Metodichki_SAP_9_semestr / Лаб. роб. № 16. М_кроелектронна система АЛС-ЕН

8

Лабораторная работа № 16

Микроэлектронная система АЛС-ЕН

Цель работы. Изучить структуру системы и принцип работы ее основных функциональных узлов. Синтезировать модулятор двукратной фазоразностной модуляции.

Общие сведения

Система автоматической локомотивной сигнализации АЛС-ЕН предназначена для передачи следующей информации с пути на локомотив: число свободных блок-участков (до шести) впереди поезда; скорость проследования очередного светофора (16 градаций от 0 до 200 км/ч); длина впереди лежащего блок-участка (два значения — больше или меньше тормозного пути нормативного поезда); путь, по которому движется поезд по перегону (главный путь станции или отклонение на боковой); приближение поезда к закрытому светофору (красно-желтый огонь КЖ); движение поезда по пригласительному сигналу (белый мигающий огонь БМ); номер пути (четный или нечетный) при двухпутной организации движения (зашита от подпиток с соседних путей); четный или нечетный блок-участок данного пути (защита от подпиток от смежных блок-участков и из-под колес впереди идущего поезда).

Для передачи указанного объема информации необходимо иметь 256 разрешенных кодовых комбинаций, что требует минимум восемь бит без избыточного кода. Однако по условиям безопасности движения поездов требуется высокая помехозащищенность передачи информации и, как следствие, введение контрольных символов в кодовые комбинации, что увеличивает длину кодовой последовательности и время передачи одного сообщения.

Для уменьшения времени передачи информации и обеспечения высокой помехозащищенности в системе АЛС-ЕН используется двукратная фазоразностная модуляция, позволяющая организовать два независимых фазовых подканала. В каждом из подканалов используются восьмиразрядные комбинации самосинхронизирующегося модифицированного кода Бауэра с кодовым расстоянием d = 4 (четыре информационных разряда и четыре контрольных). Это позволяет в каждом фазовом подканале иметь 2=16 кодовых комбинаций, что обеспечивает общую значность системы 16x16 = 256.

Использование в системе АЛС-ЕН двукратной фазоразностной модуляции и помехозащищенного кодирования позволяет значительно уменьшить мощность передающих устройств, так как необходимый уровень полезного сигнала на входе приемника достигается при сигнальном токе в конце рельсовой линии 0,15 А, что в 8—10 раз меньше, чем в системе АЛСН, и в 2 раза меньше, чем в системе АЛСЧ. Все сообщения в системе АЛС-ЕН передаются с пути на локомотив по рельсовому индуктивному каналу связи, причем использован один частотный канал (присвоенная частота 175 Гц), что по сравнению с АЛСЧ позволяет в 5 раз уменьшить диапазон используемых частот и тем самым упростить приемные и передающие устройства системы. Скорость передачи информации в каждом фазовом подканале 10,9 бит/с.

Система АЛС-ЕН относится к классу непрерывных систем и содержит в своем составе путевые и локомотивные устройства (рис. 10.1).

П

Рис. 10.1. Структурная схема системы АЛС-ЕН

о беспрерывному каналу связи (НКС) системы АЛС-ЕН на локомотив передается оперативная информация о наличии или отсутствии препятствия для движения поездов на впередилежащих участках пути. На перегоне такими препятствиями является подвижной состав и нарушения целости рельсовой линии. Кроме того, на станции дополнительные ограничения скорости имеют место при движении по стрелочным переводам с отклонением.

Условия передачи сигналов из пути на локомотив по НКЗ характеризуются высоким уровнем сосредоточенных, а также флуктуационных и импульсных помех. Наличие мощных сосредоточенных помех в виде гармоник тягового тока делает практически возможной передачу сигналов только в сравнительно узкой полосе частот порядка 15 Гц. Это обстоятельство рядом со временем изменения показаний локомотивного индикатора накладывает ограничения на объем информации, переданной по беспрерывному каналу связи. Поэтому способ передачи и алгоритм обработки информации НКС системы АЛС-ЕН выбирались из условий обеспечения передачи необходимого объема информации с заданной инерционностью, при ограничениях на полосу частот канала, а также среднюю мощность передатчика, для обеспечения максимальной достоверности в содержании вероятностей трансформации и подавления сообщения.

