Беспроводная система контроля подвижного железнодорожного состава

Беспроводная система контроля подвижного железнодорожного состава

Содержание

Введение

. Анализ существующих систем контроля

.2 ДИСК-Б

.3 АСДК-Б

.4 Бортовой регистратор для железнодорожного подвижного состава      

.5 Микропроцессорный комплекс технических средств КТСМ

.6 Выводы и постановка задачи

. Разработка моделей контроля букс товарного вагона

.1 Назначение, классификация, основные характеристики букс и предполагаемая топология расположения датчиков.

.2 Разработка моделей объекта контроля

.2.1 Модель температурного контроля буксы товарного вагона

. Определение значений допусковых параметров

.1 Принципы назначения допусков

.2 Двухпараметрическая модель

. Обзор существующих методов контроля

.1 Организация статистического контроля

.2 Системы контроля параллельного действия

.3 Системы контроля последовательного действия

.4 Системы контроля последовательного действия для контроля геометрической формы и размеров разнообразных объектов.

.5 Системы контроля с общей образцовой величиной

.6 Системы контроля параллельно-последовательного действия

. Разработка безэталонного способа контроля

.1 Адаптация математического аппарата

.2 Экспресс-анализ измерительной информации при натурных испытаниях (информационное обеспечение экспериментальных исследований)

. Проектирование локально-вычислительной сети разрабатываемой системы контроля

.1 Обзор существующих беспроводных сетей передачи информации (БСПИ)

.2 Программно-аппаратное обеспечение беспроводной ЛВС системы контроля

.3 Построение ЛВС

. Экономическое обоснование проекта

.1 Анализ рынка

.2 Выбор и обоснование аналогов или базы сравнения. Расчет интегрального показателя качества

.3 Расчет затрат на этапе проектирования и себестоимости системы

.4 Оценка экономического эффекта у потребителя

. Безопасность и экологичность разработки

.1 Анализ условий труда, степени тяжести и напряженности трудового процесса

.2 Мероприятия по улучшению условий труда

.3 Системный анализ работоспособности информационной системы

.4 Пожарная безопасность при работе на компьютере

.5 Энерго- и ресурсосбережения

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Введение

Доля участия железнодорожного транспорта в обеспечении грузопотока в нашей стране достаточно значительна и эффективное обеспечение его безаварийности является актуальнейшей задачей.

Одной из составляющих этой комплексной проблемы является реализация контроля состояния элементов движения товарных вагонов, в частности букс, колес, осей, обнаружения волочащихся деталей.

Приведенный перечень функций реализуется, как дифференциально, так и комплексно, стационарной системой контроля с определением характера и мест дефектов, а именно: номера буксы (скольжения или качения), номера вагона с последующей передачей этой информации по канальным средствам на диспетчерский пункт. Однако подобные системы не позволяют наблюдать динамику изменения измеряемых параметров и соответственно предсказывать и предупреждать аварийные ситуации на железнодорожном транспорте.

С целью повышения надежности функционирования железнодорожного транспорта предлагается разработать автоматизированную телекоммуникационную систему для динамического контроля состояния железнодорожного состава. Такое решение позволит фиксировать состояние вагонов состава для последующего прогноза их надежности и обоснования необходимости проведения профилактического, текущего и капитального ремонтов.

Данная система будет иметь возможность интегрироваться в АСУ диспетчерской централизацией (ДЦ), образующий информационную сеть, предназначенную для обеспечения оперативного персонала информацией о движении поездов и состоянии технических средств железнодорожной автоматики.

1. Анализ существующих систем контроля

.1 ПОНАБ-3

Аппаратура ПОНАБ-3 позволяет контролировать поезда на двухпутных и однопутных линиях. При установке ПОНАБ-3 на однопутных линиях с помощью одного комплекта контролируемого поезда, движущегося только в одном направлении. Аппаратура ПОНАБ-3 может устанавливаться вдоль участка безостановочного следования поездов с интервалом 40 - 60 км между соседними пунктами контроля и перед станциями стоянки поездов по графику, где осуществляется сплошной осмотр букс работниками вагонного хозяйства.

Система ПОНАБ-3 способна фиксировать: 9 вагонов с указанием точного порядкового номера вагона с перегретой буксой и стороны поезда; общее количество вагонов в поезде - 99 [1].

Общий принцип работы ПОНАБ-3 заключается в восприятии чувствительными элементами (приемниками) импульсов инфракрасной энергии, преобразовании их в электрические сигналы, усилении последних и выделении по определенным критериям сигналов от перегретых букс, формировании, передаче и регистрации информации о наличии и расположении таких букс в поезде.

В состав аппаратуры ПОНАБ-3 входит напольное, постовое и станционное оборудование (рисунок 1.1).

Рельсовая цепь наложения (РПЦ) предназначается для выработки команд управления в момент захода и удаления поезда из зоны контроля ПОНАБ-3.

Рисунок 1.1 - Структурная схема аппаратуры ПОНАБ.

НКЛ(НКП) - напольная камера левая (правая); СМ - соединительная муфта.

На временной диаграмме работы аппаратуры ПОНАБ-3 (рис. 1.2) до момента времени t1 поезд отсутствует на участке контроля. В период времени с t1 до t2 осуществляется контроль букс проходящего по участку поезда, а с момента t2 поезд удаляется с участка контроля.

Рисунок 1.2 - Временная диаграмма работы ПОНАБ.

При приближении поезда к участку контроля шунтируется вход РПЦ и происходит медленное снижение напряжения на ее выходе. В момент времени t1 вырабатывается команда начала контроля, т.е. производиться переход системы в рабочее состояние.

При проходе колесных пар подвижного состава по участку контроля в зоне, образованное датчиками Д1 и Д2, оптическая система каждой напольной камеры осуществляет съем инфракрасного излучения задней по ходу движения стенки букс снизу вверх в полосе шириной около 80 мм. Инфракрасная энергия воспринимается болометрами и преобразуется в импульсные электрические сигналы, которые после усиления поступают на входы УЛОС. Амплитуда каждого сигнала пропорциональна уровню инфракрасной энергии, излучаемой корпусом буксы.

После прохода двух колес в ячейках памяти УЛОС запоминаются амплитуды сигналов от двух букс для каждой стороны поезда, воспринимаемые только в зоне стробирования, т.е. в зоне между датчиками Д1 и Д2.Благодаря этому исключается сигналы от посторонних нагретых частей подвижного состава в процессе контроля. Затем осуществляется сравнение амплитуд двух сигналов от букс методом «отношения» для каждой из сторон поезда. При превышении отношения амплитуд заданного порогового значения УЛОС вырабатывает сигнал «тревоги», который поступает на схему накопления. После чего стирается информация в ячейках памяти УЛОС от букс первых двух колесных пар, запоминается и сравниваются амплитуды сигналов от букс двух следующих колесных пар и т.д. Если при проходе по участку контроля одной подвижной единицы сигнал «тревоги» для одной стороны поезда вырабатывается несколько раз, то схема накопления УЛОС воспринимает его только в первый раз.

При проходе подвижной единицы (вагона, локомотива) с симметричным расположением групп осей в зоне контроля выдается сигнал отметки прохода физической подвижной единицы. Сигналы отметки прохода подвижных единиц подаются через блок запоминающего устройства на блок счетчика вагонов (БСВ), где подсчитывается количество вагонов, прошедших по участку контроля. Информация о текущем значении порядкового номера вагона в поезде хранится в БСВ в двоично-десятичном коде.

Если при прохождении очередного вагона УЛОС вырабатывает сигнал «тревоги», то в момент отметки прохода этого вагона сигнал «тревоги» подается и на вход блока управления передачей (БУП), в результате чего вырабатывается команда на передачу информации о порядковом номере вагона с перегретой буксой и о стороне поезда, где эта букса размещается.

По команде БУП формируются четыре цикла передачи информации: передача значения старшего разряда порядкового номера вагона с перегретой буксой; передача младшего разряда порядкового номера; передача стороны поезда; передача знака «Пробел».

Поступающие с выхода электронного передатчика кода (ЭПК) на вход передатчика частотно-манипулированных сигналов кодовые посылки преобразуются в частотно-модулированные сигналы (ЧМС), которые передаются по линии связи на вход приемника ЧМС (рис. 1), после чего приемник ЧМС преобразует частотно-модулированные сигналы в импульсы постоянного тока и передает их на блок электронного приемника кода (ЭПрК). Блок ЭПрК преобразует последовательный код в параллельный и выдает на печатающее устройство (ПУ). После дешифрации кода в ПУ отпечатывается десятичный знак старшего и младшего разряда номера вагона, знак стороны поезда («+» - правая, «-» - левая, «х» - обе стороны) и знак раздела информации между двумя вагонами («Пробел»).

При приеме информации о вагоне с перегретой буксой, обнаруженной в поезде, включается сигнализация, извещая дежурного по станции и оператора ПОНАБ-3 о необходимости остановки поезда. По этому же сигналу можно произвести автоматическое перекрытие выходного сигнала станции или включить дополнительный указательный знак для извещения машиниста о необходимости остановки поезда на станции.

При удалении хвостовой части поезда с участка контроля РЦП в момент времени t2 формирует сигнал, по которому блок управления вырабатывает команду конца контроля. По этой команде закрываются заслонки напольных камер, и запускается система автоматической проверки исправности устройств ПОНАБ-3 (калибровка системы). После чего формируется код сигнала «Р» - исправности аппаратуры или «Н» - неисправности.

Через 2,5 с после удаления хвоста поезда с участка контроля в момент времени t3 по команде с БУ начинается передача общих данных о поезде (общее количество вагонов, число вагонов с перегретыми буксами, код исправности аппаратуры).

В момент t4 БУ вырабатывает сигнал начальной установки, т.е. запрещается работа устройств перегонного оборудования до захода следующего поезда в зону контроля напольных устройств.

Выводы

Анализ системы ПОНАБ-3 контроля состояния подвижной единицы позволил выявить следующие особенности и недостатки системы.

Особенности системы:

1. система постоянно находится в дежурном состоянии (в режиме ожидания);

2.      старт-стопный принцип запуска системы;

.        передача информации от объекта контроля к автоматизированной системе контроля - инфракрасное излучение;

.        усиление импульсных сигналов;

.        съем амплитудно-модулированной дискретной информации;

.        усиление амплитудно-модулированной дискретной последовательности с левой и правой сторон движущегося вагона;

.        формирование строб-сигнала для фиксации во времени оси (колеса).

.        фиксация в памяти амплитуд информационно-несущих сигналов в зоне стробирования от двух левых и двух правых колес;

.        сравнение значений амплитуд информационно-несущих сигналов букс одной оси (левой и правой буксы одной оси) и определение их разности;

10. сравнение разности двух амплитуд с эталонным значением;

11.    выработка сигнала «тревоги» с последующий его фиксацией;

.        предыдущая информация стирается, и готовятся ячейки памяти для фиксации информации от последующих двух колесных парах;

.        фиксация числа подвижных единиц (вагонов);

.        информационная последовательность о состоянии состава;

.        передача информации на станционное оборудование по проводным линиям связи и в двоично-десятичном коде.

Недостатки системы:

1. стационарность системы контроля - контроль состояния подвижной единицы осуществляется только в дискретных точках пути следования состава;

2.      недостаточная разрешающая способность системы - запоминается 9 аварийных вагонов из 99 возможных;

.        в случае обнаружения нескольких аварийных букс в вагоне, он фиксируется только один раз и передается информация только об одной аварийной буксе;

.        контроль температуры букс осуществляется дистанционно - влияние погодных условий, возможное загрязнение корпуса буксы;

.        калибровка системы осуществляется только после прохождения поезда - в случае сбоя системы в режиме ожидания полученные данные при проверке состояния подвижной единицы могут оказаться недостоверными;

.        использование для передачи данных проводных линий связи - возможен обрыв лини;

.        передача данных в двоично-десятичном не помехоустойчивом коде.

.2 ДИСК-Б

Базовая подсистема ДИСК-Б предназначена для автоматического обнаружения перегретых (неисправных) буксовых узлов вагонов и локомотивов при проходе поездами пункта размещения перегонных устройств и выдачи обслуживающему персоналу станции информации о наличии, расположении и количестве перегретых букс в поезде [2].

Подсистема ДИСК-Б обеспечивает контроль поездов, движущихся в одном направлении на однопутных и двухпутных линиях с электрической или автономной тягой.

Выявляемость перегретых букс при уровне настройки «+70» - «+100» оС по температуре шейки оси - не менее 80% при достоверности показаний - не менее 85%; при уровне настройки «+140» - «+180» оС по температуре шейки оси - не менее 90% при достоверности показаний - не менее 90%. Дальность передачи от перегонного к станционному оборудованию подсистемы до 10 км. Подсистема передает информацию на станционное оборудование с точным указанием порядкового номера вагона и номера оси в вагоне с перегретой буксой для левой и правой сторон поезда - до 399 вагонов; с указанием типа буксового узла вагона (на подшипниках качения или скольжения) - для всех вагонов; а также общее количество вагонов в поезде - до 399.

Базовая подсистема ДИСК-Б состоит из перегонных и станционных устройств, связанных между собой двухпроводной кабельной линией связи (рис. 1.3).

Работа подсистемы ДИСК-Б основана на улавливании теплового излучения корпусов букс при движении поезда с последующим преобразованием его в электрические сигналы, усилением, нормированием по длительности, передачей тепловых сигналов совместно с сигналами отметки прохода осей к вагонов на станцию, выделения по определенных критериям сигналов от перегретых букс и регистрацией информации о месте расположения таких букс в поезде.

Рисунок 1.3 - Блок-схема подсистемы ДИСК-Б.

С заходом поезда на участок контроля шунтируется рельсовая цепь наложения и формируются команды на открытие заслонок напольных камер и включение в работу перегонных и станционных устройств. При этом с пульта оператора выдается, световая сигнализация наличия поезда на участке контроля. Все указанные операции заканчиваются до захода первого колеса локомотива в зону действия датчика П1.

При заходе первого колеса в зону действия датчика П4 по сигналу с блока управления открываются входы ячеек памяти оконечных усилителей, подключенных к основным напольным камерам и сигналы от корпусов букс, полученные за счет восприятия болометрами ИК-излучения букс, усиливаются и запоминаются в ячейках памяти (запоминается амплитудное значение сигнала пропорциональное температуре корпуса буксы). При проходе этого же колеса в зоне действия датчика П5 по переднему Фронту, сигнала от датчика с блока управления открывается входы ячеек памяти оконечных усилителей, подключенных к вспомогательным напольным камерам, а по заднему фронту сигнала от датчика они закрываются, и тепловые сигналы от подступичных частей колеса также усиливаются и запоминается в своих ячейках памяти. По заднему фронту сигнала с датчика П5 блок управления вырабатывает импульс считывания тепловых сигналов с ячеек памяти. При этом считанные с ячейки памяти тепловые сигналы от основной и вспомогательной напольных камер отдельно для правой и левой стороны поезда, смешивается по схеме «ИЛИ» (выделяется больший по амплитуде сигнал) и поступают на блок передачи сообщении соответственно. Тепловые сигналы и сигнал отметки прохода колеса передаются в линию связи к станционному оборудованию. При измерении температуры окружающего воздуха по команде с блока термодатчиков в оконечных усилителях осуществляется коррекция амплитудного значения тепловых сигналов от основных напольных камер с тем, чтобы амплитуда сигнала была одинаковой при одном и том же значении температуры шейки оси во всем диапазоне температур наружного воздуха. Использование вспомогательных камер позволяет устранить случаи пропуска перегретых букс, когда температура их корпуса ниже уровня настройки (отсутствует крышка, корпус загрязнен).

При проходе колесных пар вагона (локомотива) над датчиками П1, П4 и П5 по сигналам с датчиков, отметчик вагонов вырабатывает импульс отметки прохода физической подвижной единицы независимо от числа осей в ней (до 14 осей).

Тепловые сигналы левой и правой сторон поезда с выходов каналов приема сообщений поступают на «аналог-код», где амплитуда сигнала преобразуется в двоично-десятичный код (максимальное значение 39). Сигналы отметки прохода вагонов и осей с каналов приема поступают соответственно на счетчики количества вагонов и осей в вагоне. При поступлении каждого сигнала отметки оси кодовое значение тепловых сигналов и номера оси в вагоне может выдаваться в буферный накопитель, а при поступлении сигнала отметки вагона - в блок сопряжения. Значение порога срабатывания устанавливается пороговым элементом. Устанавливая определенное значение порога можно обеспечить выдачу информации на печать с любого уровня амплитуды теплового сигнала (максимально можно выдать информацию о нагреве букс четырех осей в пределах каждого вагона).

Буферный накопитель служит для согласования скоростей поступления информации и ее распечатки.

При превышении амплитуды теплового сигнала правой или левой стороны поезда установленного порога вырабатывается сигнал тревоги, по которому включается звуковая и световая сигнализация на пульте оператора. При этом, параллельно с выдачей в блок сопряжения, информация о вагоне с перегретой буксой поступает в блок автономной работы и запоминается (порядковый номер вагона и сторона поезда, с которой расположена перегретая букса). Всего блок автономной работы может запоминать информацию о 16-ти вагонах. Информация с блока автономной работы может выдаваться по запросу на цифровое табло пульта оператора.

При настройке подсистемы в условиях эксплуатации уровень выдачи информации на печать устанавливается ниже уровня обнаружения перегретых букс. В этом случае, при остановке поезда по показаниям аппаратуры, представляется возможность не только произвести ремонт неисправного буксового узла, но и осмотреть буксовые узлы с существенным отклонением их температуры от нормальной, что повышает выявляемость неисправных букс аппаратурой.

В состав станционного оборудования включен различитель типа букс, принцип работы которого основан на распознании тина буксового узла по амплитудному признаку всех букс одного вагона (температура нормально работающих букс с подшипником скольжения значительно выше температуры нормально работающих роликовых букс). Признак типа буксового узла ("+" - бук скольжения, "-" - букса роликовая) отпечатывается после информации о порядковом номере вагона, а соответствующий сигнал подается в устройство тревоги для задания различных уровней порогового значения при том или ином типе буксового узла (при роликовой буксе порог срабатывания выше, чем при буксе скольжения, т.к. для роликовой буксы выше допустимая температура ее корпуса).

При удалении поезда с участка контроля перегонных устройств по сигналу с рельсовой цепи наложения, блок управления вырабатывает команду «конец поезда», по которой закрывается заслонки напольных камер, запускается программно-задающие устройство и аппаратура переключается в режим автоконтроля. В режиме автоконтроля имитируется проход шестиосного вагона с высоким уровнем нагрева букс (3 оси при открытой заслонке и 3 оси при закрытой заслонке) и информация о контрольном вагоне фиксируется блоком сопряжения. По результатам расшифровки этой информация можно судить о настройке основных устройств подсистемы. После выдачи информации о контрольном вагоне на печать выдается информация о порядковом номере поезда за смену (с регистра номера поезда) и о времени окончаний его контроля (часы, минуты, секунды). На этом цикл контроля поезда закапчивается и на логические цепи накладывается запрет работы, а печатающий механизм выключается.

В подсистеме ДИСК-Б заложена возможность контроля ряда цепей и устройств по командам, задаваемым со станций.

Недостатки:

. использование кабельной линией связи между перегонным и станционным оборудованием;

. фиксация подвижных единиц с количеством осей не превышающим 14;

. амплитуда теплового сигнала преобразуется в двоично-десятичный код, с максимальным значением 39;

. блок автономной работы может запоминать информацию о 16-ти вагонах;

. калибровка системы производится после окончания контроля подвижной единицы.

Особенности

. БИСК-Б распознает тип буксового узла - на подшипниках скольжений или качения;

. в соответствии с типом букс автоматически выставляется пороговое значение (для роликовой буксы выше допустимая температура ее корпуса, чем для буксы скольжения);

. максимально можно выдать информацию о нагреве букс четырех осей в пределах каждого вагона;

. при настройке подсистемы уровень информации на печать устанавливается ниже уровня обнаружения перегретых букс (на печать выдается информация о буксе с температурой не меньше 100 оС при уровне настройки 140 оС);

. запоминается амплитудное значение сигнала пропорциональное температуре корпуса буксы;

. система ДИСК-Б может содержать модули на определение силы удара колеса о рельс по кругу катания и подсистемы обнаружения волочащихся деталей;

. калибровка системы может производится вручную при запросе со станционного оборудования с выводом результатов на устройство печати;

. используются вспомогательные камеры для дублирования снимаемой информации, что позволяет устранить случаи пропуска перегретых букс, когда температура их корпуса ниже уровня настройки (отсутствует крышка, корпус загрязнен).

.3 АСДК-Б

Подсистема базовая АСДК-Б представляет собой станционный комплекс телеметрической аппаратуры, размещаемой вдоль железнодорожного полотна, и предназначена для обнаружения перегретых буксовых узлов проходящих по нему поездов, передачи и регистрации на станции информации о количестве и расположении таких буксовых узлов в прошедшем поезде [3].

В аппаратуре базовой АСДК-Б используется микропроцессорная техника, что позволяет расширять функциональные возможности аппаратуры путем модификации прикладного программного обеспечения о подключения дополнительных датчиков, а также использовать аппаратуру АСДК-Б для создания распределенных систем сбора и обработки информации, интегрирования ее в систему диспетчерской централизации.

Базовая подсистема АСДК-Б автоматически распознает перегретые буксовые узлы в результате оценки температуры шейки оси колеса. По данным дистанционного контроля температуры корпуса буксы и ступичной части при помощи камер напольных, передает на станцию и регистрирует в аппаратуре станционного пульта контроля и сигнализации информацию о наличии таких буксовых узлов в поезде с указанием порядкового номера и стороны подвижной единицы. Кроме того, аппаратура АСДК-Б обеспечивает оповещение работников соответствующих служб железнодорожной станции о результатах контроля.

Взвод и останов напольного оборудования производится по сигналу от датчиков прохода колесных пар. Они также выполняют роль счетчиков осей проходящего поезда и измеряют его скорость.

Рисунок 1.4 - Блок-схема подсистемы АСДК-Б.

Сигнал инфракрасного излучения от объекта контроля фокусируется объективом камеры напольной в плоскости модулирующего диска. Далее уже модулированный поток через конденсор поступает на приемник инфракрасного излучений, который преобразует поступающее модулированное излучение в электрический сигнал с частотой и амплитудой пропорциональной падающему потоку излучения. Выходной сигнал приемника излучения через предварительный усилитель поступает на вход блока усиления, который усиливает и фильтрует поступающий сигнал. Выходной сигнал блока усиления поступает на блок вторичного преобразования сигнала постового оборудования, где по калибровочной характеристике определяется температура контролируемой поверхности. Далее сигнал с выявленной аномалией поступает на модем и далее на станционное оборудование.

