CC BY
10380
Надежность, живучесть, безопасность
УДК 656.25
Контроль целостности нитей выключенных светофорных ламп
А. Б. Никитин, А. Н. Ковкин
Петербургский государственный университет путей сообщения Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»
Аннотация. Описываются принципы контроля холодных нитей светофорных ламп путем подачи тестирующих импульсов. Рассматривается схема импульсного контроля холодной нити, разработанная для применения в составе аппаратуры МПЦ-МПК. Приводятся алгоритмы статистической обработки сигналов на выходе контрольной схемы.
Ключевые слова: контроль холодной нити; импульсная схема контроля; тестирующие импульсы.
1 Введение
Современные тенденции развития железнодорожной автоматики предполагают существенное расширение функциональных возможностей систем [1]. Одним из важнейших качеств любой новой системы является максимальная реализация функций, связанных с самодиагностикой. Одна из таких функций - возможность контроля состояния выключенных светофорных ламп, или, как принято говорить, контроля холодных нитей. Это особенно актуально в связи с тем, что надежность ламп накаливания, применяемых в железнодорожных светофорах, значительно ниже надежности других устройств железнодорожной автоматики (срок службы лампы при номинальном напряжении не превышает 2000 ч) [2]. Наличие функции контроля холодных нитей позволяет своевременно обнаруживать отказавшие лампы и дает возможность существенно сократить задержки в движении поездов, вызываемые отказами устройств СЦБ.
В релейных системах железнодорожной автоматики для контроля холодных нитей используются двухобмоточные ог-
невые реле. При погашенной светофорной лампе в цепь включена высокоомная обмотка огневого реле, что позволяет контролировать целостность цепи без разогрева нити лампы. В системах электрической централизации (ЭЦ) данное решение имеет ограниченное применение (лампы красного огня входных светофоров) [3]. Это объясняется сложностью централизованного контроля за состоянием ламп светофоров, удаленных на значительное расстояние от поста ЭЦ, вследствие шунтирующего действия емкости кабельной линии и индуктивности первичной обмотки сигнального трансформатора. Кроме того, применение огневых реле является весьма нежелательным в современных микропроцессорных системах, использующих бесконтактную аппаратуру сопряжения с объектами [1].
Иной подход к решению проблемы реализуется в импульсных схемах контроля холодной нити. Работа импульсной схемы основана на подаче в кабельную линию коротких импульсов напряжения (тестирующих импульсов) и контроле электрических параметров в цепи (напряжения или тока) во время воздействия каждого импульса. Важным преимуществом импульсной схемы контроля, заложенным в самом принципе работы, является низкая чувствительность к шунтирующему действию индуктивности намагничивания сигнального трансформатора, поскольку достаточно короткий импульс напряжения не способен вызвать существенный ток через индуктивную составляющую в цепи светофорной лампы. Следует также отметить, что при правильном
81
Надежность, живучесть, безопасность___
выборе параметров импульсов можно значительно снизить шунтирующее влияние емкости кабельной линии. И, наконец, импульсная схема контроля может быть построена исключительно на бесконтактных элементах, что делает ее пригодной к использованию в современных системах автоматики.
2 Принципы импульсного контроля холодной нити
Ключевым вопросом при построении импульсной схемы контроля холодной нити является выбор временных параметров тестирующих импульсов. Слишком длинный импульс будет вызывать существенное нарастание тока через индуктивность намагничивания сигнального трансформатора, а значит, шунтирующее влияние сигнального трансформатора будет мешать обнаружению оборванной нити. Кроме того, при значительном увеличении длительности импульса возможна кратковременная подсветка светофорной лампы, что противоречит требованиям безопасности. Определяющим фактором в отношении безопасности является энергия тестирующего импульса, поэтому чем больше амплитуда импульса, тем меньше должна быть его длительность. Чрезмерно короткий импульс будет полностью поглощаться емкостью кабельной линии, что также будет мешать обнаружению обрыва в цепи светофорной лампы. Кроме того, при укорочении импульса значительно снижается помехоустойчивость схемы контроля. Это объясняется тем, что в результате проникновения посторонних сигналов через емкость кабеля в контролируемой цепи могут возникать импульсы, соизмеримые по временным и электрическим параметрам с импульсами напряжения, формируемыми схемой контроля. Интервал следования тестирующих импульсов также имеет большое значение для правильной работы импульсной схемы контроля. Минимальный интервал определяется требованиями безопасности. Важно, чтобы среднеквадратичное значение напряжения на лампе, возникающего под воздействием импульсов, не превы-
шало порог свечения нити. При этом надо учитывать, что воздействие тестирующих импульсов может суммироваться с воздействием посторонних сигналов, проникающих в контролируемую цепь через емкость кабеля. Таким образом, очевидно, что тестирующие импульсы должны иметь высокую скважность. Минимальный период следования импульсов будет прямо пропорционален длительности импульса и его амплитуде. Кроме того, должна учитываться также максимальная длина контролируемой цепи, поскольку от этого параметра непосредственно зависит величина напряжения, возникающего в результате действия посторонних сигналов. Слишком большой интервал следования тестирующих импульсов также нежелателен, поскольку в этом случае увеличивается время обнаружения обрыва нити, особенно, если в целях повышения помехоустойчивости используется статистическая обработка сигналов и решение об исправности нити принимается по результату анализа реакции схемы в течение нескольких тестирующих импульсов.
