CC BY
25560
Электронное моделирование
УДК 004.428.4+656.25
К вопросу о выборе среды для имитационного моделирования систем железнодорожной автоматики
и телемеханики
Д. В. Новиков
Петербургский государственный университет путей сообщения Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»
Аннотация. Дается обзор существующих симуляторов электрических цепей, которые могут быть использованы для проведения экспертизы принципиальных схем ЖАТ на основе имитационного моделирования.
Ключевые слова: имитационное моделирование; экспертиза; симулятор; SPICE.
1 Введение
Существующие высокие темпы технического прогресса, а также потребности ОАО РЖД в новом строительстве, реконструкции, техническом перевооружении и капитальном ремонте, в том числе и систем железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), диктуют особые условия для работы проектных организаций. В современных условиях последние вынуждены максимально сокращать сроки проектных и изыскательских работ, штат причастных к проектированию работников, а также время на выполнение проектов [1]. Помимо этого, важным требованием, которое предъявляется к проектным организациям, является минимизация числа ошибок в выпускаемой проектно-сметной документации.
Таким образом, в существующих условиях наиболее ответственным этапом разработки проекта является его экспертиза на предмет выполнения требований безопасности движения поездов. Сегодня экспертиза практически полностью осуществляется вручную в сжатые сроки, что обуславливает высокую роль человеческого фактора. Необнаруженные ошибки проявляются на этапе пусконаладочных
работ, что ведет к срыву сроков ввода железнодорожных объектов в эксплуатацию.
На рис. 1 представлены основные методы, которые могут быть использованы для проверки системы ЖАТ на соответствие требованиям безопасности. Сегодня заключительным этапом проверки системы являются вышеупомянутые пусконаладочные работы (эксперимент с реальной системой). Данный метод дает неплохие результаты в части обнаружения проектных ошибок, однако последующее их исправление, связанное, как правило, с перемонтажом, значительно увеличивает их стоимость. В связи с этим наиболее целесообразным является совершенствование методов поиска ошибок в проектной документации на этапе проектирования.
Для проверки результатов проектирования устройств ЖАТ используются различные методы и средства, входящие в состав «Автоматизированной Системы Экспертизы Схемных Решений Железнодорожной Автоматики и Телемеханики (АС ЭСР ЖАТ)» [2].
Для проверки системы по результатам этапа проектирования используется так называемый эксперимент с моделью системы. Поскольку построение физической модели проектируемой системы является экономически неэффективным, для проверки правильности работы системы используется ее формальное описание (математическая модель). При этом наиболее часто используются эвристические (контроль выполнения определенного набора правил) и экспертные (просмотр схем
Электронное моделирование
61
экспертом) методы, эффективные лишь для обнаружения некоторого подмножества ошибок. Кроме того, для эффективной проверки от эксперта требуется глубокое знание логики работы проверяемой системы, а также понимание взаимосвязей
и взаимозависимостей между входящими в нее элементами.
Перспективным направлением развития этапа проверки технической документации систем ЖАТ является применение имитационного моделирования для анализа работы проектируемой системы.
Эксперимент с реальной моделью (пусконаладочные работы)
Имитационное моделирование
Рис. 1 Методы проверки системы ЖАТ
Суть метода имитационного моделирования состоит в создании компьютерной модели проверяемой системы и последующем ее анализе. Поскольку непосредственно процесс имитационного моделирования не должен приводить к значительному увеличению времени проектирования, а также к удорожанию самого проекта, процесс создания имитационной модели необходимо автоматизировать. Основой для ее создания должен стать проект в отраслевом формате технической документации (ОФ-ТД) [3], [4].
Попытки автоматизировать этот процесс были предприняты в [5]. Несмотря на большой объем проделанной работы, результаты не получили широкого практического применения. Главным образом это связано с тем, что остались нерешенными некоторые связанные с моделированием проблемы, а именно:
- уменьшение времени подготовки проектируемой системы к моделированию, а также времени самого процесса моделирования;
- разработка замещающих макетов для напольных устройств и питающей установки;
- автоматизация формирования плана эксперимента на основании схематического плана станции и таблицы взаимозависимости стрелок и сигналов.
Системы ЖАТ являются сложными для моделирования объектами. Обусловлено это в первую очередь [5]:
- очень большим количеством составляющих систему элементов, что является причиной возникновения ряда сложностей при построении модели, а также значительным временем, которое должно быть отведено непосредственно на моделирование;
62
Электронное моделирование
- рабочим циклом систем ЖАТ, который включает в себя как интервалы, когда состояние компонентов схемы остается неизменным, так и интервалы с переходными процессами в цепях системы, что обусловлено наличием в составе системы аналоговых и дискретных элементов;
- трудностью анализа систем ЖАТ, заключающейся в необходимости управления сигналами на входах системы и контроля сигналов на выходе;
- построением модели электромагнитного реле - основного элемента систем ЖАТ - с требуемой степенью детализации, что является трудоемкой задачей.
