Мікропроцесорні системи

Мікропроцесорні системи

Вступ

У господарстві сигналізації, централізації і блокування наголошується знос технічних засобів, повільне впровадження сучасних технічних засобів.

Існуюча структура і стан технічних засобів є стримуючим чинником при вирішенні завдань по структурній реорганізації залізничного транспорту і зниження експлуатаційних витрат.

Тому в останні роки назріла необхідність впроваджень мікропроцесорних і релейно-процесорних ЕЦ, найбільш повно відповідаючи задачам створення інтегрованої системи управління, вони увібрали в себе функції лінійного пункту диспетчерської централізації, автоблокування на прилягаючих перегонах, переїзної сигналізації. Данні системи мають самодіагностику, легко стикуються с любими апаратно-програмними комплексами для створення єдиної автоматизованої системи управління. Дозволяють розміщати апаратуру в існуючих приміщеннях, економити кабель при децентралізованому розміщенні обладнання шляхом використовування волоконно-оптичного кабелю, одночасно вирішуючи питання по завадостійкості від джерел перенапруги. Вирішують питання безконтактного управління стрілками і сигналами. Мінімальна кількість релейної апаратури дозволяє говорити про реальне скорочення як штату, так і експлуатаційних витрат, але досягатися це повинно в сукупності з впровадженням нової технології технічної експлуатації: створенням фірмових і сервісних центрів, організації видаленого моніторингу і адміністрування технічних засобів залізничної автоматики та телемеханіки.

1. Аналіз розвитку систем МПЦ в Україні та закордоном

.1 Характеристика структур систем МПЦ

Основним недоліком розробок електронних централізацій 60-х років ХХ століття було використання для побудови систем релейної елементної бази. Нова елементна база з'явилася в середині 70-х років, коли почалося серійне виробництво мікропроцесорів [13]. Мікропроцесор, який є по суті ЕОМ на одній інтегральній схемі і володіє широкими можливостями по обробці інформації став для інженерів доступним і дешевим універсальним засобом для побудови найрізноманітніших систем автоматики. З цієї причини зусилля розробників в нашій країні і за кордоном були направлені на створення мікропроцесорних централізацій. Розглянемо основні проблеми, які виникають при цьому і методи їх рішення. Ці проблеми визначаються особливостями технологічного процесу управління рухом поїздів на станціях. Його можна визначити як відповідальний асинхронний паралельний процес. Пересування поїзних одиниць на станції здійснюється паралельно і незалежно в часі (пересування не синхронізуються). Тому в МПЦ повинна здійснюватися одночасна обробка інформації про декілька маршрутів з врахуванням безпеки управління. Можна визначити дві основні крупні проблеми, які треба вирішувати: паралельні обчислення і безпека. Реалізація паралельних процесів в обчислювальних системах, що управляють, забезпечується послідовною, функціональною, конвеєрною, матричною і мультипроцесорною обробкою інформації. При послідовній обробці система має один процесор, в якому паралельні процеси обробляються фактично послідовно в часу (по черзі). Це можливо, якщо швидкість обчислень істотно вище швидкості зміни даних найтехнологічнішого процесу (наприклад, процесу руху поїзда). Тоді створюється ілюзія паралельності обчислень. При функціональній обробці система має декілька незалежних пристроїв, які одночасно виконують різні функції. Конвеєрна обробка передбачає розбиття обчислювального процесу на декілька етапів, які реалізуються паралельно-послідовно в різних процесорах (за принципом конвеєра). При матричній обробці обчислення забезпечує матриця процесорних елементів із загальною системою управління. Мультипроцесорна обробка здійснюється безліччю процесорів, що мають загальні шини і загальну пам'ять для обміну інформацією між собою.

Розглянемо основні структурні схеми мікропроцесорних систем, які доцільно використовувати при побудові МПЦ. Однопроцесорну систему (рис. 1.1, а) використовують при послідовній обробці інформації. При цьому централізацію зазвичай називають комп'ютерною. Її застосовують для крупних станцій з потужною ЕОМ або для малих станцій, коли досить однієї мікроЕОМ. У першому випадку ЕОМ окрім завдань електричної централізації, може вирішувати і інші завдання (обробляти інформацію, що поступає від систем зчитування номерів вагонів, зберігати нормативно-довідкову інформацію та ін.).

Система з радіальною структурою (рис. 1.1, б) реалізує принцип функціональної обробки. Кожна мікроЕОМ служить для управління яким-небудь районом станції. Зв'язок між районами ЕОМ здійснюється через центральний управляючий процесор УП.

У системі з магістральною структурою (рис. 1.1, в) застосовується обробка інформації процесором. Елементи системи під'єднуються до загальної магістралі. Управляючий процесор регламентує роботу всіх елементів.

У системі з мережевою структурою (рис. 1.1, г) районні мікроЕОМ обмінюються інформацією з сусідніми мікроЕОМ за принципом конвеєра. Мережа мікроЕОМ відображає план станції, реалізуючи географічний принцип.

Рисунок 1.1 - Структурні схеми МПЦ

Розглянуті структури мають свої переваги й недоліки. Їх слід оцінювати, перш за все, по складності програмного забезпечення (ПЗ), надійності й швидкодії. Найбільш простим ПЗ володіють однопроцесорна і мережева системи. У першому випадку немає необхідності вирішувати проблему взаємодії між різними мікропроцесорами. У другому випадку ці взаємодії дуже прості - передача інформації в сусідні мікроЕОМ. Найкращими властивостями по надійності володіє мережева структура. У ній відмова однієї районної ЕОМ не виключає установку і реалізацію маршрутів в інших районах станції. У радіальній і магістральній структурах робота системи порушується при відмовах управляючого процесора, або пошкодженні магістралі. Найбільшу швидкодію має мережева структура, оскільки в ній реалізується не лише конвеєрний, але і функціональний принцип обробки інформації. У різних районах станції маршрути обробляються одночасно різними мікроЕОМ. Найменшу швидкодію мають однопроцесорна (всі маршрути обробляються послідовно) і магістральна системи через обмежену пропускну спроможність магістралі.

Друга основна проблема МПЦ - це забезпечення безпеки. Концепція безпеки МПЦ, яка використовується в більшості випадків, полягає в наступному: одиночні дефекти апаратних і програмних засобів не повинні призводити до небезпечних відмов пристроїв і повинні виявлятися при робочих або тестових діях, але не пізніше, ніж в системі виникає другий дефект. Безпека досягається завдяки резервуванню апаратних і програмних засобів, організації усередині процесорного і міжпроцесорного контролю і безпечній поведінці при відмовах. Резервування апаратних засобів полягає у впровадженні багатоканальних систем з жорсткою або м'якою синхронізацією каналів. Порівняння результатів обробки інформації в каналах здійснюється за допомогою безпечних схем порівняння. У багатопрограмних системах виконується резервування програмного забезпечення. Найкращі результати по безпеці в цьому випадку дають принципи N-версіонного програмування, використання на рівні алгоритмів і програм. Задачу виявлення відмов вирішують внутрішньо- і міжпроцесорний контроль. Виявляти відмови потрібно з максимально можливою глибиною і щонайшвидше. Найефективніше внутрішньопроцесорний контроль здійснюється тестуванням системи у відведені для цього проміжки часу або з використанням принципів самоконтролю.

Міжпроцесорний контроль полягає у взаємній перевірці роботи процесорів на рівні системних шин, пам'яті і виходів (контроль з сильними зв'язками). При контролі з помірними зв'язками здійснюється перевірка виходів. Застосовується також варіант, коли один процесор реалізує обчислення, а іншій їх перевіряє (контроль зі слабкими зв'язками).

1.2 Порівняльний аналіз систем МПЦ

Централізація EIS Siemens

Мікропроцесорна централізація EIS виконана на спеціалізованих ЕОМ сімейства SIMIS [15]. Як правило, вони включаються в роботу по схемі «2 з 2» або «2 з 3», третій канал притягується при розузгодженні. Технічні засоби каналів ідентичні і працюють незалежно один від одного. Обчислювальний процес в каналах відбувається синхронно, програмне забезпечення однакове. Дані обробляються паралельно. Для забезпечення безпеки пристрій порівняння вихідних даних захищений від небезпечних відмов, його виходи сполучені з периферійним обладнанням. На рис. 1.2 зображена структурна схема контролера SIMIS-C, який поєднує два мікрокомп'ютера, що працюють незалежно один від одного, ідентично побудовані і запрограмовані, функціонують синхронно по такту, або командам. Після кожного робочого циклу та формування команди виведення, стан обох комп'ютерів перевіряється на відповідність. Реалізуються тільки ідентичні вихідні команди. За допомогою циклічних контрольних програм перевіряється правильність виконання операцій. Інформація, що відноситься до функцій не пов'язаних з безпекою, обробляється, як правило, типовими ЕОМ, які задіяні в АРМах оперативно - управлінського персоналу станції. Характерно, що кожна велика функція системи виділяється апаратно. Стосовно до великої станції існують системи: встановлення маршрутів, відображення інформації, управління напольним обладнанням, система індикації номерів поїздів і ряд інших. Районні керуючі ЕОМ можуть працювати з самими різноманітними типами напольного обладнання: рейковими колами, точковими датчиками, з пристроями лічби осей AZS350, стрілками з електричним приводом і обладнаних ключовою залежністю, передбачаються сигнали огородження поїздів [14, 15].

Рисунок 1.2 - Структурна схема контролера SIMIS-C

Типовий проект централізації включає п'ять підсистем:

–       підсистему управління і індикації;

підсистему введення, контролю і інтерпретації;

інтерфейсний комп'ютер;

комп'ютер - табло;

виконавчі районні комп'ютери.

Перша підсистема фіксує дії ДСП, обробляє їх і готує інформацію для табло і монітора. Друга підсистема обробляє інформацію першої і зберігає всі необхідні дані про станцію. Інтерфейсний комп'ютер видає інформацію комп'ютеру табло і організує обмін даними з іншими постами. Комп'ютер табло управляє індикацією з контролем цілісності ниток ламп в холодному і гарячому стані. Ці ланцюги виконані на пристроях з безпечною відмовою. Siemens вважає включення індикації на табло відповідальною командою. Районні контролери виконують функції ЕЦ, забезпечують управління стрілками і сигналами через схеми сполучення. Передбачене підключення широкого спектра колійних датчиків безперервного типу та точкових. Обмін між районними контролерами здійснюється через двоканальну систему ліній зв'язку. У разі пошкодження автоматично здійснюється перехід на одноканальний варіант. Зв'язок між районними контролерами і центральним постом здійснюється через оптоволоконний кабель, це виключає вплив перешкод для кабельної мережі.

Централізації Alcatel SEL і Alcatel AustriaSEL і Alcatel Austria випускають централізації які відповідають вимогам німецького ринку, однак підходи до їх розробки і технічна реалізація різні. Система EIL Alcatel SEL відрізняється від традиційного підходу використанням стандартних комп'ютерів для перевірки логічних умов безпеки. Сукупність апаратних засобів і спеціального програмного забезпечення до них називається «контуром безпеки» [12, 14, 15].

Переваги такого підходу:

- використання програмних продуктів з більш широкими функціоналом;

–       підвищення ефективності внаслідок того, що сучасні ЕОМ мають показники, що безперервно поліпшуються по ціні і продуктивності;

система стає більш гнучкою, усувається залежність від апаратних засобів, що застосовуються.

Комплекс пристроїв для забезпечення безпеки, або блок безпеки, називається SELMIS. Безпека забезпечується багаторазовими перевірками логічних умов в паралельно працюючих обчислювальних каналах. Помилки виявляються програмними засобами за рахунок порівняння в каналах вхідних, вихідних, проміжних і контрольних даних обробки інформації. Безпека і експлуатаційна готовність забезпечується схемою апаратних засобів «2 з 3».

