Запропоновано основні принципи побудови системи електричного блокування, що складається з релейної та мікропроцесорної систем управління рухом поїздів, для станції київського метрополітену «СІРЕЦЬКА».

АБРАМОВИЧ Г.А., завідувач кафедри авіації та автоматики ПП «Укрметротунельпроект»КЛИМЕНКО К.С., к.т.н., доцент УкрГАЗТКУЗЬМЕНКО Д.М., директор АЕС «ЖЕЛДОРАВТОМАТИКА» РЕЗНИЦЬКИЙ Д.М., заступник начальника служби сигналізації та зв’язку Київського метрополітену ТИХОНЕНКО В.А., заступник начальника відділу автоматизації дистанції АВР Харківського метрополітену.

Вступ і постановка проблеми:

В даний час розробляється і впроваджується велика кількість електричних систем блокування (ЕС) з використанням мікропроцесорної елементної бази для магістральних, промислових станцій і станцій метрополітену [3-16].

До EC-систем пред’являються суворі вимоги безпеки. Мікропроцесорна елементна база не відноситься до елементів першого класу надійності, тому виникає багато труднощів у доведенні безпеки, а без застосування спеціальних технічних рішень неможливо забезпечити необхідну безпеку.

При проектуванні нової ЕК для станції «СІРЕЦЬКА» Київського метрополітену були поставлені наступні завдання:

1. У розроблюваній мікропроцесорній системі (ГДК-М) всі логічні функції ЕК, що впливають і не впливають на безпеку системи, повинні здійснюватися апаратним і програмним забезпеченням промислових комп’ютерів (промислових комп’ютерів) і програмованих логічних контролерів (ПЛК), а безпосередній зв’язок з підлоговим обладнанням – існуючими релейними ланцюгами управління і контролю.
2. Розробляється ГДК-М повинен володіти як високою безпекою, так і відмовостійкістю, щоб порушення в роботі ГДК-М не призвело до появи небезпечного збою і порушення складного технологічного процесу роботи метрополітену (порушення інтенсивного розкладу руху поїздів, зупинка рухомого складу з пасажирами в тунелі і велике скупчення пасажирів на станціях метрополітену).
3. ГДК-М повинна використовувати технічні засоби серійного виробництва з відкритими протоколами передачі даних.
4. На період дослідної експлуатації ГДК-М існуюче реле ЕС повинно працювати паралельно в холодному режимі очікування. У разі виходу з ладу ГДК-М реле ЕС необхідно підключити до ланцюгів управління підлогового обладнання.

Основні принципи побудови системи:

ГДК-М – це комплекс апаратно-програмних засобів, що забезпечує управління технологічним процесом руху поїздів. Технічні засоби з програмною логікою забезпечують реалізацію логіки блокування з перевіркою умов безпеки відповідно до вимог до систем управління дорожнім рухом в метрополітені, а також самодіагностикою.

Релейні ланцюги управління підлоговим обладнанням і датчики стану блокувальних пристроїв виконують комутацію електричних ланцюгів, гальванічну розв’язку між мікропроцесорними і виконавчими пристроями. Релейні схеми включають в себе наступні типові схеми: колійні ланцюги, ланцюги управління стрілочними переводами, сигнальні і сигнальні релейні схеми, реле управління вибором частоти сигналів для систем автоматичного регулювання швидкості руху поїздів (АДС).

Для проектованої системи ЕС використовується структурна схема, наведена на рисунку 1. Як видно з малюнка, ГДК-М складається з декількох підсистем, до складу яких входять різні комплекси технічних засобів, що утворюють три рівні управління і контролю:

• верхній рівень – підсистема діалогу між ГДК-М і черговим по станції з’єднання станцій (ДСЦП) і електриком (СН);
• Середній рівень – це підсистема логіки централізації;
• нижній рівень являє собою підсистему управління виконавчими механізмами і контролю стану блокувальних пристроїв і АДС.

