ВВЕДЕНИЕ
Железная дорога в России занимает, наверно, первое место по количеству перевозок, по протяженности электрифицированных путей, а также по наличию путей там, где обычную дорогу проложить либо нереально, либо очень сложно. Тем самым она обеспечивает доступ к труднодоступным местам нашей страны даже там, где другому транспорту не пробраться. Огромное количество грузов ежедневно перемещается по железной дороге из одной части России в другую, нередко через несколько часовых поясов. Компания ОАО «РЖД» должна всегда обеспечивать бесперебойную работу всей инфраструктуры. Для этого существует большое количество обслуживающих цехов. Работники пути обслуживают, как понятно из названия, сами пути, по которым движутся поезда. Вагонное хозяйство занимается тем, что поддерживает в исправном состоянии вагоны, пассажирские и грузовые. Локомотивное хозяйство работает над тем, чтобы подвижной состав двигался, когда необходимо, приводимый в движение локомотивом [1].
При этом нужно учитывать, что большинство главных магистралей электрифицированы, то есть состав двигается благодаря сложной контактной сети, по которой к локомотиву подводится электропитание. Для обслуживания контактной сети работает хозяйство электроснабжения. Правда, электроснабженцы занимаются не только контактной сетью. Само хозяйство делится еще на несколько цехов. Один из них - релейной защиты и автоматики (далее РЗА).
Работники РЗА занимаются тем, что поддерживают в исправном состоянии релейные защиты разных типов, а также автоматическое управление некоторыми устройствами, автоматическое включение резервов большого количества оборудования (так как на железной дороге почти все и всегда имеет вторую линию - резерв) и так далее. Научиться работать с релейными схемами не так-то просто и на обучение уходит длительное время, при этом даже самый опытный релейщик всегда может ошибиться, не говоря уже о новичках.
Релейная защита создана для того, чтобы обеспечить исправную работу контактной сети. Она должна отключить место повреждения от питания, иначе урон может быть большим - если сгорит контактный провод (напряжение на Северной железной дороге 27.5 киловольт), то поезда не будут ходить на поврежденном участке до тех пор, пока не будет восстановлена контактная сеть, а на это может уйти очень долгое время. Перебои же в работе железной дороги недопустимы. Поэтому очень важно, чтобы устройства РЗА всегда работали исправно и надежно. Для этого же нужно хорошо знать схемы релейных защит, как в Приложении. Даже в наш век высоких технологий используются обычные электромеханические реле, так как они надежны в работе, пусть даже и есть для некоторых устройств (например, фидеров контактной сети) цифровые защиты, но даже они интегрируются в релейные схемы для надежности, поэтому и здесь от реле полностью не уйти.
Целью ВКР является разработка программного комплекса, который был бы полезен и удобен для работы со схемами устройств релейной защиты и автоматики железнодорожного транспорта. Работа состоит из восьми разделов. В разделе «Анализ существующих разработок», как понятно из названия, говорится о том, какие на данный момент существуют разработки в сфере схемотехники. Во втором разделе «Разработка технических требований и постановка задач дипломной работы» устанавливаются требования к программе, а также ставятся цели разработки. В разделе «Архитектура программы» показано, что может программа и как взаимодействует с пользователем. В четвертом разделе, который называется «Структура данных программного комплекса», объясняется то, как обрабатываются данные в разработке. В разделе «Разработка алгоритмов и программного комплекса» представлен код программ и то, как он работает. В шестом разделе «Реализация программных модулей» описано общая работа каждого модуля.
В разделе «Отладка и экспериментальное
тестирование» описаны существующие методы отладки и тестирования. В восьмом
разделе «Разработка технической документации» описано то, как нужно работать в
программном комплексе
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК
алгоритм редактор релейный модульный
Сейчас создано не так много программного
обеспечения для разработки и имитации работы электрических схем. Самые
известные
из
них:
Electronics Workbench и среда
Multisim.
1.1
Electronics Workbench
Первая программа разработана компанией National Instruments Electronics Workbench Group в 1998 году. Хоть и кажется, что она устарела, но основные функции работают нормально и ей можно пользоваться.
Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов. Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений. Простые компоненты описываются набором параметров, значения которых можно изменять непосредственно с клавиатуры, активные элементы - моделью, представляющей собой совокупность параметров и описывающей конкретный элемент или его идеальное представление. Модель выбирается из списка библиотек компонентов, параметры модели также могут быть изменены пользователем. Широкий набор приборов позволяет производить измерения различных электрических величин, задавать входные воздействия, строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно. Electronics Workbench может проводить анализ схем на постоянном и переменном токах. При анализе на постоянном токе определяется рабочая точка схемы в установившемся режиме работы. Результаты этого анализа не отражаются на приборах, они используются для дальнейшего анализа схемы. Анализ на переменном токе использует результаты анализа на постоянном токе для получения линеаризованных моделей нелинейных компонентов. Анализ схем может проводиться как во временной, так и в частотной областях. Программа также позволяет производить анализ цифроаналоговых и цифровых схем. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки [2].
