Предложены основные принципы построения системы электрической централизации, состоящей из релейной и микропроцессорной систем управления движением поездов, для станции Киевского метрополитена «СИРЕЦЬКА».АБРАМОВИЧ Г.А., начальник отдела АТ и С ПИ «Укрметротуннельпроект»КЛИМЕНКО К.С., к.т.н., доцент УкрГАЖТКУЗЬМЕНКО Д.М., директор НПП «ЖЕЛДОРАВТОМАТИКА»РЕЗНИЦКИЙ Д.М., заместитель начальника службы сигнализации и связиКиевского метрополитенаТИХОНЕНКО В.А., заместитель начальника дистанции автоматики службы АТСХарьковского метрополитена Введение и постановка задачиВ настоящее время для станций магистрального, промышленного транспорта и метрополитена разрабатываются и внедряются большое количество систем электрической централизации (ЭЦ), использующих микропроцессорную элементную базу [3-16].К системам ЭЦ предъявляются жесткие требования по обеспечению безопасности. Микропроцессорная элементная база не относится к элементам первого класса надежности, поэтому имеется множество трудностей по доказательству безопасности и без применения специальных технических решений нет возможности обеспечить требуемую безопасность.При проектировании новой ЭЦ для станции «СИРЕЦЬКА» Киевского метрополитена были поставлены следующие задачи:

1. В разрабатываемой микропроцессорной системе (МПЦ-М) все логические функции ЭЦ, влияющие и не влияющие на безопасность системы, должны осуществляться аппаратными и программными средствами промышленных компьютеров (ПромЭВМ) и программируемых логических контроллеров (ПЛК), а непосредственная связь с напольным оборудованием – выполняться существующими релейными схемами управления и контроля.
2. Разрабатываемая МПЦ-М должна иметь как высокую безопасность, так и отказоустойчивость, чтобы нарушение в работе МПЦ-М не приводило к появлению опасного отказа и срыву сложного технологического процесса работы метрополитена (нарушение интенсивного графика движения поездов, остановка подвижного состава с пассажирами в тоннеле и большое скопление пассажиров на станциях метрополитена).
3. В МПЦ-М должны использоваться серийно выпускаемые технические средства с открытыми протоколами передачи данных.
4. На время опытной эксплуатации МПЦ-М существующая релейная ЭЦ должна работать параллельно в холодном резерве. При отказе МПЦ-М релейная ЭЦ должна подключаться к схемам управления напольным оборудованием.

 Основные принципы построения системыМПЦ-М представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, которые обеспечивают управление технологическим процессом движения поездов. Технические средства с программной логикой обеспечивают выполнение логики централизации с проверкой условий безопасности в соответствии с требованиями, предъявляемыми к системам управления движением в метрополитене, а также само-диагностирование.Релейные схемы управления напольным оборудованием и датчики состояния устройств централизации выполняют коммутацию электрических цепей, гальваническую развязку между микропроцессорными и исполнительными устройствами. К релейным схемам относятся следующие типовые схемы: рельсовые цепи, схемы управления стрелками, схемы сигналов и сигнальных реле, схемы управляющих реле выбора сигнальной частоты для системы автоматического регулирования скорости движения поездов (АРС).Для проектируемой системы ЭЦ используется структурная схема, представленная на рисунке 1. Как видно из рисунка МПЦ-М состоит из нескольких подсистем, в которые входят различные комплексы технических средств, образующие три уровня управления и контроля:верхний уровень – подсистема диалога МПЦ-М с дежурным станционного поста централизации (ДСЦП) и электромехаником (ШН);средний уровень – подсистема логики централизации;нижний уровень – подсистема управления исполнительными устройствами и контроля состояния устройств централизации и АРС.