Підсистема діалогу MPC-M з DSCP і SN включає автоматизоване робоче місце (АРМ) з ПКП DSCP, яке записує і обробляє керуючі команди з перевіркою на допустимість їх виконання. До складу цієї підсистеми також входить автоматизоване робоче місце з ШН ПК, який виконує функцію запису, обробки та відображення інформації про стан блокувальних пристроїв, АРС і ГДК-М. У випадках, коли команда не може бути реалізована, також зберігається інформація про причини, які завадили виконанню команди. У цій підсистемі фіксується і відображається зміна стану підлогового обладнання і технічних засобів ГДК-М і час, коли відбувається зміна. Вся інформація, яка надходить в підсистему, зберігається тривалий час.

Підсистема взаємопов’язаної логіки управляє стрілками і сигналами, а також перевіряє логічні взаємозалежності між ними. Інформація про стан блокувальних пристроїв вводиться в підсистему з датчиків. Після обробки ця інформація разом з інформацією про роботу технічних засобів підсистеми блокувальної логіки передається в діалогову підсистему ЦБК-М з РКП і СН. Підсистема управління виконавчими механізмами включає: схему комутації, схеми управління підлоговими пристроями, самі виконавчі механізми, датчики стану блокувальних пристроїв і АДС. Схеми управління підлоговим обладнанням забезпечують безпосередній вплив на виконавчі механізми з дотриманням основних вимог щодо дотримання умов безпеки.

Розроблювана система блокування може працювати в двох режимах:

• а) режим управління ГДК-М – в цьому режимі, незалежно від способу управління (диспетчерське або місцеве управління), реле ЕК відключається, а технічні засоби верхнього і середнього рівнів ГДК-М забезпечують виконання всіх функцій управління (установка і відключення маршрутів, включення / вимикання пристроїв в залежність) з обов’язковою перевіркою їх виконання, а також контролюють: дії оперативного персоналу; датчики стану блокувальних пристроїв і АДС (покажчик,  струм і час перемикання вимикачів, сигналів, рейкових ланцюгів, пристроїв АДС, запобіжників, сигналів заземлення, напруги джерел живлення тощо);
• б) режим управління реле ЕС – в цьому режимі, незалежно від способу управління (диспетчерське або місцеве управління), всі функції управління і контролю виконуються технічними засобами реле ЕС. У цьому режимі ГДК-М контролює тільки датчики стану підлогового обладнання та елементів системи.

Система розроблена з урахуванням того, що MPC-M може взаємодіяти з іншими системами, які використовують цифрові інтерфейси даних для моніторингу та управління, які підтримують різні стандартні протоколи обміну даними. Також система ГДК-М може бути інтегрована в автоматизовані та інформаційні системи управління верхнього рівня, підтримуючи при цьому прийнятий в рамках системи протокол обміну даними. MPC-M використовує протокол «Modbus» на основі TCP/IP та RS485 як транспортний протокол. Цей протокол фізичного рівня має стандартизоване апаратне забезпечення, що підтримується апаратними операційними системами з програмною логікою робочих станцій верхнього рівня MPC-M.

Структура верхнього і середнього рівнів ГДК-М

З метою  забезпечення високої відмовостійкості при проектуванні структурної схеми ГДК-М були використані наступні технічні рішення:

• резервування апаратних засобів з програмною логікою, що забезпечує: виконання функцій ЕС, передачу даних між мікропроцесорними пристроями та джерелом живлення;
• Резервне обладнання, що працює в гарячому, розвантаженому режимі і автоматично підключається в разі виходу з ладу основного технічного обладнання;
• в процесі експлуатації резервного технічного обладнання основні повинні відновлюватися і автоматично підключатися після їх монтажу технічним персоналом;
• використання високонадійного обладнання, яке може встановлюватися без зниження напруги;
• використання стандартних протоколів передачі даних;
• Обмін інформацією між усіма мікропроцесорними пристроями здійснюється по високошвидкісних каналах передачі даних;

 Безпеку системи забезпечують:

• використання двоканальної схеми апаратного забезпечення з програмною логікою середнього рівня MPC-M;
• застосування реле першого класу надійності в релейних ланцюгах для комутації виконавчих механізмів;
• застосування двополюсної комутації реле першого класу надійності мікропроцесорними пристроями, виробленими незалежними апаратними каналами (реле в даному випадку є вирішальним пристроєм, що порівнює результати роботи двох каналів і працює за логічною схемою «І»);
• безперервний перехресний контроль справності входів і виходів модулів введення-виведення інформації;
• перевірка умов безпеки на програмному рівні відповідно до існуючих типових альбомів і вимог до систем управління дорожнім рухом в метрополітені;
• виключення на програмному рівні помилкових дій ДКП при введенні команд в ГДК-М;
• шляхом організації захищеного інтерфейсу взаємодії ГДК-М з оператором при введенні в систему відповідальних команд управління.