Electronics Workbench является программой для разработки электронных схем, в ней есть база данных с большим количеством существующих элементов и их условными обозначениями. Содержатся, также, источники питания, формирователи импульсов и измерительные приборы. В ней можно быстро и просто создать необходимую схему, протестировать ее и распечатать. Со всеми размещенными на рабочей области элементами можно взаимодействовать и манипулировать ими - устанавливать положение, название, а также задавать характеристики (сопротивление, индуктивность, емкость и так далее). При подключении амперметра будет возможно измерить ток на данном участке цепи, при подключения вольтметра - напряжение. Осциллограф выдаст информацию о переходных процессах. Остальные приборы предоставят ту информацию по электрическим параметрам, которую должны.
Все работает хорошо и стабильно, только в этой
программе либо невозможно, либо очень сложно создать схемы релейных защит -
нужно очень углубляться в особенности программы. Также будет невозможно
выводить информацию о сработавших защитах и нереально смоделировать действие
какой-либо защиты. Учитывая все эти особенности можно с уверенностью сказать,
что Electronics
Workbench не подходит для
использования в нашей работе.
1.2 Micro-Cap
Профессиональная программа аналогового, цифрового и смешанного моделирования и анализа цепей электронных устройств средней степени сложности. Интуитивно понятный интерфейс, нетребовательность к вычислительным ресурсам персонального компьютера и большой спектр возможностей послужили основой популярности Micro-Cap среди радиолюбителей, студентов и преподавателей микроэлектроники. Алгоритм работы включает в себя создание электрической цепи в графическом редакторе, задание параметров анализа и изучение полученных данных. Программа самостоятельно составляет уравнения цепи и проводит моментальный расчёт. Любое изменение схемы или параметров элементов приводит к автоматическому обновлению результатов. Графический редактор опирается на библиотеки электронных компонентов, которые можно пополнять на основе экспериментальных или справочных данных с помощью встроенного модуля Shape Editor. Все номиналы и параметры элементов могут быть как неизменными, так и зависящими от температуры, времени, частоты, состояния схемы, параметров других компонентов. Анимированные детали (светодиоды, реле, семисегментные индикаторы и некоторые другие элементы) изменяют состояние в соответствии с поступающими на них сигналами. Моделирование включает в себя целый набор различных анализов: переходных процессов, передаточных характеристик по постоянному току, малосигнальных частотных характеристик, чувствительностей по постоянному току, нелинейных искажений, метода Монте-Карло и многих других. Опытные пользователи могут создавать свои макромодели, которые облегчают имитационное моделирование без потерь информации. Допускается одновременно использовать различные стандарты элементов схемы. Полная поддержка SPICE-моделей позволяет применять проекты из других программ (DesignLab, OrCAD, P-CAD).
Из недостатков можно отметить лишь необходимость установки дополнительных элементов, так как объем библиотек Micro-Cap (даже в полной версии) явно недостаточен [3].Cap - англоязычный пакет, но желающие могут легко отыскать в сети русификатор программы от известных специалистов по работе с ним - Сергея и Марины Амелиных.
Программа была написана в 1982 году фирмой Spectrum Software, с тех пор она постоянно расширяется и совершенствуется. Фирма, в свою очередь, была основана Энди Томпсоном в феврале 1980 года, изначально позиционируясь на написании программ для Apple. Она расположена в одном из основных городов Силиконовой долины - Саннивейле (штат Калифорния, США).
Стоимость Micro-Cap составляет несколько тысяч долларов, однако на сайте разработчика можно скачать свободно распространяемую Evaluation Version, которая обладает многими возможностями полнофункциональной. Основные отличия - это не более 50 элементов в схеме, урезанная библиотека компонентов, ограничения на построение ряда графиков и медленная скорость работы.Cap работоспособен во всех операционных системах семейства Windows. Проблем при работе в Vista и 7 выявлено не было.
Данная программа не подходит для нашей работы,
так как в ней, как и в предыдущей нереально создавать полноценные схемы
релейной защиты и автоматики. Проблемы с руссификацией - малый недостаток, но
для работника, плохо знающего английский, он будет значимым. И также то, что в
бесплатной версии программы можно размещать на схеме всего 50 элементов играет
большое значение, ведь в релейных схемах почти всегда элементов больше, чем
такое количество.