Подсистема диалога МПЦ-М с ДСЦП и ШН включает в себя автоматизированное рабочее место (АРМ) с ПЭВМ ДСЦП, которое осуществляет фиксацию и обработку управляющих команд с проверкой на допустимость их реализации. Также в эту подсистему входит АРМ с ПЭВМ ШН, которое выполняет функцию по фиксации, обработке и отображению информации о состоянии устройств централизации, АРС и МПЦ-М. В тех случаях, когда команда не может быть реализована, сохраняется также информация о причинах, помешавшим выполнению этой команды. В этой подсистеме фиксируется и отображается изменение состояния напольного оборудования и технических средств МПЦ-М и время, когда происходит изменение. Вся информация, которая поступает в подсистему, хранится длительное время.Подсистема логики централизации выполняет управление стрелками и сигналами, а также проверку логических взаимозависимостей между ними. В подсистему с датчиков вводится информация о состоянии устройств централизации. После обработки эта информация вместе с информацией о работе технических технических средств подсистемы логики централизации передается в подсистему диалога МПЦ-М с ДСЦП и ШН. Все функции по управлению, контролю и обеспечению безопасности возложены на технические средства подсистемы логики централизации.Подсистема управления исполнительными устройствами включает: схему коммутации, схемы управления напольными устройствами, сами исполнительные устройства, датчики состояния устройств централизации и АРС. Схемы управления напольным оборудованием обеспечивают непосредственное воздействие на исполнительные устройства с соблюдением основных требований по выполнению условий безопасности.Разрабатываемая система централизации может функционировать в двух режимах:а) режим управления МПЦ-М – в этом режиме, независимо от способа управления (диспетчерское или местное управление), релейная ЭЦ выключена, а технические средства верхнего и среднего уровней МПЦ-М обеспечивают выполнение всех функций управления (установку и размыкание маршрутов, включение/выключение устройств в/из зависимости) с обязательной проверкой их реализации, а также контролируют: действия эксплуатационного персонала; датчики состояния устройств централизации и АРС (стрелок, ток и время перевода стрелок, сигналов, рельсовых цепей, устройств АРС, предохранителей, сигнализаторов заземления, напряжения источников питания и т.д);б) режим управления релейной ЭЦ – в данном режиме, независимо от способа управления (диспетчерское или местное управление), техническими средствами релейной ЭЦ осуществляется выполнение всех функций управления и контроля. В этом режиме МПЦ-М контролирует только датчики состояния напольного оборудования и элементов системы.Переход из одного режима в другой осуществляется ДСЦП с помощью ключа-жезла на пульте.При проектировании системы учтено, что МПЦ-М может взаимодействовать с другими системами, использующими для контроля и управления цифровые интерфейсы передачи данных, которые поддерживают различные стандартные протоколы обмена данными. Также система МПЦ-М может быть интегрирована в автоматизированные и информационно-управляющие системы верхнего уровня, поддерживая при этом принятый внутри системы протокол обмена данными. В качестве транспортного протокола в МПЦ-М используется протокол «Modbus» на основе TCP/IP и RS485. Этот протокол физического уровня имеет стандартизированные технические средства, поддерживаемые операционными системами технических средств с программной логикой рабочих мест верхнего уровня МПЦ-М.Структура верхнего и среднего уровней МПЦ-МПри проектировании структурной схемы МПЦ-М, для обеспечения высокой отказоустойчивости, применены следующие технические решения:

• резервирование технических средств с программной логикой, которые обеспечивают: выполнение функций ЭЦ, передачу данных между микропроцессорными устройствами и электропитание;
• резервные технические средства, работающие в горячем ненагруженном режиме, и автоматически подключающиеся при отказе основных технических средств;
• во время работы резервных технических средств основные должны быть восстановлены и автоматически подключаются после установки их техническим персоналом;
• использование высоконадежного оборудования, которое можно устанавливать без снятия напряжения;
• применение стандартных протоколов передачи данных;
• обмен информацией между всеми микропроцессорными устройствами выполняется по высокоскоростным каналам передачи данных;

 безопасность системы обеспечивается:

• использованием двухканальной схемы для технических средств с программной логикой среднего уровня МПЦ-М;
• применением в релейных схемах реле первого класса надежности для коммутации исполнительных устройств;
• использованием двухполюсной коммутации реле первого класса надежности микропроцессорными устройствами, производимой независимыми аппаратными каналами (реле, в данном случае, является решающим устройством, сравнивающим результаты работы двух каналов, и работающим по логической схеме «И»);
• непрерывным перекрестным контролем исправности входов и выходов модулей ввода/вывода информации;
• поверкой условий безопасности на программном уровне в соответствии с существующими типовыми альбомами и требованиями, предъявляемым к системам управления движением в метрополитене;
• исключением на программном уровне ошибочных действия ДСЦП при вводе команд в МПЦ-М;
• путем организации безопасного интерфейса взаимодействия МПЦ-М с оператором при вводе в систему ответственных команд управления.

