CC BY
8
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 53.083.5 В. А. Бараусов
Вл. П. Бубнов, докт. техн. наук Ш.Х. Султонов Д. В. Бараусов
ООО «КТН»
Кафедра «Информационные и вычислительные системы»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПРОГРАММЫ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТРЕЛОЧНЫХ ПЕРЕВОДОВ НА БАЗЕ ДАТЧИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЬДА ИЛИ СНЕГА НА КОНТРОЛИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Рассматривается структура автоматической системы очистки стрелочных переводов, анализируются основные достоинства и недостатки датчиков осадков существующих автоматических систем очистки стрелочных переводов. Делается вывод о необходимости разработки перспективной системы на базе датчика определения льда или снега на контролируемой поверхности. Приводится разработанная структурная схема формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности. Рассматривается устройство и способ обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности. Дается алгоритм его технической реализации, а также измерения упреждающего управления процессом электрообогрева контролируемой поверхности стрелочных переводов. Приводятся результаты имитационного моделирования устройства и способа определения льда или снега на контролируемой поверхности в среде Ма1:1аЬ 51тиПпк.
Автоматическая система очистки стрелочных переводов, датчик определения льда или снега, структурная схема управляющего воздействия, способ обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, алгоритм управляющей программы, имитационная модель
001: 10.20295/2412-9186-2021-7-2-231-251 Введение
Уже несколько десятков лет в России и мире существуют и постоянно совершенствуются автоматические системы очистки стрелочных переводов (АСОСП) зимой [1—4]. Они не требуют использования физического труда и позволяют избежать необоснованных затрат на энергетические ресурсы, а также помогают вывести людей из опасной зоны. Современные системы обогревают не только рамные рельсы, но и шпальные ящики, что исключает появление наледи. Ли-
нейным работникам путевого хозяйства остается осуществлять лишь плановый уход за стрелочными переводами и не тратить лишние силы и время на дополнительное обслуживание стрелок. Годовая экономия за счет снижения трудоемкости очистки стрелочных переводов в холодное время составляет 116,4 тыс. рублей на один стрелочный перевод [5, 6].
Сейчас используются две основные системы автоматической очистки от снега и льда: электрообогрев и пневмообдувка. Электрообогрев в ходу в основном в умеренном климате, например, в центральной и южной частях России, а пневмообдувка — в более холодных, северных областях — на Урале, в Сибири и других регионах с суровыми зимами. Существуют также и комбинированные системы, совмещающие электрообогрев и пневмообдувку [7]. Повышение скорости движения поездов в условиях решения задачи сокращения эксплуатационных расходов выдвигает новые требования к оборудованию железных дорог, в т. ч. и к электрообогреву.
Высокие требования, в свою очередь, вызывают необходимость поиска новых технических решений — таких, например, как выбор энергоэффективных, надежных, экологичных систем, отличающихся повышенной точностью измерения физических величин и, как следствие, получения более точной информации для принятия решений в системе управления. Используемые в системе электрообогрева компоненты должны обеспечивать в первую очередь высокую вероятность определения льда или снега на контролируемой поверхности — это главное при обеспечении безопасности движения.
Одновременно с этим необходимо обеспечить оптимальный расход электроэнергии, высокий срок службы и отказоустойчивость, возможность упрощенного монтажа и быструю замену узлов и деталей в процессе эксплуатации, оперативную оценку их состояния.
Цель статьи — представить разработку структурной схемы формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности, обсудить алгоритм измерения упреждающего управления процессом электрообогрева контролируемой поверхности стрелочных переводов. Это первая статья в серии дальнейших материалов, посвященных разработке АСОСП на базе инновационного датчика определения льда или снега на контролируемой поверхности.
1. Структура АСОСП
Принципиально АСОСП можно разделить на четыре части, которые могут существовать отдельно друг от друга и решать отдельные задачи.
Первое — собственно оборудование электрообогрева, отвечающее непосредственно за прием и передачу электроэнергии на нагревательные элементы (говоря языком производителя — марка (силового) шкафа, например ШОИТ, ШОИТ-М; ШУЭС, ШУЭС-М. Как правило, оборудование состоит из транс-
форматоров, силовых кабелей и различных электрических цепей, блока управления, автоматических выключателей, защитных устройств.
Второе — программное обеспечение, которое отвечает за обмен информацией между оборудованием (шкафом) и управляющей службой, отвечающей за очистку стрелок (диспетчер по станции и др.). Объем и качество информации зависит от задач, которые ставит перед производителем заказчик. Это может быть информация о количестве потребляемой энергии, параметрах работы оборудования, ошибках и сбоях в работе оборудования. Кроме того, программа может помогать выставить необходимый режим оборудования, запускать его диагностику, а при необходимости (в случае сбоя) перезапускать оборудование в новый режим работы. Одна из основных задач программного обеспечения — интерпретация и распознавание сигналов, поступающих от датчиков различного типа и выработка на их основе управляющих сигналов.
