Автоматизация и механизация сортировочных

В начале 90-х гг. прошлого века на схему радиолокационному скоростимеру РИС-В2 было разработано новое поколение горочных измерителей РИС-В3. Отличительными их особенностями явились повышенная дальность действия, более широкий диапазон измеряемых скоростей, высокая точность, устойчивость к сильно флуктуирующим входным сигналам.

Последнее поколение горочных измерителей РИС-В3М реализовано с применением микропроцессорной элементной базы в каналах обработки сигналов.

Основные его технические характеристики: напряжение питания осуществляется от промышленной сети переменного тока 220 В (+ 10 %; - 15 %) частотой 50 Гц, диапазон рабочих температур от -40 °С до +60 °С; относительная влажность 95 % при +25 °С.

РИС-В3М стабильно работает в условиях воздействия вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 10 до 70 Гц с ускорением до 3,8 g, а также сохраняет работоспособность в любых атмосферных условиях: дождь, туман, иней, роса.

Диапазон измеряемых скоростей РИС-В3М от 1,5 до 35 км/ч (что соответствует диапазону доплеровских частот от 105 до 2450 Гц). При необходимости программным путём диапазон измеряемых скоростей может быть расширен до диапазона 0,4 – 46 км/ч.

Коэффициент преобразования импульсного выходного сигнала, пропорционального скорости движения отцепа, с амплитудой 10 В±10 % на нагрузке сопротивлением = 1,2 кОм±10 % составляет (70±1,4) Гц/км/ч.

Начальный интервал времени измерения для оценки скорости при въезде отцепа в зону действия РИС-В3М и автоматического выбора рабочего интервала измерения (времени поиска и захвата сигнала) не более 0,12 с.

Время нахождения РИС-В3М в режиме памяти при пропадании входного сигнала – не более 2 с. Частота излучаемого сигнала – 37,5±1% ГГц. Мощность излучаемого сигнала горочных индикаторов скорости, как правило, составляет 10 – 20 мВт и не превышает 50 мВт. Излучение СВЧ сигнала антенной РИС-В3М не представляет опасности для эксплуатационного персонала при соблюдении правил эксплуатации, что подтверждено санитарно-гигиеническим сертификатом № 77.ФУ.02.401.П.001448.06.02,от 20.06.2002 г., выданным Государственной санитарно-эпидемиологической службой Российской Федерации.

Мощность, потребляемая РИС-В3М от сети, не более 25 Вт.

Потенциал РИС-В3М при отношении амплитуды сигнала к амплитуде шума, равном 2, в полосе частот 3 кГц от 50 до 75 дБ, что обеспечивает его дальность действия до 250 м.

В РИС-В3М предусмотрен канал контроля параметров («калибровка»), используемый для непрерывного контроля индикатора.

Габаритные размеры РИС-В3М: длина (продольный размер) – 480 мм; ширина (поперечный размер) – 220 мм; высота – 210 мм. Масса РИС-В3М не более 12 кг. В отличие от РИС-В3 он практически в два раза меньше по габаритам и весу.

Поворотное устройство на крепёжной стойке РИС-В3М обеспечивает изменение положения РИС-В3М в горизонтальной плоскости не менее чем на ±15°; в вертикальной – не менее чем на ±10°.

Кроме радиолокационной части, размещённой в герметизированном корпусе, в комплект РИС-В3М входят основание (поворотное устройство) и жгуты проводов для подсоединения к клеммам муфты.

Наиболее существенные отличия состоят в том, что в индикаторе впервые для класса радиолокационных горочных измерителей реализованы: режим непрерывного дистанционного контроля его работоспособности даже при отсутствии в зоне его действия отцепов; цифровой канал передачи информации по стандартному стыку RS-485; режим встроенного самотестирования и самодиагностики с адресным контролем параметров первичной настройки

и юстировки; режим адресного регулирования параметрами настройки и калибровки наиболее существенных параметров любого индикатора скорости с пульта оператора; режим селекции до трёх мешающих сигналов от соседних отцепов, попадающих в зону диаграммы направленности антенны.