В НКС входят следующие устройства: формирователь сигналов (ФС), блок усиления мощности (БУМ - 175) и устройство защиты и согласования (УЗС). Подробная структурная схема непрерывного канала связи представлена на рис. 10.2. На ней видно, что ФС представляет собой несколько устройств - модулятор (М), задаюший генератор (ЗГ) и два датчика кодовых комбинаций (ДКК1 и ДКК2); БУМ - усилитель мощности (УМ) и трансформатор кодовый универсальный (ТКУ).

Рис. 10.2. Структурная схема путевой аппаратуры НКЗ системы АЛС-ЕН.

В модуляторе формируются комбинации модифицированного кода Бауэра и фазоманипулированный сигнал (ФМС). Блок усиления мощности БУМ, который обеспечивает необходимый ток ФМС на входном конце рельсовой линии. Устройство защиты и согласование УЗС служит для общего подключения к рельсовой линии передающей аппаратуры АЛС-ЕН и автоблокировки с учетом обеспечения совместимости этих систем.

Как метод модуляции в НКС системы АЛС-ЕН принято использовать двукратную фазоразностную модуляцию, при которой представляется возможным передать с пути на локомотив 16 значений контролируемой скорости Vк с помощью комбинаций с минимальным кодовым расстоянием d^к = 4. При этом имеет место параллельная структура организации кодового цикла, когда по одном подканалу передаются кодовые комбинации, а по другому - сигнал цикловой синхронизации (ЦС) в виде сосредоточенных синхрогрупп (СГ) той же разрядности, что и кодовые комбинации. Использование в качестве СГ нескольких кодовых слов разрешает увеличить объем переданной информации. Это же разрешает реализовать кодовую защиту по сигналу ЦС от сигналов сопредельных блок-участков и путей на перегоне и станциях. В результате обработки сигналов от сопредельных блок-участков может быть получена скорость Vк, не предназначенная данному локомотиву.

Техническая реализация такой защиты не требует резкого увеличения расходов на аппаратуру и не связанная с важными трудностями в сравнении с защитой по частотному признаку. Использование двукратной ФРМ эффективно и с точки зрения помехоустойчивости, так как она практически не уступает частотной модуляции и в 2 раза лучше по мощности в сравнении с амплитудной.

Структура сигнала ЦС выбиралась из условий обеспечения равенства нулю вероятности получения ошибочной СГ, при выделении сигнала цикловой синхронизации методом скользящего поиска при поразрядном сдвиге и отсутствия помех. Суть указанного метода заключается в том, что информационный сигнал с выхода подканала синхропризнаков по сигналу тактовой синхронизации записывается в регистр смещения, к выходу которого подключен дешифратор синхрогруппы. На выходе дешифратора сигнал появляется в том случае, когда в регистре смещения будет записано кодовое слово, структура которого совпадает с структурой СГ. Использование указанного способа выделения синхросигнала обусловлено наличием потерь информационного сигнала при проезде зон изолирующих стыков.

Вероятность получения разрешенной кодовой комбинации в результате обработки сигналов сопредельного блок-участка или пути зависит от структуры СГ и кодовых комбинаций в информационном подканале. В качестве СГ в синхроподканале и кодовых комбинаций в информационном подканале принято использовать комбинации модифицированного кода Бауэра определенной структуры. Используемая структура модифицированного кода Бауэра представляет собой 8 разрядов, где первая половина – это информационные разряды, а вторая половина – это проверочные разряды. Значение символов проверочной части комбинации определяется в такой способ: если , то , , , , если , то , , , . При модифицированном коде Бауэра вероятность получения ошибочной кодовой комбинации будет определятся, в основном, режимом работы кода в информационном подканале. Поэтому для уменьшения вероятности трансформации одной кодовой комбинации в другую разрешенную, рассмотренный код принято использовать в режиме выявления ошибок. При задействовании в информационном и синхроподканале комбинаций модифицированного кода Бауэра достигается максимальное использование корректирующей способности кода. Этот код обеспечивает максимально возможную (при заданном числе СГ) эффективность кодовой защиты от сигналов сопредельных блок-участков и путей на перегоне и станциях по сигналу цикловой синхронизации.

