CC BY
41
УДК 629.423
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ ПОДВИЖНОГО
СОСТАВА
Д.В. Журавлёв, Ю. С. Балашов
Описана разработанная информационно-вычислительная система пятого поколения для регистрации и обработки показаний разнообразных датчиков, применяемых в различных областях науки и техники. Система представляет собой организационно-технический комплекс, который имеет возможность обеспечивать сбор, передачу, обработку, хранение, вывод и стратегический анализ данных. Проведен обзор разработанной информационно-вычислительной системы применительно к контролю дестабилизирующих факторов, возникающих в процессе движения железнодорожного подвижного состава
Ключевые слова: дистанционный контроль, информационно-вычислительная система, техносферная безопасность
Разработанная универсальная информационно-вычислительная система (ИВС) предназначена для регистрации в режиме реального времени показаний датчиков (концентрации газа, температуры, дыма, вибрации, биологических параметров живых организмов и др.), анализа показаний датчиков, определения граничных значений показаний, генерации и выдачи информационных сообщений о приближении показаний к граничным значениям или их превышении, отображения в структурированной форме всех полученных данных. Область применения системы ограничена лишь набором аналоговых и цифровых датчиков. Система способна отслеживать показания различных типов датчиков одновременно, например, следить за концентрацией углекислого газа в помещении, частотой пульса человека, атмосферным давлением и влажностью, передавая параметры на удаленный сервер. Также ИВС позволяет формировать управляющие сигналы для исполнительных устройств: включить вентиляцию, управлять освещением и т.д. Отличительной особенностью данной системы является то, что ее архитектура строится на стандартных персональных вычислительных средствах, таких как смартфон, коммуникатор, планшетный ПК или нетбук.
Рассмотрим пример реализации разработанной ИВС для контроля и анализа дестабилизирующих факторов в подвижном железнодорожном составе.
Безопасность железнодорожного подвижного состава - состояние состава, при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни или здоровью граж-
Журавлёв Дмитрий Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: ddom1 @yandex.ru, http://B-B.su Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: faddey52@mail.ru
дан, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, а также окружающей среде, жизни или здоровью животных и растений [1]. Поэтому на железнодорожном подвижном составе должен быть обеспечен контроль параметров следующих дестабилизирующих факторов: климатических (температура, влажность, атмосферное давление и т.д.); механических (вибрации, удары, линейные ускорения, акустические шумы, виброакустический контроль буксовых узлов колесных пар); биологических (микроорганизмы и плесневые грибы, насекомые и т.д.); электромагнитных (электромагнитная совместимость в части обеспечения безопасности работы приборов и оборудования). Также должны быть обеспечены химическая, электрическая, пожарная, взрыво-, термо- безопасности.
Для одновременного контроля и анализа большого количества параметров дестабилизирующих факторов в подвижном составе существует необходимость создания единой ИВС, обеспечивающей автоматизированный сбор, передачу обработку, хранение и предоставление оператору информации о состоянии железнодорожного подвижного состава. Разработанная ИВС является программируемым комплексом, с возможностью реализации программных алгоритмов регистрации и обработки показаний датчиков, алгоритмов и протоколов обмена по последовательным интерфейсам и радиоканалу, и позволяет: работать практически с любыми внешними датчиками, в том числе интеллектуальными, имеющими собственные встроенные алгоритмы снятия и обработки показаний; производить гибкую подстройку диапазона чувствительности системы отдельно для каждого входного канала регистрации показаний к электрическим характеристикам датчика; поддержи-
вать программную коррекцию погрешности датчиков.
Структурная схема трехуровневой дистанционной ИВС представлена на рис. 1.