Третье — погодная станция, которую можно назвать основным элементом АСОСП. Ее по праву называют «мозгом системы»: без нее работа АСОСП в автоматическом режиме невозможна. А это, в свою очередь, отражается на достоверности определения снега или льда на контролируемой поверхности, экономии электроэнергии, охране труда, сроке службы оборудования в целом и зачастую становится причиной поломки или отказа оборудования.
Четвертое — арматура АСОСП, то, что непосредственно помогает нагреву рельса. Сюда входят клеммы ящики, нагревательные элементы (ТЭН), защитные экраны, скобы для крепления ТЭНов.
2. Типы датчиков осадков и принципы их работы
Основным элементом любой погодной станции АСОСП является датчик осадков (ДО). В настоящее время на сети дорог АО «РЖД» используются два типа ДО — электротермический и оптический [8].
Электротермический ДО функционирует на принципе электротермического сопротивления. Работает это следующим образом: снег попадает на датчик, под воздействием нагревательного элемента превращается в воду (влагу) и через специальную гигроскопическую мембрану оказывается в междуэлектродных промежутках. Замыкая их, вызывает падение сопротивление электродов, таким образом формируя сигнал. Метод был разработан и запатентован в 1990 году [9].
Этот ДО широко применяется двумя основными производителями АСОСП — ООО «Ладога-Энерго» (производство системы ШУЭС-М) и ООО «КТН» Таганрог (производство СЭИТ-04М). В силу своих физических свойств такой ДО называется датчиком прямого действия.
Основные недостатки:
— короткий срок службы. Из-за постоянной работы во влажной среде срок службы в среднем составляет два месяца;
— большое количество ложных срабатываний. Даже при содействии вспомогательных датчиков (температуры воздуха, рельса, земли) ДО зачастую выдает неверную информацию для принятия решений по функционированию АСОСП;
— неспособность определить наличие льда или заноса стрелки (метель, проходящий поезд) на контролируемой (обогреваемой) поверхности.
По сути, мы имеем дело с датчиком определения влажности, который зависит от дополнительных внешних параметров (данных), позволяющих ему сделать вывод о наличии снега.
Производители пытаются снабдить датчик дополнительными вычислительными данными, но анализ ежегодных текущих ремонтов АСОСП показывает, что пока ситуация работает не в пользу этого ДО.
Оптический ДО обладает рядом преимуществ перед вышеописанным прибором, хотя и является датчиком косвенного действия.
Принцип его работы основан на изменении интенсивности прямого и отраженного луча при наличии осадков в воздухе. В составе оптического ДО — многоканальный инфракрасный датчик, использующий прямые и диффузные отражения от осадков, а также дополнительные датчики. Информация от них преобразуется в сигнал о наличии осадков.
Такой принцип работы позволяет определить и наличие льда на контролируемой (обогреваемой) поверхности, но при условии, что сам ДО располагается в непосредственной близости от стрелки. Рассмотренный принцип, а также сам ДО используется в производстве АСОСП компанией ООО «КТН» Санкт-Петербург» и отражен в патенте (№ 2582627), авторами которого являются В. Ф. Кочубей и В. А. Бараусов [10].
У этого ДО долгий срок службы, хотя прибор и снабжается дополнительными датчиками для большей точности показаний.
Основной недостаток — погрешность показаний. Принцип действия основан на отражении луча с помощью фотоэлемента и дополнительных датчиков. Не исключены ложные срабатывания — их могут вызвать блики от проходящего поезда при повышенной влажности, обледенение рельса даже при плюсовой температуре окружающего воздуха).
Проведенный анализ позволяет сделать некоторые выводы.
Разнообразие наименований («Погодная станция», «Метеостанция», датчик осадков) вводят в заблуждение заказчика относительно функциональных возможностей приобретаемого оборудования. Основная и главная задача ДО — определение наличие снега или льда на контролируемой (обогреваемой) поверхности независимо от погодных условий метели; оттепели; дождя, переходящего в снег (или наоборот); заброса стрелки снегом от проходящего поезда. Поэтому он должен использоваться именно как датчик осадков. И для начала необходимо все схожее по своим свойствам оборудование, применяемое на ОАО «РЖД», привести к единой терминологии.
Разные принципы ДО положительно сказываются на развитии конкуренции. Однако это не должно идти в ущерб качеству поставляемой продукции, потому что даже при гарантийном обслуживании производитель зачастую не способен оперативно решить проблему при выходе датчика из строя. В лучшем случае оборудование переходит в режим ручного управления или постоянной работы, а это значит, что заявленные характеристики и качество уже не соответствуют заявленным требованиям. Следовательно, у заказчика возникают экономические потери прямого и косвенного характера. Вне зависимости от типа и принципа применения ДО необходимо выработать единые требования и стандарты к данному оборудованию, как части АСОСП.
Имеющиеся в распоряжении РЖД способы и датчики определения льда или снега на контролируемой поверхности требуют дальнейшего развития в отношении точности и надежности функционирования.
3. Структурная схема формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности
На рис. 1 представлена структурная схема системы стрелочного обогрева на базе датчика обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности [10, 11]. Устройство содержит датчик, шкаф управления ТЭН и удаленный блок, предназначенный для отображения информации оператору
Датчик Шкаф управления ТЭН ДП
Рис. 1. Структурная схема формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности
и возможности «ручного» управления подачей напряжения на обогревающие элементы.