В основу работы РИС-В3М положен эффект Доплера, состоящий в том, что при перемещении источника СВЧ-колебаний по отношению к наблюдателю и наоборот частота колебаний в месте наблюдения отличается от собственной частоты источника колебаний, причём приращение частоты пропорционально радиальной составляющей скорости движения.

Приращение частоты за счёт эффекта Доплера выражается формулой

где – доплеровская частота; – частота излучаемого сигнала; – скорость движения объекта; – скорость света; – угол между направлением излучения и вектором скорости объекта.

Рис. 3.27 Внешний вид РИС-В3М

Передачу и приём СВЧ-радиосигнала частотой 37,5 ГГц через конструктивно совмещённую приёмо-передающую антенну 1 осуществляет ППМ 5 в ставе генератора СВЧ-сигнала 3, смесителя 4) и развязывающего ферритового модуля 2.

Работа ППМ основана на перемножении сигналов гетеродина 3 с отражённым сигналом, принятым антенной, и дальнейшим выделением на смесителе низкочастотной составляющей доплеровского сигнала с частотой, пропорциональной скорости движения вагона. ППМ выполнен в волноводном варианте на волноводе сечением 7,2 3,4 мм.

Рупорно-линзовая антенна 1 представляет собой гладкий конический рупор. Коэффициент усиления антенны более 30 дБ. Фокусирующая линза выполнена из радиопрозрачного материала – фторопласта 4.

Входным сигналом РИС-В3М является отражённый от отцепа и принятый антенной СВЧ-сигнал, имеющий фазовую задержку, пропорциональную скорости отцепа. Выходной сигнал РИС-В3М формируется на выходах усилителей 7 и 8 в виде двух импульсных, отрицательной полярности частотных сигналов F1 и F2, пропорциональных скорости отцепа, сдвинутых по фазе на 180° (формы меандра). Инверсию фазы сигнала в одном из

каналов проводит блок 11. наличие парафазного продублированного импульсного выхода позволяет создать симметричный канал, чем повышает помехоустойчивость сигнала в сложной помеховой обстановке.

Входной доплеровский сигнал поступает в усилитель- фильтр 6, который осуществляет усиление и фильтрацию сигнала, поступающего со смесителя в диапазоне частот 0 – 3200 Гц. Затем этот усиленный сигнал поступает в кодек 9, совмещающий АЦП и ЦАП, где преобразуется в цифровой вид – шестнадцатиразрядный двоичный код. В качестве кодека применена микросхема AD73311. Полученный таким образом сигнал в виде кода поступает в сигнальный процессор 13 (реализованный на микросхеме ADSP-2181) и подвергается в нём спектральной обработке по алгоритму скользящего быстрого преобразования Фурье (БПФ). Максимальное время преобразования не превышает 10 мс. Спектральное преобразование доплеровского сигнала позволяет использовать максимальное количество полезной информации о сигнале и минимизировать действие помех. Реализованные алгоритмы обнаружения и распознавания сигналов обеспечивают высокую точность и помехоустойчивость оценки доплеровской частоты. Алгоритмы спектральной обработки доплеровского сигнала в процессоре включают в себя пороговое обнаружение спектральных составляющих сигнала с максимальной амплитудой в заданном частотном диапазоне на фоне усредненной величины шума. При этом захват, сопровождение и удержание сигнала проводятся при двух значениях порогов, обеспечивающих коридор снижения, который регулируется программно в широких пределах.

Программно диапазон измеряемых скоростей (частот) доплеровского сигнала, в котором производится обнаружение сигнала, может быть изменён в пределах 0,4 – 46 км/ч. Процессор осуществляет рекурсивную фильтрацию значений текущего спектра и определяет центр тяжести спектра сигнала, что позволяет многократно повысить точность оценки выделенной доплеровской частоты. Темп выдачи полученной оценки (т.е. коэффициент фильтрации спектра) зависит от вычисленной частоты и изменяется от минимума к максимуму при увеличении измеряемой скорости. При измерении скорости движения отцепа (доплеровской частоты) темп выдачи отсчётов скорости (спектра)

адаптирован к реальным параметрам движения. Интервал выдачи отсчётов скорости может быть программным путём уменьшен до дискретных величин, кратных 2 мс.