Импульсная схема контроля холодной нити является составной частью систем, отвечающих за безопасность движения поездов. Функция контроля исправности выключенной светофорной лампы непосредственно не связана с безопасностью, поэтому основное требование к схеме контроля - это отсутствие опасного влияния на работу системы автоматики и, в частности, на работу самого напольного объекта (светофорной лампы).
В связи с этим при разработке схемы контроля холодной нити основной практической задачей является исключение возможности повышения энергии тестирующего импульса и уменьшения интервала следования импульсов при возникновении отказов элементов схемы. Возможный путь решения этой проблемы - использование источников питания с низким напряжением и конденсаторных схем формирования импульсов с большой постоянной времени цепи заряда.
82
Надежность, живучесть, безопасность
3 Импульсная схема контроля холодной нити
Рассматриваемая в данной статье импульсная схема контроля холодной нити построена с учетом изложенных выше принципов. На рис. 1 приведена схема контроля в упрощенном виде (показаны только те элементы, которые имеют принципиальное значение для понимания работы). На рис. 2 изображены временные диаграммы, поясняющие функционирование схемы.
Тестирующие импульсы в данной схеме (см. рис. 1) имеют следующие временные параметры: длительность импульса равна 5 мс, интервал следования составляет 200 мс. Формирование тестирующих импульсов в данной схеме осуществляется путем периодического разряда на линию предварительно заряженного конденсатора С2. Конденсатор заряжается от источника питания «+ипит» напряжением 24 В через резистор R3. Разряд конденсатора на линию происходит при открытии транзистора VT2, который получает
управляющий сигнал от генератора тестирующих импульсов через резистор R1. Связь разрядной цепи с линией светофора осуществляется через разделительный трансформатор Т1 для того, чтобы исключить объединение линий ламп разных светофоров через источник питания контрольных схем. Энергия импульса в данной схеме ограничена напряжением источника питания и емкостью конденсатора С2 и не может увеличиться выше определенного предела, даже если генератор тестирующих импульсов вследствие отказа увеличит длительность управляющих сигналов. Минимальный интервал следования импульсов определяется постоянной времени зарядной цепи. Если вследствие отказа генератора тестирующих импульсов интервал управляющих сигналов сократится, конденсатор не будет успевать заряжаться и энергия импульсов будет резко снижена. Таким образом, исключается опасное воздействие импульсной контрольной схемы на светофорную лампу при отказе элементов.
В КАБЕЛЬНУЮ ЛИНИЮ СВЕТОФОРА
Генератор
тестирующих
импульсов
Рис. 1 Импульсная схема контроля холодной нити
Надежность, живучесть, безопасность
83
<
X
ш
2
X
о
<
X
2
0_
О
ш
О
_Q
Рис. 2 Временная диаграмма работы импульсной схемы контроля холодной нити
Состояние нити определяется путем контроля уровня напряжения на конденсаторе в процессе разряда с помощью компаратора. Опорное напряжение для компаратора формируется делителем напряжения на резисторах R5, R6. Если нить исправна, конденсатор разряжается ниже уровня опорного напряжения компаратора и на выходе последнего формируются импульсы (в рассматриваемой схеме компаратор формирует отрицательные импульсы). При оборванной нити в линии светофора остается только индуктивная составляющая, разряд конденсатора будет незначительным и импульсов на выходе схемы не будет. Емкость линии не оказывает существенного влияния на работу схемы, так как ее величина на порядок меньше емкости конденсатора С2. Поскольку контролируется напряжение на
конденсаторе, а не ток разряда, схема является малочувствительной к воздействию помех, что особенно важно в связи с наличием влияния соседних цепей через емкость кабеля. Следует обратить особое внимание на то, что данная схема не отключается от линии светофора при включении светофорной лампы. Чтобы рабочее напряжение в линии светофора не шунтировалось контрольной схемой, последовательно с транзистором VT2 включен диод VD1 и реализована схема ограничения тока. В результате одна полуволна рабочего напряжения задерживается диодом, а другая полуволна ограничивается транзистором VT2. Резистор R2 и транзистор VT1 образуют датчик тока, который шунтирует цепь затвора транзистора VT2, если ток в цепи превышает установленное значение. Такое решение позволяет не
84
Надежность, живучесть, безопасность
только обеспечить совместимость контрольной схемы с цепью работающей светофорной лампы, но и повысить помехоустойчивость, поскольку за счет ограничения тока не позволяет короткому импульсу помехи разрядить конденсатор С2 при оборванной нити лампы.
Остальные элементы, показанные на схеме, предназначены для улучшения показателей работы схемы. Конденсатор С1 образует резонансный контур с индуктивностью, присутствующей в линии за счет наличия сигнального трансформатора. Это позволяет свести к минимуму изменение напряжения на конденсаторе С2 при оборванной нити лампы вследствие разряда на индуктивность. Резистор R4 понижает опорное напряжение компаратора и прекращает формирование сигнала на выходе после окончания тестирующего импульса. Это позволяет получить более высокую стабильность временных параметров сигнала на выходе схемы, что облегчает его дальнейшую обработку.