Обработка информации НКС системы АЛС-ЕН сводится к выполнению основных операций:

• выделению сигнала ЦС методом скользящего поиска при поразрядном сдвиге;

• обеспечению кодовой защиты от сигналов сопредельных блок-участков и путей по сигналу ЦС;

• декодированию комбинаций модифицированного кода Бауэра;

• принятию решения о текущем значении контролируемой скорости по первой разрешенной кодовой комбинации в течение защитного времени интервала, равного времени изменения показаний локомотивного индикатора (локомотивного светофора).

Использование модифицированного кода Бауэра при двукратной ФРМ разрешило организовать надежный канал передачи информации из пути на локомотив в системе АЛС-ЕН. При этом обеспечивается передача 256 сообщений в полосе частот порядка 15 Гц на присвоенной несущей частоте 175 Гц. Причем время изменения показаний на локомотивном индикаторе не превышает 3 с.

При ФРМ информация передается с помощью разности фаз несущего колебания двух соседних элементарных посылок Δφ. В таблице 10.1 приведенная зависимость разности фаз Δφ несущего колебания соседних элементарных посылок от значений двоичных символов в подканалах.

Таблица 10.1

Двоичные символы		Δφ, град
1ПК	2ПК
0 1 0 1	0 0 1 1	0 +90 -90 180

Структурная схема модулятора, построенная по указанному выше принципу, содержит задающий генератор ЗГ, делитель частоты на 2^е Д, схему тактовой синхронизации СТС, схемы исключения СВ и добавление - исключение СДВ, двохразрядный счетчик с параллельным переносом НРС и ПРС. Поскольку в приведенной схеме реализуется косвенный метод управления колебаниями задающего генератора, то его частота устанавливается равной fн для возвышения стабильности частоты (fн - частота несущего сигнала). Значение ее выбирается с учетом частоты f_н и элементной базы. Сигнал тактовой синхронизации определяет моменты манипуляции (границы элементарные посылок сигнала). Частота синхронизации F_синхр выбирается из условия F_синхр ≤0,1f_н и определяется скоростью передачи информации.

Построение некогерентного демодулятора сигналов из двукратной ФРМ в локомотивном приемнике системы АЛС-ЕН основано на непосредственном измерении информационного параметра ФМС — разности фаз двух соседних элементарных посылок методом однократной пробы. Суть указанного метода заключается в том, что измерение Δφ сводится к измерению временного интервала между измерительными фронтами, моменты появления которых задаются сигналом тактовой синхронизации, формированным в демодуляторе с помощью системы фазовой автоподстройки частоты. Временное положение измерительных фронтов сигнала отвечает максимальному отношению сигнал/помеха на продолжительности элемента ФМС (в момент, когда переходные процессы во входном полосовом фильтре заканчиваются).

Рис. 10.3. Формирователь сигналов.

Формирователь сигналов содержит в себе три идентичных комплекта, каждый из которых состоит из датчика кодовых комбинаций ДКК, двух систем выбора кодовых комбинаций СВКК и модулятора двукратной относительной фазовой модуляции М (рис. 10.3.). Правильность работы ФС проверяется блоком контроля, который выполняет мажоритарную функцию “2 из 3”, причем сам блок контроля защищен от опасных отказов тем, что в нем примененные логические элементы с односторонними отказами. Для синхронизации комплектов ФС при его включении или при кратковременном сбое служит специальное устройство перезапуска.

Формирователь сигналов имеет две группы по 16 входов для выбора кодовой комбинации соответственно в первому I ПК и в II ПК фазовых подканалах сигнала. Необходимая кодовая комбинация выбирается соединением соответствующего входа с выходом общего провода ФС. Это соединение можно проводить через контакты сигнальных реле Ж и З автоблокировки или непосредственно перемычкой. В первом случае контактами сигнальных реле выбирается кодовая комбинация, которая отвечает состоянию впереди лежачих блок-участков или псевдоблок-участков. Во втором случае - информацию, которая характеризует впередилежащий псевдоблок-участок: ее длину, уклон, наличие отклонений по стрелкам на боковые пути станции.