Система централізації типу ESTW L90. При її розробці використовувалися стандартні компоненти, що дозволило забезпечити високу продуктивність і добрі експлуатаційні показники [12]. Система містить чотири основних рівні: інтерфейс користувачів, рівень сповіщень і введення інформації, рівень забезпечення безпеки, виконавчий рівень. Інтерфейс користувачів, містить оглядові і детальні монітори «Лупа». Для введення використовуються графічні планшети, є діалоговий монітор і робоче місце інженера СЦБ.

Модуль сповіщень і введення інформації MEM перевіряє правильність формування команд ДСП. Він же обробляє вихідні сигнали від модуля забезпечення безпеки SM і передає їх в інтерфейс користувачів. Модуль формування зображення колійного розвитку ВМ забезпечує безпеку за рахунок двох незалежних систем.

Кожний модуль SM прив'язаний до певного району станції, він виконує:

перевірку всієї залежності СЦБ;

зберігає в пам'яті таблицю маршрутів;

видає команди на вимкнення напольних пристроїв.

Всі модулі, захищені від небезпечних відмов. Вони будуються на блоках SELMIS по триканальній структурі з порівнянням результатів на програмному рівні і мажоритарним вибором «2 з 3». Порівнюються вхідні, проміжні і вихідні дані. Програми виконані на мові «Паскаль». Обчислювальні канали забезпечуються даними через гальванічні розв'язки. У разі неспівпадання відбувається відключення каналу, що відмовив, від периферійних пристроїв. Модулі управління ЕАМ мають паралельний інтерфейс з об'єктами, забезпечуючи дальність управління до 6,5 км. Пристрої узгодження побудовані за двоканальним принципом з резервуванням і динамічним характером роботи. Допустимий час усунення несправностей в системі 12 годин, напрацювання на відмову за даним розробників сягає - 100 років. Для схем з безпечною відмовою застосоване структурне програмування. Такий підхід дозволяє легко нарощувати систему новими функціями, будь-яка технічна модернізація може бути зроблена без корінної переробки усього програмного забезпечення. Базове ПЗ не залежить від технічних засобів, що використовуються і не вимагає враховувати специфіку роботи залізничного транспорту. Для специфічних вимог, що пред'являються галуззю, застосовується спеціалізоване ПЗ, до того ж в питаннях забезпечення безпеки використовується структурне програмування. Все це дозволяє досить швидко і ефективно пристосуватися до різних вимог обумовлених умовами експлуатації. Має двоканальну структуру, за рахунок якої забезпечується необхідний рівень надійності і безпеки. Особливістю централізації є розділення функцій в каналах; один з них є логічним, інший призначений для забезпечення безпеки. Таким чином, надмірність, необхідна для забезпечення безпеки має місце не на апаратному, а на системному рівні. Кожний з каналів має відмінне від іншого програмне забезпечення. За рахунок цього вдається дещо поліпшити економічні показники. Розділення концепцій безпеки і забезпечення експлуатаційної готовності робить систему більш гнучкою. Надійність досягається резервуванням ЕОМ за принципом VOTRIC (Voting Triple Modular Redundant Computing System) [12].

Система централізації VPI

Виробляється американською фірмою General Railway Signal (GRS), яка спеціалізується на системах з одноканальним технічним забезпеченням. Маючи багато спільного в принципах побудови з WESTRACE, вона поширена не тільки в США, але і країнах західної Європи і Азії [12].

Система централізації VPI має три основних рівні: обробки команд, забезпечення безпеки і включення виконавчих пристроїв, рис. 1.3. Центральний процесор є основою системи, інші процесори виконують допоміжні функції. Для дільничних станцій із значним числом об'єктів управління і контролю, системи централізації обмінюються інформацією по лінії послідовної передачі даних. Виконання задач, не пов'язаних із забезпеченням безпеки, покладається на емулятор кодів, який забезпечує зв'язок з пультом управління ДСП або системою диспетчерської централізації. У централізації VPI індикація на табло не відноситься до відповідальних функцій. Передбачений також обмін інформацією між поїздом і постовим обладнанням централізації. Для цього встановлюються спеціальні модулі, які не мають захисту від небезпечних відмов. Можливо з їх допомогою машиніст здійснює встановлення маршруту проходження поїзда. Виведення управляючих команд та зчитування інформації про стан об'єктів відбувається за допомогою модулів безпечного введення-виведення:

- модуль зчитування сповіщень;

модуль управління світлофорними лампами;

модуль управління реле СЦБ (з одно - або двополюсним відключенням).

Рисунок 1.3 - Структурна схема централізації VPI

Первинна, або прикладна логіка PL забезпечує реалізацію основних функцій СЦБ. Логіка забезпечення безпеки SAL представляє контрольну програму. Вона перевіряє коректність виконання програм і стан модулів введення-виведення. Контрольні слова, циркулюючи в системі, періодично перевіряються. Команда на включення реле СЦБ видається тільки при збігу результатів тестування обох комплектів даних, розміщених в пам'яті диверситетним шляхом.

Обробка програм, реалізуючих логіку МПЦ, проводиться циклічно з періодом 1 с. За цей час всі включені безпечні виходи перевіряються через кожні 50 мс, тобто 20 разів у циклі виконання основної програми уривається, перевіряється відповідність стану виходу і даних в пам'яті. Внаслідок такої перевірки встановлюється: чи допустима в даний момент часу видача конкретного управляючого сигналу. Вимкнені входи не перевіряються ні в нормальному режимі, ні у випадку їх відключення при виявленні помилки. При всіх порушеннях нормального функціонування логіки системи, не пізніше ніж через 150 мс, реле розмикає ланцюг живлення в модулях введення-виведення. Сигнали управління реле оновлюються кожні 50 мс. На вимогу замовника система може резервуватися з повним дублюванням всіх функцій. Для перемикання на резервний комплект використовується послідовна лінія передачі даних. Кількість входів і виходів - 320. Входи і виходи можуть використовуватися продуктивно. По показниках продуктивності система VPI займає проміжне положення між системами WESRACE для малої і великої станції.

Система EBILOCK

Дуже поширена в європейських країнах завдяки функціональності і гнучкості конструкцій. Система централізації EBILOCK розроблена фахівцями шведської фірми АВВ Даймлер-Бенц Транспортейшн (ADtranz). На вимогу замовника постачається будь-якій з трьох варіантів централізації EBILOCK 750, 850 або 950. Варіант 750 передбачає використання релейних схем для управління напольним обладнанням, модифікація 850 має повністю безконтактну техніку, а 950 адаптована до різних схем управління напольним обладнанням: релейно-контактних і безконтактних [12].

Централізація має три рівні: перший рівень включає робочі місця чергового по станції і технічного персоналу, другий рівень забезпечує перевірку логічних умов безпеки, а третій - підключення датчиків і виконавчих пристроїв.

Встановлення маршрутів відбувається за допомогою клавіатури АРМ ДСП і контролюється на дисплеї. Ці команди обробляються в комп'ютері залежностей центральної обробляючої системи (ЦОС). Основний комп'ютер приймає, обробляє інформацію і видає команди для управління об'єктами. Резервний комп'ютер працює в гарячому резерві: він приймає і обробляє інформацію, але не формує команд. Обидва комп'ютери безперервно обмінюються інформацією і при виході з ладу основного, перемикання на резервний відбувається без затримки. Комп'ютери через шлейф зв'язку підключені до об'єктних контролерів, які розташовуються в модулях об'єктних контролерів (МОК). МОК встановлюються в горловині станції і через контролери підтримують інформаційний обмін з обома комп'ютерами і між собою. Кожна петля зв'язку об'єднує до 15 комп'ютерів. Обрив кабеля в одному місці не приводить до порушення зв'язку: кожний концентратор має по два напрями і вихід з ладу одного не приводить до втрати працездатності системи.

Забезпечення вимог fail-safe в МПЦ EBILOCK полягає в обробці даних і реалізації залежності двома незалежними програмами в одному комп'ютері. Умовою правильної роботи є отримання однакового результату. Обробка всіх результатів проводиться диверситивними програмами А і В. Кожна з програм створювалася окремою, ізольованою від іншої групою розробників. Процесор об'єктного контролера порівнює результати обробки програм А і В, у випадку їх збігу формує управляючу команду для об'єкта. Для розробки програми логіки і її вводу використовується мова STERNOL, спеціально розроблена фірмою. Вона максимально адаптована під стандартну логіку схем СЦБ. Після введення і відладки програма на цій мові компілюється і на виході утворюється два файли на стандартній мові програмування (програми А і В). Всі отримані файли обробляються програмою PSI-950, яка формує машинно - залежні коди для МПЦ.

Вітчизняні системи МПЦ

Мікропроцесорна система електричної централізації МПЦ-Д складається з 5-ти основних частин (рис. 1.4) [11, 16]:

) контролерів зв'язку з об'єктами і напольними контролерами;

) автоматизованого робочого місця чергового по станції (АРМ ДСП), призначеного для управління, контролю і відображення інформації;

) напольних об'єктних мікропроцесорних контролерів (стрілок, рейкових датчиків, світлофорів), а також виконавчих пристроїв;

) автоматизованого робочого місця електромеханіка (АРМ ШН);

) апаратура електроживлення.

Для нормального і погодженого функціонування всіх ЕОМ система доповнена пристроями автоматичного коректування реального часу МПЦ на базі GPS-приймача.

На посту ЕЦ розташовуються:

у релейному приміщенні - 1 шафа з трьома ЕОМ залежностями і 1 шафа мікропроцесорних контролерів зв'язку з об'єктами (один на кожних 50 стрілок), АРМ електромеханіка (1 комп'ютер) і 1 шафа електроживлення. Всі шафи виконані за єдиною технологією із захистом від пилу і вологи з можливістю візуального огляду розміщеної в них мікропроцесорної апаратури і індикації за рахунок прозорих дверей. Площа, необхідна для установки кожної шафи, - 600х800 мм, висота 2000 мм.

у приміщенні чергового по станції - АРМ ДСП, що включає 2 комп'ютери управління з відображенням інформації на TFT - моніторах.

–       об'єм кабельно-провідникової продукції і будівельно-монтажних робіт зменшений у декілька разів за рахунок використання променевої структури інформаційних і живлячих магістралей для об'єктів управління і контролю: стрілочних двигунів змінного струму; рейкових датчиків; світлофорів поїзних, маневрових і переїздів, а також інших виконавчих пристроїв. Все устаткування МПЦ, за винятком стрілочних електроприводів, поїзних, маневрових і переїздів світлофорів, автошлагбаумів і колійних ящиків вмонтовується на підприємстві-виготівнику з повною перевіркою всіх показників.

Рисунок 1.4 - Функціональна структура МПЦ

В даний час система МПЦ запроектована для 9 станцій гірничо-металургійного комплексу із загальною чисельністю 382 централізованих стрілки, у тому числі: пост «Південний» (37 стрілок ЕЦ), станцій «Конвертерна» (85 стрілок ЕЦ), «Доменна -3 ділянка» (60 стрілок ЕЦ), «Західна» (65 стрілок ЕЦ), «Мушкетово» (22 стрілки ЕЦ); «Копровий цех» (14 стрілок ЕЦ), «Північна» (45 стрілок ЕЦ), «Полугорка» (12 стрілок ЕЦ), «Сортувальна» (42 стрілки ЕЦ) і виконується проектування для інших станцій [16].

Вперше система МПЦ введена в експлуатацію на посту «Південний» ВАТ «Алчевський металургійний комбінат» в серпні 2008 р. На станціях, де необхідно забезпечити контроль цілісності рейкових ниток, а рейкові кола мають високу надійність і безпеку, система МПЦ отримує інформацію про вільність ділянок доріг від колійних реле по двох незалежних каналах через мікропроцесорні контролери введення дискретної інформації. При цьому з'являється необхідність використання електромагнітних реле і релейних стативів, але зменшуються об'єми обробки інформації в МПЦ і спрощується діагностика пристроїв. При необхідності здійснювати регулювання руху поїздів на перегонах, прилеглих до станції, до складу системи МПЦ включаються перегінні об'єкти управління і контролю: пристрої контролю вільності колійних ділянок (блок - ділянок) на базі рейкових кіл або системи рахунку осей рухомого складу; лампи прохідних світлофорів, пристрої кодування і передачі сигналів АЛС на локомотив, пристрої автоматичної сигналізації переїзду і зміни напряму руху по дорогах перегону. Управління перегінними світлофорами здійснюють комп'ютери централізації, блокування і перевірки логічних умов безпеки. Необхідність в автономній системі автоблокування відпадає, її пристрої входять в комплекс технічних засобів МПЦ і управляються централізовано з перевіркою необхідних умов безпеки, у тому числі замикання і розмикання колійних ділянок з перевіркою динаміки.

