Разработка передающего полукомплекта телесигнализации для устройств электроснабжения электрифицированного участка железной дороги

Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В.Лазаряна

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: Автоматизация систем электроснабжения

тема: Проект передающего полукомплекта телесигнализации ТС - КП

Аннотация

В данном курсовом проекте будет разработан передающий полукомплект телесигнализации для устройств электроснабжения электрифицированного участка железной дороги. Проект предусматривает кодирование информации, определение числа каскадов счётчика распределителя, обоснование выбора дешифратора, определение расчётной частоты мультивибратора, расчёт наибольшей возможной удалённости пункта приёма сообщений от пункта передачи. Так же проект включает в себя принципиальную схему полукомплекта и составление временной диаграммы в заданном режиме.

Введение

Электронные системы телемеханики электрифицированных железных дорог предназначены для обеспечения непрерывного контроля за работой устройств электроснабжения и управления ими. Эти системы осуществляют телеуправление (ТУ), телесигнализации (ТС) положения и режимов работы устройств электроснабжения, телеизмерения (ТИ) ряда параметров и телерегулирования напряжения питания электрифицированного участка. При использовании систем телемеханики повышается оперативность и безопасность и безопасность выполнения всех работ по техническому обслуживанию устройств электроснабжения, гарантируется высокое качество и бесперебойность снабжения электроэнергией подвижного состава.

Применение телеуправления резко сокращает продолжительность оперативных переключений, существенно снижает затраты времени на ликвидацию аварийных режимов в системе электроснабжения. При этом появляется возможность ряд работ по техническому обслуживанию устройств электроснабжения проводить во время технологических и графиковых интервалов в движении поездов, что значительно повышает производительность труда ремонтных бригад и позволяет сократить штатный контингент.

Телесигнализация обеспечивает возможность получения энергодиспетчером в любой момент времени достоверной информации о положении устройств электроснабжения, находящихся в пределах телемеханизированного участка.

На сети электрифицированных железных дорог применяются в основном две электронные системы телемеханики: ЭСТ - 62 и «Лисна», разработанные лабораторией автоматики и телемеханики ВНИИЖТа соответственно в 1962 году и 1969 году. Целью разработки более совершенной электронной системы телемеханики «Лисна» было существенное повышение надёжности аппаратуры в условиях эксплуатации, улучшение её ремонтопригодности и технологичности изготовления.

1. Выбор рационального метода избирания объектов и принцип кодирования информации

В полукомплектах телесигнализации обычно используют распределённый принцип избирания при временном распределении элементов сигнала. В целях существенного сокращения объёма аппаратуры кодирования известительной информации в системе «Лисна» производится на импульсах и паузах. Рациональным это становится в тех случаях, когда число объектов на контролируемом пункте более 10.

Необходимое число выходов распределителя

                                    (1.1)

где     Nоб = 102 - число объектов на контролируемом пункте;

- число служебных выходов

2. Определение числа каскадов счётчика распределителя

При телесигнализации должно быть всегда выполнено условие

 (2.1)

где     m - число выходов распределителя, создаваемое определённым

числом разряда счётчика (Р).

Так как счётчик распределителя составляется из бинарных триггеров (триггеров со счётным входом), имеющих два устойчивых состояния (0 и 1), то есть в основу счёта импульсов положена двоичная система, то общее количество импульсов, отсчитываемых счётчиком за цикл, можно определить по формуле:

 (2.2)

где     2 - основание системы счисления;

р - число разрядов счётчика (всегда целое число), которое выбирается

меньшим, чтобы

m = 2⁶ = 64

3. Обоснование выбора дешифратора

Так как количество выходных цепей 64, то применяем двухступенчатый дешифратор. При двухступенчатом дешифраторе в качестве второй ступени применяется последовательная схема совпадения (матрица В). Так как она работает на принципе совпадения прямого (отрицательного) и инверсного (положительного) сигналов, то распределитель должен иметь в первой ступени два самостоятельных дешифратора параллельного типа, один из которых работает в прямом, а второй в инверсном коде. Для управления этими дешифраторами счётчик условно делится на две части.

