и содержит четыре узла контроля. На рисунке в целях упрощения изображено только два узла, что достаточно для контроля трехпроводной рабочей цепи. Кроме того, не показаны элементы защиты от перенапряжений и цепи формирования опорных напряжений.

аппаратура управления электроприводом

ипит

DC/DC конвертер

-Q ш

Ш ГО

о т

- g

о ё

|узел контроля

т

VD

нз-

FU

VT1

Rи

Rдт =j= Uon2 Си

пд

VUV:

|узел контроля R1

VD

нз-

FU

VT1

Rи

Rдт =■= иоп2 Си

пд

VUV:

£

VU

к ц

о с^

^ х

§ I

л _

Ш -Q Ф

s

<

VU

кабельная линия

электропривод

О

Рисунок 5.18. Схема контроля исправности рабочей цепи в системе МПЦ-

МПК

Постоянное напряжение подается в контролируемую цепь через ОС/ОС-преобразователь с гальванической развязкой, что исключает объединение рабочих цепей разных приводов через источник питания схем контроля. Узлы контроля подключаются к каждому проводу рабочей цепи кроме одного, соединенного непосредственно с положительным выводом ОС/ОС-конвертера. В случае

использования схемы совместно с пятипроводной рабочей цепью положительный вывод конвертера подключается к проводу, имеющему постоянное соединение с обмотками двигателя при разных направлениях вращения. В случае исправной рабочей цепи ток от положительного полюса ЛС/ОС-конвертера протекает через все узлы контроля на отрицательный полюс. Напряжение с датчиков тока Кдт через интегрирующие цепи Ки, Си поступает на входы компараторов, реализованных на основе операционных усилителей. Указанное напряжение превышает опорное напряжение Цоп2 и на выходе компараторов формируется высокий потенциал. Данный потенциал обеспечивает протекание тока через светодиоды оптронов, и транзисторы в составе оптронов замыкают выходную цепь схемы контроля. Если в рабочей цепи стрелочного привода имеется обрыв, в цепи хотя бы одного узла контроля будет отсутствовать ток, а значит, соответствующий оптрон обеспечит разомкнутое состояние выходной цепи. Параметры компаратора определяются величиной опорного напряжения Цоп2 и обеспечивают работоспособность схемы на кабельных линиях любой длины в пределах допустимой для аппаратуры управления электроприводом.

Предложенная схема контроля не отключается от рабочей цепи в период работы двигателя электропривода. Для того чтобы предотвратить повреждение схемы контроля и шунтирование рабочей цепи, предусмотрена схема ограничения тока, реализованная на транзисторах УТ1 и УТ2. При выключенном состоянии электропривода транзистор УТ1 открыт в результате воздействия потенциала, поступающего через резистор Я1. Ток через транзистор УТ1 определяется значением напряжения на датчике тока, при котором транзистор УТ2 остается в закрытом состоянии. Если при работе двигателя возникают условия для увеличения тока через узел контроля, напряжение на датчике тока превысит опорное напряжение Цоп1, транзистор УТ2 будет открываться и шунтировать цепь затвора УТ1, обеспечивая поддержание установленного значения тока. При воздействии противоположной полуволны напряжения протекание тока через узел контроля исключается за счет наличия диодов УО.

Интегрирующие цепи Яи, Си обеспечивают устойчивое обнаружение обрывов в рабочей цепи в условиях мешающего влияния со стороны других цепей через емкость кабельной линии. За счет наличия интегрирующих цепей предотвращается ложное переключение компараторов под воздействием переменной составляющей, создаваемой источником влияния. Параметры интегрирующих цепей оптимизируются с учетом возможности подавления влияний частотой 50Гц и обеспечения достаточного быстродействия схемы контроля, позволяющего обнаруживать кратковременные обрывы.

Предохранители БИ предотвращают влияние отказов схемы контроля на возможность управления электроприводом. Благодаря предохранителям исключается шунтирование рабочей цепи при пробое транзисторов УТ1 или диодов, а также при возникновении отказов элементов, обеспечивающих ограничение тока. При возникновении перечисленных событий предохранители срабатывают под воздействием рабочего напряжения, формируемого схемой управления приводом, и обеспечивают отключение отказавших узлов контроля от рабочей цепи.