Основним недоліком системи МПЦ-Д є розміщення поблизу об'єктів управління мікропроцесорних контролерів стрілок, світлофорів і переїздів. Це в багато разів зменшує витрату кабелю, площі для розміщення устаткування на посту ЕЦ і, відповідно, вартість системи МПЦ, але ускладнює обслуговування пристроїв СЦБ і вимагає захисту підлогових пристроїв від можливих розкрадань і вандалізму. Система ЕЦ з централізованим розміщенням апаратури (МПЦ-Ц) виконує такі ж функції, як і система МПЦ-Д, але основні пристрої управління і контролю знаходяться на посту ЕЦ. Система МПЦ-Ц в порівнянні з системою МПЦ-Д вимагає значно більшої витрати кабельної продукції (такого ж, як і при існуючих релейних системах ЕЦ) площ для його розміщення, але не має вищезгаданих недоліків системи МПЦ-Д. До складу системи МПЦ-Ц, також як і системи МПЦ-Д, може входити не лише апаратура управління і контролю станційними об'єктами але і апаратура управління перегінними прохідними світлофорами автоблокування, пристроями кодування і передачі сигналів АЛС на локомотив, пристроями автоматичної сигналізації переїзду. До складу системи МПЦ-Ц, також як і системи МПЦ-Д, може входити не лише апаратура управління і контролю станційними об'єктами, але і апаратура управління перегінними прохідними світлофорами автоблокування, пристроями кодування і передачі сигналів АЛС на локомотив, пристроями автоматичної сигналізації переїзду.

Засобами мікропроцесорної техніки при повному виключенні релейного устаткування забезпечена реалізація всіх функціональних завдань СЦБ, необхідних для безпечного управління технологічним процесом на станції, в т.ч. установка, розмикання і відміна маршрутів, підтримка вирішуючих свідчень світлофорів з перевіркою всіх умов безпеки, оброблення кутових заїздів при маневрових пересуваннях, подача сповіщення на переїзди, індивідуальне переведення і автоповернення вістряків стрілок, штучне розмикання секцій, установка і зняття макетів стрілок та ізольованих ділянок, і т.д. Система має велику кількість додаткових функцій і можливостей, для чого в своєму складі має ряд вбудованих підсистем, які в більшості випадків функціонують окремо. У систему МПЦ вбудовані і функціонують під безпосереднім управлінням ЕОМ чергового по станції і ЕОМ залежностей:

Підсистема вільності і процентного заповнення колійних ділянок методом рахунку осей рухомого складу, а також контролю, проїзду і підрахунку осей рухомого складу в певних точках дороги. Заміна рейкових ланцюгів на пристрої рахунку осей дозволяє виключити самі ненадійні і небезпечні пристрої СЦБ, які вимагають великих експлуатаційних витрат як працівників служби СЦБ, так і служби дороги;

Підсистема управління сигналізацією переїзду з контролем фактичного закриття переїзду (за відсутності інформації або у відкритому стані переїзду відповідні поїздові або маневрові світлофори закриваються або не відкриваються). За рахунок ефективної оптимізації подачі сигналу на закриття і відкриття переїзду скорочуються простої автотранспорту і підвищується безпека на переїздах;

Підсистема автоматичного диспетчерського контролю за рухом поїздів, оперативними діями чергового із станції (диспетчера) і станом пристроїв залізничної автоматики, у тому числі на базі передачі інформації по радіоканалу. Дозволяє вести відповідні архіви (чорний ящик) і відображувати однонитковий план станції з перебуванням об'єктів управління і контролю і поїздової ситуації на станції у будь-який момент часу, з можливістю перегляду архіву за будь-який інтервал часу з об'ємною статистикою роботи станції і системи, дій оперативного і обслуговуючого персоналу керівниками підрозділів на будь-яких рівнях управління і контролю;

Підсистеми напівавтоматичного блокування, у тому числі на базі рахунку осей рухомого складу і передачі інформації по лініях зв'язку або по радіоканалу;

Підсистеми ув'язки з перегінним автоблокуванням;

Для нормального і погодженого функціонування всіх ЕОМ система доповнена пристроями автоматичного коректування реального часу МПЦ на базі GPS-приймача.

Система МПЦ забезпечує, окрім стандартних базових функцій:

–       працездатність при відмовах і збоях будь-якого каналу резервування ЕОМ залежностей системи;

- автоматичне визначення модулів системи, що відмовили, виведення повідомлень діагностики;

- рахунок осей рухомого складу в певних точках дороги і контроль заповнення колійних ділянок, у тому числі і в процентному співвідношенні;

штучне звільнення колійних ділянок при помилковій зайнятості, можливість ручної установки і коректування числа осей в контрольних точках (відповідальні команди, що виконуються в нештатному режимі);

контроль і діагностику пристроїв рахунку осей, визначення їх передвідмовних станів;

плавне включення і виключення стрілочних і переїздів електродвигунів, ламп світлофорів і інших пристроїв за рахунок програмованих режимів управління і зниження пускових струмів і перенапружень при комутації;

контроль тривалості переведення стрілок і автоматичне відключення двигунів стрілок при перевищенні максимального часу переведення;

можливість використання надійніших трифазних двигунів змінного струму з мінімальною витратою кабелю (0,8 - 1,2 жил на 1 стрілку за рахунок використання променевої структури управління);

–       неможливість вибору і установки маршрутів, які є ворожими;

подачу запитів на підтвердження оператором дій в допоміжному режимі;

можливість завдання оператором команд за допомогою маніпулятора «миша» з використанням розвиненої системи меню, що спускаються;

формування спеціальних оптичних і звукових сигналів для залучення уваги оператора;

обмеження доступу до управління в штатному і нештатному режимі без введення спеціальних паролів;

можливість відключення стрілок, світлофорів і секцій від управління;

можливість підключення стрілок, світлофорів і секцій до управління;

можливість діалогу з черговим по станції і обслуговуючим персоналом;

ведення архіву (чорного ящика) з переглядом динаміки зміни поїздового стану і роботи пристроїв залізничної автоматики, дій чергового із станції, у тому числі в режимі кінофільму;

сполучення і обмін даними з системами такого ж або верхнього рівня, наприклад, з системою диспетчерського контролю, диспетчерською централізацією, системами стеження за номерами поїздів, інформаційними пасажирськими системами сповіщення що працюють на дорозі;

розвинену діагностику працездатності пристроїв МПЦ;

вибір вигляду відображення мнемосхеми станції на екрані дисплея (загального або приватного вигляду з можливістю будь-якого масштабування);

обгороджування рухомого складу;

–       контроль заповнення гаражів-розморожувачів;

ув'язку з пристроями обгороджування рухомого складу і блокування з іншими об'єктами (наприклад, вагоноперекидачами і гаражами-розморожувачами на промисловому транспорті);

можливість управління стрілками, сигналами і переїздами з суміжних станцій, а також з локальних центрів управління;

–       управління пристроями пішохідної, в'їзної і виїзної сигналізації.

Функції забезпечення безпеки руху поїздів забезпечують рівень безпеки, не нижче, ніж в існуючих релейних систем електричної централізації.

Включають три групи функцій:

функції алгоритмічної безпеки;

забезпечення безпеки технічних засобів МПЦ;

–       функції безпеки взаємодії оператора і системи МПЦ.

За завданням Замовника система може бути спроектована:

з врахуванням використання як пристроїв контролю вільності ділянок доріг, як датчиків рахунку вісей рухомого складу, так і для рейкових ланцюгів;

для децентралізованого і централізованого розміщення апаратури управління (при централізованому управлінні істотно зростає об'єм кабельної продукції і вартість системи);

для стрілочних двигунів змінного і постійного струму;

для варіантів як стандартної системи автоматичної сигналізації переїзду з релейним управлінням, так і вбудованою в МПЦ з управлінням від комп'ютерів;

для лампових і світлодіодних світлофорів. При необхідності система комплектується додатковими пристроями контролю вільності прилеглих перегонів методом рахунку осей рухомого складу;

автоматичного коректування часу подачі сигналу для закриття переїзду залежно від швидкості поїзда, що наближається, до переїзду, яка визначається за допомогою спеціальних датчиків;

архівації телефонних і радіопереговорів (з ефіру);

передачі інформації по радіоканалу між суміжними станціями або на центральний пост диспетчерського управління рухом поїздів;

автоматичного сповіщення ремонтних бригад про наближення поїздів;

автоматичного сповіщення пасажирів про прибуття поїздів;

–       контролю зайнятості і заповнення колійних ділянок на базі генераторів і приймачів інфрачервоного випромінювання (по аналогії з датчиками РТДС).

Експлуатаційно - технічні вимоги до систем МПЦ

До мікропроцесорних систем централізації (МПЦ) пред’являють жорсткі вимоги щодо забезпечення надійності й безвідмовності. МПЦ повинна контролювати і відображувати [16]:

положення і режим роботи стрілок, включаючи передачу стрілок на місцеве управління;       

стан доріг, стрілочних секцій і колійних ділянок, включаючи ділянки наближення і віддалення;

стан сигналів;

завдання і відміну маршрутів, включаючи штучне замикання і розмикання;     

взаємодію з іншими пристроями автоматики на станції і перегонах;

діагностичну і довідкову інформацію.

Управління стрілками, сигналами і завдання маршрутів МПЦ повинна забезпечувати в одному з трьох режимів: маршрутному, роздільного управління та відповідальних команд. При неможливості реалізації команд роздільного або маршрутного режиму безпосередньо у момент завдання повинна відбуватися відміна команди. Накопичення команд не допускається. На пристрої відображення повинен виводитися колійний план станції в однонитковому зображенні з вказівкою номерів стрілок, світлофорів, колійних ділянок і інших об'єктів, сприйняття графічної і текстової інформації на моніторах має бути однозначно зрозумілим і не викликати розбіжностей в зчитуванні. МПЦ повинна задовольняти вимогам Інструкції по забезпеченню безпеки при виконанні робіт по технічному обслуговуванню пристроїв СЦБ ЦШ-530, що пред'являється до ЕЦ. МПЦ повинна формувати і виводити в САУТ для передачі на локомотив інформацію про встановлений маршрут руху поїзда по станції. Мікропроцесорна апаратура повинна забезпечувати діагностику справної роботи пристроїв МПЦ. МПЦ повинна містити:

устаткування робочого місця ДСП (АРМ ДСП), включаючи пульт резервного управління;

обчислювальний управяючий комплекс (УВК);

виконавчі релейні або безконтактні пристрої;

наземні пристрої; пристрої енергопостачання.

АРМ ДСП повинен містити основну і резервну ЕОМ індустріального виконання з кольоровими моніторами, пульт резервного управління, кнопки відповідальних команд і пристрій реєстрації. Апаратура УВК повинна забезпечувати збір даних про стан об'єктів управління і окремих виконавчих схем шляхом циклічного опиту датчиків (через контролери). Введення даних від релейних пристроїв повинне здійснюватися з використанням фронтового і тилового контактів реле через пристрої гальванічної розв'язки. Якщо після закінчення часу, достатнього для реалізації команди, зберігається колишній стан об'єкта, то в УВК повинне відбуватися відміна команди з видачею на АРМ ДСП відповідного повідомлення. Релейні виконавчі схеми повинні містити схеми управління стрілками і сигналами, контролю їх стану, контролю стану колійних ділянок та інші. Для управління стрілками переважно повинні застосовуватися схеми з електродвигунами змінного струму, для контролю ділянок - тональні рейкові кола. Система МПЦ, що є пристроєм, що забезпечує безпеку руху поїздів, повинна відноситися до першої категорії енергоспоживачів. Програмне забезпечення має бути об'єктно-орієнтованим, містити необхідний набір програмних модулів, допускати оперативну зміну відповідно до складу і взаємодіями елементів колійного розвитку станції і мати захист від несанкціонованих змін на апаратному і програмному рівні. Напрацювання на відмову постової апаратури повинне складати не менше 10000 годин. Інтенсивність небезпечних відмов МПЦ повинна складати не більш 10^-11 1/год на стрілку.

