Автоматизована система контролю деформацій об'єктів залізничної інфраструктури

Калюжний, Юліан Сергійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10292

Title:	Автоматизована система контролю деформацій об'єктів залізничної інфраструктури
Authors:	Туз, Вячеслав Валерійович Калюжний, Юліан Сергійович
Keywords:	МЕМС-акселерометр;Динамічні вібраційні навантаження;Промисловий інтерфейс RS-485
Issue Date:	8-Jun-2026
Abstract:	Основна ідея та підхід: Традиційні методи моніторингу залізничних опор (візуальний огляд, ручні вимірювання) застаріли, оскільки не забезпечують безперервного контролю і потребують значних ресурсів. Суть роботи полягає у створенні концепції інтелектуального польового вузла, який кріпиться безпосередньо на опору контактної мережі та в режимі реального часу відстежує як повільні квазістатичні відхилення (просідання ґрунту), так і динамічні вібрації від проходження поїздів. Головний підхід — перенесення математичної обробки та цифрової фільтрації сигналів безпосередньо на периферійний пристрій (Edge Computing), що суттєво розвантажує канали зв'язку системи. Технологічні та схематичні рішення: Для реалізації задуму використано синергетичне поєднання двоосьового електролітичного інклінометра Spectron SP5000 (для статики) та триосьового цифрового МЕМС-акселерометра ADXL362 (для динаміки). Ядром системи слугує мікроконтролер C8051F352 із вбудованим високоточним 16-розрядним сигма-дельта АЦП. Схемотехнічно передбачено розділення аналогового та цифрового живлення для захисту від шумів, а також інтеграцію трансивера SN65HVD1176 для передачі даних промисловою шиною RS-485. Програмна архітектура побудована на глибоких «сплячих» режимах, де пристрій «пробуджується» апаратними перериваннями від датчиків або за таймером. Застосовані розрахунки: У роботі виконано комплекс математичних розрахунків, які підтверджують працездатність пристрою. Розраховано RC-фільтр низьких частот (зріз ~10 Гц) для придушення промислових завад від контактної мережі (50 Гц). Розрахунок енергоспоживання довів, що завдяки середньому струму споживання близько 64,4 мкА, пристрій здатен працювати від однієї Li-SOCl2 батареї від 10 до 15 років. Також обґрунтовано, що швидкість передачі 7,5 Мбод є достатньою для збору інформації без втрати пакетів у жорсткому реальному часі , а розрахунок інструментальної похибки АЦП підтвердив, що вона на порядок менша за власну похибку датчика, забезпечуючи підсумкову точність 0,02°. Відмінність від аналогів (конструктивний та технологічний план): На відміну від існуючих промислових датчиків (наприклад, IFM чи Balluff), які зазвичай пропонують або аналоговий вихід, або дорогі протоколи CANopen, а також контролюють лише один параметр (нахил), розроблений вузол об'єднує інклінометр та акселерометр в одному модулі. Інновацією є локальна цифрова фільтрація впливу вібрацій на показання інклінометра безпосередньо в мікроконтролері, що дозволяє передавати на диспетчерський рівень вже очищені, високоточні дані стандартними інтерфейсами, здешевлюючи систему при масовому розгортанні. Відмінність від аналогів (соціо-екологічний та економічний план): Економічна перевага рішення полягає у переході до стратегії предиктивного обслуговування (обслуговування за фактичним станом), що різко знижує операційні витрати на людський ресурс (обхідників) та запобігає багатомільйонним збиткам від потенційних аварій обриву мережі. В етико-екологічному плані система усуває «людський фактор», підвищуючи безпеку пасажирів , а концепція екодизайну (Eco-design) з розрахунковою автономністю 10-15 років мінімізує кількість токсичних батарей, що підлягають утилізації, у порівнянні з існуючими менш енергоефективними системами. Крім того, раннє попередження зсуву опор виключає ризик техногенних катастроф, пов'язаних зі сходом з рейок потягів із небезпечними вантажами.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10292
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Робототехнічні системи та автоматизація)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Калюжний.pdf Restricted Access	КРБ Калюжний Ю.С. 2026	5.96 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

YEPKACbKMÝ IEPKABHHÄ TEXHOJOTI4HHÝY HIBEPCHTET
bAKYJIHTET EJIEKTPOHHHX TEXHOJIOriÄ, ABTOTPAHCIIOPTY TA
MAILIMHOEYJYBAHHA
KAOEPAI IPMJIAJIOBYJYBAHHA, MEXATPOHIKH TA
KOMITIOTEPH3OBAHMX TEXHOJIOTIM
AonyuiCHO AO 3aXHCTy
BeaBinys aya kaɖheapu IMKT
MaKcHM BOHIAPEHKO
2026 p.
IIOACHIOBAJIbHA3 AIIHCKA
IO KBAJIIOIKAIIMHOÏP OBOTH EAKAJIABPA
Ha TeMy «ABTOMaTHYHa cHCTeMa KOHTPoTHO 1eHopMauiň 00 €KTIB 3ani3HHYHOỈ
iH¢pacrpyKrypH»
BuKOHaB 3106yBay ocBİTH4 Kypcy, rpyru PCAcK-23
cnejaIbHİCTb: 174 «ABTOMaTH3aui, KOMII' IOTePHO
iHTerpOBaHiT eXHOJOriï Ta poõoToTeXHİKa»
OCBİTHA iporpaMa: Po6oTOTreXHİVHİ CHCTeMH Ta
aBTOMaTH3ais
KaToKHHĂ IOIiaH CepriňOBHY
KepiBHHK Ba4ecIaB TY3
PeueH3eHT Cepriŭ BHCJIOYX
KBauiþikauiğHa poõoTa ŐakaiaBpa MiCTHTE pesyibTaTH BIaCHHX 3I00yTKİB aBTOpa.
BuKopHCTaHHA İIeň, pe3yIbTaTÍB 1 TeKCTİB iHIIHX.ABTopiB MaroTE NOCHUIaHHA Ha
BİJNOBİNHe IKEpeno.
uHC 3100yBa4a
HepkacH-2026
4EPKACLKHÄ IEPKABHHĂT EXHOJIOriMHMH
VHIBEPCHTET
)
nOBHC HalMcHyBaHHA BHUIoro HaByNbHOrO
3 aKJIany
TeXHOJoriň, aBTOTPaHcnopTY Ta MauuHHOŐYIVBaHHA DakyıbTeT eNeKTpOHHHX
Kapenpa npHano6vayBaHHA, MexaTpoHİKH Ta KOMII'OTepH30BAHHX TexHO10riň
OcBiTHbO-KBani¢ikauiänuử piBeHb 5akanaBp
CneuiaibHİCTH 174 «ABTOMATH3Auia, KOMn'1OTepHo-iuTerpoBaui TeXHO1orï Ta po6oTOTexHİka»
OCBİTHA Iporpama «Poo0TOTeXHİYHİC HCTeMH Ta aBTOMaTH3auig»
3ATBEPIKYIO
B.o. 3aBiaHAva Kağeapn IIMKT MakcHM BoHIapeHKO
2026 poKy
3 A B I A H H A
HA KBAJIIOIKAUIMHY POBOTY BAKAJIABPA
KanoKHOrKoO niaHa CepriňoBH4a (npisenuue, im'a, no 6aTbKOBi)
1. TeMa pooTH ABTOMaTH30BaHa cHCTeMa KOHTPOIIO 1e)opMauiń 06°CKTiB 3ani3HHYHOỈ
iH¢pacTpYKTYPH
KepiBHHK poooTH 10eT Kaeıpu IIpHlaobyIyBaHHA, MexaTDOHİKH Ta
KOMIT IOTepH3OBaHHX TexHOI0riğ, K.T.H., IOueHT Ty3 BayeciaB BanepižoBH4
(npisene, im'a, no 6aTbKOBi, HayKoBHĂ CTYniHb, BYeHe 3BaHIA)
3aTBepIKEHİH aka3oM BHIIOrO HaB4aIbHOrO 3akiany BÌI "13" KBİTHA 2026 pOKy Ne 94/03-03
2. CTpoK INOJaHHA 3106yBayeM po60TH 5 YepBHA 2026 p.
3. BuxiņHİ 1aHİ 10 po00TH CxeMOTeXHiYHe o6rpyHTYBaHHA anapaTHOT apxITeKTYPH By31a Ha õasi
3M1WaHOro cHrHAIy C8051F352, ABOoCbOBOrO eneKTpoiiTHYHOrO IHKIIHOMeTpa Spector SP5000
Ta
TpHOCHOBOro MEMC-aKcenepoMeTpa ADXL362.IIa KOH)İrypauja 3aõe3neyyE TOYHİCTE BHMİprOBaHHg
HaxHIy Ha piBHİ 0,2° npu peecTpauiï Biðpauiň Ao 5 gy HacTOTHOMY crneKTPI 10 2001 u, 3 HaIHH3LKHM
CHeprocnoKHBaHHAM, IHO 3a6e3neHT5 poboTY poTrOM 10-15 pokiB be3 3aMİHH eNeMeHTiB KHBJIeHHA.
3araIbHHĂ NOKa3HHK HaniĂHOcTi CHCTeMH CTaHOBHTH 6JIH35Ko 500 000 ronHH õe3BİIMOBHOi poőoTH, IO
103BOJISE YHHKHYTH 36HTKİB i nOBHICTKO pobuTH IIpHnaTHOO JIA BIIDOBaIKeHHA Ha 00'€KTax
MaricTpanbHOi 3aıi3HHYHOỈ İHbpacTpyKTYPH.
4. 3MicT po3paxyHKOB0-I10ACHIOBAJIbHOÏ 3anHCKH (epenik IHTaHb, AKİ nOTpiőHo
po3pooHTH 1 0ốrpyHTYBAHHA Heo6xiņHOCTİI poeKTYBaHHA Ha oCHOBİ aHani3y icHyIOYHX aHanoriB. 2
06rpyHTYBaHHA TeXHiYHOrO 3aBIaHHA. 3 Po3poőka cTpyKTypHoi Ta ipHHUHIIOBOi CxeMH CHCTeM. 4
Po3paxyHKOBa yacTHHa oCHOBHHX BY3nİB CXeMH. 5 CneiaIbHa yacTHHa. 5.1. TexHOJIOrİHHHĂ p03niı
BHMİpOBalbHOro By3/1a. 5.2 AcneKTH IPHĂHATTA TeXHİYHHX piuueHb. 5.3 Po31iI OXOpoHH Ipauı
5. IlepenİK rpapi4Horo MaTepiaıy (3 TO4HHM 3a3HaYEHHIM O00B'a3KOBHX KpecieHb)
IHHopMauiŠHO-BHMİpKOBaTbHHĂ BY30JI, AKHŇ BHCTYIlae ba3oBHM eneMeHTOM aBTOMaTH3OBaHOỈ CHCTeMH
KOHTPOIIO npoCTOPOBHX 1e)opMauiň onop KOHTaKTHOỈ Mepexi 3aniBHHIị. lCHYIoyi aHaIorH
IIpOMHCHOBİ İHKJIİHOMETDH Ha CLOroIHÍ He BiAnOBİlaOTH BHMOaM, iX 6yIO 3aMİHeHO Ha
MIKpOKOHTPOJIep 3MIIWaHoro CHrHaJIY.
2
6. KoncyNbTaHTHP 03/niniB KBAnihikauiäHoŤ poőoTH Ilimnc, nara
Po3ni TIpizBuue, iHimiamM Ta nocana 3aB1aHHA 3aB1aHHA
KOHcyJIbTaHTa BH1aB npuÄHAB
Oxoponn ipani Koxem'AKİH O.C., cTapuună BHKIaNay
Kaenpu T3BKEXJI
EkoNOMivunä Ty3 B.B., nouCHT Ka)enpH IIMKT,
posnin, K.T.H., IOuCHT
TeXNOJoriynni
posnin
HopMoaisauiňnuă THYKOB B.B., 10ueHT Kaenpu IIMKT,
KOHTPo.JTb K.T.H., 1OueHT
7. Mata BHJa9i3 aBiaHHA
KAJIEHIAPHMŇI IJIAH
Ng Ha3Ba eTaniB KBanihikauišHoi CpoK BHKOHAHHA IlpuMiTKa
3/n po6oTH eraiB po6oTH
1 O6rpyHTYBaHHA HeoŐxİņHOCTİ IIpo€KTYBAHHA Ha 0CHOBİ 02.2026 BHK
KpHTHYHOro aHanİ3y icHyIOo4HX aHaIoriB
06rpyHTYBaHHA TeXHİYHoro 3aBlaHHA 02.2026 BHK
2
3 Pozpoőka crpyKTYpHoï CxeMM 02.2026 BHK
4 Po3pooKa npHHIHIIOBOÏ eneKTPHYHoỉ CXeMH 03.2026 BHK
5 Po3paxyHOK eNeMeHTİB CXeMH 03-04.2026 BHK
6 OujHKa TOYHOCTỈ Ta HaniÁHOCTİ 03-04.2026
7 TexHoNoriHHň p03ņin 03-04.2026 BHK
Po3nin oxopOHH Ipaui 03-04.2026 BHK
BHK
9 EKOHOMİYHHÄp O3nin 03-04.2026
10 OhopMneHHA KpeCICHE 03-04.2026 BHK
11 OopMIeHHA I0NaTKiB 05.2026 BHK
12 OhopmeHHA CynpOBİJHOŤ AOKyMeHTauiï 05.2026 BHK
3no6yBay BHLoï ocBiTH KOniaH KAJIIOKHHÝ
(n iannc
Kepisnuk po6oTH BayecnaB TY3
Зміст

Стор.
Технічне завдання…………………………………………..…………. 2
Вступ 5
1 Обґрунтування необхідності проєктування на основі аналізу
існуючих аналогів 8
1.1. Огляд рішень та аналогів у мережі Інтернет 8
1.2. Огляд літературних джерел за напрямом дослідження 12
1.3. Патентний пошук та аналіз інноваційних рішень 21
2. Обґрунтування технічного завдання 24
3. Розробка структурної та принципової схеми системи 26
3.1. Розробка структурної схеми 26
3.2. Обґрунтування вибору елементної бази інформаційно-
вимірювального вузла 28
3.3. Розробка схеми електричної принципової системи 31
4. Розрахунок основних вузлів схеми 37
4.1. Розрахунок параметрів аналогового фільтра низьких частот
(ФНЧ) 37
4.2. Розрахунок енергоспоживання та часу автономної роботи 38
4.3. Обґрунтування інформаційної пропускної здатності
комунікаційного каналу 39
4.4. Розрахунок інструментальної похибки вимірювального каналу 40
4.5. Розрахунок показників надійності апаратної частини 42
4.6. Розрахунок максимальної довжини сегмента мережі RS-485 43
4.7. Розробка алгоритму програм 44

РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата
Розробив
Калюжний Ю.С. Літ. Арк. Аркушів
Перевірив Туз В.В. Автоматизована система контролю 3
деформацій об'єктів залізничної
Т. Контр. Тичков В.В. інфраструктури
Пояснювальна записка ЧДТУ
Ств.

5. Спеціальна частина 55
5.1. Технологічні особливості виготовлення та складання
інформаційно-вимірювального вузла 55
5.2. Соціально-економічні та етико-екологічні аспекти прийняття
технічних рішень 57
5.3 Охорона праці 60
Висновки 73
Список використовуваної літератури 74
Додаток А Відомість технічного проєкту 76
Додаток Б Специфікація та перелік елементів 77
Додаток В Результати розрахунку на ЕОМ 78
Додаток Г Презентація доповіді 79
Додаток Д Тези доповіді студентської науково-практичної
конференції «ДНІ СТУДЕНТСЬКОЇ НАУКИ – 2026»…….