Структурна схема, наведена на рисунку 2, складається з: двох комп’ютерів промислового типу (основного та резервного промислових комп’ютерів), які виконують функції робочої станції DSCP; одного промислового комп’ютера – АРМ SHN; двох мереж обміну даними між робочими станціями та ПЛК типу «Ethernet» та «ModbusPlus»; двох обчислювальних каналів «А» та «В», у тому числі: два логічно програмованих контролера (основний та резервний ПЛК), п-Кількість модулів віддаленого вводу/виводу; дві мережі обміну даними (основна та резервна) між ПЛК та модулями віддаленого вводу/виводу типу «RIO», а також канал передачі даних між основним та резервним ПЛК одного каналу типу «Hot Stanby».

Обмін інформацією в МОК-М

Інформація про команду управління після попередньої обробки в промисловому комп’ютері робочої станції DSCP передається одночасно на основний і резервний ПЛК кожного обчислювального каналу по незалежних групових каналах передачі даних мереж: «Ethernet» і «ModbusPlus». Пріоритет при видачі команд управління віддається головному промисловому комп’ютеру робочої станції DSCP. У разі його виходу з ладу команди видаються резервним промисловим комп’ютером робочої станції DSCP. ПЛК налаштовані на отримання інформації через мережу Ethernet. Якщо інформація відсутня або надходить з помилками з цієї мережі, то ПЛК оперують інформацією, отриманою через «ModbusPlus» network.By засобами мереж: «Ethernet» і «ModbusPlus» – інформація про команди управління також надходить на Промисловий комп’ютер АРМ СН для запису дій оперативників і роботи каналів передачі даних мереж: «Ethernet» і «ModbusPlus».

Після обробки команд керування в основному та резервному ПЛК кожного з обчислювальних каналів здійснюється керування виконавчими пристроями за допомогою модулів віддаленого вводу/виводу. Інформація для цих модулів надходить з основного ПЛК за умови, що він справний. В іншому випадку модулі віддаленого вводу/виводу працюють з інформацією, отриманою від резервного ПЛК. Інформація передається одночасно на віддалені модулі вводу/виводу для кожного обчислювального каналу по двом окремим незалежним груповим каналам передачі даних мережі RIO. Пріоритетний канал є основним. Якщо він вийде з ладу або модуль віддаленого вводу/виводу прийме помилкову інформацію, буде активовано резервний канал.

Модулі дистанційного вводу/виводу передають керуючі ефекти на релейні ланцюги управління підлогового обладнання по окремих каналах зв’язку. Інформація з датчиків стану блокувальних пристроїв і АДС передається по окремих каналах передачі даних на віддалені модулі введення-виведення. Далі ця інформація передається одночасно по основному і резервному групових каналах мережі передачі даних «RIO» на основний і резервний ПЛК обчислювальних каналів «А» і «В». Після обробки (порівняння даних, що надходять по різних каналах), інформація з датчиків від основних ПЛК по групових каналах передачі даних мереж: «Ethernet» і «ModbusPlus» надходить на основний і резервний промислові комп’ютери робочої станції DSCP і промислові комп’ютери АРМ SN. У випадках, коли основний ПЛК обчислювального каналу несправний, то резервний ПЛК передає інформацію від датчиків. Крім розглянутих напрямків передачі інформації, можливий обмін даними між ПЛК обчислювальних каналів за допомогою мереж: «Ethernet» і «ModbusPlus». Наявність такого каналу обміну даними вирішить два завдання:

1. Зменшити кількість окремих каналів для введення інформації з датчиків стану блокувальних пристроїв. Таким чином, інформація про один стан датчиків заноситься в канал «А», а про інший – в канал «В». Для того, щоб кожен обчислювальний канал мав інформацію про всі стани датчиків, відбувається обмін даними між ПЛК обчислювальних каналів «А» і «В».
2. Організувати обмін результатами випробувань між ПЛК обчислювальних каналів «А» і «В» для забезпечення безперервного перехресного контролю справності входів і виходів модулів віддаленого введення-виведення.

