Любая система автоматики и телемеханики состоит из отдельных элементов. Под элементом системы понимается простейшее (для рассматриваемой системы) устройство, преобразующее входные сигналы в выходные.
Основные элементы систем железнодорожной автоматики и телемеханики можно проклассифицировать по следующим признакам:
• по способу преобразования сигналов — элементы, выполняющие количественное, качественное и информационное преобразование. При количественном преобразовании входные и выходные сигналы имеют одинаковую размерность, но различные значения, при качественном преобразовании входные и выходные сигналы имеют различную размерность. Под информационным преобразованием понимается отображение на выходах элемента информации о значениях сигналов на его входах (отображение информации о состоянии входов);
• по характеру зависимости изменения выходного сигнала от изменения входного сигнала — элементы непрерывного и дискретного действия. Если при непрерывном изменении входного сигнала выходной сигнал изменяется непрерывно, то элемент считается элементом непрерывного действия. Если при непрерывном изменении входного сигнала выходной сигнал изменяется скачкообразно, то элемент считается элементом дискретного действия.
• в зависимости от выполняемых функций в системе — начальные (измерительные), промежуточные (управляющие) и конечные (исполнительные) элементы.
Начальные (измерительные) элементы служат для формирования информации, необходимой для работы системы, например, информации о состоянии участков пути, положении стрелок, техническом состоянии систем и устройств, включая элементы пути и подвижного состава, значениях различных параметров устройств СЦБ и внешних воздействий и др. К этому классу можно отнести и элементы, осуществляющие защиту устройств СЦБ от влияния различных дестабилизирующих факторов (перенапряжений, помех, влияния других устройств, влияния окружающей среды и др.), а также источники электропитания и формирователи различных сигналов.
Промежуточные (управляющие) элементы предназначены для реализации алгоритмов функционирования систем. Эти элементы выполняют такие функции, как фиксация, шифрование, передача, прием и расшифровка управляющих команд (приказов), проверка условий безопасности движения поездов, реализация логических зависимостей, математические вычисления, усиление и преобразование сигналов и др.
Конечные (исполнительные) элементы непосредственно воздействуют на объекты управления.
Рассмотрим назначение основных элементов систем СЦБ.
Датчики предназначены для формирования информации о состоянии объектов управления и контроля. Выходная информация датчиков, используемых в системах СЦБ, представлена в виде электрических сигналов. Датчиками состояния изолированных участков пути (свободное или занятое, целостность рельсовых нитей) являются рельсовые цепи. Также датчиками называют устройства, вырабатывающие электрические сигналы (чаще всего — последовательности импульсов тока), необходимые для работы других устройств автоматики и телемеханики.
Генераторы и электродвигатели — это электрические машины, предназначенные для преобразования энергии: генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, электродвигатели — электрическую энергию в механическую. В полупроводниковой и микроэлектронной аппаратуре генератором называется электронное устройство, вырабатывающее напряжение или ток, значение которого представляет собой некоторую периодическую функцию времени — гармонические колебания, прямоугольные импульсы, линейно изменяющееся напряжение (ток), кодовые последовательности.
Горочные вагонные замедлители являются тормозными средствами, предназначенными для регулирования скорости скатывания отцепов на сортировочных горках.
Защитные элементы. Аппаратура СЦБ в процессе эксплуатации подвергается воздействиям напряжений и токов, значения которых намного превышают допустимые значения, установленные технической документацией. Причинами перенапряжений являются грозовые разряды, а также аварийные и коммутационные процессы в электрических цепях. Причинами токовых перегрузок являются короткие замыкания в цепях питания, аварийные режимы нагрузок, блуждающие токи, попадающие в цепи питания, и др. Такие воздействия могут привести к нарушению нормальной работы и выходу устройств СЦБ из строя. Для защиты аппаратуры СЦБ от внешних электрических воздействий используются такие элементы, как автоматические выключатели, предохранители, разрядники, выравниватели. Автоматические выключатели производят отключение перегруженной цепи от источника питания с последующим автоматическим включением питания цепи. Предохранители выполняют ту же функцию, но без включения питания. В качестве средств ограничения напряжения в защищаемых цепях при превышении установленного уровня используются разрядники (для защиты от продольных перенапряжений) и выравниватели (для защиты от поперечных перенапряжений).