5.10. Выводы

1. Оценку возможности обнаружения отказов светофорных излучателей и линейных цепей путем измерения тока следует производить с помощью упрощенных моделей цепи управления. Наихудшие условия для выявления обрыва в цепях с синусоидальным напряжением отображаются ЯС-моделью. Для цепей с прямоугольными напряжениями следует использовать ЯСЬ-модель. Полученные значения тока сопоставляются с минимальным значением тока исправной цепи, определенным с помощью Я-модели исправной линии. Наихудшие условия для выявления коротких замыканий при любой форме напряжения отображаются Я-моделью. Полученное значение тока сопоставляется с максимальным током исправной цепи, определенным в результате анализа ЯС-модели исправной цепи.

2. Расчеты показывают, что при достаточной точности измерительных средств обеспечивается выявление обрывов и коротких замыканий на линиях протяженностью до 4 км. В случае использования адаптивных алгоритмов обработки результатов измерений, учитывающих текущий режим работы светофоров, появляется возможность исчерпывающей оценки состояния цепи включенной лампы при длине линии свыше 6 км.

3. Для количественной оценки возможности обнаружения обрыва и пробоя элементов светодиодных матриц путем измерения тока предложена упрощенная модель, учитывающая нелинейный характер вольт-амперной характеристики светодиодов.

4. Анализ модели дает основания утверждать, что изменение тока светодиодной матрицы вследствие отказа светодиодов невелико по сравнению с величиной тока излучателя при нормальном функционировании. Проблема заключается в том, что ток исправного излучателя также подвержен изменениям в результате воздействия дестабилизирующих факторов. Поэтому достоверный контроль исправности светодиодных матриц возможен лишь для излучателей с малым энергопотреблением и требует высокой точности измерений, а также усложненных алгоритмов обработки результатов, учитывающих текущую величину напряжения на выходе устройств управления и протяженность линии.

5. Наиболее эффективным методом централизованного контроля исправности выключенных светофорных ламп при наличии протяженных линейных цепей является анализ реакции на тестовое воздействие импульсного характера. Для исключения опасного влияния тестирующего импульса на выключенную лампу контроль следует осуществлять путем периодического подключения к проверяемой цепи предварительно заряженного конденсатора, что обеспечивает возможность гарантированного ограничения энергии импульса.

6. В предложенном техническом решении определение состояния нити лампы производится по величине изменения напряжения на конденсаторе при разряде в течение определенного интервала времени. Согласно результатам исследований, оптимальная величина емкости конденсатора при напряжении

источника питания зарядной цепи 24 В имеет величину около 20 мкФ, а длительность тестирующего импульса должна находиться в пределах от 8 до 23 мс в зависимости от рабочего напряжения в кабельной сети светофоров.

7. Проверку целостности рабочей цепи схем управления стрелочными приводами в периоды времени между переводами стрелок предлагается осуществлять путем контроля протекания постоянного тока. Рассмотренное техническое решение применимо для схем управления приводами с двигателями переменного тока и позволяет выявлять обрывы линейных проводов и обмоток двигателя, а также разомкнутое состояние блок-контакта.

6. ПОСТРОЕНИЕ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МАЛОГАБАРИТНЫХ РЕЛЕ

6.1. Перспективная элементная база для релейных устройств сопряжения и проблема безопасного управления объектами

Электромагнитные реле обладают определенными преимуществами по сравнению с силовой полупроводниковой элементной базой, определяющими их широкое применение в промышленной автоматике и на транспорте. К числу общеизвестных достоинств электромагнитных реле следует отнести малые потери мощности на замкнутых контактах, высокую устойчивость к импульсным перенапряжениям, исключительную электрическую прочность изоляции между управляющей цепью и цепью нагрузки, более низкую стоимость и меньшие габариты при соизмеримой коммутационной способности. В силу указанных причин электромагнитные реле продолжают выпускаться рядом ведущих мировых производителей электронного и электротехнического оборудования. В качестве примера можно привести такие известные бренды, как Siemens (Германия), Tyco Electronics (Австрия), Finder (Италия), Schneider Electric (Франция), Omron (Япония).