Донедавна на залізницях України застосовувалися тільки системи централізації стрілок і сигналів, що використають у якості основної елементної бази електромагнітні реле. Тому як технічний засіб автоматизації технологічних процесів керування рухом поїздів на станціях доцільно використати мікропроцесорну централізацію (МПЦ), яка успішно експлуатується на закордонних та вітчизняних залізницях.

Виникає необхідність у розробці вітчизняних систем МПЦ при використанні закордоного досвіду і сучасної елементнoї бази. Це дозвоволить істотно зменшити вартість системи МПЦ і поліпшити її сервісне обслуговування.

2. Розробка технічного завдання та структури системи

.1 Розробка технічного завдання

Загальна характеристика станції

Станція Промплощадка знаходиться в межах Докучаєвського флюсодоломітного комбінату (крупнішого в Європі) заснованого в 1912 році. Система залізниць Докучаєвського флюсодоломітного комбінату електрифікована, їздять електровози з думпкарами (вагони для перевезення руди з бічним розвантаженням), рух інтенсивний. Залізничний транспорт підходить до кар'єрів комбінату: «Центральний», «Східний», «Доломітовий», «Стильський» та ін. Пасажирського сполучення за системою залізниць немає. Вантажні склади формуються на ст. Докучаєвськ (центральна станція Докучаєвського флюсодоломітного комбінату) і частково на Виноградній (сел. Ясне на північ від міста, сюди приходять вагони із Стили). Абсолютно всі состави підходять до Єленовки, там вони переформуються і досягають Донецька, Маріуполя, Дніпропетровська і так далі, навіть до Росії. Сама ближча залізнична станція загального користування - Єленовка.

Пристроями ЕЦ була обладнана у 1979 році, також побудована декілька колій та розширена у вдовж. Станція за характером роботи є вантажна і віднесена до другого класу. Однонитковий план станції наведено в додатку А. Прилеглі перегони (станція Промплощадка - станція Прикарьєрна, станція Промплощадка - Розвантажувальна) двоколійні, обладнані пристроями напівавтоматичного блокування без перегінних світлофорів.

Об’єктом автоматизації є станція Промплощадка ВАТ «ЦГОК» з реконструкцією існуючих пристроїв і впровадженням мікропроцесорної системи ЕЦ зі збереженням існуючих принципів побудови логіки централізації та дій чергового по станції при забезпеченні високого рівня безпеки та безвідмовності роботи. Всього на станції 6 колій, в тому числі: 4 - приймально-відправні, 1 - вагова, 1 - завантажувально-розвантажувальна. Станція має у складі 18 стрілок, 3 підходи з існуючими засобами автоматики, в тому числі: 1 одноколійний з двостороннім рухом і 2 двоколійні з одностороннім. Контрольовані дільниці обладнуються системою лічення осей SCA-2 розробки GE Transportation. Станція має одноповерховий пост електричної централізації. В таблиці 2.1 наведено спеціалізацію стрілок.

Таблиця 2.1 - Спеціалізація стрілок

В межах станції знаходиться переїзд який відноситься до IV категорії, котрий є не охоронюваний й обладнаний автоматичною світлофорною сигналізацією. Переїзд використовується в господарських цілях комбінату і є малодіяльним.

Однонитковий план станції наведено в додатку А.

Технічне завдання

МПЦ є комплексом програмно-технічних засобів, призначеним для застосування в системі управління стрілками і сигналами станції Промплощадка.

Система МПЦ складається з релейних, електронних і програмних засобів, які в сукупності виконують усі штатні функції існуючих релейних систем централізації [7].

Окрім цього МПЦ має додаткові функції:

- доступ до системи;

діалог з оператором;

ведення журналу подій (протоколу змін) цілодобове з фіксацією дати і часу подій відносно стану об'єктів контролю і управління:

а) стан контрольованих об'єктів;

б) вхід або вихід користувачів АРМ;

в) включення / виключення АРМ;

г) команд управління, які були введені;

д) діагностичної інформації МПЦ;

архівація подій за останні 30 діб (структура архіву містить інформацію, розділену часовими проміжками на окремі файлові модулі, які відповідають тривалості в одну добу);

висновок на друк журналу подій за будь-який період через підключений до АРМ ШН принтер;

голосові повідомлення.

МПЦ призначена для цілодобового функціонування. Регламентом передбачений два режими експлуатації: основне і допоміжне управління. У обох режимах управління і контроль здійснюється з АРМ-ДСП, а розширений контроль і діагностика - з АРМ ШН. У разі виходу з ладу основного ПЛК система автоматично перемикається на резервний ПЛК. Система не потребує виключення і зупинки для проведення профілактичного огляду. Виключення живлення потрібне при заміні частини ПромЭВМ, процесорного блоку і блоку живлення ПЛК.

Система МПЦ ст. Промплощадка призначена для:

встановлення і замикання поїзних і маневрових маршрутів;

відміни поїзних і маневрових маршрутів з необхідною витримкою часу;

автоматичного / штучного посекційного розмикання секцій маршруту;

автоматичне перекриття поїзного сигналу на забороняюче показання при вступі поїзда на маршрут;

маршрутного, індивідуального та допоміжного управління стрілками;

замикання / розмикання стрілок;

–       вимкнення двигунів стрілок;

постановки стрілки на макет;

відкриття/закриття сигналів;

включення сигналізації при виникненні несправності з видачею речового повідомлення черговому оператору;

відображення колійного розвитку станції;

відображення на АРМ оперативно-диспетчерського персоналу поточного стану об’єктів контролю;

відображення на екрані монітору дій ДСП;

контролю правильності встановлення маршруту;

контролю поточного стану об’єктів управління та технічних
засобів МПЦ;

контролю появи відмов і переходу окремих пристроїв системи МПЦ у захисний стан;

контролю стану пристроїв електроживлення;

ведення архіву зміни станів контролюємих об’єктів та дій ДСП із можливістю анімації.

Обладнання системи МПЦ повинно розташовуватись в капітальних стаціонарних опалюємих приміщеннях на відстані не менше 5 м від найближчої рейки колії, а також у межах 1,8 м і більше з кріпленням чи без кріплення на штативах, рамах, полицях. Умови експлуатації системи МПЦ відносно впливу кліматичних факторів повинні відповідати згідно СОУ 45.020-00034045-002:2006 класифікаційній групі К1 чертвертої категорії (ГОСТ 15150). По умовам чутливості до електромагнітних завад згідно ДСТУ 4151 компоненти системи повинні відповідати класифікаційній групі А4.В умовах впливу механічних навантажень стійкість і міцність системи МПЦ відповідно СОУ 45.020-00034045-002:2006 під час використання повинна відповідати групі МС1.

Система МПЦ повинна задовольняти загальним вимогам до електричної централізації стрілок і сигналів, викладеним у «Правилах технічної експлуатації залізниць України» та «Інструкції з сигналізації залізниць України» і повністю узгоджуватись з колійними та постовими пристроями, та будуватись на принципах типових проектних рішень.

Система МПЦ структурно повинна складатись з підсистем технічних засобів, що утворюють три рівня керування й контролю:

верхній рівень - підсистема діалогу АРМ ДСП і АРМ ШН;

середній рівень - підсистема логіки централізації;

нижній рівень - підсистема виконавчих пристроїв.

АРМ ДСП і АРМ ШН повинні здійснювати:

фіксацію введених ДСП команд керування з перевіркою можливості їх реалізації;

візуалізацію станів пристроїв, що контролюються і компонентів системи;

фіксацію зміни станів напільного обладнання і МПЦ, команд керування й збереження даних;

організацію зв'язку між АРМ ДСП, АРМ ШН і ПЛК.

Система МПЦ повинна функціонувати цілодобово в наступних режимах:

- основний;

аварійний.

В основному режимі система МПЦ повинна забезпечувати виконання усіх штатних функцій по управлінню і контролю. В основному режимі повинні функціонувати усі компоненти системи: АРМ ДСП, АРМ ШН, ПЛК, релейні схеми й напільне обладнання. Пульт аварійного управління відключений. Система МПЦ повинна виконувати контроль стану напільного і постового обладнання, а також дій оперативно-технічного персоналу, функції управління щодо: встановлення маршрутів, переведення стрілок, скасування маршрутів, штучного замикання / розмикання стрілок, вимикання пристроїв із залежності, включення пристроїв у залежність.

В аварійному режимі повинні забезпечуватися основні вимоги безпеки руху поїздів. Перехід в аварійний режим повинен здійснюватися вручну з ініціативи ДСП шляхом натискання кнопки на пульті аварійного управління або автоматично, при пошкодженні ПромЕОМ АРМ ДСП або ПЛК. В аварійному режимі повинні виконуватися наступні функції управління і контролю:

індивідуальне переведення стрілок;

замикання стрілок;

зняття замикання зі стрілок;

відключення дзвінка розрізу.

контроль положення, розрізу стрілок;

зайнятість ізольованих секцій;

замикання стрілок;

контроль перегоряння запобіжників.

В аварійному режимі, обов’язки по дотриманню безпеки при переведенні стрілок повинні бути покладені на чергового по станції.

Функції діагностики системи МПЦ повинні забезпечувати постійний контроль працездатного стану напільного і постового обладнання, пристроїв електроживлення.

Діагностика постового обладнання системи МПЦ повинна забезпечувати контроль стану складових управління і контролю постових об’єктів системи, та визначати місце відмови системи до блоку, модуля, вузла.

Діагностичний контроль польового обладнання повинен містити в собі перевірку цілісн6ості ниток ламп світлофорів і контроль струму споживання стрілочними приводами.

Діагностичний контроль стану пристроїв електроживлення повинен забезпечувати отримання інформації про наявність та відповідність до встановлених норм живлення від основного фідера, резервного фідера постового і напільного обладнання системи.

Усі діагностичні повідомлення повинні надходити на АРМ ДСП і АРМ ШН і фіксуватися в системному журналі подій.

Система МПЦ повинна бути сумісна з усіма типами релейних, електронних і мікропроцесорних систем автоматики і телемеханіки, і системами, що використовують для контролю й керування цифрові інтерфейси передачі даних, що підтримують різні стандартні протоколи обміну даними.

Система МПЦ повинна мати можливість інтегрування в автоматизовані й інформаційно-управляючі системи верхнього рівня, підтримуючи зв'язок за протоколом TCP/IP.

Цілодобовий і неперервний режим роботи системи повинен забезпечуватись необхідною кількістю кваліфікованих спеціалістів, для виконання технічного обслуговування обладнання і супроводження програмних засобів.

Кваліфікація персоналу повинна забезпечувати ефективне функціонування технічних засобів МПЦ у всіх заданих режимах.

Робота обслуговуючого персоналу повинна регламентуватись існуючим графіком виробничого процесу і виконуватись відповідно до інструкцій організаційного забезпечення.

Комплекс технічних засобів МПЦ повинен функціонувати із встановленим критерієм якості у всіх регламентованих вимогах і режимах при електропостачанні від встановлених джерел електроживлення.

Класи відмов і граничних станів функціонування системи МПЦ:

Класи відмов:

- припинення виконання заданих функцій, пов'язаних з керуванням, є захисними відмовами;

відхилення хоча б одного показника безпеки за межі встановлених норм є небезпечними відмовами;

відмова підсистеми, що приводить МПЦ у захисний стан є безпечною;

зниження якості функціонування за межами дозволених параметрів, що вплине на безпеку руху, є небезпечними відмовами;

зниження якості функціонування за межами дозволених параметрів, що не вплине на безпеку руху, є безпечними відмовами;

зовнішні фактори, що свідчать про передумови настання непрацездатного стану (шум, перегрів тощо), є небезпечними.

