Синтез дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети

Синтез дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети

Методические указания к курсовому проекту

Санкт-Петербург

УДК

ББК

Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Теория дискретных устройств (автоматики и телемеханики)» составлены в соответствии с программой курса, утвержденной в 2013 году проректором университета путей сообщения.

В курсовом проекте выполняется проектирование дискретного устройства управления, обеспечивающего контроль напряжения в электротяговой сети в процессе движения высокоскоростных электропоездов и формирование управляющих воздействий на устройства поддержания заданного уровня напряжения.

Приведены варианты заданий на курсовой проект, а также сведения по теоретическим основам курса, данных по объему, содержанию и выполнению проекта, рекомендации по использованию электронных средств обработки информации.

Предназначены для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 190901.65 «Система обеспечения движения поездов», специализации «Электроснабжение железных дорог».

Составили: А.Т. Бурков, А.И. Бурьяноватый,

М.А. Шарпилова, С.А. Бурков

1. Цель, задание и содержание курсового проекта

Вводные понятия

В технологических процессах любой природы обязательно проявляется взаимодействие между человеком и машиной, или машинами. Это взаимодействие основано на передаче сигналов от субъекта к объекту, восприятием данных сигналов, выполнением их содержания и на обратной передаче сигналов о полноте исполнения задаваемого состояния объекта.

В такой взаимосвязанной структуре отношений в процессе производства любой природы имеет место целенаправленное воздействие на объект с контролем степени достижения желаемого результата. Всякое изменение состояния объекта, системы или процесса, ведущее к достижению поставленной цели называется управлением.Совокупность объектов и отношений между ними, образующих единое целое, составляет систему управления, которая включает объекты управления, управляющую систему, каналы прямой и обратной связи (рис.1).

Рис.1. Модель системы управления:

ОУ – объекты управления; УУ – устройство управления; x(t) – управляющее воздействие, передаваемое по каналу прямой связи; y(t) – состояние объекта, характеризуемое определенными параметрами; x₀(t) – информации о состоянии объекта управления, передаваемая по каналу обратной связи; х_п – программное содержание к устройству управления; А - автоматы

Система управления выполняет три основные задачи: сбор информации; передачу сообщений в виде сигналов; обработку информации и выдачу управляющих воздействий. Информация, содержащая сведения о некотором объекте или явлении, как правило, в форме электрических сигналов с определенными характеристиками (амплитуда, частота импульсов и т.д.), измеряется в битах[1]. Для записи информации используется двоичная система исчисления, алфавит которой содержит два символа 0 (ноль) и 1 (единица).

Сигналы в системе управления могут быть аналоговыми и дискретными (импульсными и цифровыми). Для преобразования, передачи, обработки сигналов служат электронные средства, которые представляют законченные технические устройства, имеющие определенное функциональное назначение.

Аналоговые (непрерывные) устройства служат для обработки непрерывных сигналов. Наиболее характерными среди них – усилители электрических сигналов. Дискретные устройства (импульсные и цифровые) обеспечивают формирование или преобразование импульсных сигналов. Простейшим дискретным устройством является транзисторный ключ. Преобразование непрерывных сигналов в дискретные называется квантованием. Квантование может осуществляться по уровню с определенным шагом или по времени. Для такого преобразования используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Обратные преобразования цифровых сигналов в аналоговые достигаются цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

В цифровой технике широкое применение получила двоичная система исчисления, обеспечивающая удобство ее использования, поскольку в ней имеется всего два символа «1» и «0», которые составляют алфавит. Каждому из этих символов ставится в соответствие высокий или низкий уровень сигнала, длинный или короткий импульс. Используя двоичную систему, можно путем чередования в виде прямоугольных импульсов и пауз задать любое число, т. е. получить закодированные сообщения. Комбинация символов «1» и «0» определяется правилом (законом) расшифровывания, или языком сообщения, кодом. В цифровых устройствах широко используются позиционный двоичный код (ПДК), основанный на двоичном алфавите.