С целью увеличения выходных цепей вдвое к первой ступени может подключиться параллельно дополнительный дешифратор, работающий в прямом коде. При этом должна быть применена схема управления двумя параллельными дешифраторами для последовательной работы во времени. Это достигается в том случае, когда один из них работает в течении длительного импульса, а второй - в течении длительной паузы.

4. Определение расчётной частоты мультивибратора при заданном режиме работы полукомплекта и времени передачи рабочей серии

Расчётное значение частоты мультивибратора (МВ) f_МВ зависит от длительности цикла передачи Т_ц. Т_ц, в свою очередь, зависит от объёма информации, содержащегося в коде. В полукомплекте телесигнализации (ТС-КП) Т_ц изменяется от наименьшего значения при максимальном числе включённых объектов до наибольшего значения при всех отключённых объектах, принимая промежуточные значения при различных соотношениях включённых и отключённых объектов.

Поэтому под Т_ц понимают время, необходимое для однократной передачи максимального объёма информации. В полукомплектах ТС - при всех отключённых объектах. В курсовом проекте задано 5 отключённых объектов, это соответствует нормальным условиям эксплуатации.

Этой длительности Т_ц соответствует расчётная частота тактовых импульсов МВ, которую находим следующим образом:

Общее число импульсов в серии:

N_ц=2⁶=64

Число длинных импульсов в кодовой серии определяется, как сумма чисел элементов во всех сочетаниях, используемых при образовании кода ( в том числе при кодировании на паузах) с увеличением этой суммы в полукомплектах ТС на 3 импульса.

Число коротких импульсов в кодовой серии

N_кор=N_ц-N_дл (4.1)

где     N_дл = 5 - число длинных импульсов в серии

N_кор= 64 - (5+3) = 56

Число тактовых импульсов МВ, необходимых для образования кодовой серии:

 (4.2)

где     3 - коэффициент перевода числа длинных импульсов в числе тактовых импульсов МВ.

По найденному числу тактовых импульсов N_такт, необходимому для образования кодовой серии и длительности цикла передачи Т_ц=1,7с

Расчётное значение частоты МВ

 (4.3)

где     К - коэффициент, учитывающий отношение периода колебаний МВ передающего полукомплекта к периоду колебаний МВ приёмного полукомплекта, для ТС-КП принимаем К = 1

С учётом работы МВ совместно с триггером - делителем частоты, расчётное значение его частоты удваиваем и принимаем

5. Определение наибольшей возможной удалённости пункта приёма сообщений от пункта их передачи (при отсутствии устройств ретрансляции сигналов)

Приведённое число промежуточных пунктов на 1 км линии

 (5.1)

где     L - среднее расстояние между тяговыми подстанциями участка

переменного тока

L = 25км

Ёмкость 1км двухпроводной линии

 (5.2)

где     Д и r - соответственно расстояние между проводами и радиус

провода, выраженные в одинаковых единицах Д=60см, r=0,2 см

Проводимость изоляции воздушных линий зависит от частоты протекаю-щего тока и метеорологических условий, определяется по формуле

G_o=G_n+h*f_o*10^-9 (5.3)

где     Gn - проводимость изоляции воздушных линий зависит от частоты протекающего тока и метеорологических условий при влажной погоде 0,05*10^-6Ом/км

h - коэффициент, учитывающий увеличение проводимости изоляции

для переменного тока при сухой погоде 0,05 См/км*Гц

G_o=0.01*10^-6+0.05*1100*10^-9=6,5*10^-8 См/км

Индуктивность 1 км двухпроводной цепи

 (5.4)

где     m = 1 - относительная магнитная проницаемость меди;

Сопротивление 1 км цепи постоянному току при t=+7 С

 (5.5)

где     r = 0,0175 Ом*мм²/м - удельное сопротивление провода из меди;

d = 4 мм - диаметр провода;

Ом/км

При температуре +10 ^оС сопротивление 1 км цепи рассчитывается по формуле:

 (5.6)