Між основним і резервним ПЛК кожного обчислювального каналу існує «гарячий» зв’язок, який використовує канал передачі даних «Hot Stanby». За допомогою цього зв’язку відбувається обмін інформацією про справність обладнання ПЛК. На підставі цієї інформації приймається рішення: основний або резервний ПЛК буде брати участь в передачі команд управління на віддалені модулі введення-виведення і інформації про стан блокувальних пристроїв.

Принципи роботи системи

У режимі управління ГДК-М установка і скасування маршруту, штучне відкриття трас, допоміжна і індивідуальна передача стрілок ініціюються ДСЦКП. Відкриття і перекриття сигналів і вибір частот сигналів АДС ініціюються ПЛК обчислювальних каналів автоматично без участі РСКТ. Керуюча команда, введена в промисловий комп’ютер робочої станції DSCP, перевіряється на правильність дій DSCP. Якщо команду вдається реалізувати, то вона передається на ПЛК обчислювальних каналів і на промисловий комп’ютер AWS SN, де фіксується час отримання інструкції і її тип. В іншому випадку введена команда передається тільки на Промисловий комп’ютер АРМ СН, де фіксується час надходження команди, її тип і причина, по якій вона не була виконана. При дотриманні необхідних логічних умов формуються керуючі сигнали для релейних пристроїв. В іншому випадку на промисловий комп’ютер автоматизованого робочого місця DSCP і на промисловий комп’ютер автоматизованого робочого місця передається інформація про причину, по якій команда не була виконана ПЛК. Виходи ПЛК підключаються безпосередньо до реле без додаткових відгалужень (рисунок 3). Управління релейними пристроями здійснюється шляхом накладення або зняття силових опор з обмоток реле. Контактні групи цих реле утворюють ланцюги управління вимикачами, сигналами і пристроями АПС.

Мікропроцесорне блокування як в режимі управління ГДК-М, так і в режимі релейного управління ЕС контролює стан блокувальних пристроїв, в тому числі пристроїв живлення, і працездатність технічних засобів обробки і передачі даних. Інформацію про стан блокувальних пристроїв отримують за допомогою датчиків дискретної (контакти реле) або аналогової інформації (вимірювальні прилади), які опитуються безперервно через заданий проміжок часу. Для отримання інформації про працездатність технічних засобів виконується:

• безперервна внутрішня самодіагностика апаратної частини обчислювального каналу;
• порівняння всієї інформації, отриманої з різних каналів передачі даних на верхньому і середньому рівні ГДК-М;
• Перевірка на програмному рівні в ПЛК наявності модулів дистанційного імпульсного вводу/виводу із заданими часовими параметрами на входах і виходах.

Інформація про стан підлогових пристроїв і про наявність відмов технічних засобів ГДК-М передається на промисловий комп’ютер робочої станції ДСЦП. Вся отримана інформація відтворюється на схематичному плані станції. На плані певним кольором (відповідно до інструкції) відображається поточний стан засобів управління та контролю, а також справний стан технічних засобів ГДК-М у вигляді додаткових показників. Детальна інформація про стан блокувальних пристроїв і технічних засобів фіксується в Промисловому комп’ютері АРМ СН із зазначенням часу зміни їх стану.

Інформація про працездатність технічних засобів використовується промисловими комп’ютерами і ПЛК обчислювальних каналів для прийняття рішень про використання основних або резервних елементів системи ГДК-М, а також про видачу або зняття керуючих впливів на релейні пристрої схем управління підлоговим обладнанням.

Побудова схем виведення і введення інформації

Схемотехнічні рішення діляться на два типи: контрольні і керуючі. Схеми керування включають реле, схеми керування та входи/виходи ПЛК. Керуючі сигнали з висновків модуля віддаленого вводу/виводу одного обчислювального каналу подаються безпосередньо на один висновок обмотки реле, а з іншого – на другий. Залежно від функцій, які виконують реле, схеми проектуються з використанням двох принципів побудови логічних схем: «І» і «АБО».