Структурная схема, которая представлена на рисунке 2, состоит из: двух компьютеров промышленного типа (основная и резервная ПромЭВМ), которые выполняют функции АРМа ДСЦП; одной ПромЭВМ – АРМа ШН; двух сетей обмена данными междуАРМами и ПЛК вычислительных каналов типа «Ethernet» и «ModbusPlus»; двух вычислительных каналов «А» и «В», включающих: по два логически-программируемых контроллеров (основной и резервный ПЛК), n-ое количество модулей удаленного ввода/вывода; по две сети обмена данными (основная и резервная) между ПЛК и удаленными модулями ввода/вывода типа «RIO» и по каналу передачи данных между основным и резервным ПЛК одного канала типа «Hot Stanby». Обмен информацией в МПЦ-МИнформация о команде управления после предварительной обработки в ПромЭВМ АРМа ДСЦП передается одновременно на основной и резервный ПЛК каждого вычислительного канала по независимым групповым каналам передачи данных сетей: «Ethernet» и «ModbusPlus». Приоритет по выдаче управляющих команд имеет основная ПромЭВМ АРМа ДСЦП. В случае ее отказа, команды выдаются резервной ПромЭВМ АРМа ДСЦП. ПЛК настраиваются на прием информации по сети «Ethernet». Если информация отсутствует или приходит с ошибками из этой сети, то ПЛК оперируют информацией, поступившей по сети «ModbusPlus».По средствам сетей: «Ethernet» и «ModbusPlus» – информация о командах управления также поступает в ПромЭВМ АРМа ШН для протоколирования действий оперативных работников и работы каналов передачи данных сетей: «Ethernet» и «ModbusPlus».После обработки управляющих команд в основном и резервном ПЛК каждого из вычислительных каналов осуществляется управление исполнительными устройствами с помощью удаленных модулей ввода/вывода. Информация на эти модули поступает с основного ПЛК при условии, что он исправен. В противном случае, удаленные модули ввода/вывода работают с информацией, поступившей от резервного ПЛК. Информация на удаленные модули ввода/вывода для каждого вычислительного канала передается одновременно по двум отдельным независимым групповым каналам передачи данных сети «RIO». Приоритетным каналом является основной. Когда он откажет или удаленный модуль ввода/вывода примет ошибочную информацию, тогда будет задействован резервный канал.Удаленные модули ввода/вывода по индивидуальным каналам связи передают управляющие воздействия на релейные схемы управления напольным оборудованием. Включение или выключение реле схем управления выполняется путем коммутации цепей их питания.Информация с датчиков состояния устройств централизации и АРС поступает по индивидуальным каналам передачи данных в удаленные модули ввода/вывода. Далее эта информация передается одновременно по основному и резервному групповым каналам сети передачи данных «RIO» в основной и резервный ПЛК вычислительных каналов «А» и «В». После обработки (сравнение данных, пришедших по разным каналам) информация с датчиков из основных ПЛК по групповым каналам передачи данных сетей: «Ethernet» и «ModbusPlus» – попадает в основную и резервную ПромЭВМ АРМа ДСЦП и ПромЭВМ АРМа ШН. В тех случаях, когда основной ПЛК вычислительного канала неисправен, тогда резервный ПЛК передает информацию с датчиков. Для АРМов ДСЦП и ШН также собирается и передается информация о работоспособности технических средств среднего уровня МПЦ-М.Кроме рассмотренных направлений передачи информации предусмотрена возможность обмена данными между ПЛК вычислительных каналов по средствам сетей: «Ethernet» и «ModbusPlus». Наличие такого канала обмена данными позволит решить две задачи:

1. Уменьшить количество индивидуальных каналов ввода информации с датчиков состояния устройств централизации. Так информации об одном состоянии датчиков вводиться в канал «А», а о другом – в канал «В». Для того, чтобы в каждом вычислительном канале была информация обо всех состояниях датчиков, выполняется обмен данными между ПЛК вычислительных каналов «А» и «В».
2. Организовать обмен результатами тестирования между ПЛК вычислительных каналов «А» и «В», чтобы обеспечить непрерывный перекрестный контроль исправности входов и выходов удаленных модулей ввода/вывода информации.