При работе РИС-В3М из-за флуктуаций входного сигнала, отражённого от отцепов, возможна кратковременная потеря индикаторов информации об отцепе, вследствие замираний отражённого сигнала. Для исключения этого явления при пропаданиях доплеровской частоты на входе блока обработки процессор переводит РИС-В3М в режим памяти предыдущего значения до тех пор, пока не произойдёт новое обнаружение сигнала (но не более 2 с). Программно реализована процедура калибровки индикатора, т.е. необходимое соответствие измеренной доплеровской частоты аналоговому напряжению на выходе кодека и частоте меандра на выходе преобразователя аналог-частота 10. Результат вычисления частоты (скорости) преобразуется в кодеке 9 в аналоговый вид и подаётся на схему формирования 10 частотных выходных сигналов. Частотный преобразователь 10 выполнен на микросхеме AD654JN. Схема формирования частотного выхода 10 осуществляет преобразование сигнала с кодека в импульсный сигнал типа меандр, частота которого соответствует частоте принятого доплеровского сигнала. Этот импульсный сигнал поступает на выход по двум каналам 7, 8 в противофазе.

Для настройки параметров РИС-В3М в процессе его установки или эксплуатации, а также для дистанционного контроля этих параметров, включая оценку работоспособности индикатора в целом, в измерителе реализован цифровой канал связи 14 процессора с внешним компьютером и дополнительный аналоговый канал.

Связь с компьютером ведётся по двухпроводной линии в стандарте протокола RS-485 через приёмопередатчик 14, который также обеспечивает гальваническую развязку линии связи. Приёмопередатчик выполнен на микросхеме МАХ1480ВЕРI. Рабочая программа функционирования РИС-В3М, реализованная на языке ассемблера, защита в энергонезависимой памяти 12 (flash AT49F001-90PI, ПЗУ С256 ANAT4), начинает работу при включении блока питания прибора 15.

Непрерывный дистанционный контроль работоспособности и рабочих параметров РИС-В3М в процессе эксплуатации

осуществляется на двух каналах – рабочем информационном канале датчика 7 и 8, формирующем два парафазных выходных меандра (частотный выход) с частотой, пропорциональной скорости отцепа и на сервисном канале цифровой линии связи 14 в стандарте протокола RS-485.

Контроль работоспособности РИС-В3М по информационному частотному выходу ведётся непрерывно в реальном режиме времени. При штатном функционировании датчика, на его частотном выходе всегда присутствует переменный сигнал независимо от наличия отцепа в зоне его действия.

При отсутствии отцепа на тормозной позиции сигнал стабильной фиксированной частоты, формируемый на оном из выходов процессора 13, подаётся на вход «калибровка» РИС-В3М, т.е. на вход генератора приёмно-передающего модуля 5. этим достигается сквозной контроль функционирования всего тракта индикатора скорости. Выходной сигнал контроля передаётся на пост ЭЦ по штатному информационному каналу с частотного выхода РИС-В3М. Этот режим называют дежурным. Наличие контрольной, фиксированной частоты на входе КДК УВК-системы воспринимается как работоспособное состояние РИС-В3М.

При наличии отцепа на тормозной позиции сигнальный (измерительный) режим, на информационном выходе появляется сигнал доплеровской частоты, пропорциональный скорости движения отцепа. При этом контрольный сигнал в линию связи не передаётся.

Следует заметить, что частота контрольного сигнала выбрана вне диапазона рабочих измеряемых частот доплеровского сигнала (105 – 2450 Гц).

В случае нарушения работоспособности датчика, на частотном выходе переменный сигнал отсутствует, т.е. появляется третье, нулевое или иное состояние, которое регистрируется в КДК УВК-системы как выход РИС-В3М из штатного режима функционирования, т.е. неисправность.

