Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы и устройства контроля первичных параметров рельсовой линии 12
1.1. Анализ отказов рельсовых цепей 12
1.2. Основные принципы измерения первичных параметров 14
1.3. Экспериментальные исследования изменения проводимости изоляции рельсовых линий 22
1.4. Устройства измерения проводимости изоляции 27
1.4.1, Мобильные устройства измерения проводимости изоляции 27
1.4.2. Стационарные устройства измерения проводимости изоляции 35
Выводы по главе 1 > 42
2. Разработка математических моделей рельсовых цепей с дискретно-распределенной схемой замещения рельсовой линии 43
2.1. Расчет параметров рельсового четырехполюсника 43
2.2. Равномерно-распределенная модель рельсовой линии 47
2.3. Дискретно-распределенная модель рельсовой линии 50'
2.4. Математические модели рельсовой цепи с дискретно-распределенной схемой РЛ в нормальном режиме 54
2.5. Математические модели рельсовой цепи с дискретно-распределенной схемой РЛ в шунтовом режиме 57
2.6. Математические модели рельсовой цепи с дискретно-распределенной схемой РЛ в контрольном режиме 61
2.7. Исследование информативных признаков 65
Выводы по главе 2 76
3. Уравнение вычислителя проводимости изоляции 78
3.1. Определение структуры вычислителя проводимости изоляции 78
3.2. Определение меры полезности признаков 80
3.3. Методика оценки информативности первичных признаков с учетом свойств функции вычислителя 85
3.3.1. Определение центров таксонов 86
3.3.2. Определение критериев оценки информативности 88
3.4. Определение вида функции вычисления проводимости изоляции и исследование информативности первичных признаков 89
3.5. Анализ чувствительности функции вычислителя величины проводимости изоляции 99
Выводы по главе 3 103
4. Техническая реализация устройства определения величины проводимости изоляции 105
4.1. Структурные схемы устройства определения величины проводимости изоляции рельсовой линии 105
4.2. Обоснование выбора базовых элементов для реализации устройства контроля проводимости изоляции 108
4.3. Централизованная система контроля проводимости изоляции на базе IBM-контроллера 110
4.4. Устройство определения проводимости изоляции на базе микроконтроллера MCS-51 118
Выводы по главе 4 130
Заключение 131
Список использованных источников 134
Приложение 1 143
Приложение 2 148
Приложение 3 162
- Основные принципы измерения первичных параметров
- Равномерно-распределенная модель рельсовой линии
- Методика оценки информативности первичных признаков с учетом свойств функции вычислителя
- Обоснование выбора базовых элементов для реализации устройства контроля проводимости изоляции
Введение к работе
Актуальность темы. В' современных условиях эксплуатации железнодорожного транспорта особенно важное значение приобретают вопросы обеспечения безопасности движения поездов на станциях и перегонах, что обуславливает задачу повышения* надежности функционирования систем интервального управления движением поездов (СИУДП), в которых устройством, достоверно определяющим состояния рельсовых линий участков контроля, являются классификаторы (рельсовые цепи).
Особенностью- работы классификаторов состояний рельсовых линий (КСРЛ) является- то, что они функционируют в условиях разнообразных климатических факторов8 и различного рода интенсивных возмущающих воздействий, которые приводят к различного рода отказам функционирования.
По сетевым данным от 15 до 20% всех неисправностей в работе КСРЛ происходит из-за повышенной проводимости изоляции рельсовых линий (РЛ). В реальных условиях проводимость изоляции изменяется от 0.02 до 10 См/км, при нормативном от 0.02 до 1 См/км, а на некоторых участках максимальная, проводимость изоляции достигает до» 25 — 30 См/км, что приводит к значительным колебаниям уровня сигнала в рельсовых линиях, и, следовательно, неправильной классификации состояний участков контроля, сбоям в работе систем ИУДП. Расходы, вызванные отказами и неустойчивой работой классификаторов состояний рельсовых линий в условиях повышенной проводимости изоляции, в 5 — 8 раз превышают суммарные затраты от повреждений других устройств.
В настоящее время контроль величины проводимости изоляции станционных и перегонных рельсовых линий осуществляется переносным прибором измерения сопротивления балласта (ИСБ-1) с последующим усреднением измеренных значений. Для этого производится серия измерений, через каждые 150 — 200 м, что требует от обслуживающего персонала затрат большого количества времени, а оценка величины проводимости изоляции осуществляется субъективно, что приводит к большим погрешностям в контроле величины проводимости изоляции.