где     a = 0,004 - температурный коэффициент сопротивления для меди;

t = +10 ^оС

 Ом/км

В результате поверхностного эффекта с увеличением частоты сопротивление цепи возрастает и становится равным

 (5.7)

где     j(х) определяется по формуле

j(х)= -0,00393*х³+0,0753*х²-0,0806*х (5.8)

Величину х определяем по формуле

 (5.9)

j(х)= -0,00393*1,452³ + 0,0753*1,452² - 0,0806*1,452=0,03

Километрический коэффициент затухания a зависит от её первичных параметров и находится из постоянной распространения

 (5.10)

где     a - километрический коэффициент затухания линии,Нп/км;

b - километрический коэффициент сдвига по фазе ,рад/км

w - круговая частота

w = 2pf_o

w=2*3.14*1100=6912 1/рад (5.11)

Наибольшее перекрываемое затухание линии, допустимое при данной мощности передатчика (p_gn=0.6Нп) и данном уровне помех (p_noм=-7Нп), определяется по формуле

b_доп= p_gn- ( p_пом+p_сп ) (5.13)

где     р_gn - абсолютный уровень мощности передатчика, ограниченный

допустимым влиянием на соседние каналы и зависящий от числа передатчиков, Нп;

р_сп - превышение абсолютного уровня полезного сигнала над

абсолютным уровнем возможной помехи,

р_сп ≥ 2 Нп

b_доп=0,6- (-7+4 ) = 3,6 Нп

Дальность действия передатчика

 (5.13)

где b_n - затухание, вносимое одним КП; b_n=0,05 Нп/пункт

6. Принципиальная схема полукомплекта ТС-КП системы «Лисна - Ч»

Передающее устройство ТС состоит из генератора тактовых импульсов ГТИ, распределителя, контактов-датчиков, сигнализации устройства ввода информации, блока кодирования импульсов и пауз БК, логического блока ЛБ, частотного передатчика ЧМП. Генератор выдает серию прямоугольных импульсов и пауз равной продолжительности, которая через логический блок поступает на вход распределителя, а через частотный передатчик - в линию связи. Распределитель переключается в соответствии с поступающей серией тактовых импульсов. Импульсы с его выхода поочередно опрашивают элементы ввода информации, состояние которых зависит от положения контактов-датчиков сигнализации.

Контакты-датчики и соответствующие им элементы вводы информации разбиты на две группы: одна из них контролируется на импульсе тактовой серии, другая на паузе. При замкнутом контакте-датчике импульс поступает на блок БК, в котором производится модуляция по длительности импульса или паузы. В логическом блоке осуществляется совмещение импульсов, поступающих от блоков кодирования и от ГТИ и удлиненных импульсов и пауз. В результате образуется тактовая кодовая серия, которая содержит тактовые импульсы, а также несет информацию о состоянии контактов (удлиненный импульс или пауза).

Генератор тактовых импульсов ГТИ служит для образования тактовой серии, представляющей собой непрерывную временную последовательность импульсов и пауз равной продолжительности. Генератор состоит из мульти- вибратора, выполненного на каскадах транзисторной задержки ТЗк14 (Г5; Г4) и триггера со счетным входом 13 (Г6; Г8).