Модем стойки управления обеспечивает связь со станционным оборудованием и осуществляет по запросу станции передачу накопленной на посту информации о результатах контроля поезда и обеспечивает прием управляющих сигналом.

После обработки сигналов устройствами постового оборудования информация о состоянии букс вагонов передается на станционный пульт контроля и сигнализации (СПКиС), где отображается на экране монитора и заносится в память компьютера станционного пульта контроля и сигнализации в журнал. Журнал предназначен для накопления оперативной информации, поступающей за время дежурства одного оператора ПТО, и после завершения смены и очистки журнала вновь заступившим на смену оператором, информация помещается в долгосрочный архив, который предназначен для анализа ситуации на дороге за длительный период времени.

СПКиС осуществляет всю логическую обработку информации как поступающей по линии связи от перегонного оборудования, так и вводимой оператором непосредственно на станции.

Выводы

Проанализировав принцип работы базовой подсистемы АСДК-Б мы выявили следующие особенности и недостатки системы.

Особенности системы:

1.  подсистема базовая АСДК-Б выполнена на базе микропроцессорной техники, что позволяет расширять функциональные возможности аппаратуры;

2.      возможность интегрирования ее в систему диспетчерской централизации;

.        число регистрируемых подвижных единиц - до 200;

.        число осей - до 800;

.        число поездов за сутки - до 240;

.        старт-стопный принцип запуска системы;

.        передача информации от объекта контроля к автоматизированной системе контроля - инфракрасное излучение;

.        усиление импульсных сигналов;

.        съем амплитудно-модулированной дискретной информации;

.        усиление амплитудно-модулированной дискретной последовательности с левой и правой сторон движущегося вагона;

.        АСДК-Б обеспечивает непрерывный и круглосуточный режим работы с автоматическим переходом из режима ожидания в режим контроля буксовых узлов при появлении подвижного состава на участке контроля;

.        фиксация в памяти амплитуд информационно-несущих сигналов в зоне стробирования от двух левых и двух правых колес;

.        сравнение значений амплитуд информационно-несущих сигналов букс одной оси (левой и правой буксы одной оси) и определение их разности;

.        сравнение разности двух амплитуд с эталонным значением;

.        выработка сигнала «тревоги» с последующий его фиксацией;

16. на всех этапах прохода поезда аппаратура производит контроль работоспособности камер напольных;

17.    пороговые значения рассчитываются (пересчитываются) перед проходом каждого поезда;

.        температура контролируемой поверхности определяется на постовом оборудовании по калибровочной характеристике;

.        переход из режима ожидания в режим контроля производится как автоматически, так и вручную оператором;

.        передача накопленной информации о поезде осуществляется по запросу со станции;

Недостатки системы:

1.  стационарность системы контроля - контроль состояния подвижной единицы осуществляется только в дискретных точках пути следования состава;

2.      выявляемость перегретых букс - 95%;

.        достоверность информации - 94%;

.        отсутствие информации о динамике измеряемых поверхностей;

.        контроль температуры букс осуществляется дистанционно - влияние погодных условий, возможное загрязнение корпуса буксы;

.        возникают трудности с настройкой и виброустойчивостью напольного оборудования;

.        использование для передачи данных проводных линий связи - возможен обрыв лини;

8. в результате анализа работоспособности системы не было выявлено сведений о кодировании сигнала - помехо-неустойчивый сигнал.

.4 Бортовой регистратор для железнодорожного подвижного состава

Ранее предпринимались попытки пойти по этому пути. Примером может служить «Бортовой регистратор для железнодорожного подвижного состава».

Рисунок 1.5 - Функциональная схема бортового регистратора.

Очевидно, что анализируя данные после рейсов в депо наряду с рассмотренными параметрами технического состояния тепловоза или электровоза, полученные во время поездки, т.е. в реальных условиях работы, можно более глубоко производить диагностирование систем локомотивов, выявляя дефекты еще на стадии их зарождения [4].

На рисунке 1.5 изображена функциональная схема базового варианта БР. Функциональные возможности базового варианта несложно наращивать за счет подключения имеющихся в серии MicroPC модулей ввода аналоговых и дискретных сигналов, модулей для измерения временных параметров сигналов, модулей энергонезависимой памяти, сетевых адаптеров для интегрирования БР в локомотивные информационно-управляющие системы.

Оптоизолированные дискретные и аналоговые модули УСО фирмы Grayhill обеспечивают высокую помехоустойчивость БР по входным цепям.

На основе базового варианта разработан БР для контроля амплитудных и временных параметров кодов автоматической локомотивной сигнализации. Наряду с записью в БД всех поступающих на борт локомотива кодов прибор обеспечивает регистрацию тонкой структуры сигналов на тех участках рельсовых цепей, где параметры кодов имеют те или иные отклонения от нормы.

Данная система разработана для регистрации параметров локомотивов, и не представляется возможным установки данной системы на остальные подвижные единицы подвижного железнодорожного состава, т.е. вагоны.

.5 Микропроцессорный комплекс технических средств КТСМ

С 1998 г. началось массовое внедрение КТСМ-01 на железных дорогах России для модернизации аппаратуры ПОНАБ-3, а с 2001 г. КТСМ-01Д для модернизации как ПОНАБ-3, так и ДПСК-Б. Применение КТСМ-01 и КТСМ-01 Д было эффективно в условиях ограниченных средств железных дорог на замену основных фондов. Оно позволило при минимальных затратах на модернизацию электронной части перегонного и постового оборудования получить новое качество, присущее техническим средствам 4-го поколения.

При модернизации на перегонном посту контроля взамен функциональных стоек устанавливаются периферийные контроллеры (ПК-02), а на примыкающих станциях организуются автоматизированные рабочие места линейного поста контроля с программным обеспечением (АРМ ЛПК). При этом сохраняется напольное и силовое оборудование штатных средств контроля. Разработанный в 1991 г. НПЦ "Инфотэкс" шестиканальный концентратор информации КИ-6М для системы передачи данных (СПД ЛП) используется для подключения АРМ ЛПК и объединении КТСМ (включая ПОНАБ-3 и ДИСК-БТ) в автоматизированную систему централизованного контроля АСК-ПС. К одному АРМ ЛПК подключается до 4 перегонных комплектов средств контроля, что чаще всего необходимо для НТО сортировочных и участковых станций, с выдачей данных в АСК-ПС по двум адресам.

Для модернизированных ПОНАБ и ДИСК НПЦ "Инфотэкс" разработал более совершенные алгоритмы диагностики буксовых узлов и заторможенных колесных пар, новое программное обеспечение для АСК-ПС. Был выполнен ряд научно-исследовательских работ по оценке информативности элементов корпуса буксы грузового вагона, которые контролируются в системах ПОНАБ и ДИСК при тепловой (инфракрасной) диагностике подшипников, и обоснованию новых, более информативных зон контроля.

В аппаратуре контроля нагрева букс ПОНАБ, ДИСК, ДИСК-2, КТСМ-01 и КТСМ-01Д приемники инфракрасного (ИК) излучения (болометры) установлены под углом 13° или 20° к оси пути и под углом 34° к горизонту. Эти углы ориентации (визирования) приемников ИК-излучения, разработанные еще для диагностики букс с подшипниками скольжения, используются и для диагностики букс на подшипниках качения. При разработке было принято, что ИК-приемники ориентированы на поверхность смотровой крышки и частично на верхнюю цилиндрическую (попутную относительно движения поезда) часть корпуса буксы с роликовыми подшипниками.

Для определения фактической зоны сканирования буксового узла, а также для оценки влияния износа колеса, динамических перемещений колесной пары в колее при движении поезда по пути с неровностями на амплитуду теплового сигнала, вырабатываемого приемником, выполнены трехмерное компьютерное моделирование и экспериментальные исследования на буксовом стенде и реальном подвижном составе (рис 1.6).

Рисунок 1.6 - Трехмерная геометрическая модель для определения зоны буксы сканируемой болометром при прохождении состава и кадры положении пятна в различные моменты времени при перемещении буксы в зоне контроля

Для удобства зону контроля на оптической оси болометра назовем лучом, а участок сканируемой болометром поверхности буксы - пятном (рис.5.1). Результаты эксперимента, в котором лазер имитировал "взгляд" приемника инфракрасного излучения напольной камеры, показывают, что при проходе колесной пары ориентированный стандартным образом приемник инфракрасного излучения фактически сканирует, в основном, смотровую крышку и частично крепительную крышку буксы (рис. 5.1). При этом наиболее нагретая часть корпус буксы не попадает в зону обзора.

Рисунок 1.7 - Схема ориентации болометров в КТСМ-02, 1-зона теплового контроля, 2-угол зрения болометров.

Результаты исследований и анализ зарубежных решений по ИК-диагностике буксовых узлов позволили НПЦ "Инфотэкс" предложить для реализации в аппаратуре 5-го поколения (в новой модели КТСМ-02Б) более совершенный вариант ориентации болометра с установкой напольной камеры прямо на подошву рельса с углом в плане 0° и углом к горизонту 55".

Схема установки болометра и его ориентация показаны на рис. 5.2. Конструкция напольной камеры КТСМ-02Б обеспечивает осмотр нижней и частично задней (по ходу движения) стенок корпуса буксового узла. При такой ориентации обеспечивается стабильность геометрии положения напольной камеры и приемника ИК-излучения относительно контролируемых объектов и наименьшее расстояние до объекта контроля. При этом исключаются ложные показания аппаратуры, обусловленные рабочим нагревом шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, нагревом обода колес, возникающим при торможении поезда, и отраженным от корпусов букс солнечным излучением.

В настоящее время разработанные НПЦ "Инфотэкс" промышленные образцы устройств КТСМ-02БТ находятся в эксплуатации на 8 железных дорогах, в том числе на ПТО грузовых вагонов сетевого значения Свердловской и Западно-Сибирской дорог.

На основе изложенного можно сделать следующие выводы.

Ориентация приемников ИК-излучения аппаратуры обнаружения перегретых букс с напольными камерами от ПОНАБ и ДИСК под углами 34° к горизонту, 13° и 20° к оси пути обеспечивает сканирование лишь смотровой (при угле 13"), смотровой и частично крепительной (при угле 20") крышек корпуса буксы. При угле 20" уровни тепловых сигналов от букс в среднем на 15 % выше, чем при угле 13", что необходимо

Уровень сигнала приемника ПК-излученпя при такой ориентации существенно зависит от диаметра колеса п сочетания динамических перемещений буксового узла в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Возможны неблагоприятные сочетания указанных параметров, приводящие к уменьшению сигнала в 5...7 раз по отношению к идеальному результату сканирования буксовых узлов и пропуску аварийно нагретых букс с угрозой для безопасности движения поездов.

Смотровая крышка является самой холодной частью корпуса буксы при движении вагона. Как показал анализ распределения температур по деталям корпуса буксы, крышка нагревается в 1.5-2 раза меньше, чем нижняя и боковая цилиндрические части корпуса буксы. Интенсивность изменения температуры нагрева смотровой крышки намного ниже, чем у нижней части корпуса буксы при аварийном нагреве (перед заклиниванием) подшипника. Зона перехода ступицы буксы к диску, на которую ориентируются вспомогательные камеры ДИСК, холоднее, чем смотровая крышка буксы, и не может рассматриваться как резервный канал контроля состояния подшипников качения.

При ориентации приемника ИК-пзлучения на нижнюю цилиндрическую часть корпуса буксы в сечении между передним и задним подшипниками с креплением напольной камеры непосредственно к подошве рельса как в аппаратуре КТСМ-02Б обеспечивается: формирование более мощного (в 1,5...1,8 раза) теплового сигнала: стабильность положения напольной камеры с приемником ИК-излучения относительно корпуса буксы; наименьшее расстояние до поверхности корпуса буксы, а следовательно, и наименьшие потери ИК-излучения на пути от буксы к приемнику; исключение ложных показаний аппаратуры, вызванных рабочим нагревом шкивов и редукторов привода подвагонных генераторов, прямым и отраженным от букс ИК-излучением солнца.

Разработчикам аппаратуры обнаружения перегретых букс необходимо активизировать исследования по оптимизации углов визирования приемников ИК-излучення на наиболее информативные зоны корпусов букс с учетом запланированного на ближайшие годы внедрения подвижного состава нового поколения с коническими двухрядными подшипниками (в типовых корпусах по чертежам 100.10.020 и 168.10.001) и с полуоткрытыми подшипниками кассетного типа с адаптером, не пренебрегая при этом богатым опытом диагностики подобных подшипников, накопленным на железных дорогах мира.

.6 Выводы и постановка задачи

Общим недостатком известных решений (ДИСК-Б, ПОНАБ-3, АСКД, КТСМ) является дистанционность контроля - большой уровень погрешности, зависимость от состояния окружающей среды, влияющей на канал связи: «Объект контроля» - «Система контроля», поскольку система подвержена механическим воздействиям (тряска, вибрация), это требует дополнительных затрат по юстировке (наладке, настройке).

В целом системы обнаружения перегретых букс ПОНАБ, ДИСК, КТСМ и АСДК справляются со своей задачей, но имеются факты ложного срабатывания установок по различным причинам, в том числе по отказам узлов аппаратуры контроля подвижного состава. Только за 5 месяцев 2005 года ложно остановлено 28 поездов. Анализ работ устройств показывает, что в основном отказывает напольное оборудование - как правило болометры напольных камер. За отчетный период 2005 года из 25 отказов устройств 20 приходится на напольное оборудование, из которых 12 - отказы болометров.

В выше указанных системах контроля (ДИСК-Б, ПОНАБ-3, АСКД, КТСМ) заслуживает внимания используемый способ безэталонного сравнения значений однородных параметров (амплитуд сигналов отображающих температуру букс между собой) с последующим определением размаха сравниваемых величин и сравнение с эталоном.

С целью исключения информационной избыточности, на диспетчерскую станцию передается информация только о числе отказавших вагонов среди определенного числа с адресом вагона и топологией нахождения буксы.

Опыт эксплуатации устройств обнаружения перегретых букс типа ПОНАБ, ДИСК и т.п. выявил ряд конструктивных недостатков устройств, применяемых для этих целей.

Например:

значительные затраты времени на перестановку принимающей инфракрасное излучение при ориентации напольных камер левой и правой сторон;

недостаточная жесткость в сочленениях (имеются завышенные люфты в направляющих штангах ориентирного устройства, стойке головки и др.);

трудность достижения требуемой точности параметров настройки за один прием.

Существенным недостатком является и то, что для выполнения регламентных работ по ориентации напольного оборудования требуется запрашивать длительные технологические «окна» [6].

Что касается таких систем как ПОНАБ и ДИСК, то они давно выработали свой ресурс и требуют значительной модернизации для соответствия существующим нормам контроля (таблица 1.1) [5].Системы КТСМ и ДЦ «Тракт», разработанные с целью модернизации морально и физически устарелой аппаратуры ПОНАБ и ДИСК, также относятся к классу систем дистанционного контроля состояния элементов движения, движущийся состав подвергается контролю лишь в определенных точках пути, его техническое состояние вне этих точек остается неизвестным.

Таблица 1.1

Несмотря на внедрение систем КТСМ и ДЦ «Тракт», статистика показывает, что количество ЧС (15) на железнодорожном транспорте за 10 месяцев 2006 г. возросло по сравнению со среднемноголетними показателями (12) на 25%, и показателями 2005 г. (11) на 36%. Количество погибших в результате ЧС на железнодорожном транспорте за 10 месяцев 2006 г. составило 5 человек, что выше показателей 2005 г. (11) и среднемноголетних значений (3 человека) [15].

Постановка задачи

Система «колесо - рельс» относится к классу систем, в которых проявляется сильная зависимость от начальных условий [16]. Характерной особенностью таких систем является переход из детерминированного состояния в состояние хаотических колебаний, результатом проявления которых являются механические резонансы в колесных парах, способные привести к разрушению. В связи с вышесказанным, актуальным является вопрос разработки и внедрения мобильной системы непрерывного контроля и диагностики элементов движения подвижного товарного железнодорожного состава, т.е. постановка задачи может быть сформулирована следующим образом:

разработать систему непрерывного контроля состояния элементов движения каждого вагона и состава в целом, которая бы не нарушила информационных связей существующих стационарных систем контроля с центральным диспетчерским пунктами узловых железнодорожных станций, а дополняла бы информацией в масштабе реального времени о состоянии, как вагона, так и состава в целом. Такие системы позволяют постоянно информировать машиниста локомотива о состоянии состава и тем самым изменять режим движения состава в зависимости от ситуации.

Таким образом, разрабатываемая система динамического контроля элементов движения железнодорожного состава будет представлять беспроводную двухиерархическую телекоммуникационную сеть, состоящую из беспроводных ЛВС контроллеров для каждого вагона и на втором уровне - это сеть, объединяющая указанные сети с сервером, автоматизированным рабочим местом, находящимся в кабине локомотива. В качестве средств элементной базы необходимо использовать стандартные проверенные практикой решения.

Дополнительной функцией проектируемой системы можно отнести контроль состояния рельсового пути, при условии, что вагон исправлен.

2. Разработка моделей контроля букс товарного вагона

.1 Назначение, классификация, основные характеристики букс и предполагаемая топология расположения датчиков

Буксы предназначены для передачи нагрузки от тележки или рамы кузова выгона на шейки осей, а также для ограничения продольного и поперечного перемещений колесной пары при движении вагона. Букса состоит из корпуса, подшипников и деталей, уплотняющих корпус, как с переднего торца, так и со стороны колес. Типовая букса грузового вагона показана на рисунке 2.1. Наиболее распространенным является передача нагрузки на корпус буксу сверху.

Рисунок 2.1 - Типовая букса грузового вагона.

-пердний подшипник, 2-задний подшипник,3-внетреннее кольцо заднего подшипника, 4 - упорное кольцо переднего подшипника, 5-кольцевая поверхность, 6- продольный ребра корпуса, 7- ребра жесткости.

По типу применяемых подшипников все буксы делят на 2 группы:

с подшипниками качения (роликовые подшипники)

с подшипниками скольжения

Опыт эксплуатации грузовых и пассажирских выгонов, оборудованных роликовыми подшипниками, показал техническую и экономическую целесообразность перехода от подшипников скольжения к роликовым подшипникам. Подшипники качения являются самым распространенным и наиболее уязвимым элементом любого роторного механизма. Они осуществляют пространственную фиксацию вращающихся роторов и воспринимают основную часть статических и динамических усилий, возникающих в механизме. Поэтому техническое состояние подшипников является важнейшей составляющей, определяющей работоспособность механизма в целом.

На рисунке 2.2 показано распределение нагрузки между роликами в корпусе буксы грузового вагона.

Рисунок 2.2 - Распределение нагрузки между роликами в корпусе буксы грузового вагона

- в условия стендовых испытаний ( статическое приложение радиальной нагрузки), 2 - в поездных условиях, P0 P1 P2 - нагрузки на центральный и боковые ролики (с индексом «д» в условиях движения, с индексом «с» при стендовых испытаниях), p - повторяемость нагрузки.

При проектировании букс грузовых вагонов нельзя ориентироваться только на распределение статической нагрузки, как это делается при проектировании букс пассажирских вагонов, в которой радиальная нагрузка воспринимается 5 роликами (нагрузка передается на центральный ролик-26.2 %, по соседним с ним - 24.6%, и на крайний из 5 -12.3%). Необходимо также учитывать, что в тележках, не имеющих специальных балок, шейки осей нагружаются моментами, действующими в горизонтальной плоскости и обусловленными забеганием боковых рам. Эти моменты существенно перегружают ролики, расположенные под углами 2ар, 3ар, где ар-угол между двумя соседними роликами на рисунке 2.2. Учтем это, при выборе топологии расположения датчиков (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Колесная пара с буксами для определения мест контроля.

Условно предположим колесную пару с буксой на роликовом подшипнике (слева) и буксой на подшипнике скольжения (справа). Будем рассматривать буксу с роликовыми подшипниками. Контролируемые элементы корпуса буксового узла и колесной пары показаны стрелками а, b, с, d, e. Контроль температуры поверхности крышки буксового узла (вид по стрелке а) не может дать хороших результатов, так как температура крышки слабо отражает температуру шейки оси, и особенно для букс с подшипниками скольжения. Достаточно хорошо характеризует температуру шейки оси нагрев верхней части корпуса буксы (вид по стрелке b), но конструктивные особенности подвижного состава и необходимость соблюдения габарита приближения строений при размещении считывающих устройств аппаратуры контроля делают невозможным организовать контроль этого элемента корпуса буксы. Подступичная часть оси с наружной стороны колеса (вид по стрелке с) наилучшим образом характеризует температуру шейки. Однако из-за небольших размеров этой зоны очень трудно организовать надежный контроль при поперечных смещениях колесной пары во время движения поезда. Лучшие результаты могут быть получены при контроле подступичной части колеса с внутренней стороны (вид по стрелке е). Однако в результате предварительных исследований установлено, что связь температурой этого элемент та оси и шейкой оси более слаба, чем - между шейкой оси и верхней частью корпуса буксы. Несколько сложнее реализовать контроль задней стенки корпуса буксы с внутренней стороны рамы тележки (вид по стрелке d) так как эта часть корпуса буксы сильно загрязнена и находится вблизи нагретых подступичной части оси и тормозных колодок.

Таким образом, на наш взгляд, целесообразно располагать датчики температуры в областях b или с, т. е. в тех областях контроля, где текущее температурное состояние буксы может быть охарактеризовано должным образом. Датчик вибрации лучше всего устанавливать в верхней части буксы, т. е. там, где ролики испытывают наибольшую нагрузку.

.2 Разработка моделей объекта контроля

.2.1 Модель температурного контроля буксы товарного вагона

Выделяемое при движении поезда в зоне трения подшипника об ось тепло распространяется 2мя путями: через шейку оси на колесо и ось, и через подшипник на корпус буксы. По данным американских исследователей, на колесо и ось приходится до 77% тепла, а на корпус буксы 23% [26].

Нормальная работа буксового узла характеризуется установившемся режимом теплообмена между его элементами, колесной парой и наружным воздухом в процессе движения поезда (рисунок 2.4, кривая 3). Установившейся режим нормально работающего буксового узла наступает примерно через 40 км после начального движения поезда. Значение температуры шейки оси в установившемся режиме зависит от скорости движения поезда, нагрузки на подшипник. При температуре наружного воздуха 20 Сє, установившееся значение для букс с роликовыми подшипниками менее 10-20 Сє [26]. Перегрев букс характеризуется неустановившемся режимом теплообмена (рисунок 2.4, кривая 1). Темп возрастания температуры зависит от характера неисправности, скорости поезда. По данным американских исследователей, которые подтверждаются статистическими данными отечественных ЖД, пробег вагона до излома шейки составляет 50-60км.