В ассортименте продукции указанных компаний присутствуют самые различные изделия, начиная от миниатюрных реле для слаботочных цепей и заканчивая мощными приборами, способными коммутировать значительные токи при высоких напряжениях нагрузки. В качестве мощных реле большинство производителей позиционируют изделия, характеризующиеся номинальным напряжением контактов 250 В переменного тока, номинальным током контактов от 8 до 30 А и отключающей способностью от 2000 до 7500 ВА. Встречаются также мощные реле, способные коммутировать токи до 50 А [143, 150].

Контакты мощных реле выполнены на основе серебра в сплавах с никелем (AgNi), оксидами кадмия (AgCdO) или олова (AgSnO). Сплавы AgNi обеспечивают более стабильное переходное сопротивление контактов на малых токах, что может быть полезно в тех случаях, когда контактами мощных реле приходится коммутировать сигнальные цепи. Сплавы AgCdO и AgSnO

используются для коммутации значительных токов, причем AgSnO характеризуется наибольшей устойчивостью к свариванию контактов.

Конструктивное исполнение электромагнитных реле имеет различные варианты, определяющее способ монтажа. Широко распространены изделия для проводного монтажа, предусматривающие установку с помощью специальных колодок на DIN-рейку. Однако особый интерес для современного разработчика представляют мощные реле, адаптированные для монтажа на печатную плату. Такие изделия достаточно широко распространены в линейке продукции для применения в силовой аппаратуре. Так, практически в каждой серии мощных реле Finder или Tyco Electronics присутствуют модификации, предназначенные для печатного монтажа, и далее будут рассматриваться реле, имеющие именно такое конструктивное исполнение.

Для описания конфигурации контактов реле используются различные системы обозначений. В таблице 6.1 приведены обозначения контактных групп, встречающиеся в технической документации большинства зарубежных производителей реле и их соответствие наименованиям контактов принятым в отечественной железнодорожной отрасли.

Таблица 6.1. Обозначение контактов реле

Нормально разомкнутая контактная группа Normally Open (NO) Общий контакт и фронтовой контакт

Нормально замкнутая контактная группа Normally Closed (NC) Общий контакт и тыловой контакт

Переключающая контактная группа (тройник) Change Over (CO) Общий контакт, тыловой контакт и фронтовой контакт

Количество контактных групп различного типа указывается цифрой перед буквенным обозначением. Например, запись «1NO + 1NC» означает, что в реле содержится одна нормально разомкнутая контактная группа и одна нормально замкнутая контактная группа. В Таблице 6.2 приведено несколько примеров, отражающих функциональные возможности и габаритные показатели мощных реле, приспособленных для монтажа на печатные платы.

Таблица 6.2. Мощные электромагнитные реле, монтируемые на печатные платы

Номинальный ток контактов, А Габариты, мм (ДхШхВ) Особенности контактной системы Производитель, серия реле

8 29х13х16 2СО Выпускается различными производителями

16 39х36х49 2СО или 3СО Finder (62 серия), Tyco Electronics (серия RM)

2Ш или 3Ш с увеличенным расстоянием между контактами

30 53х35х31 2СО Finder (66 серия), Tyco Electronics (серия Т92)

2Ш с увеличенным расстоянием между контактами

50 52х33х58 2Ш или 3Ш с увеличенным расстоянием между контактами Finder (67 серия)