Трудоемкость проведения ручных измерений, субъективность оценки величины проводимости изоляции, исключают системный анализ изменения проводимости, результаты измерений формируют только статистику изменения проводимости изоляции в дискретные промежутки времени,, и невозможно осуществить непрерывный мониторинг изменения проводимости изоляции рельсовых линий для последующего принятия решения обслуживающим персоналом по корректировке работы классификаторов состояний рельсовых линий.
В связи с этим вопрос исследования и разработки автоматических устройств контроля проводимости изоляции рельсовых линий, позволяющих: повысить точность измерения за счет использования новых методов обработки измеренной информации; прогнозировать предотказное состояние КСРЛ из-за влияния изменения величины проводимости изоляции; исключить влияние «человеческого фактора» в процессе получения результатов измерения; автоматически архивировать измеренные значения; информировать обслуживающий персонал с текущем состоянии и о* предельных значениях проводимости изоляции рельсовых линий для «принятия решений», является важным и не решенным до настоящего времени.
Таким образом, исследование, разработка и внедрение нового класса устройств контроля проводимости изоляции РЛ для систем ИУДП, с повышенной точностью - определения величины проводимости изоляции на участках контроля, является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Работа по теме проводилась в рамках хоздоговорных НИР в соответствии с «Программой реализации основных направлений развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (утверждена указанием МПС от 04.03.1997 г № А-276 у); «Перечнем актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта для разработки их докторантами, аспирантами и сотрудниками ВУЗов отрасли в 2001 - 2002 годах» (утвержден указанием МПС от 17.11.2000 г. № М-2775 у); «Перечнем основных проблем развития* железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований» (приложение №1 к указанию МПС России от 26.12. 2002 г. № Я-1272 у); «Концепцией многоуровневой системы управления и обеспечения' безопасности движения*поездов» (разработанной несоответствии с указанием МПС от 29.11.2002 г. №191); «Концепцией развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики на период 2000 — 2004 гг.» (утвержденной указанием МПС от 06,08,01 № М- 1379 у).
Целькь диссертационной работы является разработка нового класса автоматических устройств контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий с повышенной точностью определения величины проводимости для систем интервального управления движением поездов.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе был поставлен комплекс задач: проведение анализа современного состояния научно-технической задачи создания автоматического устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовой линии с изолирующими стыками, удовлетворяющего требуемой точности измерений и способного функционировать в жестких эксплуатационных условиях в диапазоне изменения проводимости изоляции 0.02 - 10 См/км; разработка математических моделей рельсовых цепей с дискретно-распределенными параметрами с целью определения совокупности информативных признаков, однозначно определяющих состояние проводимости изоляции; разработка методики восстановления функции вычислителя устройства контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков; разработка методики оценки коэффициентов чувствительности функции вычислителя при отклонении параметров, элементов КСРЛ от номинальных с целью определения допустимого диапазона изменения относительной погрешности измерения; техническая- реализация устройства' контроля распределенной проводимости изоляции рельсовых линий для систем ИУДП.
Методы исследования. В работе использованы методы вычислительной математики и математического программирования, а также проверка полученных результатов в лабораторных и эксплуатационных условиях.
Теоретические исследования базируются на применении основных положений теории электрических цепей, теории интервального управления движением поездов, теории чувствительности, теории распознавания образов и теории восстановления функций.
Научная новизна работы заключается в развитии теории изхмерения распределенной проводимости изоляции рельсовых линий и методики создания устройства контроля проводимости изоляции РЛ, позволяющего обеспечить требуемую точность измерения проводимости изоляции.
