УДК 004.41+681.518.5
ПРОГРАММНОЕ И АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ НОВОСИБИРСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА
Ю. Н. Золотухин, А. С. Мальцев, М. А. Соболев, А. П. Ян
Представлено описание программного и аппаратного обеспечения автоматизированной системы диагностики,
которая решает задачи мониторинга оборудования Новосибирского метрополитена.
Ключевые слова: автоматизация, система диагностики, надежность, Новосибирский метрополитен.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке современных сложных автоматизированных систем управления требуются технологические решения, обеспечивающие их работоспособность и поддержание заданного уровня надежности оборудования в процессе эксплуатации. Приоритетным направлением в этой области является переход от периодического контроля состояния элементов системы, основанного на сборе статистических данных, к непрерывному мониторингу ее узлов. Основой построения современных измерительных подсистем является применение интеллектуальных алгоритмов управления [1—3].
Для решения задач мониторинга оборудования Новосибирского метрополитена в Институте автоматики и электрометрии СО РАН разработана система диагностики, которая обеспечивает контроль уровня аналоговых сигналов оборудования станций и маршрутно-релей-ной централизации (МРЦ), хранение данных, своевременное оповещение о неполадках, а также анализ состояния устройств на основе накопленной информации (анализ причин неисправностей по содержимому архива).
Большинство существующих систем сбора данных и диагностики содержат закрытый исходный код и работают только под управлением операционной системы (ОС) Windows. В отличие от них рассматриваемая система является открытой (открытый исходный код) и универсальной: серверная часть система работает в ОС GNU/Linux, Windows, QNX, FreeBSD (базовой
системой является GNU/Linux), клиентская часть — в любой операционной системе через web-брау-зер, поддерживающий Javascript и SVG (Scalable Vector Graphics).
Далее в работе представлены цели и задачи создания автоматизированной системы диагностики оборудования для Новосибирского метрополитена; дается описание выбранной архитектуры аппаратного и программного обеспечения (ПО).
ЗАДАЧИ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
В рамках разработанной автоматизированной системы диспетчерского управления движением
поездов Новосибирского метрополитена [4—8] создана система диагностики [9] (измерительная подсистема, ИПС) (рис. 1), которая обеспечивает сбор информации об аналоговых сигналах напольного оборудования станции и МРЦ, их анализ, контроль и хранение результатов измерений.
При проектировании системы решались три основные задачи:
— измерение уровня сигналов оборудования рельсовых цепей (РЦ);
— контроль уровня и формы фазовых токов электродвигателей стрелочных приводов;
АРМ поездного диспетчера (основной)
АРМ поездного
диспетчера АРМ
(резервный) инженеРа ДЦ СеРвеР БД
Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы диспетчерского управления движением поездов
— контроль эксплуатационного ресурса реле.
Сигналы рельсовых цепей представляют собой сигналы напряжений сложной формы на путевых реле, на выходах путевых генераторов, на входах фильтров и приемников. Кроме того требуется измерять напряжения на контрольных стрелочных реле, на шинах АРС (система автоматического регулирования скорости движения поездов), напряжения фидеров питания.
Измерительная подсистема реализует выполнение ряда подзадач:
— измерение напряжений в напольном оборудовании;
— измерение тока двигателей и времени перевода стрелок;
— контроль остаточного ресурса реле, ламп, двигателей и т. п.
Для решения перечисленных задач использована трехуровневая архитектура программно-аппаратного обеспечения. Первый уровень образуют аппаратные средства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму, второй уровень представлен программным обеспечением сервера сбора, обработки и хранения данных, третий уровень осуществляет взаимодействие с операторами.
АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
В состав аппаратного обеспечения измерительной подсистемы входят следующие основные элементы:
— компьютер подсистемы диагностики;
— универсальный вольтметр В7-68, предназначенный для измерения постоянных напряжений до 1000 В и среднеквадратичных зна-
чений переменного напряжения до 700 В;
— 16-канальные релейные коммутаторы Mirage-MUX;
— контроллер быстрого ввода аналоговых сигналов ICP CON I-7017F, обеспечивающий ввод аналоговых сигналов с напряжением до 10 В и частотой выборки до 60 значений в секунду в режиме 12-битного АЦП или 10 значений в секунду в режиме 16-битного АЦП;
— промышленный конвертор MOXA TCC-100, преобразующий интерфейс RS-232 в RS-422/485.
Общая структура аппаратного обеспечения измерительной системы представлена на рис. 2.
В процессе разработки и отладки измерительной подсистемы созданы:
— экспериментальный стенд, включающий компьютер, измерительную подсистему (универсальный вольтметр и релейные коммутаторы, АЦП ICP CON), стойку со штатным напольным оборудованием устройств сигнализации метрополитена (имитатор сигналов);
— кросс-платформенное программное обеспечение и пользовательский интерфейс для управления процессом измерений и контроля таких параметров, как напряжения рельсовых цепей, фазные токи двигателей, время перевода стрелок, число срабатываний реле, время работы ламп и двигателей.