2 Средства моделирования
В настоящее время важным вопросом является выбор среды для имитационного моделирования. В связи с существующими особенностями систем ЖАТ для их моделирования может подойти либо один из мощных коммерческих программных продуктов, либо программное обеспечение с открытым исходным кодом (open-source software), набирающее все большую популярность в последние годы. Рассмотрим возможности некоторых программных средств, которые могли бы быть использованы для целей имитационного моделирования систем ЖАТ.
Для моделирования электрических цепей наиболее часто используют прикладные пакеты, в основе которых лежит система SPICE. Симулятор электрических схем SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), разработанный в начале 70-х годов XX в. в Electronics Research Laboratory в Калифорнийском университете в Беркли, имеет открытый исходный код. Рассмотрим некоторые прикладные пакеты, построенные на основе симулятора SPICE.
В 1999 году произошло слияние корпораций MicroSim и OrCAD, результатом которого стало появление компании Cadence Design Systems (США) и выпуск пакета OrCAD PSpice 9.0 [6]. Входящая в состав пакета OrCAD PSpice программа
для моделирования электрических цепей PSpice A/D является одним из наиболее популярных симуляторов. PSpice A/D представляет собой пакет для аналогоцифрового моделирования, позволяющий моделировать электрическую цепь, содержащую любую комбинацию аналоговых и цифровых устройств. Сейчас корпорация Cadence Design Systems (США) проанонсировала выпуск версии пакета OrCAD PSpice 16.6, который запланирован на начало IV квартала 2013 года.
Программа схемотехнического моделирования NI Multisim является идейным наследником программы Electronics Workbench, которая была разработана компанией Electronics Workbench Group (Interactive Image Technologies). Сейчас Electronics Workbench Group является дочерней компанией, права на которую полностью принадлежат National Instruments Corporation. Таким образом, основные наработки и опыт специалистов Electronics Workbench Group были использованы при создании NI Multisim.
NI Multisim представляет собой средство для сквозного проектирования и моделирования электрических схем. Программа позволяет осуществлять моделирование аналоговых, цифровых и цифроаналоговых электрических цепей большой степени сложности. Программа использует стандартный интерфейс Windows, позволяет моделировать не только схемы, составленные непосредственно в программе, но также схемы, для которых задание на моделирование подготовлено в текстовом формате SPICE [7].
Программа схемотехнического моделирования MicroCap, разработанная компанией Spectrum Software (США), несмотря на скромные требования, предъявляемые к аппаратным ресурсам, дает возможность моделирования аналоговых, цифровых и аналого-цифровых схем средней степени сложности. На данный момент последней стабильной версией программы является версия MicroCap 10 [8].
Электронное моделирование
63
Программа MATLAB, созданная компанией MathWorks (США), предлагает пакет расширения Simulink, представляющий собой мощную интерактивную среду для моделирования и анализа широкого класса динамических систем, представленных функциональной блок-схемой [9]. Для построения блок-схемы моделируемого
устройства Simulink имеет ряд библиотек блочных компонентов (браузер библиотек). Основные из них:
- Simulink (основная библиотека, содержащая источники сигналов и воздействий, линейные компоненты, дискретные компоненты, математические компоненты и операции, соединительные компоненты и т. д.);
- Simulink Extras (дополнительная библиотека, содержащая дискретные и линейные блоки, триггерные блоки, регистраторы и др.);
- пакет DSP Blockset (библиотека, содержащая компоненты для моделирования цифровых устройств);
- пакет SimPower Systems (библиотека, содержащая компоненты для моделирования энергетических устройств);
- пакет Stateflow (пакет событийного моделирования).
В отличие от рассмотренных выше пакетов в MATLAB используется высокоуровневый интерпретируемый язык MATLAB, который включает основанные на матрицах структуры данных широкий спектр функций, интегрированную среду разработки, объектно-ориентированные
возможности и интерфейсы к программам, написанным на других языках программирования.
Среди программ для имитационного моделирования электрических схем с открытым исходным кодом интерес представляют две: QUCS и Ngspice.
Программа QUCS (Quite Universal Circuit Simulator) представляет собой универсальный симулятор электрических цепей, позволяющий рассчитывать параметры электрических цепей переменного и
постоянного токов, а также анализировать гармонический баланс и шумы. QUCS поддерживает большинство основных компонентов схем, используемых в SPICE, но непосредственно применять ее в качестве задания на моделирование нельзя, поскольку в описании некоторых компонентов имеются существенные различия. Разработчики программы заявляют, что в перспективе эти различия должны быть устранены для того, чтобы QUCS была полностью совместима со стандартными файлами списков соединений SPICE netlist.
