CC BY
158Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов УДК 681.518.5:625.151.2
М. С. Иваникин,
Д. В. Ефанов, канд. техн. наук
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ВЫБОР УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАССТОЯНИЙ МЕЖДУ ПОДВИЖНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ СТРЕЛОЧНОГО
ПЕРЕВОДА
Введение
Современные системы технического диагностирования и мониторинга (СТДМ) контролируют в основном электрические параметры устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), чего, естественно, недостаточно для получения полной информации о техническом состоянии многих устройств [1-4]. Наличие СТДМ на объектах станции не дает возможности постановки максимально точного диагноза для напольных объектов ЖАТ. Поэтому до сих пор невозможно отказаться от ручного технического диагностирования силами электромехаников сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ). Например, разработчики СТДМ ЖАТ активно ведут исследования в области контроля электрических параметров стрелочных электроприводов [5-12]. Не меньшего внимания, однако, заслуживают и подвижные элементы стрелочного перевода, который служит объектом управления для стрелочного электропривода.
Одна из функций электропривода1 - косвенный контроль положения остряков стрелочного перевода. Решение этой задачи возлагается на контрольные линейки, автопереключатель и типовые схемы контроля. Контроль положения остряков является косвенным, так как фактически контролируется положение контрольных линеек. Автопереключатель электропривода не контролирует фактическую величину отжима остряка ни в горизонтальной, ни в вертикальной плоскостях, которая при проходе подвижного состава по стрелке может превышать допустимые значения. Поэтому актуальной задачей является не только косвенный контроль электрических параметров стрелочного электропривода, но и контроль фактического положения остряков [13]:
■ контроль зазора между остряком и рамным рельсом в различных режимах работы стрелочного перевода;
1 Имеются в виду электроприводы марки СП. 150
Техническая диагностика и прогнозирование
■ контроль взреза стрелки;
■ контроль положения остряков при выключении стрелок из централизации.
К этому списку необходимо добавить контроль провисания остряка, повышения или понижения его относительно рамного рельса и т. д.
Автоматизация решения данных задач возможна путем внедрения специальных датчиков контроля расстояний. Датчики должны быть ультразвуковыми, а не индукционными или оптическими. Контроль, осуществляемый с использованием ультразвуковых датчиков, позволит выявлять предотказное состояние стрелочного перевода в целом, что даст возможность исключить отказы, в том числе такое явление, как «опасный отказ».
1. Существующая система контроля стрелки
В настоящее время фирмой ООО «НПЦ «АТ Транс» сконструирована аппаратура бесконтактного автоматического контроля стрелочных переводов (АБАКС). АБАКС предназначен для контроля положения остряков стрелочного перевода с проверкой плотности прилегания остряков к раме. Аппаратурой могут быть оборудованы как централизованные, так и нецентрализованные и ручные стрелки. АБАКС включает в себя напольную и постовую части. К напольной относятся два датчика контроля ДПО-1, закрепляемые в шейках рамных рельсов и блок контроля БКПО-3, устанавливаемый в типовой кабельной муфте УПМ-24. Аппаратура в увязке с электрической централизацией работает следующим образом. После перевода стрелки, если прижатый остряк занял положение ближе 4 мм к рамному рельсу, блоком включения реле положения дается разрешение на включение соответствующего реле (ПК или МК) [14].
При отставании остряка от рамного рельса на 4 (3,5) мм и более на блоке БКПО в муфте и на пульте АБАКС включаются красные индикаторы, при этом на пульте дополнительно (после выдержки времени 8...10 с) включается звуковая сигнализация. Световая сигнализация срабатывает при каждом переводе стрелки и подтверждает тем самым работоспособность аппаратуры. Аппаратура имеет встроенную схему самодиагностирования [15].
Преимущества АБАКС очевидны, однако нельзя не заметить и весомые недостатки [13]:
■ сложность установки датчиков;
■ не обеспечивается непосредственный контроль остряка;
■ значительно усложнена существующая система контроля стрелки (дополнительные жилы кабеля), и, как следствие, увеличена вероятность возникновения отказов;
■ увеличены эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт;
151
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
■ автопереключатель электропривода совместно с АБАКС контролирует только произошедший отказ.
Эффективной альтернативой применения АБАКС является создание системы контроля расстояний между подвижными элементами стрелочного перевода с применением ультразвуковых датчиков.
2. Ультразвуковые датчики расстояния
На рис. 1 представлен принцип работы ультразвуковых датчиков. Ультразвуковые датчики излучают короткие высокочастотные звуковые импульсы определенного интервала. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. При встрече с объектом звуковая волна отражается от него обратно в качестве эха. Датчик принимает этот сигнал и рассчитывает расстояние до объекта, основываясь на временном промежутке между образованием сигнала и получением эха сигнала [16].
1. Излучение звукового импульса
2. Отражение
^ --------------------
^~лМг--------------М.