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 4

Вступ

Сучасний розвиток залізничного транспорту та його інтеграція до
європейської транспортної мережі вимагають кардинального перегляду підходів до
технічного обслуговування магістральної інфраструктури. Надійна робота
залізничних ліній безпосередньо залежить від стану об'єктів енергопостачання,
серед яких опорні конструкції контактної мережі відіграють критично важливу
роль у забезпеченні безперебійного руху електрорухомого складу. Постійний
вплив динамічних, вібраційних та кліматичних навантажень призводить до
поступової деградації матеріалів, просідання ґрунтів і, як наслідок, до небезпечних
просторових деформацій опор. Традиційні методи моніторингу, що базуються на
періодичному візуальному огляді або ручних геодезичних вимірюваннях, сьогодні
є морально застарілими, оскільки вони не здатні забезпечити безперервність
контролю та вимагають значних людських і фінансових ресурсів. У зв'язку з цим
виникає гостра необхідність у створенні та впровадженні автоматизованих систем,
здатних у режимі реального часу відстежувати щонайменші відхилення
геометричних параметрів інфраструктурних об'єктів для запобігання
катастрофічним аварійним ситуаціям.
У межах автоматизації залізничного комплексу ключовим інженерним
завданням є розробка надійного та точного нижнього рівня інформаційно-
вимірювальних систем, який безпосередньо взаємодіє з контрольованим об'єктом.
Фізичні процеси, що відбуваються в конструкціях опор під впливом проходячих
поїздів, мають як статичну, так і динамічну природу, що зумовлює складність
вимірювального процесу. Для повноцінного аналізу деформацій автоматизована
система повинна реєструвати повільні квазістатичні зміни просторового
положення опор, викликані зміщенням масивів ґрунту, а також високочастотні
коливання, зумовлені взаємодією пантографів із контактним проводом та
вітровими потоками. Відповідно до жорстких умов експлуатації залізничних
об'єктів, апаратно-програмні засоби системи мають забезпечувати прецизійний
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 5

контроль кута нахилу конструкцій у діапазоні до двадцяти градусів із похибкою,
що не перевищує двох сотих часток градуса. Водночас виникає потреба у
паралельному фіксуванні вібраційних прискорень із силою до п'яти g у частотному
спектрі до двохсот герц. Реалізація таких вимог можлива лише за умови
використання передових сенсорних технологій та швидкісних каналів передачі
інформації із пропускною здатністю на рівні семи з половиною megabaud.
Специфіка проектування подібних автоматизованих систем у межах
спеціальності комп'ютерно-інтегрованих технологій вимагає глибокої інтеграції
мікроелектронних компонентів та розробки ефективного алгоритмічного
забезпечення для первинної обробки сигналів безпосередньо на польовому рівні.
Оскільки вимірювальні вузли монтуються безпосередньо на опорах уздовж
залізничного полотна, де стаціонарне низьковольтне живлення відсутнє, на перший
план виходить критерій мінімального енергоспоживання. Вирішення цієї технічної
суперечності між високою точністю та автономністю досягається шляхом
використання концепції мікропроцесорного керування у поєднанні із сучасними
датчиками типу мікроелектромеханічних систем. Перспективним є поєднання
кондуктометричного прецизійного інклінометра для високоточного визначення
статичного нахилу та інтегрованого ємнісного акселерометра для фіксації
динамічних віброприскорень. Координацію роботи цих сенсорів, конфігурування
сплячих режимів , а також швидкісну цифрову фільтрацію потоку даних
раціонально покласти на спеціалізовану систему на кристалі, що оснащена
високоефективним вбудованим сигма-дельта аналого-цифровим перетворювачем.
Такий підхід дозволяє перенести математичні обчислення на периферійний вузол,
суттєво розвантажуючи центральні комунікаційні канали автоматизованої системи.
Головною метою цієї кваліфікаційної бакалаврської роботи є комплексне
проектування, апаратне обґрунтування та алгоритмічна реалізація цифрового
інформаційно-вимірювального вузла, який виступає базовим елементом
автоматизованої системи контролю деформацій залізничної інфраструктури. Для
успішного досягнення цієї мети у роботі послідовно розв'язується низка
взаємопов'язаних науково-практичних завдань. Спершу здійснюється глибокий
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 6

системний аналіз існуючих світових технологій вимірювання просторових
координат, на основі якого виявляються переваги та обмеження електролітичних
та конденсаторних напівпровідникових сенсорів. Далі, спираючись на критерії
точності, швидкодії та енергетичної ефективності, проводиться ретельний вибір
елементної бази та синтезується електрична принципова схема пристрою.
Важливою складовою дослідження є розробка низькорівневого програмного коду
та комплексу взаємопов'язаних алгоритмів, які забезпечують синхронізацію
інтерфейсів передачі даних, обробку переривань від таймерів та АЦП , а також
надійне розпізнавання команд від диспетчерського рівня керування. Окрему увагу
в проекті приділено математичному моделюванню напруги дотику та розробці
інженерних рішень для захисту обслуговуючого персоналу й апаратури від
екстремальних наведених потенціалів та високої напруги діючих контактних
мереж.
.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 7

1 Обґрунтування необхідності проєктування на основі аналізу
існуючих аналогів

1.1. Огляд рішень та аналогів у мережі Інтернет
Ринок сучасних засобів промислової автоматизації та вимірювальної
техніки пропонує широкий спектр сенсорних рішень для визначення просторового
положення та кута нахилу. Для побудови систем контролю об'єктів критичної
інфраструктури, до яких належать опори контактної мережі залізниці, необхідні
датчики, що поєднують високу точність, стійкість до агресивних умов зовнішнього
середовища та розширені комунікаційні можливості.
Аналіз відкритих даних у мережі Інтернет показує, що провідні позиції у
цьому сегменті займають розробки таких світових виробників, як IFM Electronic,
Balluff, Pepperl+Fuchs (Німеччина) та Spectron. Інклінометри цих виробників
застосовуються на виробництві та рухомій техніці, оскільки мають міцні корпуси з
максимальним ступенем пило- та вологозахисту.
Аналіз рішень від IFM Electronic
Компанія IFM Electronic пропонує лінійку інклінометрів, розроблених
спеціально для застосування у жорстких умовах експлуатації. Яскравим
представником є одноосьовий інклінометр ЕС2019, аналоговий сигнал на виході
якого функціонально залежить від кута нахилу.
Залежність вихідного сигналу від кута нахилу для даного сенсора
визначається нелінійною функцією, графічне подання якої має характерну S-
подібну форму.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 8

Рисунок 1.1 — Залежність вихідного сигналу від кута нахилу сенсора
EC2019 (IFM Electronic).

Діапазон вимірювання цього датчика становить від -20° до +20° (або -
90°..+90°), з вихідним сигналом 4..20 мА або 0..10 В. Попри високий ступінь
пиловологозахисту (IP67) та розширений температурний діапазон (-30.. 85 °C),
аналоговий характер виходу вимагає використання додаткових модулів
аналогового введення при підключенні до промислових ПЛК.

Аналіз рішень від Balluff та Pepperl+Fuchs
Одноосьові інклінометри Balluff серії BSI відрізняються мініатюрними
розмірами та невисокою масою, що є критичною вимогою для низки
інфраструктурних завдань. Важливою перевагою серії BSI є висока роздільна
здатність, що становить 0.01°. Окрім класичних аналогових інтерфейсів, доступна
модифікація з цифровим інтерфейсом Modbus RTU RS-485, що значно спрощує
інтеграцію сенсора в промислові мережі.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 9

Датчики кута нахилу від Pepperl+Fuchs нової серії F99 забезпечують повний
діапазон вимірювання від 0° до 360°. Їхньою відмінною рисою є наявність кнопок
налаштування та режиму навчання TEACH-IN безпосередньо на корпусі приладу,
а також підтримка інтерфейсу CANopen. Однак їхня роздільна здатність становить
0.1°, що є недостатнім для прецизійного моніторингу відхилень опор контактної
мережі.
Таблиця 1.1 Порівняльна характеристика одноосьових інклінометрів
(за матеріалами

Прецизійні електролітичні інклінометри Spectron
Окрему нішу займають високоточні електролітичні датчики. Електролітичні
інклінометри сучасної «керамічної серії» компанії Spectron містять у своєму складі
скло та керамічні матеріали, що забезпечує міцну герметичну упаковку та
виняткову термічну стабільність.
Для задач, де потрібне просторове позиціонування об'єкта, найвищу
ефективність демонструють двоосьові пристрої серій SP5000 та AU6000.
Симетричний дизайн цих датчиків усуває проблеми орієнтації під час
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 10

встановлення. Наприклад, модель SP5000-A-000 забезпечує вимірювання в
діапазоні ±45° із роздільною здатністю 0.02° та часом заспокоєння від 160 мс при
+25 °C.

Рисунок 1.2 — Зовнішній вигляд двоосьового електролітичного сенсора
серії SP5000 та інклінометра на його основі.

Сприятливе співвідношення ціни та якості робить продукцію Spectron
одним із найперспективніших варіантів для застосування у вузлах збору даних.

Критичний аналіз та обґрунтування власної розробки
Проведений огляд готових рішень дозволяє зробити такі висновки:
1. Існуючі промислові інклінометри провідних брендів (IFM, Balluff,
Pepperl+Fuchs) являють собою самостійні завершені пристрої, вартість яких при
масштабуванні на тисячі опор контактної мережі робить проект економічно
недоцільним.
2. Більшість готових модулів передає або виключно «сирі» аналогові дані,
або використовує протоколи (CANopen), що вимагають застосування дорогих
спеціалізованих шлюзів для інтеграції з класичними ПЛК.
3. Жоден з оглянутих датчиків не містить комбінованого інструментарію
(інклінометр + акселерометр) в одному корпусі для одночасного вимірювання
статичного кута нахилу та динамічних вібрацій.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 11

Отже, замість використання готових, ізольованих і дорогих датчиків,
технічно та економічно обґрунтованим є проєктування власного інформаційно-
вимірювального вузла. Використання мікроконтролера із вбудованим
високоточним сигма-дельта АЦП у поєднанні з сирим електролітичним датчиком
(наприклад, Spectron SP5000) та цифровим МЕМС-акселерометром дозволить
виконувати первинну цифрову обробку та фільтрацію сигналів безпосередньо на
опорі. Далі оброблений пакет даних за стандартними асинхронними інтерфейсами
може бути легко переданий на логічний контролер та візуалізований у системі
диспетчерського управління (SCADA), що повністю відповідає концепції побудови
багаторівневих систем автоматизації.

1.2. Огляд літературних джерел за напрямом дослідження

Аналіз науково-технічної літератури у сфері автоматизації
інфраструктурного моніторингу показує, що для побудови ефективних
інформаційно-вимірювальних систем польового рівня необхідно чітко
диференціювати методи реєстрації статичних та динамічних параметрів об'єктів.
Термін «інклінометр», який походить від латинського слова incline (нахиляти) та
грецького metr (вимірювати), визначає клас приладів, призначених для
прецизійного вимірювання просторового нахилу різноманітних об'єктів. У
класичному інженерному розумінні просторовий стан конструкції може
досліджуватися як у статичному, так і в динамічному або вібраційному режимах.
Коли контрольований об'єкт перебуває у абсолютному спокої, інклінометричний
датчик фіксує виключно його кутові характеристики відносно гравітаційного поля
Землі. Проте в реальних умовах експлуатації залізничної інфраструктури опорні
конструкції безперервно піддаються впливу вібрацій, вітрових потоків та ударних
навантажень від рухомого складу, що безпосередньо впливає на точність
первинних вимірювань, оскільки показання датчика починають залежати від
сторонніх прискорень. Саме тому в сучасній практиці проектування комп'ютерно-
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 12

інтегрованих систем поодинокі датчики замінюють комплексними
вимірювальними вузлами, які об'єднують інклінометричні модулі, акселерометри
та спеціалізовані мікропроцесорні пристрої обробки інформації.
Сучасна класифікація інклінометричних засобів автоматизації базується на
кількох ключових критеріях. За загальним методом отримання інформації їх
поділяють на пристрої безпосереднього вимірювання та пристрої непрямого
вимірювання, які використовують складні обчислювальні методи орієнтування,
дані суміжної радіолокації, сейсміки чи магнітометрії. За фізичним способом
реєстрації інформаційного сигналу в літературі виділяють магнітно-механічні,
фотореєстраційні, електрометричні, хімічні та електронні типи приладів. Залежно
від вимог до архітектури автоматизованої системи, реєстрація вимірювальних
даних може здійснюватися як безпосередньо всередині локального блоку, так і за
допомогою дистанційних каналів зв'язку. З огляду на просторову орієнтацію,
датчики поділяються на одно-, дво- та триосьові. З позиції системної інтеграції та
інтерфейсів автоматизації, інклінометри класифікують на пристрої з нормованим
аналоговим виходом, пропорційним куту нахилу, пристрої з дискретним
пороговим виходом для сигналізації аварійних меж, а також інтелектуальні модулі
з цифровими промисловими інтерфейсами, такими як CAN або Modbus, що є
найбільш актуальним для розподілених промислових мереж.
Історичним підґрунтям для створення сучасних електронних датчиків
нахилу стали механічні конструкції, засновані на принципі використання виска-
маятника або рідинного рівнеміра з повітряною бульбашкою. Гравіметричні
прилади на основі компенсованого маятника мають високу теоретичну роздільну
здатність, проте характеризуються тривалим часом заспокоєння чутливого
елемента. Електромеханічні модифікації минулих поколінь використовували
складні рамкові конструкції із соленоїдними електромагнітами та храповими
механізмами для примусового суміщення площини коливання маятника з
апсидальною площиною об'єкта, що суттєво ускладнювало конструкцію та
знижувало надійність системи в умовах тривалої автономної експлуатації.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 13

Якісний технологічний стрибок у розвитку автоматизації відбувся завдяки
впровадженню кондуктометричного принципу, який трансформував класичний
водяний рівень у прецизійний електролітичний інклінометр. Фізичний принцип
роботи такого пристрою полягає в тому, що вода в замкненій камері замінюється
на спеціалізовану електролітичну рідину з високим ступенем дисоціації частинок в
електричному полі. У нижній частині резервуара паралельно осі нахилу наносяться
металеві електроди. При подачі високочастотної змінної напруги на робочі
електроди в системі виникає електрорушійна сила. Коли пристрій нахиляється, під
дією гравітаційного поля Землі поверхня електроліту залишається строго
горизонтальною, що призводить до зміни рівня рідини безпосередньо над
поверхнею відповідних електродів. Зміна товщини рідкого шару викликає
пропорційну зміну електричного опору електроліту. Шляхом розташування двох
пар симетричних електродів у нижній частині капсули формується диференціальна
вимірювальна схема, яка забезпечує формування знакозалежного вихідного
сигналу, чітко пропорційного куту просторового відхилення.

Рисунок 1.3 — Фізичний принцип вимірювання кута нахилу
кондуктометричним методом

Електролітичні датчики, що використовують кондуктометричний принцип,
володіють фундаментальними перевагами для промислової автоматизації: високою
часовою стабільністю показань, прецизійною роздільною здатністю та
мінімальним температурним дрейфом нульової точки, що є критичним для систем
вуличного розташування. Для моніторингу масштабних інженерних споруд також
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 14

розроблені оптико-електронні рідинні системи, де кут нахилу реєструється шляхом
оптичного відстеження світлового потоку від напівпровідникового діода, який
відбивається від дзеркальної поверхні рідини в капсулі та проектується через
систему лінз і призму з нанесеним цифровим кодом на світлочутливу матрицю
приладу із зарядовим зв'язком.