Для обеспечения технического решения указанных требований использовалась структурная схема, приведенная на рис. 2, которая была получена в результате анализа системы электрообогрева стрелочных переводов как объекта управления [11, 12].
Заданное значение
Рис. 2. Структурная схема формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности
Значения наружной температуры и осадков с датчиков проходят через блок фильтрации прогнозирования атмосферных условий. Наименьшая температура поступает в блок прогнозирования, где вычисляется прогнозное значение температуры на интервале времени прогнозирования (выработка признака наличия осадков). Работа этого разомкнутого контура определяет образование обледенения по прогнозному значению наименьшей температуры наружного воздуха.
Замкнутый контур работает следующим образом. Сигнал с датчика температуры контрольной поверхности обогреваемого рельса поступает на сумматор, где температура обогреваемого рельса сравнивается с заданным значением. Рассогласование подается на вход регуляторов и далее на элемент сравнения (ЭУОД), корректируя значение управляющего воздействия на выходе блока прогнозирования для обогреваемого рельса. Таким образом поддерживается необходимая температура нагрева рамных рельсов в зависимости от температуры и влажности окружающей среды.
4. Устройство датчика и способ обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности
Для рационального функционирования системы упреждающего управления электрообогревом предлагается устройство датчика и способ обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности [10—16].
На контролируемой поверхности устанавливают датчики с двумя чувствительными элементами, снабженными теплопроводными пластинами с внешними рабочими поверхностями для атмосферного воздействия, и встроенными датчиками температуры пластин и нагревателями на тыльной их поверхности.
Конструкция датчика как основного составного узла для обнаружения осадков в виде льда или снега упрощенно приведена на рис. 3. Датчик (1) с конструктивно одинаковыми изолированными друг от друга зазором или теплоизоляцией чувствительными элементами, в составе каждого присутствуют: теплопроводная пластина (11 и 12) с внешней рабочей поверхностью (13 и 14) для атмосферного воздействия, встроенный датчик температуры Т1 и Т2 (6 и 7), нагреватель (4 и 5) на тыльной поверхности пластины (15 и 16). Чувствительные элементы горизонтально ориентированы в пространстве и удалены друг от друга на минимальное расстояние
Снег или лед 13 il ! 12 14 Снег или лед
Рис. 3. Упрощенная конструкция датчика
Датчик подключают к аппаратной части с устройствами управления, измерения, обработки информации, индикации и/или регистрации сигналов и передачи данных, входящей наряду с датчиком в состав устройства обнаружения обледенения или снега локально в зоне расположения датчика.
Укрупненная блок-схема устройства для осуществления способа обнаружения обледенения или снега показана на рис. 4. Вид в плане, где позициями обо— датчик; 2 — первый чувствительный элемент датчика; 3 — второй чувствительный элемент датчика; 4 и 5 — электрические нагреватели первого и второго чувствительных элементов соответственно; 6 и 7 — датчики температуры (термодатчики, преимущественно термопары) первого и второго чувствительных элементов соответственно; 10 — аппаратная часть устройства.
4
* 8 т
7 5 4 9
Рис. 4. Укрупненная блок-схема устройства
Устройство определяет начальную температуру ПО рабочих поверхностей пластин чувствительных элементов; если ПО < О °С, включают нагреватель первого чувствительного элемента. После этого через заданный интервал задержки А? включают нагреватель второго чувствительного элемента, что определяет асинхронность включения нагревателей.
Отслеживание изменения во времени температуры рабочей поверхности обоих чувствительных элементов определяется по формуле (1) посредством датчика и управления контролем состояния:
т = ./1(0, т2 = /2(0, (1)
где Т1, Т2 — температуры рабочей поверхности пластин элементов;/1,/ — функции, соответствующие эмпирической зависимости (1, 2); ? — текущее время с момента включения указанного нагревателя до значения, превышающего температуру фазового превращения воды — О °С.
Аппаратная часть системы определяет, регистрирует, индицирует и/или передает значения разности, обеспечивая совместно с упомянутой асинхронно-стью включение нагревателей, аннулирование вкладов полезных сигналов, обусловленных плавлением льда или снега, и обнуление величины двух вкладов вредных сигналов, обусловленных воздействием воздушных потоков согласно формуле (2):
АЛО = Д(0 - т;(0. (2)
Вывод о наличии либо отсутствии льда или снега, по крайней мере, в зоне расположения датчика, делают по характеру и количественной характеристике — о наличии свидетельствует только практическое обнуление величины (2) А ДО = 0.
В завершение делают заключение о наличии или отсутствии льда или снега на рабочей пластине датчика по установленному критерию, основанному на ис-
пользовании явления временной хотя бы частичной стабилизации температуры рабочих поверхностей Tv Т2 на уровне упомянутого фазового перехода.
Для реализации предлагаемого способа обнаружения обледенения или снега необходимо определить структурное построение алгоритмов и разработать имитационную модель информационно-управляющей программы контроля состояния устройства обнаружения обледенения или снега стрелочных переводов, способной выполнять полученные команды управления.