Класи граничних станів:

- відмови підсистем, відновлення або заміна яких не передбачена в технічних документах;

підвищення інтенсивності відмов за межі встановлених рівнів;

підвищення встановленого рівня витрат і технічне обслуговування.

Надійність системи повинна забезпечуватися за рахунок структури побудови апаратних засобів, використання високонадійного обладнання компонентів системи, резервування живлення ПЛК і середовища обміну даними між компонентами системи, безпеки побудови програмного забезпечення.

Значення показників надійності компонентів системи повинні:

середній наробіток на відмову - не менше 5000 годин;

середній час відновлення працездатного стану повинен бути не більше 0,5 години;

- середній строк служби (з урахуванням ресурсу його складових механічних частин) - не менше 20 років.

Критеріями небезпечної відмови МПЦ повинні вважатися відмови програмно-апаратного комплексу, які можуть привести до:

несанкціонованої видачі управляючої команди в пускове коло схеми керування стрілкою, коли стрілка замкнута в маршруті;

несанкціонованої видачі управляючої команди на включення сигнального реле, коли:

відсутнє замикання стрілок зайнятих у маршруті, а їх положення не відповідає таблиці взаємозалежностей стрілок, сигналів і маршрутів при відсутності інформації про їхнє крайнє положення;

 виконується штучне розмикання хоча б однієї ізольованої секції маршруту;

- виконується скасування маршруту;

відсутня інформація про вільність хоча б одного рейкового кола маршруту, що огороджене даним світлофором;

відсутності команди на вимикання сигнального або сигнального реле після проходження поїзда за світлофор;

невідповідності контрольної інформації про стан об’єктів МПЦ:

хибна вільність ізольованої ділянки або секції;

контроль положення стрілки не відповідає фактичному її стану.

При побудові системи МПЦ станції Промплощадка реалізувати концепцію безпеки, що полягає у використанні захисної архітектури і переведенні системи у захисний стан при появі відмов. Перехід системи із захисного в основний режим можливий лише за участю людини.

Експлуатація системи МПЦ станції Промплощадка повинна відбуватись згідно вимог: «Правил по забезпеченню експлуатації електроустановок споживачів» ДНАОП 0.00-1.21. - 98, «Правил пожежної безпеки в Україні» НАПБ А.01.00. - 95, «ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности» ГОСТ 12.2.007.0.

Струмоведучі частини пристроїв системи повинні бути ізольовані, шафа нормальному режимі експлуатації замкнена. Не струмоведучі металеві частини повинні бути обладнані контуром заземлення з опором не вище 0,1 Ом згідно ГОСТ 12.2.007.0. По рівню захисту працюючих від ураження електричним струмом ПАК МПЦ повинен відноситься до І класу захисту. Відповідно до класифікації технічних засобів за рівнем вимог функціональної безпеки, представленої в ДСТУ 4178-2003:

підсистема діалогу МПЦ із ДСП і ШН повинна відноситись до технічних засобів, що безпосередньо не впливають на безпеку руху поїздів (1 рівень вимог), тому ймовірність небезпечної відмови за кожну годину на одну відповідальну функцію безпеки підсистеми повинна бути не більше 0,7×10-8 1/годину;

- підсистема логіки централізації повинна відноситись до технічних засобів, що впливають на безпеку руху поїздів (3 рівень вимог); тому ймовірність небезпечної відмови за кожну годину на одну відповідальну функцію безпеки підсистеми повинна бути не більше 0,7×10-10 1/годину.

За якістю взаємодії МПЦ повинна відповідати сучасним естетичним вимогам за зручністю сприйняття інформації, розміщення органів керування й елементів індикації, типових елементів заміни, установки і підключення зовнішнього монтажу.

Всі органи керування й сигналізації повинні, відповідати їхньому функціональному призначенню, послідовності й мати чіткі позначення й надписи згідно прийнятих норм і скорочень.

Автоматизовані робочі місця повинні мати монітори з роздільною здатністю не менше 1200х1024 пікселей і розміром екрану по діагоналі - не менше 19 дюймів, з обов’язковим захистом від електромагнітного випромінювання оперативного й обслуговуючого персоналу.

Програмне забезпечення повинно бути захищене від несанкціонованого доступу. Можливість зміни програм користувача на місці експлуатації повинна бути виключена.

МПЦ повинна забезпечувати цілісність всієї отриманої інформації як у режимі нормального функціонування, так і при відмовах технічних засобів. Несанкціонований доступ до такої інформації повинен бути виключений.

Збереження і цілісність інформації в системі МПЦ повинна гарантовано забезпечуватись при наступних умовах:

відмова електроживлення;

вплив зовнішнього потужного електромагнітного імпульсу;

пожежа;

стихійні лиха.

Передбачити можливість автоматичного перезапуску системи при виникненні і послідуючому відновленні напруги живлення електричної мережі. Для захисту інформації у випадку відмови електроживлення до складу технічних засобів та обладнання повинні входити джерела безперебійного живлення, які забезпечують гарантовану працездатність системи при стрибках напруги, короткочасних відключеннях напруги.

Для захисту інформації від впливу небезпечних напруг необхідна наявність індивідуального надійного контуру заземлення.

Підсистема верхнього рівня повинна виконувати такі загальні функції:

взаємодії МПЦ із ДСП і ШН;

введення команд управління з перевіркою правильності й допустимості введеної команди;

відображення інформації про роботу системи й стан об'єктів контролю на мнемосхемі станції с записом в системний журнал і архівацією протягом визначеного періоду;

передачу управляючих дій по установці поїзних і маневрових маршрутів в підсистему логіки централізації й інших команд індивідуального управління напольними об'єктами;

збереження й відображення стану напільного обладнання й технічних засобів МПЦ у реальному масштабі часу;

видачу довідок.

захист від помилкових дій персоналу, які приводять до забороняючого або аварійного стану об'єкта або системи керування, від випадкових змін і руйнування інформації й програм, від несанкціонованого втручання;

перегляд журналу реєстрації подій;

підтримку інтерфейсу користувача між ДСП і програмно-апаратними засобами МПЦ у діалоговому режимі з обліком;

відображення структури МПЦ із вказівкою компонентів, що відмовили (тільки для ШН);

санкціонований доступ до журналів реєстрації подій і дій ДСП тільки в режимі читання.

Підсистема логіки централізації повинна виконувати такі загальні функції:

–       встановлення маршрутів з відкриттям світлофорів;

–       формування команд на переведення стрілок;

–       перевірки виконання логічних умов безпеки для маршруту, що встановлюється;

–       замикання секцій і ділянок (стрілок), що входять до маршрут;

–       виключення встановлення ворожих маршрутів і відкриття ворожих сигналів світлофора;

–       формування команди на відкриття світлофора при виконанні логічних умов безпеки;

–       формування команди на закриття світлофора, що огороджує встановлений маршрут, при порушенні хоча б однієї логічної умови безпеки;

–       автоматичне розмикання секцій маршруту з перевіркою логічних умов проходження рухомого складу по маршруту;

–       скасування маршрутів із закриттям світлофора й розмиканням маршрутних ділянок і стрілочних секцій при попередньому замиканні;

–       скасування маршрутів із закриттям світлофора при повному замиканні;

–       штучне розмикання маршрутних ділянок і стрілочних секцій;

–       індивідуальне переведення стрілок;

–       допоміжне переведення стрілок;

–       включення макета стрілки;

–       включення запрошувального сигналу;

–       автоматичний збір, обробка й передача для подальшого збереження й відображення інформації про стан напільних об'єктів СЦБ:

–       контроль вільності, зайнятості, відсутності замикання, замикання й штучного розмикання ізольованих колійних ділянок;

–       контроль положення (втрата контролю) стрілок;

–       контроль горіння ламп світлофорів;

–       автоматичний збір, обробка й передача для подальшого збереження й відображення контрольних параметрів елементів автоматики й керування:

–       часу переведення стрілки;

–       величини струму, спожитого двигуном кожного стрілочного привода при індивідуальному переведенні стрілок, або загального струму при груповому переведенні стрілок;

–       перемикання фідерів електроживлення.

Підсистема логіки централізації системи повинна забезпечувати видачу команд на включення:

–       пускового ланцюга схеми керування стрілкою;

–       реле відкриття запрошувального сигналу;

–       сигнальних реле, включення дозволяючого вогню на світлофорі;

Сполучення ПЛК із виконавчими пристроями й датчиками інформації про стан напільного обладнання повинне здійснюватися з використанням модулів вводу / виводу дискретних й аналогових сигналів на базі ПЛК.

Підсистема нижнього рівня системи МПЦ станції Промплощадка повинна виконувати функції керування й контролю стану напольного обладнання і мати гальванічний розв'язок між мікропроцесорними й виконавчими пристроями.

МПЦ повинна забезпечити збереження інформації про порушеннях і відмови в роботі системи МПЦ, відкриття шаф МПЦ і порушення конфігурації.

Інформаційний обмін між мікропроцесорними модулями МПЦ повинен здійснюватися за допомогою стандартних комунікаційних інтерфейсів.

Забезпечити циклічне опитування об’єктів контролю.

Мікропроцесорна централізація за допомогою контактів повинна контролювати та одержувати інформацію про стан релейних пристроїв, напільного обладнання МПЦ і пристроїв електроживлення.

Безперервна діагностика технічних засобів повинна виявляти відмови, ушкодження і робити їхню фіксацію.

Введення команд керування при МПЦ повинне здійснюватися за допомогою маніпулятора «миша» в ПромЕОМ АРМ ДСП.

Електроживлення компонентів МПЦ повинне виконуватися від трьох незалежних джерел живлення: два незалежні джерела змінного струму і акумуляторна батарея. В електроживільній установці станції Промплощадка повинні використовуватися кислотні акумулятори, що не обслуговуються, закритого типу. Напруга на одному акумуляторі може змінюватися в межах 10,8…13…13,6В. Тому компоненти МПЦ, що живляться постійною напругою 24 В, повинні безпечно функціонувати при зміні напруги в межах 21,6..27.. 27,2 В.

2.2 Розробка структурної схеми системи

Мета розробки - створення простої, відкритої системи, яка може бути відтворена будь якою проектною організацією та експлуатуватися існуючими дистанціями сигналізації після відповідної підготовки.

Розглянемо основні принципи побудови системи для проміжної станції. Структура мікропроцесорної централізації (рис. 2.1), побудована за простою, класичною двоканальною схемою.

На всіх рівнях керування такий підхід забезпечив чіткість та лаконічність технічних рішень, зрозумілі принципи побудови схем і програмного забезпечення.

Верхній рівень системи має автоматизовані робочі місця чергового по станції (АРМ ДСП) з можливістю встановлення типового пульт табло і робоче місце електромеханіка СЦБ (АРМ ШН). Автоматизовані робочі місця ДСП (основний, резервний) мають однакову побудову програмного забезпечення та обладнання, що дає змогу уразі ушкодження передавати функції керування.

В штатному режимі активним є тільки один з АРМ ДСП, з якого можливо формувати команди. Ці функції має і пульт керування, який за вимогами замовника може мати пріоритетне або тільки резервне значення. За рахунок такого підходу маємо трикратне дублювання основних функцій керування. У разі ушкодження всіх електронних пристроїв (ПЕОМ, ПЛК) забезпечується переведення стрілок за допомогою стрілочних комутаторів з пульта.

Середній рівень системи має двоканальну структуру (А і В) з гарячим резервуванням у кожному каналі. Всі інформаційні канали також дублюються. При виході зі строю одного програмованого логічного контролера (ПЛК) його функції виконує резервний. Програмне забезпечення основного і резервного ПЛК ідентичне, що за безпечує потактову перевірку роботи.

Програмне забезпечення в каналах А і В має диверситет. Всі програмні модулі включені по схемі «І» наступним чином: програмне забезпечення каналів А та В у процесі функціонування спочатку здійснює порівняння результатів роботи з резервним комплектом, а потім з іншим каналом. При не співпадінні результатів формування відповідної команди блокується.