1 -й уровень - носимые устройства в микроисполнении
Различные датчики
Ж
Устройства согласующие
Ж
Система на кристалле
Устройства радиочастотного интерфейса Wi-Fi, Bluetooth
2-й уровень
Вычислительные ресурсы для обработки регистрируемой информации
Серверы для хранения регистрируемой информации
V7
Сеть РЖД на базе Intranet
ZS
3-й уровень
Конечные устройства отображения информации и
управления программируемым комплексом (планшетный компьютер, смартфон)
Устройства радиочастотного интерфейса Wi-Fi, Bluetooth
Рис. 1. Трехуровневая дистанционная ИВС
Основу ИВС составляют устройства 1-го уровня. Структурная схема устройств 1-го уровня представлена на рис. 2. В структуру устройств 1-го уровня входят следующие основные блоки:
1. Система на кристалле;
1.1. процессорное ядро, логика управления и принятия решений;
1.2. память программ;
1.3. память данных;
1.4. АЦП;
1.5. блок цифровых компараторов;
1.6. модули приема/передачи данных;
1.7. блок ШИМ;
1.8. модуль высокоскоростного ввода/вывода;
2. Блок усиления/нормализации уровней сигналов аналоговых датчиков;
3. Цифровые интерфейсы захвата данных с интеллектуальных датчиков;
4. Модуль внешних интерфейсов, поддерживающий различные стандарты обмена данными.
Рис. 2. Структурная схема устройств 1-го уровня
Основой системы является микропроцессорное ядро, выполняющее программу, которая содержится во встроенной памяти в системе на кристалле или во внешней памяти. Программа может быть изменена по желанию пользователя под конкретные задачи (обработка показаний датчиков дыма, тахометрических датчиков, датчиков пульса и др.).
Система принимает решения исходя из показаний датчиков, которые могут быть подключены по двум типам интерфейсов: аналоговому и цифровому.
Аналоговый интерфейс осуществляет захват показаний датчиков как непосредственно с чувствительных элементов датчиков без промежуточной обработки, так и после встроенных схем усиления датчиков (при наличии таковых), а также выполняет начальную обработку аналоговых сигналов (адаптацию к входным параметрам АЦП).
Для эффективной работы с датчиками, выходные сигналы которых могут находиться в широком диапазоне напряжений, от единиц микровольт до десятков вольт, в структуру системы входит блок усиления\нормализации аналоговых сигналов, в составе которого используется набор операционных усилителей с регулируемым коэффициентом усиления. Слабые сигналы усиливаются, а сильные сигналы ослабляются до рабочих уровней аналого-цифровых преобразователей, осуществляющих оцифровку сигналов датчиков.
Нормализованные сигналы датчиков поступают на входы АЦП, входящих в состав системы на кристалле, которые выполняют оцифровку их в масштабе реального времени.
Цифровой входной интерфейс может принимать предварительно обработанные данные с внешних датчиков и передавать оцифрованные сигналы на последующую обработку минуя тракт аналоговых преобразователей. Обмен цифровыми данными при этом может производиться по различным видам протоколов: CAN, RS232, RS485, SPI, I2C, LIN, параллельная шина и др. В этом случае в качестве внешних датчиков могут быть использованы интеллектуальные датчики или аналоговые датчики с внешними АЦП.
Регистратор событий, в структуру которого входят встроенные АЦП и цифровые интерфейсы приема данных, передает оцифрованные сигналы датчиков на последующую обработку, при этом данные могут быть помещены на хранение в кратковременную память.
Программа обработки показаний датчиков выполняется из внутренней памяти системы на кристалле и сравнивает текущие показания с пороговыми значениями, которые могут быть установлены предварительно и определены независимо для каждого типа или номера датчика. Количество ступеней программного компаратора ограничено фактически лишь разрядностью АЦП, что позволяет реализовать с помощью системы большое количество уровней формирования предупреждающих сообщений и индикаторов тревоги. Ресурсы системы поддерживают программную коррекцию показаний датчиков, учитывая технологически обуслов-
ленный разброс параметров датчиков, а также, в зависимости от требований потребителя, позволяют выполнять различные виды подстройки системы под показания тех или иных датчиков (температурную коррекцию, подстройку порога чувствительности и др.).
После формирования сигналов сообщений о приближении к порогу срабатывания, предупредительных сообщений или сигналов тревоги вступает в работу блок обмена данными и сигналами управления. Выработанные сигналы передаются выбранным способом на пульт управления, если таковой имеется в составе общего комплекса: по радиоканалу, последовательным (CAN, RS232, RS485, SPI, I2C, LIN и др.) или параллельному интерфейсу, либо на устройство предупреждения и тревоги, роль которого могут выполнять устройства аудио или видео оповещения, различные визуальные и звуковые сигнализаторы.
