МОДУЛЬ УПРАВЛЕНИЯ СИГНАЛАМИ СВЕТОФОРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИГНАЛАМИ СВЕТОФОРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ
RAILWAY AUTOMATION TRAFFIC SIGNALS CONTROL MODULE AND RAILWAY AUTOMATION TRAFFIC SIGNALS CONTROL METHOD

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к железнодорожной автоматике, а именно к способам и устройствам управления сигналами светофоров, и может быть использовано на железнодорожных станциях для контроля и управления сигналами светофоров.
Из уровня техники известно устройство управления светофорами, содержащее станционный блок управления и перегонные блоки управления светофорами, соединенные между собой линиями связи, отличающееся тем, что станционный блок управления состоит из центрального двухканального обработчика сигналов со схемой безопасности, первый и второй входы которого подключены к соответствующим CAN-интерфейсам, а его первый и второй выходы контрольного сигнала соединены соответственно с первым и вторым усилителями, выход первого канала центрального обработчика сигналов через первый модем проводной связи подключен к первому входу первого сумматора/разделителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя контрольного сигнала, а выход второго канала центрального обработчика сигналов через второй модем проводной связи подключен к первому входу второго сумматора/разделителя сигналов, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя контрольного сигнала, выходы первого и второго сумматоров/разделителей сигналов подключены к линиям связи, каждый перегонный блок управления состоит из подключенного к соответствующей линии связи сумматора/разделителя сигналов, соединенного через модем проводной связи с узлом управления светофором и с узлом управления/контроля светофором, выходы которых соединены с блоком управления лампами светофора, выход сумматора/разделителя сигналов подключен к управляющему входу блока питания, соединенного с блоком управления лампами светофора (см. патент РФ №2537360, Кл. B61L 29/22, опубл. в 2015 г.). В этом устройстве адресный декодер декодирует сигнал от управляющего модуля, выдает команды на ключи, ключи открываются, начинает течь ток, он измеряется измерителем, результаты измерений анализируются, а в случае обнаружения ошибки - происходит обработка ошибки и контролер переходит в заранее предопределенное более безопасное состояние. Схема накачки отслеживает непрерывность поступления приказов, в случае отсутствия постоянно повторяющихся приказов, модуль переходит в заранее предопределенное безопасное состояние, детектор ошибки заземления служит для обнаружения утечки тока питания на землю.
Известно управления светофорной сигнализацией, включающее блок питания, блок логической обработки, блок процессора А, блок процессора В, блоки контроля ламп и управления лампами (см. китайский патент CN 101722969, Кл. B61L 19/06, опубл. в 2010 г.). Это изобретение отличается от заявленного технического решения отсутствием реле безопасности, обеспечивающего включение красного запрещающего сигнала светофора в момент выхода устройства из строя, что препятствует использование подобных систем без резервирования.
Наиболее близким аналогом является устройство управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики включающее блок питания, блок логической защиты, блок процессора А, блок процессора В и линией связи между блоком процессора А и блоком процессора В, блок контроля тока от ламп, реле безопасности и реализованный этом устройстве способ (см. китайский патент CN 101905700, МПК B61L 19/06, опубл. в 2010 году). Устройство по патенту CN 101905700 не имеет контроля состояния нити накаливания лампы в режиме погашенного состояния сигнала, что значительно уменьшает готовность светофора, и пропускную способность всей системы в целом. До момента включения сигнала светофора устройство не располагает достоверной информацией о целостности нити накаливания лампы. Также в данном устройстве отсутствует алгоритм понижения показаний, где любая ошибка, связанная с целостностью нити накаливания лампы переводит устройство в безопасное состояние (красный сигнал). Данный факт также не позволяет управлять поездами более гибко. Например, при вышедшем из строя разрешающем сигнале зеленого света, устройство сразу переключается в режим запрета движения (красный), минуя возможный вариант показания «желтый».