Функции программы контроля:
— определение температуры поверхности;
— определение температуры окружающего воздуха;
— прием и обработка информации о технологических параметрах;
— считывание исходных данных из SD-карты памяти;
— сохранение принятой информации в архиве SD-карты памяти за установленный период времени;
— выполнение оценки безопасности текущего состояния и (при необходимости) выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы для предотвращения выхода параметров, характеризующих работу системы электрообогрева, за границу предупредительных значений;
— оповещение эксплуатационного персонала об обнаружении аварийных событий, выдача рекомендаций и подсказок оператору автоматизированного рабочего места;
— графическое представление хода технологического процесса, принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме;
— программа должна быть гибкой и позволять корректировку алгоритмов работы при уточнении информативных функций опасности по результатам эксплуатации.
Основой для разработки алгоритма стала разработанная схема формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности (рис. 5) [13—16].
Работа устройства начинается с инициализации микроконтроллера, портов ввода/вывода, настройки обработчика прерываний. Далее проверяется наличие карты памяти, чтобы обеспечить считывание данных для вычисления температуры контролируемой поверхности в системе электрообогрева. Затем происходит ожидание начала измерения — сигнала о том, что можно начать измерение. Он посылается другим устройством (например кнопкой). Проверка наличия карты памяти — попытка получения доступа к файлам на SD-карте через API для MicroSD.
По ответу проверяется наличие файла, в который будут записаны результаты измерений. Если файл отсутствует, его нужно создать. После на датчики подается питание и снямаются показания в течение выбранного пользователем времени. Алгоритм измерения упреждающего управления приведен на рис. 6 [14-16].
Рис. 5. Алгоритм технической реализации способа обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности
э1т Алгоритм измерений
Входные параметры: ^ 1. Состояние действия 2. Параметор времени 3. Массив "окно" 4. Значение-указатель на массив "окно" 5. Значение суммы элементов окна
Начальным ^ состоянием программы является "начало измерений"
Начало измерений
Включить нагреватель 1
Выполнено
Вкл нагреватель 2
Вкп нагреватель 1
Проверка прошедшего времени с момента включения нагревателя 1
Прошло достаточно времени
Параметр времени используется как условие выхода в случае, если состояние = "Вкп нагреватель 2"
сменить состояние в вкл нагреватель 1
Выполнено
Включить нагреватель 2
Выполнено
Выполнено
Сменить состояние в "Вкл нагреватель 2"
Прошло недостаточно времени
Ж
Собрать значения измерений
Выполнено
Изменить значение в окне, указателе и сумме
Выполнено
Рис. 6. Алгоритм измерения упреждающего управления процессом электрообогрева контролируемой поверхности
стрелочных переводов
Значение наружной температуры и осадков с датчиков проходит через блок фильтрации прогнозирования атмосферных условий, который выделяет окружающей среды в непосредственной близости от контролируемой поверхности с наименьшей величиной атмосферных условий, наименьшая температура поступает в блок прогнозирования, где вычисляется прогнозное значение температуры на интервале времени прогнозирования (выработка признака наличия осадков).
Устройство измерения работает следующим образом. Сигналы с датчика температуры контрольной поверхности обогреваемого рельса поступают на сумматоры, где сравниваются с заданным значением температуры обогреваемого рельса. Рассогласование подается на вход регуляторов и далее на элемент сравнения (электронное устройство обработки данных (ЭУОД)), корректируя значение управляющего воздействия на выходе блока прогнозирования для обогреваемого рельса. Таким образом поддерживается необходимая температура нагрева рамных рельсов в зависимости от температуры и влажности окружающей среды.
Структурное построение информационно-управляющей системы выполнено с возможностью включения нагревателя второго чувствительного элемента с задержкой времени А? после включения нагревателя первого чувствительного элемента [13, 15—17].
Данный алгоритм представляет собой команды и алгоритмы управления по парированию возникающих нештатных аварийных ситуаций, приведенные к виду, удобному для разработки программного обеспечения системы обнаружения осадков.
5. Результаты имитационного моделирования
Некоторые результаты исследования определения осадков в виде льда на контролируемой поверхности представлены в [18], где использовался пакет МаНаЪ БтиИпк.
Чтобы оценить эффективность функционирования алгоритма измерения «заснеженности» на рабочей поверхности, разработана и исследована компьютерная имитационная модель в программе МаНаЪ. Она позволяет произвести анализ протекающих тепловых процессов в системе «объект нагрева».
Для имитационного моделирования широко применяется инструмент визуального моделирования БтиИпк — модуль расширения математического пакета МаНаЪ. БтиНпк позволяет имитировать динамические системы и исследовать их работоспособность с помощью графических блоков [19—21].
Анализ системы управления электрообогрева с помощью имитационных моделей позволяет исследовать сложные системы. Исследование не сводится только к построению модели процессов ее функционирования. Важно предложить способы повышения эффективности ее работы.
Расчет и определение основных динамических характеристик процесса электрообогрева производится на базе имитационного моделирования в математическом пакете MATLAB с использованием модуля расширения Simulink [21]. В основу имитационной модели легла структурная схема, приведенная на рис. 2. Обобщенная структура модели системы управления электрообогревом показана на рис. 7.