Устройство управления (см. рис. 1), на основе заложенной в него программы х_п и сигнала обратной связи x₀(t), обеспечивает некоторую последовательность действий, в результате которых сведения, полученные на входе, преобразуются в новые сведения, сформированные на выходе x(t).В устройстве управления, в его логической части, совершается некоторое логическое действие по выработке управляющего воздействия. Схемы логической части устройства управления, как правило, сложны. Для их разработки целесообразно применять математический аппарат алгебры логики.

В алгебре логики применима двухзначная логика. Переменные в этой алгебре могут принимать лишь два значения (да – нет), условно обозначаемые LOG1(или просто «1») и LOG0 (или просто «0»). Значит «1» и «0» соответствуют двум символам двоичного алфавита, положенные в основу двоичной системы исчисления. Их обычно называют двоичными переменными.

Переключательные дискретные электронные схемы переходят из одного состояния в другое в зависимости от комбинации входных сигналов. Эта зависимость является логической и описывается логической функций. Такие переключательные схемы принято называть логическими схемами (ЛС). Логическая схема в общем случае имеет n-входов и m-выходов и служит для преобразования входной дискретной информации в выходную дискретную информацию, как правило, в двоичной форме ее представления.

Более сложные ЛС состоят из простейших ЛС, называемых логическими элементами (ЛЭ). Различают простые логические элементы и логические элементы с запоминанием (памятью). ЛЭ выполняют простейшие логические операции И (логическое умножение), ИЛИ (логическое сложение) и НЕ (логическое отрицание), см. рис. 2. Соответственно ЛЭ получили названия: конъюнктор (И), дизъюнктор (ИЛИ) и инвертор (НЕ).

Рис.2. Три элементарные операции алгебры логики, графическое изображение операции и соответствующих логических элементов (а); алгебраическая запись (б) и таблица переключений (в)

Набор ЛЭ, включающий элементы И, ИЛИ, НЕ называется функционально полным, так как обеспечивает реализацию всех элементарных операций алгебры логики. Этот набор является основным (базисом). Имеются другие функционально полные наборы (см. Приложение 1).

По заданной логической функции, получаемой по словесному описанию функционирования проектируемого дискретного устройства, осуществляется переход к логической схеме в заданном базисе логических элементов.

Таким образом решается задача синтеза дискретного устройства управления объектом.

Содержание курсового проекта

В курсовом проекте должны быть решены задачи, сформулированные студентом. Содержание проекта рекомендуется распределить по отдельным разделам, соответствующим решению поставленных задач.

В первом разделе необходимо обосновать понятие энергодиспетчерского управления устройствами электроснабжения как система телерегулирования напряжения заданного участка электрифицированной линии и показать возможность в пределах построения системы управления напряжением в электротяговой сети с использованием средств телеуправления.

Во втором разделе рекомендуется предложить способ формирования дискретных сигналов в системе управления напряжением в электротяговой сети, отображающих сведения об уровне напряжения у токоприёмников ЭПС и сведения о необходимости изменения напряжения на шинах контактных подстанций. Сигналы должны быть представлены в цифровом виде в форме позиционного двоичного кода (ПДК).

В третьем разделе должно содержаться решение задачи разработки схемы дискретного устройства управления, которое можно использовать в качестве дополнительного узла системы телеуправления, обеспечивающего контроль за уровнем напряжения у токоприёмников ЭПС и формирование сигналов задания требуемого уровня напряжения на шинах тяговых подстанций.

Каждый раздел следует разделить в тексте пояснительной записки на пункты и подпункты (при необходимости). Пояснительная записка к проекту должна содержать краткое введение и заключение, а также список использованной литературы.

К пояснительной записке должны быть приложены два чертежа: схема заданного электрифицированного участка с указанием элементов и узлов телемеханики в задачах диспетчерского круга; схема дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети.