Рисунок 2.4 - Зависимость температуры буксы от времени движения

Критерии аварийности (перегрева) буксового узла выработаны практикой длительной эксплуатации подвижного состава в различных условиях и подтверждены экспериментами. Для буксового узла с подшипником скольжения предельно допустимая температура шейки оси составляет примерно 100-110°С. Критическая температура, при которой начинается разрушение граничного слоя и происходит схватывание металлов трущихся поверхностей, соответствует значению 140°С и более. В соответствии со значениями предельно допустимой и критической температуры уровни нагрева шеек осей, при которых буксовый узел на подшипнике скольжения следует считать аварийным (перегретым), находятся выше 100-140°C. Для буксового узла с роликовыми подшипниками повышение в процессе движения поезда температуры корпуса буксы до 70-75°С в летний период или до 40-50°С в зимний период является признаком неисправности.

Неустановившийся режим теплообмена может быть в течение длительного времени работы буксового узла с новым подшипником при некачественной его подгонке. В начальный, период приработки подшипника температура шейки оси поднимается до 100-140°С (рисунок 2.4, кривая 2), а затем по мере приработки подшипника снижается и достигает установившегося значения через 40-80 км. Обнаружение таких букс по выбранным критериям аварийности приводит к необоснованным остановкам поездов. Однако количество этих букс по отношению к количеству действительно неисправных незначительно.

В процессе работы буксового узла тепло от подшипника передается на корпус буксы и температура контролируемой зоны (задней стенки корпуса) возрастает. Значение температуры корпуса буксы определяется температурой шейки оси, температурой наружного воздуха и скоростью движения поезда.

Среднее значение ΔTкб (превышение температурой букс температуры наружного воздуха) нормально работающих буке незначительно меняется при изменении температуры наружного воздуха и при установившемся режиме теплообмена равно 10-15С°. Среднее значение ΔTкб для перегретых букс в зависимости от температуры наружного воздуха меняется значительно.

Основой построения аппаратуры контроля буксовых узлов является измерение энергии излучения корпуса буксового узла. Каждое тело, температура которого выше абсолютного нуля, излучает в окружающее пространство энергию. Тела, полностью поглощающие падающий на них лучистый поток и обладающие максимальной излучаемостью, называются абсолютно черными телами. Излучение черного тела полностью определяется его температурой.

Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела Е является функцией длины волны, λ и температуры Т. В соответствии с законом Планка, спектральная плотность излучения черного тела для длин волн от λ до dλ определяется по формуле

где C1 и C2 константы, равные ,

Максимум плотности излучения по мере возрастания температуры тела перемещается в область коротких волн. По закону Вина длина волны (в мкм), соответствующая максимуму излучения, определяется по формуле

Для корпусов большинства перегретых букс, температура которых может изменяться от 0 до 80°С, максимум спектральной плотности излучения приходится на длины волн от 11 до 8 мкм.

Излучение, воспринимаемое приемником аппаратуры контроля от корпуса буксы, с определенным коэффициентом передачи пропорционально полной плотности излучения буксы. Полная плотность излучения абсолютно чёрного тела (интегральная) определяется законом Стефана-Больцмана. При интегрировании Е (λ, Т) во всем диапазоне волн от λ =0 до λ =∞ получаем:

где -постоянная Стефана-Больцмана.

Поскольку в природе не существует абсолютно черных тел, то все реальные тела называются нечерными и делятся на тела с селективным и серым излучением. Излучательные способности серых тел, к которым относятся и буксы, характеризуются степенью черноты ε, показывающей, во сколько раз полная плотность излучения данного тела меньше полной плотности излучения абсолютно черного тела. С учетом ε выражение принимает вид:

Для корпусов букс значение е равно примерно 0,85-0,95. Изменение степени черноты букс вносит дополнительные погрешности в измерение ΔTкб, а следовательно, приводит к ошибкам в распознавании перегретых букс по выбранному параметру контроля.

При выборе метода контроля букс по температуре их корпусов важным моментом является постоянство выходного сигнала приемника излучения при контроле букс с одинаковой температурой шейки оси (критерий аварийности) во всем диапазоне изменений температуры наружного воздуха (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - График изменения плотности излучения корпусов букс.

Если с помощью приемника излучения измерять значение WT, то при изменении температуры наружного воздуха сигнал на выходе приемника будет изменятся пропорционально изменению WT. А это значит, что при контроле букс с одинаковым критерием аварийности в диапазоне температур наружного воздуха от -40 до +40°С сигнал на выходе приемника будет изменяться почти в 2 раза (рисунок 2.5, кривая 1). Произвести оценку состояния буксы по такому сигналу сложно. Поэтому в аппаратуре контроля букс WT измеряют с учетом температуры наружного воздуха. Суть этого метода в том, что с помощью приемника излучения измеряется превышение полной плотности излучения корпуса буксы над полной плотностью излучения тела с температурой наружного воздуха (рама вагона, температура которой примерно равна температуре наружного воздуха). В этом случае полная плотность излучения, передаваемая с определенным коэффициентом к приемнику, может быть рассчитана по формуле

где Тк.б и Тн.е температура корпуса буксы и наружного воздуха соответственно.

В результате воспринимаемое приемником излучение изменяется незначительно во всем диапазоне температур наружного воздуха (рисунок 2.5, кривая 2).

Выводы

. увеличение температуры буксы является реакцией на нагруженность тележки, скорость движения состав и состояния самого подшипника;

. в установившемся режиме работы температура буксы с роликовым подшипниками не должна превышать 10-20єС, аварийное состояние таких подшипников наступает в диапазоне температур , начиная от 70-90 Сє , и до 140 Сє, когда наступает разрушение подшипника;

. контроль температуры может быть осуществлен посредством датчиков, в качестве которых могут быть использованы датчики генераторного или пассивного типа.

.2.2 Модель вибрационного контроля буксы товарного вагона

Широкое распространение во всём мире получили методы контроля и диагностики подшипников качения, базирующиеся на измерении параметров вибрации. Обусловлено это тем, что вибрационные сигналы несут в себе информацию о состоянии механизма и подшипников в частности. При этом теория и практика анализа вибросигналов к настоящему времени столь отработана, что можно получить достоверную информацию о текущем техническом состоянии не только подшипника, но и его элементов.

В настоящее время на практике используются четыре метода оценки технического состояния подшипников качения [28]:

.        Метод ПИК-фактора;

.        Метод прямого спектра;

.        Метод спектра огибающей;

.        Метод ударных импульсов.

Рассмотрим подробнее каждый из них.

.2.2.1 Метод ПИК-фактора

Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходимо иметь простой виброметр, позволяющий измерять два параметра вибросигнала:

·              среднеквадратичное значение уровня (СКЗ) вибрации, т.е. энергию вибрации;

·              пиковую амплитуду (ПИК) вибрации (положительную, отрицательную или полный размах - значения не имеет).

Отношение двух этих параметров ПИК/СКЗ, называется ПИК - фактором.

В осциллограмме нового хорошо смазанного подшипника присутствует стационарный сигнал шумового характера (рисунок 2.6,а).

Рисунок 2.6 - осциллограммы разных степеней изношенности подшипников

С течением времени, по мере появления дефектов на деталях подшипника, в сигнале начнут появляться отдельные короткие амплитудные пики, соответствующие моментам соударения дефектов (рисунок 2.6,б).

В дальнейшем, с развитием дефекта, сначала увеличиваются амплитуды пиков, потом постепенно увеличивается и их количество (рисунок 2.6,в). Например, дефект, появившись на одном из шариков, создаёт впоследствии забоину на кольце, с него она переносится на другой шарик, дефекты шариков начинают вырабатывать сепаратор до полного разрушения.

Если изобразить результаты измерений на графике, мы увидим зависимости, показанные на рисунке 2.7. По мере появления и развития дефекта нарастает функция ПИК, а СКЗ меняется очень мало, поскольку отдельные очень короткие амплитудные пики практически не меняют энергетические характеристики сигнала.

Рисунок 2.7 - Результаты измерений.

В дальнейшем, по мере увеличения амплитуд и количества пиков, начинает увеличиваться энергия сигнала, возрастает СКЗ вибрации.

Отношение ПИК/СКЗ из-за временного сдвига между ними имеет явно выраженный максимум на временной оси. На этом и основывается метод ПИК- фактора.

Экспериментально было установлено, что момент прохода функции ПИК-фактор через максимум соответствует остаточному ресурсу подшипника порядка 2-3 недель.

Достоинство: простота. Для реализации нужен обычный виброметр общего уровня.

Недостатки: слабая помехозащищенность метода и необходимость проводить многократные измерения в процессе эксплуатации. Установить датчик непосредственно на наружной обойме подшипника практически невозможно, поэтому сигнал вибрации характеризует не только подшипник, но и другие узлы механизма, что в данном случае рассматривается как помехи. Чем дальше установлен датчик от подшипника и сложнее кинематика самого механизма, тем меньше достоверность метода.

Получить оценку состояния по одному замеру невозможно.

.2.2.2 Метод прямого спектра

Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации (виброанализатор).

Метод базируется на анализе спектра вибрации - выявлении периодичности (частоты) появления амплитудных всплесков (рисунок 2.6,в). Вибрационный сигнал анализируется узкополосным виброанализатором, и по частотному составу спектра (рисунок 2.8) можно идентифицировать возникновение и развитие дефектов подшипника. Каждому дефекту на элементах подшипника (тела качения, внутреннее и наружное кольцо, сепаратор), соответствуют свои частоты, которые зависят от кинематики подшипника и скорости его вращения. Наличие той или иной частотной составляющей в спектре сигнала говорит о возникновении соответствующего дефекта, а амплитуда этой составляющей - о глубине дефекта.

Рисунок 2.8 - Спектр шумов подшипника.

Достоинства:

•        высокая помехозащищённость (маловероятно наличие в механизме источников, создающих вибрации на тех же частотах, что и дефекты подшипника);

•        высокая информативность метода. Возможна оценка состояния элементов подшипника (тел качения, внутреннего и наружного кольца, сепаратора), поскольку они генерируют разные частотные ряды в спектре.

Недостатки:

•        метод дорогостоящий, если виброанализатор использовать только для контроля подшипников;

•        метод малочувствителен к зарождающимся и слабым дефектам в связи с тем, что подшипники в большинстве случаев являются маломощными источниками вибрации. Небольшой скол на шарике или дорожке не в состоянии заметно качнуть механизм, чтобы мы увидели эту частотную составляющую в спектре. И только при достаточно крупных дефектах амплитуды этих частотных составляющих начинают заметно выделяться в спектре.

Метод используется достаточно широко и даёт хорошие результаты.

.2.2.3 Метод «ударных импульсов»

Метод ударных импульсов основан на измерении и регистрации механических ударных волн, вызванных столкновением двух тел. Ускорение частиц материала в точке удара вызывает волну сжатия, которая распространяется в виде ультразвуковых колебаний. Ускорение частиц материала в начальной фазе удара зависит только от скорости столкновения и не зависит от соотношения размеров тел. Период времени мал, и заметной деформации не происходит. Величина фронта волны является мерой скорости столкновения (удара) двух тел. Во второй фазе удара поверхности двух тел деформируются, энергия движения отклоняет тело и вызывает в нем колебания.

Для измерения ударных импульсов используется пьезоэлектрический датчик, на который не оказывают влияние фон вибрации и шум. Вызванная механическим ударом фронтальная волна сжатия возбуждает затухающие колебания в датчике (преобразователе).

Пиковое значение амплитуды этого затухающего колебания прямо пропорционально скорости удара (V). Поскольку затухающий переходный процесс очень хорошо определяется и имеет постоянную величину затухания, его можно отфильтровать от других сигналов, т.е. от сигналов вибрации. Анализ затухающего переходного процесса - основа метода ударных импульсов.

Наблюдаемый процесс аналогичен процессу, происходящему в камертоне: как бы вы по нему ни ударили - он звенит на своей собственной частоте. Так и подшипниковые узлы от соударения дефектов «звенят» на своей частоте. Частота эта практически всегда лежит в диапазоне 28-32 кГц, но, в отличие от камертона, эти колебания очень быстро затухают, поэтому на осциллограммах они выглядят практически, как импульсы, что и дало название методу - метод ударных импульсов.

Результаты измерений очень легко нормировать по скорости соударения, зная геометрию подшипника и его обороты. Амплитуды ударных импульсов однозначно связаны со скоростью соударения дефектов и глубиной дефектов. Поэтому по амплитудам ударных импульсов можно достоверно диагностировать наличие и глубину дефектов.

Достоинства: высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность. Метод прост и дёшев в реализации, существуют простые портативные приборы.

Недостаток: существует одно ограничение, связанное с конструктивным исполнением механизма. Поскольку речь идёт об измерении параметров ультразвуковых колебаний, которые заметно затухают на границах разъёмных соединений, для точности измерений необходимо, чтобы между наружным кольцом подшипника и местом установки датчика находился сплошной массив металла. В большинстве случаев это не вызывает проблем.

Сущность метода иллюстрирует форма высокочастотных сигналов вибрации, приведенная на рисунке 2.9.

На первой кривой (рисунок 2.9,а) приведена форма высокочастотной (выше 20 кГц) вибрации бездефектного подшипника. На второй кривой (рисунок 2.9,б) показана вибрация от одиночных ударных импульсов, появляющихся при контакте тел и дорожек качения в месте разрыва смазки, состояние которой ухудшилось вследствие ее старения. На третьей кривой (рисунок 2.9,в) приведена вибрация при периодических ударных импульсах из-за раковины на наружном (неподвижном) кольце подшипника. Наконец, на четвертой (рисунок 2.9,г) показана вибрация, возбуждаемая частыми непериодическими ударными импульсами при большом количестве дефектов на разных поверхностях качения. Практически первая и четвертая кривая отличаются только масштабом (мощностью) сигнала.

Рисунок 2.9 - Форма высокочастотных сигналов вибраций для различных случаев.

.2.2.4 Метод спектра огибающей

Для контроля технического состояния подшипников по данному методу необходим анализатор спектра вибрации с функцией анализа спектра огибающей высокочастотной вибрации.

Метод базируется на анализе высокочастотной составляющей вибрации и выявлении модулирующих ее низкочастотных сигналов.

Высокочастотная часть сигнала изменяет свою амплитуду во времени, т.е. она модулируется сигналом с более низкой частотой. Выделение и обработка этой информации и составляют основу этого метода.

Рассмотрим подшипник с зарождающимся дефектом (скол, трещина и т.п.) на наружной обойме. При ударе тел качения о дефект возникают высокочастотные затухающие колебания, которые будут повторяться (модулироваться) с частотой, равной частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу. Именно в этом модулирующем сигнале содержится информация о состоянии подшипника.

Установлено, что наилучшие результаты метод даёт в том случае, если анализировать модуляцию не широкополосного сигнала, получаемого от акселерометра, а предварительно осуществить узкополосную фильтрацию сигнала, выбрать основную (несущую) частоту в диапазоне от 4 до 32 кГц и анализировать модуляцию этого сигнала.

Для этого отфильтрованный сигнал детектируется, т. е. выделяется модулирующий сигнал (или ещё его называют «огибающая сигнала»), который подаётся на узкополосный виброанализатор. Затем мы получаем спектр интересующего нас модулирующего сигнала, или спектр огибающей, что и дало название методу.

Обработка сигнала очень сложна, но результат стоит того. Дело в том, что небольшие дефекты подшипника не в состоянии вызвать заметной вибрации в области низких и средних частот. В тоже время для модуляции высокочастотных вибрационных шумов энергии возникающих ударов оказывается вполне достаточно. Таким образом, метод обладает очень высокой чувствительностью.

Спектр огибающей при отсутствии дефектов представляет собой почти горизонтальную волнистую линию (рисунок 2.10,а). При появлении дефектов над уровнем линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых однозначно просчитываются по кинематике и оборотам подшипника (рисунок 2.10,б). Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта.

Для иллюстрации метода на рисунке 2.11 приведены формы высокочастотной вибрации и спектры ее огибающей для трех одинаковых подшипников, соответственно, не имеющего дефектов, с дефектом сепаратора и с раковиной на наружном кольце.

Рисунок 2.10 - Спектр вибрации подшипникового узла электрической машины с выделенной третьоктавной полосой частот, используемой для формирования огибающей высокочастотной вибрации.

Рисунок 2.11 - Формы высокочастотной вибрации и спектры ее огибающей для трех одинаковых подшипников: а - бездефектный подшипник, б - дефект сепаратора, в - раковина на наружном кольце.

Существует два различных подхода к выбору полосы частот фильтра, выделяющего высокочастотную случайную вибрацию для последующего измерения спектра ее огибающей. Первый использует полосу частот, в которой под действием сил трения или ударных импульсов возникает сильная резонансная вибрация с собственными частотами колебаний тела качения или наружного (неподвижного) кольца подшипника [3]. Второй подход заключается в использовании более высокочастотной нерезонансной вибрации, возбуждаемой этими же силами [4,5]. Оба подхода дают близкие результаты, но лишь в том случае, когда в полосу частот фильтра не попадают гармонические составляющие вибрации, по мощности, превышающие случайную вибрацию. В противном случае колебания мощности суммы гармонической и случайных составляющих уменьшаются, и спектр огибающей начинает давать искаженную информацию о состоянии подшипника.

Достоинства: во-первых, метод огибающей использует результаты измерения вибрации в более низкой области частот, чем метод ударных импульсов и, как следствие, точка контроля вибрации может быть несколько удалена от неподвижного кольца подшипника и выбирается, например, на корпусе подшипникового узла. Во-вторых, спектральный анализ огибающей позволяет обнаруживать в подшипнике качения зарождающиеся дефекты не только поверхностей качения, но и скольжения, в частности сепаратора.

В-третьих, появляется возможность диагностировать низкооборотные подшипники, в которых даже при нормальной работе возникают ударные импульсы. Диагностика в этом случае возможна потому, что в дефектных подшипниках периодически изменяется плотность ударных импульсов, а, следовательно, и мощность высокочастотной вибрации.

В-четвертых, те дефекты, которые приводят к разрыву масляной пленки и появлению ударных импульсов, могут обнаруживаться еще до того, как величина дефекта будет достаточна для разрыва масляной пленки и возникновения ударных импульсов.

Недостатки: первый заключается в том, что на этапе зарождения с высокой достоверностью обнаруживаются все дефекты подшипника качения, кроме одного - дефекта смазки, так как достаточно часто на начальном этапе развития дефектов смазки разрывы масляной пленки могут быть нерегулярными, а спектральный анализ огибающей нечувствителен к непериодическим изменениям мощности высокочастотной вибрации.

Третий недостаток - разная чувствительность метода к дефектам неподвижного кольца подшипника, тел качения, сепаратора и подвижного кольца, так как на пути распространения высокочастотной вибрации в зависимости от вида дефекта либо нет ни одной переходной поверхности со слоем смазки, либо такая поверхность одна (для дефектов тел качения), либо две (для дефектов вращающегося кольца и сепаратора). Как следствие, пороги опасных дефектов для разных групп дефектов будут различаться и зависеть, в частности, от скорости движения тел качения по дорожкам качения. Четвертый недостаток, который является общим для всех чувствительных методов диагностики по высокочастотной вибрации, заключается в том, что при наличии нескольких сильных дефектов по мере их дальнейшего развития чувствительность метода падает. Для того, чтобы компенсировать этот недостаток, параллельно спектру огибающей высокочастотной вибрации в современных системах диагностики контроль за наличием сильных дефектов осуществляется по спектру низкочастотной и среднечастотной вибрации подшипникового узла, измеряемой в направлении действия статической нагрузки на подшипник.

Таблица 2.1

Выводы

. контроль состояния подшипников по спектру вибросигнала позволят выявлять дефекты на стадии их зарождения, что недоступно при использовании метода контроля температуры буксы;

. вибросигнал несет в себе информацию не только о факте появлении дефекта, но и причине его появления;

. рассмотренные методы контроля состояния подшипников качения реализованы во многих системах диагностики подшипников качения. Известно множество программных и аппаратных решений;

. методы «ударных импульсов» и спектра огибающей обладают хорошими характеристиками и могут быть применены при осуществлении стационарного контроля товарного состава, однако, ввиду того, что контроль должен осуществляться при непрерывном движении поезда, в качестве вибродатчика применим датчик линейного ускорения (акселерометр), который широко используется для контроля вибрация роторных механизмов.

3. Определение значений допусковых параметров

.1 Принципы назначения допусков

Техническое состояние объекта контроля определяется значением обобщенного показателя качества W или вектора параметров U. Для того чтобы принимать решения о способности объекта контроля выполнять свое назначение, необходимо определить область значений показателя качества и параметров, которая соответствует понятию работоспособности. Выделение области работоспособности приводит к тому, что вместо бесчисленного множества состояний объект контроля может находиться только в двух возможных состояниях: «годен» или «не годен». Пусть, например, обобщенный показатель качества является вероятностью выполнения задачи, и область работоспособности определяется отрезком числовой оси [WT, 1]. Тогда, если W≥WT, то объект признается годным, а если W<WT, то он считается негодным.

Определение допусков на параметры качества, полностью характеризующие область работоспособности, является сложной задачей, при решении которой необходимо учитывать целевые и экономические факторы. При этом объект контроля должен рассматриваться как элемент более общей по иерархии системы. Следует подчеркнуть, что назначение оптимальных допусков на показатели качества существенно зависит от условий применения и эксплуатации объекта контроля. Принятие предположений об этих условиях позволяет определить допуски по критерию минимума затрат. Отсюда следует, что при других условиях применения и эксплуатации объекта контроля допуски на показатели уже не будут оптимальными.

За обобщенный показатель качества системы примем вероятность выполнения поставленной задачи. Пусть задан допуск снизу на этот показатель, разделяющий область значений показателя на области работоспособности и неработоспособности: W≥WT - годен, W<WT - не годен. Поставим задачу определить допуски на параметры, обеспечивающие выполнение условия «годен». Решение подобной задачи необходимо как для проектирования системы, так и для решения задач контроля. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев принятие решения о годности системы выполнять свои функции осуществляется в процессе контроля путем сравнения измеренных значений параметров допусками. Очевидно, что правильное назначение допусков на параметры играет при данной схеме оценки технического состояния большую роль.

Зависимость показателя качества от параметров представляет собой, в общем случае, нелинейную функцию многих переменных. Каждой допустимой области значений показателя качества соответствует допустимая область значений параметров. Эта последняя может иметь весьма сложную конфигурацию. Нахождение допусков на параметры по заданному допуску на показатель качества заключается в определении гиперповерхности, ограничивающей область допустимых значений параметров.

Построение области допустимых значений параметров не позволяет назначить допуск на каждый параметр в отдельности. Все параметры оказываются связанными между собой. Допуск на каждый параметр отдельно можно определить только в частном случае, когда область допустимых значений параметров представляет собой гиперпараллелепипед с гранями, параллельными осям координат параметров.