Рис. 6.1 - схема ТС-КП

Распределитель в устройстве применен матричный. Он состоит из шестиразрядного счетчика триггера 1 (Г5; Г6), 1 (Г3; Г4), 2 (Г5; Г6), 2(Г3; Г4), 3 (Г5; Г6), 3 (Г3; Г4) и двух ступенчатого параллельно - последовательного матричного дешифратора. Первая ступень содержит два диодных дешифратора МА2 и МА2^I трехразрядного двоичного кода с отрицательными сигналами на выходах и аналогичный дешифратор МБ с инверсным входом, выполненный с применением инверторов 15 (Г3 - Г6) и 16 (Г3 - Г6). Вторая ступень содержит два последовательных дешифратора МВ и МВ^I. Выходные цепи распределителя формируются на выходах матриц МА2 и МА2^I и МБ с помощью дешифраторов МВ и МВ^I . Матрица МА2 включается в работу при импульсе, МА2^I - на паузе. Это осуществляется путем снятия соответствующий момент времени нулевого потенциала с шинки запрета ( например, с входа Р в МА2 ). Матрицы МВ и МВ^I выполнены из оптронных модулей. Эти модули содержат наборы оптронных пар, которые служат для гальванической развязки цепей ввода телесигналов. Каждая оптронная пара состоит из светодиода и фоторезистора. Катоды светодиода через защитные диоды и резисторы подключены к контактам-датчикам положения объектов телесигнализации. Общая шина контактов-датчиков в свою очередь под-ключена к отрицательному полюсу источника питания (-24В). Аноды светодиодов объединены общей шиной, соединяемой с положительным (нулевым) полюсом источника питания. Фоторезисторы через распределительные диоды подключены к соответствующим выходом матриц МА2 (МА2^I) и распределителях (Д1-к первому выходу и т.д.). Общая шина группы фоторезисторов соединена с базой выходного транзистора, служащего для подачи сигнала в блок кодирования. Эмиттеры транзисторов подключены к соответствующим выходом инверторов матрицы МВ.

Блок кодирования БК состоит из формирующей схемы 10(9), триггера кодирования ТК 13 (Г4; Г3) и датчика времени ДВ - формирующая схема 14 (7), инвертор 12 (Г5), триггеры 13 (Г1; Г2) и 13 (Г5; Г7).

Логический блок ЛБ формирует и передает на вход аппаратуры канала связи кодовую комбинацию, совмещая тактовую серию ГТИ и импульсы, поступающие от блока кодирования, а также образуя сверхдлинный фазирующий импульс.

Блок ЛБ состоит из инверторов 11(Г6), 11(Г5) и 12(Г6), а также из диодных схем 11(22), 12(10), 11(55) реализующих операцию «ИЛИ» с соответствующими инверторами. Кодовая серия при поступлении импульсов с блока кодирования формируется инверторами 11(Г6) и 11(Г5). Выходы этих инверторов Г6 и Г5, входы, образованные внешними диодными схемами 11(22) и 12(10), и внутренние диодные входа 28 и 15 взаимосвязаны. На схемы 11 (22) и 12 (10) поступают импульсы с триггера кодирования, а на внутренние диодные входы 14 и 15 - импульсы от ГТИ.

Логический блок управляет выходами матричного дешифратора МА2 с помощью каскадов задержки ТЗк1 10 (5) и 14 (12) и инверторов И-НЕ-2К 11(20), 11(21), а также выходами матричного дешифратора МА2^I с помощью аналогичных элементов.

8. Временная диаграмма для полукомплекта ТС-КП

В исходном положении триггер ТК сброшен и на его выходе Г3 имеется нулевой потенциал, который поступает на диодные схемы 11 (22) и 12(10) логического блока. Поэтому они закрыты и в работе не участвуют. Импульсы с выходов Г8 и Г6 триггера 13(Г6,Г8) генератора ГТИ поступают на вход 13 инвертора 11(Г6) и на вход 14 инвертора 11(Г5) (в противофазе). При импульсе тактовой серии нулевой потенциал с выхода Г6 триггера 13(Г6,Г8) поступает на вход 14 инвертора 11(Г5) логического блока. Так как схема 12 (10) тоже закрыта нулевым потенциалом от триггера ТК, то инвертор 11(Г5) закрывается и на его выходах появляется отрицательный потенциал . В этом случае на выходах 13 и 28 инвертора 11(Г6) логического блока будут отрицательные потенциалы и инвертор открывается. Импульс нулевого потенциала с выхода Г6 инвертора 11(Г6) поступает на вход счётчика в триггер 1(Г5,Г6). Одновременно этот импульс поступает на вход каскада ТЗк1-10 (5) и далее с небольшой задержкой на вход Р матрицы МА 2, разрешая её работу.