1.3 LTspice/SwitcherCAD
симулятор для проведения компьютерного моделирования работы аналоговых и цифровых электрических цепей.(он же SwitcherCAD) представляет собой универсальную среду для проектирования и создания электрических схем с интегрированным симулятором смешанного моделирования. Программа позволяет быстро менять компоненты и параметры электронных схем, испытывать работоспособность новых вариантов, находить оптимальные решения. Возможна загрузка списка соединений, сгенерированного другими инструментами для рисования схем или созданного вручную (расширения *.sp, *.cir, *.net или *.but). От аналогичных программ (Microcap, OrCAD) рассматриваемое ПО отличается малым объемом необходимого дискового пространства и более высокой скоростью моделирования процессов.содержит полную библиотеку компонентов компании Linear Technology Corporation (пассивные элементы и интегральные схемы, включая редкие модели импульсных контроллеров и регуляторов). Поскольку программа использует стандартные SPICE-модели электронных деталей, к имеющейся базе можно добавлять библиотеки сторонних производителей, а также создавать свои собственные модели. Редактор имеет иерархическую структуру, рисование электронных цепей средней и большой сложности выполняется с помощью создания подсхем. Глубина иерархии и размер схемы ограничиваются только ресурсами компьютера.
Кроме этого в LTspice можно построить семейство амплитудно-частотных характеристик при пошаговом изменении номинала выбранного элемента. Результаты всех моделирований отображаются в графическом окне, при этом существует возможность их дальнейшего анализа [4].
В отличие от других программ LTspice способен записывать в wav-файл сигнал из любой точки цепи. Частота дискретизации и количество разрядов устанавливаются пользователем, а полученный файл может редактироваться в специализированной программе. Данные из файлов с расширением *.wav, помимо внутренних источников, генерируемых программой, могут являться входными сигналами рабочих схем.
Для проектирования печатных плат предусмотрено построение списка соединений с функцией упорядочивания следования имен выводов. Из недостатков LTspice необходимо отметить довольно неудобный интерфейс и ограниченное количество библиотек элементов.
Программный комплекс LTspice разработан в компании Linear Technology. Организация была основана в 1981 году и базируется в городе Милпитас (Калифорния, США). Компания проектирует, производит и продает линейные интегральные микросхемы - источники и регуляторы напряжения, компараторы, усилители, линейные регуляторы, зарядные устройства батарей, монолитные фильтры, Ethernet-контроллеры, конвертеры DC-DC и данных. Ее продукция используются в мобильных телефонах, сетевых решениях, ноутбуках и настольных компьютерах, устройствах контроля безопасности, медицинских устройствах, автомобильной электронике, системах спутниковой навигации и управления производственными процессами.
Язык интерфейса LTspice - английский, однако в интернете можно найти самодельный русификатор. Рассматриваемое ПО регулярно обновляется и поддерживает все операционные системы семейства Microsoft Windows.
Данная программа является бесплатной - это
большой плюс, но остаются те же проблемы, что и у двух предыдущих программ:
английский интерфейс и, самое главное, невозможность моделирования поведения
схем релейной защиты и автоматики не только в реальном времени, но и вообще
моделировать поведение таких схем. Поэтому эта программа также не подходит для нашей
работы.
1.4 Среда Multisim
- это единственный в мире эмулятор схем, который позволяет создавать лучшие продукты за минимальное время. Он включает в себя версию Multicap, что делает его универсальным средством для программного описания и немедленного последующего тестирования схем.Multisim 10.0 позволяет объединить процессы разработки электронных устройств и тестирования на основе технологии виртуальных приборов для учебных и производственных целей Подразделение Electronics Workbench Group компании National Instruments анонсировало выпуск Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0, самых последних версий программного обеспечения для интерактивного SPICE-моделирования и анализа электрических цепей, используемых в схемотехнике, проектировании печатных плат и комплексном тестировании. Эта платформа связывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику электронного оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов. Совместное использование программного обеспечения для моделирования электрических цепей Multisim 10.0 компании National Instruments со средой разработки измерительных систем LabVIEW, позволяет сравнивать теоретические данные с реальными непосредственно в процессе создания схем обычных печатных плат, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах и ускоряет выход продукции на рынок.
Можно использовать Multisim 10.0 для интерактивного создания принципиальных электрических схем и моделирования их режимов работы. «Multisim 10.0 составляет основу платформы для обучения электротехнике компании National Instruments, включающей в себя прототип рабочей станции NI ELVIS и NI LabVIEW. Он дает возможность студентам получить всесторонний практический опыт на всем протяжении полного цикла проектирования электронного оборудования», - заявил Рей Алмгрен, вице-президент компании National Instruments по академическим связям. «При помощи этой платформы студенты могут с легкостью перейти от теории к практике, создавая опытные образцы и углубляя свои знания в основах проектирования схем», - отметил он.
База данных компонентов включает более 1200 SPICE-моделей элементов от ведущих производителей, таких как Analog Devices, Linear Technology и Texas Instruments, а также более 100 новых моделей импульсных источников питания. Помимо этого, в новой версии программного обеспечения появился помощник Convergence Assistant, который автоматически корректирует параметры SPICE, исправляя ошибки моделирования. Добавлена поддержка моделей МОП-транзисторов стандарта BSIM4, а также расширены возможности отображения и анализа данных, включая новый пробник для значений тока и обновленные статические пробники для дифференциальных измерений.