Автоматическая система управления железнодорожным переездом

Охраняемые  переезды на перегонах оборудуют  автоматической светофорной сигнализацией  с зеленым (лунно-белым) огнем или  без зеленого (лунно-белого) огня с  автоматическими шлагбаумами. Охраняемые переезды на станциях оборудуют оповестительной  сигнализацией с зеленым (лунно-белым) огнем и полуавтоматическими  электрошлагбаумами, которые закрываются  автоматически, а открываются нажатием кнопки дежурным работником. В исключительных случаях допускается использование  автоматической оповестительной сигнализации с электрошлагбаумами.

На охраняемых переездах устраивают заградительную сигнализацию. В качестве заградительных светофоров можно использовать станционные  и перегонные светофоры, расположенные  от переезда на расстоянии не более 800 м и не менее 16 м при условии  видимости переезда с места их установки. Если нельзя использовать перечисленные  светофоры, то устанавливают заградительные светофоры на расстоянии не менее 15 м от переезда. Заградительные светофоры  устанавливают на однопутных участках с двух сторон от переезда, а на двухпутных участках по правильному пути. Заградительные светофоры устанавливают по неправильному  пути в следующих случаях: на двухпутных участках, оборудованных двусторонней АБ; при регулярном движении по неправильному  пути; в пригородных зонах крупных  городов при движении свыше 100 пар  поездов/сут. Установка заградительных светофоров для движения поездов по неправильному пути допускается с левой стороны.

 

Если требуемая  видимость заградительного светофора  не обеспечивается, то на участках, не оборудованных АБ, впереди такого светофора устанавливают предупредительный  светофор, по форме одинаковый с  заградительным и подающий сигнал желтым огнем при красном огне основного  светофора и негорящий — при погашенном огне основного светофора. Все охраняемые переезды, расположенные на участках с АБ, должны быть оборудованы устройствами для переключения ближайших к переездам светофоров АБ на запрещающие показания при возникновении препятствия для движения поездов.

Охраняемые  переезды на подъездных и других путях, оборудуют светофорной сигнализацией  с электрическими, механизированными  или ручными шлагбаумами, а неохраняемые — светофорной сигнализацией. В обоих случаях устанавливают светофоры с красным и зелеными огнями, управляемые дежурным работником, составительской (локомотивной) бригадой или автоматически при вступлении поезда на датчики.

 

2. Разработка автоматической системы  управления.

2.1 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

Структурная блок схема АСУ представлена на рис.1.

                                                                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Структурная блок схема устройства.

 

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.

Принципиальная  схема АСУ представлена на рис.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Комноненты 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.3.

 

Рис.3 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 фототодатчики  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  предлогаю 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.4.

 

Рис. 4 датчик EX-03N

 

Техническая хорактеристика датчика:

Небольшие размеры и дальность действия. Защита от перегрузки и переполюсовки. Тип - отражение от объекта. Дальность  действия: 25.0мм; 70.0мм. 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 3м). Рабочая температура от минус 20 до +80°С; 35% - 85% RH. Класс защиты IP-65.

Принципиальная  схема датчика представлена на рис.5

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Принципиальная схема датчика EX-03N

 

В качестве фото датчика, в системе вертуального 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 вешеобозначеный датчик подключен к микроконтроллеру через отдельный вывод порта А.

Рис.6. Оптрон.

 

Микроконтроллер.

Микроконтроллер PIC16F84 Pис.7, относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается  тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ,  8-битовые  данные  и 64байт 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.