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы недостаточного обеспечения безопасности работы модуля, недостаточной готовности устройства и объекта управления (светофора) и решает техническую задачу исключения возможности осуществления внешней подпитки цепи управляющего модуля светофоров от соседних аналогичных управляющих модулей, гарантированного ухода в безопасное состояние при возникновении отказа или неисправности, а также своевременное обнаружение неисправностей в цепи лампы накаливания сигнала.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что модуль управления огнями светофора, содержащий безопасные реле, на входе подключенные через реле выбора режима горения к шине питания, на выходе подключенные через электронные ключи и измерители тока к цепи питания огней светофоров, управляемые самоотключающимся генератором, снабжен детектором ошибки заземления, связанным с общим обратным проводом питания, а также схемами самотестирования детектора ошибки заземления и безопасных реле. А также тем, что в способе управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики, включающем в себя коммутацию входного напряжения двух уровней для реализации дневного и ночного режима горения светофора через безопасные реле, активируемые при помощи безопасного напряжения, создаваемого в самоотключающемся генераторе при непрерывном получении управляющих воздействий от внешнего управляющего модуля, блок электронных ключей и измеритель тока с измерением величины тока как на горящих, так и на негорящих огнях, в случае выхода величин тока за допустимые пределы, работу модуля продолжают по заранее определенному алгоритму, проводят периодическое самотестирование безопасных реле и детектора ошибки заземления, при этом производят последовательную активацию безопасных реле, посредством аппаратной реализации принципа безопасных отказов, при котором, в случае неисправности модуля и (или) деактивации безопасных реле, напряжение гарантированно снимается со всех выходов цепи питания разрешающих огней и выдается на все выходы цепи питания запрещающих огней, а также производят проверку целостности цепи негорящих огней при помощи кратковременной активации ключей тестирования погасших огней светофора и измерения величины тока по ним
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена функциональная схема модуля управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики. На фиг. 2 изображена структурная схема модуля управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики. На фиг. 3 изображена схема блока безопасных реле, ключей и измерения тока. На фиг. 4 изображена схема управления и измерения на одном канале. На фиг. 5 изображена схема датчика тока на примере одного канала. На фиг. 6 изображена схема самоотключающегося генератора - блока накачки. На фиг. 7 изображена схема детектора ошибки заземления.
1
2
1
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
Функционально модуль управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики представляет собой схему, изображенную на фиг. 1, коммутирующую входное питающее напряжение с шины питания на выходы 1 и 2, в зависимости от приказов, поступающих на модуль по шине 3 передачи данных, связанной со схемой 4 управления декодированием входных данных в управляющий сигнал. Для обеспечения безопасности модуля управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики установлены самоотключающийся генератор 5 (схема накачки) и самоотключающийся размыкатель 6, включающий безопасные реле 7 (см. 7 и 7 на фиг. 2 и 3). В случае если требования по безопасности работы модуля не выполняются, предусмотрено автоматическое отключение генератора 5 и размыкание безопасных реле 7 и 7 для гарантированного размыкания выхода 1 цепи питания разрешающих огней светофоров 8 (лампы 8, 8, 8, 8, 8 и 8) и замыкания выхода 2 цепи питания запрещающих огней светофоров 8. Самоотключающийся размыкатель 6 связан с измерителем 9 тока через блок 10 электронных ключей 10, 10, 10, 10, 10, 10. Измеритель 9 тока предназначен для контроля потребления тока той или иной выходной цепью, в котором измеренный ток сравнивают с заранее предопределенными границами. В случае выхода за их пределы, модуль предпринимает действия, предусмотренные программой функционирования модуля. Измеритель 9 тока связан с детектором 11 ошибки заземления. При этом в течение всего периода работы в модуле предусмотрено проведение оценки величины утечки тока на землю для контроля качества изоляции выходов 1 и 2. Источник 12 предназначен для выдачи напряжения в шину питания модуля и питания ламп светофоров 8.
1
2
1
2
3
4
5
6
1
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
7
Изображенная на фиг. 2 структурная схема модуля управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики иллюстрирует подключение самоотключающегося генератора 5 (блок накачки) посредством безопасных реле 7 и 7 к измерителю 9 тока и блоку 10 электронных ключей 10, 10, 10, 10, 10, 10. Безопасные реле 7 и 7 связаны с блоком 10 электронных ключей 10, 10, 10, 10, 10, 10 и измерителем 9 тока с датчиками 13, 13, 13, 13, 13, 13, 13 тока. Выходы 1 предназначены для управления цепи питания разрешающих огней светофоров 8, а выходы 2 - для управления цепи питания запрещающих огней светофоров 8.
1
2
1
2
На фиг. 3 представлена схема управления безопасными реле 7 и 7. В модуле управления сигналами светофоров 8 железнодорожной автоматики реализована каскадная схема подачи напряжения с шины питания на выход. Первый каскад схемы выполнен посредством безопасных реле 7 и 7.