Основными научными результатами, полученными в работе являются: - математические модели рельсовых цепей с дискретно-распределенной схемой замещения рельсовой линии в нормальном режиме, дополнительно учитывающие продольную неоднородность рельсовых линий из-за наличия токо проводящих стыков, что позволило исключить погрешность моделирования из-за асимметрии, получить аналитические выражения
8 напряжений и токов на входе и выходе рельсовой линии, формировать совокупность информативных признаков, с помощью которых восстанавливается функция вычислителя проводимости-изоляции с требуемой точностью вычисления. метод измерения распределенной проводимости изоляции рельсовой линии функцией вычислителя на основе принципов распознавания образов с использованием множества информативных признаков, позволяющий добиться требуемой точности измерения. алгоритм формирования ряда функций вычислителя, представляющих собой полином Колмогорова-Габора для к-мерных образов состояния РЛ, позволяющий адаптивно изменять вид полинома функции вычислителя в зависимости от диапазона изменения проводимости изоляции. методика исследования коэффициентов чувствительности функции вычислителя, позволяющая определять диапазон допустимого отклонения величин параметров элементов рельсовых цепей участка контроля, при котором сохраняется требуемая точность, и выявлять элементы, наиболее сильно влияющие на функцию вычислителя.
Практическую ценность работы составляет предложенное и разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовой линии, позволяющее: оценивать величину проводимости изоляции, распределенной по в^ей длине рельсовой линии; расширить диапазон правильного определения проводимости изоляции до 10 См/км; информировать обслуживающий персонал о превышении величины проводимости изоляции рельсовых линий сверх нормативной; повысить объективность и точность результатов измерений.
Разработанное1 устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий внедрено в существующую систему интервального управления движением поездов.
Внедрение результатов исследования.
Разработанное устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий находится в опытной эксплуатации в дистанции сигнализации и связи Куйбышевской железной дороги. Отдельные компоненты устройства (управляемый АЦП) внедрены в научно-исследовательской лаборатории мониторинга систем автоматики и телемеханики. СамГАПСа. Разработанные математические модели, функции вычислителя, внедрены в учебный процесс в СамГАПСе и используются в курсе лекций для студентов специальности 2107.00 по дисциплинам: «Математическое моделирование», «Специзмерения и техническая диагностика в устройствах автоматики и телемеханики».
Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на: межвузовской научно-технической конференции с международным участием (Самара, СамИИТ, 1996 г.); международной научно-практической конференции (Оренбург, ОПТУ, 1998 г.); второй международной конференции- молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, СамГТУ, 2001 г.); международной научно-практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» (Самара, СамГАПС, 2003 г.); международной научно-практической конференции «Безопасность и логистика транспортных систем» (Самара, СамГАПС, 2004 г.); региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (Самара, Кбш ж.д., 2004 г.)
7) заседаниях научно-технического семинара электротехнического факультета СамИИТа (Самара, 1996-2004 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в т.ч. 11 статей, 2 патента, 1 продукт интеллектуальной собственности.
Структура и объем' работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Материалы диссертации изложены на 142 страницах основного текста и содержат 9 таблиц, 47 рисунков и 3 приложения на 31 странице. Список использованных источников содержит 77 наименований.
Основные положения работы, выдвигаемые на защиту: математические модели дискретно-распределенной схемы замещения рельсовой линии в нормальном режиме позволяют проанализировать основные характеристики и определить области существования информативных признаков в зависимости от изменения проводимости изоляции при различных длинах рельсовой линии; метод измерения распределенной проводимости изоляции рельсовых линий, основанный на использовании функции вычислителя проводимости изоляции обеспечивает требуемую точность измерения (5(g)<0.25%) при всех длинах рельсовой линии участка контроля; алгоритм формирования ряда функций вычислителя, представленных в виде Колмогорова-Габора, позволяет адаптивно изменять вид полинома функции вычислителя в зависимости от требований точности измерения; методика исследования коэффициентов- чувствительности функции вычислителя позволяет определять относительную погрешность вычисления величины проводимости изоляции в зависимости от изменения параметров элементов РЦ, и выявлять элементы, наиболее сильно влияющие на точность измерения; предложенное и созданное устройство контроля проводимости изоляции рельсовых линий обеспечивает правильное определение величины и проводимости изоляции в диапазоне ее изменения от 0.02 до 10 См/км и длинах рельсовой линии до 2.5 км и может быть рекомендовано к широкому внедрению на предприятиях железнодорожного транспорта.
Основные принципы измерения первичных параметров
Условия передачи сигналов в рельсовой линии определяются ее первичными параметрами: электрическим сопротивлением рельсов и проводимостью изоляции между ними.