Рисунок 1.4 — Внутрішня будова та оптична схема прецизійного рідинного
інклінометра

Сучасні електролітичні інклінометри прецизійного класу виготовляються за
спеціалізованою керамічною технологією, яка передбачає інтеграцію скляних та
керамічних конструкційних матеріалів для створення надміцної герметичної
упаковки чутливого елемента. Керамічний субстрат корпусу виконує роль
ефективного стабілізатора, мінімізуючи теплові деформації та гарантуючи високу
відтворюваність метрологічних характеристик при автоматизованому серійному
виробництві.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 15

Рисунок 1.5 — Конструктивні варіанти високоточних інклінометрів,
виконаних із використанням керамічної технології

Для паралельного контролю вібраційних та динамічних процесів, що
відбуваються в залізничних опорах при проходженні великовагових поїздів,
інформаційно-вимірювальна система повинна містити акселерометричний канал.
Акселерометр за своєю фізичною суттю є приладом для вимірювання механічного
прискорення, динамічних перевантажень та коливань механічних структур, який
здійснює первинне перетворення кінематичного руху в електричний сигнал.
Залежно від кінематики руху об'єкта автоматизації розрізняють лінійні та кутові
акселерометри, а відповідно до цільового призначення вони можуть функціонувати
як безперервні вимірювачі прискорення у часі, фіксатори моменту досягнення
заданого порогу або реєстратори пікових ударних навантажень у швидкоплинних
процесах.
В основі класичної механічної структури будь-якого акселерометра лежить
інертна маса (внутрішній вантаж), яка підвішена всередині захисного корпусу на
пружному елементі (системі гнучких підвісів чи пружин) та взаємодіє з
демпфуючим пристроєм для пригнічення власних коливань. Під дією зовнішньої
сили, що прискорює корпус, виникає сила інерції, яка викликає зміщення інертної
маси відносно нейтрального положення. Коли сила інерції повністю
врівноважується реакцією пружного підвісу, величина лінійного зміщення вантажу
стає строго пропорційною діючому прискоренню. Це зміщення реєструється
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 16

інтегрованим первинним перетворювачем і трансформується у вихідний
електричний сигнал.

Рисунок 1.6 — Принципова схема базової механічної моделі одновісного
акселерометра

Конструкція чутливого елемента проектується таким чином, щоб реагувати
лише на ту складову вектора прискорення, яка збігається з його віссю чутливості.
Важливою фізичною особливістю функціонування акселерометра є його неминуча
чутливість до сили тяжіння Землі, що в завданнях динамічного аналізу може
виступати як негативний чинник, але є надзвичайно корисним опорним фактором
при проведенні процедур автоматичного калібрування сенсора в просторі.
У сучасних комп'ютерно-інтегрованих системах автоматизації найбільшого
поширення набули датчики руху та прискорення, що працюють за конденсаторним
(ємнісним) принципом. Рухома частина такої системи являє собою мікроскопічний
вантаж на спеціальних пружних підвісах, до якого прикріплена рухома обкладка
конденсатора. Друга обкладка жорстко зафіксована на нерухомій основі датчика.
При виникненні прискорення вантаж зміщується, змінюючи геометричний зазор
між обкладками. Оскільки електричний заряд на обкладках підтримується
незмінним, зміна ємності викликає миттєву зміну різниці потенціалів, яку фіксує
електронна схема для подальшого розрахунку діючого прискорення.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 17

)

Рисунок 1.7 — Фізичний принцип функціонування диференціального
конденсаторного акселерометра

Масове виробництво та мініатюризація таких високоточних пристроїв стали
можливими завдяки розвитку інтегрованої МЕМС-технології
(Microelectromechanical Systems), яка дозволяє на єдиній кремнієвій підкладці
суміщати мікромеханічні вимірювальні структури з інтегральними логічними
схемами обробки сигналів. Створення поверхневої мікромеханічної структури
базується на послідовному нанесенні на кремнієвий кристал тимчасового
(«жертовного») шару діоксиду кремнію, проведенні прецизійної літографії для
відкриття технологічних вікон та формування тримальних «якорів». Наступним
кроком є високотемпературний синтез конструкційного шару полікристалічного
кремнію з його подальшим селективним травленням для формування геометрії
майбутнього сенсора. На фінальній стадії жертовний шар підкладки повністю
витравлюється, що забезпечує остаточне вивільнення рухомої механічної
пластини.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 18

Рисунок 1.8 — Технологічний процес формування мікромеханічної
структури методом рідинного травлення жертовного шару

Звільнена полікремнієва пластинка утримується над підкладкою
кремнієвими «якорями» за допомогою пружних мікробалок підвісу і зберігає
здатність лінійно переміщатися вздовж вектору вимірювання. По краях цієї
пластини сформовані рухомі балки, які входять у зачеплення з нерухомими
балками підкладки, утворюючи розгалужену диференціальну систему, що
складається з великої кількості мініатюрних конденсаторних комірок. За
відсутності зовнішнього динамічного впливу ємності в комірках є збалансованими,
а при виникненні прискорення пластина зміщується, порушуючи баланс ємностей
диференціальної системи, що реєструється інтегрованою електронікою датчика.

)

Рисунок 1.9 — Мікрофотографія вивільненої вимірювальної структури
МЕМС-акселерометра під скануючим електронним мікроскопом
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 19

Поряд із конденсаторними МЕМС-сенсорами, у літературі детально описані
п'єзорезистивні та п'єзоелектричні первинні перетворювачі прискорення. Для
проектування чутливих елементів п'єзорезистивного типу використовують
унікальні тришарові кремнієві структури, які конструктивно поділяються на
мостові та кантилеверні. У структурах мостового типу чутливий шар реалізований
у вигляді кремнієвої фрейм-рамки, де інерційна маса підтримується за допомогою
симетричних мікробалок, на яких розміщено п'єзорезистори, увімкнені за
диференціальною схемою в класичний міст Уітстона, що забезпечує високу
лінійність виходу. У кантилеверних конструкціях двостороння підтримка відсутня:
інертний вантаж кріпиться до рамки за допомогою одиночного консольного
кантилевера, на якому розташований п'єзорезистор, що вимагає дуже точного
орієнтованого встановлення кристала в процесі виробництва для усунення впливу
позаосьових прискорень.

Рисунок 1.10 — Топологія та конструктивне виконання напівпровідникових
п'єзорезистивних чутливих елементів мостового та кантилеверного типів

П'єзоелектричні акселерометри мають принципово іншу фізичну природу і
використовують диски з п'єзокристалічних матеріалів (природного кварцу або
синтетичної цирконат-титанатної кераміки свинцю), які суміщаються з інерційною
масою та оснащуються металевими електродами з обох сторін. Під дією
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 20

динамічного зміщення маси п'єзоелемент деформується, викликаючи миттєвий
перерозподіл електричних зарядів на поверхні диска (прямий п'єзоелектричний
ефект).
Порівняльний аналіз цих технологій виявляє фундаментальне обмеження
п'єзоелектричних сенсорів: вони є виключно динамічними приладами, чутливими
до змінних процесів, і мають нульову чутливість до постійних, статичних
прискорень. Навпаки, п'єзорезистивні та конденсаторні МЕМС-акселерометри
мають рівномірну амплітудно-частотну характеристику в області наднизьких
частот, володіючи здатністю реєструвати як високочастотні вібрації, так і
статичний нахил об'єкта в просторі, що робить їх незамінними компонентами при
побудові комплексних систем автоматизації та інфраструктурного моніторингу.

1.3. Патентний пошук та аналіз інноваційних рішень
Обов'язковим етапом проєктування будь-якої сучасної комп'ютерно-
інтегрованої системи є проведення патентного пошуку. Його головна мета полягає
в оцінці загального рівня розвитку техніки у досліджуваній галузі, виявленні
найбільш ефективних інженерних рішень, а також у підтвердженні технічної
новизни та доцільності розробки нового інформаційно-вимірювального пристрою.
Патентний пошук здійснювався за ретроспективою в 10 років із
використанням відкритих міжнародних та національних баз даних промислової
власності, зокрема бази Всесвітньої організації інтелектуальної власності (WIPO –
Patentscope), Європейського патентного відомства (Espacenet) та бази даних
Українського національного офісу інтелектуальної власності та інновацій
(УКРНОІВІ).
Для забезпечення максимальної релевантності результатів, пошук
проводився за ключовими словами (інклінометр, акселерометр, моніторинг опор,
контактна мережа, MEMS) у комбінації з відповідними класами Міжнародної
патентної класифікації (МПК). Основними рубриками МПК, що охоплюють
предметну область нашого дослідження, є:
• G 01 C 9/00 — Вимірювання нахилу, наприклад, інклінометри;
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 21

• G 01 H 1/00 — Вимірювання вібрації механічних структур або тіл;
• B 60 M 1/00 — Обладнання контактної мережі для електрифікованих
залізниць.
Аналіз масиву виявлених патентів та корисних моделей дозволяє умовно
розділити всі існуючі рішення щодо моніторингу залізничної інфраструктури на дві
великі групи: мобільні системи моніторингу та стаціонарні локальні пристрої.
Аналіз мобільних систем моніторингу
Значна частина запатентованих винаходів у галузі контролю контактної
мережі (наприклад, патенти європейських та американських заявників у рубриці B
60 M 1/00) стосується мобільних діагностичних комплексів. Такі системи зазвичай
встановлюються на дахах спеціалізованих вагонів-лабораторій або звичайних
локомотивів. Вони використовують складні оптичні, лазерні (LiDAR) або
ультразвукові сканери, які під час руху поїзда безперервно профілюють простір
навколо колії, вимірюючи відстань до опор та контактного проводу.
Критична оцінка: Хоча такі системи забезпечують високу швидкість збору
даних на великих ділянках, вони мають суттєвий недолік — дискретність контролю
у часі. Вимірювання стану конкретної опори відбувається лише в момент проїзду
поїзда. Відповідно, такі рішення не здатні забезпечити безперервний моніторинг
(24/7) та оперативне виявлення раптових критичних деформацій, спричинених,
наприклад, зсувом ґрунту або шквальним вітром. Крім того, вартість впровадження
та обслуговування таких мобільних комплексів є надзвичайно високою.
Аналіз стаціонарних локальних пристроїв
Друга група патентів описує стаціонарні пристрої контролю просторового
положення, що монтуються безпосередньо на будівельних конструкціях (рубрики
G 01 C 9/00, G 01 H 1/00). Більшість знайдених патентів у цій категорії пропонує
використання поодиноких маятникових або рідинних інклінометрів для
моніторингу мостів, дамб або висотних будівель.
Критична оцінка: Недоліком цих пристроїв у контексті залізничної
інфраструктури є їхня вузька спеціалізація. Вони здатні фіксувати лише повільні
статичні зміни кута нахилу. Однак опори контактної мережі піддаються постійним
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 22

інтенсивним динамічним впливам під час проходження поїздів. Стандартні
інклінометри в таких умовах генерують значну кількість шумів і хибних
спрацьовувань через вплив лінійних прискорень, що різко знижує достовірність
вимірювальної інформації.
Обґрунтування новизни та доцільності проєктування
Проведений патентний аналіз показав відсутність комплексних технічних
рішень, які б повною мірою задовольняли специфічні вимоги до безперервного
моніторингу опор контактної мережі в умовах інтенсивних вібраційних завад при
жорстких обмеженнях на енергоспоживання польового вузла.
Запропонована у даній кваліфікаційній роботі концепція побудови
інформаційно-вимірювального пристрою володіє суттєвими ознаками технічної
новизни. Вона полягає у синергетичному об'єднанні в одному компактному модулі
прецизійного двоосьового електролітичного інклінометра (для надточного
визначення квазістатичного нахилу) та триосьового МЕМС-акселерометра (для
реєстрації динамічних прискорень та вібрацій). Ключовою інновацією є
перенесення процесів первинної математичної обробки та цифрової фільтрації
сигналів безпосередньо на польовий рівень — у мікроконтролер із вбудованим
високоточним сигма-дельта АЦП.
Такий підхід дозволяє локально компенсувати вплив вібрацій на показання
інклінометра, формувати "чисті" пакети даних та передавати їх
високошвидкісними асинхронними інтерфейсами на рівень промислового
контролера або безпосередньо у SCADA-систему. Відсутність прямих аналогів з
ідентичною апаратно-алгоритмічною архітектурою підтверджує доцільність
розробки даного пристрою та відкриває перспективи для його подальшого
патентування як корисної моделі.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 23

2. Обґрунтування технічного завдання

Формулювання та обґрунтування вимог технічного завдання є
визначальним етапом проєктування автоматизованої системи контролю
деформацій об'єктів залізничної інфраструктури. Специфіка експлуатації опор
контактної мережі вимагає від системи автоматизації високої точності вимірювань,
стійкості до інтенсивних завад та максимальної енергетичної автономності.
Першочергової уваги потребує обґрунтування діапазону та точності вимірювання
кута просторового нахилу конструкцій. Кліматичні зміни, просідання ґрунтів та
деградація фундаментів призводять до повільних просторових деформацій, проте
критична межа нахилу, за якою настає небезпека підбою пантографа локомотива та
обриву контактної мережі, зазвичай не перевищує п'ятнадцяти-двадцяти градусів.
Виходячи з цього, вимога щодо контролю кута нахилу в межах ±20° охоплює всі
можливі експлуатаційні, передаварійні та аварійні стани об'єкта. Водночас для
фіксації динаміки деформацій на ранніх стадіях вимагається висока точність
вимірювання на рівні 0.02°. Настільки жорстке обмеження виключає використання
стандартних дешевих МЕМС-сенсорів загального призначення і вимагає
застосування прецизійних кондуктометричних пристроїв із високою стабільністю
нульової точки, що здатні фіксувати мікрозміщення задовго до їхньої візуальної
ідентифікації.
Поряд із квазістатичним нахилом, система повинна реєструвати інтенсивні
динамічні вібраційні навантаження від рухомого складу, що викликають втомні
напруження матеріалів опори. Технічна вимога щодо вимірювання вібрацій із
силою до 5g у частотному спектрі до 200 Гц обґрунтована реальними амплітудно-
частотними характеристиками ударних процесів на залізничному транспорті та
потребує використання швидкодіючого інтегрованого акселерометра. Оскільки
розроблюваний пристрій функціонує як польовий вузол розподіленої комп'ютерно-
інтегрованої системи, критично важливими є вимоги до швидкісних характеристик
передачі інформації. Безперервна фіксація вібраційних процесів із кількох осей
генерує щільний потік цифрових даних. Для забезпечення роботи системи в режимі
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 24

реального часу, оперативної диспетчеризації та уникнення втрати пакетів
інформації, комунікаційна мережа повинна підтримувати швидкість обміну не
нижче 7.5 Мбод. Цей показник висуває підвищені вимоги до продуктивності
обчислювального ядра мікроконтролера та наявності сучасних апаратних
інтерфейсів асинхронної передачі даних.
Одночасно з високою швидкодією, вимірювальний вузол повинен мати
мінімальне енергоспоживання, оскільки підведення стаціонарного
низьковольтного живлення до кожної опори на перегонах є економічно
недоцільним. Відповідно до цього, уся застосована елементна база має належати до
класу наднизького енергоспоживання (Ultra-Low Power) із підтримкою глибоких
"сплячих" режимів, з яких контролер виходить виключно за апаратним
перериванням від датчиків або за таймером для проведення сеансу зв'язку.
Додатковою інженерною вимогою є забезпечення високої завадостійкості
аналогового тракту, оскільки електролітичний датчик генерує низьковольтний
сигнал в умовах потужних електромагнітних полів від контактної мережі. З огляду
на це, технічно обґрунтованою є інтеграція високорозрядного сигма-дельта
аналого-цифрового перетворювача (АЦП), який завдяки внутрішньому апаратному
передискретизуванню ефективно пригнічує наведені високочастотні шуми.
Зважаючи на умови зовнішнього відкритого монтажу, всі електронні компоненти
повинні відповідати індустріальному температурному стандарту (від -40 до +60
°C), а зовнішній корпус пристрою має забезпечувати клас захисту не нижче IP67,
гарантуючи довговічну та безперебійну експлуатацію автоматизованої системи.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 25