1
2
1
2
1
3
4
5
6
3
4
5
6
1
2
3
1
2
1
2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
1
1
2
2
1
1
Безопасные реле 7 и 7 выполнены без цепи прохождения тока через их контакты 14, 14, 15 в деактивированном состоянии. Такая схема позволяет избежать несанкционированную подачу напряжения на выходы 1 цепи питания разрешающих огней светофоров 8 (лампы 8, 8, 8 и 8 светофора 8 на фиг. 3) в случае пробоя электронных ключей 10, 10, 10, 10 блока 10. Самоотключающийся генератор 5, включающий в себя таймеры реального времени 16, 16, 16 и преобразователи 17 и 17 напряжения, связан с безопасными реле 7 и 7. Вход 18 цепи питания запрещающих огней от источника 12 питания 10, 10, 10, 10, 10, 10 светофора 8 предназначен для подачи напряжения на электронные ключи 10 и 10 блока 10, а вход 19 цепи питания разрешающих огней предназначен для подачи напряжения на электронные ключи 10, 10, 10, 10. Блок 20 контроля и управления связан с контрольными контактами 21, 22 безопасного реле 7, контрольным контактом 21 безопасного реле 7, обмоткой реле 23 выбора режима горения, а также контактом 24 включения безопасного реле 7.
На фиг. 4 представлена схема управления и измерения на одном канале светофора 8. Каждый канал имеет два ключа: ключ 25 предназначен для нормального управления сигналом, а ключ 26 предназначен для тестирования цепи погасших огней. Резистор 27 - импедансный элемент. Каждый канал связан с токовым трансформатором 28.
1
2
3
4
5
6
7
На фиг. 5. представлена схема датчиков 13, 13, 13, 13, 13, 13, 13 тока (представлена схема только для одного канала). Токовый трансформатор 29 с диодами 30 и 31 и генератором 32 опорного тока связаны с аналогово-цифровым преобразователем 33 посредством операционного усилителя 34 с диодом 35, а также устройством 36 управления выпрямителем с резистором 37 и диодом 38.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0
1
2
1
2
1
2
1
2
0
1
2
3
1
2
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг. 6 изображена структурная схема блока самоотключающегося генератора 5 накачки. Блок самоотключающегося генератора 5 накачки включает три таймера 16, 16, 16 реального времени. Выполняемая ими функция одна и та же, но реализация двух схем таймера 16 реального времени разная. Каждый таймер 16, 16, 16 реального времени имеет собственный адресный декодер 39, 39, 39, для минимизации влияния отказа декодера 39 адреса. Выходы от таймера 16 и 16 преобразуются в два сигнала постоянного тока в двух преобразователях 40 и 40. Каждый преобразователь 41 и 41 напряжения включает одно безопасное реле 7 или 7. На схеме представлен декодер 42 данных, который подключен к селектору 43, а также генератор 44, работающий на частоте 125 кГц. и кодер 45 контрольного слова. К адресным декодерам 39, 39, 39, 39, подключена шина 46, передающая сигналы адресов. К кодеру 45 контрольного слова подключена шина 47, по которой передается контрольное слово, также к данной шине 47 подключено устройство 48 проверки сигнала, подключенное через интерфейс 49 оптопара, к преобразователям 41 и 41 напряжения. Устройство 50 активации таймеров 16, 16, 16 реального времени подключено к генераторам 51, 51, 51 выходного сигнала. В таймерах 16, 16, 16 реального времени адресный декодер 39, 39, 39, соединен с генератором 51, 51, 51 выходного сигнала через логический элемент 52, реализующий функцию конъюнкции.
На фиг. 7 представлена схема детектора 11 ошибки заземления. Детектор 11 ошибки заземления основан на негальваническом генераторе 53 постоянного тока, подключенном между шиной 54 заземления и напольным кабелем последовательно с резистором 55, а также прецизионным резистором 56 к аналогово-цифровому преобразователю 57. К схеме детектора 11 ошибки заземления подключен только общий обратный провод 58 питания. В представленной схеме детектора 11 ошибки заземления реализована схема самотестирования, заключающаяся в параллельном подключении к негальваническому генератору 53 постоянного тока через тестовое реле 59 нагрузочного резистора 60.