Симулятор электрических цепей Ngspice как самостоятельная программа входит в состав набора программного обеспечения для проектирования электронных устройств gEDA/gaf, распространяемого по лицензии GPL.
Ngspice, поддерживающий нелинейные и линейные виды анализа, основывается на трех свободных программных продуктах: Spice3f5, XSPICE и Cider. Программа Spice3f5 является последней реализацией семейства имитаторов Spice3, разрабатываемых в Калифорнийском университете в Беркли. Этот имитатор позволяет использовать в качестве задания на моделирование стандартный файл netlist и контролировать анализ с помощью командного интерфейса (CLI). XSPICE позволяет добавить в Ngspice возможности событийного моделирования, что дает возможность имитировать смешанные сигналы. Cider предназначен для возможности получения более точного результата посредством численного моделирования критических элементов схемы. Кроме того, в Ngspice появилась возможность, помимо стандартного интерфейса командной строки, использовать графический интерфейс через язык TCL. Ngspice является программным обеспечением с открытыми исходными кодами и распространяется по лицензии BSD [10].
64
Электронное моделирование
3 Заключение
В таблице приведены характеристики рассмотренных выше средств имитационного моделирования.
Из рассмотренных симуляторов наиболее эффективным для моделирования систем ЖАТ является Ngspice. Этот выбор обусловлен следующими причинами:
- программа поддерживает возможности смешанного аналого-цифрового моделирования;
ТАБЛИЦА Характеристики средств имитационного моделирования систем ЖАТ
Характеристика среды OrCAD Spice NI Multisim MicroCap MATLAB Simulink QUCS Ngspice
Фирма-разработчик Cadence Design Systems (США) National Instruments (США) Spectrum Software (США) MathWorks (США) - -
Год выпуска последней версии 2012 2012 2011 2012 2011 2013
Специализированный язык SPICE SPICE SPICE MATLAB SPICE SPICE 3
Лицензия Proprietary Proprietary Proprietary Proprietary General Public License Berkeley Software Distribution
Графический ввод схем Есть Есть Есть Есть Есть Есть
Выдача задания на моделирование в формате списка соединений Есть Есть Есть Нет Есть Есть
Расчет режимов DC, AC, Transient Есть Есть Есть Есть Есть Есть
Неограниченный размер схем Есть Есть Нет Есть Есть Есть
- программа является бесплатной для пользователей и распространяется по лицензии BSD с открытыми исходными кодами.
Тот факт, что в основе программы Ngspice лежит имитатор Spice3, позволяет использовать существующие наработки НТЦ САПР ПГУПС в этой области.
Библиографический список
1. Василенко М. Н. Оптимизация проектирования трассы кабеля по критерию стоимости работ и материалов / М. Н. Василенко, А. М. Горбачев // Вестник ВНИИЖТ. - 2010. -№ 4.- С. 43-46.
2. Горбачев А. М. Автоматизация анализа, экспертизы и сверки технической документации системы железнодорожной автоматики и телемеханики / А. М. Горбачев // Известия ПГУПС. - 2012. - № 4 (33). - С. 73-78.
3. Горбачев А. М. Применение теории и методов экспертизы схемных решений ЖАТ для повышения качества ведения технической документации / А. М. Горбачев, М. Н. Василенко // Транспорт Российской Федерации. -2012. - № 6 (43). - С. 40-42.
4. Балуев Н. Н. Проблемы внедрения отраслевого формата / Н. Н. Балуев, М. Н. Василенко и др. // Автоматика, связь, информатика. - 2010. - № 3. - С. 2-4.
65
Электронное моделирование__________________
5. Максименко О. А. Методы и алгоритмы автоматизации моделирования и проверки проектов станционных систем железнодорожной автоматики и телемеханики : дис. ... канд. тех. наук / О. А. Максименко. - СПб. : ПГУПС, 2004. - 249 с.
6. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSpice / Пер. с нем. -М. : ДМК ПРЕСС, 2008. - 336 с.
7. Введение в Multisim. Трехчасовой курс. -National Instruments, 2006. - 38 с.
8. Амелина М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 / М. А. Амелина, С. А. Амелин. - М. : Горячая линия-Телеком, 2007. - 464 с.
9. Лурье М. С. Имитационное моделирование схем преобразовательной техники / М. С. Лурье, О. М. Лурье. - Красноярск : СибГТУ, 2007. - 138 с.
10. Paolo Nenzi, Holger Vogt Ngspice Users Manual. Version 25plus.
Q
2 На начало 2013 года на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» защищено 130 кандидатских (в среднем 3 кандидатские диссертации в 2 года) и 12 докторских диссертаций (в среднем 1 докторская диссертация в 7лет).