Графическая часть проекта выполняется с применением компьютерной графики в формате А3 в соответствии с действующими требованиями. Текст пояснительной записки оформляется в рукописной форме. Объём пояснительной записки должен составлять 25-35 страниц формата А4.

Варианты индивидуальных заданий

2.1. Шифр задания

Студенты выполняют курсовой проект по индивидуальному заданию. Исходные данные в задании указываются шифром в форме двоичных 4 –разрядных чисел, например, 0010 – 1000 – 0101– 0011 - 0010.

В шифре слева направо отражены:

– первое 4 – разрядное число – – минимальное допустимое напряжение в зоне, удаленной от тяговой подстанции;

– второе 4–разрядное число – L – расстояние между тяговыми подстанциями (длина межподстанционной зоны);

– третье 4 – разрядное число – – количество межподстанционных зон, входящих в рассматриваемый участок электрифицированной линии с диспетчерским управлением;

– четвертое 4 – разрядное число – ЛБ – логический базис – функционально полный набор логических элементов;

– пятое 4 – разрядное число – Код – правило (закон) расшифровывания закодированного сообщения в канале прямой и обратной связи.

2.2. Индивидуальные задания к курсовому проекту

Варианты заданий к курсовому проекту приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Варианты заданий к курсовому проекту

Номер варианта	Наименование исходных данных
	L, км		ЛБ	Код
	2,7			И, ИЛИ, НЕ	ПДК
	2,9			И, НЕ	По предложению студента
				ИЛИ, НЕ
				И – НЕ
				ИЛИ – НЕ
				И– ИЛИ – НЕ
				ПЛМ

Например, шифр задания: 0010 – 0011 – 0010 – 0100 – 0001. В соответствии с таблицей заданий исходные данные варианта курсового проекта имеют следующее содержание:

L=14 км ;

ЛБ – функционально полный набор ЛЭ И – НЕ;

Код – позиционный двоичный код (ПДК).

Рекомендации по выполнению курсового проекта

Порядок выполнение проекта

Работа выполняется каждым студентом по индивидуальному заданию с использованием лекционного материала по дисциплине, источников, приведенных в библиографическом списке, компьютерных технологий.

Рекомендуется вначале повторить курс «Электрические железные дороги», выполнить обоснование участка электрифицированной линии с традиционным, скоростным или высокоскоростным движением пассажирских поездов в соответствии с данными индивидуального задания. Желательно принять участки Октябрьской железной дороги, используя схему на линиях Санкт-Петербург – Москва и Санкт-Петербург – Выборг со скоростным движением. Выполнить копию выделенного участка линии, Электрификации и электроснабжения железных дорог России, имеющуюся на кафедре. Дать краткую характеристику электрифицированного участка по размещениюлинейных объектов устройств электроснабжения, скорости движения, профилю пути, типу и скорости обращающегося электроподвижного состава.

Далее следует разработать структурирую схему устройств тягового электроснабжения на принятом участке скоростной линии, оснащенной телемеханической системной диспетчерского управления. Затем формулируется задача управления напряжением в контактной сети на межподстанционных зонах при пропуске электропоездов. Составляется словесное описание данной задачи и разрабатывается система автоматического управления напряжением на межподстанционных зонах с выделением объектов управления (ОУ), устройства управления (УУ), каналов прямой и обратной связи. Дается характеристика потоков информации, передаваемой по каналам связи.

По результатам анализа устройств управления напряжением следует выполнить эскизную проработку способа представления информации, предаваемой от УУ, размещенного на диспетчерском пункте (ДП), и ОУ, находящихся на контролируемых пунктах (КП) – на тяговых подстанциях; от контролируемых пунктов с датчиками напряжения (ТИ–КП) – посты секционирования, к УУ, размещенного на ДП.