Использование мощных электромагнитных реле в системах ЖАТ, обеспечивающих безопасность движения поездов, требует анализа возможности построения на их основе устройств с однонаправленным отказом. В рассматриваемых приборах все контакты выполнены из сплавов серебра, и якорь возвращается в исходное положение под воздействием сил упругости. Таким образом, данные реле не имеют основных признаков приборов I класса надежности. Соответственно, при использовании таких реле необходимо учитывать вероятность сваривания контактов и возможность ложного замыкания нормально разомкнутой контактной группы при возникновении механических отказов, например излома пружин или иных элементов конструкции. Для построения безопасной аппаратуры, в том числе и устройств сопряжения, на реле не первого класса надежности следует предусматривать избыточность и возможность контроля исправности элементов. Иными словами, цепь исполнительного объекта должна размыкаться контактами как минимум двух отдельных реле и должен быть реализован контроль фактического размыкания нормально разомкнутых контактных групп при снятии питания с обмоток.

Разумеется, реализация данного требования приводит к увеличению количества реле в составе аппаратуры. Однако это с избытком компенсируется малыми габаритами рассматриваемых реле, а также возможностью монтажа данных реле на печатные платы [70].

Ведущую роль в обеспечении безопасности играет алгоритм функционирования вычислительного комплекса после обнаружения отказа. В случае выявления неисправности вычислительные средства в составе аппаратуры сопряжения должны не только исключать реализацию поступающих команд на управление, но и транслировать информацию об отказе в управляющий вычислительный комплекс системы автоматики. Вычислительный комплекс, в свою очередь, должен обеспечивать информирование эксплуатационного персонала о возникшей неисправности, а также осуществлять протоколирование соответствующей информации. Кроме того, необходимо исключать возможность дальнейшей эксплуатации неисправного устройства, даже если в последующие моменты времени фиксируется отсутствие отказов.

В связи с необходимостью контроля фактического размыкания контактов значительный интерес представляют специфические серии мощных электромагнитных реле, имеющие название safety relay (реле безопасности) и присутствующие в ассортименте многих зарубежных производителей. Конструкция реле безопасности предусматривает жесткую механическую связь между контактными группами. В результате исключается возможность замыкания контактных групп NC или общих и тыловых контактов в тройниковых группах при выключении реле, если произошло сваривание контактов хотя бы в одной группе NO или хотя бы одного общего и фронтового контакта тройниковой группы. Это позволяет достаточно легко реализовать контроль фактического размыкания контактов, коммутирующих цепь исполнительного объекта. Контакты реле безопасности выполняются из сплавов AgNi и AgSnO. Последний вариант обеспечивает высокий уровень защищенности реле от сваривания контактов при протекании больших токов [143, 150].

Реле безопасности, как и обычные мощные реле, имеют модификации, предназначенные для пайки на печатные платы. Примеры некоторых safety relay, адаптированных для печатного монтажа, приведены в Таблице 6.3.

Таблица 6.3. Примеры safety relay, предназначенных для печатного монтажа

Номинальный ток контактов, А Габариты, мм (ДхШхВ) Особенности контактной системы Производитель

6 29х13х26 2CO Tyco Electronics (серия SR2)

8 29х13х26 2CO Finder (50 серия)

40х13х17 2NO + 2NC Tyco Electronics (серия SR4)

3NO + 1NC

55х17х17 3NO + 3NC Tyco Electronics (серия SR6)

4NO + 2NC

Данные, приведенные в Таблице 6.3, наглядно показывают преимущество безопасных устройств сопряжения, выполняемых с применением safety relay по сравнению с устройствами на основе реле I класса надежности. Действительно, два самых крупногабаритных реле безопасности (55х17х17 мм) [150] занимают значительно меньший объем, чем одно нештепсельное реле первого класса типа РЭЛ, имеющее габариты 115х76х76 мм [110, 111]. Способы практической реализации контроля выключения реле могут быть самыми различными. Возможные варианты будут рассмотрены ниже, при описании устройств сопряжения для управления напольными объектами.

Основной проблемой при использовании safety relay для управления мощными нагрузками является относительно небольшая величина номинального тока контактов. В промышленных системах управления ответственным оборудованием данную проблему решают путем совместного использования реле безопасности и электромагнитных контакторов, конструкция которых предусматривает возможность контроля фактического размыкания силовой цепи. Если ток нагрузки не превышает 30 А, существует возможность применения в безопасных схемах обычных серий мощных реле. Однако в этом случае контроль фактического выключения реле реализуется более сложными способами.

