автореферат диссертации по транспорту, 05.22.08, диссертация на тему:Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики

| 8ЙГ:ТРП№И (

1 Н& правах рукописи

КОВКИН Алексей Николаевич

УДК 656.25

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ УПРАВЛЯЮЩЕГО

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА С ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ОБЪЕКТАМИ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ

Специальность 05.22.08 - «Управление процессами перевозок»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2005

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Гавзов Дмитрий Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Беляков Игорь Васильевич

кандидат технических наук Бушуев Сергей Валентинович

Ведущее предприятие - Омский государственный университет путей сообщения.

Защита состоится 29 сентября 2005 г. в 15.00 час. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «_» августа 2005 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Наметившаяся в настоящее время тенденция в развитии средств автоматизации на железнодорожном транспорте предполагает широкое внедрение микропроцессорных систем. Микропроцессорные средства, предполагающие решение целого ряда задач на уровне программного обеспечения, позволяют существенно расширить функциональные возможности систем автоматики. Значительное уменьшение количества электромагнитных реле, применение перспективной элементной базы позволяют существенно снизить затраты на строительство, повысить надежность функционирования новых систем. Развитые возможности самодиагностики обеспечивают значительное снижение затрат на обслуживания новых систем автоматики, построенных на основе микропроцессорной техники. Наиболее полная реализация изложенных выше достоинств микропроцессорных систем автоматики обеспечивается в том случае, если большая часть функций системы автоматики, включая функции, непосредственно связанные с обеспечением безопасности движения поездов, реализуется на уровне вычислительных средств. Одной из важнейших

задач, возникающих при построении таких систем, является обеспечение безопасного сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами. Учитывая тенденцию к снижению количества электромагнитных реле, наиболее перспективным направлением следует считать использование для этой цели бесконтактных схемотехнических решений. Безопасность в этом случае обеспечивается либо за счет периодического тестирования ключевых элементов, либо путем использования функциональных преобразователей, представляющих собой электронные устройства с несимметричным отказом. Основной проблемой при создании безопасных устройств сопряжения является обеспечение и доказатель-

ство безопасности схемотехнических решений, построенных на основе элементов с симметричной характеристикой отказов и характеризующихся повышенной чувствительностью к воздействию различных дестабилизирующих факторов, в частности, связанных с отказами источников электропитания.

Целью исследования является предложение методики оценки безопасности функционирования электронных устройств с несимметричным отказом, обеспечивающей необходимую полноту доказательства безопасности, а также разработка и экспериментальная проверка методов и средств обеспечения безопасности функционирования бесконтактных устройств сопряжения с учетом влияния различных дестабилизирующих факторов.

Основными задачами диссертационной работы являются:

1. Обоснование необходимости рассмотрения безопасных УСО на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом, как аналоговых устройств. Разработка основных теоретических положений и обобщенных методик доказательства параметрической безопасности аналоговых устройств в системах железнодорожной автоматики.

2. Предложение методов практической реализации безопасных УСО, построенных на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

3. Разработка методик расчета основных показателей безопасности различных схемотехнических решений, используемых для построения функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

4. Выработка специфических рекомендаций по обеспечению безопасности такого вида УСО, как устройства ввода информации.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертации задач, связанных с определением параметрических показателей безопасности различных устройств сопряжения, использовались аналитические методы расчета, основанные на теории линейных и нелинейных электрических цепей. Для оценки вероятности опасного отказа источников электропитания безопасных УСО применялись методы теории надежности. Кроме того, использовались экспериментальные методы исследования, включающие в себя физическое моделирование электронных устройств с несимметричным отказом с последующим проведением испытаний на безопасность при возникновении отказов элементов и воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Достоверность научных положений обоснована теоретическими исследованиями и подтверждена экспериментальной проверкой в лабораторных и эксплуатационных условиях.

Научная новизна. Определены основные понятия и разработаны методические основы оценки параметрической безопасности электронных устройств с несимметричным отказом. Получены теоретические и экспериментальные оценки величины порога надежной дезактивизации для различных устройств. Сформулированы требования к УСО, предназначенными для непосредственного управления напольными объектами систем железнодорожной автоматики. Разработаны технические средства, реализующие двухуровневый принцип построения устройств сопряжения на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом. Разработаны методы защиты силовых функциональных преобразователей от опасного воздействия пульсаций питающего напряжения. Исследованы

вопросы, связанные с обеспечением безопасности функциональных преобразователей, работающих на кабельную линию. Разработаны методы и средства обеспечения параметрической безопасности устройств ввода информации. Рассмотрены вопросы, связанные с контролем исправности источников электропитания безопасных УСО.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе научные результаты позволяют решить вопросы обеспечения безопасности устройств сопряжения для систем железнодорожной автоматики и являются основой для инженерных разработок в данной области. Технические решения, предложенные в диссертации, были использованы для разработки аппаратуры безопасного сопряжения для микропроцессорной централизации МПЦ-МПК. Кроме того, полученные результаты могут найти применение в процессе экспертизы технических решений вновь разрабатываемых систем железнодорожной автоматики.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались при разработке и внедрении лабораторных установок микропроцессорной централизации МПЦ-МПК в ряде высших учебных заведений. Ведутся работы по проектированию микропроцессорных централизации для объектов железнодорожного транспорта и метрополитена. На 23 станциях железнодорожного транспорта и метрополитена успешно эксплуатируются предложенные в диссертации технические решения по контролю исправности источников питания ЭЦ-МПК.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в ходе научно-технической конференции, посвященной 125-летию Свердловской железной дороги (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2003 г.), а также на первой международной научно-практической конференции «ТрансЖАТ - 2004» (г. Санкт-Петербург, 2004 г.) и всероссийской научно-

практической конференции «Транспорт - 2005» (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений, содержит 164 с. основного текста, 43 рисунка. Библиография включает 80 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе диссертационной работы проведен анализ существующих направлений в разработке безопасных устройств сопряжения с объектами. Все многообразие технических решений устройств сопряжения, осуществляющих управление объектами, можно свести к двум основным направлениям: построение УСО на основе тестируемых ключей и использование в составе УСО функциональных преобразователей с несимметричным отказом. В последнем случае безопасность функционирования устройств сопряжения обеспечивается за счет того, что при возникновении неисправности ключей преобразователь теряет способность активизировать исполнительный объект. При построении УСО на основе тестируемых ключей должны предусматриваться устройства, осуществляющие достаточно быстрое отключение питания исполнительных объектов при обнаружении неисправных коммутационных элементов. Кроме того, необходимость периодического тестирования ключей требует привлечения дополнительных ресурсов вычислительной системы, а также использования дополнительных аппаратных средств, осуществляющих ввод информации о состоянии коммутационных элементов УСО в управляющий вычисли-

тельный комплекс. Устройства сопряжения, использующие функциональные преобразователи с несимметричным отказом, свободны от данных недостатков, но в то же время, предполагают использование более сложных силовых схемотехнических решений. В настоящее время получают широкое распространение принципиально новые силовые полупроводниковые приборы, предоставляющие недостижимые ранее возможности при построении преобразовательных устройств. С учетом этого, построение УСО на основе функциональных преобразователей становится все более перспективным направлением.

Существующие подходы к осуществлению доказательства безопасности систем автоматики не всегда позволяют обеспечить необходимую полноту доказательства безопасности устройств сопряжения. Кроме того, в реальных системах существует целый ряд дестабилизирующих факторов, влияние которых на безопасность функционирования схемотехнических решений с несимметричным отказом еще недостаточно исследовано. Поэтому задачей данной диссертационной работы являлось решение следующих основных вопросов:

1. Предложение методики оценки безопасности функционирования электронных устройств с несимметричным отказом.

2. Исследование влияния различных дестабилизирующих факторов на безопасность УСО, построенных на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

3. Разработка методов обеспечения безопасности УСО с учетом влияния указанных факторов.

Второй раздел диссертационной работы посвящен разработке методики оценки безопасности электронных устройств с несимметричным отказом. При доказательстве безопасности таких устройств необходимо акцентировать внимание на определении детерминированных показателей,

отражающих их входные и выходные параметры. Данные показатели целесообразно назвать параметрическими. Соответственно, параметрической безопасностью устройства следует называть способность последнего поддерживать уровни входных и выходных параметров в пределах, необходимых для обеспечения безопасного функционирования системы в целом. При определении параметрических показателей безопасности для устройств сопряжения, необходимо рассматривать последние в виде многозвенной системы (рис. 1).