Затем выполняется работа по решению задачи синтеза дискретного устройства управления напряжением на основе комбинационной логической схемы, реализующей функции управления, сформулированные ранее в словесном описании. Синтез рекомендуется выполнять по шагам:

– шаг 1 – Словесное описание задачи;

– шаг 2 – Составление таблице истинности;

– шаг 3 – Запись алгебраического выражения логической функции, как правило, в дизъюнктивной совершенной нормальной форме – ДСНФ (структурная формула);

– шаг 4 – Минимизация структурной формулы;

– шаг 5 – Преобразование логической функции к заданному элементному базису;

– шаг 6 – Переход от структурной формулы к логической схеме.

Далее разрабатывается схема устройства управления напряжением и определяется способ сопряжения его с диспетчерским полукомплектом телемеханики (ТУ – ДП, ТС – ТИ – ДП). Логическая схема и схема устройства управления напряжением изображаются на чертеже формата А3.

Ниже приводятся краткие пояснения к выполнению отдельных разделов курсового проекта.

Введение

Отмечается актуальность проблемы повышений скорости движения на железнодорожном транспорте, и приводятся требования к системе тягового электроснабжения по обеспечению скоростного и высокоскоростного электроподвижного состава (ЭПС) электрической энергией высокого качества. Подчеркивается, что важнейшим показателем качества электроэнергии в электротяговой сети является стабильность уровня напряжения у токоприемников ЭПС.

Формируется цель курсового проекта и дается краткое пояснение, какой способ поддержания заданного напряжения в электротяговой сети предлагается в данном курсовом проекте.

Приводятся исходные данные, изложенные в задание как курсовому проекту.

Дается краткая аннотация содержания разработанного студентом курсового проекта.

Задачи курсового проекта

В соответствии с предложенным способом телерегулирования напряжения в электротяговой сети на участке электроснабжения высокоскоростной линии для достижения поставленной цели в курсовом проекте необходимо решить следующие задачи синтеза дискретного устройства регулирования напряжения :

· дать теоретическое обоснование формы сигналов при передаче информации по каналам прямой и обратной связи в системе телерегулирования напряжения;

· составить словесное описание функционирования дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети;

· решить задачу синтеза комбинационной логической схемы устройства управления напряжения в электротяговой сети.

3.4.Второй раздел «Получение, преобразование и передача сигналов по каналам связи в системе телерегулирования напряжения в электротяговой сети»

Заключение

В заключении приводятся основные выводы по результатам и полноте достижения цели курсового проекта.

Отмечается, какие конкретные задачи решены в проекте, каким методом они разрабатывались и какое предложение по схемотехническому решению устройства предложено в проекте.

Формируется предложение по телерегулированию напряжения в электротяговой сети для конкретного участка электрифицированной линии с аргументацией причин и условий применения новой технологии повышения качества энергообеспечения электрической тяги поездов.

Заключения должно быть кратким (1–1,5 с.) и конкретным, пригодным для принятия решения в производственной структуре управления устройствами тягового электроснабжения.

Библиографический список

1. Сапожников В.В. и др. Теория дискретных устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж-д. тр-та. –М.: УМК МПС России, 2001. –312 с.

2. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте: Учебник для вузов ж-д. тр-та // Г.В. Горелов и др. –М.: Транспорт, 1999. –312с.

3. Единая система конструкторской документации: Обозначения условные графические в схемах – ГОСТ 2.743 – 91

4. Кондаков Н.И. Логический словарь – справочник –М.: Наука, 1975.
–720 с.

5. Теоретические основы управления в электроэнергетике: Методические указания к курсовому проекту. –СПб. ПГУПС, 2000.
–32 с.

6. Компьютерные автоматические обучающие системы по анализу дискретных устройств

7. Бурков А.Т. Электроника: физической основы, полупроводниковые приборы и устройства: Учебное пособие.–СПб,: ПГУПС, 1999.
–290 с.

8. Импульсная и цифровая электроника в устройствах электроснабжения: Учебное пособие / сост. А.Т.Бурков, А.И. Бурьяноватый и др. –М.: ЛИИЖТ, 1987. –52с.

9. Электрические железные дороги . . . .