Для решения ряда практических задач, связанных с производством и контролем, целесообразно назначение допусков на каждый параметр в отдельности.

Ниже излагается принцип определения допусков на параметры, основанный на гипотезе существования экстремума показателя качества. Правильно выбранный показатель качества всегда обладает экстремальной точкой в пространстве параметров. Это обстоятельство и позволяет получить однозначное решение задачи о допусках на параметры при заданном допуске на показатель качества.

Рассмотрим геометрическую трактовку задачи о допусках на параметры. Показатель качества при фиксированном режиме работы системы является функцией параметров. Эту функцию можно рассматривать как гиперповерхность в пространстве параметров. Характерной особенностью этой гиперповерхности является наличие экстремальной точки. Установление допуска на показатель качества с геометрической точки зрения означает задание гиперплоскости, параллельной гиперплоскости параметров. Сечение гиперповерхности W(U) гиперплоскостью WT = const дает замкнутую поверхность, определяемую уравнением

=W(V) (l)

Задача вычисления допусков на параметры может в этом случае трактоваться как построение описанного к гиперповерхности (1) параллелепипеда с плоскостями, параллельными осям координат параметров. Пересечение граней описанного гиперпараллелепипеда с осями координат параметров и дает допуски на параметры.

Между замкнутой гиперповерхностью (1) и описанным гиперпараллелепипедом имеются определенные области. Попадание значений параметров в эти области хотя и удовлетворяют выбранным допускам (значения параметров лежат внутри гиперпараллелепипеда), но не удовлетворяют условию W≥WT (значения параметров лежат вне гиперповерхности (1)). Следовательно, указанные области образуют «дефект» в допусках на параметры, определяющий риск заказчика. Риск изготовителя за счет данного фактора равен нулю.

В связи с этим, можно построить не описанный гиперпараллелепипед, а вписанный. При этом риск заказчика от данного фактора будет равен нулю, а риск изготовителя максимален.

3.2 Двухпараметрическая модель

Для наглядного представления о методе определения допусков на параметры на основе построения описанного параллелепипеда с гранями, параллельными осям координат, рассмотрим в начале простейший случай наличия только двух параметров. Используем следующую аппроксимацию:

 (1)

Пусть требуемое значение показателя качества равно WT. Приравнивая W=WT, получаем функцию двух параметров, которую запишем в виде

 (2)

Правильно выбранный показатель качества имеет экстремальное значение в пространстве параметров. Это означает, что соотношение (1) есть уравнение эллиптического параболоида. Сечение эллиптического параболоида плоскостью, параллельной плоскости параметров, дает эллипс, уравнение которого представлено соотношением (2). Данный эллипс можно назвать эллипсом качества, поскольку нахождение параметров внутри этого эллипса обеспечивает качество работы системы не хуже заданного.

Рассматривая параметр V1 как функцию параметра V2, найдем производную с dV1/dV2 и приравняем ее к нулю. Эта производная равна

 (3)

Дифференцируя соотношение (2), учитывая, что знаменатель в уравнение (3) не обращается в бесконечность, и приравнивая производную нулю, получаем уравнение прямой, проходящей через точки экстремумов (рисунок 3.1, правый)

+2C12Vl+2C22V2=0 (4)

где принято, что С12=С21 .

Отсюда находим V2 и подставляем в уравнение (2)

 (5)

После подстановки получаем квадратное уравнение относительно ординат точек экстремумов на плоскости параметров

 (6)

Рисунок 3.1 - Описанные параллелепипеды

Решая это уравнение, получаем допуски на параметр Vl

 (7)

где

; ;  (8)

Для определения допусков на параметр V2 необходимо продифференцировать выражение (2) частным образом по Vx, приравнять производную нулю, найти из данного уравнения параметр V2 и подставить в соотношение (2). В результате будет получено квадратное уравнение относительно допусков на параметр V2, решая которое, получаем

 (9)

где

; ;  (10)

Анализируя результаты решения, приходим к выводу, что алгоритм определения допусков включает операции решения линейных алгебраических уравнений и решение квадратных уравнений. Соотношения (7), (9) определяют уравнение описанного прямоугольника, представленного на рисунке 3.1 (левый). На этом рисунке область дефекта допусков заштрихована. На рисунке 2.3 показана пространственная схема определения допусков.

Рисунок 3.2 - Пространственная схема определения допусков.

Физическая однородность контролируемых параметров приводит к мысли о разработке безэталонного метода контроля.

Выводы

. в реальных объектах контроля параметры являются коррелированными, т.е. изменение одного из них приводит к изменению остальных;

. объектами контроля выступают система «колесо-рельс», контролируемым параметром которой является амплитуда вибраций кузова вагона, акустический спектр системы «колесо-рельс» и температурный режим буксы;

. предложена модель по определению верхних и нижних значений контролируемых параметров, исходя из их попарного анализа;

. на данном этапе модель носит теоретический характер и не апробирована в виду отсутствия технических требований на характер изменения зависимостей параметров от загрузки кузова, скорости движения вагона.

4. Обзор существующих методов контроля

Под контролем понимается процесс установления соответствия между состоянием объекта контроля и заданными нормами. В результате контроля выдается суждение о том, к какой из нормированных качественно различающихся областей относится рассматриваемое состояние контроля.

Контроль может быть осуществлен везде, где имеются установленные нормы. В основном рассматривается контроль, при котором описания норм заданы в количественном виде с помощью аналоговых и цифровых уставок, а результатом контроля является количественно определенное суждение о состоянии объекта контроля. Такой контроль называется техническим контролем.

Операции контроля могут выполняться как с участием человека, так и без его участия, т.е. автоматически. Уровень автоматизации устройств контроля может быть определен приближенно отношением объема операций, выполняемых ручным способом, к общему объему операций контроля.

Вследствие наличия ставок и определяемых ими зон допуска контролируемых величин такой контроль называют допусковым.

Выделяют несколько методов контроля. Рассмотрим более подробно некоторые из них.

.1 Организация статистического контроля

Основная цель статистического контроля связана с получением статистических данных, необходимых для анализа хода технологического процесса или годности готовой продукции и для принятия соответствующих решений. Если заданы допуски годности продукции и доли годных и негодных изделий, то текущий статистический контроль позволяет следить за ходом технологического процесса.

Статистическая обработка экспериментальных данных выполняется с помощью выпускаемых промышленностью статистических анализаторов и выполняется обязательно в системах контроля, содержащих универсальные программируемые вычислительные устройства.

.2 Системы контроля параллельного действия

Системы контроля параллельного действия, или многоканальные системы контроля, состоят из параллельно (одновременно) работающих каналов контроля (рисунок 4.1). Каждый канал контроля в таких системах работает независимо от других каналов и выполняет функции допускового контроля одной контролируемой величины.

Современные системы контроля параллельного действия весьма часто позволяют выдавать одновременно с результатами контроля измерительную информацию как в аналоговом (рисунок 4.2), так и в цифровом (рисунок 4.3) видах, а также сигналы, необходимые для формирования воздействия на объект контроля.

Рисунок 4.1 - Структурная схема многоканальной системы контроля.

Рисунок 4.2 - Аналоговый канал контроля с выдачей результатов контроля, измерения и сигналов управления.

Рисунок 4.3 - Цифровая система контроля параллельного действия с последовательным выводом результатов контроля и измерения.

Многоканальные системы контроля широко используются при управлении технологическими процессами во многих отраслях промышленности, при эксплуатации динамических объектов и т.п. Они могут оказаться экономически более выгодными при относительно небольшом количестве контролируемых величин, особенно если эти величины разнородны по физической природе.

.3 Системы контроля последовательного действия

В системах контроля последовательного действия (сканирующих системах) контролируется состояние величины, распределенной в одно-, двух- или трехмерном пространстве. Кроме того, в этой ситуации могут контролироваться функции от входной величины. Нормы могут быть общими для всех параметров или для нескольких параметров, а также индивидуальными для каждого значения входной величины. При индивидуальном задании нормы должны сопровождаться указанием соответствующих координат точек. Если для задания контролируемой величины достаточно указать две координаты и если в системе используется цифровой канал контроля с последовательным сравнением контролируемой величины с уставками, то алгоритм сканирующей системы можно представить следующим образом:

Кроме дискретного контроля в сканирующих системах контроля может быть реализован непрерывный контроля, при котором сканирующее движение датчика позволяет определить места, где контролируемая величина выходит за пределы установленной нормы, а затем измеряются координаты этой контролируемой величин.

4.4 Системы контроля последовательного действия для контроля геометрической формы и размеров разнообразных объектов

Частным типом систем контроля последовательного действия являются сканирующие системы для контроля геометрической формы и размеров разнообразных объектов. Контролируемыми величинами в этом случае являются геометрические размеры объекта контроля в заданных направлениях. Описания границ нормы при этом могут быть заданы в виде зон допустимых значений табличным способом либо образцового предмета, а также линий допускаемых отклонений от его размеров.

На рисунке 4.4 представлена структурная схема цифровой системы контроля, в которой для измерения используется времяимпульсный метод измерения <I(x/z)>, описываемый алгоритмом:

где N(t) - число импульсов, поступившее за время t.

Рисунок 4.4 - Структурная схема цифровой сканирующей системы контроля.

Измерение отклонения контролируемого размера от номинального его значения может резко повысить точность измерения, особенно при больших отношениях номинального значения к отклонению от него. В некоторых случаях выделение отклонения достигается при использовании соответствующих оптических преобразований.

4.5 Системы контроля с общей образцовой величиной

Выделяют два режима работы системы:

) Режимы допускового контроля и измерения. В системах контроля с общей образцовой величиной каждая из измерительных цепей связана со своим каналом контроля, а с помощью общей образцовой величины могут быть заданы уставки или сформирована компенсационная величина, необходимая для измерения контролируемых величин.

При измерении контролируемых величин система работает по алгоритму мультиплексированной измерительной системы. В данной системе выполнение операций сравнения при контроле и измерении может производиться устройствами сравнения каналов контроля. В виду одновременной, параллельной работы всех каналов результаты контроля могут быть получены за один такт, а измерения - за число тактов, равное выбранному количеству делений шкалы.

Систему можно существенно упростить, если оставить по одному устройству сравнения в каждом канале и использовать режим последовательного сравнения контролируемых величин с уставками.

В некоторых случаях, например при приближении контролируемых величин к опасной зоне, полезно изменять образцовую величину несколько шире заданной зоны, для того чтобы выявить контролируемые величины, которые находятся вблизи от границ зоны. При необходимости можно подсчитать количество контролируемых величин, вошедших по своим размерам в исследуемую зону.

) Режимы спорадического контроля (рисунок 4.5). В большинстве систем контроля оператор имеет возможность наблюдать одновременно за состоянием контролируемых величин по результатам допускового контроля, отражаемым на панели сигнализации, мнемосхеме или на экране дисплея. Однако такое представление о состоянии контролируемых величин недостаточно для того, чтоб судить о степени их близости к интересующему оператора состоянию. Для прогнозирования последующего состояния объекта ИМЛИ принятия решения по управлению оператор вынужден использовать результаты измерений, обычно выполняемых периодически, по вызову или при отклонении величин от нормального состояния. Несмотря на меры, применяемые в системе контроля для облегчения обзора результатов измерения, оператор должен затрачивать определенное время на восприятие результатов измерения контролируемых величин.

Рисунок 4.5 - Структурная схема системы спорадического контроля.

В отличие от остальных контрольно-измерительных систем с неизменяющимися в процессе контроля уставками в режиме спорадического контроля оценку размера всех контролируемых величин предлагается производить одновременно, изменяя единую компенсирующую величину, уставку или запрашивающее воздействие. Это изменение компенсирующей величины оператор производит по своему усмотрению, от случая к случаю, - спорадически, единично.

Анализ работы человека-оператора показал, что при спорадическом представлении информации в 2-5 раз уменьшается время оценки ситуации и в несколько раз - число ошибок по сравнению с традиционным представлением информации на цифровых индикаторах.

4.6 Системы контроля параллельно-последовательного действия

Параллельно-последовательные алгоритмы допускового контроля могут быть реализованы, во-первых, в системах контроля, создающихся потребителями для конкретных целей из соответствующих функциональных блоков и устройств их сопряжения (локальные системы контроля - ЛСК), и, во-вторых, в универсальных системах из выпускаемых промышленностью функциональных блоков (управляющие вычислительные машины - УВМ и комплексы - УВК).

Рисунок 4.6 - Структурная схема УВМ.

Соединение функциональных блоков в ЛСК может быть осуществлено с помощью стандартных цифровых интерфейсов, а функции канала контроля и управление системой могут выполняться с помощью специализированных устройств, микропроцессорных наборов или ЭВМ.

Под УВМ понимается законченная цельная часть системы, а под комплексом - та же часть системы, полученная соединением отдельных функциональных блоков, состав которой может быть при необходимости изменен или дополнен.

Рисунок 4.7 - Структурная схема УВК.

Выводы

. Анализ традиционных методов контроля позволяет обосновать выбор следующих режимов контроля:

а. спорадический - информация о состоянии объекта передается в случае равенства или превышении контролируемым параметром допусковой зоны, таким образом, данный подход исключает информационную избыточность, т.к. передается только семантическая информация.

б. циклический - поочередный опрос объектов контроля с целью оценки состояния системы (локомотив) в целом, инициируется таймером центрально-диспетчерского пункта.

. Описываемые методы контроля основаны на сравнении контролируемой величины с эталоном. Такая процедура приведет к появлению систематических ошибок, в связи с этим в работе предлагается использовать безэталонный метод контроля, когда контролируемый параметры физически однородны и позволяют сравнивать их между собой с целью диагностики параметра, имеющего наиболее экстремальное значение.

5. Разработка безэталонного способа контроля

Поскольку исследуемая среда отображается физически однородными контролируемыми параметрами, возникает идея безэталонного контроля, заключающаяся в сравнении электрических сигналов, отражающих значения параметров, между собой и в представлении их в виде упорядоченного ряда.

Известен алгоритм безэталонной классификации значений случайных величин [10], в котором осуществляется формирование упорядоченной выборки, при этом сравниваемые величины должны иметь одинаковые средние параметры и известную плотность распределения. Однако отсутствие априорной информации о значении плотности вероятности случайных величин ограничивает применение этого алгоритма на начальных этапах испытаний подвижной единицы, и этот алгоритм может быть успешно использован только после верификации статистической модели исследуемого объекта.

В процессе испытаний состояния исследуемой среды отображаются п физически однородными параметрами, в качестве которых могут быть температурные значения букс. Интенсивности импульсных последовательностей на выходе источников информации первого рода являются функцией изменения значения напряженности контролируемого фрагмента конструкции и подаются на вход автоматизированной системы контроля (АСК).

В каждом поступившем импульсном потоке одновременно за фиксированный интервал времени измеряют интенсивности следования импульсов, сравнивают их между собой и контролируют тот параметр, импульсная информационная последовательность которого имеет экстремальное значение интенсивности. В случае равенства интенсивностей у двух и более импульсных последовательностей контролируют тот параметр, который среди них имеет наибольший наперед заданный приоритет, на последующих интервалах времени измеряют и сравнивают интенсивности только тех импульсных последовательностей, параметры которых еще не контролировались.

При таком способе обработки измерительной информации осуществляется параллельный съем данных, а контролю ЦСК подлежит только один параметр, выбираемый из п параметров по детерминированному закону, согласно которому последовательность контроля параметров является монотонно возрастающей функцией абсолютной величины отклонения параметра от допуска.

Предлагаемый метод в отличие от известных позволяет за цикл контроля последовательно согласно отклонениям проконтролировать все параметры. При этом последовательность контроля параметров определяется процедурой, адаптивной к динамическому состоянию подвижной единицы. Кроме того, во избежание «старения» информации во время обслуживания параметра с экстремальным значением измеряют интенсивности импульсных последовательностей еще не контролировавшихся параметров.

.1 Адаптация математического аппарата

товарный вагон контроль качество

Очевидно, что основной и наиболее трудоемкой операцией в безэталонном методе контроля является упорядочивание значений контролируемых параметров, представленных интенсивностями λi () следования импульсов в импульсной последовательности от i-го источника информации первого рода. Поэтому метод предлагается реализовать на основе аппарата порядковой логики и порядковой статистики [21]. Элементарными понятиями порядковой логики служат понятия квазиматрицы и ее логического определителя, которые аналогичны обычной матрице и определителю для линейных систем.

Следуя обозначениям [10], обозначим через аi интенсивность импульсного потока от i-го датчика, т.е. примем, что λi = аi , тогда квазиматрица q-го порядка записывается в виде

 (1)

Квазиматрица (1) отличается от обычной прямоугольной матрицы неодинаковым числом элементов в различных строках и обязательной упорядоченностью элементов в каждой строке согласно условию ai1 ≤ аi2 ≤…≤ , . Будем обозначать через а(r) - r-й порядковый элемент в упорядоченном ряду. Запись исходных данных в виде матрицы (1) означает, что элементы в строках уже упорядочены и возникающие в дальнейшем задачи связаны с взаимным упорядочиванием элементов различных строк. В частном случае, когда все элементы не упорядочены, (1) принимает вид квазиматрицы-столбца

 (2)

В другом частном случае, когда все элементы упорядочены, матричная запись принимает вид квазиматрицы-строки, т.е.

 (3)

Логическим определителем r-го ранга от квазиматрицы  называется функция от aij, значение которой для каждого набора значений аргументов aij равно соответствующему значению а(r). Таким образом, логический определитель г-го ранга выделяет r-й по величине элемент исходной квазиматрицы Аq. Его порядок по определению тот же, что и у квазиматрицы Aq:

 (4)

Согласно (2) и (3) определяют соответствующие им определитель-столбец и определитель-строку:

 (5)

Раскрыть логический определитель - значит указать порядковую функцию, выражающую его величину через величины элементов. Раскрыть логический определитель-столбец r-го ранга с п элементами можно в дизъюнктивной нормальной форме бесконечнозначной логики по формуле

 (6)

либо в конъюнктивной нормальной форме по формуле

 (7)

В результате раскрытия логического определителя получают упорядоченный ряд значений: а(1)≤а(2)≤…≤а(n), где а(1),…, а(n) - упорядоченные элементы.

Достоинством такой процедуры упорядочивания служит высокое быстродействие, так как сравнение элементов производится одновременно. Однако существенным недостатком является то, что сравнение значений интенсивностей производится в аналоговой форме, что потребует аналоговых дизъюнкторов и конъюнкторов. Это приведет к необходимости использования особой элементной базы и, как следствие, узкоспециализированной реализации, требующей термостабилизации. Но основной недостаток заключается в потере адресности i-го () датчика в упорядоченном ряду интенсивностей импульсных последовательностей.

Одним из способов решения указанных проблем может быть применение пороговых операторов типа

,

что позволит представить состояние контролируемого объекта кодовой последовательностью с числом элементов, равным числу сочетаний Сn2. Однако и в этом случае имеются недостатки - очевидны рост аппаратных затрат и трудности декодирования и классификации состояния контролируемого объекта.

Эффективным решением указанной задачи является реализация процесса упорядочивания в цифровой форме. Таким образом, необходимо среди п последовательностей выбрать и подключить к ЦСК объект, импульсная информационная последовательность которого характеризуется экстремальным значением интенсивности. Для сравнения сигналов от датчиков и определения параметра с экстремальным (максимальным) значением интенсивности импульсной последовательности на основе математического аппарата порядковой логики полученные п интенсивностей λi импульсных последовательностей рассматривают как неупорядоченное множество чисел An = {λ1,..., λn}. Среди них требуется найти r-й по порядку элемент λ(r) множества An (минимальный - λ(n), максимальный - λ(1)). Неупорядоченное множество чисел An можно записать согласно (2) в виде квазиматрицы-столбца

Тогда элемент λ(r) численно равен определителю-столбцу r-го ранга от квазиматриц:

λ (r) = А(пr),        (9)

где

Раскрыв этот определитель по (6) или (7), получим порядковую логическую функцию fr(An) = λ(r), выражающую искомый элемент λi через все элементы λ1,..., λп множества An. Если учесть, что интенсивности λi импульсных последовательностей представлены m-разрядным двоичным кодом, то определение максимального элемента выражают операцией вычисления логического определителя вида

,

где λi = [],- значение интенсивности i-й импульсной последовательности, представленное в m-разрядном двоичном коде; ,  - j-й разрядный коэффициент λi.

Способ раскрытия логического определителя (10) для вычисления максимального элемента λ(1) в дизъюнктивной нормальной форме состоит в определении на первом этапе максимального разрядного коэффициента  m-го разряда путем логического сложения элементов m-го столбца матрицы:

 (11)

затем осуществляют определение столбца адресно-разрядных коэффициентов m-го разряда:

 (12)

где  - инвертированное значение ;  - адресно-разрядный коэффициент m-го разряда i-й кодовой комбинации, .

Далее на каждом j-м этапе производят рекурсивное вычисление соответственно разрядных коэффициентов  и адресно-разрядных коэффициентов Zj от старших разрядов к младшим согласно следующим правилам:

 (13)

 (14)

На т-м последнем этапе получают экстремальное значение интенсивности импульсной последовательности, представленное в m-разрядном двоичном коде,

и столбец адресно-разрядных коэффициентов первого разряда

 (16)

Столбец (16) может содержать один или несколько единичных элементов, соответствующих параметрам с экстремальным значением интенсивности импульсной последовательности. При наличии одного единичного элемента применение к (16) функции кодирования позволяет получить адрес канала с максимальной интенсивностью импульсной последовательности. Наличие нескольких единичных элементов свидетельствует о том, что имеется несколько каналов с одинаковой экстремальной интенсивностью, и в данном случае необходим выбор того объекта, которому присвоен больший заранее заданный приоритет, например, по возрастанию порядкового номера параметра.

В общем случае операция кодирования имеет вид

(i) = FCD(Z1),      (17)

где FCD - операция формирования адреса i-го параметра с учетом заранее заданного приоритета по обслуживанию объектов контроля, позволяя получить адрес параметра с экстремальным значением интенсивности λext.

Итак, зафиксировав две и более импульсные последовательности с равной интенсивностью, в этом случае контролируют тот фрагмент фюзеляжа, который имеет среди них наибольший заранее заданный приоритет, например, по возрастанию порядкового номера параметра.