3. Розробка структурної та принципової схеми системи

3.1 Розробка структурної схеми
У сучасній практиці проектування комп'ютерно-інтегрованих систем
моніторингу залізничної інфраструктури застосовується класична багаторівнева
ієрархічна архітектура. Структурна схема розроблюваної автоматизованої системи
контролю деформацій відображає логічні, апаратні та інформаційні зв’язки між
усіма її компонентами і функціонально поділяється на три базові рівні: польовий
(нижній) рівень датчиків, рівень локального керування (ПЛК) та диспетчерський
(верхній) рівень (SCADA).
Нижній (польовий) рівень системи представлений безпосередньо
розроблюваним інформаційно-вимірювальним вузлом, який стаціонарно
монтується на опорі контактної мережі. Ядром цього вузла є високопродуктивний
мікроконтролер змішаного сигналу C8051F352. До його периферії підключені два
незалежні вимірювальні канали:
1. Канал вимірювання статичного нахилу: реалізований на базі
прецизійного двоосьового електролітичного інклінометра Spectron SP5000.
Оскільки цей датчик формує низьковольтний аналоговий сигнал, він підключається
безпосередньо до вбудованого в мікроконтролер високорозрядного сигма-дельта
аналого-цифрового перетворювача (АЦП) через аналоговий мультиплексор
(AMUX).
2. Канал реєстрації динамічних вібрацій: реалізований на базі
триосьового цифрового МЕМС-акселерометра ADXL362. Зв'язок між
акселерометром та мікроконтролером здійснюється за високошвидкісною
синхронною послідовною шиною SPI. Акселерометр також має лінію апаратного
переривання (INT), яка використовується для "пробудження" мікроконтролера у
випадку фіксації пікових ударних навантажень.
Для забезпечення інформаційного обміну з вищим рівнем у структуру
польового вузла включено трансивер асинхронного послідовного інтерфейсу
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 26

(наприклад, стандарту RS-485), який підключається до порту UART
мікроконтролера та забезпечує передачу пакетів даних на швидкості не нижче 7.5
Мбод. Енергозабезпечення всіх компонентів вузла здійснюється через локальний
модуль живлення, який стабілізує напругу від автономного джерела.
Середній рівень керування та збору даних реалізується на базі сучасного
промислового програмованого логічного контролера (ПЛК). Для завдань збору
великих масивів даних від розподілених периферійних вузлів доцільно
використовувати продуктивні контролери лінійки Omron CJ2M або їхні
функціональні аналоги. ПЛК виконує роль майстер-пристрою (Master) у
промисловій мережі: він циклічно опитує вимірювальні вузли (Slaves) за
протоколом Modbus RTU, здійснює вторинну цифрову фільтрацію отриманих
масивів даних, порівнює поточні кути нахилу та віброприскорення з критичними
уставками безпеки та тимчасово архівує інформацію в енергонезалежній пам'яті.
Верхній (диспетчерський) рівень системи розгортається на базі
автоматизованого робочого місця (АРМ) диспетчера дистанції електропостачання,
оснащеного спеціалізованим програмним забезпеченням SCADA (Supervisory
Control And Data Acquisition). ПЛК передає агреговані дані на SCADA-сервер через
мережу Industrial Ethernet. На цьому рівні здійснюється глобальна візуалізація
стану всіх опор на ділянці залізниці у вигляді мнемосхем та трендів, ведення
довгострокових баз даних (SQL) для предиктивної аналітики, а також генерація
тривожних повідомлень у разі виявлення передаварійних деформацій.
Така структурована організація гарантує високу надійність системи,
масштабованість (можливість додавання сотень нових датчиків на колію без зміни
архітектури) та відповідність світовим стандартам проектування промислової
автоматики.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 27

Рисунок 3.1 — Схема електрична структурна

3.2. Обґрунтування вибору елементної бази інформаційно-
вимірювального вузла

Синтез апаратної частини автоматизованої системи базується на принципах
мінімізації масогабаритних показників, забезпечення наднизького
енергоспоживання (Ultra-Low Power) та гарантування високої метрологічної
стабільності в індустріальному діапазоні температур. Відповідно до розробленої
структурної схеми та вимог технічного завдання, процес вибору елементної бази
розділено на вибір первинних перетворювачів (сенсорів), обчислювального ядра
(мікроконтролера) та мікросхем комунікаційного інтерфейсу.
Вибір датчика кута нахилу (інклінометра)
Головним критерієм вибору інклінометра є забезпечення вимірювання
просторового нахилу опори в діапазоні не менше ±20° із прецизійною точністю
0.02°. Більшість наявних на ринку інтегральних МЕМС-інклінометрів бюджетного
сегмента не здатні забезпечити таку роздільну здатність через високий рівень
власних шумів та температурний дрейф нуля. Тому для даного проекту технічно
обґрунтованим є вибір високоточного кондуктометричного (електролітичного)
датчика.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 28

Оптимальним рішенням є двоосьовий керамічний електролітичний
інклінометр SP5000-A-000 від американської компанії Spectron. Цей сенсор
розроблений спеціально для систем високоточного просторового позиціонування.
Його робочий діапазон становить ±45°, що з подвійним запасом перекриває вимогу
технічного завдання (±20°). Роздільна здатність сенсора становить рівно 0.02°, що
ідеально відповідає критеріям раннього виявлення деформацій. Завдяки
використанню суцільнокерамічного корпусу та спеціального електроліту, датчик
SP5000-A-000 має виняткову температурну стабільність у діапазоні від -40 °C до
+85 °C. Використання двоосьової конструкції (осі X та Y) в одному корпусі
дозволяє контролювати як поздовжній, так і поперечний нахил опори контактної
мережі без необхідності встановлення додаткових модулів.
Вибір датчика вібрацій (акселерометра)
Для каналу реєстрації динамічних навантажень потрібен датчик, здатний
фіксувати вібрації із силою до 5g у частотному діапазоні до 200 Гц, маючи при
цьому цифровий інтерфейс для швидкої передачі даних без спотворень.
Для вирішення цього завдання обрано триосьовий інтегральний МЕМС-
акселерометр ADXL362 від світового лідера у виробництві аналого-цифрових
компонентів — компанії Analog Devices. Головною перевагою даної мікросхеми є
її безпрецедентна енергоефективність: струм споживання в режимі безперервного
вимірювання з частотою оновлення 100 Гц становить лише 1.8 мкА, а в режимі
очікування події (Wake-up mode) — близько 270 нА.
Датчик підтримує програмний вибір діапазону вимірювань (±2g, ±4g, ±8g).
Для нашої системи мікроконтролер конфігуруватиме акселерометр на роботу в
діапазоні ±8g, що повністю покриває вимогу технічного завдання щодо
вимірювання вібрацій до 5g. Максимальна частота видачі даних (Output Data Rate)
становить 400 Гц, що забезпечує виконання вимоги щодо реєстрації спектра до 200
Гц згідно з теоремою Котельникова-Шеннона. Зв'язок із мікроконтролером
здійснюється за допомогою високошвидкісної шини SPI, а наявність виділеної
апаратної лінії переривання дозволяє миттєво активувати систему при фіксації
небезпечних ударних навантажень.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 29

Вибір обчислювального ядра (мікроконтролера)
Вибір центрального мікропроцесорного пристрою є критичним етапом,
оскільки він повинен поєднувати високу обчислювальну потужність для обробки
потоку даних на швидкості 7.5 Мбод, апаратну підтримку SPI для зв'язку з
акселерометром та, найголовніше, наявність прецизійного аналого-цифрового
перетворювача (АЦП) для оцифрування слабких аналогових сигналів від
електролітичного інклінометра SP5000.
Аналіз сучасних систем-на-кристалі показав, що найкращим кандидатом
для даного інформаційно-вимірювального вузла є 8-бітний мікроконтролер
змішаного сигналу C8051F352 виробництва Silicon Laboratories.
Його ключові характеристики, що зумовили вибір:
• Продуктивність: Базується на високошвидкісному конвеєрному ядрі
архітектури 8051, що забезпечує продуктивність до 50 MIPS (мільйонів інструкцій
на секунду) при тактовій частоті 50 МГц. Це гарантує безперебійну роботу
інтерфейсу UART на надвисоких швидкостях (до 7.5 Мбод і вище).
• Аналогова периферія: Контролер оснащений інтегрованим
високоточним 16/24-бітним сигма-дельта АЦП. Наявність вбудованого
програмованого підсилювача (PGA) та аналогового мультиплексора (AMUX)
дозволяє підключати диференціальні виходи інклінометра безпосередньо до
виводів мікроконтролера, уникаючи використання зовнішніх операційних
підсилювачів, які вносять додаткові шуми та збільшують вартість плати. Апаратна
децимація та цифрова фільтрація всередині АЦП ефективно пригнічує промислові
завади від контактної мережі.
• Інтерфейси та живлення: Містить апаратні модулі UART0, SMBus та
покращений SPI, що повністю задовольняє комунікаційні потреби вузла. Напруга
живлення від 2.7 до 3.6 В робить його сумісним за логічними рівнями з
акселерометром ADXL362 без використання трансляторів рівнів.
Вибір драйвера промислового інтерфейсу
Для трансляції логічних сигналів UART від мікроконтролера у фізичний
рівень промислової диференціальної мережі RS-485 (що забезпечить зв'язок із
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 30

середнім рівнем ПЛК) необхідно використати відповідний трансивер. Враховуючи
жорстку вимогу до швидкості обміну (не нижче 7.5 Мбод) та необхідність роботи
від джерела живлення 3.3 В, обрано мікросхему SN65HVD1176 від компанії Texas
Instruments.
Цей напівдуплексний трансивер оптимізований для швидкодіючих мереж
(підтримує передачу даних на швидкості до 40 Мбіт/с) та має розширений захист
від електростатичних розрядів і короткого замикання на лінії, що є необхідною
умовою для надійної експлуатації апаратури поблизу високовольтних ліній
передач.
Підсумовуючи, обрана елементна база (мікроконтролер C8051F352,
інклінометр SP5000, акселерометр ADXL362 та трансивер SN65HVD1176) формує
надійну, енергоефективну та прецизійну апаратну платформу, яка повністю
відповідає всім критеріям технічного завдання та сучасним парадигмам розробки
промислових систем автоматизації.

3.3 Розробка схеми електричної принципової системи

Схема електрична принципова є основним технічним документом, який
визначає повний склад електричних елементів пристрою, а також усі фізичні та
логічні зв’язки між ними. Вона забезпечує практичну реалізацію функцій,
закладених на етапі розробки структурної схеми, та відображає інтеграцію
первинних сенсорів, обчислювального мікропроцесорного ядра, систем живлення
та завадостійких комунікаційних вузлів у єдиний апаратно-програмний комплекс.
Схемотехнічна обв'язка мікроконтролера змішаного сигналу
Центральним елементом принципової схеми є мікроконтролер C8051F352.
Для забезпечення його стабільного функціонування розроблено схему живлення,
тактування та апаратного скидання. Живлення мікроконтролера розділене на
цифрову (VDD ) та аналогову ( AVDD ) шини для запобігання проникненню
високочастотних комутаційних шумів цифрового ядра в прецизійний аналоговий
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 31

тракт. Обидві шини підключаються до джерела напруги 3.3 В. Безпосередньо біля
виводів живлення мікросхеми встановлюються керамічні блокувальні
конденсатори ємністю 0.1 мкФ для фільтрації високочастотних завад, а також
паралельно підключається танталовий конденсатор ємністю 4.7 мкФ для
компенсації низькочастотних просідань напруги під час сплесків
енергоспоживання.
Ланцюг апаратного скидання (Reset) підключено до виводу /RST. Він
містить зовнішню RC-послідовність, яка захищає мікроконтролер від випадкових
збоїв та забезпечує формування чіткого імпульсу скидання при початковому
подавачі живлення. Тактування обчислювального ядра здійснюється від
зовнішнього прецизійного кварцового резонатора частотою 32.768 кГц. Це
інженерне рішення дозволяє мінімізувати струм споживання пристрою (до 3 мкА у
робочому режимі) та забезпечити тривалу автономну роботу.
Інтерфейс підключення кондуктометричного інклінометра
Двоосьовий електролітичний інклінометр Spectron SP5000 працює за
принципом зміни електричного опору рідкого електроліту при відхиленні капсули
від лінії горизонту. Датчик має п'ять виводів: один загальний (центральний) та
чотири периферійні електроди (по два на кожну координаційну вісь X та Y).
Оскільки прямий постійний струм викликає необоротну хімічну
поляризацію електроліту та руйнування електродів, схемою передбачено
організацію живлення датчика змінним струмом. Для цього використовуються
цифрові виводи мікроконтролера, які програмно конфігуруються на генерацію
протифазних прямокутних імпульсів (меандру).
Диференціальні аналогові сигнали з осей X та Y подаються на входи
інтегрованого аналогового мультиплексора (AMUX) мікроконтролера C8051F352
(виводи AIN0.0–AIN0.3). Оцифрування здійснюється за допомогою вбудованого
16/24-бітного Сигма-Дельта АЦП, що гарантує досягнення цільової точності
вимірювання кута на рівні 0.02°.
Схема сполучення з цифровим МЕМС-акселерометром
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 32

Триосьовий цифровий акселерометр ADXL362 інтегрується в систему за
допомогою чотирипровідної послідовної шини SPI. Виводи мікроконтролера (SCK
— тактування, MISO — приймання даних, MOSI — передача даних та /CS — вибір
мікросхеми) програмно призначаються за допомогою внутрішньої матриці
комутації периферії (Crossbar) для роботи у режимі апаратного SPI-Master. Лінії
шини підтягуються до шини живлення 3.3 В за допомогою резисторів для
забезпечення крутизни фронтів цифрових сигналів на високих тактових частотах.
Критично важливою для реалізації алгоритмів енергозбереження є апаратна
лінія переривання. Вивід INT1 акселерометра ADXL362 підключається до виводу
зовнішнього апаратного переривання мікроконтролера /INT0. Це дозволяє
реалізувати енергоефективний режим моніторингу: мікроконтролер перебуває у
стані глибокого сну (Power-Down), тоді як акселерометр автономно аналізує
віброприскорення. При фіксуванні ударного імпульсу від поїзда ADXL362 генерує
переривання, що миттєво активує мікроконтролер для реєстрації динамічного
процесу.
Комунікаційний вузол промислового інтерфейсу RS-485
Для трансляції логічних сигналів UART-порту мікроконтролера у
диференційні сигнали промислової шини використано напівдуплексний трансивер.
Вивід передавача UART мікроконтролера (TX) з'єднується з входом DI (Data Input)
трансивера, а вивід приймача (RX) — з виходом RO (Receiver Output).
Керування режимами приймання/передачі здійснюється через окремий
вивід порту мікроконтролера, який підключено до об'єднаних виводів DE (Driver
Enable) та /RE (Receiver Enable) трансивера. Логічна одиниця активує передавач
для відправки інформаційного пакета у мережу ПЛК на швидкості 7.5 Мбод, а
логічний нуль переводить трансивер у режим очікування, мінімізуючи споживання
енергії.
Практичне макетування та фінальна принципова схема
Перш ніж розробляти фінальну принципову схему у САПР та виготовляти
друковану плату, розробником було зібрано дослідний макет пристрою для
практичної верифікації запропонованих схемотехнічних рішень та налагодження
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 33

роботи компонентів (зокрема, обміну даними між мікроконтролером та
сенсорами). Фотографії, представлені нижче, демонструють етапи налагодження
працездатності інформаційно-вимірювального вузла.

Рисунок 3.2 — Друкована плата дослідного зразка для тестування
мікроконтролера.