Q3. Получение эха сигнала
Рис. 1. Принцип работы ультразвуковых датчиков Достоинства ультразвуковых датчиков [4]:
■ ультразвуковые датчики идеально подавляют фоновые шумы, так как расстояние до объекта определяется с помощью измерения времени полета звуковой волны, а не ее интенсивностью;
■ практически все материалы, отражающие звук, могут использоваться в качестве объектов обнаружения, независимо от их цвета, даже прозрачные материалы и тонкие пленки не представляют проблемы для ультразвуковых датчиков;
■ ультразвуковые датчики могут «видеть» сквозь запыленный воздух, туман, даже небольшой налет на мембране сенсора не влияет на их работу;
■ различные режимы работы и конфигурации устройства позволяют использовать ультразвуковые датчики на различных автоматизированных установках.
152
Техническая диагностика и прогнозирование
Ультразвуковые датчики могут работать в различных режимах. Рассмотрим режим работы с отражателем (рис. 2). В качестве отражателя может использоваться любой хорошо отражающий звук объект (например, металлическая пластина). Данный режим применяется для работы с объектами, плохо отражающими звук либо объектами со сложной геометрией (когда отраженные звуковые волны не попадают на поверхность сенсора). В данном случае датчик работает как датчик расстояния.
3. Конструкция, крепление, передача данных
Существует большое количество фирм, выпускающих различные ультразвуковые датчики. Все эти датчики схожи, но не все могут контролировать расстояние от 0 до 4 мм. В таблице приведено сравнение датчиков различных фирм.
Таблица
Сравнение ультразвуковых датчиков
Критерии сравнения Ультразвуковые датчики
mic+25/D/T C nano-15/CD UNAM 12U9914/S14D UNAM 12U9914/S14 BUS M18M1
Производитель Microsonic Microsonic Baumer Baumer Balluff
Диапазон срабатывания, мм 30...250 20.150 2.82 20.200 25.. 250
Точность, мм 0,025 0.069 0,3 0,5 0,069
Слепая зона, мм Менее 30 Менее 20 Менее 2 Менее 20 Менее 25
Рабочая температура, °С о г-' (N 1 о г-' (N 1 -25.60 -25.60 о г-' (N 1
Стоимость, руб. 11 927,56 11 494,08 15 457,99 12 749,14 19 887,44
153
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Из таблицы можно сделать вывод: для контроля расстояния между прижатым остряком и рамным рельсом (не более 4 мм) подойдет датчик фирмы Baumer UNAM 12U9914/S14D, так как диапазон срабатывания этого датчика составляет от 2 до 82 мм. Кроме того, можно контролировать расстояние между отжатым остряком и рамным рельсом, в этом случае подойдет датчик фирмы Baumer UNAM 12U9914/S14, так как его диапазон срабатывания составляет от 20 до 200 мм.
Рассмотрим более подробно датчик Baumer UNAM 12U9914/S14D.
На рис. 3 представлен внешний вид ультразвукового датчика, показаны его реальные размеры.
Рис. 3. Ультразвуковой датчик расстояния Baumer UNAM 12U9914/S14D
Перед монтажом датчиков на стрелочном переводе должны быть проведены подготовительные работы. В шейках рамных рельсов стрелочного перевода должны быть просверлены отверстия 0 = 15+1 мм для крепления датчиков расстояния в соответствии с рис. 4.
Аппаратура монтируется на стрелочном переводе согласно рис. 5 в следующем порядке:
■ установить и закрепить датчик двумя гайками с пружинной шайбой;
■ рукав соединительного защитного комплекта от дальнего датчика уложить под раму стрелочного перевода согласно рис. 5;
■ соединительные провода от датчиков протянуть через рукава защитного монтажного комплекта в муфту; рукава надеть на резьбовые окончания датчиков и ниппели фланцев на муфте и обжать проволочной скруткой;
■ рукава защитного монтажного комплекта закрепить на деревянной шпале типовыми скобами; если стрелочный перевод уложен на железобе-154
Техническая диагностика и прогнозирование
тонных шпалах - рукава защитного монтажного комплекта уложить и закрепить на доске, принять меры к защите рукавов от механических повреждений в процессе эксплуатации;
■ блок питания установить в муфте на посадочные отверстия и закрепить винтами с шайбами из комплекта.
Рис. 5. Размещение датчиков на стрелочной гарнитуре
155
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Ультразвуковые датчики в составе системы контроля расстояний между подвижными элементами стрелочного перевода могут быть увязаны с любыми современными СТДМ [2, 3, 17, 18].
Заключение
В данной статье рассмотрены методы контроля расстояний между подвижными элементами стрелочного перевода. Если сравнивать аппаратуру АБАКС с ультразвуковыми датчиками расстояния, можно сделать вывод о том, что ультразвуковые датчики лучше по своим характеристикам, так как АБАКС может определять только плотность прижатия остряка к рамному рельсу и зона контроля у АБАКС от 0 до 10 мм. У ультразвуковых датчиков зона контроля достигает 80 мм и более, это обеспечивает более детальный контроль стрелки в реальном времени. В будущем планируется контролировать не только расстояние между остряком и рамным рельсом, но и другие зоны, например понижение остряка относительно рамного рельса.
Внедрение новых датчиков контроля неэлектрических параметров вкупе с алгоритмизацией обработки диагностической информации [19-23] позволяет приблизить современную систему технического обслуживания устройств ЖАТ к прогрессивной технологии обслуживания по фактическому состоянию.