Рисунок 2.1 - Структурна схема МПЦ

Таким чином забезпечується безпека функціонування МПЦ на всіх рівнях. В процесі введення команд та індикації обмежується доступ персоналу, блокуються небезпечні команди, є відповідна система індикації небезпечних станів та система допомоги персоналу, що запобігає формуванню небезпечних дій, здійснюється запис інформації у «чорну скриньку».

На середньому рівні показники безпеки реалізуються включенням програмного забезпечення каналів А та В за схемою «І» та резервними модулями. Показники надійності в частині відмовостійкості забезпечуються високонадійним обладнанням та апаратним резервуванням всіх модулів верхнього та середнього рівнів. Заміна модулів можлива без відключення живлення з відповідними шифрами по місцях встановлення.

На нижньому рівні безпека функціонування реалізується схемами узгодження з двополюсною комутацією, безпечними комутаторами живлення та типовими релейними схемами керування стрілками та світлофорами.

Кількість впроваджуваних систем мікропроцесорної централізації постійно зростає, що у свою чергу потребує розробки єдиної уніфікованої структури МПЦ.

У звя'зку з цим запропонована структурна схема системи має 3 рівня: верхній рівень (автоматизовані робочі місця), середній рівень (програмований логічний контролер) та нижній рівень (напольне обладнання). Управління системою здійснюється на верхньому рівні, логіка централізації запрограмована в ПЛК, задопомогою якого перевіряються всі умови безпеки.

3. Розробка технічних рішень системи

.1 Розробка схем включення напольного обладнання

На станції використовуються стрілочні електродвигуни змінного струму, тому треба використовувати схему управління стрілочним приводом змінного струму. Схема стрілки наведена в додатку Б.

пускове;

робоче;

контрольне.

Умови безпеки перевіряються у пусковому та контрольному колах.

Пускові кола стрілок проходить через контакти реле:

СП - перевіряється не зайнятість даної стрілочної секції. Паралельно контактам підключена кнопка ВК для переведення стрілки при хибній зайнятості стрілочної секції;

З - перевіряється не замкнутість даної секції, тобто не використання її в даний момент в іншому маршруті.

Контакт реле МИ перевіряє, що стрілка не передана на місцеве управління.

В колі реле ВЗ перевіряється:

стрілка займає одне з крайніх положень (ОК, ПК, МК);

контроль відсутності місцевого керування (МИ);

справність контрольного кола (ОК).

В робочому колі за допомогою фазоконтрольного блока контролюється протікання робочого струму в лінійних проводах.

В схемі присутні наступні реле:

ППС - поляризоване пускове стрілочне, призначене для реверсу електродвигуна стрілки;

НПС - нейтральне пускове стрілочне, для комутації робочого та контрольного кола;

ОК - контрольне реле;

ПК, МК - індивідуальні контрольні реле плюсового і мінусового положення стрілки;

ФК - фазоконтрольний блок, призначений для контролю включення обмотки кожної фази та наявність напруги в ній.

Перевагою даних схем є те, що схема більш надійна за рахунок відсутності реле встановлених в напольних умовах, контроль «+» і «-» положення здійснюється різними проводами.

Схема управління і контролю стрілкою наведена на рисунку 3.1

Рисунок 3.1 - Схема управління та контролю стрілкою.

Сполучення шафи з стрілкою:

по управлінню - за допомогою реле, що управляють, ПУ і МУ, підключених до виходів блоків виведення через роз'єми і статив узгодження;

по контролю - через контакти реле ПК і МК, підключені до входів блоків введення через роз'єми і статив узгодження.

Перевірка усіх умов безпеки при видачі дій, що управляють, на переклад стрілки здійснюється технологічними програмами і не вимагає введення в ланцюги включення реле контактів яких-небудь інших реле, що управляють.

Пристрої управління і контролю світлофорами.

Вогні маневрових світлофорів включаються контактами маневрових сигнальних реле МС, контроль горіння білого і синього вогнів робить вогневе реле О. Для включення білого вогню маневрового світлофора, що дозволяє, допускається схема з однополюсним включенням, контактом реле з блоку МІІ чи МІІІ. При такому включенні комутуються тільки прямі проводи вогнів (первинних обмоток сигнального трансформатора), зворотній провід загальний.

Схема управління і контролю маневровим світлофором наведена на рис. 3.2.

Сполучення шафи з світлофором:

по управлінню - за допомогою реле, що управляє, МС, підключеного до виходів блоків виведення через роз'єми і статив узгодження;

по контролю - через контакти реле МС, підключеного до входів блоків введення через роз'єми і статив узгодження.

Перевірка усіх умов безпеки при видачі дій, що управляють, на управління вогнями маневрового світлофора здійснюється технологічними програмами і не вимагає введення в ланцюги включення реле контактів яких-небудь інших реле, що управляє.

Реалізація схеми управління і контролю вогнями маневрових світлофорів, а також їх напольного устаткування, аналогічна релейним системам ЕЦ.

Рисунок 3.2 - Схема управління та контролю маневровим світлофором.

Реалізація схеми включення вихідного світлофора при 3-значной сигналізації приводиться на рис. 3.3.

Сполучення шафи з вихідним світлофором здійснюється:

 - по управлінню - за допомогою реле, що управляють, С, МС, СО, ПС, підключених до виходів блоків виведення через роз'єми і статив узгодження;

 - по контролю - через контакти реле С, МС, ПС, СО, О, підключених до входів блоків введення через роз'єми і статив узгодження.

Реалізація схеми управління і контролю вогнями вихідних світлофорів, а також їх напольного устаткування, аналогічна релейним системам ЕЦ.

Вихідні світлофори мають три режими живлення: денне, нічне, і зниженої напруги. Живлення ламп здійснюється через понижуючі трансформатори типу

СТ - 4. Контролює горіння світлофорних ламп вогневе реле типу ОМ2 - 40. Керує ним блок У1, У2 чи В3, що містить реле:

З - сигнальне реле;

МС - сигнальне реле маневрового сигналу;

ЛС - місячно-білого вогню;

ПРО - для контролю горіння зеленого, верхнього жовтого, червоного і білого вогнів.

Сполучення шафи з вхідним світлофором здійснюється:

- по управлінню - за допомогою реле, що управляють, С, ЛС, ПС підключених до виходів блоків виведення через роз'єми і статив узгодження;

по контролю - через контакти реле С, ЛС, ПС, СО, О підключені до входів блоків введення через роз'єми і статив узгодження.

Схема керування вогнями вхідного світлофора побудована з центральним живленням ламп, і резервуванням червоної лампи вогню батареї в релейній шафі. Для керування вогнями вхідного світлофора в релейній шафі встановлюють сигнальні понижуючі трансформатори типу СТ-5 по числу вогнів. В вторинні обмотки трансформаторів послідовно зі світлофорними лампами включені вогневі реле типу АОШ-180/0,45.

Реалізація схеми управління і контролю вогнями вхідного світлофора має свої особливості в порівнянні з аналогічною схемою релейної централізації - відсутнє реле виключення неправильного свідчення (ВНП).

Рисунок 3.3 - Реалізація схеми включення вихідного світлофора.

На посту ЕЦ включають повторювачі вогневих реле НКО, НЖЗО, Н2ЖБО. Лампи жовтих вогнів і червоного мають дві нитки, основну і резервну, а зеленого і білого тільки основну. Нитки червоного вогню мають контрольні реле для основної нитки ДО, резервної РКО. Для контролю живлення з посту по змінному струмі для живлення червоної лампи служить реле СА. Для контролю живлення полюсів РПХ, РОХ - реле БА, а для контролю живлення з перегону ЛПХ, ЛОХ. Реле ДСН - подвійного зниження напруги. СОЖ - включає резервну нитку жовтих вогнів, є повторювачем реле НСОЖ. Уся ця апаратура знаходиться в РШ у вхідного світлофора. На посту ЭЦ знаходяться реле комплекту мигання НКПС, НКМР, МТ, КМГ, НКМГ.

Дійсно, при перегоранні однієї з ламп дозволяючих свідчень (два жовтих; два жовтих, верхній миготливий) в МПЦ відсутня можливість отримання більше дозволяючого свідчення (жовтого або жовтого миготливого) впродовж 6-7 сек, як це було б в релейній ЕЦ за відсутності реле ВНП. У МПЦ цей час не перевищуватиме 2 секунд, що цілком допустимо.

Мигання ламп світлофорів вирішується апаратним способом. Схема включення комплекту мигання представлена аналогічно рішенням релейних систем.

Реалізація схеми включення вхідного світлофора приводиться на рис. 3.4.

Рисунок 3.4 - Реалізація схеми включення вхідного світлофора

У іншому реалізація схеми управління і контролю вогнями вхідних світлофорів, а також їх напольного устаткування (релейних шаф вхідних світлофорів) аналогічна релейним системам ЕЦ.

Система SCA - 2 є апаратно-програмним комплексом(АПК), призначеним для контролю стану колійних ділянок методом підрахунку кількості осей рухливих одиниць при перетині ними меж колійних ділянок.

Рахунок осей застосовується на залізничних станціях, де недоцільно або неможливе застосування рейкових кіл, а також, коли необхідно організувати облік фактичного місце розташування рухомих одиниць.

Система SCA - 2 є дворівневою структурою (рис 3.5). Нижній рівень представлений рахунковими пунктами (ADP), які у свою чергу складаються із спарених колійних датчиків (WDD) і блоків узгодження (BJ). Верхній рівень складає підсистема управління і контролю стану колійних секцій, в яку входять рахункові контролери (ACU), колійні реле і панелі скидання хибної зайнятості.призначений для виявлення колісних пар у момент проходу рухливих одиниць через кордон колійної ділянки. WDD має два магнітні контури частотою 39 і 50 кГц утворених двома датчиками розташованими по одній осі на протилежних сторонах рейки (рис. 3.6).

Сполучною ланкою між WDD і ACU являється блок BJ, що погоджує, виконує функції по первинній обробці і передачі сигналів від датчика WDD до верхнього рівня системи. Крім того, внутрішня схема BJ спільно з котушками датчика WDD і сполучним кабелем між ними складає резонансний контур, що реагує на проходження колісної пари. Для кожного магнітного контура WDD призначений свій блок, що погоджує. Відповідно для підключення контурів 39 кГц і 50 кГц застосовуються блоки BJ, що погоджують, - 39 і BJ - 50 (рис. 3.7).

Рисунок 3.5 - Структурна схема системи SCA - 2

Рисунок 3.6 - Розташування спареного колійного датчика на рейці

Рисунок 3.7 - Структура рахункового пункту

ACU є центральним елементом системи і є спеціалізованим логічним контроллером. В ACU здійснюється обробка сигналів, що поступають від рахункових пунктів, на підставі яких приймається рішення про вільність або зайнятість ділянок і відповідно живляться або знеструмлюються колійні реле. Кожен ACU може контролювати до 16 рахункових пунктів і управляти станом до 16 колійних реле. При установці в системі декількох ACU, ув'язка між ними здійснюється по цифровому каналу. Допускається організовувати каскад з послідовного з'єднання до 64 ACU. У тих випадках, якщо з яких-небудь причин виникає неправдива зайнятість колійної ділянки, повернення у вільний стан здійснюється за допомогою панелі скидання хибної зайнятості. Спарений колійний датчик WDD складається з двох рейкових датчиків(РД), WDD 39-50 і WDD 50-39 відповідно до порядку розташування в них котушок 50 і 39 кГц. Кожен РД складається з поліамідного корпусу з двома котушками, заповненого поліуретановим складом. Датчики оснащуються чотирижильним кабелем для підключення до блоків узгодження BJ.

Рейкові датчики фіксуються на рейці за допомогою спеціальних кріплень, що стягуються болтами через отвори в шийці рейки. Кріплення спеціалізовані для установки на певний тип рейки. Конструкція кріплення забезпечує надійну фіксацію датчика в правильному положенні, а також стійкість до механічних дій.