Необходимо отметить, что многие мощные реле имеет жесткую конструкцию фронтовых и тыловых контактов. Поэтому, в случае сваривания одного из них с подвижным общим контактом допускается не учитывать вероятность мостового замыкания. Это дает принципиальную возможность реализации контроля размыкания без жесткой связи между контактными группами. Действительно, если при выключении таких реле контролируется фактическое замыкание общего и тылового контакта в тройнике, то при положительном результате контроля можно утверждать, что фронтовой контакт в данном тройнике будет гарантированно разомкнутым. Тем не менее, следует принимать во внимание, что не все мощные реле имеют конструкцию, исключающую возможность мостового замыкания контактов. Поэтому возможность использования в безопасной схеме обычного мощного реле, не относящегося к безопасной серии, должна проверяться путем тщательного анализа особенностей конструкции данного прибора, а также проведения испытаний, имитирующих сваривание контактов и механические дефекты элементов.

6.2. Увеличение ресурса релейных схем управления

Известным недостатком релейных схемотехнических решений является ограниченный ресурс электромагнитных реле. Релейно-контактная аппаратура, в отличие от устройств, реализованных на полупроводниковых элементах, подвержена износу в процессе эксплуатации. Опыт эксплуатации электромагнитных реле показывает, что контактная система является наименее надежным звеном. В данном случае, речь идет не столько о механическом износе, обусловленном трением движущихся частей, сколько об эрозии контактов в моменты размыкания цепи, по которой протекает ток нагрузки. Современные тенденции развития аппаратных средств предполагают эксплуатацию устройств в течение всего срока службы без периодического обслуживания, что определяет особые требования к ресурсу релейных схем.

Основным показателем долговечности контактной системы реле является количество циклов срабатываний-выключений реле под нагрузкой. Электрический ресурс реле существенным образом зависит от величины тока нагрузки. На Рисунке 6.1, в качестве примера, представлена диаграмма, отображающая зависимость количества циклов от коммутируемого переменного тока для реле безопасности SR2 (Tyco Electronics) с номинальным током контактов 6 А при условии управления резистивной нагрузкой. Анализ диаграммы показывает, что уже при снижении тока до 4 А электрический ресурс вдвое увеличивается, а при уменьшении тока до 1А возрастает практически на порядок. При дальнейшем уменьшении тока электрический ресурс реле становится близким к величине механического ресурса, который для данного

п

прибора имеет значение 10 срабатываний [150].

10'

ш о

О r

m 106

Ь ф

т

S

ц о

105 __

0 1 2 3 4 5 6

коммутируемый ток, А

Рисунок 6.1. Электрический ресурс реле безопасности БЯ2М

Оценивая срок службы данного реле нетрудно подсчитать, что при частоте срабатываний 1 раз в 10 минут и работе на номинальную нагрузку 6 А срок службы указанного реле будет менее 2 лет. При уменьшении тока до 1А срок службы этого же реле возрастает до 19 лет, что в большинстве случаев удовлетворяет существующим требованиям. Аналогичную зависимость

электрического ресурса от соотношения между номинальным и фактическим током контактов можно наблюдать и для других серий мощных реле. В целом можно отметить, что уменьшение рабочего тока до 60% от номинального значения увеличивает срок службы реле в 2 и более раза. Таким образом, снижение электрической нагрузки на контакты следует считать весьма эффективным способом увеличения ресурса и повышения надежности релейных схем управления.

Поскольку разрушение контактов связано, главным образом, с образованием электрической дуги, действенным способом увеличения ресурса является также схемная реализация искрогашения. Классификация известных способов выполнения искрогасящих цепей приведена на Рисунке 6.2.

искрогасящие цепи

включаемые параллельно контакту

на основе RC-цепей

на основе элементов с нелинейной ВАХ

включаемые параллельно нагрузке