Пусть к ЦСК подключен j-й параметр и производят обработку отображающей его импульсной информационной последовательности. В течение этого времени измеряют интенсивности (число импульсов в единицу времени) в каждых из (n - 1) импульсных информационных последовательностях, производят сравнение измеренных интенсивностей с целью определения импульсной последовательности с экстремальной (максимальной) интенсивностью. Пусть такой интенсивностью обладает информационная импульсная последовательность i-го параметра. Информационная импульсная последовательность j-го параметра, который в это время контролируется ЦСК, описанные операции не проходит. По окончании контроля j-го параметра ЦСК формирует сигнал окончания контроля, отключает j-й параметр от ЦСК и подключает i-й параметр к ЦСК для последующего контроля. За это время вновь производят измерение интенсивностей (п - 2) информационных последовательностей, сравнивают их значения между собой и определяют последовательность с максимальной интенсивностью. Импульсные последовательности i-х и j-х параметров эти операции не проходят до окончания полного цикла контроля всех параметров. Далее процесс контроля аналогичен вышеописанному и продолжается до окончания контроля последнего n-го параметра.

Таким образом, автоматизированная система, реализующая предлагаемый способ контроля состояния подвижной единицы, в каждый момент времени фиксирует (с указанием адреса топологического участка контролируемого узла вагона) параметр с максимальным значением интенсивности импульсной последовательности. Последовательное выделение параметров с экстремальным значением приводит к формированию упорядоченного ряда, отражающего градиент распределения отклонения параметров.

Итак, каждому фиксированному значению будет соответствовать упорядоченный ряд значений контролируемых параметров, причем число таких рядов определяется объемом и длительностью испытаний. Своевременное регулирование, например, параметров матрицы галогеновых ламп при теплопрочностных испытаниях позволяет избежать перегрузок и разрушения испытуемой конструкции. При вибрационных же испытаниях упорядоченный по убыванию ряд выявляет основные источники повышенной вибрации, которые целесообразно устранять в соответствующем порядке.

5.2 Экспресс-анализ измерительной информации при натурных испытаниях (информационное обеспечение экспериментальных исследований)

По окончании одного цикла контроля после регулирования всех п параметров осуществляют построение упорядоченного ряда значений интенсивностей

,  (18)

где  - значение интенсивности импульсной последовательности, r-е (r= ) по величине в упорядоченном ряду и соответствующее i-му (i=) параметру.

По виду ряда (18) и его характеристикам можно произвести оценку состояния всего комплекса из п контролируемых параметров и, таким образом, сформировать профиль вагона по нагреву букс, силе удара колеса о рельс или уровню спектра. Основными характеристиками упорядоченного ряда служат:

размах

δ = λ(1) - λ(m), (19)

математическое ожидание

 (20)

и дисперсия

 (21)

Как известно, размах является быстро вычислимой оценкой упорядоченного ряда определения отклонения, математическое ожидание дает среднее значение интенсивностей импульсных последовательностей, а дисперсия - их разброс.

По истечении определенного времени контроля

, (22)

где s - , l ≥ п,l - число циклов контроля; Тks - время, затраченное на s-й цикл контроля, когда можно сформировать l упорядоченных рядов, аналогичных (18). Этот, статистический материал используют для построения статистических моделей п контролируемых параметров, по совокупности которых производят оценку и прогнозирование состояния подвижной единицы.

С этой целью формируют матрицу упорядоченных значений интенсивностей импульсных информационных последовательностей размерности (lxп) следующего вида:

 (23)

где  - значение интенсивности импульсной последовательности, соответствующее i-му параметру и r-е по величине в упорядоченном ряду, полученном в результате s-ro (s = ) цикла контроля; r =; i =.

По матрице (23) вычисляют путем прямого подсчета для каждого i-го объекта количество попаданий значения интенсивности импульсной последовательности на r-е место в упорядоченном ряду (в r-й столбец в матрице), в результате чего можно записать матрицу вида

 (24)

интенсивности i-й импульсной последовательности на r-е место.

Затем вычисляют частоты попадания значения интенсивности i-й импульсной последовательности на r-е место в упорядоченном ряду. Для этого определяют частоту попадания значения интенсивности i-й импульсной последовательности на r-е место в упорядоченном ряду как отношение числа ki(r) размещений значений интенсивностей в r-м столбце всех l упорядоченных строк матрицы к общему числу строк l:

 (25)

Полученные значения удобно записать в виде следующей матрицы частот:

в которой каждая строка представляет собой статистическую модель i-го объекта, обычно отображаемую в виде эмпирической гистограммы плотности распределений частот (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Эмпирическая гистограмма плотности распределения частот интенсивности импульсной последовательности для i-го параметра.

По данным матрицы (26) можно получить семейство п подобных эмпирических гистограмм, каждую из которых затем идентифицируют стандартным законом распределения F(λi). Чтобы отнести эмпирическую функцию распределения к одному из известных законов распределения, необходимо для каждой из некоторого набора теоретической функции распределения получить значения теоретических вероятностей Рr(λi) и определить меру расхождения между теоретическим и полученным эмпирическим распределениями по одному из критериев согласия, например, по критерию χ2 Пирсона

 (27)

Вычисленные аналогичным образом значения статистики χ2 для различных стандартных теоретических законов распределения сравнивают между собой. По минимуму значения критерия согласия выявляют стандартное распределение, наиболее адекватно описывающее полученное эмпирическое распределение, и принимают его в качестве статистической модели объекта F(λi).

Для формирования статистической модели каждого i-го параметра получают уточняющие характеристики в виде оценок математического ожидания М[λi] и дисперсии D[λi]:

 (28)

Результаты l циклов контроля позволяют произвести оценку и прогнозирование состояния фюзеляжа ЛA по п параметрам на определенном интервале времени. Для этого осуществляют вычисление по полученным статистическим моделям F(λi) вероятностей принятия контролируемыми параметрами объектов экстремальных значений и затем строят порядковую статистическую модель, представляющую собой упорядоченный ряд вида

       (29)

где - вероятность принятия i-м контролируемым параметром экстремального значения.

Таким образом, полученные статистические модели контролируемых параметров в виде идентифицированных законов распределений могут быть использованы как типовые шаблоны для представления профиля подвижной единицы по тепло-прочностному и вибрационному состояниям. Экстремальные значения упорядоченных рядов вида (29) позволяют определять наиболее аварийные участки ходовой части вагона и проводить мероприятия по ремонту аварийных элементов, либо заменить их на новые. Кроме того, использование карты топологического расположения источников информации первого рода и значений соответствующих контролируемых параметров, представленных в виде упорядоченных рядов, позволяет выявлять градиентные значения и строить эквипотенциальные линии теплового, механического и вибрационного нагружений исследуемого образца, а совокупность упорядоченных значений контролируемых параметров за определенный интервал времени отражает динамику поведения ходовой части подвижной единицы.

6. Проектирование локально-вычислительной сети разрабатываемой системы контроля

.1 Обзор существующих беспроводных сетей передачи информации (БСПИ)

Различных спецификаций стандартов беспроводных сетей семейства 802.1x существует великое множество (для обозначения одних только разновидностей стандарта 802.11 используются практически все буквы английского алфавита). Тем не менее, все они подразделяются на четыре большие категории WPAN, WLAN, WMAN, WWAN (рисунок 6.1) [12].

Рисунок 6.1 - Классификация БСПИ по географической протяженности.

Проведем краткий обзор существующих беспроводных сетей передачи информации (БСПИ) и выберем стандарт(ы), удовлетворяющие требованиям ТЗ и способные решить поставленную задачу. Для проектировки ЛВС вагона, а затем и состава, необходимо рассмотреть технологии как персональных (WPAN), так и локальных (WLAN) беспроводных сетей и сделать вывод о целесообразности применения той или иной иерархии разрабатываемой системы контроля.

.1.1 Стандарты Bluetooth и HomeRF- это название созданной в марте 1998 года группы производителей компьютерного и бытового оборудования (Home Radio Frequency Working Group). Как следует из названия, стандарт HomeRF задумывался как беспроводная домашняя СПИ, аналог известной проводной Ethernet-подобной сети HomePNA (Home Phone Line Networking Alliance), в качестве носителя использовавшей уже проложенную телефонную линию. Для нормальной работы сети HomeRF необходим host-компьютер (или устройство, выполняющее его функции).

Идеология Bluetooth иная это универсальный радиоинтерфейс, связывающий друг с другом самые разные устройства и не требующий дорогой аппаратной поддержки. Рынок такого рода приложений пока во много раз превосходит рынок действительно сетевых устройств. Возможно, именно поэтому прекрасно проработанный для применения именно для сетевых задач стандарт HomeRF пока не нашел массового применения. С одной стороны его вытесняют простейшие Bluetooth-устройства, с другой - системы стандарта IEEE 802.11, которые за последние пять лет существенно подешевели, лишив тем самым HomeRF основного перед ними преимущества - низкой стоимости. Поэтому более детально рассмотрим именно стандарт Bluetooth.

Основные характеристики технологий Bluetooth и HomeRF приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

* Возможно, до 10.

Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием. Радиообмен происходит в полосе частот 2400-2483,5 МГц (в США и ряде других стран - безлицензионный диапазон). В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying).

Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам (табл. 2.2). Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мке, причем каждому сегменту соответствует определенная несущая (подканал). Передатчик «перескакивает» с несущей на несущую синхронно с приемником в последовательности, определяемой номером канала. За секунду может происходить до 1600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Последняя обусловлена тем, что если переданный по какому-либо подканалу пакет не был принят, то приемник сообщает об этом, и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.

Протокол Bluetooth поддерживает соединения типа точка-точка и точка-многоточка. Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet). Одно из устройств работает как основное (master), а остальные - как подчиненные (slaves). В одной пикосети может быть до семи активных подчиненных устройств, при этом остальные подчиненные устройства находятся в состоянии «парковки», оставаясь синхронизированными с основным устройством. Взаимодействующие пикосети образуют «распределенную сеть» (scatternet).

В каждой пикосети действует только одно основное устройство, однако подчиненные устройства могут входить в различные пикосети. Кроме того, основное устройство одной пикосети может являться подчиненным в другой (рисунок 6.2). Пикосети не синхронизированы друг с другом по времени и частоте каждая из них использует свою последовательность частотных скачков. В одной же пикосети все устройства синхронизированы по времени и частотам. Псевдослучайная последовательность скачков уникальна для каждой пикосети и определяется адресом ее основного устройства. Длина цикла псевдослучайной последовательности - 227 элементов.

Рисунок 6.2 - Пикосеть с одним подчиненным устройством (а), несколькими (б) и распределенная сеть (в).

Протоколы верхних уровней, как правило, реализуются программно. Основные протоколы взаимодействия, входящие в Bluetooth рассмотрены на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 - Стек протоколов Bluetooth.

• протокол управления соединением (Link manager protocol). Используется для установления связи, управления и защиты информации;

• протокол управления логическим соединением и адаптации (Logical link control and adaptation protocol L2CAP). Обеспечивает мультиплексирование, сегментацию и перекомпоновку пакетов;

• протокол определения служб (SDP). Позволяет идентифицировать тип и характеристики взаимодействующего устройства;

• протокол RFCOMM. Основан на стандарте ETSI TS 07.10, поддерживает интерфейс RS-232, обеспечивая эмуляцию последовательного порта;

• протокол управления телефонией (TCS). Служит для организации соединения между устройствами для передачи голоса и данных;

• протокол обмена объектов OBEX. Является основой для работы различных пользовательских приложений через канал Bluetooth (например, электронной почты). Он же обеспечивает совместное использование Bluetooth и других коммуникационных интерфейсов, например IrDA (Infrared Data Association).

Одно из необходимых условий успеха такой технологии, как Bluetooth, - недорогая программно-аппаратная реализация. В структуру устройств Bluetooth входят радиомодуль-трансивер, контроллер связи (baseband-процессор) и управляющее связью устройство, собственно реализующее протоколы Bluetooth верхних уровней, а также интерфейс с терминальным устройством. Причем если трансивер и контроллер связи (в первых чипсетах для Bluetooth) - это специализированные микросхемы (интегральные или гибридные), то устройство управления связью реализуют на стандартных микроконтроллерах, сигнальных процессорах либо его функции поддерживают центральные процессоры мощных терминальных устройств (например, ноутбуков). Кроме того, в устройствах Bluetooth применяют интегральные схемы (ИС), используемые в других приложениях, поскольку диапазон 2 МГц освоен достаточно хорошо, а заложенные в Bluetooth технические решения сами по себе особой новизны не содержат (схема модуляции - широко распространена, технология расширения спектра методом частотных скачков хорошо отработана, мощность мала).

Завершая рассмотрение стандарта Bluetooth, выделим основные особенности:

Говоря о технологии Bluetooth, стоит подчеркнуть ее интеграцию с Интернетом, что может стать качественно новым этапом в развитии всемирной сетевой инфраструктуры. Причина этого - в совокупности достоинств технологии, главные из которых:

• небольшой радиус действия, что означает относительно малую мощность передатчика и низкую потребляемую мощность (от 1 до 100 мВт в зависимости от класса устройства и радиуса действия);

• высокая устойчивость к интермодуляционным помехам и отсутствие влияния устройств Bluetooth на обычную бытовую электронику;

• низкая стоимость.

.1.2 Высокоскоростные персональные сети стандарта IEEE 802.15.3(3а)

Стандарт IEEE 802.15.3 описывает работу малой БСПИ - пикосети (piconet). Пикосеть в стандарте IEEE 802.15.3 это так называемая ad hoc - система, в которой несколько независимых устройств могут непосредственно взаимодействовать друг с другом. Радиус зоны действия одной пикосети, как правило, не превышает 10 м. Основные требования к ней высокая скорость передачи данных, простая инфраструктура, легкость установления соединения и вхождении в сеть, наличие средств защиты данных и предоставление для определенных типов данных соединения с гарантированными параметрами передачи (гарантия качества обслуживания, QoS).

Пикосеть (рисунок 6.5) может объединять несколько устройств, одно из которых выполняет функции управления (координатор пикосети - piconet coordinator, PNC). Стандарт также предусматривает возможность формирования так называемых дочерних пикосетей и описывает взаимодействие между независимыми соседними пикосетями.

Рисунок 6.5 - Структура пикосети IEЕЕ 802.15.3.

В пикосети возможен обмен как асинхронными, так и изохронными (потоковыми) данными. К последним относятся, например, звук и видео. Весь информационный обмен в пикосети основан на последовательности суперкадров (superframe - терминология стандартов IEEE 802.15). Каждый суперкадр (рис. 2.14) включает управляющий сегмент (beacon), интервал конкурентного доступа (contention access period - САР) и набор временных интервалов (каналов), назначенных определенным устройствам. PCN определяет границы всех интервалов и распределяет каналы между устройствами.

Рисунок 6.6 - Структура суперкадров физического уровня сети IEEE 802.15.3.

Во время САР доступ к каналу предоставляется на основе механизма контроля несущей с предотвращением коллизий - CSMA/CA (как и в стандарте IEEE 802.11), т.е. кто первый успел занять канал, тот и работает. В этот период передаются команды или асинхронные данные.

Канальные интервалы (СТА) координатор пикосети назначает каждому устройству или группе устройств по предварительному запросу с их стороны. В управляющем сегменте задается момент начала и длительность каждого СТА. Назначение канального интервала для какого-либо устройства означает, что никто другой в этот момент не может работать на передачу. СТА могут динамически распределяться в суперкадре (для асинхронных и изохронных данных) или быть фиксированными (только для изохронных данных).

Скорость 22 Мбит/с является базовой, ее обязаны поддерживать все устройства IEEE 802.15.3. При работе на этой скорости данные не кодируются. В остальных случаях данные перед формированием модуляционных символов кодируются посредством сверточного кодера с трехразрядным сдвиговым регистром (так называемая модуляция посредством решетчатого кода с восемью состояниями). При этом в кодере к исходному набору из 1/3/4/5 бит (при QPSK/16-QAM/32-QAM/64-QAM) добавляется кодовый бит с выхода трехразрядного сдвигового регистра.

Стандарт IEEE 802.15.3 требует, чтобы устройства могли работать в любом из пяти возможных частотных каналов (таблица 6.2). Причем предусматривается два канальных плана - режим высокой плотности (четыре канала в допустимом диапазоне) и режим совместимости с сетью стандарта IEEE 802.11b (три разрешенных канала). Это означает, что каждое устройство перед началом работы сканирует диапазон, находит свободные каналы, определяет наличие работающей сети 802.11b.

Таблица 6.2

В 2002 году образовалась исследовательская группа Tg3a, в которую вошли представители практически всех крупнейших полупроводниковых и телекоммуникационных фирм. Вскоре появились два конкурирующих предложения по технологии СIIIП-передачи - на основе ортогональных кодов (так называемый мультиполосный множественный доступ посредством ортогональных несущих, MB-OFDM) и путем расширения спектра сигнала методом прямой последовательности (DS-UWB).

Суть технологии MB-OFDM состоит в том, что весь разрешенный диапазон делится на полосы шириной 528 МГц. В стандартном режиме предусмотрено три полосы, в расширенном - семь. Каждая полоса, в свою очередь, делится на 128 поднесущих частот с шагом 4,125 МГц. Из них используется 122: 100 для модуляции данных, 12 поднесущих - пилотные и еще 10 - защитные. Каждая поднесущая модулируется посредством QPSK. Один OFDM-символ содержит 100 или 200 кодированных бит (100 в случае, когда одинаково модулируются две поднесущие, симметричные относительно центральной). Период следования символов - 312,5 нс. До сих пор все соответствует обычной OFDM. Мультиполосность означает, что последующий символ может передаваться в иной частотной полосе по жестко определенной схеме для каждого логического канала.

Обмен информацией происходит кадрами (пакетами). Кадр состоит из преамбулы (набора синхронизирующих последовательностей), заголовка (управляющая информация) и поля данных. Преамбула и заголовок всегда транслируются с наименьшей из возможных скоростей - 55 Мбит/с. Четыре логических канала подразумевают, что в непосредственной близости могут работать, по крайней мере, четыре пикосети. Для этого каждому логическому каналу соответствует уникальный вид синхропоследовательности в преамбуле.

Таким образом, предлагается комбинация OFDM и известного механизма частотных скачков (FH). В результате, в зависимости от скорости кодирования и числа повторов символов и формируется спектр скоростей от 55 до 480 Мбит/с. Изменяя вид модуляции, можно достичь и больших скоростей. Так, применение 16-QAM при той же схеме кодирования даст уже 480*2 = 960 кбит/с. Другой путь заключается в использовании для передачи одновременно трех диапазонов тогда при QPSK и скорости сверточного кодирования 3/4 достигается спорость 480*3 = 1440 Мбит/с.

Сторонники технологии DS-UWB предлагают для расширения спектра классический метод прямой последовательности. При этом каждый бит заменяется специальной кодовой последовательностью длиной до 24 бит. Предусмотрено два вида модуляции - двоичная фазовая BPSK (один бит на символ) и так называемая 4ВОК-модуляция (модуляция на основе четырех ортогональных двоичных кодов). Известный вариант ВОК-метод ССК, основной вид модуляции в стандарте IEEE 802.11b). 4ВОК фактически вариант квадратурной модуляции, один 4ВОК-символ содержи 2 бита.

Весь диапазон вещания разбит на две зоны: 3,1-4,85 ГГц (нижний диапазон) и от 6,9 до 9,7 ГГц (верхний диапазон). В каждом диапазоне предусмотрено но шесть каналов пикосети (с шагом 39 МГц в нижнем диапазоне начиная с 3900 МГц и с шагом 78 МГц - в верхнем начиная с 7800 ГГц). Только четыре канала нижнего диапазона с центральными частотами 3939,3978,4017 и 4056 МГц считаются обязательными для поддержки каждым устройством, остальные каналы дополнительные. Частота следования модуляционных символов в каждом канале равна 1/3 его центральной частоты. В зависимости от скорости предварительного кодирования, вида модуляции и длины кодовой последовательности скорость передачи данных может составить 28, 55, 110, 220, 500, 660, 1000 и 1320 Мбит/с.Semiconductor, дочерняя компания фирмы Motorola, недавно выпустила чипсет XS110 из трех микросхем трансивера с ВЧ-трактом, baseband-процессора (коммуникационный процессор, выполняющий все преобразования физического уровня, включая ЦАП/АЦП) и МАС-контроллера. Максимальная скорость, обеспечиваемая модемом на основе этого чипсета, - 114 Мбит/с (т.е. речь идет о версии стандарта на основе технологии DS-UWB). Энергия, потребляемая чипсетом, - 750 мВт, напряжение питания 3,3 В. Общая мощность излучения в полосе частот 3,1 10,6 ГГц - менее 1 мВт. Микросхемы изготовлены на основе 0,18-мкм КМОП- и SiGe-технологии.

Подводя итог, выделим отличительные особенности стандарта 802.15.3(3а):

·   высокая скорость передачи данных (до 1400 Мбит/с),

·   свободное взаимодействие устройств внутри пикосети (простая инфраструктура),

·   небольшой радиус зоны действия одной пикосети,

·        легкость установки соединения,

·        наличие средств защиты,

·        относительно большое энергопотребление чипсета (750 мВт)

.1.3 Низкоскоростные сети стандарта IEEE 802.15.4 (ZigBee)

Стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee) предусматривает работу в трех диапазонах: один канал 868,0-868,6 МГц (для Европы), 10 каналов в диапазоне 902-928 МГц (шаг центральных частот 2 МГц, самая нижняя из них - 906 МГц) и 16 каналов в диапазоне 2400-2483,5 МГц (шаг центральных частот 5 МГц, самая нижняя из них - 2405 МГц) (таблица 6.3).

В радиоканале использован метод широкополосной передачи с расширением спектра прямой последовательностью (DSSS).

В диапазоне 2450 МГц поток немодулированных данных разбивается на группы по четыре бита. Каждая группа заменяется одной из 16 квазиортогональных последовательностей длиной 32 бита (чипа). Модуляция данных - квадратурная фазовая (QPSK). Четные чипы квазиортогональной последовательности (начиная с нулевого) модулируют синфазный (I) канал, нечетные - квадратурный (Q) канал. В результате последовательность в квадратурном канале смещена относительно синфазного на период одного чипа, поэтому модуляция называется Offset-QPSK (QPSK со сдвигом). Длительность импульса после квадратурного модулятора вдвое больше, чем длительность одного чипа (форма импульса половина периода синусоиды с частотой, вдвое меньшей частоты чипов).

В диапазоне 868/915 МГц поток данных подвергается дифференциальному кодированию по схеме , . Здесь  и  - биты до и после кодирования соответственно. Далее происходит замена каждого бита расширяющей последовательностью длиной 15 бит («1» заменяется на , «0» - на инверсную последовательность ). Далее преобразованный поток данных передастся в радиоканал посредством двухпозиционной фазовой модуляции (BPSK). Форма импульса при этом соответствует так называемому приподнятому косинусу, в данном случае - функции вида , где , .