Рисунок 3.3 — Дослідний зразок пристрою для тестування мікроконтролера
з підключеними компонентами

У процесі стендових випробувань перевірялася адекватність реакції
датчиків на зміну просторового положення. Наступний рисунок ілюструє зміну
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 34

показань напруги з електролітичного інклінометра залежно від кута нахилу
дослідного зразка.
)
Рисунок 3.4 — Зміна показань інклінометра залежно від кута нахилу
дослідного зразка пристрою

Як видно з представлених фотографій, дослідний зразок пристрою повністю
демонструє свою працездатність. Завершальним етапом апаратного проєктування,
на основі підтверджених макетуванням результатів, стало створення загальної
електричної принципової схеми розробленого пристрою.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 35

Рисунок 3.5 — Схема електрична принципова пристрою визначення кута
нахилу опори контактної мережі залізниці

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 36

4 Розрахунок основних вузлів схеми

Проектування апаратної частини автоматизованої системи контролю
деформацій вимагає математичного підтвердження працездатності обраних
схемотехнічних рішень. Для забезпечення заданих у технічному завданні
метрологічних та експлуатаційних характеристик необхідно виконати розрахунок
параметрів аналогових фільтрів, оцінку енергетичного балансу пристрою та
обґрунтування пропускної здатності комунікаційного каналу.

4.1. Розрахунок параметрів аналогового фільтра низьких частот (ФНЧ)

Електролітичний інклінометр Spectron SP5000 формує аналоговий сигнал,
який може піддаватися впливу високочастотних завад від наведених
електромагнітних полів контактної мережі (25 кВ). Для придушення цих завад
перед входом мультиплексора мікроконтролера C8051F352 встановлюється
пасивний RC-фільтр низьких частот першого порядку.
Оскільки просторові деформації опор мають квазістатичний характер,
частота зрізу фільтра ( fc ) обирається на рівні 10 Гц. Це дозволяє ефективно відсікти
промислову частоту 50 Гц та вищі гармоніки.
Залежність частоти зрізу від параметрів резистора та конденсатора
визначається формулою:

fc = 1
2π RC 4.1

Для забезпечення стабільності вимірювального тракту обираємо номінал
керамічного конденсатора C рівним 1 мкФ (1⋅10−6 Ф). Тоді необхідний опір
резистора R розраховується як:

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 37

R = 1
2π f C 4.2
c

R = 1 ≈ 15915 Ом
2 ⋅3.1415 ⋅10 ⋅10−6
Зі стандартного ряду номіналів опорів (E24) обираємо найближче значення
резистора — 16 кОм. Даний номінал забезпечить частоту зрізу близько 9.9 Гц, що
повністю задовольняє вимоги до фільтрації вимірювального каналу інклінометра.

4.2. Розрахунок енергоспоживання та часу автономної роботи

Оскільки підведення стаціонарного живлення до кожної опори є економічно
недоцільним, вузол працює від автономного джерела. Як джерело живлення обрано
промислову літій-тіонілхлоридну (Li-SOCl2) батарею формату D (наприклад,
ER26500) із номінальною напругою 3.6 В та ємністю 8500 мА·год.
Система працює у двох режимах: режимі глибокого сну (моніторинг лише за
допомогою переривань від акселерометра) та активному режимі (опитування
інклінометра та передача даних).
Струм споживання в режимі сну ( Islp ) складається з:
• Мікроконтролер C8051F352 (Power-Down mode): 0.1 мкА.
• Акселерометр ADXL362 (Wake-up mode): 0.27 мкА.
• LDO-регулятор TPS7A0233 (Quiescent current): 0.025 мкА.
• Інклінометр (відключений): 0 мкА.
Сумарний струм сну: Islp ≈ 0.4 мкА.
В активному режимі мікроконтролер переходить на тактову частоту 50 МГц,
подає живлення на інклінометр та вмикає трансивер RS-485. Сумарний струм
активного режиму ( Iact ) становить близько 10 мА (10000 мкА).
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 38

Згідно з алгоритмом, пристрій "прокидається" 1 раз на годину на 0.5 секунди
для проведення статичного вимірювання. Середній струм споживання за один цикл
(Tcycle = 3600 с) розраховується за формулою:

Iacttact + I
I slptslp
avg =
T 4.3
cycle

Підставивши значення, отримуємо:
Iavg = 10000 ⋅0.5 + 0.4 ⋅3599.5 ≈1.78 мкА
3600
Теоретичний час автономної роботи ( tbat ) визначається співвідношенням
ємності батареї до середнього струму:
t = Cbat = 8500000
bat ≈ 4775280 год ≈ 545 років
Iavg 1.78
Отримане значення значно перевищує термін фізичної деградації хімічних
джерел струму. Враховуючи типовий .рівень саморозряду літій-тіонілхлоридних
батарей (близько 1% на рік) та вплив температурних коливань (-40...+60 °C),
реальний термін автономної роботи системи становитиме 10–15 років, що ідеально
відповідає вимогам регламентного обслуговування залізничної інфраструктури без
необхідності заміни елементів живлення.

4.3. Обґрунтування інформаційної пропускної здатності
комунікаційного каналу

Згідно з технічним завданням, вимірювальна система повинна реєструвати
вібрації частотою до 200 Гц та передавати дані на швидкості 7.5 Мбод. Розрахуємо
необхідний час на обслуговування одного вимірювального вузла промисловим
контролером мережі (ПЛК).
Формат інформаційного пакета містить:
• Заголовок та адреса пристрою: 2 байти;
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 39

• Дані інклінометра (осі X та Y по 24 біти): 6 байтів;
• Дані акселерометра (осі X, Y, Z по 12 бітів): 6 байтів;
• Контрольна сума (CRC): 2 байти.
Загальний обсяг корисного навантаження становить 16 байтів. З урахуванням
стартових та стопових бітів формату UART (10 біт на 1 байт), загальна довжина
пакета на фізичному рівні становить S packet =160 біт.
Час передачі одного пакета ( ttx ) на швидкості B = 7.5 ⋅106 біт/с становить:

S
t packet
tx = 4.4
B

ttx = 160
6 ≈ 21.3 мкс
7.5 ⋅10
Якщо до одного шлейфу інтерфейсу RS-485 підключено 100 опор контактної
мережі, час їх повного опитування становитиме близько 2.13 мс. Оскільки
максимальна частота вібрацій, що реєструється, становить 200 Гц (період
коливання 5 мс), час повного опитування мережі (2.13 мс) є меншим за період
вібрації. Це математично доводить, що обрана швидкість 7.5 Мбод забезпечує
безперервний збір інформації з усього перегону в жорсткому режимі реального
часу, не допускаючи втрати даних про ударні навантаження від рухомого складу.

4.4. Розрахунок інструментальної похибки вимірювального каналу

Однією з головних вимог технічного завдання є забезпечення точності
вимірювання кута нахилу опори на рівні 0.02°. Сумарна похибка вимірювального
каналу складається з власної похибки первинного датчика (інклінометра) та
похибки квантування аналого-цифрового перетворювача (АЦП) мікроконтролера.
Власна роздільна здатність датчика Spectron SP5000 заявлена виробником на рівні
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 40

0.02^\circ. Необхідно довести, що обраний мікроконтролер C8051F352 не внесе
суттєвих спотворень у цей показник.
Мікроконтролер оснащений вбудованим сигма-дельта АЦП, який
конфігурується для роботи у 16-розрядному режимі. Опорна напруга АЦП (VREF )
формується внутрішнім джерелом і становить 2.4 В.
Крок квантування (напруга, що відповідає молодшому значущому розряду —
LSB) визначається за формулою:

ΔU = VREF
n
2 1 4.5
−

де n — розрядність АЦП.
Підставивши значення, отримуємо:

ΔU = 2.4 = 2.4 ≈ 36.6 ⋅10−6 В
216 −1 65535

Середня чутливість електролітичного інклінометра SP5000 у лінійній зоні
становить приблизно S = 20 мВ/° (або 0.02 В/° ).
Похибка, яку вносить АЦП у визначення кута нахилу ( Δα ADC ), розраховується
як відношення кроку квантування до чутливості датчика:

Δα = ΔU
ADC
S 4.6

−6
Δα = 36.6 ⋅10
ADC ≈ 0.00183°
0.02

Отримана інструментальна похибка АЦП ( 0.0018° ) є на порядок меншою за
власну похибку первинного датчика ( 0.02° ). Отже, використання інтегрованого 16-
розрядного сигма-дельта АЦП є повністю обґрунтованим і гарантує збереження
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 41

необхідної точності вимірювальної системи без використання зовнішніх
прецизійних перетворювачів.

4.5. Розрахунок показників надійності апаратної частини

Для автоматизованих систем контролю, що працюють в умовах залізничної
інфраструктури, критично важливим параметром є безвідмовність. Оцінка
надійності розроблюваного інформаційно-вимірювального вузла проводиться
методом орієнтовного розрахунку на основі інтенсивностей відмов електронних
компонентів (\lambda).
Оскільки всі елементи принципової схеми з'єднані послідовно з точки зору
надійності (відмова будь-якого компонента призводить до відмови всього вузла),
сумарна інтенсивність відмов системи ( λΣ ) дорівнює сумі інтенсивностей відмов її
складових:

n
λΣ =λi 4.7
i=1

Використовуючи довідкові дані для мікроелектронних компонентів
індустріального класу виконання (при температурі експлуатації +25 °C), маємо такі
базові значення інтенсивностей відмов (у годинах у мінус першому ступені):
• Мікроконтролер C8051F352: λ −6
MCU = 0.5 ⋅10 год−1
• Інклінометр SP5000: λINC = 0.4 ⋅10−6 год−1
• Акселерометр ADXL362: λACC = 0.3 ⋅10−6 год−1
• Трансивер SN65HVD1176: λ = 0.2 ⋅10−6
TRX год−1
• LDO-регулятор та пасивні компоненти (сумарно): λPAS = 0.6 ⋅10−6 год−1
Загальна інтенсивність відмов пристрою:
λΣ = (0.5 + 0.4 + 0.3 + 0.2 + 0.6) ⋅10−6 = 2.0 ⋅10−6 год−1
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 42

Головним показником надійності є середній час наробітку на відмову (T0 ),
який обчислюється як величина, обернена до сумарної інтенсивності відмов:

T 1
0 =
λ 4.8
Σ

T 1
0 = −6 = 500000 годин
2.0 ⋅10

Отриманий час наробітку на відмову становить 500 000 годин (що
еквівалентно понад 57 рокам безперервної роботи). Такий високий показник
надійності досягається завдяки мінімізації кількості компонентів на платі
(використання систем-на-кристалі SoC) та застосуванню надійної МЕМС- і
керамічної технологій, що повністю задовольняє жорсткі вимоги до апаратури
залізничної автоматики.

4.6. Розрахунок максимальної довжини сегмента мережі RS-485

У технічному завданні закладена висока швидкість передачі даних (7.5 Мбод)
для забезпечення оперативної реакції на динамічні вібраційні процеси. Однак
стандарт промислової мережі RS-485 має фундаментальне фізичне обмеження: із
зростанням швидкості передачі ( B ) максимально допустима довжина кабельної
лінії ( Lmax ) експоненційно зменшується через вплив ємності кабелю та ефекти
відбиття сигналу.
Для мідного кабелю типу "вита пара" (Twisted Pair) із хвильовим опором 120
Ом емпіричне правило для розрахунку максимальної довжини лінії без
використання повторювачів (репітерів) має вигляд:

B ⋅ Lmax ≤108 (біт/с \ cdotv) 4.9

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 43

Виходячи з нашої швидкості передачі B = 7.5 \cdot 10^6 біт/с, максимальна
довжина сегмента мережі складе:

108
Lmax = 6 ≈13.3 метри
7.5 ⋅10

Цей розрахунок має критичне значення для архітектури системи на
середньому рівні. Він доводить, що швидкість 7.5 Мбод не може
використовуватися для передачі даних від опори до опори на відстані кілометрів.
Тому розроблений інформаційно-вимірювальний вузол повинен
підключатися до локального концентратора (або шлюзу), встановленого
безпосередньо на тій самій або сусідній опорі (в радіусі до 13 метрів). Вже цей
локальний шлюз буде агрегувати дані від прецизійних датчиків і передавати їх на
диспетчерський рівень по оптико-волоконній лінії або бездротовому каналу
зв'язку.

4.7 Розробка алгоритму програм

Згідно з технічним завданням необхідно було розробити програму для
мікроконтролера, який забезпечує передачу даних від датчиків у систему обробки
інформації зі швидкістю 7.5 Мбод.
Оскільки пристрій передбачає тривалу автономну роботу, мікроконтролер
повинен більшу частину часу перебувати в режимі мікроспоживання енергії та
виходити з нього кілька разів на день, щоб опитати датчики й відправити отримані
дані в систему обробки. У разі потреби мікроконтролер повинен уміти
перезапустити весь пристрій або відправити дані в систему під час надходження
відповідного запиту.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 44

Основний алгоритм
Під час підключення живлення (запуску) пристрою мікроконтролер
повинен виконати налаштування периферійних модулів та акселерометра.
Даний алгоритм показує, що під час увімкнення мікроконтролер насамперед
налаштовується на робочу частоту, потім налаштовує порти введення-виведення
відповідно до підключених до нього пристроїв. Після цього задаються початкові
умови для роботи програми. Потім відбувається налаштування UART, SPI,
встановлення швидкості передачі даних та інших параметрів. На наступному етапі
відбувається налаштування роботи АЦП: задається режим вимірювань,
підключення вхідних буферів, робоча частота, підсилення сигналу, вибір джерела
сигналу. Після цього відбувається автоматичне калібрування АЦП. Коли всі
налаштування периферії виконано, можна дозволити переривання для неї.
Після виконання налаштувань внутрішніх пристроїв мікроконтролера слід
увімкнути та налаштувати акселерометр, щоб він у разі виявлення вібрацій міг
повідомити про це мікроконтролеру. Тільки після всіх цих дій пристрій буде
готовий до роботи.
Головний цикл
Коли всі налаштування виконано, мікроконтролер починає виконувати
основний робочий цикл, який триває безперервно до команди перезапуску.
У цьому циклі відбувається основна робота пристрою, а саме:
• Перевірка необхідності зчитування даних із датчиків;
• Увімкнення АЦП;
• Формування посилки команд для акселерометра;
• Очікування виконання всіх вимірювань;
• Формування посилки для системи обробки;
• Перехід мікроконтролера в сплячий режим.
Якщо мікроконтролер обробив переривання від зовнішнього джерела
акселерометра, або з'явилося переривання Таймера 2, або отримав посилку від
системи обробки інформації, то він починає свою роботу й готує необхідну
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 45

інформацію для системи обробки. Щойно інформацію буде відправлено,
мікроконтролер перейде в режим очікування.

Рисунок 4.1 - Блок-схема алгоритму початку роботи програми
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 46

Рисунок 4.2 - Блок-схема алгоритму роботи основного нескінченного циклу

Переривання SPI
У перериваннях SPI відправляється та отримується інформація від
акселерометра.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 47

Оскільки SPI — це синхронний інтерфейс, тобто дані відправляються та
отримуються одночасно, то щоразу під час входження в ці переривання необхідно
перевірити, чи потрібно зберегти прийнятий байт. У тому випадку, коли його
збереження не потрібне, слід очистити приймальний буфер. Після цього необхідно
перевірити, чи був прийнятий байт останнім. Якщо це був останній байт, то
необхідно встановити прапорець готовності даних від акселерометра. Якщо цей
байт не останній, то потрібно записати наступний байт у буфер передачі SPI.

Рисунок 4.3 - Блок-схема алгоритму роботи переривань SPI

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 48

Переривання від зовнішнього джерела
Переривання від зовнішнього джерела виникають, якщо акселерометр
виявив вібрації. Ці переривання виникають лише тоді, коли мікроконтролер
перебуває в режимі очікування, і вони здатні вивести його з режиму очікування,
щоб він почав фіксувати вібрації.