Любые другие случайные состояния выходного частотного канала, возможные в результате сбоя в работе РИС-В3М, анализируются самим датчиком (измерителем) по цепям самотестирования и устраняются встроенной в индикатор системой самодиагностики.
Контрольный сигнал в дежурном режиме также используется для постоянного самотестирования в индикаторе для оценки передаточных характеристик электронных узлов индикатора, а также возможной разъюстировки индикатора скорости в процессе эксплуатации.

Критерием оценки при этом служит появление отклонения в калибровочной частоте сигнала, либо его уровня относительно калиброванного порога.

Задающим генератором контрольного сигнала, непрерывно подаваемого на калибровочный вход РИС-В3М, является собственный процесс 13, формирующий переменный сигнал от кварцевого автогенератора. Таким образом, отсутствие одного из двух сигналов (контрольного либо информационного) на частотном выходе РИС-В3М свидетельствует о его нештатном режиме работы, что воспринимается как неисправность РИС-В3М, либо нарушение соединительных информационных цепей.

Для полного контроля, настройки параметров РИС-В3М, вывода параметров самодиагностики и прогнозирования технического состояния измерителя, дистанционного управления его калибровкой реализуется цифровой канал RS-485. Контроль параметров датчика по цифровому каналу осуществляется в режиме запроса системой (или оператором) данных с клавиатуры промышленного или персонального компьютера с поста ЭЦ. Этот канал предусмотрен и для использования его в процессе полной проверки и отладки РИС-В3М как в заводских условиях предприятия-изготовителя, так и в лабораториях КИП дистанции.

При этом цифровой канал призван решать следующие задачи: дистанционный контроль наиболее важных параметров измерителя по запросу системы (или оператора) с клавиатуры ПК в процессе эксплуатации, не демонтируя РИС-В3М с установочной штанги. В этом случае по адресному запросу интерфейс измерителя выводит на экран компьютера такие параметры, как заводской номер, потенциал, установленные пороги обнаружения сигнала, инерционность, а также параметры состояния наиболее важных программных узлов и блоков, буферов АЦП, стеков процессора, ячеек памяти.

Эта информация позволяет при необходимости дистанционно опознать адрес датчика, определить его заданные индивидуальные параметры, оценить качество работы, включая нарушения

юстировочных параметров за время эксплуатации. Отдельные характеристики функционирования РИС-В3М архивируются и параллельно используются для прогнозной оценки его работоспособности.

Блок питания РИС-В3М построен по трансформаторной схеме и включает в себя плату стабилизаторов напряжения: -30 В, +5 В и стабилизатор тока для питания СВЧ-генератора в ППМ. Контроль за параметрами источника питания осуществляет контроллер блока питания (ADM 705AN), который формирует команду сброса процессора при выходе за границы допустимого напряжения источников питания.

Конструктивно РИС-В3М представляет собой цилиндрический корпус из сплава АК 12, который является несущей частью индикатора. Электрические элементы блока питания и блока обработки доплеровского сигнала смонтированы на съёмных печатных платах, что обеспечивает свободный доступ к элементам схемы при контрольных операциях, а также при ремонте РИС-В3М.

Антенное устройство представляет собой конический рупор с волноводом сечением 3,4 7,2 мм и фокусирующей линзой с параболической поверхностью, изготовленной из фторопласта. На волноводный фланец антенны специальными центрирующими винтами крепится приёмно-передающий модуль (ППМ).

Антенное устройство вместе с ППМ крепится к корпусу, соединяющему всю конструкцию, с помощью двух стяжек и гаек через резиновые прокладки.

Корпус, кожух и крышка в сборе образует внешнюю оболочку индикатора, герметизация которой осуществляется при помощи резиновых прокладок, заложенных в пазы.

Крепёжные элементы РИС-В3М обеспечивают ручную регулировку положения индикатора в вертикальной плоскости не менее чем на ±10°, а в горизонтальной плоскости регулировку не менее чем на ±15° при помощи четырёх пазов, выполненных в основании, которое фиксируется четырьмя болтами.

На тормозных позициях (ТП), в зависимости от алгоритмов управления торможением отцепов, могут устанавливаться один либо два горочных скоростемера.

Для уменьшения погрешности измерения параметров движения отцепов

ширина диаграммы ° должна быть небольшой, угол между осью диаграммы антенны и осью пути α° необходимо также уменьшить до величины (6 – 10)°.