Структура имитационной модели системы электрообогрева рельса как объекта управления показана на рис. 8 в виде блока control object в соответствии с уравнением (1, 2).
Полученный на реальных экспериментальных данных результат работы модели способа обнаружения осадков для ситуации с наличием осадков показан на рис. 9.
Здесь измеряемые термодатчиками температуры T1 и T2 обозначены позициями u1 и u2 соответственно, их разность u1'-u2' — позицией Av1.
Результат работы модели для ситуации с отсутствием осадков показан на рис. 10.
На рис. 9 и 10 по оси абсцисс отложено условное время в дискретных отсчетах, а по оси ординат — температуры в условных единицах, которые могут быть приведены к градусам Цельсия, поскольку получены в результате реального опыта. Для наглядности кривые u1 и u2 разогрева сдвинуты вниз на значение температуры.
Заключение
Публикации, посвященные исследованию датчиков (сигнализаторов) льда или снега на контролируемой поверхности [19, 22], касаются датчиков, применяемых в авиационной промышленности, судостроении и линиях передачи электроэнергии. Материалов об использовании инновационных датчиков в системах автоматического обогрева стрелочных переводов практически нет. Необходимо создать новые АСОСП на базе более надежных и точных датчиков. Это повысит безопасность движения и уменьшит расход потребной на обогрев электроэнергии. Были проведены исследования и сделаны следующие выводы:
— все схожее по своим свойствам оборудование («погодная станция», «метеостанция» и т. д.), применяемое ОАО «РЖД», следует привести к единой терминологии;
— нужно разработать единые стандарты как к блокам АСОСП, так и ко всей системе в целом;
— требуется осуществить программную реализацию интерфейса датчиков определения льда или снега на контролирующей поверхности и управляющей программы работы всей АСОСП в целом. Настоящее исследование применимо не только в железнодорожной отрасли, но и в электрических сетях, обогреве крыш домов, в авиационной и автомобильной промышленности.
с о н
х р
е в о п
е у
р
^
л
о р
т н о к а н в о к с! а с о
н
е
*
у р
а н б о а в
о р
с у
л е с! о
о н н о
а
а р
у
т
к у
р т
и г>
с.
Рис. 8. Структура имитационной модели объекта управления
Рис. 9. Графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей (экспериментальный, при обледенелых рабочих поверхностях)
0.8
0.7
0.6
0.5
04
0.3
0.2
0.1
0
_____
___ и2
__Ау1
/
200
400
600
800
1000
1200
Рис. 10. Графики значений температуры чувствительных элементов датчика и их разности с течением времени работы нагревателей при асинхронном включении их нагревателей (экспериментальный, при «чистых» пластинах)
Библиографический список
1. Никитин А. В. Снегоборьба на железных дорогах России // Академическая публицистика. - 2018. - № 5. - С. 45-47.
2. Герцик Д. В., Семенов А. Г. Инновации на железных дорогах в суровом климате: модернизация системы электрообогрева стрелочных переводов // Транспортные и транспортно-технологические системы: Материалы международной научно-технической конференции. - Тюмень, 2016. - С. 79-84.
3. Осмоловский Д. В. Новая система электрообогрева стрелочных переводов // Автоматика, связь, информация. - 2011. - № 10. - С. 27-29.
4. Яковлев И. П. Разработка автоматизированной системы управления и контроля электрообогревом стрелочных переводов // Современные проблемы радиоэлектроники: электронное научное издание. - Красноярск, 2018.
5. Колисниченко Е. А. Оценка экономической эффективности при внедрении устройства по очистке стрелочного перевода от снега и льда // Наука и образование транспорту. -2015. - № 1.- С. 212-215.
6. Султонов Ш. Х. Выводы о целесообразности применения с точки зрения технико-экономической эффективности системы электрообогрева / Ш. Х. Султонов // Материалы X Международной научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте» (Гомель, 26-27 ноября 2020 г.): в 5 ч. - Ч. 4. - Гомель: БелГУТ, 2020. - С. 57-59.
7. Кочубей В. Ф., Евдокимов И. А. Защита стрелочных переводов от снега и льда: практические решения // Путь и путевое хозяйство. - 2015. - № 11. - С. 29-33.
8. Вавилов В. Д., Суконкин А. Н. Обзор отечественных и зарубежных сигнализаторов обледенения // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. - 2013. - № 1. - С. 297-310.
9. Датчик наличия осадков TSP02: [Электронный ресурс]: Предложение продукции. URL: http://antiled66.ru/images/instrukcii/pasport_TSP02.pdf (дата обращения: 22.12.2020).
10. Пат. 2582627 Российская Федерация, МПК С1 01 B 7/24. Устройство электрообогрева стрелочных переводов типа СЭИТ-04 / В. А. Бараусов, В. Ф. Кочубей. Заявитель и патентообладатель В. А. Бараусов, В. Ф. Кочубей. - № 2015106701, заявл. 26.02.15, опубл. 27.04.16, бюл. № 12.