Блок обмена данными и сигналами управления поддерживает обмен данными или командами с любыми другими внешними устройствами по перечисленным выше протоколам, позволяет выполнять программирование системы в соответствие с требованиями потребителя, изменять программный код в зависимости от типа используемых датчиков, корректировать алгоритмы обработки сигналов датчиков и формирования ответных сигналов, что делает систему гибкой и универсальной, обеспечивает возможность использования ее для широкого спектра приложений и применений.
Ресурсы системы позволяют формировать управляющие сигналы для исполняющих механизмов (если таковые имеются), осуществлять их включение\отключение, регулировку режимов работы. Встроенный многоканальный модуль ШИМ и модуль высокоскоростного вво-да\вывода могут использоваться для формирования управляющих последовательностей электрических двигателей. Пример использования формирователей - запуск двигателей приточной вентиляции в случае повышения концентрации углекислого газа в атмосфере рабочих помещений и изменение скорости притока в зависимости от концентрации газа.
Устройства 1-го уровня представляют собой малогабаритные приборы на основе стандартной системы на кристалле с блоками радиочастотного интерфейса. Устройства 1-го уровня имеют сверхнизкое потребление питания, что позволяют им непрерывно функционировать в течение длительного времени. Для реализации устройств 1 -го уровня подходит микроконтроллер 1874ВЕ96Т [2]. Структурная схема системы
на кристалле для устройств 1 -го уровня показана на рис. 3. Микросхема представляет собой СБИС однокристального 16-разрядного микроконвертера с тактовой частотой до 33 МГц, ОЗУ (2024x8) бит, расширенным ОЗУ (2048x8) бит, восемью 16-разряднымыми АЦП с возможностью дифференциального включения входов и блоком цифровых компараторов, 14-разрядным ЦАП, 3-канальным ТТТИМ, двумя последовательными портами ввода-вывода (UART0 и UART1), синхронным последовательным интерфейсом SPI, интерфейсом I2C, с внутренней памятью программ типа EEPROM (16Кх16) бит, устройством высокоскоростного ввода-вывода, отладочным модулем и сторожевым таймером.
Рис. 3. Структурная схема системы на кристалле для устройств 1 -го уровня
С помощью стандартных интерфейсов к системе на кристалле подключен радиомодуль Wi-Fi, работающий по протоколу IEEE 802.11. Микросхема STLC4550 (рис. 4), выпускаемая компанией STMicroelectronics, ориентирована на применение в мобильной электронике и отличается минимальным энергопотреблением. В одной микросхеме размером 8x8 мм находится весь радиочастотный тракт, синтезаторы частоты, высокоскоростные конвертеры, baseband-контроллер, управляющий процессом передачи данных через радиоканал. Функции взаимодействия с внешним процессором, а также шифрование данных выполняет интегрированный в схему MAC-контроллер с ядром ARM9. Для обмена данными между STLC4550 и внешним CPU используется последовательный интерфейс SPI либо SDIO [3].
Главной задачей обеспечения техносфер-ной безопасности на железнодорожном транспорте является непрерывный контроль состоя-
ния подшипников буксовых узлов колесных пар вагонов. Только своевременное выявление неисправностей подшипников позволяет избежать схода колеса с рельса и как следствие всего состава. Проводят как виброакустический контроль буксовых узлов колесных пар [4], так и контроль температуры буксового узла [5].
Рис. 4. Структурная схема чипсета Wi-Fi на базе микросхемы STLC4550
При этом устройства регистрации 1-го уровня закрепляются непосредственно на каждом буксовом узле состава. В качестве датчиков для устройств регистрации используют пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи ДН-3-М1 для контроля и анализа уровня вибрационных сигналов и пироэлектрический датчик для бесконтактного контроля температуры. Повышение температуры буксового узла колесной пары одновременно с ростом средне-квадратических значений виброускорений говорит о неисправности подшипника и необходимости его замены для предотвращения техно-сферной катастрофы.