УВК

I

Устройства сопряжения с объектами (УСО)

Интерфейсная часть УСО

ту

—I/

Восстанавливающий орган

—к

выходной преобразователь

-Л

-V

кабельная линия

I-----«1

I выходной.

—N преобра-

~у\

входной преобра-

<Л-V

кабельная линия

[зователь | I_____1

I-----1

I входной ! ^—I преобра- с ^ Iзователь I

I_____J

ИО (стрелки, светофоры, РЦ)

Рис 1 Многозвенная структура УСО в системе централизации стрелок и сигналов.

Каждое звено следует характеризовать двумя основными параметрическими показателями: остаточным уровнем сигнала и порогом надежной дезактивизации. Для этих показателей целесообразно предложить следующие определения:

Остаточный уровень сигнала - это величина напряжения (или тока), присутствующего на выходе устройства, находящемся по алгоритму функционирования системы в пассивном состоянии, при воздействии на устройство дестабилизирующих факторов или без такового воздействия;

Порог надежной дезактивизации - это максимальная величина напряжения (или тока) на входе устройства, при котором обеспечивается гарантированный переход устройства в пассивное состояние (или гаран-

тированное сохранение пассивного состояния) как при воздействии на устройство дестабилизирующих факторов, так и без такового воздействия.

Очевидно, что та или иная система железнодорожной автоматики может считаться удовлетворяющей требованиям безопасности лишь в том случае, если остаточный уровень сигнала на выходе каждого звена будет ниже порога надежной дезактивизации последующего звена, являющегося приемником данного сигнала. Данное положение следует рассматривать, как основной критерий безопасного функционирования аналоговых устройств. Для относительной оценки различных устройств в отношении параметрической безопасности введено такое понятие, как коэффициент ос-

\

таточного уровня сигнала.

и«ст

^ост

(1)

ираб

где Косг - коэффициент остаточного уровня сигнала.

IIост - остаточное напряжение на выходе устройства при номинальном значении напряжения питающей электросети.

ир,б - напряжение на выходе исправного устройства, находящегося в активном состоянии, при номинальном значении напряжения питающей электросети.

Особо следует подчеркнуть тесную взаимосвязь между остаточным уровнем сигнала звена системы и сопротивлением нагрузки. В ряде случаев входное сопротивление устройств не является постоянной величиной. Соответственно, можно выделить три характерных вида нагрузки (рис. 2), отличающихся особенностями входной вольт-амперной характеристики: нагрузка с падающим сопротивлением, нагрузка с постоянным сопротивлением и нагрузка с возрастающим сопротивлением. Для упрощения расчетов, проводимых в ходе доказательства безопасности, предлагается ис-

пользовать такое понятие, как статическое входное сопротивление, которое следует определять при номинальном уровне выходного сигнала в активном состоянии и при выходном уровне сигнала, соответствующем порогу надежной дезактивизации последующего звена.

ВАХ с падающим ВАХ с постоянным ВАХ с возрастающим

сопротивлением сопротивлением сопротивлением

(Rem пор » Rem ной) (Rem пор » Rem ной) (Rem nop < Rem ной)

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики нагрузок.

При создании аналоговых устройств разработчикам приходится решать противоречивые задачи: обеспечивать необходимый уровень сигнала на выходе устройства в активном состоянии и минимизировать остаточный уровень сигнала для обеспечения безопасности функционирования системы. Иными словами, должны выполняться следующие условия:

ивыхакг(п) •> и мин акт(п+1) > Р)

ПриЛ„,„»1, - Ястном

иост(п) < ип0р(п+1) > (3)

ПРИ ^(».1, = Я,,

где ивыикт („) - выходное напряжение звена п, находящегося в активном (включенном) состоянии,

ии„ял1п. (п+1) - минимальное напряжение на входе звена п+1, необходимое для нормальной активизации указанного звена, и ост (о) - остаточное напряжение звена п,

ип0р („+!) - порог надежной дезактивизации звена п+1.

В этом отношении наиболее благоприятной является нагрузка с возрастающим сопротивлением. При использовании такой нагрузки обеспечивается наименьший коэффициент остаточного уровня сигнала предшествующего звена.

В ходе доказательства безопасности должны быть определены нормы на параметрические показатели безопасности для ряда типичных устройств в системах железнодорожной автоматики. В данном разделе предложено соотношение, показывающее связь между необходимым коэффициентом остаточного напряжения электронной части релейного УСО и коэффициентом возврата используемого реле.

Косг < 0,81 К„ , (4)

где Кост - требуемый коэффициент остаточного напряжения. К. - коэффициент возврата используемого реле.

Кроме того, приведены результаты экспериментов, показывающие, что для надежной дезактивизации светофорной лампы необходимо иметь остаточный уровень сигнала, не превышающий 1,0 вольт. Сформулировано специфическое требование к УСО, осуществляющим непосредственное управление стрелочным электроприводом переменного тока, состоящее в том, что для надежной дезактивизации стрелочного привода должно быть обеспечено снятие напряжение, как минимум с двух фаз двигателя.

Весьма распространенной задачей, которую приходится решать при оценке параметрической безопасности устройств с несимметричным отказом, является определение порогов надежной дезактивизации различных электронных схем. Если входное напряжение устройства является напряжением питания для тех или иных схемных узлов, исходной величиной для

определения данного показателя является напряжение гарантированного запирания используемых полупроводниковых элементов. Это напряжение составляет 0,2; 0,6 и 1,0В соответственно, для кремниевых транзисторов, полевых транзисторов и оптронов. При наличии цепей, осуществляющих масштабирование сигнала, необходимо учитывать возможность отказа элементов этих цепей. Повысить уровень порога надежной дезактивизации I путем масштабирования входного сигнала можно только в том случае, ес-

ли исключается возможность повышения уровня сигнала при отказе элементов.

В третьем разделе данной диссертационной работы рассматриваются вопросы, связанные с влиянием различных дестабилизирующих факторов на безопасность функциональных преобразователей с несимметричным отказом в устройствах сопряжения по управлению. Данные вопросы рассматриваются на примере разработанной автором аппаратуры безопасного сопряжения для микропроцессорных централизаций, которая представляет собой двухуровневую структуру, состоящую из устройств логического и силового уровня. Взаимодействие между аппаратурой логического и силового уровня обеспечивается электрическими сигналами, пред' ставляющими собой постоянные напряжения величиной 24В при токах порядка нескольких десятков миллиампер. Такая концепция построения УСО позволяет снизить остроту проблем, связанных с электромагнитной совместимостью устройств и обеспечивать возможность совместной работы аппаратуры с релейными системами. Безопасность рассматриваемой аппаратуры сопряжения обеспечивается путем использования на обоих уровнях функциональных преобразователей с несимметричным отказом. Безопасность функциональных преобразователей силового уровня, осуществляющих непосредственное управление напольными объектами, обеспечивается за счет того, что питание генераторов управляющих сигналов для юпо-

чей преобразователей осуществляется от энергии входного сигнала. В качестве наиболее существенного дестабилизирующего фактора для функциональных преобразователей обоих уровней рассматривается появление пульсаций на выходах источников электропитания УСО, что является одной из основных причин появления остаточного напряжения на выходах данных устройств. В данном разделе показано, что любые функциональные преобразователи (как диодно-конденсаторные (рис. 3), так и трансформаторные) требуют дополнительных мер по защите от опасного воздействия пульсаций питающего напряжения. Причем, для устройств логического уровня представляется целесообразным использование частотного метода защиты.

а) -ипит б) -Опит -Шит

Рис. 3. Диодно- конденсаторные преобразователи: а) схема с однотактным ключевым каскадом, б) схема с двухтактным ключевым каскадом.

Остаточное напряжение для диодно-конденсаторных преобразователей, формирующееся под воздействием пульсаций, приводящих к ложному переключению коммутационных элементов, следует рассчитывать с использованием предложенного в данном разделе выражения, определяющего среднее значение выходного напряжения преобразователя с учетом экспоненциального характера изменения напряжений на конденсаторах:

/ииачС, (т,.2 (1 -е-т^) + т2(1-е-г'-)е-тЛ,)

^вых ср — ~—""~""'~'"~~~~, (5)

где /- частота переключения коммутационных элементов преобразователя. ииач - начальное напряжение на конденсаторе С1 (в большинстве случаев можно принять равным напряжению питания). Сь Сг - величина емкости конденсаторов С1 и С2 соответственно. Т] - длительность совместного разряда конденсаторов С1 и С2 на нагрузку. Тг - длительность заряда конденсатора С1 от источника питания и разряда конденсатора С2 на нагрузку.