10. Телемеханика “Лисна” . . . . . . . . . . . . . .

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Логические функции двух аргументов

№		Значения функций для заданных наборов аргументов	Алгебраическая запись функции	Название функции
						Тривиальная
						Конъюнкция (И)
						Запрет по
						Тождественность
						Запрет по
						Тождественность
						Неравнозначность (сложение по модулю 2)
						Дизъюнкция (ИЛИ)
						Стрелка Пирса (ИЛИ – НЕ)
						Равнозначность
						Инверсия (НЕ)
						Импликация
						Инверсия (НЕ)
						Импликация
						Штрих Шеффера (И – НЕ)
						Тривиальная

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Основные правила алгебры логики

№	Название	Содержание
	Аксиомы:
	Переместительный закон:
	Сочетательный закон:
	Закон повторения:
	Закон обращения:	если то
	Закон нулевого множества:
	Закон универсального множества:
	Закон двойной инверсии:
	Закон абсорбции отрицания:
	Распредели тельный закон: для умножения путем сложения
для сложения путем умножения
	Закон поглощения
	Закон склеивания
	Закон инверсии ( двойственности ), правило Де Моргана
	Обобщенный закон двойственности ( получите инверсной функции)	Здесь знак дизъюнкции знак конъюнкции

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Основные логические элементы комбинационных схем

Обозначение логического элемента	Реализуемая элементарная функции (операция)	Таблица переключений (истинности)
Буквенно–цифровое	Графическое
И
ИЛИ
НЕ
И – НЕ
ИЛИ – НЕ
2И – ИЛИ – НЕ
«ЗАПРЕТ»

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Функциональные элемент комбинационных схем

Название	Условное графическое обозначение	Таблица приключений (истинности)
Шифратор (CD)		Вход Выход
Дешифратор (DC)		Вход Выход
Мульти-плексор (MS)		Адресные входы Синх. Выход
Демульти-плексор (DMS)		Адресные входы Выходы
Програм-мируемые логические матрицы (PLM)		Реализует систему функций алгебраически: -- - - - - - - - - - - - - - - - - -

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Петербургский государственный университет путей сообщения

Электромеханический факультет

Кафедра «Электроснабжение железных дорог»

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Теория дискретных устройств»

Студент группы___________________________________________________ Дата выдачи задания_______________________

Срок сдачи проекта________________________

1. Тема «Синтез дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети»

2. Исходные данные:

2.1. Участок железной дороги постоянного тока 3 кВ с интенсивным

движением

2.2. Информация по уровню напряжения подается на диспетчерский пункт с постов секционирования.

2.3. Тяговые подстанции оборудованы управляемыми выпрямителями.

2.4. Участок оснащён системой ТУ-ТС.

2.5. Шифр задания.

3. Содержание проекта.

3.1. Расчётно-пояснительная записка, включающая:

– введение, раздел 1, раздел 2, раздел 3, заключение.

3.2. Графическая часть, содержащая:

– чертёж 1 – Схема устройств тягового электроснабжения заданного

электрифицированного участка

– чертёж 2 – Схема дискретного устройства телерегулирования

напряжения в электротяговой сети

Рекомендуемая литература:

1. Сапожников В.В. и др. Теория дискретных устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. тр-та. -М.: УМК МПС России, 2001.-312 с.

2. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте: Учебник для вузов ж.-д.

тр-та / Г.В.Горелов и др.-М.: Транспорт, 1999.-415 с.

3. Синтез дискретного устройства управления напряжением в электротяговой сети: Методические указания к курсовому проекту.

Задание выдал_______________________________

Задание получил_____________________________

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1. Цель, задачи и содержание курсового проекта..............................................

1.1. Вводные понятия...........................................................................................

1.2. Цель и задачи курсового проекта.................................................................

1.3. Основные разделы курсового проекта.........................................................

2. Варианты индивидуальных заданий...............................................................

2.1. Шифр задания................................................................................................