Формирователь сигналов питается от отдельного блока питания в виде выпрямителя, фильтра и трех стабилизаторов постоянного напряжения, каждый из которых служит для питания одного комплекта устройств формирования сигналов.

Формирователь сигналов имеет диагностические входы, к которым подключается реле частичного ЧО и полного ПО отказа. При нормальной работе ФС эти реле находятся под током.

При переходе формирователя сигналов на работу с двумя комплектами устройств, при отказе одного из трех комплектов, обесточивается реле ЧО, контакты которого включаются в цепь диспетчерского контроля. Работоспобность путевых устройств при этом сохраняется, что дает запас времени на восстановление полной исправности аппаратуры. Аналогично реле ЧО обесточивается при возникновении большинства неисправностей в схеме контроля и в блоке питания, которые приводят к переходу ФС на работу с двумя комплектами.

При отказе двух или трех комплектов устройств ФС, полному отказу схемы питания и контроля обесточивается реле ПО, что сигнализирует о полном прекращении передачи информации системы АЛС-ЕН. Обесточившись реле ПО своими контактами подключает аппаратуру АЛСН и сигнализирует о прекращении работы аппаратуры АЛС-ЕН соответствующим сигналом, который посылается в цепь диспетчерского контроля. Кроме того, по состоянию реле ЧО можно диагностировать неисправность: если реле ЧО находится под током, а реле ПО обесточено, то отказ состоялся в исходных каскадах блока контроля; если же оба реле без тока, то отказ состоялся в комплектах устройств ФС или в блоке питания.

Фазоманипуляционный сигнал (ФМС) из выхода формирователя сигналов ФС поступает на блок усилителя мощности (БУМ). БУМ представляет собой двухкаскадный усилитель мощности с ключевым режимом работы транзисторов. Через трансформатор ТКУ блок БУМ подключается к устройствам защиты и согласования с тональным рельсовыми цепями. Рельсовая цепь регулируется по сигналам АЛС-ЕН подбором напряжения на вторичной обмотке трансформатора ТКУ, первичная обмотка которого подключена к выходу усилителя мощности БУМ - 175. Питание блоков усилителя мощности и питания осуществляется с помощью трансформатора типа ПОБС - 5.

На блоках ФС и БУМ есть светодиодная индикация, которая характеризует режимы работы этих блоков.

При разработке аппаратуры предусмотренная возможность самостоятельного применения в других системах блока БУМ (вместе с трансформатором ТКУ) как усилителя сигналов низкой частоты и блока питания. Блок питания возможно применить для питания разных устройств автоматики, построенных на интегральных микросхемах.

Основные технические характеристики путевой аппаратуры системы АЛС-ЕН следующие:

Напряжение питания - В;

Потребляемая мощность от сети блоком БУМ - 60 В·А;

Потребляемая мощность от сети блоков питания и ФС - 35 В·А;

Несущая частота - 174,38 Гц;

Число фазовых подканалов - 2;

Число кодовых комбинаций в каждому фазовом подканале - 16;

Амплитудное значение ФМС - не менее 3 В;

Сопротивление нагрузки ФС - не менее 100 Ом;

Напряжение на выходах ЧО и ПО при исправном ФС - не менее 4 В;

Сопротивление нагрузки ЧО и ПО блоку ФС - не менее 240 Ом;

Напряжения питания блока питания - 9,8 В или 17,1 В;

Номинальное напряжение на трех выводах блока питания - 5 В;

Максимальный потребляемый ток ФС по трем выводам - 0,9 А; 1,8 А; 0,9 А;

Максимальная исходная мощность блока БУМ - 50 В·А;

Максимальный потребляемый ток блока БУМ - не больше 4 А;

Рабочая температура окружающей среды – от -45 к +65 С;

Габаритные размеры блоков, мм

Блок ФС 216 х 134 х 293

Блок питания 201 х 134 х 265

Блок БУМ 201 х 134 х 265

Трансформатор ТКУ 145 х 110 х 175

Блок БК 158 х 134 х 200.