1
2
1
1
2
3
6
1
2
1
6
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
7
1
2
1
1
2
1
1
1
2
Способ управления сигналами светофоров железнодорожной автоматики, который можно реализовать с помощью вышеописанного модуля, заключается в том, что напряжение от источника 12 питания, предназначенное для управления огнями светофора 8, делится на входе модуля на напряжение входа 19 цепи питания разрешающих огней с совместным общим обратным проводом 58 питания. Оно выдается на выходы 1 цепи питания разрешающих огней последовательно через контакты 14, 14, 15 безопасных реле 7 и 7, а также на блок 10 электронных ключей 10-10 и измеритель 9 тока только в случае активированного состояния безопасных реле 7 и 7. Для повышения срока службы электронных ключей 10-10, их включение происходит в момент прохождения сигнала переменного напряжения питания огней светофора 8 через нулевой уровень. Активация безопасных реле 7 и 7 происходит посредством выдачи напряжения преобразователями 41 и 41 напряжения на обмотки, в случае непрерывной работы самоотключающегося генератора 5 (схемы накачки) при условии корректной работы схемы 4 управления декодированием входных данных в управляющий сигнал, причем активация безопасного реле 7 происходит только при наличии сигнала «0» на входе AкRe2 блока 20 контроля и управления. Выбор режима горения огней светофора 8 происходит путем подключения общего обратного провода 58 к той или иной шине питания («день», «ночь») посредством реле 23 выбора режима горения, переключение которого производят блоком 20 контроля и управления. При деактивированном состоянии безопасных реле 7 и 7 напряжение питания входа 18 цепи питания запрещающих огней выдается в схему питания ламп запрещающих огней светофора 8 через контакты 61 61, 62, 62, минуя каскад «электронные ключи 10-10 - датчик 13 тока», а напряжение питания входа 19 разрешающих огней обрывается контактами 14, 14, 15 безопасных реле 7 и 7 и на выход 1 цепи питания разрешающих огней светофоров 8 не выдается. Контакт 63 безопасного реле 7 служит для обвязки обратного провода запрещающих и разрешающих огней светофора 8 в один общий обратный провод 58 питания. В целях безопасности производят периодическую проверку отсутствия эффекта сваривания нормально разомкнутых контактов безопасных реле 7 и 7, путем их кратковременной деактивации и проверки наличия сигнала «0» на входах КoнRe1 и КонRе2 блока 20 контроля и управления.
1
2
1
6
7
При условии активации безопасных реле 7 и 7 происходит измерение токов, протекающих в цепях огней светофора 8, как в прямых проводах, при помощи датчиков 13-13 тока, так и в общем обратном проводе 58 питания при помощи датчика 13 тока. Измерение токов производят постоянно, как для горящих (при активации ключа 25 нормального управления сигналом), так и для негорящих (при деактивации ключа 25 нормального управления сигналом) огней. Информацию об измеренных токах передают в управляющий модуль для анализа и обработки по заранее предопределенному алгоритму. Для анализа состояния цепи негорящих огней, при условии деактивации ключа 25 нормального управления сигналом производят кратковременную (80 мс) активацию ключа 26 тестирования негорящих огней. В течение данного цикла в цепь негорящих огней выдают напряжение через импедансный элемент - резистор 27 и производят измерение тока при помощи датчика 13 тока.
Контур детектора 11 ошибки заземления используют для включения испытательной схемы, в которой можно создать замыкание на землю. В случае появления понижения сопротивления изоляции 64 в напольном кабеле происходит замыкание цепи протекания постоянного тока от негальванического генератора 53 постоянного тока через резистор 55, общий обратный провод 58 питания, сопротивление изоляции 64 напольного кабеля, шину заземления 54 и прецизионный резистор 56. Аналогово-цифровой преобразователь 57 измеряет падение напряжения на прецизионном резисторе 56. При активировании тестового реле 59, которое замыкает внутренний токовый контур от негальванического генератора 53 постоянного тока через резистор 55, общий обратный провод 58 питания, нагрузочный резистор 60, контакты тестового реле 59 и прецизионный резистор 56, возникает падение напряжения на прецизионном резисторе 56, что при условии активации схемы внутреннего тестирования схемы детектора 11 ошибки заземления является внутренней проверкой детектора 11 ошибки заземления на землю.
Технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в:
- повышении безопасности схем управления и контроля светофором за счет использования двухкаскадной схемы подачи напряжения в цепи питания огней светофора с применением принципа безопасного отказа, при котором при обесточивании безопасных реле напряжение гарантированно отключается со всех выходов разрешающих огней и гарантированно подключается ко всем выходам запрещающих огней; непрерывного измерения тока на всех выходах модуля как в горящем, так и негорящем состоянии и предусмотренного алгоритма действий в случае его выхода за допустимые пределы, за счет чего достигается непрерывный контроль утечек, внешних подпиток и т.п., могущих привести к несанкционированному горению каких-либо огней светофора;
- повышении коэффициента готовности оборудования за счет проведения внутренних тестов работоспособности детектора заземления и безопасных реле, а также за счет проведения оценки целостности цепей включения негорящих огней светофора, проведения оценки сопротивления изоляции напольного кабеля при помощи детектора ошибки заземления;
- повышении надежности и срока службы оборудования за счет последовательной активации безопасных реле, а также включения электронных ключей управления огнями светофора в момент прохождения сигнала переменного напряжения питания огней светофора через нулевой уровень, а также за счет возможности переключения горения светофора в ночной режим в темное время суток.