11. Султонов Ш. Х. Структурная схема формирования управляющих воздействий системы обнаружения обледенения / Ш. Х. Султонов, В. П. Бубнов, Д. В. Бараусов // Сборник тезисов национальной научно-технической конференции «Перспективы будущего в образовательном процессе» в рамках ежегодного фестиваля «Неделя науки - 2020» (Санкт-Петербург, 21 апреля). - СПб.: ПГУПС, 2020. - С. 183-186.
12. Пат. 2685631 Российская Федерация, МПК С1 01 F 7/56. Способ и устройство обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности / С. Г. Селянин. Заявитель и патентообладатель В. А. Бараусов, П. В. Григорьев. - № 2018125617, заявл. 11.07.18, опубл. 22.04.19, бюл. № 12.
13. Barausov V.A., Bubnov V. P., Sultonov Sh. Kh. Control Software for Surface Ice and Snow Detecting Device / Models and Methods of Information Systems Research Workshop. SPb.: CEUR Workshop Proceedings (CEUR-WS.org), 20197. - Vol. 2556. - С. 75-79. URL: http://ceur-ws. org/Vol-2556/paper13.pdf.
14. Султонов Ш. Х. Алгоритм работы системы управления электрообогревом стрелочных переводов на основе энергосберегающих технологий / Ш. Х. Султонов, В. П. Бубнов // Сборник трудов LXXX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы». - СПб.: ПГУПС, 2020. - С. 74-77.
15. Султонов Ш. Х. Структура управляющей программы и способ для обнаружения обледенения на поверхности стрелочных переводов / Ш. Х. Султонов, Н. А. Крицкий, З. Р. Сул-тонова // Интеллектуальные технологии на транспорте. - 2020. - № 2 (22). - С. 59-64.
16. Программа для устройства обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619431 от 17.08.2020 Российская Федерация / В. А. Бараусов, П. В. Григорьев, Ш. Х. Султонов, заявл. № 2020612292 от 21.02.2020. опубл. 17.08.2020, бюл. № 8. - 1 с.
17. Султонов Ш. Х. Программа для автоматизации вычислений величин нагрузок, действующих на кузов вагона при прочностных расчетах / Ш. Х. Султонов, В. П. Бубнов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2019. - № 9. - С. 37-43.
18. Ing Bey, Dzhifeng Ksu. Vzaimodeistvie Matlab s ANSI C, Visual C ++, Visual Basic i Java, [Interaction of MATLAB with ANSI C, Visual C ++, Visual Basic and Java]. - M.: Williams, 2005. - 207 p.
19. Смоленцев Н. К. Создание Windows-приложений с использованием математических процедур MATLAB. - М.: ДМК-Пресс, 2008. - 456 с.
20. Schröder F. G. Science Case OfA Scintillator And Radio Surface Array At icecube // Proceedings of Science. 36. Сер. «36th International Cosmic Ray Conference, ICRC 2019» 2019.
21. Anker A., Barwick S. W., Gaswint G., Glaser C., Lahmann R., Paul M. P. et al. Neutrino vertex reconstruction with in-ice radio detectors using surface reflections and implications for the neutrino energy resolution // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. - 2019. -Т. 2019. - № 11. - С. 030.997062.
22. Nishiyama R., Ariga A., Ariga T., Käser S., Scampoli P., Vladymyrov M., Ereditato A., Lech-mann A., Mair D., Schlunegger F. First measurement of ice-bedrock interface of alpine glaciers by cosmic muon radiography // Geophysical Research Letters. - 2017. - Т. 44. - № 12. -С.6244-6251.
Статья представлена к публикации членом редколлегии профессором Д. В. Ефановым Поступила в редакцию 27.11.2020, принята к публикации 25.12.2020
БАРАУСОВ Виктор Александрович — генеральный директор ООО «КТН» barausovv@gmail.com
БУБНОВ Владимир Петрович — доктор технических наук, профессор кафедры «Информационные и вычислительные системы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I bubnov1950@yandex.ru
СУЛТОНОВ Шохрух Холмурзаевич — аспирант кафедры «Информационные и вычислительные системы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I sultonovsh@yandex.ru
БАРАУСОВ Даниил Викторович — инженер кафедры «Информационные и вычислительные системы» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I barausovv@gmail.com
© Бараусов В. А., Бубнов Вл. П., 2021 © Султонов Ш. Х., Бараусов Д. В., 2021
V. A. Barausov
VI. P. Bubnov, Dr. Sci. in Engineering
Sh. Kh. Sultonov
D. V. Barausov
LLC "KTN"
Department of Information and Computing Systems,
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University
ALGORITHMS OF THE CONTROL PROGRAM OF AUTOMATIC CLEANING SYSTEMS OF THE TURNOUTS BASED ON THE SENSOR FOR DETERMINING ICE OR SNOW ON THE CONTROLLED SURFACE
The structure of an automatic system for cleaning turnouts is considered, the main advantages and disadvantages of precipitation sensors of existing automatic systems for cleaning turnouts are analyzed. It is concluded that it is necessary to develop an advanced system based on a sensor for detecting ice or snow on a controlled surface. The developed block diagram of the formation of control actions of the system for detecting icing or snow on the controlled surface is presented. Рассматривается устройство и способ обнаружения обледенения или снега на контролируемой поверхности. An algorithm is given for its technical implementation, as well as for measuring the anticipatory control of the process of electric heating of the controlled surface of the switches. The results of simulation
of the device and method for determining ice or snow on a controlled surface in the Matlab Simulink environment are presented.