Протоколы ZigBee, разработанные с учетом максимального энергосбережения, позволяют своим устройствам находиться в спящем режиме основную часть времени. Только изредка, на долю секунды, им достаточно включать приемник и проверять - не обращается ли к ним кто-нибудь. Продолжительность "сна" между такими включениями может достигать минут и даже часов. При этом стандарт позволяет соединять устройства, чувствительные к задержкам связи - беспроводные джойстики, геймпады для игровых приставок и т. д.

Сеть стандарта IEEE 802.15.4 содержит два типа устройств - так называемые полнофункциональные (FFD) и устройства с уменьшенной функциональностью (RFD). Их основное отличие: FFD могут устанавливать соединения с любыми устройствами, RFD - только с FFD. В каждой пикосети (PAN) должно быть устройство - координатор PAN. Его функции может выполнять только FFD.

Сеть, состоящая из одного FFD и нескольких RFD, образует топологию типа «звезда». Если в сети FFD несколько, топология может быть более сложной - типа одноранговой сети (сети равноправных устройств, peer-to-peer) «каждый с каждым» (рисунок 6.7) или объединение нескольких звездообразных кластеров (рисунок 6.8). Но в любом случае одно из FFD выполняет функцию координатора сети. Каждому устройству сети присваивается 64-разрядный адрес. Отметим, что стандарт предусматривает взаимодействие устройств не только в рамках одной PAN, но и между различными соседними PAN (для чего и нужна развитая система адресации). Для упрощения обмена внутри сети координатор PAN может присвоить устройствам более короткие 16-разрядные адреса. В этом случае для межсетевого взаимодействия используются 16-разрядные идентификаторы сетей, также назначаемые координатором. Отличительной особенностью ZigBee-сетей является способность к "саморемонту" при отключении отдельных узлов (например, когда батарейки сели).

Рисунок 6.7 - Топология сети IEEE 802.15.4 типа «звезда» и «равный с равным»

Информационный обмен в пикосети происходит посредством последовательности суперфреймов. В общем случае суперфрейм включает управляющий интервал (beacon), за ним следует интервал конкурентного доступа (САР) в соответствии с механизмом CSMA/CA и период назначенного доступа. Последний содержит набор временных интервалов, назначенных определенным устройствам, чувствительным к задержкам, для передачи данных (гарантированные тайм-слоты, GTS), например для связи беспроводного манипулятора «мышь» с компьютером. Управляющий интервал передаст только координатор PAN. Отметим, что в суперфрейме может не быть ни управляющего интервала, ни GTS. В общем, структура суперфреймов аналогична принятой в стандарте IЕЕЕ 802.15.3 (рисунок 6.6).

Каждое устройство передает информацию посредством фреймов (пакетов). Они могут быть четырех типов - управляющие (beacon frame), фреймы данных, фреймы подтверждения приема данных и фреймы команд МАС-уровня. Фреймы физического уровня (рисунок 6.9) содержат заголовок с синхропоследовательностью и информацией о размере фрейма (до 127 байт) и собственно поле данных - пакет МАС-уровня. Последний содержит заголовок со всей необходимой информацией о фрейме (тип, наличие криптозащиты, необходимость подтверждения приема и т. п.), адреса и идентификаторы устройства отправителя и получателя, собственно иоле данных и проверочную контрольную сумму (рисунок 6.10). Сама процедура обмена информацией может использовать пакеты подтверждения приема данных (если потеря пакета критична).

Рисунок 6.8 - Объединение нескольких кластеров в сети IEEE 802.15.4.

Рисунок 6.9 - Структура пакетов физического уровня стандарта IEEE802.15.4

Рисунок 6.10 - Структура пакетов МАС-уровня стандарта IEEE 802.15.4

Разработчики утверждают, что алгоритмически простейшая ZigBee-схема примерно в пятьдесят раз проще стандартного Bluetooth-девайса, а цена ее аппаратной части не превышает 6 долларов. Примерно как средняя мышь.

Для IEEE 802.15.4 (ZigBee) чипсеты производит уже достаточно широкий ряд производителей. Характерен продукт той же компании Freescale Semiconductor - однокристальный модем МС13192 для диапазона 2,4 ГГц (рисунок 6.11). Это - законченное решение беспроводного модема. Устройство содержит интерфейс с микроконтроллером и может применяться во множестве задач.

Рисунок 6.11 - Однокристальный модем MC13192 компании Freescale Semiconductor.

Подводя итог, выделим отличительные особенности стандарта ZigBee:

·   низкая скорость передачи данных (до 250 Кбит/с);

·   средний радиус зоны действия одной пикосети;

·        возможность создания mesh-cетей (до 65000 устройств);

·        низкая стоимость систем вследствие дешевизны составляющих, отсутствие затрат на кабель;

·        работа от одной батарейки в течение нескольких лет;

·        простота процедуры ввода в эксплуатацию;

·        надежность многоячейковой сети, обеспечиваемая возможностью самовосстановления путем поиска запасных путей для передачи данных;

·        масштабируемость за счет увеличения расстояния посредством ввода дополнительных ячеек;

·        возможность шифрования данных;

·        стандартизованный протокол - сеть может использоваться различными приложениями;

·        обеспечение совместимости устройств различных производителей благодаря наличию стандартных профилей.

.1.4 Локальные сети под управлением IEEE 802.11

Первым стал утвержденный 16 сентября 1999 года стандарт IEEE 802.11b. Он описывал физический и МАС-уровни беспроводных сетей для работы в диапазоне 2,4 ГГц. Стандарт определял работу на скоростях 1 и 2 Мбит/с с модуляцией только методом DSSS. Самое же главное - он предусматривал скорости обмена до 11 Мбит/с (а опционально - и до 33 Мбит/с). Передача данных на скоростях 5,5 и 11 Мбит/с происходит посредством модуляции комплементарных кодовых последовательностей ССК (основной вид модуляции). Кроме того, предусматривалась и работа на скоростях 22 и 33 Мбит/с посредством пакетного бинарного сверточного кодирования (РВСС).

Стандарт IEEE 802.11а, описывающий работу в диапазоне 5 ГГц, был принят одновременно с IEEE 802.11b. В нем использован принципиально иной, чем в IEEE 802.11b, механизм модуляции/мультиплексирования, а именно частотное мультиплексирование посредством ортогональных несущих (OFDM). Данный метод, в частности, достаточно хорошо зарекомендовал себя в системах цифрового телевизионного вещания DVB.

В IEEE 802.11а каждый пакет передается посредством 52 ортогональных несущих, каждая с шириной полосы порядка 300 кГц (20 МГц/64). Ширина одного канала 20 МГц. Несущие модулируют посредством BPSK, QPSK, 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В совокупности с различными скоростями кодирования (1/2 и 3/4, для 64-QAM - 2/3 и 3/4) образуется набор скоростей передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. Напомним, скорость кодирования - это отношение числа бит в пакете до и после кодера. Скажем, скорость кодирования равная 1/2 означает, что каждый входной бит после кодирования превращается в два бита.

Диапазон 5,1-5,9 ГГц хорош тем, что там гораздо проще найти широкую полосу для системы связи. В США для безлицензионной работы в этом диапазоне выделены полосы 5,15-5,35 и 5,725-5,825 ГГц - всего 300 МГц по сравнению с 83 МГц в диапазоне 2,4 ГГц. Вместо трех неперекрывающихся каналов в диапазоне 2,4 ГГц для сетей IEEE 802.11b только в нижнем поддиапазоне 5,15-5,35 ГГц имеются восемь неперекрывающихся каналов (рисунок 6.12). Аналогичная ситуация в Европе и в России (однако в нашей стране отсутствуют безлицензионные диапазоны) - в более высокочастотной области места больше. В частности, если в Москве диапазон 2,4 ГГц занят операторами достаточно давно, то область 5 ГГц еще только начинают осваивать, хотя свободных поддиапазонов там уже практически нет.

Рисунок 6.12 - Спектральная маска и распределение неперекрывающихся каналов в диапазоне 5,15-5,35 ГГц для стандарта IEEE 802.11а. Мощность (дБ) определяется относительно пиков функции sin(x)/x.

Кроме того, диапазон 2,4 ГГц перегружен различными системами - тут и беспроводные телефоны, и устройства Bluetooth (IEEE 802.15.1), и многочисленное оборудование стандарта IEEE 802.11b. Взаимных помех избежать тяжело. Сравнительные испытания убедительно показывают, что в одних и тех же условиях устройства IEEE 802.11а по скорости обмена превосходят оборудование IEEE 802.11b (рис. 2.27). И до недавнего времени казалось, что будущее принадлежит сетям стандарта IEEE 802.11а. Однако возник ряд вопросов.

Прежде всего, как быть с уже существующими сетями (и оборудованием) в диапазоне 2,4 ГГц? Как обеспечить столь необходимую всем обратную совместимость? С этой проблемой производители справились, разработав двухдиапазонные чипсеты.

Однако к моменту, когда данные решения стали технологически возможны и читабельны, в Европе был разработан свой стандарт 5 ГГц - HiperLan2. Кроме того, работы по ускорению стандарта IEEE 802.11b в диапазоне 2.4 ГГц пришили к появлению повой версии IEEE 802.11g, предусматривающей скорости до 54 Мбит/с.

Новая спецификация по сути представляет собой перенесение схемы модуляции OFDM, прекрасно зарекомендовавшей себя 802.11а, из диапазона 5 ГГц в область 2,4 ГГц при сохранении возможностей устройств стандарта 802.11b. Это возможно, поскольку в стандартах 802.11 ширина одного канала в диапазоне 2,4 и 5 ГГц схожа 22 МГц по уровню 30 и 20 дБ соответственно. Правда, по уровню -28 дБ маска канала в IEEE 802.11а допускает спектральную волосу шириной 40 МГц, что может создать проблемы, безусловно, преодолимые.

Подводя итог, выделим отличительные особенности стандартов семейства 802.11:

·   высокая скорость передачи данных (до 100 Мбит/с),

·        большой радиус действия (до 460 м при скорости 1 Мбит/с),

·        хорошая помехозащищенность,

·        возможность применения надстроек (для увеличения скорости передачи данных или повышение безопасности передачи данных),

·        высокое энергопотребление чипсетов,

·        простота развертывания.

.1.5 Вывод

В данном разделе было рассмотрено 3 основных стандарта БСПИ, которые по своим пространственным характеристикам могут быть использованы для построение ЛВС разрабатываемой системы контроля. Сведем результаты обзора БСПИ в таблицу и сделаем выводы.

Таблица 6.4

Как видно, из всех рассмотренных технологий, менее всего нам подходят стандарты семейства 802.11 из-за большого энергопотребления чипсетов, что неприемлемо для беспроводной системы контроля. Кроме этого, против использования этого стандарта в промышленных целях выступает относительная дороговизна системы и отсутствие предусмотренных способов расширения сети (кроме усилителей сигнала и направленных антенн).

Другой стандарт БСПИ Bluetooth в целом удовлетворяет требованиям ТЗ, но уже порядком устарел, уступив нишу низкоскоростных сетей контроля стандарту ZigBee.

Таким образом, стандарт ZigBee в наибольшей степени удовлетворяет требованиям ТЗ для построения ЛВС разрабатываемой системы контроля. Кроме того, встроенная поддержка сетей со сложной топологией (таких как ячеистые сети) на уровне стека ZigBee, позволит создавать общую динамическую сеть для всего состава.

Рассмотрим подробнее этот стандарт, а именно структуру стека, чтобы затем перейти к написанию алгоритма и проектированию ЛВС.

.2 Программно-аппаратное обеспечение беспроводной ЛВС системы контроля

.2.1 Архитектура стека ZigBee

Стек протоколов ZigBee построен по принципу иерархической семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.1, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией Альянса ZigBee [1].

Архитектура стека ZigBee/802.15.4 представлена на рисунке 1. Стандарт IEEE 802.15.4 определяет уровень доступа к среде (MAC) и физический уровень передачи данных в среде распространения (PHY), т.е. нижние уровни протокола беспроводной передачи данных [2]. Альянс определяет программные уровни стека ZigBee от уровня канала передачи данных (DLC) до уровня профилей устройств (ZigBee Profiles).

Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов: O-QPSK - квадратичная фазовая манипуляция со смещением для диапазона 2,4 ГГц (16 каналов, 250 Кбит/с), BPSK - двоичная фазовая манипуляция для частот 915 МГц (10 каналов, 40 Кбит/с) и 868 МГц (1 канал, 20 Кбит/с). Уровень PHY осуществляет активацию/ дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала для реализации протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий). Важно понимать, что стандарт 802.15.4 - это физическое радио (микросхема радиоприемопередатчика), a ZigBee - это логическая сеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.

Далее в структуре стека ZigBee следует уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4 MAC (рисунок 6.13). Характеристики MAC уровня:

- 64-битная IEEE адресация, 16-битная адресация внутри локальных сетей (теоретически максимальное количество устройств в сети , организация простых сетей при использовании 16-битной локальной адресации с более чем 65 тыс. (216) устройств). Способы адресации:

идентификаторы: сетевой ID + ID устройства (топология «Звезда»);

идентификатор Отправителя/Получателя (передача между равноправными узлами);

вхождение в сеть/выход из сети, автоматическая/полуавтоматическая организация сети;

формат пакетов сообщений сети ZigBee, максимальная полезная загрузка одного пакета данных составляет 104 байта данных, максимальная длина кадра равна 127 байт;

уровни безопасности:

свободный доступ к сети;

список контроля доступа;

таймеры определения задержек при передаче и актуальность пакетов данных;

шифрование с использованием 128 битного симметричного ключа AES;

механизм доступа в сеть, функции временного разделения и гарантированных временных интервалов, доступ к каналу посредством протокола CSMA-CA;

поддержка сетевых топологий, включая соединения типа «точка - точка», «звезда», многоячейковой и кластерной топологий;

оповещение о поступлении пакета данных, подтверждение приема (АСК), 16 битный контроль ошибок (CRC);

поддержка трех классов устройств;

пакетный/потоковый режимы передачи.

6.2.2 Механизмы доступа в сеть

Оптимизация энергопотребления является приоритетной задачей при построении ZigBee сетей. Одним из решений этой задачи является стратегия связи, основанная на передаче данных только при их поступлении и последующее ожидание подтверждения в случае успешного приема пакета со стороны адресата. При этом каждое устройство может инициировать передачу в любой момент. Очевидным недостатком данного метода является вероятность интерференции при одновременной передаче данных несколькими устройствами. Однако возможность наложения сводится к минимуму благодаря крайне малой длительности активного цикла устройства, случайности момента передачи и, как правило, небольшим объемам передаваемой информации. Надежность соединения повышается за счет использования протокола CSMA-CA.

Стратегия простого множественного доступа применима только к соединениям типа «точка - точка» или «звезда». Она подходит не всем приложениям. Для предотвращения нежелательного взаимодействия возможно использование протокола множественного доступа с временным разделением (TDMA). Технология ZigBee/802.15.4 гарантирует временные интервалы по принципу схожему с технологией TDMA, но использование данного разделения возможно только совместно с режимом синхронизации и временного разделения, что является более сложным и менее энергоэффективным алгоритмом по сравнению с обычным TDMA доступом [].

Временное разделение ZigBee базируется на использовании режима синхронизации, при котором подчиненные сетевые устройства, большую часть времени находящиеся в «спящем» состоянии, периодически «просыпаются» для приема сигнала синхронизации от сетевого координатора, что позволяет устройствам внутри локальной сетевой ячейки знать, в какой момент времени осуществлять передачу данных. Координатор управляет обменом, выделяет каналы и осуществляет вызовы с интервалом от 15 мс до 252 с. Передача сигнальных пакетов определяет пропускную способность, обеспечивает малое время ожидания очереди доступа и выделение 16 временных интервалов одинаковой длительности, на каждом из которых исключены коллизии в сети. Временной интервал доступа для каждого из узлов сети определяется либо координатором, либо посредством механизма CSMA-CA. Интервалы покоя необходимы для реализации энергосберегающих режимов сетевого координатора при работе от автономного источника питания. Недостаток - состояние ожидания сигнала синхронизации приводит к незначительному увеличению энергопотребления из-за наличия небольших временных расхождений, что вынуждает устройства «просыпаться» немного раньше, чтобы не пропустить сигнал. Функция синхронизированного доступа применяется в сетях с расширенной топологией, таких как «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть» [].

В таблице 6.5 приводятся различия в пересылках данных между координатором и узлом сети для случаев простого множественного доступа и доступа с функцией синхронизации.

Таблица 6.5

Стандартный множественный доступ может иметь место в системах безопасности и охраны зданий при организации ZigBee-сети разнообразных датчиков (проникновения, движения, дыма и т.д.). Условиями применимости можно считать общее время состояния покоя систем порядка 99,9%, переход устройств в активное состояние в псевдослучайные моменты времени для сообщения координатору о своем присутствии в сети. В момент срабатывания датчик сразу переходит в активное состояние и передает сигнал тревоги. При этом координатор, работающий от сети питания, постоянно находится в активном состоянии и принимает сигналы от всех оконечных сетевых устройств.

Синхронизированный доступ позволяет координатору иметь автономное питание благодаря отсутствию случайных пересылок от оконечных устройств. Регистрация в сети в данном случае происходит следующим образом:

оконечное устройство сразу после подачи питания ждет сигнала синхронизации от координатора существующей сети ZigBee (временной интервал ожидания сигнала 0.015...252 с);

обмен первичной информацией с координатором и ожидание ответа;

переход в состояние покоя, «пробуждение» в моменты, определяемые координатором сети ZigBee;

по окончании сеанса связи с оконечным устройством координатор также переходит в состояние покоя.

Данный способ доступа предполагает незначительное увеличение стоимости времязадающих цепей в каждом из узлов сети. Более длительные интервалы состояния покоя предполагают наличие точных времязадающих цепей, а ранний переход в активное состояние для уверенного приема сигнального пакета увеличивает потребление электроэнергии принимающей стороной. Максимальное значение периода синхронизации (252 с) объясняется стремлением ограничить предельную точность цепи времени.

.2.3 Профили устройств ZigBee

Создание библиотеки единых профилей устройств, работающих в сети ZigBee, призвано обеспечить совместимость оборудования различных производителей. Пользовательские профили - это набор сервисов, необходимый для устройств определенного типа, например, систем освещения или пожарных датчиков. Они находятся на вершине стека ZigBee и предоставляют типовые программные модули для использования в отдельных приложениях.

Реализация беспроводной сети возможна и без использования стека ZigBee [3]. Любой стек может использовать уровни MAC и PHY стандарта 802.15.4. Может возникнуть вопрос: зачем использовать стек ZigBee, когда можно использовать собственное решение? Несмотря на то, что ряд компаний планирует создание стеков, руководствуясь, например, соображениями безопасности, а производители оборудования и готовых решений, к примеру, не хотят иметь конкурентов своей продукции, большинство осознает те преимущества, которые может предоставить единый стандарт (совместимость, низкая стоимость, широкий выбор поставщиков). Наверняка многие компании предложат свои профили устройств для уровня приложения стека ZigBee, но в случае, когда необходима стопроцентная совместимость в конкретном решении (например, датчики пожарной сигнализации от различных производителей), предполагается использование профилей устройств, определенных Альянсом. Также компании могут создавать открытые индивидуальные профили устройств для свободного использования другими фирмами, но фактически это случается крайне редко.

.2.4 Сетевые возможности стека

Стек ZigBee поддерживает различные конфигурации сети, в том числе следующие топологии: «точка - точка», «звезда», «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть». Сетевые функции стека включают в себя сканирование сети для обнаружения активных каналов, идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям устройств, маршрутизацию. Это позволяет устройствам автоматически входить в сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу.

В зависимости от типа, каждое устройство имеет определенные сетевые функции:

координатор сканирует сеть и определяет свободные каналы для организации сети;

маршрутизатор (FFD) сканирует сеть, находит активные каналы и пытается войти в состав существующей сети либо создает собственную персональную сеть на правах координатора, если нет активных каналов или не произошло объединение с активной сетью. Если произошло объединение, согласно правилам уже существующей сети координатор примыкающей локальной сети переводится в ранг маршрутизатора и передает всю информацию о локальной сети координатору существующей сети. Из сигнального пакета синхронизации от координатора новообразованный маршрутизатор получает необходимую информацию о временных параметрах сети для обнаружения последующих сигнальных пакетов (рисунок 6.15);

оконечное RFD устройство всегда пытается войти в существующую сеть.

Все узлы многоячейковой сети способны обнаруживать другие узлы и, распознав друг друга, вычислять оптимальный путь передачи пакетов, максимальную скорость обмена, частоту возникновения ошибок и время ожидания. Рассчитанные значения передаются соседним узлам, а оптимальный путь передачи трафика выбирается исходя из мощности принимаемых сигналов.

Процессы обнаружения узлов и выбора пути идут постоянно, поэтому каждый узел поддерживает текущий список соседей и при изменении их расположения может быстро вычислить наилучший маршрут. Если какой-то узел изымается из сети (для технического обслуживания или вследствие сбоя), соседние узлы быстро изменяют конфигурацию своих таблиц и заново определяют маршруты потоков трафика. Это свойство самовосстановления и преодоления сбоев существенно отличает сети с ячеистой топологией от сетей с жесткой архитектурой.

Из сказанного выше очевидно одно из главных преимуществ технологии ZigBee - возможность создания многоячеистой сети уже на уровне самого стека ZigBee. Кроме этого, увеличенная надежность соединения за счет использования протокола CSMA-CA является очевидным плюсом технологии.

Итак, для проектирования ЛВС разрабатываемой системы контроля возьмем за основу топологию «многоячейковой сети». Учтем, что срок службы автономных источников питания уменьшается за счет применения метода синхронизованного доступа (особенно срок службы источников питания маршрутизаторов), увеличивается сложность определения капалов передачи и происходит задержка (десятки миллисекунд) при каждой пересылке сообщения сетевым узлам. Если со вторым недостатком можно бороться путем увеличения времени ожидания ответа узла, то с первым - только установкой аккумуляторных батарей большей емкости на узел маршрутизатора каждого вагона.

.2.5 Аппаратное обеспечение ЛВС

Компания Freescale Semiconductor в числе первых предложила законченные решения по реализации беспроводных соединений различной степени сложности на базе стандарта IEEE 802.15.4 [3]. Номенклатура продукции компании включает микросхемы радиотрансиверов МС13191/2, MC13201/2, MC13211/2, MC1322x работающих в диапазоне 2,4 ГГц ISM (Industrial, Scientific and Medical), и специализированные 8-битные микроконтроллеры MC9S08GB/GT. Это позволяет создавать готовые беспроводные решения 802.15.4/ZigBee на компонентах одного производителя.