Следует отметить, что для реализации предложенной схемы контроля не требуется дефицитных компонентов. Генератор тестирующих импульсов и компаратор выполнены на основе операционных усилителей широкого применения LM358 (отечественный аналог - КР1040УД1). В качестве транзистора VT2 использованы довольно распространенные МОП-транзисторы
фирмы «International Rectifier», также имеющие отечественные аналоги.
4 Обработка сигналов на выходе схемы контроля холодной нити
Рассмотрим вопросы, касающиеся обработки сигналов на выходе импульсной схемы контроля. Очевидно, что сигнал, снимаемый с компаратора, должен подаваться на устройство, фиксирующее факт наличия или отсутствия импульсов. В зависимости от области применения данной схемы такое устройство может быть реализовано различными способами. При использовании контрольной схемы в микропроцессорных системах автоматики зада-
чу контроля наличия импульсов целесообразно возложить на программное обеспечение. За счет применения программного обеспечения можно легко реализовать статистическую обработку импульсов. Это обеспечит надежную работу схемы контроля при значительном удалении светофора, когда помехоустойчивость, обеспеченная схемными решениями, может оказаться недостаточной. Блок-схема алгоритма для статистической обработки приведена на рис. 3 и 4.
Рис. 3 Алгоритм фиксации нулевых отсчетов
Особенностью алгоритма является минимальное использование ресурсов микроконтроллера. Основной алгоритм статистической обработки требуется выполнять один раз в 1 мс, что оставляет микроконтроллеру достаточно много свободного времени для решения других задач. В результате выполнения алгоритма отсеиваются короткие импульсы (менее 1 мс), а также импульсы любой длительности, если период их следования превышает 250 мс. Для достоверного определения длительности импульсов необходимо опрашивать состояние выхода компаратора не реже одного раза в 100 мкс. Для этого используется короткий вспомогательный алгоритм, содержащий минимум операций - алгоритм фиксации нулевых отсчетов. Основной алгоритм статистической обработки анализирует результаты, полученные в процессе периодического выполнения вспомогательного алгоритма. Для выполнения указанных алго-
Надежность, живучесть, безопасность
85
ритмов в оперативной памяти микроконтроллера предусматривается ряд регистров, имеющих следующие условные наименования:
- «Регистр отсчетов», который обеспечивает фиксацию нулевых отсчетов, обнуляется в каждом цикле основного алгоритма;
- «Регистр памяти», который обеспечивает сохранение информации о количестве нулевых отсчетов в текущем цикле для анализа в следующем цикле;
- «Регистр выдержки», который обеспечивает отсчет выдержки времени после выявления очередного импульса, когда должен появиться следующий импульс;
- «Регистр накопления», предназначенный для накопления положительных (или отрицательных) промежуточных результатов тестирования;
- Ячейка «результат» - ячейка памяти, в которую записывается окончательный результат тестирования, получаемый путем оценки состояния регистра накопления.
Если за последние два цикла видим более 8 нулевых отсчетов, считаем, что пришел импульс и добавляем единицу в "регистр накопления"
Если за 250 мс не видим ни одного импульса, вычитаем единицу из "регистра накопления"
Если значение в "регистре накопления" возрастает до 5, считаем, что нить исправна;
Если значение в "регистре накопления" снижается до 4, считаем, что нить оборвана.
Рис. 4 Основной алгоритм статистической обработки
86
5 Заключение
В заключение следует сказать несколько слов о сфере применения рассмотренного технического решения. Схема разрабатывалась для использования в системе МПЦ-МПК и была интегрирована в состав силового модуля управления светофорными лампами. Аппаратура, содержащая встроенную схему контроля холодной нити, прошла лабораторные испытания и подтвердила свою работоспособность. Следует также отметить, что программная реализация статистической обработки сигналов при необходимости может быть заменена аппаратной с использованием интегрирующих схем на основе операционных усилителей.
___________Надежность, живучесть, безопасность
Библиографический список
1. Сапожников Вл.В. и др. Микропроцессорные системы централизации : учебник для техникумов и колледжей железнодорожного транспорта; под ред. Вл. В. Сапожникова. -М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 398 с. - ISBN 978-5-89035-525-6.
2. Котляренко Н. Ф. Путевая блокировка
и авторегулировка : учебник для вузов /
Н. Ф. Котляренко, А. В. Шишляков, Ю. В. Соболев, И. З. Скрыпин, В. А. Шишляков; под ред. Н. Ф. Котляренко. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Транспорт, 1983. - 408 с.
3. Кононов В. А. Основы проектирования электрической централизации промежуточных станций : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / В. А. Кононов, А. А. Лыков, А. Б. Никитин; под ред. В. А. Кононова. - М. : УМК МПС России, 2002. - 316 с. - ISBN 5-89035-118-4.
а
'X 5 кандидатских диссертаций аспиранты кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» защитили на немецком языке в Институте информатики Потсдамского университета в Германии.