Automatic system for cleaning turnouts, sensor for detecting ice or snow, block diagram of the control action, method for detecting icing or snow on the controlled surface, algorithm of the control program, simulation model
DOI: 10.20295/2412-9186-2021-7-2-231-251 References
1. Nikitin A. V. (2018) Snegobor 'ba na zheleznykh dorogakh Rossii [Snow defence on the railways of Russia]. Akademicheskayapublitsistika [Academic journalism], no. 5, pp. 45—47. (In Russian)
2. Gertsik D. V., Semenov A. G. (2016) Innovatsii na zheleznykh dorogakh v surovom klimate: modernizatsiya sistemy elektroobogreva strelochnykh perevodov [Innovations on railways in a harsh climate: modernization of the electric heating system for turnouts]. Transportnyye i transportno-tekhnologicheskiye sistemy. materialy mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Transport and transport-technological systems. materials of the international scientific and technical conference]. Tyumen', pp. 79—84. (In Russian)
3. Osmolovskiy D. V. (2011) Novaya sistema elektroobogreva strelochnykh perevodov [New electrical heating system for turnouts]. Avtomatika, svyaz', informatsiya [Automation, communication, information], no. 10, pp. 27—29. (In Russian)
4. Yakovlev I. P. (2018) Razrabotka avtomatizirovannoy sistemy upravleniya i kontrolya elek-troobogrevom strelochnykh perevodov [Development of an automated control and monitoring system for electric heating of turnouts]. Sovremennyye problemy radioelektroniki: elektronnoye nauchnoye izdaniye [Modern problems of radio electronics: electronic scientific publication]. Krasnoyarsk. (In Russian)
5. Kolisnichenko E.A. (2015) Otsenka ekonomicheskoy effektivnosti pri vnedrenii ustroystva po ochistke strelochnogo perevoda ot snega i l'da [Evaluation of economic efficiency when introducing a device for cleaning a turnout switch from snow and ice]. Nauka i obrazovaniye transportu [Science and education for transport], no. 1, pp. 212—215. (In Russian)
6. Sultonov Sh. Kh. (2020) Vyvody o tselesoobraznosti primeneniya s tochki zreniya tekhniko-ekonomicheskoy effektivnosti sistemy elektroobogreva [Conclusions on the feasibility of using the electrical heating system in terms of technical and economic efficiency]. Materialy X Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Problemy bezopasnosti na transporte» (Gomel', 26-27 noyabrya 2020 g.): v 5 ch. Ch. 4. [Materials of the X International Scientific and Practical Conference "Problems of Transport Safety" (Gomel', November 26-27, 2020) in 5 parts. Part 4. Gomel', BelSUT [Belarusian State Transport University] Publ., pp. 57-59. (In Russian)
7. Kochubei V. F., Evdokimov I. A. (2015) Zashchita strelochnykh perevodov ot snega i l'da: prakticheskiye resheniya [Protection of turnouts from snow and ice: practical solutions]. Put' iputevoye khozyaystvo [Track and track facilities], no. 11, pp. 29-33. (In Russian)
8. Vavilov V. D., Sukonkin A. N. (2013) Obzor otechestvennykh i zarubezhnykh signalizato-rov obledeneniya [Review of domestic and foreign ice signaling devices]. Trudy NGTU im. R. E. Alekseyeva [Proceedings of Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev], no. 1, pp. 297-310. (In Russian)
9. Datchik nalichiya osadkov TSP02: Predlozheniyeproduktsii [Precipitation sensor TSP02: Product offer]. URL: http://antiled66.ru/images/instrukcii/pasport_TSP02.pdf (accessed: December 22, 2020). (In Russian)
10. Pat. 2582627RossiyskayaFederatsiya, MPKS101B 7/24. Ustroystvo elektroobogrevastre-lochnykh perevodov tipa SEIT-04/V. A. Barausov, V. F. Kochubei. zayavitel' i patentooblada-tel' V.A. Barausov. V. F. Kochubei. - № 2015106701, zayavl. 26.02.15, opubl. 27.04.16, byul. № 12 [Pat. 2582627 Russian Federation, IPC C101 B 7/24. Electrical heating device for switches of the SEIT-04 type/V.A. Barausov, V. F. Kochubei. applicant and patentee V.A. Barausov. V. F. Kochubei. - No. 2015106701, app. 02/26/15, publ. 04/27/16, bul. No. 12.]. (In Russian)
11. Sultonov Sh. Kh., Bubnov V. P., Barausov D. V. (2020) Strukturnaya skhema formirovaniya upravlyayushchikh vozdeystviy sistemy obnaruzheniya obledeneniya [Structural diagram of the formation of control actions of the icing detection system]. Sbornik tezisov natsional'noy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Perspektivy budushchego v obrazovatel'nomprotsesse» v ramkakh yezhegodnogo festivalya «nedelya nauki - 2020» (Sankt-Peterburg, 21 aprelya) [Collection of abstracts of the national scientific and technical conference "Prospects for the future in the educational process" within the framework of the annual festival "Week of science - 2020" (St. Petersburg, April 21)]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., pp. 183-186. (In Russian)
12. Pat. 2685631 Rossiyskaya Federatsiya, MPKS101F 7/56. Sposob i ustroystvo obnaruzheniya obledeneniya ilisnega na kontroliruyemoypoverkhnosti/S. G. Selyanin. zayavitel' i patentoo-bladatel' V.A. Barausov P. V. Grigor'yev. - № 2018125617, zayavl. 11.07.18, opubl. 22.04.19, byul. № 12 [Pat. 2685631 Russian Federation, IPC C101 F 7/56. Method and device for detecting ice or snow on a controlled surface/S. G. Selyanin. applicant and patentee V.A. Barausov P. V. Grigor'yev. - No. 2018125617, app. 07/11/18, publ. 04/22/19, bul. No. 12.] (In Russian)
13. Barausov V.A., Bubnov V. P., Sultonov Sh. Kh. (20197) Control Software for Surface Ice and Snow Detecting Device. Models and Methods of Information Systems Research Workshop. Saint Petersburg, CEUR Workshop Proceedings (CEUR-WS.org), vol. 2556, pp. 75-79. URL: http://ceur-ws.org/Vol-2556/paper13.pdf.