- постоянная времени совместного разряда конденсаторов на нагрузку (хи = Кн(С1 + С2)).

Т2 - постоянная времени разряда только конденсатора С2 на нагрузку (тг = йяСг))

В данном разделе показано, что для обеспечения эффективности частотного метода защиты рабочая частота диодно-конденсаторных преобразователей должна на два порядка превышать возможную частоту пульсаций питающего напряжения.

Далее, в данном разделе рассматриваются вопросы, связанные с безопасностью аппаратуры безопасного сопряжения силового уровня. Анализ работы преобразователей при накоплении отказов (рис. 4) дает основание утверждать, что для гарантированной дезактивизации исполнительного объекта необходимо обеспечивать снятие управляющих сигналов со всех ключевых элементов преобразователя, что следует учитывать при оценке безопасности схемотехнических решений, осуществляющих конъюнкцию сигналов в дублированных системах.

П П П с П

у" у у у

ИСХОДНАЯ СХЕМА

СОБЫТИЕ 1 СОБЫТИЕ 2 СОБЫТИЕ 3

обрыв обрыв пробой

ключевого элемента ключевого элемента ключевого элемента

Рис. 4 Накопление отказов в мостовом инверторе (трансформация мостового преобразователя в однотранзисторный).

Пульсации питающего напряжения, также как и в аппаратуре логического уровня, могут приводить к появлению остаточного напряжения на выходе функциональных преобразователей. Однако, применение частотного метода в данном случае весьма затруднительно, так как использованию высоких рабочих частот препятствует наличие кабельных линий значительной длины. Поэтому, для защиты функциональных преобразователей силового уровня от опасного воздействия пульсаций следует использовать иные методы, в частности, отключение инвертора от неисправного источника питания.

При построении бесконтактных устройств сопряжения с объектами для систем централизации стрелок и сигналов на станциях специфические »■

проблемы в отношении безопасности возникают в связи с наличием кабельных сетей. Первая проблема заключается в возможности сообщений между кабельными жилами, относящимися к различным объектам (рис. 5). В этом случае, возможна ложная подпитка выключенного исполнительного объекта. Эффективным методом защиты от ложной подпитки исполнительных объектов может являться установка разделительных трансформаторов между инвертором и кабельной линией.

14

ОБЪЕКТ 2

Рис. 5 Цепь подпитки выключенного сигнального показания при накоплении отказов в УСО.

Вторая проблема состоит в возможности взаимных влияний между цепями различных напольных объектов через паразитную емкость кабеля (рис. 6,7).

♦ , УС01

'—7 1 л

а1 « 82 аЗ«а2 где31 ,а2 . аЗ -расстояния между осями кабельных жил

ОБЪЕКТ 1

КЗ

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА К РАССЧЕТУ ОСТАТОЧНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1(3 н?

ОБЪЕКТ 2

^)ивл у К'"

С - емкость мели, образованной соседними жилами кабеля

1)вл - источник влияющего напряжения

Я'н - сопротивление нагрузки (светофорной лампы), приведенное к первичной обмотке сигнального трансформатора

Рис б. Проникновение напряжения работающего УСО в цепь выключенного сигнального показания через паразитную емкость кабеля при неблагоприятном взаимном расположении жил.

г

♦ . УС01

а1 я А » аЗ где а1 , а2 , аЗ - расстояния между осями кабельных жил

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА К РАСЧЕТУ ОСТАТОЧНОГО ОБЪЕКТ 1 НАПРЯЖЕНИЯ

Г

рю>

\\_. ОБЪЕКТ 2

ОКЗ

С - емкость цепи, образованной соседними жилами кабеля

Я'н - сопротивление нагрузки (светофорной лампы), приведенное к первичной обмотке сигнального трансформатора

1)вл - источник влияющего напряжения

Рис. 7. Проникновение напряжения работающего УСО в цепь выключенного сигнального показания через паразитную емкость кабеля при упорядоченном использовании кабельных жил.

Интенсивность влияния существенным образом зависит от взаимного расположения кабельных жил. Остаточное напряжение, рассчитываемое по эквивалентной схеме на рис. 6 (наихудший случай при использовании существующих кабельных сетей) при синусоидальном источнике влияющих напряжений будет определяться следующим образом:

где и ос - остаточное напряжение на лампе, им - напряжения источника влияния,

п - коэффициент трансформации сигнального трансформатора, /- частота источника влияющего напряжения, С - емкость цепи, образованной соседними жилами,

- статическое сопротивление нити лампы при напряжении, соответствующем порогу надежной дезактивизации.

и „К*

(6)

При наличии во влияющей цепи несинусоидальных напряжений остаточное напряжение определяется следующим образом:

где и«,.,, и,хт2> и„сг} - остаточные напряжения на лампе, создаваемые соответствующими гармониками напряжения влияющей цепи.

Расчет, произведенный с использованием данных соотношений, показывает, что при использовании преобразователей, формирующих прямоугольные напряжения, величина остаточного уровня сигнала примерно в 1,5 раза превышает аналогичный показатель, имеющий место при использовании синусоидальных напряжений. В качестве мер защиты от взаимных влияний между цепями можно рассматривать совершенствование кабельных сетей и оптимизацию параметров выходных преобразователей УСО.

В четвертом разделе диссертационной работы рассмотрены вопросы, касающиеся обеспечения параметрической безопасности устройств сопряжения, осуществляющих ввод информации. Параметрические показатели безопасности релейных устройств сопряжения по контролю в значительной степени определяются параметрами используемых реле и в подавляющем большинстве случаев удовлетворяют существующим требованиям. Существенную роль здесь играет наличие гарантированного напряжения выключения, низкое сопротивление обмотки, высокая инерционность реле и нечувствительность реле к переменному напряжению. При построении бесконтактных устройств ввода информации следует стремиться к тому, чтобы эти устройства обладали хотя бы некоторыми из перечисленных выше полезных свойств.

В разработанной автором аппаратуре безопасного сопряжения, устройства ввода информации (устройства сопряжения по контролю), также

(7)

как и УСО по управлению, реализованы в виде двухуровневой структуры, имеющей устройства силового и логического уровня. Основной задачей устройств силового уровня является формирование нормализованных электрических сигналов, пригодных для восприятия устройствами логического уровня. Устройства логического уровня осуществляют формирование динамических сигналов для последующей передачи информации в УВК. Для обеспечения безопасности функционирования системы, устройства логического уровня должны иметь достаточно высокий уровень параметрической безопасности. Интересные возможности в этом плане предоставляет использование принципа индивидуального формирования динамических сигналов (рис. 8). В соответствии с этим принципом, для каждого контролируемого объекта используется отдельная схема релаксационного генератора, формирующего прямоугольные импульсы.

электрический сигнал от контролируемого объекта ^ генератор (или формирователь) динамических сигналов в *анал А УВК

_П_Г в канал Б УВК

Рис. 8 Функциональная схема безопасного сопряжения по контролю с индивидуальным формированием динамических сигналов

Напряжением питания для релаксационных генераторов являются электрические сигналы, поступающие от аппаратуры силового уровня и представляющие собой постоянные напряжения. Низкое входное сопротивление обеспечивается путем искусственного снижения КПД генераторов, а высокий гарантированный порог надежной дезактивизации обеспечивается за счет использования в выходных цепях генераторов элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Важной особенностью данного устройства ввода информации является то, что генератор потребляет

энергию от источника входного сигнала при напряжениях ниже порога надежной дезактивизации устройства, определяемого характеристиками указанных нелинейных элементов, что способствует снижению статического входного сопротивления на уровне порога надежной дезактивизации.

Для обеспечения более высокой степени защищенности устройств сопряжения по управлению от опасного воздействия отказов источников вторичного электропитания, целесообразно, в качестве дополнительной меры защиты, осуществлять контроль исправности источников электропитания. В данном разделе показано, что такой отказ, как потеря выпрямительных свойств, возникает лишь при накоплении отказЬв элементов значительной кратности и является весьма маловероятным событием. Поэтому, основной задачей такого контроля является оценка эффективности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. В данном разделе диссертационной работы рассматривается четыре варианта решения указанной задачи:

1 измерение постоянной составляющей напряжения на выходе источника питания,

2 измерение токов, протекающих через конденсаторы сглаживающего фильтра,

3 измерение переменной составляющей напряжения на выходе источника питания,

4 измерение токов в плечах выпрямительного моста.

Наиболее универсальным является первый и второй вариант. Данные варианты применимы практически для любых источников электропитания и позволяют выявлять такой отказ, как постепенная потеря емкости электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра. Для того чтобы компенсировать влияние на величину постоянной составляющей колебаний напряжения в сети электроснабжения, метод измерения постоянной

составляющей должен применяться в сочетании с контролем первичного напряжения, а в качестве критерия исправности источника питания должно рассматриваться соотношение первичного и выпрямленного напряжения. Измерение переменной составляющей или контроль токов в плечах выпрямительного моста целесообразно использовать в трехфазных мостовых выпрямительных схемах. Метод измерения токов в плечах выпрямительного моста интересен тем, что в большинстве случаев функцию измерения можно заменить функцией контроля наличия тока, упростив тем самым используемые аппаратные средства. В конце данного раздела приводится описание разработанных автором технических средств, которые возможно использовать для контроля исправности элементов источников электропитания.

В пятом разделе данной диссертационной работы приведена информация, касающаяся практического использования предложенных в диссертации технических решений, и рассмотрены вопросы эффективности внедрения микропроцессорной централизации МПЦ-МПК. В ряде учебных заведений (ПГУПС, ОмГУПС, ИрГУПС, ДвГУПС, СамГАПС) были внедрены лабораторные макеты микропроцессорной централизации МПЦ-МПК, в состав которых входит разработанная автором аппаратура безопасного сопряжения.

В настоящее время ведутся работы по проектированию микропроцессорной централизации МПЦ-МПК для объектов железнодорожного транспорта и метрополитена (ст. Промышленная предприятия «Нефтега-зоргсинтез» в г. Сургут, ст. Парнас Санкт-Петербургского метрополитена). Средства контроля источников питания, разработанные автором, уже эксплуатируются на 23 объектах.

Ожидаемый эффект от внедрения микропроцессорных централизации МПЦ-МПК связан, главным образом, со значительным снижением

массогабаритных показателей аппаратуры в результате реализации основных функций централизации на программном уровне и отказа от использования электромагнитных реле в цепях управления стрелками и сигналами, что способствует, в частности, существенному снижению затрат при строительстве постов ЭЦ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные результаты и выводы:

1. Показано, что при доказательстве безопасности ряда устройств железнодорожной автоматики (в том числе и устройств сопряжения) необходимо рассматривать последние как аналоговые устройства.

2. Введено понятие о параметрических показателях безопасности. Даны определения таким показателям, как остаточный уровень сигнала и порог надежной дезактивизации. Предложена методика оценки параметрической безопасности аналоговых устройств с несимметричным отказом.

3. Предложена методика определения остаточного уровня сигнала с учетом нелинейного характера сопротивления нагрузки. Показано, что наименее благоприятной в плане получения минимального коэффициента остаточного напряжения на выходе устройства является нагрузка с падающим сопротивлением.

4. Рассмотрены особенности определения параметрических показателей безопасности для ряда устройств, применяемых в системах железнодорожной автоматики.

5. Предложены методы практической реализации безопасных УСО на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом в виде двухуровневой структуры, позволяющей снизить остроту проблем, связанных с электромагнитной совместимостью устройств и обеспечить возможность поэтапной модернизации существующих релейных СЖАТ.

6. Показано, что для обеспечения надежной дезактивизации исполнительного объекта необходимо обеспечивать снятие динамических управляющих сигналов со всех ключевых элементов преобразователя.

7. Разработаны методы защиты функциональных преобразователей логического и силового уровня от опасного воздействия пульсаций питающего напряжения. Показано, что одним из способов повышения порога надежной дезактивизации устройств может являться использование БС/ОС-конвертеров.

8. Рассмотрены вопросы влияния кабельных сетей на безопасность функционирования аппаратуры силового уровня. Приведены расчетные соотношения, позволяющие осуществлять доказательство безопасности устройств с учетом влияния кабельной сети. Показано, что одним из эффективных методов защиты от опасного влияния кабельной сети является использование разделительных трансформаторов.

9. Предложена концепция обеспечения параметрической безопасности устройств ввода информации, состоящая в том, что подобные устройства должны обладать рядом полезных свойств, присущих электромагнитным реле (соответствующий уровень мощности, потребляемой от источника сигнала, нали-

чие гарантированных пороговых свойств, нечувствительность к импульсным помехам).

10.Разработаны методы практической реализации указанной концепции обеспечения безопасности, состоящие в искусственном снижении КПД входного преобразователя и использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Предложены схемотехнические решения устройства безопасного ввода.

11. Разработаны различные методы контроля источников электропитания УСО, обеспечивающие безопасность устройств сопряжения при отказах элементов источников питания.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Ковкин А.Н. Влияние кабельных сетей на безопасность функционирования бесконтактных устройств сопряжения // Сборник научных трудов. - Санкт-Петербург: ПГУПС, 2004.

2 Ковкин А.Н. Аппаратура безопасного сопряжения для микропроцессорных централизаций // тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2005». - Ростов-на-Дону, 2005.

3. Валиев Ш.К., Валиев Р.Ш., Ковкин А.Н., Комаров В.В. Проблемы изучения новых систем ЖАТ // тезисы докладов первой международной научно-практической конференции ТрансЖАТ - 2004. -Санкт-Петербург, 2004.

4. Гавзов Д.В., Ковкин А.Н. Построение устройств безопасного ввода с использованием функциональных преобразователей // Проблемы управления эксплуатационной работой на железнодорожном транс-

порте; развитие телекоммуникаций и информатизации / Материалы научно-технической конференции, посвященной 125-летию Свердловской железной дороги. - В 3-х т. - Т.2. - Екатеринбург: Изд-во УрГУПС. - 2003.

5. Гавзов Д.В., Ковкин А.Н. Сравнительная оценка основных принципов обеспечения безопасности устройств сопряжения с учетом современных достижений в области силовой электроники // Сборник научных трудов. - Санкт-Петербург: ПГУПС, 2004.

6. Гавзов Д.В., Ковкин А.Н. Бесконтактные УСО для микропроцессорных централизаций. Проблемы безопасности функциональных преобразователей с несимметричным отказом // Сборник научных трудов. - Санкт-Петербург: ПГУПС, 2004.

7. Гавзов Д.В., Никитин А.Б., Воронин С.Ю., Паус Е.М., Ковкин А.Н. Семейство компьютерных систем электрической централизации на базе микроЭВМ и программируемых контроллерах РПЦ ЭЦ-МПК и МПЦ-МПК // тезисы докладов первой международной научно-практической конференции ТрансЖАТ - 2004. - Санкт-Петербург, 2004.

8. Эксплуатационно-технические требования к системам микропроцессорной и релейно-процессорной централизации // Памятка ОСЖД Р-844. - Варшава, 2004.

Подписано к печати /£> ,08.05г. Печл. -1,5 Печать - ризография. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16 Тираж 100 экз. Заказ № ___

СР ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

»1670 1

РНБ Русский фонд

2006-4 11191

'Г

ВВЕДЕНИЕ.

1. OCIЮВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ БЕЗОПАСНЫХ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТАМИ.

1.1. Особенности микропроцессорных систем железнодорожной автоматики. Роль микропроцессорных систем ЖАТ в обеспечении перевозочного процесса.

1.2. Анализ основных направлений в разработке безопасных устройств сопряжения.

Выводы и постановка задачи.

2. ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

2.1. Основные показатели параметрической безопасности. Критерий безопасного функционирования аналоговых устройств.

2.2. Принципы определения остаточных уровней сигналов и порогов надежной дезактивизации устройств сопряжения с объектами.

Выводы.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В УСТРОЙСТВАХ ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ.

3.1. Практическая реализация безопасного сопряжения по управлению для микропроцессорных централизаций.

3.2. Определение остаточных уровней сигнала аппаратуры логического уровня.

3.2.1. Основные функции логического уровня УСО. Практическая реализация логической обработки сигналов.

3.2.2. Остаточные напряжения функциональных преобразователей с несимметричным отказом, возникающие при ухудшении качества электропитания устройств.

3.2.3. Особенности определения остаточных напряжений при возникновении некоторых отказов во внутренней структуре безопасного логического устройства.

3.3. Оценка параметрической безопасности аппаратуры силового уровня

3.3.1. Методы обеспечения безопасности при бесконтактном управлении напольными объектами. Практическая реализация силового уровня УСО.

3.3.2. Влияние кабельных сетей станций на безопасность функционирования силового уровня УСО.

Выводы.

4. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ УСТРОЙСТВ ВВОДА ИНФОРМАЦИИ. РОЛЬ УСТРОЙСТВ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ В ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСО.

4.1. Принципы обеспечения безопасности аналоговой части устройств ввода информации. Практическая реализация безопасного ввода информации с использованием функциональных преобразователей.

4.2. Требования к алгоритмам обработки выходных сигналов функционального преобразователя устройства безопасного ввода.

4.3. Контроль исправности источников вторичного электропитания безопасных устройств сопряжения. Практическая реализация аналоговой части устройств телеизмерения, используемых для контроля исправности источников вторичного электропитания.

Выводы.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.

5.1. Результаты внедрения аппаратуры безопасного сопряжения для микропроцессорных централизации.

5.2. Ожидаемая экономическая эффективность внедрения микропроцессорных систем железнодорожной автоматики с бесконтактными устройствами сопряжения.

Выводы.

Наметившаяся в настоящее время тенденция в развитии средств автоматизации на железнодорожном транспорте предполагает широкое внедрение микропроцессорных систем. Микропроцессорные средства, предполагающие решение целого ряда задач на уровне программного обеспечения, позволяют существенно расширить функциональные возможности систем автоматики. Значительное уменьшение количества электромагнитных реле, применение перспективной элементной базы позволяют существенно снизить затраты на строительство, повысить надежность функционирования новых систем. Оборудование, не требующее периодического обслуживания, а также развитые возможности самодиагностики обеспечивают значительное снижение затрат на обслуживания новых систем автоматики, построенных на основе микропроцессорной техники.

Существенный вклад в разработку микропроцессорных систем ЖАТ внесен трудами крупных ученых в области современных систем железнодорожной автоматики, таких как Сапожников Вл.В., Сапожников В.В., Дрейман O.K., Гавзов Д.В., Прокофьев А.А., Лисовский М.П., Христов Х.А. и многих других отечественных и зарубежных ученых.

Одной из важнейших проблем при построении микропроцессорных систем управления является организация сопряжения управляющего вычислительного комплекса (УВК) с исполнительными объектами.

Поиск технических решений, связанных с разработкой устройств сопряжения должен осуществляться с учетом современных достижений в области цифровой и аналоговой схемотехники. Диссертационная работа опирается на труды Воронина П.А., Семенова Б.Ю., Готтлиба И.М., Хоровица П., Хилла У., а также ряда других крупных ученых и специалистов в данной области.

Для ввода-вывода информации из УВК обычно используются стандартные интерфейсы. Как правило, электрические параметры этих интерфейсов не могут обеспечить возможность непосредственного 4 воздействия УВК на исполнительные объекты. Поэтому, под сопряжением, прежде всего, подразумевается энергетическое согласование электронных схем, осуществляющих вывод сигналов управления из УВК с исполнительными объектами, используемыми в конкретной системе управления.

Кроме того, существует задача временного согласования, предусматривающая приведение временных параметров сигналов к форме, необходимой для взаимодействия с тем или иным функциональным узлом. В частности, для вывода информации из ЭВМ все чаще используются интерфейсы, подразумевающие последовательную передачу данных (например, широко распространенный интерфейс RS-485). В этом случае возникает необходимость преобразования последовательного потока данных в совокупность параллельных сигналов, действующих на отдельных физических цепях, индивидуальных для каждого исполнительного объекта. Соответственно, при реализации ввода информации в ЭВМ приходится решать обратную задачу (преобразование параллельного потока данных в последовательный).

Решаются эти проблемы сопряжения с объектами, как правило, путем использования специализированных функциональных блоков, не входящих конструктивно и схемотехнически в состав УВК - устройств сопряжения, обладающих адаптивными характеристиками обработки сигналов на входах и выходах. Современные устройства сопряжения можно представить в виде двух основных функциональных узлов: интерфейсной или логической части, осуществляющей взаимодействие УСО со стандартными интерфейсами УВК, и выходного преобразователя или силовой части, формирующей электрические сигналы, параметры которых позволяют осуществлять непосредственное взаимодействие УСО с объектом управления. В устройствах сопряжения, осуществляющих контроль состояния объектов, используется такой функциональный узел, как входной преобразователь, воспринимающий электрические сигналы, характеризующие состояние контролируемого объекта, и преобразующий их в форму, необходимую для передачи их в УВК.

Устройства сопряжения, позволяющие выполнять описанные выше функции, выпускаются промышленностью и на сегодняшний день достаточно широко распространены. Однако, в системах железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) они имеют ограниченное применение. Такие УСО могут использоваться решения только тех задач, которые не связаны непосредственно с обеспечением безопасности движения поездов. В частности, такие УСО могут найти применение в диспетчерских централизацию, а также релейно-процессорных централизациях стрелок и сигналов, в которых большинство функций, связанных с обеспечением безопасности движения поездов, реализованы с помощью традиционной релейной схемотехники.

Микропроцессорные централизации (МПЦ), также как и релейно-процессорные, предназначены для управления объектами, правильное функционирование которых оказывает непосредственное влияние на безопасность движения поездов. При этом, в МПЦ все зависимости реализуются на уровне УВК, а количество релейных схем сведено к минимуму. Поэтому микропроцессорные централизации относятся к разряду ответственных дискретных систем, требующих особого подхода к построению как самого УВК, так и других, входящих в их состав электронных устройств.

Безопасность функционирования таких систем обеспечивается, чаще всего, за счет избыточности (резервирования) на аппаратном уровне, достигаемого путем использования нескольких каналов обработки информации. Обычно используется два или три канала, образующие дублированную или мажоритированную (троированную) систему.

Активизация исполнительного объекта (перевод стрелки или включение разрешающего показания светофора) осуществляется лишь при совпадении соответствующей информации во всех или в большинстве каналов. Иными словами, наиболее часто используются принципы управления, которые принято называть «2 из 2» или «2 из 3». Такой подход к построению безопасных систем позволяет обеспечить требуемый уровень безопасности функционирования при минимальных затратах и может рассматриваться в 6 качестве рекомендуемого к применению в системах железнодорожной автоматики.

Очевидно, что для достижения безопасности в таких системах управления, помимо резервирования, необходимо применять также и специализированные (безопасные) устройства сопряжения. Обобщенная структура системы управления, а также структура безопасной системы управления приведены на рисунке 1.

ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ:

СТРУКТУРА БЕЗОПАСНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ:

Рис. 1. Структура автоматизированных систем управления.

К безопасным устройствам сопряжения предъявляются три основных специфических требования.

Во-первых, безопасные УСО, осуществляющие управление объектами, обычно имеют два или три входа и на них возлагается задача реализации упомянутого принципа «2 из 2» или «2 из 3». Иначе говоря, сигнал управления, активизирующий исполнительный объект, должен появляться на выходе УСО только при совпадении всех или большинства сигналов на его входах. Этим обусловлено наличие в составе безопасного УСО еще одного функционального узла - восстанавливающего органа (ВО), который и выполняет указанную задачу. По своему функциональному назначению ВО - это элемент, реализующий логическую функцию «И» (в двухканальных системах) или мажоритарную функцию (в трехканальных системах).

Во-вторых, схемные решения УСО не должны иметь опасных отказов, т. е. безопасные УСО, реализующие функцию управления, с достаточной вероятностью должны исключать ложное появление на выходе УСО сигнала, активизирующего исполнительный объект (сигнал или стрелочный привод) при возникновении неисправностей в собственной структуре.

Для тех УСО, которые предназначены для ввода информации о состоянии контролируемых объектов в УВК (устройств сопряжения по контролю) данное требование можно сформулировать так.

УСО, осуществляющие безопасный ввод информации должны исключать ложное появление на выходе сигнала, отражающего такое состояние контролируемого объекта, которое по алгоритму функционирования системы является необходимым условием для активизации исполнительных объектов. Указанное требование также должно выполняться при возникновении любых отказов в структуре устройства сопряжения.

Обычно учитываются отказы, выражающиеся в появлении следующих часто встречающихся на практике событий: обрыв любых элементов или соединений, увеличение переходного сопротивления в соединениях, пробой конденсаторов и полупроводниковых элементов, короткое замыкание между близко расположенными цепями (жилы в кабеле, обмотки трансформатора, расположенные в одной секции каркаса, соседние дорожки на печатной плате), самовозбуждение электронных схем, межвитковое замыкание намоточных узлов, изменение параметров элементов, имеющие место в реальных устройствах (увеличение сопротивления резисторов, уменьшение емкости электролитических конденсаторов, увеличение токов утечки в конденсаторах и полупроводниковых элементах, ухудшение передаточных характеристик трех- (и более) выводных полупроводниковых элементов). преобразование (трансформация) одних полупроводниковых приборов в другие.

В-третьих, такие УСО должны быть устойчивы к возникновению любых отказов источников вторичного электропитания, а также к воздействию электромагнитных помех и влияний (в установленных пределах). Под устойчивостью, в данном случае, понимается либо отсутствие реакции УСО на указанное событие, либо переход устройства сопряжения в защитное состояние, при котором исключается активизация исполнительных объектов (перевод стрелки, включение разрешающего показания светофора), или передача ложного сигнала контроля в УВК.

В качестве отказов источников вторичного электропитания следует рассматривать следующие события: исчезновение напряжения на выходе источника вторичного электропитания, уменьшение выходного напряжения источника вторичного электропитания, увеличение выходного напряжения источника вторичного электропитания вследствие нестабильности напряжения сетей электроснабжения или в результате отказа в схемах стабилизации выходного напряжения (если таковые имеются), появление значительной переменной составляющей (пульсаций) на выходе источников электропитания, формирующих постоянные напряжения, Увеличение уровня высших гармоник (выше установленных норм) на выходе источников переменного напряжения.

Как известно, отсутствие опасных отказов в схемах наиболее просто достигается при использовании элементов, обладающих несимметричным отказом. К таким элементам относятся, прежде всего, электромагнитные реле I класса надежности. Однако, очевидно, что применение реле в составе устройств сопряжения должно быть сведено к минимуму, так как, в противном случае, теряется смысл создания микропроцессорных централизаций. Построение малогабаритных, технологичных и требующих минимального технического обслуживания устройств, предполагает широкое использование в качестве элементной базы полупроводниковых приборов и построенных на их основе микроэлектронных изделий. Полупроводниковые приборы являются элементами с симметричным отказом. Поэтому, выполнение указанного выше требования к отсутствию опасных отказов в схемах УСО, приводит к необходимости принятия специальных мер при построении всех нерезервированных функциональных узлов. К таким узлам относятся восстанавливающий орган, а также выходной и входной преобразователи. Естественно, что при разработке подобных устройств одной из основных проблем является оценка и доказательство достижения требуемого уровня безопасности.

Целью данного диссертационного исследования является разработка методов, позволяющих обеспечить наиболее полную оценку безопасности функционирования устройств сопряжения, представляющих собой сочетание цифровой и аналоговой схемотехники, а также предложение ряда технических решений, обеспечивающих безопасное функционирование бесконтактных устройств сопряжения, предназначенных для непосредственного управления напольными объектами.

Для достижения поставленных целей в работе решены следующие задачи:

1. Произведен анализ основных методов разработки безопасных устройств сопряжения.

2. Разработаны основные теоретические положения и обобщенные методики оценки параметрической безопасности аналоговых устройств в системах железнодорожной автоматики.

3. Предложены методы практической реализации безопасных УСО, построенных на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

4. Разработаны методики расчета для основных показателей параметрической безопасности различных схемотехнических решений функциональных преобразователей с несимметричным отказом.

5. Выработаны рекомендации по обеспечению безопасности УСО, предназначенных для ввода информации в УВК.

При решении поставленных задач в работе получены и защищаются следующие результаты и основные положения:

1. Обоснована необходимость рассмотрения функциональных преобразователей с несимметричным отказом, а также многих других электронных устройств, применяемые в системах железнодорожной автоматики, как многозвенных аналоговых устройств, требующих параметрического подхода к оценке безопасности функционирования.

2. Предложена обобщенная методика параметрической оценки безопасности функционирования аппаратуры при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

3. Разработаны методы обеспечения безопасной работы различных схемотехнических решений функциональных преобразователей при возникновении отказов источников вторичного электропитания.

4. Обоснована целесообразность использования преобразовательной техники в подсистеме безопасного ввода информации, а также предложено конкретное схемотехническое решение устройства безопасного ввода.

Показано, что одним из методов повышения порога надежной дезактивизации электронных устройств может являться включение во входные цепи последних малогабаритных DC/DC-конвертеров в интегральном исполнении.

Доказано, что снятие динамических управляющих сигналов со всех ключевых элементов двухтактного преобразователя является необходимым условием для надежной дезактивизации исполнительного объекта.

Обоснована целесообразность использования разделительных трансформаторов на выходе функциональных преобразователей, работающих на кабельную линию.

1. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ БЕЗОПАСНЫХ УСТРОЙСТВ СОПРЯЖЕНИЯ С ОБЪЕКТАМИ

5.19) Выводы:

1. Значительная часть капитальных вложений в оборудование для микропроцессорных систем приходится на аппаратуру для управляющего вычислительного комплекса, стоимость которой мало изменяется в зависимости от размеров станции. В связи с этим, существенный экономический эффект при новом строительстве может достигаться, на сегодняшний день, лишь при внедрении микропроцессорных централизаций на средних и крупных станциях (40 стрелок и более). Приемлемым техническим решением, предусматривающим использование микропроцессорных централизаций для малых станций, может быть включение объектов малой станции в систему централизации опорной (более крупной) станции или использование кодового управления объектами малой станции с сохранением возможности местного управления.

2. Значимой составляющей в сокращении расходов при строительстве микропроцессорных централизаций является снижение затрат на строительство постов ЭЦ (капитальные вложения в строительство зданий составляют около 30% от общей суммы). Наиболее существенную роль данный фактор будет играть при замене выработавших свой ресурс старых систем централизации, занимавших помещения незначительной площади, так как в этом случае массогабаритные показатели нового оборудования будут непосредственно влиять на принятие решения о необходимости строительства нового здания для поста ЭЦ. В этом случае строительство МПЦ на малых станциях также может оказаться экономически эффективным.

3. Отказ от использования электромагнитных реле на сегодняшний день дает незначительный экономический эффект по части капитальных вложений в оборудование при внедрении микропроцессорных централизаций на малых станциях. Однако следует учитывать, что широкое внедрение на сети железных дорог микропроцессорных систем автоматики неизбежно приведет к резкому снижению объемов производства электромагнитных реле первого класса надежности, что в свою очередь будет являться причиной значительного повышения стоимости реле. Стоимость электронного оборудования, как показывает практика, не возрастает и даже имеет тенденцию к снижению. Поэтому, в перспективе, стоимость бесконтактного оборудования микропроцессорных систем железнодорожной автоматики (включая аппаратуру УВК) окажется существенно ниже стоимости релейного оборудования, и микропроцессорные системы централизации будут являться единственным экономически эффективным вариантом, как при замене устаревших релейных систем, так и при новом строительстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, получены следующие основные выводы и результаты:

1. Показано, что при доказательстве безопасности ряда устройств железнодорожной автоматики (в том числе и устройств сопряжения) необходимо рассматривать последние как аналоговые устройства.

2. Введено понятие о параметрических показателях безопасности. Даны определения таким показателям, как остаточный уровень сигнала и порог надежной дезактивизации. Предложена методика оценки параметрической безопасности аналоговых устройств.

3. Предложена методика определения остаточного уровня сигнала с учетом нелинейного характера сопротивления нагрузки. Показано, что наименее благоприятной в плане получения минимального коэффициента остаточного напряжения на выходе устройства является нагрузка с падающим сопротивлением.

4. Рассмотрены особенности определения параметрических показателей безопасности для ряда устройств, применяемых в системах железнодорожной автоматики.

5. Предложены методы практической реализации безопасных УСО на основе функциональных преобразователей с несимметричным отказом в виде двухуровневой структуры, позволяющей снизить остроту проблем, связанных с электромагнитной совместимостью устройств и обеспечить возможность поэтапной модернизации существующих релейных СЖАТ.

6. Показано, что для обеспечения надежной дезактивизации исполнительного объекта необходимо обеспечивать снятие динамических управляющих сигналов со всех ключевых элементов преобразователя.

7. Разработаны методы защиты функциональных преобразователей логического и силового уровня от опасного воздействия пульсаций питающего напряжения. Показано, что одним из способов повышения порога надежной дезактивизации устройств может являться использование DC/DC-конвертеров.

8. Рассмотрены вопросы влияния кабельных сетей на безопасность функционирования аппаратуры силового уровня. Приведены расчетные соотношения, позволяющие осуществлять доказательство безопасности устройств с учетом влияния кабельной сети. Показано, что одним из эффективных методов защиты от опасного влияния кабельной сети является использование разделительных трансформаторов.

9. Предложена концепция обеспечения параметрической безопасности устройств ввода информации, состоящая в том, что подобные устройства должны обладать рядом полезных свойств, присущих электромагнитным реле (соответствующий уровень мощности, потребляемой от источника сигнала, наличие гарантированных пороговых свойств, нечувствительность к импульсным помехам).

Ю.Разработаны методы практической реализации указанной концепции обеспечения безопасности, состоящие в искусственном снижении КПД входного преобразователя и использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Предложены схемотехнические решения устройства безопасного ввода.

11.Показано, что проблема обеспечения безопасности при вводе информации решается не только за счет улучшения параметрических показателей устройств, но и путем использования специальных алгоритмов для обработки динамических сигналов, формируемых устройствами ♦ сопряжения.

12.Предложен метод построения алгоритмов обработки t динамических сигналов, предусматривающий ограничение времени принятия решений о состоянии контролируемого объекта, что позволяет обеспечивать нечувствительность системы управления к воздействию на входы УСО переменных напряжений промышленной частоты.

13. Разработаны различные методы контроля источников электропитания УСО, обеспечивающие безопасность устройств сопряжения при отказах элементов источников питания.

1. Акита К., Накамура X. Безопасность и отказоустойчивость микропроцессорных систем централизации // Железные дороги мира. 1991. с.29-34.

2. Архипов Е.В., Гуревич В.Н. Справочник электромонтера СЦБ. М.: Транспорт, 1990. - 287с.

3. Асс А.Э. Кабели и провода для устройств СЦБ и связи: Справочник. М.: Транспорт, 1992. — 20л.

4. А.с. СССР № 1017570 МКИ B61L 23/16. Устройство для включения исполнительного реле железнодорожной автоматики / Дрейман O.K., Гавзов Д.В., Бодров А.А. № 3244130/27-11; Заявл. 3.02.81; Опубл. 14.01.83, Бюл.№1.

5. А.с. СССР № 1017571 МКИ B61L 23/16. Устройство для включения исполнительного реле / Гавзов Д.В., Дрейман O.K., Молодцов В.П., Песков И.А. № 3364194/27-11; Заявл. 11.12.81; Опубл. 14.01.83, Бюл. №1.

6. А.с. СССР № 1588615 МКИ B61L 19/14 Мажоритарное устройство управления включением исполнительного реле железнодорожной автоматики и телемеханики / Гавзов Д.В., Илюхин М.В., Сосновская Е.Г. № 4289412/11; Заявл. 27.06.87; Опубл. 25.10.90, Бюл. №32.

7. А.с. СССР № 1393698 МКИ B61L 23/16 Устройство для декодирования импульсных сигналов электрической централизации / Гавзов Д.В., Илюхин М.В.

8. А.с. СССР № 1439008 МКИ B61L 19/14 Устройство для управления стрелкой / Дрейман O.K., Гавзов Д.В., Илюхин М.В.

9. Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов A.M. Электропитание устройств железнодорожной автоматики телемеханики и связи. М.: Транспорт, 1991. 286с.

10. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Методы и принципы обеспечения безопасности микроэлектронных СЖАТ. РТМ 32 ЦШ 1115842.01-94.-СП6.: ПГУПС. 1994.-120с.

11. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Термины и определения / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, В.И. Талалаев и др. // Автоматика телемеханика и связь. 1992. №4. с.30-32.

12. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Статистические данные, экспертные оценки и нормы безопасности / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Гавзов и др. // Автоматика телемеханика и связь. 1993. №10. с. 17-19.

13. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник. 10-е изд. - М.: Гардарики, 1999. - 638 е.: ил.

14. Букреев С.С. Силовые электронные устройства. М.: Радио и связь, 1982. 256с.

15. Бунин Д.А. Провода и кабели СЦБ и связи: Справочник. М.: Транспорт, 1982. 287с.

16. Валиев Ш.К., Валиев Р.Ш., Ковкин А.Н., Комаров В.В. Проблемы изучения новых систем ЖАТ // тезисы докладов первой международной научно-практической конференции ТрансЖАТ 2004. - Санкт-Петербург, 2004.

17. Виноградов В.В., Кузьмин В.И., Гончаров А .Я. Линии автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте: учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1990. - 231с.

18. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001.-384с.

19. Гавзов Д.В. Методы и средства повышения надежности и эффективности функционирования систем сопряжения при комплексной автоматизации управления движением поездов: Дис. на соиск. ученой степ, к.т.н. Ленинград - 1990.

20. Гавзов Д.В., Ковкин А.Н. Сравнительная оценка основных принципов обеспечения безопасности устройств сопряжения с учетом современных достижений в области силовой электроники // Сборник научных трудов. Санкт-Петербург: ПГУПС, 2004.

21. Гавзов Д.В., Ковкин А.Н. Бесконтактные УСО для микропроцессорных централизаций. Проблемы безопасности функциональных преобразователей с несимметричным отказом // Сборник научных трудов. Санкт-Петербург: ПГУПС, 2004.

22. Гавзов Д.В., Самонина Е.В. Методика расчета количественных показателей безопасности микропроцессорных систем железнодорожной автоматики и телемеханики // Вестник ВНИИЖТа. 1992. №5. с.21-25.

23. Гинзбург С.Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. -М.: Высшая школа. 1967. -387с.

24. Готтлиб И.М. Источники питания. Инверторы, конверторы, линейные и импульсные стабилизаторы. Москва: Постмаркет, 2000. 552 с.

25. Данилов Л.В. и др. Теория нелинейных электрических цепей. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 е.: ил.

26. Дмитриев B.C., Минин В.А. Системы автоблокировки с рельсовыми цепями тональной частоты. М.: Транспорт, 1992. - 182с.

27. Дрейман O.K., Гавзов Д.В., Илюхин М.В. Сопряжение микропроцессорных систем железнодорожной автоматики с напольными объектами // Автоматика, телемеханика и связь. 1990. -№12. -С. 14-17.

28. Дрейман O.K., Гавзов Д.В., Илюхин М.В. Бесконтактные устройства сопряжения микропроцессорных систем железнодорожной автоматики с напольными объектами // Автоматика, телемеханика и связь. — 1991. -№1. С. 12-14.

29. Каталог «Электронные компоненты» фирмы «Элтех». Выпуск 3.1. Санкт-Петербург, 2003.

30. Каталог «Симметрон. Электронные компоненты». Санкт-Петербург, май 2003.

31. Каталог фирмы «Прософт». Корпуса и шкафы для электронного оборудования Schroff. СПб, 09/2001.

32. Каталог продукции ЗАО «ХАРТИНГ». Connectors DIN41612. Санкт-Петербург.

33. Ковкин А.Н. Влияние кабельных сетей на безопасность функционирования бесконтактных устройств сопряжения // Сборник научных трудов. Санкт-Петербург: ПГУПС, 2004.

34. Коган Д.А., Эткин З.А. Аппаратура электропитания железнодорожной автоматики. 2-е изд., перераб. и. доп. -М.: Транспорт, 1987, 256с.

35. Кошевой С.В. Устройство сопряжения микропроцессорной техники с исполнительными реле железнодорожной автоматики и телемеханики // Межвуз. Сб. науч. Тр. Харьков: ХИИТ, 1986. - С. 42-45.

36. Лисенков В.М. Теория автоматических систем интервального регулирования. М.: Транспорт. 1987. 150с.

37. Материалы Совещания Экспертов СЭВа. Применение бесконтактных элементов в устройствах автоматики и телемеханики. Кутна гора, ЧССР, 1977. 38с.

38. Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики. /Под ред. Сапожникова Вл.В. -М: Транспорт, 1995, 272с.

39. Методы и средства оценки и обеспечения безопасности систем железнодорожной автоматики / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Гавзов и др. // Автоматика телемеханика и связь. 1992. №1. с.4-7.

40. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. М.: Радио и связь, 1985.

41. ОСТ 32. 17-92. Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики. Основные понятия. Термины и определения. Санкт-Петербург: ПИИТ, 1992. 33с.

42. Ошурков И.С., Баркаган P.P. Проектирование электрической централизации. М.: Транспорт, 1980. - 295с.

43. Переборов А.С., Брылеев A.M., Ефимов В.Ю. и др. Телеуправление стрелками и сигналами. М.: Транспорт, 1981. 390с.

44. Переборов А.С., Лисовский М.П., Прокофьев А.А. Построение устройств согласования электронных схем управления с исполнительными реле // Автоматика, телемеханика и связь. 1982. -№5.-С. 7-11.

45. Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. М.: Энергия, 1974. 368с.

46. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В., Борисенко Л.И. Какими должны быть микропроцессорные системы автоматики и телемеханики // Автоматика, телемеханика и связь. 1988. №5. с.32-34.

47. Сапожников В.В., Сапожников Вл.В. Принципы построения безопасных микропроцессорных систем // Автоматика телемеханика и связь. 1989. №11. с.22-24.

48. Сапожников Вл.В., Б.Н. Елкин., И.М. Кокурин и др. Станционные системы автоматики и телемеханики. М.: Транспорт, 1997. - 432 с.

49. Сертификация и доказательство безопасности систем железнодорожной автоматики. /Под ред. Сапожникова Вл.В. -М: Транспорт, 1997, 288 с.

50. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. -М.: «СОЛОН-Р», 2001.

51. Сердечники типа КВ. Справочный каталог. Северо-Западная лаборатория. СПб, 2000.

52. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. -М.: Транспорт, 1998. 280с.

53. Силовые полупроводниковые приборы: Пер. с англ. / Под ред. В.В. Токарева. Изд. 1-е. — Воронеж, 1995.

54. Силовые IGBT-модули. Материалы по применению. М.: ДОДЭКА, 1997.

55. Система микропроцессорной централизации Британских железных дорог // Железные дороги мира. 1986. №2. с.76-77.

56. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Радио и связь, 1992. 224с.

57. Теоретические основы железнодорожной автоматики и телемеханики. Сапожников В.В., Кравцов Ю.А., Сапожников Вл.В. М.: Транспорт, 1995.320 с.

58. Уильяме Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление. Справочное пособие: пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993.

59. Феннер В., Христов Х.А. Требования к надежности микроэлектронных устройств СЦБ // Железные дороги мира. 1986. №10. с. 14-18.

60. Флоренцев С.Н. Состояние и тенденции развития силовых IGBT-модулей. Электротехника. 2000. №4.

61. Хвощ С.Т., Варлинский Н.Н., Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. Справочник. -Ленинград: «Машиностроение», Ленинградское отделения, 1987. 640с.

62. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. -М.: Мир, 1998. -704с.

63. Христов Х.А. Электрониката в жп автоматиката състояние, тенденции и перспективи / Железопътен транспорт. 1981. №1. с.7-11.

64. Христов Х.А. Електронизация на осигурителната техника. София: Техника, 1984. - 355 с.

65. Христов Х.А., Иванов Э.Б. Специфичен интерфейс на микрокомпютърни гарови централизации // железопътен транспорт. -1985.-№6-С. 18-22.

66. Цымбал А.Л. Структура выходного элемента устройств связи микроЭВМ с объектами управления и контроля // Идентификация систем интервального регулирования движения поездов: Тр. Омского ин-та инж. Трансп. Омск: ОмИИТ, 1987. - С. 64-67.

67. Шарупич Л.С., Тугов Н.М. Оптоэлектроника: Учебник для техникумов. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 256 е., ил.

68. Щиголев С. А., Сергеев Б.С. Анализ работы динамического управляющего устройства. Сб. научн. трудов «Совершенствование информационных систем на железнодорожном транспорте». Екатеринбург: УрГУПС, 2000г с. 32 - 40.

69. Ясухара X. Разработка системы централизации на базе ЭВМ // Железные дороги мира. 1985. №5. с.28-32.73. "Bootstrap Component Selection for Control Isc" Design Tip DT-98-2 International Rectifier.

70. Brauer H. Das elektronische Stellwerk EIA / Signal und Draht. 1989. № 5. C. 87- 102.

71. Christow Ch.Sichere Elektronische Schaltungen von Тур ELES. -Wissentschaftliche Zeitschrift d. HWV Drezden. 1977. P.53-61.

72. Eue W., Gronemeyer M. SIMIS-C-Die Kompaktversion des Sicheren Mikrocomputer- systems SIMIS / Signal und Draht. 1987. № 4. C. 81 85.

73. Jentsch W.A., Lotz A., Schiwek W. Das Sicherheits baus sustem Logisafe // Signal and Draht. 1978. - № 12. - S. 82-86.

74. MITSUBISHI SEMICONDUCTOR <Dual-In-Line Package Intelligent Power Module> PS21244-E Transfer-mold type. Insulated type. MITSUBISHI ELECTRIC. Mar. 2001.

75. Okomura J. Electronic Interlocing to de Tried in Japan. // Railway Gazette International. 1980. №12. C. 77-81.

76. Schiwek L.-W. Failsafe Schaltungen mit LOGISAFE - Technik // Signal and Draht. - 1986. - 78. - № 9. - S. 192-197.

77. Эксплуатационно-технические требования к системам микропроцессорной и релейно-процессорной централизации // Памятка ОСЖД Р-844. Варшава, 2004.

78. Документы о внедрении результатов диссертационной работы

79. Перечень документов о внедрении результатов диссертационной работы:

80. Акт о внедрении результатов диссертационной работы Ковкина А.Н. «Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики» в ПГУПС.

81. Акт о внедрении результатов диссертационной работы Ковкина А.Н. «Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики» в ДвГУПС.

82. Акт о внедрении результатов диссертационной работы Ковкина А.Н. «Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики» в ОмГУПС.

83. Акт о внедрении результатов диссертационной работы Ковкина А.Н. «Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики» в СамГАПС.1. АКТ

84. О внедрении результатов диссертационной работы Ковкина А.Н.

85. Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики»

86. Настоящий акт составлен 17 июня 2005 года в том, что выполненные с участием Ковкина А.Н. работы, связанные с внедрением лабораторной установки микропроцессорной централизации МПЦ-МПК приняты заказчиком в лице ПГУПС.

87. Заведующий кафедрой «Автоматика ^и телемеханика на железных дорогах» ^ /

88. ПГУПС, д.т.н., профессор<э ^/Сапожников Вл.В.1. АКТ

89. О внедрении результатов диссертационной работы Ковкина А.Н.

90. Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами системжелезнодорожной автоматики»

91. Настоящий акт составлен 21 декабря 2005 года в том, что выполненные с участием Ковкина А.Н. работы, связанные с внедрением лабораторной установки микропроцессорной централизации стрелок и сигналов МПЦ-МПК приняты заказчиком в лице ДВГУПС 21.01.2005г.

92. Лабораторная установка МПЦ-МПК позволяет повысить эффективность обучения принципам построения и особенностям эксплуатации новых систем станционной автоматики, построенных с применением микропроцессорной техники.

93. Заведующий кафедрой «Автоматикаи телемеханика на железнодорожномтранспорте» ДВГУПС, к.т.н., доцент , ^ Годяев А.И.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы А.Н. Ковкина

94. Методы построения бесконтактных устройств сопряжения управляющего вычислительного комплекса с исполнительными объектами систем железнодорожной автоматики»

95. Настоящий акт составлен 28 июня 2005 года в том, что выполненные с участием А.Н. Ковкина работы, связанные с внедрением лабораторной установки микропроцессорной централизации стрелок и сигналов МПЦ-МПК приняты заказчиком в лице ОмГУПС.

96. Заведующий кафедрой «Автоматика и телемеханика» ОмГУПС1. С.А. Лунев)

97. МПК, разработанная в НИЛ ПГУПС. Монтаж и налйк^^оизводил

98. Ковкин Алексей Николаевич. .f"—'=г=-"

99. Зав. кафедрой «АТС» В.Б, Гуменников

100. Доцент кафедры «АТС» В.М. Шумаков