Библиографический список
1. Федорчук А. Е. Новые информационные технологии: автоматизация технического диагностирования и мониторинга устройств ЖАТ (система АДК-СЦБ) : учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А. Е. Федорчук, А. А. Сепетый, В. Н. Иванченко. - Ростов н/Д : РГУПС, 2008. - 444 с.
2. Молодцов В. П. Системы диспетчерского контроля и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : учеб. пособие / В. П. Молодцов, А. А. Иванов. -СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - 140 с.
3. Ефанов Д. В. Основы построения и принципы функционирования систем технического диагностирования и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : учеб. пособие / Д. В. Ефанов, А. А. Лыков. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. - 59 с.
4. Ефанов Д. В. Техническое диагностирование и мониторинг устройств автоматики в метрополитенах / Д. В. Ефанов // Автоматизация в промышленности. - 2014. - № 3. - С. 4-8.
5. Руденко В. М. Телемеханическая диагностика стрелочного привода и электродвигателя // Разработка и эксплуатация новых устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; под. ред. Вл. В. Сапожникова. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - 2004. - С. 77-81.
6. Чухонин В. М. Измерение фазовых соотношений в стрелочных электроприводах с двигателями переменного тока / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов // Разработка и эксплуатация новых устройств и систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; ред. Вл. В. Сапожникова. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2004. -С. 21-24.
156
Техническая диагностика и прогнозирование
7. Чухонин В. М. Оценка погрешности метода измерения cos9 при переводе стрелки переменного тока / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов, А. К Легоньков, А. С. Падалко // Проблемы разработки, внедрения и эксплуатации микроэлектронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; ред. Вл. В. Сапожников. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2005. - С. 43-46.
8. Ефанов Д. В. Функциональное диагностирование стрелочных электроприводов переменного тока / Д. В. Ефанов, Е. В. Басалаев, В. Г. Алексеев // Транспорт Урала. - 2012. -№ 4. - С. 26-29.
9. Чухонин В. М. Нормирование активной мощности двигателей переменного тока при переводе стрелки / В. М. Чухонин, Б. Л. Горбунов, Е. В. Басалаев // Развитие элементной базы и совершенствование методов построения устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. тр. ; под ред. Вл. В. Сапожникова. - СПб. : ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2014. - С. 23-25.
10. Волков А. А, Выявление предотказов стрелочных электроприводов / А. А. Волков, Д. С. Першин, С. Н. Григорьев // Автоматика, связь, информатика - 2014. - № 4. -С. 16-18.
11. Бочкарев С. В. Совершенствование методов диагностирования стрелочного переводного устройства / С. В. Бочкарев, А. А. Лыков, Д. С. Марков // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 1. - С. 40-50.
12. Иванов А. А. Новые приборы регистрации параметров устройств железнодорожной автоматики в системе АПК-ДК (СТДМ) / А. А. Иванов, А. К. Легоньков, В. П. Молодцов // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 3. - С. 282-297.
13. Концепция реорганизации хозяйства СЦБ [Электронный ресурс]. - Режим доступа : [http://pandia.ru/text/78/425/46547.php].
14. Аппаратура АБАКС [Электронный ресурс]. - Режим доступа : [http://attrans.ur.ru/ index.php?id=57&Itemid=59&option=com_content&view=article].
15. Системы автоматизированной диагностики состояния стрелочного перевода АБАКС
[Электронный ресурс]. - Режим доступа : [http://rail.uzdk.ru/stroenie-puti/sistemy-
avtomatizirovannoj-diagnostiki-sostoyaniya-strelochnogo-perevoda-abaks].
16. КИП-Сервис. Ультразвуковые датчики [Электронный ресурс]. - Режим доступа : [http://kipservis.ru/microsonic_ultrazvukovie-datchiki.htm].
17. Ефанов Д. В. Обеспечение безопасности движения за счет технического диагностирования и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. В. Ефанов, П. А. Плеханов // Транспорт Урала. - 2011. - № 3. - С. 44-48.
18. Лыков А. А. Техническое диагностирование и мониторинг состояния устройств ЖАТ / А. А. Лыков, Д. В. Ефанов, С. В. Власенко // Транспорт Российской Федерации. -2012. - № 5. - С. 67-72.
19. Горишний Д. В. Алгоритм выявления зависимостей между сбоями устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. В. Горишний, Э. А. Мамаев // Наука и техника транспорта. - 2010. - № 2. - С. 57-65.
20. Ефанов Д. В. Метод кодирования состояний диагностируемых объектов / Д. В. Ефанов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2010. - № 2. -С. 74-85.
21. Ефанов Д. В. Метод автоматизации проверки логики функционирования объектов диагностирования в системах удаленного контроля и мониторинга / Д. В. Ефанов // Транспорт Урала. - 2014. - № 3. - С. 58-62.
22. Ефанов Д. В. Некоторые аспекты развития систем функционального контроля устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. В. Ефанов // Транспорт Урала. -2015. - № 1. - С. 35-40.
Email: maksimivanikin@gmail.com
157