14. Sultonov Sh. Kh., Bubnov V. P. (2020) Algoritm raboty sistemy upravleniya elektroobogrevom strelochnykh perevodov na osnove energosberegayushchikh tekhnologiy [Algorithm of operation of the control system for electric heating of turnouts on the basis of energy-saving technologies]. Sbornik trudov LXXX Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh «Transport: problemy, idei, perspektivy» FG-BOU VO PGUPS [Proceedings of the LXXX All-Russian Scientific and Technical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists "Transport: Problems, Ideas, Prospects"]. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., pp. 74-77. (In Russian)
15. Sultonov Sh. Kh., Kritskiy N. A., Sultonova Z. R. (2020) Struktura upravlyayushchey pro-grammy i sposob dlya obnaruzheniya obledeneniya na poverkhnosti strelochnykh perevodov [The structure of the control program and a method for detecting icing on the surface of the turnouts]. Intellektual'nyye tekhnologii na transporte [Intelligent technologies in transport], no. 2 (22), pp. 59-64. (In Russian)
16. Programma dlya ustroystva obnaruzheniya obledeneniya ili snega na kontroliruyemoy poverkhnosti: Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registratsiiprogrammy dlya EVM № 2020619431 ot 17.08.2020 Rossiyskaya Federatsiya/V. A. Barausov, P. V. Grigor'yev, Sh. Kh. Sultonov, zayavl. № 2020612292 ot 21.02.2020. opubl. 17.08.2020, byul. № 8. - 1 s. [Control Software for Surface Ice and Snow Detecting Device: Certificate of state registration of a computer program No. 2020619431 dated 17.08.2020RussianFederation/V.A. Barausov, P. V. Grigor'yev, Sh. Kh. Sultonov, Appl. No. 2020612292 dated 21.02.2020. publ. 08/17/2020, bul. No. 8, 1 p.]. (In Russian)
17. Sultonov Sh. Kh., Bubnov V. P. (2019) Programma dlya avtomatizatsii vychisleniy velichin nagruzok, deystvuyushchikh na kuzov vagona pri prochnostnykh raschetakh [A program for automating the calculation of the values of loads acting on the car body during strength calculations]. Izvestiya SPbGETU "LETI" [Bulletin of the St. Petersburg State Electrotech-nical University "LETI"], no. 9, pp. 37-43. (In Russian)
18. Ing Bey, Dzhifeng Ksu (2005) Vzaimodeistvie Matlab s ANSI C, Visual C ++, Visual Basic i Java, [Interaction of MATLAB with ANSI C, Visual C + +, Visual Basic and Java]. M., Williams Publ., 207 p.
19. Smolentsev N. K. (2008) Sozdaniye Windows-prilozheniy s ispol'zovaniyem matematicheskikh protsedur MATLAB [Creation of Windows applications using MATLAB mathematical procedure]. Moscow, DMK-Press Publ., 456 p. (In Russian)
20. Schröder F. G. (2019) SCIENCE CASE OF A SCINTILLATOR AND RADIO SURFACE ARRAY AT ICECUBE. Proceedings of Science. 36. Series "36th International Cosmic Ray Conference, ICRC 2019".
21. Anker A., Barwick S. W., Gaswint G., Glaser C., Lahmann R., Paul M. P. et al. (2019) Neutrino vertex reconstruction with in-ice radio detectors using surface reflections and implications for the neutrino energy resolution. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, vol. 2019, no. 11, pp. 030.997062.
22. Nishiyama R., Ariga A., Ariga T., Käser S., Scampoli P., Vladymyrov M., Ereditato A., Lech-mann A., Mair D., Schlunegger F. (2017) First measurement of ice-bedrock interface of alpine glaciers by cosmic muon radiography. Geophysical Research Letters, vol. 44, no. 12, pp. 6244-6251.