Медленно изменяющиеся сигналы измеряются с помощью вольтметра, который работает в составе информационно-измерительной системы под управлением компьютера. Вольтметр подключен к выходу
релейных коммутаторов, функционально представляющих собой двухфазные переключатели электрических сигналов. Управление коммутатором ведется дистанционно посредством последовательного цифрового интерфейса. Управление переключением каналов релейного коммутатора и измерения сигналов вольтметра осуществляются специализированной программой, задающей настройки процесса измерений, команды на начало или конец измерения, тип измеряемого сигнала. Результаты измерений записываются в базу данных, также возможна передача данных в оптоволоконное кольцо для просмотра на автоматизированном рабочем месте (АРМ) электромеханика (ШН).
Для получения кривых фазных токов двигателя во время перевода стрелки применен контроллер быстрого ввода аналоговых сигналов I-7017F. По измеренным значениям строятся графики зависимости тока от времени перевода стрелки. Контроллер используется в режиме 12-битного преобразователя. Реальная частота выборки составляет около 20 отсчетов в секунду по каждому из трех каналов.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Программное обеспечение реализовано на языках Python и JavaScript с хранением и представлением данных в формате XML (extensible Markup Language). По своей структуре ПО аналогично используемому в системе диспетчерского управления [10]. Программное обеспечение образуют независимые модули, объединенные через специализированный модуль-коммутатор (M-hub) (рис. 3). Модули работают одновременно и общаются между собой по протоколу TCP/IP. Модуль M-1 содержит логику работы системы измерения сигналов рельсовых цепей, а также управляет работой коммутаторов K и универсального вольтметра ИП по последовательному цифровому интерфейсу с использованием протоколов Modbus RTU и Modbus ASCII. Значения уровней сигналов передаются в модуль-коммутатор, который рассылает их web-серверу и модулю записи в базу данных М-2.
Компьютер подсистемы диагностики
RS-485
£
Вольтметр
i 1 г Реллейные
коммутаторы
FT t
Напольное оборудование
□
RS-485
MOXA RS-485 I-7G1 7F
Рис. 2. Структурная схема аппаратного обеспечения измерительной подсистемы
L _ _ _ _ _ _ _ J
Рис. 3. Структура ПО АРМ ИПС
Взаимодействие с автоматизированным рабочим местом оператора реализовано через web-сервер. Он обеспечивает следующие функции: загрузка на АРМ оператора базовой клиентской части ПО; обработка запросов о состоянии любой единицы оборудования; ввод команд. При этом используется постоянное соединение между сервером и АРМ на основе технологии
web-сокетов. Работа с системой осуществляется через web-браузер (рис. 4) с поддержкой SVG (Scalable Vector Graphics), web-сокетов либо flash.
Предусмотрены два базовых режима работы системы: автоматический и ручной. В автоматическом режиме сбор, обработка данных и формирование информационных сообщений осуществляются систе-
мой без участия персонала метрополитена. Ручной режим предназначен для непосредственного участия персонала в процессе сбора данных. Для просмотра архивной информации используется журнал. В системе предусмотрена возможность корректирования параметров измеряемых сигналов. Для контроля остаточного ресурса оборудования (числа срабатываний реле, времени горения ламп светофоров и пр.) используется база данных системы.
Графический интерфейс системы построен на основе формата SVG. Каждый элемент мнемосхемы имеет собственные параметры индикации и события. Например, при выборе элемента "сигнал рельсовой цепи" на событие "onclick" вызывается обработчик "измерить сигнал". Применение формата SVG позволяет при проектировании интерфейса пользователя использовать как специализированные графические приложения (например, редактор векторной графики Inkscape), так и любой текстовый редактор.
Рис. 4. Интерфейсы измерительной подсистемы
По результатам опытной эксплуатации системы на станции Новосибирского метрополитена разработан удобный для эксплуатационного персонала вариант графического интерфейса (см. рис. 4). Он представляет собой четыре рабочих экрана: экран "Общие измерения", отображающий текущее состояния всех единиц оборудования; экран "Измерения по объектам", содержащий мнемосхему станции и позволяющий получить подробную информацию по выбранной рельсовой цепи; экран "Реле" с мнемосхемой релейной централизации и индикацией выработанного ресурса для каждого реле; экран "Журнал" предоставляет архивную информацию по работе системы.
Модульная архитектура программно-аппаратного обеспечения позволяет поэтапно расширять функциональность системы, а также динамически изменять ее конфигурацию.
Для тестирования программн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.