Рисунок 4.4 - Блок-схема алгоритму роботи переривань від зовнішнього
джерела

Переривання Таймера 2
Таймер 2 працює, коли мікроконтролер перебуває в режимі очікування.
Переривання Таймера 2 виникають, коли 16-розрядний регістр таймера
переповнюється. Це викличе вихід мікроконтролера з режиму очікування. Оскільки
таймер тактується системною тактовою частотою, поділеною на 12, то
максимальний час очікування дорівнюватиме 24 секундам.
Даний період занадто малий для проведення вимірювань, тому в
перериваннях таймера стоїть лічильник входження в ці переривання, і як тільки цей
лічильник досягне необхідного значення, Таймер 2 вимкнеться і буде встановлено
прапорець початку роботи.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 49

Рисунок 4.5 – Блок-схема алгоритму роботи переривань Таймера 2]

Переривання АЦП
Переривання АЦП виникають, коли АЦП закінчив перетворення і можна
зчитати дані з буфера АЦП. Прочитані дані зберігаються. Якщо це перетворення є
останнім, то відбувається перевірка, з якого каналу ці дані надійшли. Якщо дані з
першого каналу (Х), то виконується налаштування АЦП для вимірювання нахилу
по другому каналу (Y). Після проведення всіх перетворень встановлюється
прапорець готовності даних з АЦП.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 50

Рисунок 4.6 - Блок-схема алгоритму роботи переривань АЦП

Переривання UART
Переривання UART відбуваються в моменти прийому або відправлення
байта.
Якщо виникли переривання по прийому, то прийнятий байт зберігається в
стек, і запускається підпрограма перевірки наявності команди від системи обробки
інформації.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 51

Якщо переривання виникли в кінці передачі, то відбувається перевірка кінця
посилки, і якщо байт був останнім, то встановлюється прапорець кінця передачі по
UART, якщо не був останнім, то в буфер записується наступний байт.

Рисунок 4.7 – Блок-схема алгоритму роботи переривань UART

Перевірка наявності прийнятої команди
Щоразу, коли відбуваються переривання UART по прийому байта, цей байт
записується в приймальний стек. Після цього весь стек перевіряється на вміст у
ньому команди. Якщо команду не виявлено — вихід із підпрограми, якщо команду
виявлено — запускається підпрограма визначення команди.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 52

Рисунок 4.8 – Блок-схема алгоритму перевірки наявності прийнятої команди

Визначення типу виявленої команди
Після виявлення команди необхідно визначити, яка саме це команда. Якщо
це команда перезапуску пристрою, то встановлюється біт SWRSF=1, що викликає
програмне скидання мікроконтролера.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 53

Якщо це команда виведення даних, то встановлюється прапорець початку
роботи, і мікроконтролер почне виконувати вимірювання.

Рисунок 4.9 – Блок-схема алгоритму визначення типу команди

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 54

5. Спеціальна частина

5.1. Технологічні особливості виготовлення та складання
інформаційно-вимірювального вузла

Технологічний процес виготовлення автоматизованого інформаційно-
вимірювального вузла для моніторингу деформацій залізничних опор базується на
сучасних методах складання радіоелектронної апаратури. Враховуючи специфіку
обраної елементної бази та складні умови експлуатації на відкритому повітрі,
базовою технологією виготовлення є використання багатошарових або
двосторонніх друкованих плат із застосуванням комбінованого (змішаного)
монтажу електронних компонентів.
Вимоги до друкованої плати та трасування
Основою для розміщення елементів є двостороння друкована плата,
виготовлена з фольгованого склотекстоліту марки FR-4, який характеризується
високою механічною міцністю та відмінними діелектричними властивостями.
Оскільки ядром системи є мікроконтролер змішаного сигналу із високоточним
вбудованим АЦП, найважливішою технологічною вимогою на етапі проектування
топології плати є суворе просторове розділення цифрової та аналогової "землі"
(GND). Трасування сигнальних ліній від електролітичного інклінометра до входів
мікроконтролера виконується провідниками мінімальної довжини із застосуванням
екрануючих полігонів, що дозволяє мінімізувати вплив наведених високочастотних
завад від тягової мережі змінного струму.
Технологія поверхневого монтажу (SMT) Більшість активних та пасивних
компонентів розробленої системи монтується на поверхню плати за технологією
SMT (Surface Mount Technology). Центральний мікроконтролер C8051F352
випускається у корпусі LQFP-32, який має виводи, зручні для промислового
автоматизованого паяння. Триосьовий цифровий акселерометр ADXL362 та
драйвер інтерфейсу RS-485 також мають мініатюрні SMD-корпуси.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 55

Процес поверхневого складання цих елементів включає такі автоматизовані
етапи:
1. Нанесення паяльної пасти: Здійснюється за допомогою прецизійного
трафарету (Stencil) з нержавіючої сталі на контактні площадки друкованої плати.
Використовується безсвинцева паяльна паста (наприклад, сплав SAC305), що
відповідає міжнародним екологічним директивам RoHS та забезпечує високу
стійкість з'єднань до вібраційних навантажень.
2. Встановлення компонентів: Виконується високошвидкісними
автоматами-встановлювачами (Pick-and-Place machines), які за допомогою
вакуумних захоплювачів позиціонують мікросхеми та SMD-конденсатори з
точністю до десятків мікрометрів.
3. Оплавлення (Reflow Soldering): Плата проходить через багатозонну
конвеєрну піч. Термічний профіль печі суворо контролюється: поступовий
попередній нагрів активує флюс, зона оплавлення забезпечує формування
надійного інтерметалевого з'єднання, а зона контрольованого охолодження
запобігає виникненню мікротріщин у керамічних корпусах акселерометрів.
Технологія монтажу в отвори (THT) Незважаючи на домінування
поверхневого монтажу, застосування вивідного монтажу (THT — Through-Hole
Technology) є технологічно необхідним для встановлення прецизійного
двоосьового електролітичного інклінометра SP5000 , який має штирові виводи, а
також для клемних колодок живлення та підключення промислової шини RS-485.
Оскільки інклінометр є гравітаційно-залежним датчиком просторового
положення, критичною технологічною операцією є забезпечення його ідеально
рівного позиціонування (паралельності) відносно площини друкованої плати під
час паяння. Монтаж цих вивідних компонентів здійснюється методом селективного
паяння або акуратного ручного монтажу з використанням термостабілізованих
паяльних станцій.
Вологозахист та герметизація вузла
Особливістю виробництва апаратури для залізничної інфраструктури є
обов'язковий етап фінішного захисту готового електронного модуля. Для
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 56

запобігання впливу конденсату, пилу та хімічно активних речовин, після
візуального контролю та відмивання плати від залишків флюсу, на всю її поверхню
наноситься конформне поліуретанове або силіконове покриття (Conformal Coating).
Слід звернути особливу увагу на технологічний захист МЕМС-
акселерометра: перед нанесенням рідкого компаунда його корпус повинен бути
захищений, оскільки потрапляння полімеру в мікроскопічні вентиляційні отвори
датчика може призвести до блокування рухомих мікромеханічних структур і повної
втрати його працездатності.
На фінальному етапі плата жорстко фіксується у промисловому металевому
або полікарбонатному корпусі. Для гасіння високочастотних вібрацій (амплітудою
до 5g ), які передаються від опори контактної мережі, між платою та корпусом
встановлюються вібродемпфуючі силіконові прокладки. Зібраний корпус
герметизується до забезпечення ступеня захисту не нижче IP67, після чого пристрій
проходить фінальне калібрування нульової точки інклінометра на спеціальному
юстирувальному стенді.

5.2 Соціально-економічні та етико-екологічні аспекти прийняття
технічних рішень

Упровадження автоматизованих систем контролю на об'єктах критичної
інфраструктури, до яких належить залізничний транспорт, вимагає глибокого
аналізу не лише технічної реалізованості, але й соціально-економічних, етичних та
екологічних наслідків. Сучасна інженерна парадигма передбачає, що будь-яке
технічне рішення повинно розглядатися через призму його корисності для
суспільства, економічної рентабельності та безпеки для навколишнього
середовища.
Соціально-економічні аспекти розробленої автоматизованої системи
моніторингу деформацій опор контактної мережі мають яскраво виражений
позитивний ефект. Історично обслуговування залізничної інфраструктури
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 57

базувалося на методах планово-попереджувальних ремонтів та періодичних
візуальних оглядів. Такий підхід вимагає значних витрат людських ресурсів,
оскільки бригади електромонтерів змушені регулярно обходити кілометри колій
незалежно від реального стану опор. Впровадження інтелектуальних
вимірювальних вузлів дозволяє здійснити перехід до сучасної стратегії
предиктивного обслуговування (Predictive Maintenance) — обслуговування за
фактичним технічним станом.
Економічний ефект від упровадження розробки формується за рахунок
кількох ключових факторів. По-перше, значно скорочуються операційні витрати на
проведення рутинних геодезичних вимірювань та візуальних оглядів. По-друге,
безперервний моніторинг кута нахилу та вібрацій дозволяє виявляти деградаційні
процеси на ранніх стадіях, що дає змогу проводити недорогі профілактичні
ремонти (наприклад, укріплення фундаменту) замість капітальної заміни
зруйнованої опори. Найголовнішим економічним чинником є запобігання
аварійним ситуаціям. Обрив контактної мережі внаслідок падіння опори
призводить до багатомільйонних збитків, пов'язаних із простоєм поїздів,
порушенням логістичних ланцюгів постачання та пошкодженням рухомого складу.
Вартість розробленого автономного мікропроцесорного датчика є неспівмірно
малою порівняно з відверненими економічними втратами від потенційних аварій.
Етичні аспекти інженерної діяльності у даному проєкті тісно пов'язані з
поняттям соціальної відповідальності розробника. Головним етичним імперативом
є забезпечення безпеки людських життів — пасажирів залізничного транспорту та
працівників поїзних бригад. Катастрофи на залізниці часто супроводжуються
людськими жертвами, тому розробка надійних засобів раннього попередження
аварій є прямим виконанням професійного етичного обов'язку інженера. Крім того,
автоматизація процесу збору даних усуває так званий "людський фактор": система
об'єктивно фіксує відхилення опори у 0.02°, що фізично неможливо помітити
неозброєним оком, і виключає можливість приховування критичного стану
інфраструктури через недбалість персоналу. Проєктування системи також враховує
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 58

питання безпеки праці самих монтерів: зменшення кількості обходів уздовж колій
об'єктивно знижує ризики їхнього травмування.
Екологічні аспекти прийняття технічних рішень у розробленій системі
розглядаються на двох рівнях: глобальному (запобігання екокатастрофам) та
локальному (апаратна екологічність). На глобальному рівні надійна робота
залізниці має критичне значення для екології, оскільки залізничний транспорт є
одним із найбільш екологічно чистих видів масових перевезень. Аварії вантажних
поїздів, що перевозять нафтопродукти, хімічні реактиви або інші небезпечні
вантажі, у разі падіння опор та сходу з рейок призводять до масштабного
забруднення ґрунтів і підземних вод. Таким чином, система моніторингу
деформацій виступає інструментом превентивного екологічного захисту.
На локальному (апаратному) рівні проєкт розроблено з урахуванням
сучасних вимог екологічного дизайну (Eco-design). Обрана стратегія наднизького
енергоспоживання (Ultra-Low Power) із використанням "сплячих" режимів
мікроконтролера та датчиків дозволяє пристрою функціонувати від одного джерела
живлення протягом багатьох років. Це кардинально зменшує кількість
відпрацьованих хімічних елементів живлення, які потребують спеціальної
утилізації. Використання бездротових або існуючих цифрових каналів зв'язку та
локального живлення усуває необхідність проведення масштабних земляних робіт
для прокладання силових кабелів вздовж залізничного полотна, що зберігає
цілісність місцевих екосистем. Крім того, компоненти друкованої плати
монтуються з використанням безсвинцевих паяльних паст (відповідно до
європейської директиви RoHS), що гарантує відсутність токсичних важких металів
у конструкції пристрою.
Отже, розроблена автоматизована система контролю є економічно
доцільною, відповідає найвищим інженерно-етичним стандартам безпеки
суспільства та характеризується мінімальним негативним впливом на навколишнє
середовище на всіх етапах свого життєвого циклу.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 59

5.3 Охорона праці

Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника
технічної лабораторії
Під час проєктування автоматизованої системи контролю деформацій
об’єктів залізничної інфраструктури на співробітника лабораторії можуть впливати
різноманітні параметри виробничої обстановки. Від умов праці в значному ступені
залежать здоров'я і працездатність людини, її відношення до праці і результати її
діяльності. При поганих умовах різко знижується продуктивність праці і
створюються передумови для виникнення травм і професійних захворювань. Для
цілеспрямованої діяльності з поліпшення умов праці необхідно знати чинники, що
впливають на їхнє формування. Тому, проаналізуємо фактори, що впливають на
здоров'я і працездатність співробітника, який працює в радіотехнічній лабораторії.
Робочі місця співробітників встановлені в просторовій кімнаті, яка
мебльована столами та шафами, укомплектована комп’ютерною технікою та
периферійним обладнанням. Всі предмети на робочому місці співробітників
знаходяться в робочій зоні в межах прямої видимості та розміщені на відстані не
більше 70 см від працівника. Розміри столу становлять: ширина – 1,4 м, глибина –
0,8 м, висота – 0,72 м. Висота стільця становить 0,45 м. З врахуванням середнього
росту людини, який складає 160–180 см, можна сказати, що положення, яке
співробітник лабораторії займає при роботі відповідає нормативним інструкціям і
рекомендаціям ДСТУ 8604:2015 «Дизайн і ергономіка. Робоче місце для виконання
робіт у положенні сидячи. Загальні ергономічні вимоги».
Монітори на столах розташовані таким чином, що відстань від екрану
монітору до користувача складає не менше 70 cм, при цьому кут зору становить
близько 30о. При цьому потрібно відмітити, що положення моніторів вибрано
найкращим чином, так як світло, що потрапляє через вікно, падає з лівого чи
правого боку від працюючого в залежності від розташування робочого місця і,
таким чином, не засліплює йому очі. Задля кращого уникнення негативного ефекту,
пов’язаного з надмірною освітленістю приміщення, вікна обладнано жалюзі.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 60

Розміри лабораторії становлять: довжина – 8 м, ширина – 4,5 м, висота –
2,75 м. Відповідно її площа дорівнює 36 м2. Найбільша кількість одночасно
працюючих становить 4 особи. Звідси площа, що припадає на одного робітника,
дорівнює 9 м2, що відповідає ДБН В.2.2.28-2010. Об’єм приміщення становить 99
м3. Звідси визначаємо, що об'єм який припадає на одну людину дорівнює 27 м3.
Нормативне значення складає 20 м3. З наведених даних можна зробити висновок,
що дане приміщення задовольняє вимогам ДБН В.2.2.28-2010.
Раціонально виконане освітлення виробничих приміщень надає
позитивного психофізіологічного впливу на працюючих, сприяє підвищенню
якості продукції та продуктивності праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і
травматизм на виробництві, зберігає високу працездатність в процесі праці.
Освітлення здійснюється через віконні отвори (природне однобічне
освітлення), за допомогою світильників, які розташовані на стелі (штучне верхнє
освітлення) або одночасно - світильники і вікна (сполучене освітлення). В
приміщенні вздовж однієї зі стін розташовано 2 вікна, розміри кожного з яких
становлять 2 м на 1,15 м.
Величина необхідного освітлення на робочому місці приміщення
нормується за ДБН В.2.5-28-2018. При штучному освітленні нормується величина
освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від характеристики
зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта розрізнення, фона,
контраста об'єкта розрізнення з фоном.
За найменший об’єкт розрізнення приймаймо напис на радіоелементі,
розмір якого визначимо на рівні 0,15–0,3 мм. Користуючись ДБН В.2.5-28-2018,
визначаємо, що за розміром обраного найменшого об’єкта розрізнення, ступінь
точності зорової праці відноситься до високого і становить ІІ розряд. Нормативне
значення КПО для визначеного розряду зорової роботи відповідає – ен=1,8%.
Фактичне значення КПО в технічній лабораторії становить 20-27%. Отже, рівень
природного освітлення в даному приміщенні знаходиться в нормі.
В якості джерела світла при штучному освітленні використовуються
люмінесцентні лампи, в освітлювачах типу ЛСП, загальна кількість яких становить 3.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 61