Принцип роботи WDD заснований на створенні двох резонансних контурів частотою 39 і 50 кГц. Кожен контур утворений котушками РД, внутрішньою схемою блоків BJ, що погоджують, а також сполучними дротами між ними, у зв'язку з чим довжина кабелю стандартизована і вибирається рівною 4 або 7 м залежно від умов розміщення устаткування на полі.

При проході колеса в зоні контролю датчика послідовно займаються, а потім в тій же послідовності звільняються обидва резонансні контури. Зайняття контура визначається по зниженню амплітуди вихідного сигналу датчика нижче порогового значення внаслідок зміни реактивного опору контура під впливом феромагнітної маси колеса. По черговості зайняття і звільнення контурів визначається напрям проходу колісної пари.

Цілісність датчика контролюється безперервним протіканням струму через котушки. Будь-яке порушення взаємного розташування датчиків призводить до зміни параметрів резонансного контура, а отже і до падіння амплітуди сигналу на виході датчика, що автоматично встановлює в зайнятий стан ділянки станції, що захищаються ним.

Кожен рахунковий пункт оснащується двома блоками узгодження BJ для підключення резонансних контурів спареного колійного датчика. Відповідно до частот контурів, встановлюються блоки двох типів: BJ - 50 і BJ - 39.

Два блоки, що погоджують, BJ - 50 і BJ - 39, розміщуються в колійній коробці у безпосередній близькості від спареного колійного датчика. Підключення WDD до BJ здійснюється за допомогою двох спеціальних чотирижильних кабелів, що є складовою частиною датчиків.

Рисунок 3.8 - Схема підключення колійних датчиків

Для підключення рахункового пункту до ACU використовується стандартний сигнально-блокувальний кабель з парним скручуванням жил діаметром 0,9 мм. Кожен BJ підключається однією парою провідників до відповідних входів на платі IN 31 рахункового контроллера.

Залежно від типу, блок, що погоджує, генерує синусоїдальний сигнал частотою 39 або 50 кГц, який використовується для живлення відповідних резонансних контурів рахункового пункту.

Живлення внутрішньої схеми BJ постійною напругою 9÷12 В здійснюється від плати IN 8 DRT по сигнальній лінії. По тій же сигнальній лінії передається заздалегідь оброблений сигнал від колійного датчика.

мікропроцесорний модуль обладнання

3.2 Розрахунок модулів введення - виведення

В якості виконавчого рівня системи розглядається робота оперативного персоналу станції (ДСП та частково ШН). На верхньому рівні, що виконує функції підсистеми забезпечення, знаходяться АРМи чергового по станції та електромеханіка СЦБ. Ці робочі місця аналогічні за будовою та способом реалізації людино-машинного інтерфейсу. Відмінності полягають у функціональному наповненні, тобто враховується специфіка роботи та спеціалізація. Вони представлені промисловою ЕОМ, пристроями відображення (монітор), пристроями вводу (клавіатура, маніпулятор «миша» та інше.) [3].

АРМ ДСП призначений для вирішення задач, що пов’язані з технологічним процесом робіт оперативного персоналу, для прийому, відображення та зберігання інформації про поїзне становище на станції, ідентифікації та від слідження рухомих одиниць, оповіщення людей, що працюють на коліях. Він є абонентом автоматизованої системи диспетчерського контролю. У якості сервісних функцій передбачено автоматичне визначення часу прибуття та відправлення поїздів; автоматизоване ведення журналу руху поїздів; автоматизоване ведення журналу технічної контори; обмін інформацією з АРМами ДСП; запис інформації про сигнали, що знімаються з пристроїв, часу та прийому інформації в «чорний ящик».

Програмні та технічні рішення АРМа ШН підтримують виконання таких основних функцій. Це графічне представлення на екрані монітора в вигляді мнемосхем станції пристроїв СЦБ, поїзного положення на об’єктах; логічний контроль станів пристроїв СЦБ; вимірювання аналогових сигналів; функція ведення «чорного ящика»; ведення протоколів повідомлень; облік кількості спрацьовувань елементів контролю; пошук та нейтралізація відмов[19].

Застосована сучасна апаратура, що представлена у вигляді трьох центральних промислових ЕОМ, що працюють у режимі резервування, контролерів вводу-виводу, зв’язку та вимірювань. Інтерфейс з верхнім рівнем реалізований із застосуванням «хабів». Через кабельну мережу станції виконаний зв’язок із напольними пристроями.

Робота всіх рівнів забезпечується мережею електроживлення. До неї висуваються жорсткі вимоги щодо забезпечення необхідного рівня та неперервності живлення на вході чутливої цифрової апаратури. Найменші збої або заважаючі впливи в роботі силових установок можуть призвести до порушення коректної роботи мікропроцесорної системи [3,4].

Необхідна кількість об’єктів керування визначається вимогами виконання функцій управління, автоматичного контролю та необхідністю формування відеограми станції на екрані монітора АРМ персоналу. В додатку? приведений перелік об’єктів, що контролюються.

Для контролю стану об’єктів знадобляться модулі дискретного вводу. В даному дипломному проекті був розглянутий і умовно впроваджений контролер фірми Schneider Electric, з платформою автоматизації Modicon Quantum, тип модулю дискретного вводу 140DDI35300 - модуль з 32 входами на 24В постійного струму. Необхідна кількість модулів 140DDI35300 визначається по таблиці Д1 в додатку Д, а характеристика модуля зображена у таблиці 3.1 [3].

Таблиця 3.1 - Характеристика модуля дискретного вводу 140DDI35300

Необхідну кількість модулів вводу 140DDI35300 розрахуємо за формулою:

, (3.1)

де n_заг - загальна кількість входів;_н - кількість точок на вході одного модуля.

 штук.

Таблиця 3.2 - Характеристика модуля аналогового вводу 140DDI35310

Необхідну кількість модулів аналогового вводу 140DDI35310 розрахуємо за формулою аналогічною (3.1).

,

де n_заг - загальна кількість входів;_н - кількість точок на вході одного модуля.

В результаті розрахунку:

 штуки.

Для управління знадобляться дискретні модулі виводу: позитивна логіка (джерело) - 140DDO35310 та негативна логіка (приймач) - 140DDO35300, характеристики модулів наведені у таблицях 3.3 та 3.4. Розрахунок модулів виводу наведено в додатку Д в таблиці Д2.

Таблиця 3.3 - Характеристика модуля 140DDO35300

Таблиця 3.4 - Характеристика модуля 140DDO35310

Для розрахунку скористаємося формулою аналогічною (3.1).

,

де n_заг - кількість виходів;_н - кількість точок в одному модулі.

Отже:

 штуки.

 штуки.

Загальна кількість модулів виводу становить 4 штуки.

По отриманих результатах можна сказати, що необхідно застосовувати один конструктив контролера Modicon Quantum. В програмований логічний пристрій встановлюються модулі вводу (дискретного та аналогового) та модулів виводу «+» та «-». [3].

Програмований логічний контролер ПЛК буде мати конфігурацію з сімома модулями дискретного вводу 140DDI35300, двома модулями аналогового вводу 140DDI35310, двух модулів дискретного виводу 140DDO35300 та двома модулями виводу 140DDO35310. В даній конфігурації використовується модуль процесора 140CPU53414B, характеристика якого зображена у таблиці 3.5 та модуль живлення 140CPS12420 (220B, 8A, з ізоляцією потенціалу). Загальний вигляд шафи зображено у додатку Е[3].

На даному етапі необхідно зв'язати контролери між собою, а також з ЕВМ АРМ оперативного робітника.

Для зв'язку використовується зв'язок Modbus Plus з РС - карткою Modbus Plus типу TSX МВР 100 з двома індикаторами ERR - несправність карти або каналу та СОМ - передача по лінії, яка вставляється у модуль процесора 140CPU53414B, краткі характеристики вказані у таблиці 3.6.

Таблиця 3.5 - Характеристика модуля процессора 140CPU53414B

Нижче приведені деякі аксесуари та матеріали які будуть входити у дану систему МПЦ:

) Самосогласуючий F-адаптер;

) Магістральна заглушка;

) Прямокутний F-коннектор;

) Шлейф комутаційний I/o (7d/305m);

) Клемна колодка, на 40 клем для дискретних і аналог. модулів;

) Клемна колодка, на 7 клем для модулів живлення;

) Шлейф комутаційний типа «trunk», L 304 м;

) Шлейф комутаційний типа «drop», до відгалужувача;

) Розгалуджувач ТАР, загасання 14дБ;

) Шлейф комутаційний SPLITTER, загасання дБ в кожн. напрямі;

) Шлейф комутаційний - відгалужувач.

Таблиця 3.6 - Характеристика зв'язку Modbus Plus з РС

Мережа Modbus Plus є високоефективною промисловою мережею, що може працювати із граничними архитектурами типу «клієнт - сервер», має високу швидкість передачі (1Мбіт/сек.), прості й економічні функції передачі й декілька сервисов обробки повідомлень.

До основних функцій обміну даними між всіма підключеними до мережі пристроями відносяться:

функція обміну повідомленнями по протоколі Modbus;

функція глобальної бази даних (сервіс спільно використовуваної таблиці періодично, керований додатком: пристрій з маркером може направити 32 слова іншим пристроям (не більше 63), приєднаним до мережі).

Черговий по станції, використовуючи клавіатуру або маніпулятор «миш» задає маршрут. АРМ перевіряє логічні умови та видає команду в CPU (модуль процесора 140CPU53414B), котрий перевіряє умови безпеки та видає команду ПЛК, котрий в свою чергу вмикає відповідні кола модулів виводу, котрі збуджують реле виконавчої групи [3]. Нижче сказано декілька слів про програмне забезпечення, так як воно являється невід’ємною частиною мікропроцесорної системи тому в наш час цьому приділяється велика увага.

Безпека й безвідмовність систем МПЦ досягається за рахунок застосування безпечних принципів побудови апаратних засобів і програмного забезпечення (ПЗ). При розробці потрібно враховувати, що на ПЗ покладається реалізація логічних алгоритмів централізації, а значить і забезпечення безпеки руху. Забезпечення безпеки в мікропроцесорній централізації повинне бути реалізоване на строгому дотриманні концепції безпеки, яка будується по стратегії безпечного поводження при відмовах спільно зі стратегією відмово стійкості. Якщо порушується відмово стійкість, то система повинна переходити в захисний стан. Концепція безпеки мікропроцесорної централізації полягає в наступному: одиночні дефекти апаратних і програмних засобів не повинні приводити до небезпечних відмов і повинні бути виявлені при робочих чи тестових впливах не пізніше, ніж у системі наступить другий дефект [4].

Безпечне програмне забезпечення - це таке програмне забезпечення, що із заданим рівнем безпеки виключає небезпечні відмови. Розроблене ПЗ повинне бути перевірено на безпечне поводження і на коректність при збоях і відмовах апаратних засобів. Безпечне програмне забезпечення оцінюється ефективністю засобів контролю помилок програми, стійкості програмного забезпечення до відмов, здатністю до відновлення обчислювального процесу тощо.

Основні принципи створення безпечного ПЗ [4]:

Попередження помилок на етапі створення;

Виявлення помилок;

3 Виправлення помилок;

4 Стійкість до збоїв та відмов.

ПЗ контролерів являє собою прикладну програму, що завантажується в програмований логічний контролер й організовує функції збору даних з об'єктів контролю, обробку отриманих даних і видачу команд на об'єкти управління.

При розробці МПЦ більше витрат приходиться на програмне забезпечення, чим на апаратні засоби. По-перше, програмне забезпечення (ПЗ) - єдине «засіб існування» мікропроцесорних систем. По-друге, у МПЦ на ПЗ покладається реалізація логічних алгоритмів централізації, а значить і забезпечення безпеки руху. Забезпечення безпеки в мікропроцесорній централізації повинне бути реалізоване на строгому дотриманні концепції безпеки. Концепція мікропроцесорної централізації будується по стратегії безпечного поводження при відмовленні спільно зі стратегією відмовостійкості. Якщо порушується відмовостійкість, то система повинна перейти в захисний стан.