Как видно из последнего пункта габариты блоков ФС, питание и БУМ такие же как в двухэлементного секторного реле типа ДСШ и их можно разместить в корпусе этого реле.

Локомотивные устройства системы АЛС-ЕН содержат приемные катушки КПУ-2, блок электронный локомотивный БЭЛ, блок индикации локомотивный БИЛ и блок коммутации цепей локомотива БКЦЛ.

В блок БЭЛ входят приемник сигналов АЛС-ЕН, измеритель скорости движения поезда с датчиком пути и скорости ДПС, устанавливаемым на редукторе или буксе локомотива. Блок БЭЛ осуществляет декодирование сигналов АЛС, логическую обработку информации в результате сравнения фактической, контролируемой и допустимой скоростей движения поезда, контроль функционирования аппаратуры и формирование сигнала управления клапаном экстренного торможения.

На блоке индикации БИЛ имеются сигнальные лампы желто-красного, красного и белого огней, назначение которых аналогично назначению соответствующих ламп на локомотивном светофоре системы АЛСН. Эти лампы имеют повторители на боковой стенке блока БИЛ в зоне видимости помощника машиниста. Лампа белого огня используется для индикации работы локомотивной аппаратуры при отсутствии сигналов в рельсовой линии и для индикации движения поезда по пригласительному сигналу в мигающем режиме. Индикация свободности пути впереди поезда осуществляется шестью светодиодными индикаторами, позволяющими информировать машиниста о свободности до шести блок-участков. Семисегментные светодиодные индикаторы отражают показания фактической скорости движения поезда и контролируемой скорости движения, т. е. скорости, которую поезд должен иметь в конце данного блок-участка. При достижении поездом допустимой скорости движения происходит экстренное торможение поезда. Для предупреждения машиниста об этом в системе предусмотрена предварительная световая сигнализация контроля бдительности, которая включается за 3—6 с до включения свистка электропневматического клапана. Через блок коммутации цепей локомотива БКЦЛ с устройствами БЭЛ связаны датчики информации о режиме работы локомотива: контакты контроллера машиниста К и рукоятки реверса РР (для определения направления движения поезда и предотвращения скатывания), контакты рукоятки (педали) бдительности РБ и кнопки выключения красного огня ВК при движении локомотива по некодируемому участку. Через блок БКЦЛ к устройствам БЭЛ подключен электропневматический клапан экстренного торможения ЭПК. Основное назначение блока БКЦЛ — гальваническая развязка и согласование сигналов управления цепями локомотива.

Безопасность движения поездов при функционировании системы АЛС-ЕН достигается введением структурной избыточности в аппаратуру. Путевая аппаратура выполнена в виде троированной мажоритарной структуры, а локомотивная — в виде дублированной структуры.

2. Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Структурная схема системы АЛС-ЕН с кратким описанием назначения каждого блока.

3. Преимущества системы АЛС-ЕН по сравнению с другими системами АЛС.

4. Технические характеристики системы АЛС-ЕН.

5. Ответы на контрольные вопросы.

3. Контрольные вопросы

1. Работа формирователя сигналов системы АЛС-ЕН.

2. Какая информация передаётся в системе АЛС-ЕН?

3. Почему в системе АЛС-ЕН выбран был модифицированный код Бауэра?

4. Суть метода скользящего поиска.

5. Построение модифицированного кода Бауэра.

6. Построение фазоманипулированного сигнала.

7. К чему сводится обработка информации в непрерывном канале связи?

8. Работа демодулятора.

9. Работа реле ЧО формирователя сигналов.

10. Работа реле ПО формирователя сигналов.

11. Какая необходимость организации каналов синхронизации и информационного?

12. Какие функции выполняет блок БЭЛ?

13. Какая индикация предусмотрена в блоке БИЛ?

14. Проверка бдительности машиниста.

Литература

1. Системы железнодорожной автоматики и телемеханики. Учебник для вузов. Ю. А. Кравцов, В. Л. Нестеров, Г. Ф. Лекута и др. Под ред. Ю. А. Кравцова. М.: Транспорт, 1996. 400 с.