Нормативне значення штучного загального освітлення становить
400 лк. Фактичне значення в лабораторії згаданого параметра відповідає 280-300
лк, що нижче зазначеної норми, відповідно ДБН В.2.5-28-2018. Таким чином, в
даному приміщенні рекомендується модернізувати систему загального штучного
освітлення.
Приміщення лабораторії характеризується відсутністю сирості,
неструмопровідною підлогою та нормативними параметрами мікроклімату. Тому
приміщення лабораторії відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки
ураження працюючих електричним струмом, згідно ПУЕ. Комп’ютери,
встановлені на робочих місцях живляться напругою 220 В і споживають
потужність менше ніж 3 кВт, для забезпечення безпеки людини було обладнано
додатковою ізоляцією та заземленням. Для виключення ураження працівників
електричним струмом всі електронні прилади під’єднані до системи захисного
занулення, згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016.
Під час роботи з обладнанням при раптовому припиненні подачі
електроструму потрібно негайно вимкнути електрообладнання. Категорично
забороняється ремонтувати електрообладнання, вмикати та вимикати його, якщо
це не передбачено в ході роботи, проводити будь-які перемикання на головному
розподільному щиті. У випадку ураження електричним струмом слід терміново
звільнити потерпілого від дії струму і прийняти міри по наданню першої допомоги,
при необхідності викликати лікаря.
Приміщення лабораторії, згідно ДСТУ Б В.1.1-36:2016, відноситься до
приміщень за категорією вибухопожежонебезпеки типу В (горючі та важкогорючі
рідини, тверді горючі та важкогорючі речовини і матеріали (в тому числі пил та
волокна), речовини та матеріали, здатні при взаємодії з водою, киснем повітря або
одне з одним горіти, за умови, що приміщення, в яких вони знаходяться
(використовуються), не належать до категорії А та Б). Для попередження пожеж в
лабораторії, відповідно ДБН В.2.5-56-2014, змонтована електрична пожежна
сигналізація (Страж М-501) променевого типу та теплові датчики типу (Satel DRP-
100) у кількості 6 шт. Також дана лабораторія обладнана двома ручними
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 62

вуглекислотними вогнегасниками ВВК-5, відповідно Правил експлуатації та
типових норм належності вогнегасників.
Шум супроводжується коливанням частинок навколишнього середовища,
що сприймається органами слуху людини як небажані сигнали. Зазвичай шум
обумовлюється неприємним або небажаним звуком чи сукупністю звуків, що
заважають сприйняттю корисних звукових сигналів, порушують тишу, чинять
шкідливу або подразливу дію на організм людини, знижують її працездатність.
В лабораторії рівень шуму, який в основному зумовлений одночасною
роботою системних блоків комп’ютерів не перевищує 45 дБА. Інколи, при роботі
принтера це значення досягає 55 дБА. Але відповідно ДСН 3.3.6.037-99 нормативне
значення допустимого рівню звукового тиску, рівню звуку та еквівалентного рівню
звуку на робочому місці в лабораторії становить 60 дБА. Таким чином, фактичні
рівні шуму в приміщенні лабораторії не перевищують нормативні значенні цього
параметру.
З появою нових технологічних рішень щодо здійснення бездротового
електронного зв’язку лабораторія пронизана постійним електромагнітним
випромінюванням згідно ДСН 3.3.6.096-2002.
Документи встановлюють вимоги до суб’єктів господарювання щодо
захисту працівників від небезпеки для їх здоров’я, що існує або виникає внаслідок
впливу електромагнітних полів.
Згідно з цими нормативними актами перед початком робіт у разі
застосування джерел електромагнітного випромінювання необхідно:
- провести вимірювання напруженості електричної та магнітної складових
електромагнітних полів
- облаштувати виробниче приміщення і розташувати технологічне
обладнання згідно гігієнічних нормативів.
Тривалість перебування працівників, які працюють з джерелами
електромагнітного випромінювання в робочих зонах не повинна перевищувати
гранично-допустимих рівнів електромагнітного випромінювання, зазначених у
ДСН 3.3.6.096 -2002.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 63

Згідно ДСН 3.3.6.042-99 окремо для двох періодів року, визначаємо
оптимальні і допустимі значення температури, відносної вологості та швидкості
руху повітря для категорії важкості роботи Іа. При цьому враховуємо, що верхня і
нижня межа діапазону допустимої температури визначаються у залежності від
того, постійне робоче місце чи непостійне. В нашому випадку – постійне.
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в холодний період року:
- оптимальне значення температури 22-24°С;
- допустиме значення температури 21-25°С;
- оптимальне значення відносної вологості 40-60%;
- оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1м/с;
- допустиме значення швидкості руху повітря ≤0,1 м/с.
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в теплий період року:
- оптимальне значення температури 23-25°С;
- допустиме значення температури 22-28°С;
- оптимальне значення відносної вологості 40-60%;
- оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1 м/с;
- допустиме значення швидкості руху повітря 0,1-0,2 м/с.
В лабораторії фактичне значення температури в холодний період року
становить 20-22°С, що нижче від відповідної нижньої межі допустимого значення.
Таким чином, дані умови праці відносяться до першого ступеня шкідливості. Це в
свою чергу може призвести до легких форм застуди. Рекомендується в даному
приміщенні в холодний період року користуватися автономним обігрівачем
невеликої потужності.
Фактичне значення температури в теплий період року становить 28-30°С,
що в свою чергу перевищує оптимальне значення, але знаходиться в допустимих
межах. Проте, як відомо, висока температура негативно впливає на самопочуття
робітника і, як наслідок, веде за собою зниження працездатності. В такому випадку
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 64

рекомендується в даному приміщенні встановити кондиціонер, що сприятиме
більш комфортній роботі.
Інструктажі з питань охорони праці проводяться з метою навчити
працівника правильно і безпечно для себе і навколишнього середовища виконувати
свої трудові обов'язки. Інструктажі за часом і характером проведення поділяють на:
вступний, первинний, повторний, позаплановий та цільовий.
Вступний інструктаж проводиться з усіма працівниками, які щойно
прийняті на роботу (постійну або тимчасову), незалежно від їх освіти, стажу роботи
за цією професією або посади; працівниками, які знаходяться у відрядженні на
підприємстві й беруть безпосередню участь у виробничому процесі; в даному
випадку трудового й професійного навчання в технічній лабораторії.
З працівниками проводиться вступний інструктаж з трудового та
професійного навчання. Запис про проведення вступного інструктажу робиться в
спеціальному журналі. Первинний інструктаж проводиться кожному працівнику
індивідуально в радіотехнічній лабораторії перед виконанням роботи НПАОП 0.00-
4.12-05.
Медичний огляд обов’язковий для працівників радіотехнічної
лабораторії відповідно наказу №246 від 21.05.2007, що пов’язано з:
- зі шкідливими чи небезпечними умовами праці;
- з обладнанням що знаходиться під напругою, вібрацією, шумом;
- довго тривалими однотипними роботами;
- хімічні речовини, їх сполуки та елементи (неорганічного та органічного
походження);
Висновок: в даному розділі було проаналізовано усі можливі небезпеки та
шкідливі фактори, що можуть впливати на співробітників радіотехнічної
лабораторії і можемо сказати, що технічний рівень не відповідає нормативним
вимогам. Це проявляється в наслідок підвищення температури літом вище норми.
Таким чином, в даному приміщенні рекомендується встановити кондиціонер.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 65

Розрахунок системи кондиціонування повітря лабораторії
Кондиціонування - це комплекс систем, які призначені для створення в
приміщеннях мікрокліматичних умов, оптимальних для життєдіяльності людей.
Кондиціонер - пристрій для підтримання оптимальних кліматичних умов в
квартирах, будинках, офісах, автомобілях, а також для очищення повітря в
приміщенні від небажаних частинок. Призначений для зниження температури
повітря в приміщенні.
Типи кондиціонерів:
- віконний кондиціонер;
- спліт-система з внутрішнім блоком настінного типу;
- спліт-система з внутрішнім блоком підлогово-стельового типу;
- спліт-система з внутрішнім блоком касетного типу;
- спліт-система з внутрішнім блоком канального типу;
- мульти спліт-системи;
- мультізональні системи (VRF або VRV системи).
Віконний кондиціонер.
Віконний тип є моноблочним, врізається у віконний отвір або в стіну. Для
встановлення ніякого особливого інструменту для нього не потрібно. Виробництво
віконників добре відпрацьоване за багато років, звідки і береться їх довговічність.
Віконний тип має істотні недоліки. У віконному типі, оскільки він
моноблочний, компресор знаходитиметься у вашому приміщенні.
Про другий мінус прохолодно буде не у вас в кімнаті, а між шторою і вікном
тому що встановлюється він безпосередньо у вікно.
Безумовним плюсом є низька ціна віконного типу і можливість невеликої
подачі свіжого повітря в приміщення. При низькому бюджеті будівництва бізнес
установи не високого класу можна обійтися віконними кондиціонерами і замовити
вікна під розмір.
Спліт-система.
Спліт-системи, як тип кондиціонера на відміну від віконних, діляться самі
по собі ще на типи. Під типом спліт-системи в основному розуміють тип
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 66

внутрішнього блоку, зовнішні блоки по принциповому пристрою фактично
однакові для побутового діапазону. Спліт-система має два блоки - внутрішній і
зовнішній. Найгаласливіший з них, де знаходиться компресор, виноситься на
вулицю, а внутрішній, відповідно, усередині приміщення.
Спліт-система з внутрішнім блоком настінного типу.
Набули найбільшого поширення в квартирах, невеликих офісних
приміщеннях. Якщо в приміщеннях давно вже виконаний ремонт, є одним з
якнайкращих способів не псувати інтер'єр і добитися освіжаючої прохолоди.
Мають масу переваг: достатньо малошумні, і за ціною значно дешевше спліт-
систем іншого типу. Також в своєму діапазоні холодильної потужності є
монополістами - інші типи спліт-систем не мають холодильної потужності нижче
3,5 кВт. І при кондиціонуванні невеликого кабінету настінний тип спліт-системи
не має конкурентів.
Спліт-система з внутрішнім блоком підлогово-стельового типу.
У разі установки під стелею потік охолодженого повітря могутнім
струменем поступає в обслуговуване приміщення. У разі установки в підлоговому
варіанті, наприклад в перенаселеному працівниками офісі, приносить менше
дискомфорту працівникам, ніж наприклад настінний кондиціонер. Будь-який
кондиціонер створює біля себе «мертву зону», де рухливість повітря буде дуже
високою. У настінних блоків це до 3 метрів, у підлогових - 1 метр. У підлоговому
варіанті охолоджене повітря йде вгору і нікому особливо не заважає. Отже,
підлогово-стельові кондиціонери в основному використовують в офісах,
супермаркетах, витягнутих великих приміщеннях.
Спліт-система з внутрішнім блоком канального типу.
Канальний внутрішній блок має масу переваг в порівнянні зі своїми
побратимами. Одному "канальнику" цілком під силу охопити до 10 дрібних
приміщень, де необхідна холодопродуктивність по кожному приміщенню не
перевищує 1,3 кВт. Якщо в кожній такій кімнаті встановити по окремій настінній
спліт-системі, а мінімальна продуктивність будь-який настінною спліт-системи
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 67

нижче 1,8 кВт не буває, перевага установки кондиціонування канального типу за
ціною в порівнянні з установкою 10 окремих настінних спліт-систем.
Ще однією незаперечною перевагою є те, що при використанні
внутрішнього блоку цього типу можна підмішувати до 20 % свіжого повітря. Але є
і зворотна сторона - не варто забувати, що свіжим повітрям Ви зможете бути
забезпечені тільки тоді, коли на вулиці не нижче - 5 С. Інакше ви просто можете
вивести з ладу пристрій.
Спліт-системи з внутрішніми блоками канального типу мають і недоліки.
Окрім необхідності наявності підвісної стелі, така система не дозволяє регулювати
температуру в кожному приміщенні індивідуально. Датчик температури
встановлюється в пульті управління кондиціонером, і розмістити ви його можете
тільки в одній кімнаті. Іншою проблемою буде те, що кожне з приміщень може
мати різний тепловий режим, одна кімната може виходити вікнами на південь, інша
на північ. Може утворитися ситуація, коли в одній кімнаті буде максимальне
теплове навантаження, а в іншій мінімальна. Установка індивідуального
регулювання температури по кожній кімнаті у вартості наближатиметься до
вартості всього устаткування.
Останнім недоліком такої системи є те, що монтажу канального типу
кондиціонування повинен передувати хороше проектне опрацьовування,
розрахунок перетинів повітроводів. Інакше ви можете отримати ситуацію, коли в
одній кімнаті надмірно холодно, а в іншій навпаки жарко.
Мульті-спліт-системи.
У цих системах до одного зовнішнього блоку можна під'єднати відразу
декілька внутрішніх блоків. Основна перевага мульті-спліт-систем це наявність
одного зовнішнього блоку. В умовах міста, особливо в центрі, велику кількість
зовнішніх блоків кондиціонерів, що висять на стіні, не тільки псують фасад будівлі,
але не залишають іншого вибору, як використання мульті спліт-системи.
Мультізональні системи (VRF або VRV системи).
VRV або VRF системи є найостаннішим і інноваційним досягненням в
кондиціонуванні повітря. За принципом роботи це ті ж самі мульті-спліт-системи,
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 68

але з можливістю підключення до 64 внутрішніх блоків. Важливою перевагою
мультізональних систем є різноманітність внутрішніх блоків.
Останнє покоління таких систем має одну з незаперечних переваг -
максимально допустима довжина фреонових трас до 1000 метрів, що в умовах
центральних вулиць міста дозволяє винести зовнішній блок в таке місце, де він не
псуватиме фасад. Дані системи неймовірно економічні і довговічні.
Середній термін їх експлуатації до 25 років, в порівнянні з побутовими
спліт-системамі 6-10 років. Інтелектуальна система управління роботою дозволяє
досягти максимальної економії при роботі деяких внутрішніх блоків в режимі
охолоджування, а інших в режимі тепла. Система VRV (VRF) дозволяє перенести
частину тепла з одного приміщення в інше. При цьому споживання системи
знижується майже в 2 рази.
Встановлюють такі системи найчастіше в бізнес-центрах, торгових центрах,
урядових установах і на багатьох інших об'єктах, де необхідна центральна система
кондиціонування великої кількості приміщень.