Увеличение длины измерительного участка возможно путём

уменьшения α°. Однако это приводит к удалению ближней границы ИУ и требует увеличения мощности излучения, что в свою

очередь может вызвать дополнительные погрешности измерения вследствие приёма сигналов, отражённых от движущихся по боковым путям отцепов. Кроме того, увеличивается диаметр «пятна», облучающего отцеп, что уменьшает эффективность использования антенн с узкой диаграммой. К тому же, не всегда возможно удаление измерителя от границы измерительного участка ТП на большое расстояние из-за требований габаритов приближения строения. Следует иметь в виду, что удаление скоростемера от оси пути в среднем на 0,1 – 0,2 м приводит к смещению ближней границы на 0,5 – 1 м, при этом дальняя граница смещается на 6 – 10 м. Существенное смещение ближней границы ИУ связано с измерением угла облучения. Таким образом, для обеспечения длины участка измерения скорости в пределах 25 – 30 м необходимо иметь ширину диаграммы направленности = 6 – 10°, при этом угол облучения α° = 5 – 8°, а = 2,2 – 2,4 м. В этом случае расстояние относа измерителя от ближней границы измерительного участка лежит в пределах 10 м
В табл. 3.2 приведены основные установочные характеристики измерителя на ТП, оборудованных различными замедлителями.

Приведённые рекомендации соответствуют выбору длины измерительного участка по оси пути. Так как ближняя к измерителю скорости боковая поверхность вагона (точка С) располагается на расстоянии, меньшем (см. рис. 3.28), определяемом шириной вагона b, то длина фактического участка, на котором измеряется скорость, увеличивается на 5 – 8 м. причём увеличение длины происходит за счёт смещения ближней границы измерительного участка. Это указывает на допустимость уменьшения расстояния относа измерителя относительно ближней границы измерительного участка. Однако пользоваться этим целесообразно лишь в тех случаях, когда требования габаритов приближения строения не обеспечиваются. Следует иметь в виду, что уменьшение увеличивает возможность приёма сигналов,

Опыт показывает, что режимы эксплуатации радиолокационных измерителей скорости не всегда позволяют реализовать потенциальные возможности измерителя. Основными факторами, обусловливающими эти причины, являются протяжённость и неравномерность облучаемой поверхности вагона, неточность юстировки, настройки и установки скоростемера. Протяжённость и неравномерность облучаемой поверхности вагона являются объективными факторами работы измерителя скорости, особенно при установке его в междупутье, что приводит к глубокой флуктуатации отражённого сигнала. Для уменьшения влияний этих факторов необходимо строго соблюдать рекомендации как по настройке измерителей, так и по установке и юстировке скоростемера. Неправильная юстировка антенны скоростемера по углу облучения вагона приводит к смещению зоны измерения, усиливает эффект замираний отражённого сигнала.

Условия получения в приёмнике максимально устойчивого уровня отраженного от отцепа сигнала обеспечивается при облучении торцевой поверхности вагона, т.е. когда угол облучения совпадает с направлением движения. Поэтому радикальным способов уменьшения времени замираний флуктуирующего сигнала является установка измерителя в колее железнодорожного пути. Однако условия эксплуатации в этом случае существенно усложняются и на практике не реализуются. Таким образом, при установке скоростемеров на ТП в междупутье руководствуются следующим: измеритель устанавливают на максимально возможном расстоянии от оси пути. В соответствии с этим = 2,2 – 2,4 м, а расстояние от головки рельса до продольной оси измерителя равно 1,2 – 1,3 м.

Расстояние установки измерителя относительно ближней границы при длине измерительного участка 23 – 28 м должно быть не менее 10 м.

Оптимальным расстоянием для такой длины ТП следу­ет считать (14 ± 1) м.

С увеличением длины измерительного участка требования к юсти­ровке антенны скоростемера по углу облучения а° повышаются (см. табл. 3.2). Для максимальной длины ТП L - 27—28 м, а⁰ = (6 ± 0,5)°. Максимальная длина измерительного участка на прямоли­нейных участках пути составляет 40 м. При этом угол облуче­ния а° - (5,5 ± 0,5)°, a L_min = (10 ± 1) м.