С помощью сетевых процессоров BCM5352 от компании Broadcom и AR7100 от компании Atheros на подвижном составе создаются стандартные точки доступа для взаимодействия с уровнями 2 и 3 ИВС. Все регистраторы 1-го уровня по сети Wi-Fi в автоматическом режиме соединены с точками доступа.
Стандартная точка доступа также может быть организована на чипсете AR5008, выпускаемый компанией Atheros (рис. 5). Такой чипсет реализовывает базовую функцию устройства, позволяющую обмениваться данными с ЭВМ и регистраторами 1-го уровня, а также осуществлять прием и трансляцию пакетов данных через эфир.
Рис. 5. Структура чипсета AR5008
Этапы разработки универсальной ИВС заключались в следующем:
1. Системное проектирование; Декомпозиция проекта, - разбиение его на составные части (блоки), выбор общей архитектуры устройства, определение способов взаимодействия составных частей друг с другом, разработке спецификаций для каждого блока;
2. Проектирование или подбор компонентов системы; Определение основных способов выполнения требований спецификаций, осуществляется физическая разработка и отладка отдельных компонентов системы;
3. Сборка системы, физическое проектирование; Иерархическое объединение блоков проекта в единое целое; Разработанные на этапе проектирования блоки организуются в соответствии со спецификациями в единый комплекс; Выполняется функциональное моделирование проекта, разработка физиче-
ского представления системы (топология), аналоговое (смешанное) моделирование; 4. Программное проектирование, отладка проекта; Разработка базового программного обеспечения системы.
Созданная ИВС пятого поколения позволяет устранить основные недостатки систем четвертого поколения: большие капиталовложения в компьютеризацию техносферных образований, предъявление высоких требований к квалификации пользователей. Концептуальная модель ИВС предполагает использование блочно-модульного принципа построения системы, что позволяет формировать её иерархический состав гибко и просто в зависимости от задач применения. ИВС также может быть использована для контроля функциональных параметров пациентов группы риска по различным заболеваниям, военнослужащих выполняющих боевые задания в отрыве от основных групп войск, так и контроля технических параметров различных сред и устройств в промышленности.
Литература
1. ТР ТС 001/2011. О безопасности железнодорожного подвижного состава. Технический регламент ТС [Текст]. - Введ. 2011-07-15.- М.: Комиссия Таможенного союза, 2011. - 66 с.
2. 16-разрядный микроконвертер [Электронный ресурс] : Режим доступа : World Wide Web. URL : http://www.niiet.ru/chips/microconvertors/
3. Гусев, А. Аппаратные решения чипсетов Wi-Fi [Текст] / А. Гусев // Первая миля. - 2007. - №3. - С. 22-28.
4. Пат. 131481 Российская Федерация, МПК G01H11/00. Устройство диагностическое виброизмерительное [Текст] / Журавлев Д.В., Бовкун А.С., Мочалов М.М. ; заявитель и патентообладатель ООО "Промышленная экология и безопасность". - №2013108653/28 ; заявл. 26.02.2013 ; опубл. 20.08.2013, Бюл. № 23. - 2 с.
5. Пат. 59821 Российская Федерация, МПК G01J5/08. Пирометр [Текст] / Журавлев Д.В., Костин А.А., Мочалов М.М. ; заявитель и патентообладатель ООО "Промышленная экология и безопасность" . - № 2006126775/22 ; заявл. 21.07.2006 ; опубл. 27.12.2006, Бюл. № 36. - 2 с.
Воронежский государственный технический университет
CONTROL SYSTEM DESTABILIZING FACTORS ROLLING STOCK D.V. Zhuravlev, Y.S. Balashov
The developed information-processing system of the fifth generation for the registration and processing of the readings of various sensors used in various fields of science and technology. The system is an organizational and technical complex, which is able to provide collection, transfer, processing, storage, output and strategic data analysis. The review developed an information system with respect to control destabilizing factors arising in the process of movement of railway rolling stock
Key words: remote monitoring, information and computing system, technosphere safety