.2.5.1 Радиотрансиверы MC13191 и MC13192 стандарта IEEE 802.15.4/ZigBeeи MC13192 - радиотрансиверы диапазона 2,4 ГГц, предназначенные для использования в системах беспроводной передачи данных стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, но могут быть использованы для организации любого радиоинтерфейса, не только ZigBee-совместимого.

ОСОБЕННОСТИ:

Трансиверы имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель мощности (до 4 dBm), встроенный стабилизатор напряжения, схемы кодирования / декодирования обеспечивают поддержку протоколов физического уровня (PHY) стандарта IEEE 802.15.4. Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь портов ввода-вывода общего назначения и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.

Трансиверы MC1319х работают с микроконтроллерами серий HCS08, HC9S12(X), DSC, ColdFire компании Freescale, но могут использоваться совместно с любым другим контроллером, имеющим SPI-интерфейс. Для обеспечения работы трансивера требуется внешний кварцевый резонатор, несколько навесных компонентов и источник питания напряжением 2-3,4 В. Трансиверы имеют три режима энергосбережения и возможность программного регулирования уровня выходной мощности, что позволяет в значительной степени снизить средний ток потребления и обеспечивает длительное время автономной работы в системах с батарейным питанием.

Радио трансиверы работают в двух режимах: пакетном (МС1319х) и потоковом (МС13192). Пакетный режим задействует два 128-байтовых буфера (один буфер для МС13191) во время передачи данных и один 128-байтовый буфер приема данных. В режимах приема и передачи устройство не требует взаимодействия с внешним микроконтроллером (МК). В потоковом режиме используется 2-байтовый буфер, при этом МК обрабатывает прерывания каждые 64 мкс для приема/пересылки слова данных и осуществляет программную обработку заголовков. Скорость обмена по SPI синхронизируется со скоростью передачи пакета данных.

Радиомодемы МС13191/2 требуют минимум внешних компонентов, обладая всей необходимой интегрированной периферией, встроенным усилителем мощности с программируемым коэффициентом усиления и внутренней схемой регулятора напряжения.

Технические характеристики приведены в приложении А.

В таблице 6.6 приведен перечень режимов работы трансивера, а также токи потребления в соответствующих режимах:

Таблица 6.6

- уникальный режим, обеспечивающий быстрый переход в активное состояние для оптимизации энергопотребления в системе и обеспечения точной временной базы работы устройств без задействования МК.

Остановимся более подробно на одной особенности этих приёмопередатчиков - встроенном 2- или 4-канальном таймере событий (Event Timer) в микросхемах МС13191 и МС13192/3 соответственно. Таймер состоит из предделителя частоты и 24-битного счётчика, который инкрементируется с каждым импульсом системы тактирования приёмопередатчиков. Предделитель обеспечивает частоту на входе счётчика в диапазоне 15,625 кГц...2 МГц. Модуль таймера способен генерировать прерывания для МК в моменты равенства текущего времени таймера и значений в определённых регистрах радиомодема. Запись данных в регистры осуществляется через интерфейс SPI. Модуль таймера выполняет следующие функции: генерация системного времени, генерация прерываний при сравнении текущего времени со значением регистров сравнения, выход из энергосберегающего режима Normal Doze Mode по окончании заданной временной задержки, «защёлкивание» времени начала приёма данных в режиме пакетной передачи. Текущее значение таймера может быть считано по интерфейсу SPI. Модуль таймера работает при активированном модуле тактирования радиомодема.

.2.5.2 Радио-трансиверы МС13201 и МС13201 стандарта IEEE802.15.4/ZigBeeи MC13202 - радиотрансиверы диапазона 2,4 ГГц второго поколения, с интегрированным Rx/Tx переключателем. Предназначены для использования в системах беспроводной передачи данных стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee, но могут быть использованы для организации любого радиоинтерфейса, не только ZigBee-совместимого.

Второе поколение радиоприемопередатчиков МС1320х было представлено в начале 2006 года. Основным отличием микросхем МС1320х от трансиверов первого поколения является наличие интегрированного Rx/Tx переключателя, что позволяет в большинстве приложений сократить число внешних элементов и уменьшить себестоимость решения. Причем возможна реализация антенного радиотракта с использованием печатной антенны и с минимальным числом согласующих пассивных элементов.

Уникальность трансиверов МС1320х заключается в способности работать в двух режимах. Первый режим - работа трансивера с внешним Rx/Tx переключателем с автоматическим управлением. Данный режим позволяет использовать дополнительные LNA и PA усилители. В таком режиме работы трансиверы совместимы по выводам с трансиверами МС1319х.

Второй режим - трансиверы МС1320х настраиваются на работу с внутренним Rx/Tx переключателем. Таким образом, разработчику предоставляются максимум возможностей по использованию одной и той же микросхемы при проектировании беспроводных устройств различного типа, с минимальной стоимостью комплектующих в одних устройствах и максимальной дальностью радиопередачи в других.

ОСОБЕННОСТИ:

Трансиверы имеют в своем составе малошумящий усилитель, усилитель мощности (до 4 dBm), встроенный RxTx переключатель? стабилизатор напряжения, схемы кодирования/ декодирования обеспечивают поддержку протоколов физического уровня (PHY) стандарта IEEE 802.15.4. Для связи с внешним МК используется 4-х проводная шина SPI, семь портов ввода-вывода общего назначения и шина прерывания. Дополнительно имеется выход с программно-управляемого таймера, который может использоваться управляющим микроконтроллером в качестве внешнего генератора тактирования.

Трансиверы MC1320х работают с микроконтроллерами серий HCS08, HC9S12(X), DSC, ColdFire компании Freescale, но могут использоваться совместно с любым другим контроллером, имеющим SPI-интерфейс. Для обеспечения работы трансивера требуется внешний кварцевый резонатор, несколько навесных компонентов и источник питания напряжением 2-3,4 В. Трансиверы имеют три режима энергосбережения и возможность программного регулирования уровня выходной мощности, что позволяет в значительной степени снизить средний ток потребления и обеспечивает длительное время автономной работы в системах с батарейным питанием.

Радио трансиверы работают в двух режимах: пакетном (МС1320х) и потоковом (МС13202). Пакетный режим задействует два 128-байтовых буфера (один буфер для МС13201) во время передачи данных и один 128-байтовый буфер приема данных. В режимах приема и передачи устройство не требует взаимодействия с внешним микроконтроллером (МК). В потоковом режиме используется 2-байтовый буфер, при этом МК обрабатывает прерывания каждые 64 мкс для приема/пересылки слова данных и осуществляет программную обработку заголовков. Скорость обмена по SPI синхронизируется со скоростью передачи пакета данных.

Технические характеристики приведены в приложении А.

Перечень режимов работы трансивера, а также токи потребления в соответствующих режимах такие же, как и в серии МС13191/2/3 (таблица 6.6).

.2.5.3 Однокорпусные микросхемы МС1321x стандарта IEEE802.15.4/Zigbee

Радиомикросхемы МС1321x - недорогое интегрированное решение для использования в беспроводных системах стандарта ZigBee/IEEE802.15.4, включающее радио трансивер МС13202 и 8-разрядный микроконтроллер семейства MC9S08GTxx в одном корпусе. Доступны варианты с различным объемом FLASH памяти: 16КБ, 32КБ, 60КБ.

Однокорпусное решение было представлено 2006 году. Микросхемы семейства МС1321х сочетают в одном корпусе размером 9х9мм LGA два кристалла: кристалл микроконтроллера семейства MC9S08GTxx и кристалл радиомодема второго поколения MC13202. Линейка микросхем включает в себя три типа: МС13211, МС13212 и МС13213, различающихся только объемом внутренней FLASH и RAM памяти микроконтроллера. С точки зрения остальных технических характеристик микросхема МС1321х идентична упомянутым микроконтроллеру и радио трансиверу. Отличия заключаются в меньшем числе портов ввода/вывода МК (по сравнению с МК в отдельном корпусе с числом выводов 44/48) и наличию внутренних связей кристаллов, продублированных дополнительными выводами в корпусе, в области земляной подложки в основании микросхемы.

Основными достоинствами интегрированного решения являются сокрашение стоимости компонентов и занимаемой радиотрактом площади. При переходе от двухкорпусного решения к однокорпусному, площадь радиотракта на плате устройста, без учета антенны, сокращается с 300ммІ до 200ммІ, на 40% сокращается число внешних компонентов, стоимость элементной базы уменьшается более чем на 30%

ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРИРОВАННОГО МК:

Микроконтроллеры семейства МС9S08GTxx спроектированы для беспроводных низкопотребляющих решений, приложений с автономным питанием, радиоприложений стандарта IEEE802.15.4/ZigBee.

С точки зрения программного обеспечения реализации беспроводных приложений, для МК семейства MC9S08 доступны следующие программные библиотеки: SMAC, 802.15.4MAC и стек ZigBee - BeeStack. Основной средой разработки ПО для микроконтроллеров является Metrowerks CodeWarrior версий 5.х и старше, для создания программного обеспечения беспроводного канала на базе перечисленных выше библиотек удобно использовать среду разработки BeeKit Wireless Connectivity Toolkit.

Технические характеристики микроконтроллеров, интегрированных в микросхемы МС1321х, и режимы работы МК семейства MC9S08GTxx приведены в приложении А.

.2.5.4 Однокристальные микросхемы МС1322X стандарта IEEE802.15.4/ZigBee

МС1322x - высокоинтегрированное микропотребляющее однокристальное решение, сочетающее в себе радио трансивер диапазона 2.4ГГц стандарта ZigBee/IEEE802.15.4, 32-разрядный МК с ядром ARM7, входной и выходной радио усилители, 50-Ом согласованный антенный выход, аппаратные модули 802.15.4 MAC и 802.15.4 Security, а также разнообразную периферию (рисунок 6.20).

Начиная с первого квартала 2008 года, будут доступны образцы специализированного однокристального ZigBee/802.15.4 решения на базе ARM7 ядра с интегрированным аппаратным MAC ускорителем - МС1322х. Выпуск серийных изделий намечен на 2 квартал 2008 года. По предварительной информации новая микросхема будет одним из лидеров по энергопотреблению не только в энергосберегающих режимах, но и в режимах приема и передачи. Встроенная периферия включает в себя 12-разрядный модуль АЦП, набор интерфейсных модулей UART/SCI, SSI/I2S, SPI, I2C, модуль аппаратного шифрования, модули таймеров/ШИМ и обработки внешних прерываний и др. Для работы микросхемы необходимо минимально возможное число внешних компонентов (антенна 50 Ом, кварцевый резонатор). Интегрированый приемопередатчик микросхемы, помимо режима работы согласно стандарту IEEE802.15.4, обладает уникальным для подобного класса микросхем режимом увеличения скорости обмена до 2 мегабит в секунду.

Технические характеристики микросхемы МС1322х приведены в приложении А.

Рассмотрев весь модельный ряд решения по реализации беспроводных соединений на базе стандарта 802.15.4, отметим, что наиболее целесообразно использовать однокорпусные микросхемы МС1321x, т. к. сочетание в одном корпусе двух кристаллов (микроконтроллера семейства MC9S08GTxx и радиомодема второго поколения MC13202) сокращает стоимость компонентов и занимаемую радиотрактом площадь. При переходе от двухкорпусного решения к однокорпусному, площадь радиотракта на плате устройста, без учета антенны, сокращается с 300ммІ до 200ммІ, на 40% сокращается число внешних компонентов, стоимость элементной базы уменьшается более чем на 30%.

6.3 Построение ЛВС

.3.1 Алгоритмическое обеспечение проекта

Алгоритмом называется математическая функция или конечный набор описаний конкретной последовательности действий (правил), необходимых для того, чтобы компьютер или интеллектуальная система выполнили за конечное время некоторую задачу, например, алгоритм работы сервера вагона. Алгоритм может быть описан блок-схемой. Алгоритмы упрощают процесс построения функциональных и структурных схем разрабатываемого устройства и позволяют четко представлять архитектуру системы и последовательность действий работы системы. На следующих ниже рисунках представлены алгоритмы работы сервера ЛВС состава, функционирования сервера ЛВС вагона и функционирования контроллера состояния букс вагона.

Рисунок 6.21 - Алгоритм функционирования сервера ЛВС состава.

Рисунок 6.22 - Алгоритм функционирования сервера ЛВС вагона.

Рисунок 6.23 - Структурная схема ЛВС состава.

В ЛВС железнодорожного состава предусмотрено два режима передачи данных: циклическим и спорадический. При циклическом режиме на сервере сети (локомотиве) формирует управляющий сигнал, по которому клиенты (вагоны) поочередно устанавливают соединение и передают накопленную информацию на сервер вне зависимости от того, есть ли критические значения параметров, т.е. передают текущее состояние объекта контроля. Локомотив поочередно опрашивает все вагонные подсистемы. Системой выделяется определенный промежуток времени доля опроса вагонной подсистемы. В случае, если сервер не получает ответ от опрашиваемого вагона, то формируется повторный запрос. Одновременно с повторным запросом формируется протокол о повторном запросе на конкретный вагон и сохраняется в базе данных для последующего анализа состояния системы и выяснения обстоятельств отказа системы. Если нет ответа на второй запрос, формирует третий, последний, запрос с повышенным приоритетом, при котором остальные вагонные подсистемы обязаны уступить канал связи при любых обстоятельствах. Если вагонная подсистемы не отвечает и на третий запрос, то формируется протокол о выходе вагонной подсистемы из строя, о чем информируется машинист локомотива и ближайшая узловая станция.

В случае выявления критического значения одного из контролируемых параметров (превышение допустимого значения температуры буксового узла, силы удара колеса о рельс или спектра шума), вагонная система начинает работу в спорадическом режиме, т.е. формирует пакет данных со значением превышающего параметра и топологией нахождения узла ходовой части, значение которого является критическим, и устанавливает соединение с последующей передачей данных.

Итак, информация с буксовых контроллеров поступает по технологии ZigBee на контроллер вагона, где обрабатывается и, в случае обнаружения критических значений, передается по ячеистой сети через сервера других вагонов на контроллер локомотива. После этого она отображается на дисплее машиниста и передается на ближайшую узловую станцию для сравнения с данными постового оборудования и выработки решения о состоянии подвижного состава.

.3.2 Синтез контроллера состояния буксы вагона

Возможно 2 варианта контроля состояния элементов движения вагона: контроль вибрационного состояния и контроль температурного режима.

6.3.2.1 Синтез контроллера состояния температуры

Логика работы: по сигналу таймера контроллер температуры n-ой буксы вагона(n-число букс) передает на сервер вагона пакет данных, содержащих информацию о текущем состоянии температуры буксы, информация записывается в соответствующие ячейки памяти ОЗУ, отведенные для хранения информации о температурном режиме букс вагона, и содержится там до следующего сеанса связи. При следующем сеансе связи ячейки ОЗУ стираются и заполняются новыми данными. Инициатором связи является буксовый контроллер.

Выбор датчика температуры

Известно 4 типа датчиков, их сравнительная характеристика представлена в таблице 6.7.

Таблица 6.7

Выберем в качестве датчика температура недорогой, пассивный датчик, не требующий токового возбуждения - термопару (ТП). Действие ТП основано на эффекте Зеебека - одном из 12 термоэлектрических явлений, известных в современной физике твердого тела. В упрощенном и достаточно строгом представлении ограничиваются следующими тремя термоэлектрическими явлениями.

Эффект Зеебека (1826г.) - в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных различных проводников, возникает термоЭДС, если в местах контактов(горячего спая) поддерживается различная температура. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термопарой (составная часть ПТ). ТермоЭДС термопары зависит от температуры рабочего (измерительного) и свободного (опорного) спая и от состава материала проводников, образующих термопару. Основные виды термопар представлены в таблице 6.8.

Таблица 6.8

При соединении 2х разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов - термоЭДС(А). Соединив два провода в двух местах формируется 2 спая. Если эти спаи имеют разную температуру, в результате действия термоЭДС, в цепи потечет ток. Разрыв одного из проводников покажет, что напряжение в точках разрыва будет равно термоЭДС, включив в цепь вольтметр можно измерить это напряжение. Температуру Т1 называют температурного измерительного спая, а Т2 температурой опорного. Выходное напряжение обычно определено, как значение полученное при поддержании температуры холодного спая, равной 0 Сє. Для обеспечения высокой точности термопарных измерений необходимо поддерживать температуру холодного спая, равной 0 Сє.

Для обеспечения этого предлагается применить схему AD 595 термопарный усилитель.

Рисунок 6.24 - Термопарный усилитель.

.3.2.2 Синтез контроллера спектра вибраций подшипников букс

В качестве датчика вибрации используем датчик линейного ускорения (акселерометр), который широко используется для осуществления виброконтроля объектов, находящихся в движении.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Акселерометры меряют проекцию (на свои оси чувствительности) суммы всех сил, приложенных к их корпусу, кроме силы тяжести. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.

Оптимальным соотношением цена/качество обладают поверхностные интегральные акселерометры, к тому же в них предусмотрено уменьшение влияния температуры за счет введения отрицательную обратную связь по положению инерционной массы, выберем данный тип акселерометров в качестве датчика вибрации подшипников буксы.

Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г. (рисунок 6.25) Весь кристалл акселерометра размером 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремневой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремневых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.

Рисунок 6.25 - Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50.

Хотя в ИМС акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки Y и Z. Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.

Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подается на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.

Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подается на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.

В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 % ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом, проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.

.3.3 Синтез вагонного контроллера

Сигнал от буксового контроллера поступает на вход микроконтроллера, в котором осуществляется сравнение входных параметров методом безэталонного контроля и выявляются параметры, превышающие допустимые значения. Выявленные значения контролируемых параметров поступают вне зависимости от того, имеются ли в наличии параметры, превышающие допустимые значения или нет, поступают в запоминающее устройство, где хранятся до окончания следующего цикла проверки данных. При выявлении критического значения параметра формируется сигнал, по которому инициируется соединение с сервером состава и осуществляется передача данных, а именно - значение «критического» параметра, адрес вагона и топология нахождения «критического» узла (спорадический режим).

При инициализации соединения со стороны локомотива в блоке управления формируется сигнал о выдаче информации хранящейся на данный момент в блоке памяти не зависимо от значения параметров, чем подтверждается работоспособность вагонной подсистемы.

7. Экономическое обоснование проекта

.1 Анализ рынка

Доля участия железнодорожного транспорта в обеспечении грузопотока в нашей стране достаточно значительна и эффективное обеспечение его безаварийности является актуальнейшей задачей.

Одной из составляющих этой комплексной проблемы является реализация контроля состояния элементов движения товарных вагонов, в частности букс, колес, осей, обнаружения волочащихся деталей.

Приведенный перечень функций реализуется, как дифференциально, так и комплексно, стационарной системой контроля с определением характера и мест дефектов, а именно: номера буксы (скольжения или качения), номера вагона с последующей передачей этой информации по канальным средствам на диспетчерский пункт. Однако подобные системы не позволяют наблюдать динамику изменения измеряемых параметров и соответственно предсказывать и предупреждать аварийные ситуации на железнодорожном транспорте.

С целью повышения надежности функционирования железнодорожного транспорта предлагается разработать автоматизированную телекоммуникационную систему для динамического контроля состояния железнодорожного состава. Такое решение позволит фиксировать состояние вагонов состава для последующего прогноза их надежности и обоснования необходимости проведения профилактического, текущего и капитального ремонтов.

Данная система будет иметь возможность интегрироваться в АСУ диспетчерской централизацией (ДЦ), образующий информационную сеть, предназначенную для обеспечения оперативного персонала информацией о движении поездов и состоянии технических средств железнодорожной автоматики.

Дешевле предотвратить аварию, чем ликвидировать ее последствия, поскольку авария может нанести не только непоправимый ущерб окружающей среде, но и привести к гибели людей.

Все эти факторы дают основание надеяться, что продвижение системы контроля железнодорожного состава на рынке будет успешным.

Экономические показатели дают обобщенную оценку в денежном выражении самых разнообразных достоинств и недостатков системы нового типа, помогают исследовать различные варианты конструкции и экономически оценить каждую техническую идею [19].

Так же успешным фактором продвижения информационной системы на рынке является то, что пока нет средств надежного контроля колес железнодорожного подвижного состава движущегося поезда [20]. Так как на рынке не обнаружено систем данного класса, цена разрабатываемой системы будет исходить из расчет получения максимальной прибыли.

В качестве конечного потребителя разработки могут выступать как гражданские фирмы, занимающиеся перевозками по железным дорогам России, так и военно-промышленный комплекс, так же не исключается возможность попадания системы на международные рынки, что может привлечь иностранных покупателей.

При продаже системы приоритет будет отдаваться крупным промышленным предприятиям, так как именно крупные предприятия способны делать большие заказы на приобретение информационной системы. Также будут рассматривать заказы и от менее крупных предприятий и небольших фирм. Информационная система способна работать на всей территории России, что придает системе больший вес относительно стационарных аналогов.

7.2 Выбор и обоснование аналогов или базы сравнения. Расчет интегрального показателя качества

Исходя из анализа рынка известно, что на данный момент на рынке присутствуют системы способные производить измерение температуры буксовых узлов подвижного состава. К таким системам относятся - Диск-Б, АСДК-Б, ПОНАБ. Рассмотрим более подробно некоторые из них.

7.2.1 Анализ системы ДИСК-Б

Согласно принятым предписаниям на железнодорожном транспорте, напольная стационарная система контроля устанавливается непосредственно на пути движения транспорта и удалена от ближайших станций на 10 км.

Типовой алгоритм сбора и обработки информации от аналоговых датчиков состояния вагонов и передачи ее на центральный диспетчерский пункт (ЦДП) можно представить в виде структуры на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Структура алгоритма типовой системы контроля.

Операторы FKCi (поканальная передача сигналов Xij(t), Zij(q), i=l....,8 -число датчиков, j=l,...,m - число вагонов), Fка (коммутация аналоговых сигналов), FАЦП (аналого-цифровое преобразование) и FВВ (операция ввода) производят последовательный циклический ввод аналоговой информации Xi(t), zi(q) от температурных и пьезоакселерометрических датчиков о состоянии соответственно букс и колес катания в вычислительный процессор стационарной системы контроля, после чего реализуются оператор FM масштабирования и представления информации контроля в технических единицах, соответствующих физическому смыслу контролируемых параметров. Затем текущая информация сравнивается (Fcц) с уставками и после кодируется (FK) и посредством модема передается на станционный диспетчерский пункт (Fcц, Fk, FM). Управление системой контроля производится программой-диспетчером (Fд). Блок-схема подсистемы ДИСК-Б показана на рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 - Блок-схема подсистемы ДИСК-Б.

Помимо контроля указанными средствами общее состояние движущего состава оцениваются при его дуговых поворотах путем визуальных осмотров, осуществляемых с локомотива машинистом и его помощником.

На стоянках станционный технический персонал производит выборочно визуальный спектрально-акустический контроль элементов движения вагонов.

