Автоматизированные системы управления на железнодорожном транспорте

Автоматизированные системы управления на железнодорожном транспорте

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Автоматизированные системы управления на железнодорожном транспорте

Введение

управление автоматизация железнодорожный

Перед нами стоит задача разработки автоматизированной системы управления шлагбаумом на ж/д переезде, которая отвечает за безопасное передвижение автомобильного транспорта через железнодорожный переезд.

Есть целый класс устройств, которые могут работать без непосредственного участия человека, к ним относятся:

·        Устройства, работающие по установленному ранее временному алгоритму

·        Устройства, работающие под управление процессора (микроконтроллера)

Устройства, которые работают по заданному временному алгоритму, называются программируемыми таймерами. В них прописывается нужное время включения светофора (симафора) и время открытия и закрытия шлагбаумов перекрывающих, или открывающих ж/д переезд.

Системы, работающие под управлением процессора (микроконтроллера), образно можно назвать интеллектуальными системами управления. Такие системы управляют движением в зависимости от конкретно сложившейся ситуации на вверенном под управление данной системы отрезке железнодорожного пути.

Ж/д переезды, на которых наблюдается интенсивное движение автотранспорта оснащаются именно такими системами управления. Они имеют ряд существенных преимуществ перед другими системами, основными из которых можно выделить:

· надежность

· дешевизна в обслуживании

· отсутствие человеческого фактора

В данной курсовой работе для построения автоматизированной системы управления использовались:

Микроконтроллер PIC 16F84A, устройство световой сигнализации, контактные датчики, оптрон. Устройство будет работать на микроконтроллере PIC16F84А, в системе виртуального моделирования Proteus и как следствие возможностью действия в реальном времени, без использования физических аппаратных частей системы управления.

1. Анализ систем управления железнодорожным переездом

Пересечения автомобильных дорог с железнодорожными путями в одном уровне являются наиболее сложными и опасными элементами дорожной сети, оказывающими существенное влияние на эффективность эксплуатации автомобильного и железнодорожного транспорта в целом.

Проблема железнодорожных переездов является очень важной еще и потому, что более половины от общего числа переездов составляют регулируемые переезды, расположенные на маршрутах основных пассажирских перевозок. ДТП на этих переездах сопровождаются, как правило, большим количеством пострадавших.

Железнодорожные переезды, как объекты повышенной опасности, на которых железнодорожный транспорт имеет преимущество в движении перед всеми остальными видами транспорта, согласно требованиям нормативных актов железнодорожного транспорта (Инструкция по эксплуатации железнодорожных переездов МПС России) должны быть оборудованы необходимыми устройствами, обеспечивающими безопасность движения, улучшающими условия пропуска поездов и транспортных средств.

Одной из первоочередных задач в решении проблемы снижения риска возникновения ДТП на железнодорожных переездах является совершенствование технической оснащенности участков автомобильных дорог в границах переездов и на подходах к ним.

2. Разработка автоматической системы управления

Разработка функциональной схемы автоматической системы управления

Устройство должно будет выполнять следующие действия:

·        Получать данные с контактного датчика

·        Проверять данные с фотодатчика

·        Включать и отключать устройства регулировки движением

Принцип действия АСУ

Учитывая скорость передвижения современных ж/д составов, датчик D1 оповещающий систему о приближении поезда рекомендуется устанавливать на расстоянии от переезда 2-5 км, в зависимости от интенсивности транспортного движения через ж/д переезд. Соответственно в программу прошивки микроконтроллера вносят изменения в временные интервалы, которыми будет руководствоваться система автоматического управления.

При срабатывании датчика D1, сигнал о приближении поезда по проводной, или иной связи, подается в микроконтроллер. Микроконтроллер, условно говоря принимает решение о закрытие ж/д переезда для автомобильного транспорта. Команда о закрытие переезда подается на средство световой сигнализации(светофор), который начинает процедуру перехода разрешающего сигнала в запрещающий. После переключения световой сигнализации в запрещающий режим, опрашивается датчик FD, который сигнализирует систему о наличии, или отсутствии помехи (автомобиля) в районе работы шлагбаума. Если такая помеха отсутствует, то поступает сигнал на закрытие шлагбаума.

После того как последний вагон состава пересек район ж/д переезда, срабатывает датчик D2, который подает соответствующий сигнал в микроконтроллер. Микроконтроллер с учетом временных интервалов осуществляет процедуру открытия ж/д переезда для автомобильного транспорта.

Основываясь на данных с блок-схемы и алгаритма работы АСУ приступим к разработке принципиальной схемы устройства автоматического управления ж/д переездом.

3. Компоненты Автоматической системы управления

Контактный датчик

Контактный датчик представляет собой пару электрических контактов, замыкаемых некоторым подвижным устройством, оказывающим давление на этот датчик. Роль такого датчика чаще всего выполняет стандартный кнопка-выключатель. Для считывания информации с датчика в программном эмуляторе предусмотрена функция ввода в порт микроконтроллера.

Наиболее простыми и надежными являются контактные датчики цели реакционного типа, выполненные в виде двух изолированных контактов. Один из контактов выполнен в виде центрального электрода, жестко соединенного с несущим корпусом, а другой - в виде наружной оболочки, размещенной относительно центрального электрода с зазором. При этом наружная оболочка является чувствительным элементом датчика. При оказании давления на наружную оболочку, происходит замыкание контактов датчика рис. 1.

Рис. 1 Универсальный влагозащищенный контактный датчик, регулируемый по высоте, длина 63 мм

В настоящее время контактные датчики применяются практически во всех областях техники: Машиностроение, авиация, охранные системы, автоматические электронные устройства и т.д.