При необходимости унификации требований к установке скоростемера РИС на ТП любой длины, но не более 30 м, могут быть использованы рекомендации, приведенные в табл. 3.2, 3.3 для двухзвенных замедлителей типов КНП-5, Т-50 и ВЗПГ.

В тех случаях, когда по каким-либо соображениям этот вари­ант не может быть принят при установке скоростемера на ТП мень­шей длины, следует руководствоваться данными таблицы для со­ответствующего случая.

На I и II ТП устанавливаются замедлители типов ВЗПГ-3, КНП-5, ВЗПГ-5, КЗ-3, КЗ-5. Длины ТП определяются как типом устанавли­ваемых замедлителей, так и количеством секций. Как правило, чис­ло устанавливаемых секций замедлителей на I и II ТП не превышает трех, а обычно размещают два замедлителя. Наибольшей длиной характеризуются замедлители типов КНП-5 и ВЗПГ-5. Длина од­ной секции таких замедлителей составляет 12,475 м.

При установке на ТП двух секций этих замедлителей длина ТП с учетом интервала между секциями (1,04 м) составляет 25,050 м. При размещении трех секций замедлителей типа КНП-5, ВЗПГ-5 общая

Длина ТП — 37,629 м.

Отсюда следует, что при любой длине ТП скоростемером может быть обеспечено уверенное измерение скорости. Технология роспус­ка вагонов не исключает нагонов двух отцепов на одной ТП. Это про­исходит вследствие случайного распределения попутно следующих отцепов с разными весовыми категориями, динамическими свойства­ми. Получение же информации о скоростях движения двух отцепов в зоне действия одного скоростемера невозможно.

Рис. 3.29. Схема размещения двух РИС-ВЗМ на тормозной позиции

На одной ТП можно размещать два скоростемера (рис. 3.29), однако координаты их установки и юстировка должны строго со­блюдаться. В противном случае это может привести к неправиль­ной реакции схем управления замедлителями и, в результате, к бою вагонов, нагону или перетормаживанию.

У скоростемеров, устанавливаемых в паре на одной ТП, сни­жают потенциал до 40—45 дБ, уменьшая тем самым дальность дей­ствия до 40—50 м. В лабораториях КИП дистанции это возможно выполнить, уменьшая чувствительность приемника РИСа, либо ди­станционно электромехаником с горочного поста.

Координата установки крепежной штанги с установочной плат­формой для скоростемера выбирается на расстоянии 2200+100 мм относительно оси пути с внешней стороны железнодорожной ко­леи. Допускается размещение двух скоростемеров на ТП в двух вариантах их установки:

• 
  в координатах А и А j с ориентацией в направлении роспуска вагонов;
  
• 
  в координатах А и А₂. При этом с ориентацией одного скорос­темера в направлении роспуска, а другого (А^) навстречу роспуску.
  

дальнем рельсе.

При размещении скоростемеров по варианту (А—А₂):

а) первый скоростемер устанавливается в точке А также, как и

по варианту (А—А₁) (а);

б) второй скоростемер устанавливается в точке А₂ и ориенти­руется осью диаграммы направленности на точку В, расположен­ную в начале второго замедлителя и на дальней относительно ско­ростемера тормозной балке.

Координаты размещения скоростемеров А, А₁ и А₂ полностью определяются размерами L₁ и L₂. Установочные размеры двух ско­ростемеров, один из которых (А) обеспечивает измерение скорос­ти отцепов, движущихся по первому замедлителю, а другой (А₁ или А₂) — измерение скорости отцепов, движущихся по второму за­медлителю, приведены в табл. 3.3. На рис. 3.30 показано реальное

Рис. 3.30. Размещение РИС-ВЗМ на тормозной позиции сортировочной горки

В вертикальной плоскости ориентация оси диаграммы РИСов должна соответствовать уровню автосцепки вагона в точке юсти­ровки В, B_h В₂ (см. рис. 3.29) (1000 ± 50) мм.