На соответствующем выходе матрицы МА появляется импульс отрицательного потенциала, который поступает в определённую цепь матрицы МВ. Если контакт-датчик в этой цепи замкнут, то работает оптронная пара, открывается транзистор, эмиттер которого подключён к соответствующему выходу матрицы МБ. Открываясь, транзистор через формирующую схему 10(9) возбуждает триггер кодирования. Импульс нулевого потенциала поступает на входы диодных схем 11(22) и 12(10) , фиксируя положение инверторов 11(Г6) и 11(Г5) в том состоянии, в котором они находились до срабатывания ТК.

Одновременно при срабатывании триггера ТК поступает отрицательный потенциал на вход инвертора 12(Г5), который начинает пропускать импульсы ГТИ на вход датчика времени ДВ. Датчик времени начинает счёт импульсов ГТИ. Отсчитав три импульса ГТИ, счётчик ДВ импульсом с выхода Г5 триггера 13(Г7, Г5) в четвёртом положении датчика возвращает триггер кодирования в исходное состояние. Теперь инверторами 11(Г6) и 11(Г5) вновь управляет ГТИ и в канал связи с инвертора 11(Г5) через инвертор 12(Г6) поступают короткие паузы и импульсы. Возвращаясь в исходное состояние, триггер кодирования через формирующую схему 14(17) переключает датчик времени в первое положение, в котором он и находится до тех пор, пока вновь не сработает триггер ТК. Таким образом, счётчик переключается четыре раза: один раз - от триггера кодирования в момент его сброса и три раза - от ГТИ после срабатывания ТК.

Рис. 6.2 - диаграмма работы ТС-КП

В 63-ей и 64-ой позициях распределителя выходы соответствующих цепей светодиодов оптронного модуля непосредственно подключены к отрицательному полюсу источника питания (-Ер), благодаря чему в этих позициях всегда происходит удлинение импульсов. Пауза между ними заполняется с помощью схемы 11(55) и инвертора 12(Г6). В результате образуется сверхдлинный импульс. На следующем за ним импульсе (нулевой импульс новой серии) распределитель вновь переходит в позицию 1 и контроль положения объектов путём опроса состояния оптронных ячеек продолжается.

Выход 62-й распределителя используется для служебного сигнала «Сбой ТУ», для этой же цели служат ТЗк1 14(15) и И-НЕ-1к 12(Г3, Г4). При сбое в процессе приёма серии ТУ с выхода И-НЕ-1к 12(Г4) на вход ТК поступает сигнал, возбуждающий его и удлиняющий импульс в серии ТС.

Заключение

Телемеханизация устройства электроснабжения позволяет повысить оперативность работы энергодиспетчера при производстве профилактических и восстановительных работ и сократить численность эксплуатационного персонала на тяговых подстанциях и в бригадах контактной сети.

Повышение оперативности даёт возможность увеличит число и продолжительность «окон», необходимых для текущего содержания контактной сети, ускорить восстановления движения поездов при её повреждениях. При этом уменьшается число и продолжительность простоев поездов, что в свою очередь приводит к сокращению потерь энергии на их торможение и разгон, повышению производительности труда локомотивных бригад и эксплуатационного персонала участков дорог, более полной реализации пропускной способности и уменьшению оборота вагонов и локомотивов. Соответственно снижаются эксплуатационные расходы. Кроме того, имеет место экономия средств, вследствие ускорения перевозки грузов. На подстанциях можно полностью отказаться от обслуживающего персонала. В бригадах контактной сети освобождаются электромонтёры, занятые переключением схем питания и секционирования.

Список литературы

1. Основы автоматики, автоматизация и телеуправление устройствами энергоснабжения электрических железных дорог. /Под ред. д.т.н., проф. Н.Д. Сухопрудского. - М: Транспорт, 1975 г./

3. Система телемеханики «Лисна» для электрифицированных железных дорог /Под ред. д.т.н., проф. Н.Д. Сухопрудского. - М: Транспорт, 1979г./

4. ЦЭ МПС Указания по монтажу, наладке и эксплуатации системы телемеханики «Лисна» - М: Транспорт, 1977

5. Автоматическое управление устройствами электроснабжения. Методические указания к курсовому проектированию. Ю.Б. Манусов, 1984 г.