4. Розрахунок параметрів електричного навантаження модулів виведення

При проектуванні електричної централізації з мікропроцесорним маршрутним набором в загалі і модулі виводу зокрема, слід враховувати такі електричні параметри лінії як: індуктивність лінії, ємність лінії, індуктивність реле. Не врахування цих параметрів може призвести до зміни часу спрацювання реле (при великій ємності та індуктивності) або ж до виходу з ладу модулю виводу. В тому випадку, коли не вірно розраховано значення комутаційних струмів, що виникають в колі при перехідних процесах під час комутації. Щоб запобігти перевантаженню модуля необхідно провести розрахунок максимального струму, який буде протікати через модуль виведення та визначити чи витримає ПЛК таке навантаження. Схема підключення виконавчого реле до модуля приведено на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема підключення навантаження на вихід ПЛК

Для того щоб провести коректні розрахунки потрібно скласти схему заміщення, враховуючи, що лінія зв’язку має індуктивність та ємність, обмотка реле також представляє собою індуктивність. Схема приведена на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 - Схема заміщення

Початкові умови перехідного процесу: I3 =3,33А; L=12 мГн; U=24 В; С=60мФ.

З урахуваннями цих умов, складаємо операторну схему заміщення кола та записуємо для неї рівняння, згідно з законами Кірхгофа:

Вирішуємо систему відносно струму . З рівняння (4.1) представляємо струм :

.

З рівняння (4.1) представляємо струм :

.

Отримане рівняння підставляємо у (4.1), отже отримуємо:

.

Підставляємо численні значення й отримуємо рівняння для струму І₃:

Для знаходження оригіналу визначаємо знаменник, для чого прирівнюємо його до нуля:

Формула розкладання має вигляд:

.

Знаходимо чисельник доданків:

.

Похідна знаменника:

.

Знаходимо знаменники доданків:

.

Отримані значення підставляємо до формули розкладання:

Вирішуємо систему відносно струму . З рівняння (4.1) представляємо струм:

.

Отримане рівняння підставляємо до формули (4.1):

.

Підставляємо чисельні значення й отримуємо рівняння для струму І₄:

Корені знаменника:

Формула розкладання має вигляд:

.

Знаходимо чисельник доданків:

Похідна знаменника:

.

Знаменники доданків: 

Отримані значення підставляємо до формули розкладання:

Знаходимо струм :

.

Отримуємо слідуючі результати:

Рисунок 4.3 - Зміна струму контролера у часі

Після проведення розрахунків, можна зробити висновок: одержаний струм в результатів розрахунків дорівнює 5,666 А. Даний результат цілком задовольняє умовам, так як максимальний комутаційний струм модуля дорівнює 7,5 А, тривалістю не більше 60 мс, з періодичністю 6 раз в хвилину.

5.Обґрунтування впровадження системи МПЦ

.1 Характеристика МПЦ

В даному розділі дипломного проекту розглядається розрахунок економічного ефекту при впровадженні мікропроцесорної централізації.

МПЦ забезпечує:

- оптимізацію роботи оперативного персоналу по управлінню поїздною роботою на станціях за рахунок розширення функціональних можливостей;

зниження потреби в будівництві приміщень для розміщення пристроїв;

підвищення рівня інформаційного забезпечення оперативного персоналу;

зниження потреби в кабельно-провідниковій продукції;

діагностику та контроль роботи пристроїв персоналу;

підвищення надійності роботи пристроїв, зниження потоку відмов;

можливість інтеграції пристроїв МПЦ з іншими пристроями та системами;

скорочення постового і напольного обладнання;

можливість впровадження ресурсозберігаючих технологій;

вдосконалення експлуатаційної роботи і підвищення рівня централізації, управління перевізним процесом;

зниження кількості обладнання, що вимагає періодичної перевірки.

Перераховані вище фактори забезпечують скорочення:

потрібних капіталовкладень на оновлення пристроїв;

скорочення експлуатаційних витрат на утримання та обслуговування;

- скорочення експлуатаційних витрат на утримання оперативного персоналу.

5.2 Розрахунок капітальних вкладень мікропроцесорної централізації

Метою нашого проекту є порівняння вартості мікропроцесорної системи управління станцією, що проектується, зі вже існуючою системою.

Одноразові затрати на використання заходів, тобто капітальні вкладення, визначаються як сума, яка була витрачена на провадження нової системи. Визначаємо вартість всіх комплектуючих (таблиця 5.1), а вже потім підрахуємо поточні витрати на утримання системи.

Таблиця 5.1 - Капітальні вкладення для нової техніки

5.3 Визначення поточних експлуатаційних витрат

Облік і планування експлуатаційних витрат виробляється по номенклатурі експлуатаційних витрат. В номенклатурі витрати підрозділяються на окремі групи, планування й облік ведеться за двома видами діяльності: основній і підсобно-допоміжній.

По основній діяльності планують і враховують витрати, пов'язані з перевезенням вантажів, пошти та багажу, а по підсобно-допоміжній - зв'язані з вантажно-розвантажувальними роботами.

Експлуатаційні витрати групуються по елементах витрат, статтям витрат і витрат. Поточні витрати, пов'язані з утриманням нової техніки, наведені в таблиці 5.2. Вони розраховуються як:

И = Едм + Еде + Едр + Един, (5.1)

де Едм - витрати на матеріали у розмірі (1,5% от ∆∑Квл);

Еде - витрати на електроенергію у розмірі (0,5% от ∆∑Квл);

Едр - витрати на ремонт у розмірі (7% от ∆∑Квл);

Един - інші витрати (1% от ∆∑Квл).

Таблиця 5.2 - Поточні витрати

5.4 Методика визначення економічного ефекту

Економічна ефективність мікропроцесорної централізації залежить від багатьох факторів. Головним з них є техніко-економічні: матеріалоємність і трудо-місткість у виготовленні, надійність та продуктивність в роботі, простота в обслуговуванні і легкість ремонту, габаритні розміри нової техніки, тобто займана нею площа виробничого приміщення.

Та сама нова техніка, будучи застосована в різних умовах, може дати різний економічний ефект. Це залежить від часу її використання і завантаження, а також від рівня кваліфікації кадрів, що обслуговують нову техніку і здійснюють поточний ремонт і налагодження.

Критерієм економічної ефективності, нової техніки і капіталовкладень виступає підвищення ефекту, зробленого в плині прийнятої одиниці часу, до витрат живої й упредметненої праці використаної в процесі виробництва.

Доцільність створення і використання нової техніки, винаходів і раціоналізаторських пропозицій зважується на основі розрахунку економічного ефекту, обумовленого на річний обсяг виробництва і річний обсяг робіт виконуваного за допомогою нової техніки в розрахунковий період (10 років).

Річний економічний ефект являє собою сумарну економію усіх видів виробничих ресурсів (праці, матеріалів, капітальних вкладень).

Величину економічного ефекту, одержуваного в сфері експлуатації в розрахунку на одиницю продукції Еп, визначають за формулою [25]:

 (5.2)

де Цб - вартість системи, розробленої по першому способу (капітальні вкладення в базову техніку);

Цн - вартість системи, розробленої по другому способу (капітальні вкладення в мікропроцесорну техніку);

Иб, Ин - поточні витрати для існуючої та нової техніки;

α - коефіцієнт еквівалентності, який знаходиться наступним чином:

 (5.3)

де Тб, Тн - строки служби базової та нової систем;

Ен - нормативний коефіцієнт ефективності;

Пн, Пб - річний об'єм робіт, що виконується одиницею системи, розробленої по першому та другому способам відповідно, які також враховують співвідношення якісних показників роботи систем, тобто функціональні можливості, швидкодію і т. п., приймається рівним 1.4 [2]. Стосовно нормативних документів промислової станції «Промплощадка» строк служби нової техніки дорівнює 8-10 років.

Супровідні капітальні вкладення в обидві системи різні. Для релейної техніки необхідно приміщення для пульта-табло та стативи з реле. Враховуючи їх великі розміри (пульт-табло займає 18 м², статив - 3 м²). загальна величина приміщення складає 21 м². Для мікропроцесорної техніки приміщення для пульта-табло та релейної апаратури не потрібне, але в нашому випадку воно залишається як резервний канал. Замість пульта - табло - монітор та клавіатура з трекболом, а замість релейної - системний блок. При використані нової системи необхідне приміщення тільки для робочого місця чергового по станції (у склад якого входять стіл, крісло та комп'ютер), для якого необхідно 3 м², тому що вся апаратура має малі розміри і вагу, ми його розмістимо у визволеному місці від набірної групи.

Для даної станції (Промплощадка) за статистикою у середньому за старою системою набірної групи було зафіксовано 1 поїздо - година простою за рік. Як ми знаємо виявлення та усунення(попередження) пошкоджень при застосуванні мікропроцесорної набірної групи складає на 70% швидше ніж у релейному виконанні. Взявши вартість 1 поїздо - години яка дорівнює 291,45 гривень, ми визначаємо що у середньому на рік ми при установці нового устаткування із - за усунення швидше пошкоджень у нас витрати зменшаться до 87,435 гривень (за умови що кількість пошкоджень не буде збільшуватися). Томи ми ці данні підставимо у формулу 5.2, та складемо з Иб та Ин тобто вирахуємо різницю.

Функціональні можливості мікропроцесорної системи більші релейної майже у 1.5 рази, тому співвідношення ПН/ПБ береться приблизно рівним 1.3-1.4. При використанні нової техніки не потрібно будівництва приміщень для стативів, звільняться корисні площі; вся апаратура нової схеми керування цілком розміщується на тому ж стативі тому що має малі розміри і вагу.

Використовуючи формулу 5.3, знаходимо коефіцієнт еквівалентності:

.

Виходячи з перерахованих вище даних, розраховуємо економічний ефект, використовуючи формулу 5.2:

Отримана сума (9352,67 грн.) є економічним ефектом за період терміну служби нової техніки.

Термін повернення капітальних вкладень в МПЦ:

 (5.4)

років.

По економічно обґрунтованим результатам можна зробити висновок що впровадження нової мікропроцесорної техніки, а саме мікропроцесорної централізації на проміжних станціях залізничного транспорту, є економічно обґрунтованим, бо термін повернення капітальних вкладень в МПЦ - 2,98 років < 8 років, тому впровадження даної системи є цілком доцільним. Також економічний ефект досягається за рахунок наступних чинників:

) Зменшується час пошуку несправностей завдяки вбудованій системі діагностики. Це в свою чергу зменшую час простою рухомого складу;

) Необхідно будівництва приміщень для стативів;

) Використання новітньої технічної бази дозволяє відмовитись від типових релейних систем ЕЦ, це в свою чергу зменшує затрати на утримання штату працівників служби сигналізації та зв'язку.

Висновки

1 Переважна більшість МПЦ має децентралізовану структуру з локальними модулями для підключення напільного обладнання, що дозволяє локалізувати наслідки відмови. Основні функції виділені апаратно. Модулі периферії оснащуються контролерами, що додає їм «інтелектуальні властивості», за рахунок цього розширяються їх функціональні можливості, підвищується надійність роботи. Особлива увага в сучасних МПЦ приділяється гнучкості структури, можливості її адаптації до найбільшого кола споживачів.

2 Проектована станція Промплощадка обладнана (умовно) мікропроцесорною електричною централізацією, структурна схема якої має три рівні: рівень фіксації команд управління і візуалізації (АРМ ДСП); рівень обробки формування команд управління і сигналів контролю станів об’єктів за допомогою програмованого логічного контролера; рівень управління напольним обладнанням (схеми стрілок, сигналів, датчиків). Обладнання якого розташоване на пості електричної централізації. Управління станцією відбувається безпосередньо з автоматизованого робочого місця чергового по станції (АРМ-ДСП). На станції також є автоматизоване робоче місце електромеханіка (АРМ-ШН).

3 У зв′язку з впровадженням нових технічних засобів був виконаний розрахунок економічної ефективності від впровадження нової системи.