Между основным и резервным ПЛК каждого вычислительного канала имеется «горячая» связь, которая использует канал передачи данных «Hot Stanby». С помощью этой связи осуществляется обмен информацией об исправности технических средств ПЛК. На основании этой информации, принимается решение: основной или резервный ПЛК будет участвовать в передаче команд управления на удаленные модули ввода/вывода и информации о состоянии устройств централизации. Принципы функционирования системыВ режиме управления МПЦ-М установка и отмена маршрута, искусственное размыкание маршрутов и вспомогательный и индивидуальный перевод стрелок инициируются ДСЦП. Размыкание, перекрытие сигналов и выбор сигнальных частот АРС инициируются ПЛК вычислительных каналов автоматически без участия ДСЦП.Ввод команд управления в МПЦ-М осуществляется при помощи манипулятора типа «мышь» ПромЭВМ АРМа ДСЦП. Введенная в ПромЭВМ АРМа ДСЦП команда управления проверяется на правильность действий ДСЦП. Если команду можно реализовать, тогда она передается в ПЛК вычислительных каналов и на ПромЭВМ АРМа ШН, где фиксируется время получения команды и ее тип. В противном случае, введенная команда передается только в ПромЭВМ АРМа ШН, где фиксируется время получения команды, ее тип и причина, по которой она не была выполнена.ПЛК вычислительных каналов обрабатывают поступившую от ПромЭВМ АРМа ДСЦП команду. В случае выполнения необходимых логических условий формируются сигналы управления релейными устройствами. Иначе передается информация в ПромЭВМ АРМ ДСЦП и ПромЭВМ АРМ ШН о причине, по которой команда не была выполнена ПЛК. Выходы ПЛК подключены к реле непосредственно без дополнительных устройств сопряжения (рисунок 3). Управление релейными устройствами осуществляется путем подачи или снятия полюсов питания с обмоток реле. Контактные группы этих реле образуют цепи управления стрелками, сигналами и устройствами АРС.Микропроцессорная централизация как в режиме управления МПЦ-М, так и в режиме управления релейной ЭЦ контролирует состояние устройств централизации, включая и устройств электропитания, и работоспособность технических средств обработки и передачи данных. Получение информации о состояние устройств централизации осуществляется с помощью датчиков дискретной (контакты реле) или аналоговой информации (измерительные устройства), которые опрашиваются непрерывно через заданный промежуток времени. Формирование информации контроля о состоянии устройств централизации производится ПЛК двух вычислительных каналов.Для получения информации о работоспособности технических средств выполняется:

• непрерывная внутренняя самодиагностика аппаратных средств вычислительных каналов;
• сравнение всей информации, полученной из разных каналов передачи данных, на верхнем и среднем уровне МПЦ-М;
• проверка на программном уровне в ПЛК наличия на входах и выходах удаленных модулей ввода/вывода импульсного сигнала с заданными временными параметрами.