Фото датчик (оптрон)

Фотодатчики состоят из источника излучения, фотоприемника, преобразователя сигнала и усилителя сигнала. Приемник анализирует поступивший световой поток, проверяет, поступил ли он от источника излучения и передает соответствующий сигнал на усилитель и далее на исполнительное устройство. По сравнению с другими типами датчиков, фотодатчики обладают рядом преимуществ. Диапазон действия фотодатчиков существенно превосходит индуктивные, емкостные и другие виды датчиков. Высокая чувствительность даже при миниатюрном исполнении и многочисленные варианты конструкций корпуса позволяют фотодатчикам решать практически любые задачи.

Фото датчики существуют трёх типов: сквозной тип, отражение от объекта и отражение световозвращателя и с применением двух датчиков, приёмника и датчика излучателя. Все типы фото датчиков широко используются в промышленном оборудовании.

Фотодатчики сквозного типа рассчитаны на большое расстояние срабатывания, так как имеют фотоприёмник.

Расстояние срабатывания таких фотодатчиков, а точнее прерывания луча достигает 30 метров. Такие фотодатчики в основном устанавливаются в такие места, где нужно большое расстояние прерывания, от 30 сантиметров до десятков метров.

Фотодатчики, срабатывающие от присутствия объекта, рассчитаны на расстояние срабатывания до 30 сантиметров. Такие фотодатчики устанавливаются в автоматические линии, где отсутствует влага и пыль. Если на фотодатчик попадает влага или пыльная среда со временем создаёт помеху фотодатчику, то возможно некорректное срабатывание от этих воздействий.

Фотодатчики с отражением от световозвращателя являются бюджетной альтернативой фотодатчиков сквозного типа. У них вместо фотоприёмника стоит обычный отражатель. Конструкция имеет меньшее расстояние срабатывания и меньшую стоимость, что может хорошо сказаться на большой партии производимого оборудования. Фотодатчики с отражением от световозвращателя требуют обязательной чистоты отражателя. При запылённости отражателя возможно некорректное срабатывание фотодатчика.

В системе автоматизации ж/д переезда я предлагаю использовать датчик сквозного типа. В качестве такого датчика можно использовать фотодатчики отражательного типа с ограниченной дальностью действия серии EX и конкретно датчик EX-03N. Рис. 2.

Рис. 2. EX-03N

Техническая характеристика датчика:

Небольшие размеры и дальность действия. Защита от перегрузки и переполюсовки. Тип - отражение от объекта. Дальность действия: 25.0 мм; 70.0 мм. Время отклика 1 мс. Напряжение питания 10…30В постоянного тока; пульсации < 20%. Потребляемый ток 15мА. Выход NPN транзистор с открытым коллектором. Состояние выхода н.о. Макс. ток нагрузки - 150 мА макс. Падение напряжения 0.1В макс. Ток утечки 0.8 мА. Схема защиты - защита от КЗ и переполюсовки. Гистерезис - 20% от макс. дальности действия. Внешнее освещение искусственное < 20000 Лк; естественное < 5000 Лк. Прочность изоляции 1кВ (1 мин.). Подключение - кабель (3 провода х 3 м). Рабочая температура от минус 20 до +80°С; 35% - 85% RH. Класс защиты IP-65.

Принципиальная схема датчика представлена на рис. 3

Рис. 3. Принципиальная схема датчика EX-03N

В качестве фото датчика, в системе виртуального моделирования использовался оптрон рис. 6. Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник). Идея создания и применения оптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E.E. «Optoelectronic devices network» была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложен и термин «оптрон», образованный как сокращение от английского «optical-electronic device».

Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя принципы, оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементарной базе - неэффективных и инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением не находящим применения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно дополняющую традиционную микроэлектронику.

В данном проекте выше обозначенный датчик подключен к микроконтроллеру через отдельный вывод порта А.

Рис. 4. Оптрон

Микроконтроллер

Микроконтроллер PIC16F84 Pис.5, относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64 байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Пользователи, которые знакомы с семейством PIC16C5X могут посмотреть подробный список отличий нового от производимых ранее контроллеров. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (1 мкс при 4 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (2 мкс). PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер / счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода / вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. входной ток, 20 мА макс. выходной ток) линий ввода / вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchiр) и программатором.

Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода / вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Рис. 5 Микроконтроллер PIC 16F84A

Обозначения ножек и их функциональное назначение

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14 - битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16F84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Рис. 9 структурная схема PIC16F84

Заключение

Железнодорожные переезды, являются объектами повышенной опасности. Внедрение новых технологий автоматизации регулировки движения, позволяют не только решать задачи безопасности, но также облегчают их обслуживание и мониторинг.

Кроме того, современные системы автоматизации - это не просто дань моде, они имеют и экономические преимущества:

         в автоматическом режиме строго соблюдается безопасное состояние переезда, т.к. исключается влияние человеческого фактора;    

      нет необходимости выезжать содержать штат работников для обслуживания переезда;

      система, построенная из современных компонентов, требует меньше затрат на свое обслуживание.

Разработанная система управления, подходит для обслуживания железнодорожных переездов с различной интенсивностью движения.

Список литературы

1.       Цифровая схемотехника: Учебник для сред. проф. Образования / Ирина Михайловна Мышляева. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 400 с. Мышляева И.М.

.        «Цифровая схемотехника», Угрюмов Е.П., 2004.

.        С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления/Л., Машиностроение, 1987 г. - 640 с.

.        Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник/ В 2 томах. Под ред. В.А. Шахнова. - М., Радио и связь, 1988 г.

.        Р. Холланд. Микропроцессоры и операционные системы. Краткое справочное пособие. - М., Энергоатомиздат, 1991 г.