.2.2 Анализ базовой подсистемы АСДК-Б

Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления представляет собой распределенную компьютерную систему сбора, обработки информации, оперативного управления и речевой связи [3].
АСДК работает под управлением встроенной микропроцессорной системы и ПЭВМ пункта управления (диспетчерской).

Базовая подсистема АСДК-Б автоматически распознает перегретые буксовые узлы в результате оценки температуры шейки оси колеса по данным дистанционного контроля температуры корпуса буксы и ступичной части при помощи камер напольных, передает на станцию и регистрирует в аппаратуре станционного пульта контроля и сигнализации информацию о наличии таких буксовых узлов в поезде с указанием порядкового номера и стороны подвижной единицы. Кроме того, аппаратура АСДК-Б обеспечивает оповещение работников соответствующих служб железнодорожной станции о результатах контроля.

Базовая подсистема АСДК-Б так же как и система Диск-Б имеет типовой алгоритм работы (рис. 7.1).

Структура алгоритма типовой системы контроля типа Диск-Б, АСДК-Б, ПОНАБ и другие может быть записана в следующем виде:

где  - последовательность вагонов; n - номер букс (колеса);

хi - сигнал о температурном состоянии букс (сила удара колеса о рельс).

Как и системы, у систем диспетчерской централизации есть свои недоработки. Предполагается в будущем разработать системы нового поколения, нейтрализующие эти недоработки. Новые системы диспетчерской централизации должны обеспечивать возможность изменения направления движения поездным диспетчером при ложной занятости блок-участков и контроль исправности работы переездной сигнализации.

Устройства телеуправления стрелками и светофорами прилегающих станций должны обеспечивать выполнение требований, предъявляемых к устройствам диспетчерской централизации.

Главным недостатком систем диспетчерского контроля является стационарность. На сегодняшний день еще не существует систем способных оценивать состояние букс на всем пути следования железнодорожного состава.

К существенным недостаткам традиционных подходов при оценке состояния вагонов и состава в целом, можно отнести:

инерционность контроля, заключающаяся в том, что состояние подвижного состава телеметрически контролируются только в двух дискретных точках локального маршрута (в десятикилометровых отдалениях от конечных станций);

наличие ошибок первого и второго рода, источником которых является сама система контроля;

значительные временные и материальные затраты на осуществление контроля при стоянках состава при недостаточной достоверности и неполном охвате контролируемого объекта;

отсутствие информации о динамике контролируемых параметров на пассивных участках пути не позволяет осуществлять прогнозирующие оценки состояния элементов вагонов, состава в целом.

В дальнейшем в качестве аналога будем рассматривать систему АСДК-Б, т.к. данная система является более новой и отвечает современным техническим требованиям.

.2.3 Расчет интегрального показателя качества

Значимость параметров будем оценивать по десятибалльной шкале.

Интегральный показатель качества рассчитываем по следующей формуле:

Подставляя табличные данные в расчетную формулу получим:

.3 Расчет затрат на этапе проектирования и себестоимости системы

Затраты на этапе проектирования состоят из трех частей: заработной платы программиста (Z), накладных расходов (Н) и машинного времени (М):

КП = Z + Н + М, (1)

где М = с · t, Н - примерно 80% - 100% от зарплаты.

Общую заработную плату на весь этап проектирования можно рассчитать по следующей формуле:

, (2)

где Zд - дневная заработная плата,

Т - итоговая ожидаемая длительность,

ас - социальные отчисления (примерно 26,5% от зарплаты),

ап - процент премии (от 50% от зарплаты).

В свою очередь итоговая ожидаемая длительность представляет собою сумму ожидаемых длительностей:

, где  (3)

Дневную заработную плату программиста будет считать из расчета 10000 руб./месяц, тогда Zд = 476 рублей (будем считать, что в месяце 21 рабочий день). Из расчета зарплаты имеем: ас = 2650

ап - примем равным 70% от заработной платы, тогда ап = 7000 руб.

Рисунок 7.3 - График организации работ на этапе проектирования.

Так как показатели длительности являются приближенными значениями, итоговую длительность примем равной 110 дней.

Н примем равно 60% от заработной платы, Н = 6 000 руб.

М возьмем из расчета 10 руб/час. Рабочий день будем считать равным 7 часам, тогда Мдневное = 10 · 7 = 70 руб/день. Итоговое значение машинного времени рассчитаем из формулы: Митог = Мдневное · Т, Митог = 7700 руб.

Подставляя полученные значения в формулу (1) получим:

КП = 52866 + 6000 + 7700 = 66566

Себестоимость проекта складывается из затрат на разработку комплексной модели надежности информационно вычислительных систем и заработной платы проектировщика.

К = 52866 + 7700 + 66566 = 127 132 (руб.)

Расчет трудоемкости по созданию программного продукта не представляется возможным, так как программный продукт представляет собой базу данных с графическим представлением хранящихся в ней данных. Значение затрат на этапе проектирования не является фиксированным значением, так как параметры длительности были взяты приближенными и расчет затрат производился из расчета, что работы выполняются последовательно и последующая не может быть начата пока не будет закончена предыдущая. В действительности же некоторые виды работ можно совмещать и выполнять параллельно, что значительно может сократить длительность проектирования и соответственно затраты на проектирования автоматизированной системы обработки информации и управления. Так как затраты на этапе проектирования являются частью себестоимости системы в целом, то оптимизировав график работ на этапе проектирования тем самым сократив скор работ, мы уменьшим себестоимость разрабатываемой системы контроля.

7.4 Оценка экономического эффекта у потребителя

Конечная цель любой разработки заключается в удовлетворении потребностей потребителя. То есть, если функции, актуальность, цена продукта не устраивают покупателя, то нашему продукту покупатель предпочтет другой. Поэтому в данном пункте проводится оценка экономического эффекта для потребителя, а также содержание эксплуатационных затратах.

Ожидаемый годовой экономический эффект у потребителя можно вычислить по формуле:

Эож. г. = (И1 · Ки - И2) - Ен · К,

где И1 - эксплуатационные затраты по аналогу; И2 - эксплуатационные затраты по разработке; Ки - интегральный показатель качества; EН - норма рентабельности (принимаем Ен = 0,25); К - капитальные затраты потребителя (цена разработки без НДС).

Эксплуатационные затраты потребителя как по аналогу, так и по разработке будут складываться из следующих составляющих:

основная заработная плата обслуживающего персонала, ИОЗП;

дополнительная заработная плата обслуживающего персонала, ИДЗП;

отчисления на социальное страхование и травматизм, ИССТ.

При установке на железнодорожном составе отпадает необходимость в бригаде техников, которую теперь заменяют один техник и оператор.

Следовательно, эксплуатационные затраты потребителя по аналогу будут в 5 раза выше, чем по разработке (из расчета, что и в том, и в другом случае основная заработная плата одного рабочего одинакова, а бригада обслуживания состоит из 10 человек), то есть

И1 = 5 · И2.

Рассчитаем эксплуатационные затраты потребителя по разработке.

Основная заработная плата обслуживающего персонала Иош равна 4000 рублям.

Дополнительная заработная плата обслуживающего персонала составляет 10% от основной, то есть

ИДЗП = 0,1 · ИОЗП = 0,1 · 4000 = 400 (руб.)

Отчисления на социальное страхование и травматизм составляет 37,4% от общей заработной платы

ИССТ = 0,374 · (ИОЗП + ИДЗП) = 0,374 · (4000 + 400) = 1646 (руб.)

Тогда получаем,

И2 = ИОЗП + ИДЗП + ИССТ = 4000 + 400 + 1646 = 6046 (руб.)

Эксплуатационные затраты потребителя по аналогу

И1 = 5 · И2 = 5 · 6046 = 30230 (руб.)

В результате, годовой экономический эффект для потребителя равен:

Эож. г. = (30230 · 1,55 - 6046) - 0,25 · 127132 = 9027,5 (руб.)

Для нахождения расчетной рентабельности воспользуемся формулой:

Р = (И1· КИ - И2)/К

Тогда, получаем

Р = (30230 · 1,55 - 6046)/127132 = 0,32

Критерием принятия решения о целесообразности покупки разрабатываемого устройства является положительная величина показателя годового экономического эффекта для потребителя, а также превышение рентабельности затрат Р = 0,32 над нормативом Ен = 0,25. Таким образом анализируя полученные показатели Эож. г. и Р, приходим к выводу о экономической жизнеспособности данной разработки.

8. Безопасность и экологичность разработки

.1 Анализ условий труда, степени тяжести и напряженности трудового процесса

Разработанная система представляет собою автоматизированную информационную систему контроля состояния подвижной единицы железнодорожного транспорта и предотвращения возникновения аварийной ситуации. Работа автоматизированной информационной системы сводится к отслеживанию информации, поступающей от первичных источников данных с последующим выявлением «критических» значений величин и информирование машиниста локомотива по средствам радиосвязи и звуковой сигнализации, а также передача информации о возможности возникновения аварийной ситуации на ближайший диспетчерский пункт для принятия мер по предотвращению аварии и возможности ремонта подвижной единицы.

Так как система является автоматизированной, то роль оператора как субъекта труда и управления становится основополагающей в обеспечении работоспособности системы и правильности принимаемых решений. Оператор несет ответственность за эффективную работу всей технической системы. В связи с этим мы провели оценку напряженности трудового процесса оператора.

Таблица 8.1

Оценка напряженности трудового процесса оператора

В ходе проведения анализа учитывались все показатели, оценивающие работу разработчика. По каждому из них в отдельности определялся свой класс условий труда. В том случае, если по характеру или особенностям профессиональной деятельности какой-либо показатель не представился (например, отсутствует работа с оптическими приборами), то по данному показателю ставился 1 класс (оптимальный) - напряженность труда легкой степени [3]. Учитывая это, мы получили следующие результаты:

Таблица 8.2

Вредоносные факторы напряженности трудового процесса

.2 Мероприятия по улучшению условий труда

В предыдущем разделе были выявлены следующие нагрузки, выходящие за рамки допустимых

ü  Содержание работы

ü  Распределение функций по степени сложности задания

ü  Наблюдение за экранами видеотерминалов (часов в смену): при буквенно-цифровом и графическом типе отображения информации;

ü  Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки.

Характер организации мероприятий:

v  Общие рекомендации:

Для улучшения условий труда оператора и пользователя ЭВМ, рекомендуется ежедневная влажная уборка и проветривание помещения.

Так как работа связана с умственной деятельностью, необходимо делать периодические перерывы для отдыха и эмоциональной разгрузки. Для уменьшения утомляемости зрительного аппарата следует выполнять специальный комплекс упражнений для глаз и выполнять санитарно-гигиенические требования к освещенности и эргономическим показателям.

Работа пользователя ЭВМ характеризуется такими психофизиологическими факторами как психическое напряжение, концентрация внимания, монотонность, обездвиженность, влияющими на физическое здоровье и психическое состояние человека. Для минимизации этих воздействий необходимо наличие регламентированных перерывов, продолжительность которых не должна быть меньше 7% рабочего времени. Во время этих перерывов необходимо выполнять разнообразные физические упражнения.

v  Фактор содержания работы:

Постепенное вхождение в трудовой процесс после отдыха, индивидуальный ритм работы, соблюдение привычной последовательности в трудовой деятельности, правильное чередование периодов труда и отдыха, декомпозиция сложных заданий - разбиение сложной работы на более простую, не требующую большой умственной нагрузки, тщательное планирование этапов разработки и всех проводимых работ и т.д.

v  Распределение функций по степени сложности задания:

Для уменьшения воздействия этого негативного фактора необходимо назначать человеку, принимающему решения заместителей, которые будут брать на себя часть работ по организаторской и наблюдательной деятельности, т.е. на начальнике остается только работа по наблюдению и анализу ситуации.

v  Наблюдение за экранами видеотерминалов (часов в смену) при буквенно-цифровом и графическом типе отображения информации:

Снижения уровня шума - при постоянном пребывании людей и одновременной работе нескольких периферийных устройств в лаборатории создается повышенный уровень шума. Чтобы понизить его до допустимых значений на стенах помещения необходимо устанавливать звукопоглощающее покрытие и использовать звукоизолирующие перегородки.

Создание рационального освещения - нормальное освещение и правильная цветопередача световых сигналов повышает воспринимаемость сигналов.

v  Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки:

Для уменьшения влияния этого фактора необходимо применение информационно-советующей системы при принятии решения, а также необходимо общение с психологом при заступлении на дежурство и после дежурства для снятия стресса.

.3 Системный анализ работоспособности информационной системы

Вначале приведем возможные варианты отказа локально-динамической информационной системы контроля состояния подвижного состава.

Рисунок 8.1 - Дерево отказов системы контроля.

Отказ системы возможен в трех случаях: нет электропитания, неисправность самой системы контроля и отсутствие сигналов от объектов контроля, т.е. неисправность линии связи. Отсутствие питания может объясняться двумя факторами - это обрыв линии электропроводов, либо выход из строя источника электроэнергии (генератор для тепловоза или трансформатор для электровоза). Наличие высокочастотных помех может вызвать искажение информационных сигналов, что также приводит в неработоспособное состояние систему контроля. Этот фактор относится к неисправности в линии связи. Также сюда относится такой фактор как неисправность приемо-передающего устройства, поступают сигналы от объектов контроля, но для системы они остаются невидимыми, в результате системой принимается ошибочное решение, что объект контроля вышел из строя. К отказу самой системы могут привести три фактора: нет информационных сигналов от объектов контроля, отказ элементной базы системы и сбой работы программного обеспечения.

По аналогичной схеме представим дерево отказов вагонного оборудования системы контроля.

Рисунок 8.2 - Дерево отказов вагонной подсистемы.

Отказу вагонной подсистемы соответствуют аналогичные факторы. Отличаем является лишь то, что вместо объекта контроля здесь рассматриваются источники информации первого рода, и отсутствие информационных сигналов рассматривается как неработоспособность вагонной системы. Если в системе выведены из строя какие-либо ее элементы, то невозможно достоверно и качественно оценить состояние объекта контроля. Поэтому система является работоспособной при надежном функционировании всех ее элементов.

Рекомендации по предотвращению отказа в работе системы:

при подборе элементной базы уделять внимание элементам с повышенной надежностью, с наибольшим временем наработки на отказ;

повысить помехоустойчивость каналов связи, т.е. добавить алгоритмы кодирования данных;

при разработке максимально повысить отказоустойчивость программного оборудования, математического аппарата;

использовать изолированные провода при монтаже электропроводки, для предотвращения обрыва линии;

снабдить систему дополнительным, резервным, источником питания на случай выхода из строя основного.

.4 Пожарная безопасность при работе на компьютере

В электронно-вычислительной машине (ЭВМ) пожарную опасность создают элементы электронной схемы и соединительные провода. Действующие радиотехнические детали разогреваются электрическим током, нагреваются окружающие их воздух и соединение детали, поэтому необходимо принудительное охлаждение (путём циркуляции воздуха). Пожароопасные изоляционные материалы: лаки, краски и эмали. Изоляционные материалы не теплостойки; при нарушении температурного режима, возможно разложение этих материалов и выделение различных горючих веществ. Предпочтительно применение несгораемых материалов (например, политетрафторэтилена, обладающего значительной тепло- и огнестойкостью и высокими изоляционными качествами) [22].

В ЭВМ следует предотвращать нагрев и излучение тепла из легковоспламеняющихся материалов, а также их воспламенение; возгорание трансформаторов, сопротивлений и дросселей вследствие недопустимого возрастания тока; нарушение изоляции соединительных проводов, пробой конденсаторов, короткое замыкание и возникновение электрической дуги; местные перегревы и искрения.

Возможными горючими материалами в производственном помещении могут быть материалы эстетической отделки помещений, мебель, а также материалы используемые для изоляции силовых и сигнальных кабелей.

Для ликвидации пожара в начальной стадии применяются первичные средства пожаротушения. Это углекислотные огнетушители ОУ-2 и порошковые ПО-1. Они позволяют тушить электроустановки до 1000В, находящиеся под напряжением, и не причиняют большого вреда электронной технике. Для своевременного сообщения о пожаре устанавливают автоматическую систему пожарной сигнализации.

.5 Энерго- и ресурсосбережения

Разработанная автоматизированная информационная система динамического контроля состояния железнодорожного транспорта является экологически чистой и не приносящей вреда окружающей среде. При ее проектировании, создании и эксплуатации не происходит выделения химически активных веществ или других субстанций, нарушающих экологию окружающей среды. Разработанная автоматизированная система помогает вовремя выявить нарушения в работе букс железнодорожного вагона, вовремя отреагировать на это нарушение и, следовательно, не привести к экологическим катастрофам.

В результате работы разработанной системы появляется возможность практически исключить аварии поездов на железных дорогах, уменьшить время обследования вагонов на станциях и, следовательно, пользователи достигают своих целей за более короткое время. Это ведёт к снижению энергозатрат и других вредных факторов, которые исходят от тех устройств, которые задействованы для ее функционирования.

Неблагоприятным фактором является лишь то, что система используется только с применением вычислительной техники, которая в силу своего несовершенства вносит неблагоприятные факторы. Но воздействие этих факторов на экологию не сравнимо ни с какой точки зрения с теми последствиями, какие могут иметь место при аварии на железной дороге, а разработанная система позволяет либо избежать ее, либо свести к минимуму тяжесть ее последствий.

Анализ выше перечисленных этапов позволил сделать следующие выводы:

Условия труда оператора и разработчика системы допустимы. По критериям оценки напряженности трудового процесса, мы приходим к выводу о том, что обслуживание системы с ее характеристиками, свойствами и требованиями не принесет особого вреда здоровью оператора.

Предложенные мероприятия, по мнению авторов, достаточно эффективно улучшают условия труда и способствуют снижению нагрузок на организм человека, занимающегося определенной деятельностью.

При соблюдении пожарных норм и требований, а именно использование теплостойких изоляционных материалов и современной системы пожарной сигнализации, система становиться безопасной для работы оператора и не наносит вреда окружающей среде. Более того, система позволяет предотвращать возникновение аварий, способных нанести значительный ущерб окружающей среде, например, взрыв цистерны с горючим или вредными веществами.

Выводы

В данном разделе был проведен анализ условий труда, степени тяжести и напряженности трудового процесса. Была произведена оценка трудового процесса оператора. В ходе проведения анализа учитывались все показатели, оценивающие работу разработчика, и по каждому из них в отдельности определялся свой класс условий труда. Предложены мероприятия по улучшению условий труда, в результате выявления нагрузок, выходящих за рамки допустимых. Произведен системный анализ работоспособности информационной системы и выявлены возможные причины отказа системы.

Заключение

На основании анализа систем аналогов [1-4] обоснована актуальность и постановка задачи создания автоматизированной телекоммуникационной системы для динамического контроля состояния железнодорожного состава.

Осуществлен выбор математического аппарата и произведена адаптация его для целей системы, получена новая редакция выражения логического определителя. Разработаны оригинальные схемы реляторных процессоров и приведен подробный анализ их особенностей, регламентирующий их прикладное использование.

Разработаны в виду приведенных реляторных процессоров структурные схемы альтернативных вариантов подсистем контроля динамического состояния вагона.

Предложены обобщенный (в вербальном описании) алгоритм функционирования системы контроля состава и структура связи.

Список использованных источников

1.         Базовая подсистема ПОНАБ-3. Руководство по эксплуатации. 1984.

2.      Базовая подсистема Диск-Б для автоматического обнаружения перегретых букс на ходу поезда. Техническое описание. 78Б ТО. МПС СССР Уральское отделение, 1988.

.        Базовая подсистема АСДК-Б. Руководство по эксплуатации. 2003.

.        «Современные Технологии Автоматизации». Журнал. № 2 1997 г. Стр. 74.

.        «Автоматика, связь, информатика». Журнал. № 2, 2004 г. Стр. 5.

.        «Автоматика, связь, информатика». Журнал. № 10, 2005 г. Стр. 24.

.        Коноваленко А.В., Самойленко А.П. Современная концепция построения АИУС. VII Всероссийская научная конференция с международным участием. Тезисы. Таганрог 2004.

.        Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах: Учебник для вузов / В.И. Нефедов, В.И. Хахин, Е.В. Федорова и др.; Под ред. В.И. Нефедова. - М.: Высш. шк., 2001. - 383 с.: ил.

.        Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование.: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

.        Левин В.И. Бесконечнозначная логика в задачах кибернетики. - М.: Радио и связь, 1982. - 176 с., ил.

.        Коноваленко А.В., Самойленко А.П. Синтез локально-мобильных систем контроля динамического состояния железнодорожного состава. «Всероссийский конкурс на лучшие работы студентов по техническим наукам (проекты в области высоких технологий)» в 2-х томах. Тезисы проектов -М.: МИЭМ, 2004 - 625 с.

.        Вишневский В.М., Ляхов А.И. и др. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. Москва: Техносфера. 2005. - 592 с.

.        Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. - СПб.: Питер, 2006. - 958 с.: ил.

.        Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; Под ред. А.П. Пятибратова - М.: Финансы и статистика, 2004. - 512 с.: ил.

.        Карташевский В.Г., Семенов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. - М.: Эко-Трендз, 2001.

.        Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы радиодоступа. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 384 с.: ил.

.        Гузик В.Ф., Гармаш А.Н., Евтеев Г.Н. Микропроцессорные системы: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 71 с.

.        Брусницын Ю.В. - МУ по выполнению курсовых и дипломных работ на тему «Экономическое обоснование инженерных разработок». Таганрог 1993.-42с. №2055.

.        Бакаева Т.Н. - Методическая разработка к самостоятельной работе по курсу «Безопасность жизнедеятельности». Таганрог 1995. -18с. №2378.

.        Бакаева Т.Н, Ткачев И.И. - в помощь дипломнику: Методическая разработка к разделу «Безопасность и экологичность» в дипломном проекте (работе) для студентов всех специальностей. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. - 51с. №3077.

.        Новосельцева О.Н. Учебно-методическое пособие к выполнению практической работы «Оценка и меры по снижению тяжести и напряженности трудового процесса» по курсу «Безопасность жизнедеятельности». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. 28 с. № 3417.

.        Бакаева Т.Н. - Безопасность жизнедеятельности. Часть 2. - Таганрог, 1997. -318с.

Приложение А

Таблица 1 - Технические характеристики Радиотрансиверы MC13191 и MC13192 стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee

Таблица 2 - Технические характеристики радиотрансиверов MC13201 и MC13202 стандарта IEEE 802.15.4/ZigBee

Таблица 3 - технические характеристики микроконтроллеров, интегрированных в микросхемы МС1321х

Рисунок 1 - Режимы работы микроконтроллеров семейства MC9S08GTxx.

Таблица 4 - технические характеристики однокристальных микросхем MC1322xx