Принцип «І». Для включення реле на його обмотки подається живлення від виходів ПЛК різних каналів. Позитивний полюс з’єднує канал «А», а негативний – канал «В». Таким чином, в разі двополюсної комутації збудження виконавчого реле можливо тільки при подачі команди одночасно двома каналами. Крім того, технічні засоби ПЛК обчислювальних каналів здійснюють перехресне управління виходом керуючого впливу. Наявність сигналу на виході каналу «А» контролюється через вхід каналу «В» і навпаки. Двополюсне підключення виконавчого реле до каналів ПЛК показано на малюнку 3.

Принцип «АБО». Для включення реле позитивний полюс подається на його обмотки з виходів ПЛК каналів «А» і «В», негативний полюс подається на обмотки реле безперервно. Таким чином, збудження виконавчого реле можливо при подачі команди будь-яким з каналів. Однополюсне підключення виконавчого реле до каналів ПЛК показано на малюнку 4.

Схеми моніторингу дозволяють збирати інформацію з датчиків. Цей процес відбувається за участю контактних груп необхідних реле і кнопок, які є інформаційними датчиками, наступним чином. До входів ПЛК підключається контактна група реле, яка не задіяна в жодних ланцюгах. Позитивний полюс живлення безперервно подається на загальний контакт реле. Замикання переднього контакту контролюється обчислювальним каналом «А», а заднього – каналом «В».

Схеми, наведені на малюнках 3-5, розроблені з урахуванням того, що будуть використовуватися реле першого класу надійності типу НМШ і контролери серії «Квант» виробництва «Schneider Electric». Модулі вводу/виводу контролерів цієї серії гальванічно розв’язані за входами та виходами.

Рис.5. Схема контактної групи реле

Планується отримувати інформацію від систем автоматизації з використанням мікропроцесорної елементної бази за допомогою цифрових інтерфейсів передачі даних з різними стандартними протоколами обміну даними.

Схеми управління і комутації підлогового обладнання

Схеми рейкових ланцюгів, управління стрілочними електроприводами, станційними світлофорами та сигналами АРС проектуються відповідно до існуючих типових схемних рішень для метрополітенів та діючої інструктивної документації.

При реконструкції діючих схем управління та контролю або їх модернізації система МПЦ-М у частині підключення схем підлогового обладнання може бути адаптована до будь-яких схемних рішень.

На час дослідної експлуатації для виключення можливості одночасного керування засобами МПЦ-М та релейної ЕЦ, ланцюги керування розділені контактами реле РУ схеми комутації. У режимі керування МПЦ-М схеми керування підлоговим обладнанням підключаються до виходів модулів віддаленого вводу/виводу через фронтові контакти реле РУ. У режимі керування релейної ЕЦ схеми керування підлоговим обладнанням через тилові контакти реле РУ підключаються до виконавчих елементів централізації. малюнку 7.

Література

1. Методи побудови безпечних мікропроцесорних систем залізничної автоматики / В.В.Сапожніков, В.В.Сапожніков, Х.А.Христов, Д.В.Гавзов / Під редакцією В.В.Сапожнікова. Москва, Транспортне Видавництво, 1995.
2. Лаврик В.В. Електрична централізація стрілочних переводів і сигналів метрополітену. Москва, Транспортне Видавництво, 1984.
3. Системи автоматизації та телемеханіки станцій. Під редакцією В.В.Сапожникова. Москва, Транспортне Видавництво, 1997.
4. Моісеєнко В.І. Мікропроектдорні системи автоматичної автоматики. Ч.1. / Під червоним. Г.І.Загарія.- Харків: ВФВ Транспорт України, 1999.
5. Інтеграція систем централізації в центри управління рухом поїздів // Залізниці світу. – 1999. – No12.
6. Системи сигналізації на залізницях румунії // залізниці світу. – 2000. – No02.
7. ESTW L90 5 Система мікропроцесорного блокування для спрощених умов експлуатації // Залізниці світу. – 2000. – No06.
8. Розвиток систем сигналізації як основа підвищення ефективності роботи залізниць // Залізниці світу. – 2000. – No07.

назад