В настоящее время широко разрабатываются и внедряются на сети железных дорог системы и устройства СЦБ, выполненные с применением микроэлектронных и компьютерных технических средств и технологий. Элементами таких систем являются: логические элементы, предназначенные для выполнения набора логических операций; функциональные элементы, выполняющие различные операции, связанные с хранением и преобразованием аналоговых и цифровых сигналов; компьютеры (однокристальные микроЭВМ, промышленные и персональные компьютеры).
Устройства электропитания аппаратуры СЦБ в процессе работы выполняют различные функции, связанные с преобразованием параметров электроэнергии (напряжения, тока, частоты). Для этих целей используются преобразователи, выпрямители, трансформаторы. Для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление переменного тока) используются выпрямители; для преобразования постоянного тока в переменный — инверторы,; для преобразования постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения — конверторы; для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения — трансформаторы; для преобразования переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты — преобразователи частоты.
Функционирование микроэлектронных систем СЦБ связано с необходимостью обработки информации, представленной как в аналоговой (непрерывные сигналы), так и в цифровой (цифровые коды) форме. Функции преобразования сигналов выполняют такие элементы, как аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Бесперебойная работа устройств СЦБ во многом определяется качеством (стабильностью) питающего напряжения. Для поддержания питающего напряжения или тока в пределах, установленных технической документацией, в состав выпрямительно-преобразователь-ных устройств входят стабилизаторы.
Усилители предназначены для увеличения мощности электрических сигналов.
Фильтры — частотные, предназначенные для пропуска электрических сигналов только в определенном диапазоне частот, и сглаживающие, служащие для сглаживания (уменьшения амплитуды) пульсаций напряжения.
Реле в системах СЦБ выполняют различные функции, такие как фиксация управляющих команд (воздействий), фиксация состояния контролируемых объектов, коммутация электрических цепей, реализация логических зависимостей и др.
Светофоры являются постоянными сигнальными приборами, с помощью которых подаются видимые сигналы, служащие для обеспечения безопасности движения поездов, а также для организации движения поездов и маневровой работы. Сигнал является приказом и подлежит безусловному выполнению. Работники железнодорожного транспорта должны использовать все возможные средства для выполнения требования сигнала [36].
Трансмиттеры предназначены для формирования прямоугольных импульсов тока. Маятниковые трансмиттеры формируют последовательности равномерных импульсов; кодовые путевые трансмиттеры — кодовые комбинации.
Шлагбаумы используются для перекрытия автодороги на железнодорожных переездах при приближении поезда. Шлагбаум устанавливается на железобетонном фундаменте и состоит из закрепленного в кронштейне-раме заградительного бруса с противовесом, электропривода и мачты со светофорными головками. Заградительный брус может находиться в одном из двух положений — вертикальном (переезд открыт) и горизонтальном (переезд закрыт). На магистральных линиях используются автоматические шлагбаумы (автошлагбаумы), у которых перевод заградительного бруса из одного положения в другое осуществляется автоматически.
Электроприводом называется устройство, предназначенное для приведения в движение какого-либо механизма (машины) с использованием электрической энергии. В системах СЦБ используются стрелочные электроприводы, электроприводы автошлагбаумов и электроприводы автостопов метрополитенов. Стрелочные электроприводы обеспечивают перемещение остряков и сердечников крестовин стрелочных переводов, плотное прилегание прижатого остряка к рамному рельсу и подвижного сердечника крестовины к усовику, а также контроль положения стрелок. Электроприводы автошлагбаумов осуществляют перевод заградительного бруса из вертикального положения в горизонтальное и наоборот, а также контроль положения бруса. Электроприводы автостопов метрополитенов обеспечивают механическое воздействие автостопа на систему торможения поезда при экстренном торможении в случае проезда светофора с запрещающим показанием.