Рисунок 5.1 - Будова та принцип дії кондиціонера типу спліт-системи

Розрахуємо потужність кондиціонера для радіотехнічної лабораторії
площею 26 м² з висотою стель 2,75 м, в якій здійснюється проектування та
модернізація пристрою. В лабораторії працюють 4 людини, а також є 3 комп'ютери,
і невеликий холодильник з максимальною споживаною потужністю 165 Вт.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 69

Кімната розташована на сонячній стороні. Комп'ютери всі одночасно працюють,
оскільки ними користується 4 людини.
Спочатку визначимо тепло припливи від вікна, стін, підлоги і стелі.
Коефіцієнт Q виберемо рівним 40, так як кімната розташована на сонячній стороні:
Q1 = S ∙ h ∙ q / 1000 (5.1)
де:
S – площа радіотехнічної лабораторії;
h – висота стелі;
q - коефіцієнт припливу тепла.
Q1 = 36 м² ∙ 2,75 м ∙ 40 / 1000 = 2,86 кВт
Теплоприпливи від 4 робочих в спокійному стані складуть 0,4кВт.
Q2 = N ∙qод.л.= 4 ∙ 0,1 = 0,4 кВт
Далі, знайдемо теплоприпливи від техніки. Оскільки комп'ютери працюють
одночасно, то в розрахунках необхідно враховувати суму з цих приладів, а саме
сумарну кількість тепла. Це комп'ютери, тепловиділення від яких становлять 0,9
кВт. Холодильник виділяє 0,793 кВт:
Q3 = 0,165 кВт + 0,793 = 0,958 кВт (5.2)
Q3 = 0,9 кВт + 0,793 кВт = 1,693 кВт
Тепер ми можемо визначити:
Q = Q1 + Q2 + Q3 (5.3)
Q = 2,86 кВт + 0,4 кВт + 1,693 кВт = 4,95 кВт
Рекомендований діапазон потужності (від -5% до +15% розрахункової
потужності Q): 4.70кВт < Qrange < 5,69 кВт.
Нам залишилося вибрати модель підходящої потужності. Більшість
виробників випускає спліт-системи з потужностями, близькими до стандартного
ряду: 2,0 кВт; 2,6 кВт; 3,5 кВт; 5,2 кВт; 7,0 кВт. З цього ряду обираємо модель
потужністю 5,2 кВт.
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 70

Рисунок 5.2 – Кондиціонер Saturn ST-18TLHR/Bio

Технічні характеристики кондиціонера Saturn ST-18TLHR/Bio
- Рекомендована площа приміщення - 50 кв.м;
- Тип компресора - звичайний;
- Тип фреону - R410A;
- Холодопродуктивність - 5,28 кВт;
- Теплопродуктивність - 5,42 кВт;
- Рівень шуму, внутрішній блок - 45 дБ;
- Рівень шуму зовнішній блок - 52 дБ;
- Режими - автоматичний, вентилятор, нічний, обігрів, осушення,
охолодження, турборежим.
Додаткові характеристики кондиціонера
- Таймер - на 24 години;
- Дисплей на внутрішньому блоці;
- Фільтри тонкого очищення, електростатичний фільтр;
- Діапазон зовнішньої робочої температури - від +1 до +43 °С;
- Захист від обдування холодним повітрям;
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 71

- Захист від обмерзання зовнішнього блоку;
- Плавний пуск;
- Габарити внутрішнього блока - 28х90х20,2 см;
- Габарити зовнішнього блока – 55,2х76х25,6 см;
- Вага внутрішнього блоку - 11 кг;
- Вага зовнішнього блоку - 35 кг.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 72

Висновок

У межах цієї кваліфікаційної роботи було проведено комплексне
проєктування та обґрунтування інформаційно-вимірювального вузла, який
виступає базовим елементом автоматизованої системи контролю просторових
деформацій опор контактної мережі залізниці. Виконаний аналіз існуючих аналогів
показав, що наявні на ринку промислові інклінометри не відповідають
специфічним вимогам щодо одночасного прецизійного вимірювання статичного
нахилу та динамічних вібраційних навантажень в умовах відсутності стаціонарного
живлення.
Було розроблено та схемотехнічно обґрунтовано апаратну архітектуру вузла
на базі мікроконтролера змішаного сигналу C8051F352, двоосьового
електролітичного інклінометра Spectron SP5000 та триосьового МЕМС-
акселерометра ADXL362. Дана конфігурація забезпечує високу точність
вимірювання нахилу на рівні 0.02° при реєстрації вібрацій до 5g у частотному
спектрі до 200 Гц, що повністю відповідає поставленим технічним завданням.
Завдяки використанню мікропроцесорної концепції з підтримкою глибоких
режимів сну, система характеризується наднизьким енергоспоживанням, що
забезпечує автономну роботу протягом 10–15 років без заміни елементів живлення.
Програмна реалізація алгоритмів забезпечує первинну цифрову фільтрацію
та обробку сигналів безпосередньо на польовому рівні, а впровадження апаратної
лінії переривань для автоматичного «пробудження» контролера дозволяє
оптимально використовувати обчислювальний ресурс. Економічна доцільність
розробки підтверджується переходом до стратегії предиктивного обслуговування,
що дозволяє уникнути багатомільйонних збитків від аварійних ситуацій. Загальний
показник надійності системи становить близько 500 000 годин безвідмовної
роботи, що разом із екологічними стандартами виробництва робить розроблену
автоматизовану систему повністю придатною для впровадження на об'єктах
магістральної залізничної інфраструктури.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 73

Список використаної літератури

1. Ghorbani R., et al. Railway Catenary Condition Monitoring: A Systematic
Mapping of Recent Research. Sensors. 2024. Vol. 24, No. 3. P. 1023. URL:
https://doi.org/10.3390/s24031023 (дата звернення: 08.06.2026).
2. Schmidt A., et al. Structural Monitoring Without a Budget—Laboratory
Results and Field Report on the Use of Low-Cost Acceleration Sensors. Sensors. 2025.
Vol. 25, No. 15. P. 4543. URL: https://doi.org/10.3390/s25154543 (дата звернення:
08.06.2026).
3. Chen X., et al. From Point Clouds to Predictive Maintenance: A Review of
Intelligent Railway Infrastructure Monitoring. ResearchGate. 2024. URL:
https://www.researchgate.net/publication/400659759 (дата звернення: 08.06.2026).
4. Ivanov V., et al. Improvement of the system for reporting the state of the
electrified railway contact line. Extrica. 2025. URL:
https://www.extrica.com/article/25647 (дата звернення: 08.06.2026).
5. Rahita A. C., et al. Internet of Things in Structural Health Monitoring: A
Decade Review. IIETA Journal. 2024. Vol. 11, No. 2. P. 45–60.
6. Zhao Y., Li M. High-precision tilt measurement using electrolytic
inclinometers for structural health monitoring. Measurement Science and Technology.
2022. Vol. 33, No. 8. P. 085002.
7. Brown A., Davis R. Digital filtering techniques for MEMS accelerometers
in high-vibration environments. IEEE Sensors Journal. 2024. Vol. 24, No. 5. P. 5600–
5610.
8. Smith J. Industrial Communication Protocols: RS-485 and Modbus RTU
Implementation in IoT. Journal of Industrial Networking. 2023. Vol. 12, No. 2. P. 78–85.
9. Network Rail Earthworks Review Final Report. Network Rail, 2025. URL:
https://www.networkrail.co.uk/wp-content/uploads/2025/04/Network-Rail-Earthworks-
Review-Final-Report.pdf (дата звернення: 08.06.2026).
Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 74

10. Structural Health Monitoring With MEMS Accelerometers. Dewesoft. 2023.
URL: https://dewesoft.com/blog/structural-health-monitoring-with-mems-
accelerometers (дата звернення: 08.06.2026).
11. ADXL362: Micropower, 3-Axis, ±2 g/±4 g/±8 g Digital Output MEMS
Accelerometer : Datasheet. Analog Devices, Inc., 2022. 43 p. URL:
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL362.pdf
(дата звернення: 08.06.2026).
12. SP5000 Series Dual-Axis Electrolytic Tilt Sensor : Technical Data. Spectron
Glass and Electronics, 2023. URL: https://www.spectronsensors.com/ (дата звернення:
08.06.2026).
13. C8051F35x: Mixed-Signal 8KB ISP Flash MCU Family : Datasheet. Silicon
Laboratories, 2021. 142 p.
14. Мельник О. М., Ковальчук В. В. Сучасні методи моніторингу
просторових деформацій інфраструктурних об'єктів залізниці. Вісник
транспортних технологій. 2023. № 4. С. 45–52.
15. Автоматизація технологічних процесів на базі ПЛК та SCADA-систем
: навч. посіб. / О. В. Куцак та ін. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. 245 с.
16. Промислові мережі та інтеграційні технології в автоматизації : навч.
посібник / В. І. Савенко, О. С. Морозов. Львів : Видавництво Львівської
політехніки, 2023. 198 с.
17. Романюк О. І., Петренко Д. І. Енергоефективні бездротові сенсорні
мережі для систем структурного моніторингу (SHM). Телекомунікаційні та
інформаційні технології. 2024. № 1. С. 112–119.
18. IPC-2221B. Generic Standard on Printed Board Design. IPC, 2023. 138 p.
19. ДСТУ EN 894-1:2021 (EN 894-1:1997+A1:2008, IDT). Безпечність
машин. Ергономічні вимоги до проектування індикаторів і органів керування. Київ
: ДП «УкрНДНЦ», 2022. 24 с.
20. ДБН В.2.5-28-2018. Природне і штучне освітлення. Київ : Мінрегіонбуд
України, 2018 (зі змінами 2022 р.). 136 с.

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 75
Ïîçíà÷åííÿ Íàéìåíóâàííÿ Ïðèì³òêà
1 Äîêóìåíòàö³ÿ çàãàëüíà
2
3 çàíîâî ðîçðîáëåíà
4
5 À1 ÐÑÀÑÊ23.23195.026.001 Ý1 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ñòðóêòóðíà 1
6 À1 ÐÑÀÑÊ23.23195.026.001 Ý3 Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà 1
7 À4 ÐÑÀ23.22335.026.001ÏÇ Ïîÿñíþâàëüíà çàïèñêà
8 À1 ÐÑÀÑÊ23.23195.026.001 ÄÌ Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
9
10 Äîêóìåíòàö³ÿ ³íøà
11
12 çàíîâî ðîçðîáëåíà
13
14
15 À1 ÐÑÀÑÊ23.23195.026.001 ÄÌ Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
16
17 À1 ÐÑÀÑÊ23.23195.026.001 ÄÌ1 Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë 1
18
19 1
20
21
22
23
24
22
23
24
25
26
27

ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÒÏ
Çì. Àðêóø ¹ äîêóì. Ï³äï. Äàòà
Ðîçðîá. Êàëþæíèé Þ.
Òóç Â.Â. Àâòîìàòèçîâàíà ñèñòåìà êîíòðîëþ Ë³ò. Àðêóø Àðêóø³â
Ïåðåâ. Ò 1
äåôîðìàö³é îá'ºêò³â çàë³çíè÷íî¿

Í.Êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ³íôðàñòðóêòóðè ×ÄÒÓ
Çàòâ. Â³äîì³ñòü òåõí³÷íîãî ïðîºêòó

¹ ñòðîêè
Ôîðìàò
Ê³ë. ëèñò³â
¹ åêç.

Ïîç. Íàéìåíóâàííÿ Ê³ë. Ïðèì³òêà
Ì³êðîñõåìè
DA1 AM3T4805-SZ 1
DA2 AM3T-4812DZ 1
DA3 AM1D-0505SZ 1
DA4, DA5 ADA4891-4 2 TSSOP
DD1 ATMega1284p 1 TQFP
DD2 ADG841 1 SC70
DD3 ADG842 1 SC70
DD4 AD7457 1 SOT-23
Îïòîåëåêòðîí³êà
H11L1 H11L1 2
PVG612 PVG612 2
Òðàíçèñòîðè
VT1, VT3, VT4 BC847B 3 NPN
VT2 BC857B 1 PNP
Ä³îäè
VD1 1N4148 1
Äàò÷èêè
SHT10 SHT10 1
Ðåçèñòîðè
R1 Ðåçèñòîð Ð-1-12-0,125-3.3êÎì 1
R2, R4 Ðåçèñòîð Ð-1-12-0,125-280Îì 2
R3 Ðåçèñòîð Ð-1-12-0,125-150Îì 1
R5, R9, R10, Ðåçèñòîð Ð-1-12-0,125-1êÎì 6
R11, RT3, RT4
R6, R12 Ðåçèñòîð Ð-1-12-0,125-10êÎì 2
R8 Ðåçèñòîð Ð-1-12-0,125-470Îì 2 Íà ñõåì³ äâà R8
Êîíäåíñàòîðè
C1, C4, C5, C11, Êîíäåíñàòîð Ê10-79-0.1ìêÔ 6 Íà ñõåì³ äâà C12, äâà C16
C12, C16
C6, C10 Êîíäåíñàòîð Ê53-68-10ìêÔ 2 Íà ñõåì³ äâà C6
C15 Êîíäåíñàòîð Ê10-79-0.33ìêÔ 1
(unlabeled) Êîíäåíñàòîð Ê10-79-22ïÔ 2 Áåç ïîçíà÷åííÿ íà ñõåì³, á³ëÿ
ZQ1
C16 Êîíäåíñàòîð Ê53-68-1ìêÔ 1 Äóáëü ïîç. C16 (äëÿ äâèãóíà)
²íäóêòèâíîñò³
L1 DR73-220-R 1 22 ìêÃí
Êâàðöîâ³ ðåçîíàòîðè
ZQ1 HC-49U-20MHz 1

ÐÑÀñê23. 23195.026.001 ÏÅ

Êàëþæíèé Þ.Ñ..

Òóç â.Â.. Àâòîìàòèçîâàíà ñèñòåìà êîíòðîëþ äåôîðìàö³é
îá'ºêò³â çàë³çíè÷íî¿ ³íôðàñòðóêòóðè
Òè÷êîâ Â.Â.
Ïåðåë³ê åëåìåíò³â ×ÄÒÓ

Арк.
РСАск23. 23195.026.001 ПЗ
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата 76
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÄÌ
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àâòîìàòèçîâàíà ñèñòåìà êîíòðîëþ äåôîðìàö³é
Ðîçðîá. Êàëþæíèé Þ.Ñ. îá'ºêò³â çàë³çíè÷íî¿ ³íôðàñòðóêòóðè 1:1
Ïåðåâ. Òóç Â.Â.
Ò.êîíòð. Òóç Â.Â. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÄÌ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 Ý1
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àâòîìàòèçîâàíà ñèñòåìà êîíòðîëþ äåôîðìàö³é
Ðîçðîá. Êàëþæíèé Þ.Ñ. îá'ºêò³â çàë³çíè÷íî¿ ³íôðàñòðóêòóðè Ò 1:1
Ïåðåâ. Òóç Â.Â.
Ò.êîíòð. Òóç Â.Â. Ñõåìà åëåêòðè÷íà ñòðóêòóðíà Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 Ý1
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÅÇ
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àâòîìàòèçîâàíà ñèñòåìà êîíòðîëþ äåôîðìàö³é
Ðîçðîá. Êàëþæíèé Þ.Ñ. îá'ºêò³â çàë³çíè÷íî¿ ³íôðàñòðóêòóðè 1:1
Ïåðåâ. Òóç Â.Â.
Ò.êîíòð. Òóç Â.Â. Ñõåìà åëåêòðè÷íà ïðèíöèïîâà Àðê. Àðêóø³â 1
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÅÇ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÄÌ 2
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àëãîðèòì ðîáîòè
Ðîçðîá. Êàëþæíèé Þ.Ñ. 1:1
Ïåðåâ. Òóç Â.Â. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë
Ò.êîíòð. Òóç Â.Â. Àðê. Àðêóø³â
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÄÌ 2
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÄÌ 1
Ë³ò. Âàãà Ìàñøòàá
Çì. Àðê. ¹ äîêóì. Ï³äïèñ Äàòà Àëãîðèòì ðîáîòè
Ðîçðîá. Êàëþæíèé Þ.Ñ. 1:1
Ïåðåâ. Òóç Â.Â. Äåìîíñòðàö³éíèé ìàòåð³àë
Ò.êîíòð. Òóç Â.Â. Àðê. Àðêóø³â
Ç.íà÷.â³ä.
Í.êîíòð. Òè÷êîâ Â.Â. ×ÄÒÓ
Çàòâ.
Êîï³þâàâ Ôîðìàò A1
²íâ. ¹ îð. Ï³äï. è äàòà Çàì. ³íâ. ¹ ²íâ. ¹ äóáë. Ï³äï. è äàòà Äîâ³äêîâèé ¹ Ïåðâèííå çàñòîñóâàííÿ
ÐÑÀñê23.23195.026.001 ÄÌ 1

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets