Системы сбора и управления информацией на основе серийных программируемых контроллеров

Санкт-Петербургский  государственный электротехнический университет им. В.И. Ульянова (Ленина) «ЛЭТИ»

Кафедра АСОИУ 
 
 
 
 

Реферат

по  дисциплине: Системы реального времени

на  тему: «Системы сбора информации и  управления на базе серийных программируемых  контроллеров» 
 
 

Выполнила: Вайчикаускас М.А.

Гр.7361

Преподаватель: Сидельников В.В. 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011

Содержание:

Введение ......................................................................................................................................3

1. Автоматизация сбора информации о перевозочном процессе...........................................4

2. Классификация  систем управления поездной работой.......................................................7

3. Автоматизированная  система диспетчерского контроля....................................................9

4. Ситема АПК-ДК....................................................................................................................14

5. Программируемые  индустриальные контроллеры............................................................18

Заключение................................................................................................................................23

Список используемых обозначений........................................................................................24

Список литературы...................................................................................................................25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Каноническое  определение системы реального  времени дано Дональдом Гиллиесом и выглядит так:

«Системой реального  времени является такая система, корректность функционирования которой  определяется не только корректностью  выполнения вычислений, но и временем, в которое получен требуемый  результат. Если требования по времени  не выполняются, то

считается, что  произошел отказ системы». Другие добавляют: «Поэтому необходимо, чтобы было гарантировано [аппаратными и программными средствами и алгоритмами обработки] выполнение требований по времени. Гарантия выполнения требований по времени необходима, чтобы поведение системы было предсказуемо. Также желательно, чтобы система обеспечивала высокую степень использования ресурсов, чтобы удовлетворять требованиям по времени [с минимальными затратами]».

Нетрудно представить  себе примеры систем, где особую роль играет не только корректная работа системы, но и «своевременность»  получения результата. Такими примерами  могут быть система, контролирующая развод мостов, системы обработки  аудио- и видеопотоков при трансляции в прямом эфире, интерактивные компьютерные игры, автоматизированные системы научных  исследований в области ядерной  физики, автоматизированные системы  управления технологическим процессом  химического реактора и так далее.

Особый интерес  в ходе изучения систем реального  времени у меня вызвал вопрос о  системах автомазированного управления железднодорожным транспортом. Сущность деятельности железнодорожного транспорта состоит в выполнении перевозочного процесса при неукоснительном соблюдении безопасности движения поездов. Перевозочный процесс сложен своей динамичностью, взаимозависимостью работы его участников, непрерывно меняющимися ситуациями, воздействиями на него большого числа дестабилизирующих факторов и территориальной рассредоточенностью объектов. Поэтому автоматизация управления является важным фактором совершенствования перевозочного процесса. 

1.  Автоматизация сбора информации о перевозочном

   процессе

   Одной из подсистем автоматизации управления на железнодорожном транспорте является система управления движением поездов. Особенности движения рельсового транспорта предопределяют три основные составные части процесса движения: диспетчерское руководство движением в целом на участке, разграничение попутных и встречных поездов и ведение поезда (рис.1). Все три составляющих процесса образуют взаимосвязанный комплекс, определяющий движение на участке и поэтому подлежащий автоматизации.

    Автоматизированное  управление движением поездов предусматривает решение комплекса задач, определяющих продвижение поездов по участку, таких, как анализ, контроль и корректировка заданий диспетчером на основании моделирования различных вариантов режима пропуска поездов с расчетом их показателей, автоматический выбор оптимального порядка пропуска поездов по одному или нескольким критериям, выполнение принятых решений по команде диспетчера, номерной учет продвижения поездов, указание на табло их размещения на участке, сбор информации об отклонениях в продвижении поездов, отказах технических средств и составление оперативной отчетности.

   Организация поездным диспетчером самого процесса продвижения поездов по участку ведется при соблюдении требований безопасности с применением технических средств автоматики разграничения поездов (автоматическая блокировка) на перегонах и станциях (электрическая централизация). 

Рис. 1.Основные задачи по управлению движения поездов 

   При автоматической блокировке перегон делят на блок – участки, а на их границах устанавливают проходные светофоры, показаниями которых управляют сами движущиеся поезда с помощью аппаратуры размещенной в релейных шкафах.

   При локомотивной сигнализации (автоматическая локомотивная сигнализация АЛС), применяемой как самостоятельное средство сигнализации, раздельными пунктами служат границы между блок-участками, а движение осуществляется по сигналам локомотивного сфетофора. При этом нормальное движение может происходить только при действующих устройствах на локомотиве.

   Что касается технической базы устройств  автоматики, то она все время совершенствуется, внедряются новые более прогрессивные  технические решения, повышающие надежность и дающие новые эксплуатационные качества.

   Для определения подвижного состава  на участках пути каждый блок-участок оборудуется рельсовыми цепями. На рис. 2 приведены схемы, поясняющие принцип действия двузначной системы автоматической блокировки.

   На  границах смежных блок - участков, в створе с проходными светофорами устанавливаются изолирующие стыки. На одном из концов блок - участка 1БУ и 3БУ к рельсам подключаются источники питания ПБ1, ПБ3. На противоположных концах блок - участков включаются путевые приемники П1, П3 (реле) а рельсовые нити железнодорожного пути служат проводниками сигнального тока. 

   -

Рис. 2 Схемы автоматического управления проходными светофорами 

   Если  блок-участок 1БУ свободен от подвижной  единицы, то ток от путевой батареи  ПБ1 через ограничивающий резистор R_о и рельсовые нити будет протекать через обмотку путевого приемника П1. Реле притянет свой якорь и фронтовым контактом создаст цепь для включения лампы зеленого огня на светофоре 1 от источника питания с полюсами ²П² и ²М². Зеленый огонь светофора указывает, что ограждаемый им блок-участок свободен и рельсы не повреждены.

   При вступлении поезда на блок-участок 3БУ, ограждаемый светофором 3, РЦ шунтируется его колесными парами, имеющими очень малое сопротивление. Это приводит к значительному снижению напряжения на путевом реле П3. Реле отпускает свой якорь и замыкает тыловой контакт. На светофоре 3 к источнику питания подключается лампа красного огня.

   Благодаря горению красного огня на светофоре 3 въезд второго поезда на занятый блок-участок запрещается, пока он не освободится от подвижной единицы. Как только блок-участок 3БУ освободится, напряжение на путевом реле П3 увеличится до напряжения срабатывания и его фронтовыми контактами  на светофоре 3 включится лампа зеленого огня. В этом и заключается  автоматический съем информации от нахождении поезда на БУ, за счет чего обеспечивается управление проходными светофорами.

2.  Классификация систем управления поездной работой

   Во  многих случаях возникает необходимость  сбора данных, приведение их к удобному для дальнейшей обработки виду и передачи на более высокий  уровень.  Такие  задачи  решаются и на железнодорожном транспорте в

   Рис. 3. Автоматизированное рабочее место поездного диспетчера 

системах  диспетчерского управления (ДЦ) и контроля (ДК) за движением поездов (рис. 3). Централизация управления поездной работой в единых дорожных  и региональных центрах выполняется с помощью интегрированных многоуровневых управляющих системах.

   Автоматизации подлежит технология работы аппарата поездных диспетчеров, а также технология работы служб дистанции сигнализации, связи и вычислительной техники (ШЧ) по контролю за состоянием устройств, с возможностью передачи оперативной информации о поездном положении и состоянии устройств работникам других служб.

   Основным  назначением диспетчерского управления и диспетчерского контроля является своевременное обеспечение диспетчерского аппарата ШЧ и отделения дороги полной и достоверной информацией о показаниях сигналов, положении стрелок, маршрутов приема и отправления поездов, состоянии устройств и действиях эксплуатационного штата на станциях и перегонах с целью улучшения диспетчерского руководства эксплуатационной и оперативной работой.

   Устройства  диспетчерского контроля представляет поездному диспетчеру информацию о установленном направлении движения (на однопутных перегонах оборудованных автоматической блокировкой), занятость блок-участков, главных и приёмо-отправочных путей на промежуточных станциях, а также повторяют показания входных и выходных светофоров. Кроме того, диспетчерский контроль предназначен для обеспечения первичной информацией о поездном положении и состояниях устройств других пользователей, посредством функционирования в локальной вычислительной сети или сети передачи данных.

   На  отечественных железных дорогах  в 1936 начали применять  ДЦ временного кода. Затем была разработана частотная  ДЦ. Дальнейшая модернизация привела  к созданию в 1967 г ДЦ системы «Нева» с циклическим способом передачи сигналов. Она получила наибольшее распространение на сети дорог страны. В 1978 введена в эксплуатацию система «Луч» с трехзначной относительной фазовой манипуляцией. Сдвиг фазы в сторону опережения кодируется как сигнал логического 0, а в сторону отставания – как логическая 1. В настоящее время разрабатываются и широко внедряются микропроцессорные ДЦ. К таким системам относятся автоматизированные системы диспетчерского контроля и, в частности, система АПК-ДК, рассмотренная далее.

3. Автоматизированная  система диспетчерского контроля

     Автоматизированная  система диспетчерского контроля (АСДК) представляет собой аппаратно-программный  комплекс, обеспечивающий диспетчерский  контроль состояния отдельных узлов  и устройств автоматики, телемеханики и связи, поездных передвижений, свободности  и занятости приемоотправочных  путей, рельсовых цепей и блок - участков, состояния переездов, входных  и выходных светофоров станций и  др.

     Условно АСДК разделяется на две подсистемы верхнего и нижнего уровней. Объектами  контроля АСДК являются устройства  электрической централизации (ЭЦ) на станциях и устройства интервального  регулирования на перегонах.

     Подсистема  нижнего уровня состоит из электрических датчиков состояния контролируемых технических средств (контакты соответствующих реле постовых и перегонных устройств, измерительные панели рельсовых цепей и др.) и контроллеров диспетчерского контроля (КДК), выполняющих сбор цифровой и аналоговой информации, ее обработку и передачу в сеть АСДК.

     Контроллер  диспетчерского контроля представляет собой многопроцессорную систему, построенную по магистрально-модульному принципу с широкой номенклатурой  модулей, обеспечивающих контроль дискретных устройств, а также аналоговых сигналов: измерение напряжений питающих установок  и путевых реле различных рельсовых  цепей, включая тональные; измерение  длительности и частоты сигналов.

     В качестве магистрали КДК используется асинхронная, последовательная шина. Децентрализованная внутренняя магистраль позволяет разнесением  отдельных модулей сократить  объем работ по монтажу и затраты  на кабельную продукцию.

     Такой подход в построении технических  средств позволяет повысить живучесть  системы в целом, обеспечить возможность  дублирования элементов и резервирования каналов связи, решать на нижнем уровне задачи, требующие значительных вычислительных ресурсов, в том числе по поддержке  протоколов глобальных сетей.

     Для обеспечения съема и передачи на станции дискретных и аналоговых сигналов от сигнальных и переездных установок аппаратура нижнего уровня содержит:

     модуль  линейный аналоговый (МАЛ), предназначенный  для сбора и преобразования в  цифровой код аналоговой информации от восьми контролируемых устройств; генератор линейных сигналов (ГЛС), служащий для сбора дискретных сигналов от 15 контролируемых устройств (контакты реле) и реле состояния блок участка (переезда). Кроме того, ГЛС принимает цифровой код измеренных аналоговых величин и передает его в линию в виде последовательного циклического кода (рис. 4).

     Линейные  выходы всех генераторов линейных сигналов (до 24) подключаются параллельно к  двухпроводной линии связи (кабельной  или воздушной), например к линии  двойного снижения напряжения (ДСН).

     Одновременная передача информации с 24 сигнальных установок  в общую линию связи основана на частотном разделении каналов. Кодирование  информации о состоянии 15 контролируемых устройств или аналоговой информации каждым ГЛС выполняется по принципу временного разделения каналов. Состояние  каждого контролируемого устройства (контакта реле) или код аналоговой информации передается в дискретной форме модулированными по длительности паузами между частотными посылками. Одновременно модулированными по длительности частотными посылками посылается информация о состоянии блок участка (переезда). 
 
 

     Рис. 4. Структура последовательного кода при передаче дискретной (а) и аналоговой (б) информации 

     При наличии аналоговой информации от МАЛ  на входах ГЛС последовательный циклический  код линейного сигнала содержит 4 байта (2 байта дискретной информации и 2 байта аналоговой). За один цикл передачи информации ГЛС передает код о  напряжении одного аналогового сигнала. Во втором байте последовательного  кода, содержащего аналоговую информацию, включено сообщение о состоянии  четырех информационных каналов  для сокращения времени получения  данных по этим каналам. При передаче любого сообщения модулированными  по длительности частотными посылками  посылается информация о состоянии  блок участка (переезда). При передаче дискретной информации ГЛС формирует  импульсную последовательность циклического кода (рис. 5). На этом рисунке Ч — частотная посылка; Б — бесчастотная посылка (пауза).

     Информация  от каждой сигнальной установки по линии связи (например, ДСН с развязкой  конденсаторами от цепей постоянного  тока) поступает на станционную приемную аппаратуру и выделяется полосовыми фильтрами модулей приемных каналов  ПК. После дешифрации принятого сигнала  ПК выставляет информацию в последовательную интерфейсную шину RS-232 для использования аппаратурой верхнего уровня АСДК (рис. 6.) При необходимости, по этому же стыку, информация может быть выведена на модули индикации. 

     Рис. 5. Структура циклического кода линейного сигнала при передаче дискретной информации

     Подсистема  верхнего уровня выполняет прием и маршрутизацию потоков информации от КДК, ее обработку и отображение на автоматизированных рабочих местах сети АСДК. Кроме того, на этом уровне осуществляется связь с внешними вычислительными системами, в том числе с автоматизированной системой оперативного управления перевозками (АСОУП) и автоматизированной системой службы сигнализации, централизации и блокировки (АС-Ш). В состав подсистемы верхнего уровня входят различные технологические автоматизированные рабочие места  пользователей (поездного и узлового диспетчеров, сменного инженера дистанции сигнализации и связи, дежурного по станции, электромеханика постов ЭЦ и горочной автоматической централизации (ГАЦ), диспетчера локомотивного депо, дежурного по пассажирским и грузовым паркам и др.). Все автоматизированные рабочие места АСДК поддерживают единый протокол обмена. Сеть АСДК выполняет функции электронной почты и открыта для подключения автоматизированных рабочих мест других разработчиков. Система ориентирована на работу в центре управления и совместно с АС-Ш.

     Основными характеристиками сети АСДК являются: возможность обмена информацией  между любыми абонентами сети и информацией  произвольного вида, в том числе  информацией реального времени; программная поддержка любой  конфигурации связи абонентов сети; администрирование доступа в  сети; динамическая маршрутизация потоков  информации.

     Рис. 6. Структурная схема аппаратуры АСДК нижнего уровня 

     Каждое  автоматизированное рабочее место  реализует ряд общесистемных  функций: графическое представление  на экране монитора в виде мнемосхем  информации о реальном состоянии  устройств сигнализации, централизации  и блокировки (СЦБ), поездном положении  на контролируемых объектах (станциях, перегонах); логический контроль состояния  устройств СЦБ; ведение системных  протоколов, а также протоколов работы устройств СЦБ, действий персонала, состояния связи; принудительное обращение  внимания оператора на возникновение  нештатных ситуаций («всплывающие окна»), звуковая сигнализация; настройка и  корректировка системных и пользовательских параметров (дата, время, цветовая палетка, печать).

     Основные  специализированные функции автоматизированных рабочих мест АСДК предназначены  для решения технологических  задач, стоящих перед оперативным  персоналом.

     Автоматизированные  рабочие места оперативных работников решают задачи: автоматического определения  времени прибытия и отправления  поездов; автоматического слежения за поездными объектами в пределах зоны контроля; идентификации (автоматической и ручной) подвижных объектов; связи  с АСОУП в режиме регламента (сообщение 1042) и по запросам. Кроме этого, автоматизированные рабочие места обеспечивают: корректировку  операций с поездами при нарушениях в работе АСДК; учет действующих  предупреждений и контроль их исполнения; обмен информацией о номерах  поездов и операциях с поездами через сеть АСДК между автоматизированными  рабочими местами.

     Автоматизированное  рабочее место поездного диспетчера решает задачи автоматизированного  ведения графика движения поездов, в том числе создания экранной формы графика, получения его  цветной твердой копии, контроля оборота локомотивов и др.

     Автоматизированные  рабочие места оперативных работников позволяют сигналам реального времени  формировать поездные сообщения  в адрес АСОУП, осуществлять автоматизированное ведение журналов движения поездов. Кроме этого, автоматизированное рабочее  место дежурного по станции может  быть дополнен системой автоматического  оповещения работающих на путях лиц, пассажиров о движении поездов и  программным модулем контроля закрепления  поездов и групп вагонов тормозными башмаками.

   4. Система АПК-ДК

     Аппаратно-программный  комплекс диспетчерского контроля (АПК-ДК) является наиболее удачной реализацией  функций диспетчерского контроля на современном техническом уровне.

     Использование средств вычислительной техники  расширило функциональные возможности  системы АПК-ДК не только для поездного  диспетчера, но позволило решить и  основные задачи контроля состояния  технических средств систем железнодорожной автоматики (ЖАТ) на перегонах и станциях диспетчерского участка.

     Таким образом, система АПК-ДК имеет двойное назначение и обеспечивает:

     оперативный съем информации на сигнальных точках перегонов о состоянии рельсовых  участков, светофоров и других средств  и передачу ее на станции для последующего использования для контроля поездного положения и технического диагностирования перегонных устройств;

     оперативный съем информации на станциях о состоянии  путевых объектов и технических  средств и передачу ее поездному  диспетчеру и диспетчеру дистанции  сигнализации, связи и вычислительной техники;

     обработку и отображение информации у пользователей  по ведению исполняемого графика  движения; расчету прогнозного графика  по текущему поездному положению; расчету  показателей работы участка и  выдаче справок; логическому определению  ложной свободности участка и  опасного сближения поездов; анализу  работы устройств; определению предотказного  состояния устройств; обнаружению  отказа; оптимизации поиска и устранению отказа; архивации и восстановлению событий; статистике и учету ресурсов приборов.

     На  станциях, т.е. на первом (нижнем) уровне управления перевозочным процессом (рис. 7) выполняются сбор, преобразование, концентрация информации о состоянии перегонных и станционных устройств. Далее эта информация может быть отображена на автоматизированных рабочих местах дежурного по станции и дежурного электромеханика, но обязательно передается на второй уровень управления, т.е. поездному диспетчеру, и на автоматизированное рабочее место диспетчера дистанции сигнализации, связи и вычислительной техники.

     Состояние перегонных устройств систем железнодорожной автоматики контролируют автоматы контроля сигнальных точек (АКСТ), выполненные на базе специализированных контроллеров. Наибольшее распространение имеет блок АКСТ-СЧМ, представляющий собой генератор частоты, формирующий посылаемые в линию связи циклические восьмиимпульсные частотные посылки в соответствии с состоянием контролируемых объектов. При восьми выходных импульсах благодаря манипуляции по длительности импульсов и пауз (интервалов) АКСТ-СЧМ позволяет контролировать состояние семи дискретных датчиков (реле) и двух пороговых датчиков. 
 

     Рис. 7. Структурная схема системы АПК ДК 

     При этом соблюдаются следующие правила:

     длительность  импульса в один такт соответствует  замкнутому состоянию контакта датчика  и состоянию «параметр в норме» порогового датчика;

     длительность  импульса в два такта соответствует  разомкнутому состоянию контактного  датчика и состоянию «параметр  не в норме» порогового датчика;

     длительность  разделительного интервала между  импульсами в один такт соответствует  разомкнутому состоянию датчика;

     длительность  разделительного интервала в  два такта соответствует замкнутому состоянию датчика;

     длительность  паузы между посылками восьмиимпульсных комбинаций установлена равной трем тактам;

     длительность  такта (0,468 ± 0,007) с.

     При проектировании АПК-ДК определяется перечень параметров, контролируемых каждым АКСТ-СЧМ.

     Для систем автоблокировки параметры выбирают из следующего перечня:

• отсутствие основного питания на сигнальной точке;
• отсутствие резервного питания;
• перегорание основной нити лампы красного огня;
• перегорание резервной нити лампы красного огня;
• перегорание нити лампы разрешающего огня;
• установленное направление движения;
• сход изолирующего стыка;
• пропадание постоянного напряжения блока БС-ДА;
• занятость блок участка;
• неисправность АКСТ-СЧМ или линии ДСН;
• пропадание обоих фидеров питания на объектах с аккумуляторным резервом;
• аварийный отказ.

     При проектировании для каждого АКСТ-ЧМ устанавливается несущая частота (частота настройки генератора), поскольку все АКСТ перегона работают по общей физической линии с частотным  разделением каналов.

     На  одной физической цепи может работать до 30 АКСТ-ЧМ со следующим разделением частот (табл. 1.).

     Таблица 1

     На  станциях (линейных пунктах) принимается  и анализируется информация от АКСТ-СЧМ  соответствующими концентраторами (промышленный компьютер). В качестве средства согласования физической линии с сигналами  от АКСТ-СЧМ перегонов с портом компьютера используются блоки 

     СЧД-10 (селектор частот демодулирующий десятиканальный).

     Устройство  согласования (рис. 8) с физической линией (ДСН) обеспечивает гальваническую развязку от линии, необходимую защиту от импульсных перенапряжений, предварительное усиление и нормирование входного сигнала.