Информация о состоянии напольных устройств и о наличии отказов технических средств МПЦ-М передается в ПромЭВМ АРМ ДСЦП. Вся полученная информация воспроизводится на схематическом плане станции. На плане определенным цветом (в соответствии с инструкциями) отображается текущее состояние объектов управления и контроля, а также в виде дополнительных индикаторов исправное состояние технических средств МПЦ-М. Подробная информация о состоянии устройств централизации и технических средств записывается в ПромЭВМ АРМа ШН с указанием времени их изменения состояния.Информация о работоспособности технических средств используются ПромЭВМ и ПЛК вычислительных каналов для принятия решения об использовании основных или резервных элементов системы МПЦ-М, а также о выдаче или снятии управляющих воздействий на релейные устройства схем управления напольным оборудованием. Построения схем вывода и ввода информацииСхемные решения разделены на два вида: по управлению и контролю. Схемы по управлению включают в себя релейные устройства схем управления и входы/выходы ПЛК. Сигналы управления с выводов удаленного модуля ввода/вывода одного вычислительного канала подаются непосредственно на один вывод обмотки реле, а с другого – на второй вывод. В зависимости от функций, выполняемых реле, схемы проектируются с использованием двух принципов построения логических схем: «И» и «ИЛИ».Принцип «И». Для включения реле на его обмотки подается питание с выходов ПЛК разных каналов. Положительный полюс коммутирует канал «А», а отрицательный – канал «В». Таким образом, при двухполюсной коммутации возбуждение исполнительного реле возможно только при одновременной выдаче команды двумя каналами. Дополнительно техническими средствами ПЛК вычислительных каналов осуществляется перекрестный контроль выдачи управляющего воздействия. Наличие сигнала на выходе канала «А» контролируется через вход канала «В» и наоборот. Двухполюсное подключение исполнительного реле к каналам ПЛК показано на рисунке 3.Принцип «ИЛИ». Для включения реле на его обмотки с выходов ПЛК каналов «А» и «В» подается положительного полюса питание, отрицательный полюс подается на обмотки реле непрерывно. Таким образом, возбуждение исполнительного реле возможно при выдаче команды любым из каналов.Дополнительно техническими средствами ПЛК вычислительных каналов осуществляется контроль выдачи управляющего воздействия. Однополюсное подключение исполнительного реле к каналам ПЛК показано на рисунке 4.Схемы по контролю позволяют осуществить съем информации с датчиков. Этот процесс происходит с участием контактных групп необходимых для этого реле и кнопок, являющихся датчиками информации, следующим образом. К входам ПЛК подключается контактная группа реле, незадействованная в каких-либо схемах. На общий контакт реле непрерывно подается плюсовой полюс питания. Замыкание фронтового контакта контролируется вычислительным каналом «А», а тылового – каналом «Б».Схема подключения контактной группы реле к ПЛК показана на рисунке 5.Представленные на рисунках 3-5 схемы проектируются с учетом того, что будут использоваться реле первого класса надежности типа НМШ и контроллеры серии «Quantum» фирмы «Schneider Electric». Модули ввода/вывода информации этой серии контроллеров имеют гальваническую развязку по входам и выходам.

Получение информации от системами автоматики, использующих микропроцессорную элементную базу, планируется осуществлять по средствам цифровых интерфейсов передачи данных, имеющих различные стандартные протоколы обмена данными.   Построения схем управления напольным оборудованием и коммутацииСхемы рельсовых цепей, управления стрелочными электроприводами, станционными светофорами и сигналами АРС проектируются в соответствии с существующими типовыми схемными решениями для метрополитенов и действующей инструктивной документацией.При реконструкции действующих схем управления и контроля или их модернизации, система МПЦ-М в части подключения схем напольного оборудования может быть адаптирована к любым схемным решениям.На время опытной эксплуатации для исключения возможности одновременного управления по средствам МПЦ-М и релейной ЭЦ, цепи управления разделены контактами реле РУ схемы коммутации. В режиме управления МПЦ-М схемы управления напольным оборудованием подключаются к выходам модулей удаленного ввода/вывода через фронтовые контакты реле РУ. В режиме управления релейной ЭЦ схемы управления напольным оборудованием через тыловые контакты реле РУ подключаются к  исполнительным элементам централизации.Схема коммутации для передачи управляющих воздействий на схемы: сигналов, сигнальных реле, управляющих реле АРС – представлена на рисунке 6, а на схему управления стрелочным электродвигателем – на рисунке 7. 

Литература

 Методы построения безопасных микропроцессорных систем железнодорожной автоматики / В.В.Сапожников, Вл.В.Сапожников, Х.А.Христов, Д.В.Гавзов / Под ред. Вл.В.Сапожникова. — М.: Транспорт, 1995.

1. Лаврик В.В. Электрическая централизация стрелок и сигналов метрополитенов. – М.: Транспорт, 1984.
2. Станционные системы автоматики и телемеханики. / Под ред. В.В.Сапожникова. — М.: Транспорт, 1997.
3. Мойсеєнко В.І. Мікропроцесорні системи залізничної автоматики. Ч.1. / Під ред. Г.І.Загарія.- Харків: ХФВ Транспорт України, 1999.
4. Интеграция систем централизации в центры управления движением поездов // Железные дороги мира. – 1999. – №12.
5. Системы СЦБ на железных дорогах Румынии // Железные дороги мира. – 2000. – №02.
6. Система микропроцессорной централизации ESTW L90 5 для упрощенных условий эксплуатации // Железные дороги мира. – 2000. – №06.
7. Развитие систем СЦБ как основа для повышения эффективности работы железных дорог // Железные дороги мира. – 2000. – №07.

назад