Рельсовая линия состоит из отдельных рельсовых звеньев, электрически соединенных между собой в пределах одной рельсовой цепи длиной до 2.5 км . Длина звена 12.5 или 25 м, применяют также звенья (плети) длиной 800 м. Рельсы соединяют между собой стыковыми соединителями и стыковыми накладками, создающими параллельную цепь для пропуска тока /10/. Сопротивление рельсовой петли зависит от типа электрических соединителей и частоты сигнального тока, т.к. рельсы имеют реактивное сопротивление с индуктивным характером.
Метеорологические условия, при которых проводимость изоляции максимальна, бывают весной-летом при высокой температуре окружающей среды и влажности воздуха, так как повышается интенсивность электрохимических процессов, протекающих в балластном материале. Засорение балласта солями улучшает условия протекания электрохимических процессов, что приводит к существенному повышению проводимости изоляции. С понижением влажности воздуха и- температуры окружающей среды снижается интенсивность электрохимических процессов и проводимость изоляции рельсовой линии уменьшается. При отрицательных температурах проводимость изоляции g = 0.1 -г 0.01 См/км, что позволяет в расчетах принимать ее равным нулю.
Эквивалентная схема проводимости изоляции Проводимости gi и g2 характеризуют переходные проводимости между каждым рельсом и землей, проводимость которой как провода с очень большой площадью поперечного сечения принимается равным бесконечности. Проводимость g\i характеризует часть тока утечки, проходящего как .бы непосредственно из рельса в рельс по верхнему слою балласта и шпалам. Неравенство проводимостей между каждым рельсом и землей (поперечная асимметрия рельсовой линии) обусловлено подключением к одному из рельсов опор контактной сети. Наибольшее значение поперечная асимметрия имеет зимой. Проводимость одной рельсовой нити по отношению к земле g[ и проводимость между рельсами g\% обычно незначительны, а другая рельсовая нить имеет высокую проводимость gi за счет опор контактной сети, соединенных с рельсами. При отсутствии посторонних подключений к рельсам gr= g2, т.е. рельсовые линии симметричные.
Первичные параметры рельсовой цепи могут быть определены на основании измерений ее входного сопротивления, а также оценки известных зависимостей между напряжениями и токами в начале и в конце рельсовой цепи.
Таким образом, измеряя токи, напряжения и углы сдвига фаз между ними в начале рельсовой цепи при холостом ходе и коротком замыкании, можно определить параметры рельсовых цепей.
Однако такой метод измерения очень сложен в практической реализации, так как для его осуществления необходим перерыв («окно») в движении поездов, и дает значительные погрешности, когда собственное затухание рельсовой цепи превышает 15 дБ.
Существует способ определения первичных параметров рельсовых цепей методом коротких замыканий, описанный в /13/. На некотором расстоянии от начала питающего конца измеряют значения напряжения и тока на питающем конце при коротком замыкании в двух точках на расстоянии / и 2/ от питающего конца, а затем рассчитывают основные параметры.
Сопротивления Z, и Zm при этом измеряют обычным способом. Расчетами установлено, что при изменении сигнальной частоты тока от 25 до 75 Гц это соотношение при любом значении сопротивления балласта и затухании а/, равном 14 дБ, изменяется в пределах 0.94 - 0.97. Следовательно, при выборе способа измерения можно пользоваться этим соотношением.
Равномерно-распределенная модель рельсовой линии
В настоящее время при исследовании рельсовых цепей переменного синусоидального тока рельсовый четырехполюсник [Ар] рассматривается как линия с равномерно распределенными (РР) параметрами /31/ (рис. 2.5).
Рельсовые цепи питаются от источника синусоидального напряжения. Для определения зависимости выходных напряжения и тока от входных, а также первичных и вторичных параметров рельсовой линии, запишем выражения для распределения напряжений U(x) U и токов 1{х)-1 вдоль рельсовой линии как линии с распределенными параметрами (рис, 2.5).
Четырехполюсник РЦ с параметрами (2.18) - (2.21) достаточно точно отражает процессы, происходящие в рельсовых линиях с равномерно-распределенными параметрами на бесстыковых участках пути длиной до длины участка контроля (/рл= /ук=1.0 - 2.5 км). Однако, в настоящее время более 80% рельсовых цепей оборудованы стыковыми соединителями. Применение математических моделей РЦ с бесстыковыми рельсовыми линиями, для анализа и синтеза рельсовых цепей на участках с стыковыми соединителями, дает большую погрешность /33/, следовательно, необходимо разработать математические модели РЦ с учетом наличия стыковых соединителей.
Наличие стыковых соединителей, имеющих сосредоточенные параметры RCT и L , преобразует рельсовую линию в неоднородную линию с дискретно-распределенными (ДР) параметрами. В связи с этим целесообразно четырехполюсник [Ар], замещающий рельсовую линию, представить как п четырехполюсников [Аг] (где / = 1, 2, ..., п) с распределенными параметрами длиной А/ км каждый (Д/ - длина одного рельса), каскадно-соединенных между собой с помощью четырехполюсников с сосредоточенными параметрами [Аст], замещающих стыковые соединители.
Дискретно-распределенная схема замещения РЛ: [Аі], [Аг],..., [An] - четырехполюсники с распределенными параметрами, замещающие участок контроля длиной Д/; [Ает] - четырехполюсник, замещающий стыковые соединители
При оценке полной индуктивности рельсовой петли согласно экспериментальным измерениям для стыкового приварного соединителя индуктивность принимается равной 1.27 1СГбГн, а для стыкового штепсельного соединителя 1.9-10 бГн. Активное сопротивление приварного стыка принимается равным 300-Ю"6 Ом. /29/
На величину активного сопротивления рельсов переменному току влияют: частота тока, форма сечения проводника, проводимость и магнитная проницаемость стали, зависящая от тока в рельсах /29/. Сложность процессов, происходящих в ферромагнитных проводниках, особенно при такой форме сечения, которую имеют рельсы, не дает возможности получить уравнения точно отражающие активное сопротивление рельса переменному току.
С достаточной для практических результатов точностью (погрешность 5 -ь 10%) активное сопротивление ферромагнитного проводника может быть определено по формуле Неймана, полученной на основе исследования явлений распространения электромагнитных волн в ферромагнитной среде /36/.
При протекании переменного тока по рельсовой линии создается магнитный поток, часть которого находится в пределах каждого рельса, а часть - между рельсами. В соответствии с этим полную удельную индуктивность двухпроводной линии L0 можно представить в следующем виде L0 = Le + 2Ц Гн/км, (2.26) где 4 " внутренняя индуктивность целой рельсовой нити, Гн/км; е - внешняя индуктивность, Гн/км. Величина внутренней индуктивности так же, как и активное сопротивление рельсов, в сильной степени зависит от частоты электрического тока и магнитной проницаемости стали и может быть определена из уравнения.
Уравнения (2.39) - (2.44) формируют математические модели информативных признаков, характеризующих работу рельсовой цепи в нормальном режиме и позволяют исследовать процессы изменения напряжений и токов в начале и в конце РЛ в зависимости от изменения проводимости изоляции, частоты сигнального тока, длины рельсовой линии.
Дискретно-распределенная схема замещения рельсовой цепи в шунтовом режиме: [А„], [Ак] - четырехполюсники УСН и УСК, согласно рис. 2.3; [Ашр] -четырехполюсник РЛ с дискретным шунтом; /[ - расстояние от начала рельсовой линии до места нахождения поездного шунта; 12 - расстояние от места нахождения поездного шунта до конца рельсовой линии.
Уравнения (2.58) - (2.63) формируют математические модели информативных признаков, характеризующих работу рельсовой цепи в шунтовом режиме и позволяют исследовать изменение напряжений и токов на входе и выходе РЛ в зависимости от изменения проводимости изоляции и координаты расположения поездного шунта.
На рельсовую линию в контрольном режиме оказывает влияние дискретное воздействие в виде излома рельсовой нити с конечным сопротивлением 2 , поэтому матрица коэффициентов четырехполюсника рельсовой линии определяется следующим соотношением М=Кі]-[Аобр]-К] (2.59) где [Ак1] - матрица четырехполюсника, замещающего участок рельсовой линии от ее начала до места излома рельса Zo6p; [A ] - матрица четырехполюсника, замещающего участок рельсовой линии от места излома рельса Zo6p до ее конца; Zo6p - сопротивление, эквивалентное разрыву рельсовой нити. Величина Zo6p определяется выражением /37/ Z05p = Ек Zj\ + 2p{cthyxlx + cthyj2), (2.70) где /] и h - участки рельсовой линии слева и справа от места обрыва рельсовой нити; р - коэффициент поверхностной проводимости, характеризующий отношение между составляющими проводимости изоляции; Ек - характеристика составляющих полного сопротивления рельсов (постоянная земляного тракта), зависящая от частоты сигнального тока; Еу 7i= - коэффициент распространения волны земляного тракта рельсовой линии; / - коэффициент распространения сигнала по линии; ZB - волновое сопротивление.
Методика оценки информативности первичных признаков с учетом свойств функции вычислителя
Априорно «обученное» уравнение вычислителя позволяет оценить информативность в комплексе первичных признаков и функции вычислителя проводимости изоляции, поэтому оценку информативности совокупности первичных признаков удобно осуществить с использованием функции вычислителя величины проводимости изоляции Л%) Лв) путем математического моделирования процесса.
При исследовании информативности первичных признаков пространство состояний проводимости изоляции необходимо разделить на единичные образы состояний с помощью которых появляется возможность «обучения» функции вычислителя. Единичные образы состояний представляют собой таксоны, характеризующие локальные компактные области существования проводимостей изоляции.
В качестве центров таксонов при определении величины проводимости изоляции удобнее всего принять скалярные величины проводимостей изоляции в диапазоне изменения ее величины от максимального до минимального значений.
Т.е. требуется при выполнении ограничения (3.23), (3.24) минимизировать некоторый функционал, заданный на множестве всех разбиений множества G и отражающий понятие качества разбиения множества G. Подмножества элементов G,,...,Gm, являющихся оптимальным решением такой задачи, являются таксонами, а сама задача разделения множества G на подмножества является задачей таксономии.
Задача количественной оценки информативности первичных признаков с учетом восстановления функции вычислителя может быть решена, если известны вид восстановленной функции вычислителя и правило классификации таксонов. В этом случае при заданной длине рельсовой линии и заданной максимальной проводимости изоляции появляется возможность анализа обобщенной информативности различных совокупностей первичных признаков и их сравнения.
Из анализа графиков рис. 3.9 (а - г) и таблицы 3.3 следует, что при использовании полинома Колмогорова-Габора второй степени сложности в качестве функции вычислителя, а в качестве аргумента - амплитуды и фазы напряжения на выходе рельсовой линии, от количества коэффициентов в полиноме напрямую зависит величина относительной погрешности, независимо от длины рельсовой линии. Вместе с тем, абсолютные значения величин относительной погрешности зависят от длины рельсовой линии, и чем длиннее рельсовая линия участка контроля, тем больше значение относительной погрешности. Так, при длине рельсовой линии 1 км значения относительной погрешности находятся в пределах от 5.3984х10"8% при использовании полинома (3.31) до 0.9861% (3.50), а при рельсовой линии 1.5 км относительная погрешность находится в пределах от 9.2762x10"6% (3.31) до 5.1998% (3.50), При длине рельсовой линии 2.0 км относительная погрешность изменяется от 4.9785х10"4% (3.31) до 6.1232% (3.50). При длине рельсовой линии участка контроля 2.5 км относительная погрешность находится в пределах от 0.0023% (3.31) до 43.1408% (3.50). Итак, при использовании полиномов вида (3.47 -3.49) относительная погрешность вычисления проводимости изоляции не превышает 0.2393% при всех длинах рельсовой линии участка контроля. Использование полинома вида (3.50) в качестве функции вычислителя не представляется возможным, т.к. относительная погрешность вычисления составляет более 40%. Следовательно, полином (3,49) является полиномом минимальной сложности, который будет использован в качестве базового при технической реализации устройства контроля проводимости изоляции.
При оценке эффективности функционирования устройства определения проводимости изоляции важную роль играют многое факторы. С течением времени появляются признаки «старения», которые находят отражение в изменении значений параметров элементов рельсовых цепей, что неизбежно приводит к увеличению относительной погрешности определения величины проводимости изоляции. Неизбежные допуски для параметров компонент схемы ведут к соответствующим отклонениям характеристик рельсовых цепей, составленных из этих компонент. Особенности применения конденсаторов, резисторов на питающих концах и индуктивности на релейных концах определяют и соответствующие интервалы допусков их параметров.
Методы и способы оценки влияния допусков параметров системы на ее характеристики объединяются под названием «анализ чувствительности» /52, 53/, суть которого заключается в следующем.
Обоснование выбора базовых элементов для реализации устройства контроля проводимости изоляции
Устройство контроля проводимости изоляции (УКПИ) реализуется в виде набора микропроцессорных модулей. Обоснование выбора функциональных модулей и топологии их соединений базируется на реализации следующих основных критериев.
Создаваемая система является открытой и масштабируемой. Ее функциональные возможности легко наращиваются путем подключения дополнительных аппаратных и программных модулей по принятым интерфейсам. Гибкая архитектура позволяет развивать систему и адаптировать ее под особенности конкретных объектов.
Система реализуется на базе унифицированных промышленно выпускаемых аппаратных и программных модулей, сертифицированных для применения в индустриальных условиях. Это упрощает процесс тиражирование системы и ее сертификацию.
УКПИ реализуется на IBM PC архитектуре, что позволяет использовать широко распространенное (следовательно, дешевое и многократно апробированное) программное обеспечение, производить разработку, отладку и тестирование на обычных IBM PC совместимых компьютерах. Это снижает финансовые и трудовые затраты на разработку и сопровождение системы.
В У КПИ предусмотрены средства, повышающие надежность ее работы и парирующие сбои и зависания программы. Также предусматривается регистрация в энергонезависимой памяти (системном журнале) параметров событий, вызванных внештатными ситуациями, например, отключениями электропитания, сбоями, вызвавшими перезагрузки и т.п. Это позволяет контролировать и диагностировать техническое состояние устройства контроля проводимости изоляции РЛ, повышает эффективность его сервисного обслуживания.
Входные цепи блока управления имеют большой входной импеданс, исключающий их влияние на цепи измеряемых сигналов, и гальванически изолированы от блоков обработки. МС должна обеспечивать надежную работу в условиях индустриальной среды - широкого разброса температур, сильных электростатических и электромагнитных помех, вибраций и ударов: - диапазон рабочих температур от — 50 до + 50 град. С; - вибрации до 5 g и ударная нагрузка до 20 g. Поэтому для реализации системы управления выбраны программно-аппаратные модули в промышленном исполнении, а системное программное обеспечение поддерживается библиотекой реального времени RTKernel 4.05.
Тестирование системы и ее техническое обслуживание производится с помощью ноутбука, подключаемого к МС на период отладки и технического обслуживания через последовательные порты.
Ввод цифровых сигналов с выходов датчиков и вывод сигналов на исполнительные устройства осуществляется с помощью универсального дискретного порта микроконтроллера, к которому можно подключить до 24 дискретных каналов.
С помощью интерфейсного модуля порт COM2 микроконтроллера образует интерфейс, соответствующий стандарту EIA RS485. Этот последовательный канал на основе витой пары соединяет микроконтроллер с мобильным компьютером для отладки и тестирования.
Последовательные порты оснащены средствами защиты от электростатического разряда напряжением до ± 8 кВ в соответствии с требованиями стандарта МЭК 1000 Уровень 3. Кроме того имеется защита портов от повреждения током, величина которого выше допустимой, вызванным подачей на их входы напряжения от внешнего источника при отключенном питании микроконтроллера.
Модули согласования, процессорный модуль CPU и блок питания 5112 размещаются в монтажном каркасе 5204RM Card Cage для настенного крепления фирмы Octagon Systems, который помещается в электротехнический корпус Schroff-Hoffman, обеспечивающий защиту класса IP66 от пыли, влаги, электростатических и электромагнитных полей.
Источник электропитания 5112 в промышленном исполнении рассчитан на диапазон входного напряжения 9-18 В. Источник вырабатывает выходные напряжения 5 В (3,5 А), +12 В (0,4 А), -12 В (0,4 А) для блока управления.
Необходимые соединения блоков производятся типовыми ленточными кабелями типа СМА. В качестве сервисного обеспечения применяется программный пакет SmartLink. С помощью этого пакета программ можно производить запись во флэш-память разработанного прикладного программного обеспечения из ПК, производить отладку программ в системе, используя внешний ПК как терминал и тлі.
Благодаря своей компактности, низкому потреблению и функциональной насыщенности, модуль CPU188-5MX является эффективным решением для широкого диапазона встраиваемых приложений.
